第十四章CELLDIFFERENTIATION細胞分化與胞質分裂第一節

細胞分化的基本概念CelldifferentiationoccursinmulticellularorganismsHuman:1014cells,>200celltypes細胞后代在形態、結構和功能上發生差異的過程。什么是分化？細胞具有發育成完整個體的潛能。

如受精卵、2-細胞期細胞、8-細胞期細胞(哺乳類)具有分化出多種組織的潛能。

如成體中的有些多能干細胞。只能分化出一種細胞的分化潛能。

如成體中的有些單能干細胞全能性(totipotency)：多能性(pluripotency)：單能性(monopotency)：（一）細胞間的相互作用二、細胞分化的機理多細胞生物形成的四個基本過程眼的誘導(induction)發育過程：視細胞可誘導其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導外胚層形成角膜。STAP事件：笹井芳樹(YashikiSasai)日本理化研究所發生與再生科學綜合研究中心副主任從ES中培養出視杯、皮層、腦垂體胚胎誘導：(embryonicinduction)：胚胎發育過程中，一部分細胞影響相鄰細胞向一定方向分化的作用。誘導細胞釋放信號分子誘發周圍的細胞向某個方向分化。誘導細胞叫組織者(organizers)，分泌的可擴散誘導物叫形成素(morphogen)Morphogen從組織者處存在濃度梯度，這是誘導周圍組織細胞發生不同改變的基礎。卵細胞具有極性，細胞核靠近動物極。動物極：極體釋放的部位；植物極：相對動物極而言，母體物質主要儲存在于植物極。二、細胞分化的機理（二）細胞分裂的不對稱性動物卵細胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布；卵裂后的細胞質的特性決定了子細胞核的分化命運。細胞決定：三歲看到老細胞分化：形態、功能發生變化。細胞決定：出現差異之前，已經確定了未來的發育方向，只能向特定的方向分化。第二節

細胞胞質分裂胞質分裂胞質分裂：分裂溝“Rappaport分裂溝”形成實驗

：星體刺激假說

中間紡錘體假說星體松弛假說

分裂溝形成部位決定：沒有單個的假說可以解釋所有的實驗觀察，所以分裂溝位置的可能由這些機制組合共同決定，或者還有其他機制，因為不同的細胞類型不同的機制的重要性也不一樣。例如線蟲的胚胎細胞中，由相當的證據表明星體刺激和中間紡錘體機制都很重要。動物細胞胞質分裂的位置和時間決定時間：中／后期轉換之后空間：分裂溝的位置，紡錘體赤道板胞質分裂的時間與空間控制：由于胞質分裂的進程必須和有絲分裂的進行相協調，所以很顯然中間紡錘體的形成也要被細胞周期調控系統控制，如Cdk1。Cdk1使中間紡錘體組織蛋白的磷酸化使Cdk1可以控制中間紡錘體組織的時間：中期-后期轉換以前，活化的Cdk1磷酸化組裝中間紡錘體的諸多調控因子，抑制了他們的組裝活性。當中期-后期轉換以后周期蛋白B被APC降解，抑制解除，才開始組裝中間紡錘體。時間：中／后期轉換之后：Cdk1另外有意思的是，原來有絲分裂中期定位在動粒的蛋白質，在后期開始出現在中間紡錘體上。這些蛋白質包括兩個有絲分裂蛋白激酶Plk和AuroraB。Cdk1主要調節中間紡錘體形成的時序性，而AuroraB主要負責的中間紡錘體形成的空間調控。空間：分裂溝的位置，紡錘體赤道板：

中間紡錘體還包括其他幾種潛在的調節蛋白，叫乘客蛋白，原來在有絲分裂中期定位在動粒，后期開始就出現在中間紡錘體上。這些蛋白質包括兩個有絲分裂蛋白激酶Plk和AuroraB。AuroraB部分通過磷酸化而啟動MKLP-1的功能對胞質分裂的完成起重要作用。由于中期-后期轉換后，AuroraB從動粒轉移逐漸到中間紡錘體上，在分離的染色單體之間就形成了一個AuroraB激酶活性的梯度，使AuroraB調控了中間紡錘體在特定的部位形成胞質分裂相關結構之一：收縮環：微絲

