细胞分化干细胞细胞生物学.ppt

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1、细胞分化与干细胞,Human cells：Number：1014 cells,200 cell types,细胞分化,Question1：受精卵是如何发育成一个人的？,受精卵是如何发育成具有不同功能的组织器官的？,在个体发育过程中，后代细胞间在形态、结构和生理功能上发生稳定性差异的过程。细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心。,细胞分化(cell differentiation),（一）细胞分化表现为细胞形态结构发生稳定性差异。,-稳定，与功能相适应,一、细胞分化的基本特征,（二）细胞分化的时空性。,*遗传稳定性：果蝇成虫盘细胞的移植实验*决定制约着细胞分化的方向,果