收縮環：一個圍繞在細胞赤道板皮層下，環平面和染色體分離軸垂直對切的蛋白質環。收縮環的主要組成成分是具有收縮能力的纖維蛋白肌動蛋白和馬達蛋白肌球蛋白II束，他們的收縮將引起收縮環收縮，將細胞膜內拉胞質分裂時，肌動蛋白纖維的正端被未知的蛋白質錨定在細胞皮層，采用與肌肉收縮類似的機制，以肌動蛋白纖維為軌道，向肌動蛋白纖維的正端運動。結果肌動蛋白錨定的細胞皮層靠近，引起細胞膜的皺縮胞質分裂環的組裝分裂部位出現的肌動蛋白纖維要么是招募其他地方預先存在的纖維，要么在原位重新形成纖維。這兩種可能性都存在，但是后者似乎更重要。隔蛋白（Septin）：是GTP酶，可以組裝成大的復合物和纖維。動物細胞里正常的胞質分裂和肌動蛋白纖維在分裂溝部位共定位也需要隔蛋白。我們既不清楚隔蛋白功能的分子基礎，也不知道它的GTP酶活性的作用，盡管一個可能性是隔蛋白可以作為胞質分裂器組織的結構骨架。Anillin：一個具有多個結構域的蛋白質，可以和肌動蛋白、肌球蛋白II和隔蛋白結合。果蠅細胞隔蛋白的正確定位需要anillin，其功能缺失導致胞質分裂的部分缺陷。IQGAP蛋白質：一個蛋白家族，和肌動蛋白纖維作用，至少在酵母細胞里為正常收縮環的形成所必需。芽殖酵母里蛋白質Iqg1在后期剛好于肌動蛋白之前出現在芽體頸部，

負責這個位點肌動蛋白的招募。動物細胞收縮環的一個主要調控因子是Rho，一個Ras/Ran家族的小GTP酶。在結合GTP活性的狀態下，Rho和分裂溝的多個靶蛋白相互作用，包括那些影響肌動蛋白-肌球蛋白環的裝配和收縮的蛋白質

胞質分裂相關的結構之二：中間紡錘體：微管

有絲分裂時存在兩個紡錘體：有絲分裂紡錘體和中間紡錘體，兩者都是由微管組裝成的雙極結構，正端在紡錘體中央重疊。兩者出現的時間不同：前者出現在有絲分裂進入時，而后者存在于有絲分裂退出后、胞質分裂開始時。微管的活潑特性不同：中間紡錘體的微管比較穩定，如采用Nacodazole處理后期開始后的細胞兩分鐘，星體微管全部解聚，而中間紡錘體微管則不受影響。中間紡錘體的來源有兩個：有絲分裂紡錘體微管和重新形成的微管。當有絲分裂紡錘體兩極被拉開時，微管的負端從極體上被拉脫，參與組織中間紡錘體。但是仍不知道這些自由的微管的負端是如何穩定。另一方面，即使在沒有有絲分裂紡錘體的極端情況下，中間紡錘體也可以形成，表明存在從頭合成的形成中間紡錘體的機制。但兩者的權重仍不清楚。中間紡錘體的組裝中間紡錘體的自我組裝需要微管結合蛋白MAPs、馬達蛋白和有絲分裂激酶，包括PRC1、MKLP1、CPC等。

第三節

不均等分裂細胞的不對稱分裂決定子細胞命運和功能的分化

在特定的情況下，一些細胞的分裂并不均等，兩個子細胞沒有繼承相同的細胞質成分，包括細胞器和生物大分子，甚至姊妹染色單體的分配也會存在子細胞的偏重。這種不對稱的分裂方式在胚胎早期發育過程中可以產生兩個具有不同的發育命運的子細胞，更重要的是保證了成體干細胞干性維持和定向分化的平衡。（一）不對稱分裂體現為細胞成分的不均等分配

細胞器的不均等分配：中心體：母中心粒（M）和子中心粒（D）組成，M、D中心粒分別半保留復制出孫中心粒GD1，GD2，形成M-GD1和D-GD2兩個中心體。兩者分配不對稱。

芽殖酵母:M-GD1----芽體；果蠅的雄性生殖干細胞（GSC）:M-GD1----干細胞果蠅幼蟲神經母細胞（NBs）:D-GD2----神經母細胞哺乳動物神經祖細胞:M-GD1----祖細胞中。不對稱分裂時，其他細胞器如線粒體、內質網通過與細胞骨架如微絲和微管的相互作用，在兩個子細胞之間不均等分配。一般而言，增殖能力強的子細胞將獲得質量更好、更具功能的細胞器，如芽殖酵母的芽體細胞更傾向于獲得代謝能力更旺盛的線粒體。細胞器的不均等分配2.生物大分子的不均等分配

早期胚胎發育過程中分裂時生物大分子在子細胞之間的不均等分配已經是被廣泛接受的概念：包括蛋白質、mRNA等生物大分子的不均等分配是兩個子細胞不同命運決定的根本原因。現在越來越多的的研究表明，細胞分裂時生物大分子的不均等分配可能具有更廣泛的意義。如果把一些受損或錯誤折疊的蛋白質、ROS損傷的DNA、脂類等大分子特異地分配到一個子細胞中，犧牲這個子細胞就可以防止另外一個細胞的衰老。

3.姊妹染色單體不均等分配

果蠅GSC的不對稱分裂時，舊組蛋白H3主要存在與GSC中，而新合成的組蛋白H3主要分布在精原細胞中。這可能與新合成的組蛋白在新舊DNA鏈上裝配的偏重有關。新合成的組蛋白往往其N端被乙酰化修飾，乙酰化的組蛋白在一些組蛋白分子伴侶的協助下，通過與PCNA相互作用，在復制叉通過后組裝新的核小體。進一步的問題是：既然不對稱分裂時組蛋白存在不均等分配，復制后的DNA鏈是否也存在不均等分配？答案顯然是Yes。即便不是所有，至少也是部分姊妹染色單體，在不對稱分裂時存在不均等分配的現象。果蠅GSC中的X、Y染色體的兩個姊妹染色單體存在非隨機分配，其中一條姊妹染色單體分配到GSC的比率為85%。但是其他常染色體卻不存在這種偏重的現象。現在流行的觀點認為，DNA的兩條鏈分別攜帶了不同的遺傳信息，有絲分裂器可以識別新舊DNA鏈，將不同的染色單體偏重分配到不同的子細胞中，控制兩個子細胞的分化命運。干性的維持的一個簡單直接的解釋：干細胞繼承的染色單體的“干性基因”表達更為活躍，而分化細胞繼承的染色單體的“干性基因”表達相對沉默。（二）、不均等分裂的原因：外界信號分子外界極化達到環境細胞內部的不對稱性1，復制后兩個中心體的不同特性影響細胞組分的不

均等分布

中心體復制后形成的兩個M-GD1和D-GD2中心體特性不一：。首先，兩者的蛋白組成存在很大差異，M-GD1和D-GD2分別具有其特異的蛋白質存在，如M-GD1上的ε-微管蛋白,Centriolin和D-GD2上的Centrobin,Neural4等；其次，M-GD1和D-GD2中心體作為MTOC的活性也不一樣，M-GD1的MTOC活性更活躍；另外，環繞在M-GD1和D-GD2中心體周圍的PCM的組成甚至大小都可能會影響到中心體與其他細胞組分的相互作用。2，有絲分裂紡錘體的位置和指向導致細胞的不對稱分裂

兩者的運動特性不一樣：其中一個與細胞皮層錨定，表現為相對惰性，而另外一個活躍地移動到細胞核的另外一側。兩個MTOC活性的差異：導致形成的紡錘體極的不同，如果蠅幼蟲的神經母細胞中靠近基底部的紡錘體極核化的微管短，而另側的紡錘體極核化的微管長。因此基底紡錘體極更靠近基底部，導致中間紡錘體移向細胞基底端，指導的胞質分裂部位更靠近基底端，形成一大一小兩個子細胞。第四節：分化的根本原因

差別基因表達！

一般而言，體內各種細胞均含有物種的全部基因。而在任何時間內一種細胞的基因組中只有一少部分基因在活動。

不同種類細胞的基因分別選擇性地進行活動(表達)的現象——差別基因表達(differentialgeneexpression)

不同種類細胞的基因選擇性表達的結果，決定了該類細胞的分化方向持家基因(house-keepinggenes)：

奢侈基因(luxurygenes)：

組織專一性基因(tissue-specificgenes)維持細胞生存所必需的，這類基因在各種細胞中都處于活動狀態在特定組織細胞中專一性選擇表達表達基因如核糖體蛋白、線粒體蛋白、糖酵解酶的編碼基因如血紅蛋白、清蛋白、角蛋白的編碼基因等。表達的不同基因類型：基因調控的層次：EpigeneticregulationHistone3modification：MicroRNAslncRNADNA損傷反應與細胞周期

自發突變誘發突變化學物質和射線。損傷的DNA在其復制或分離前得到修復，因此基因序列上的改變極少會傳遞到子細胞中。細胞內存在感應蛋白，能夠對基因組進行掃描，探測DNA的損傷，招募特定的酶來進行修復。——不影響細胞功能如果DNA的大面積損傷并且不容易修復，損傷感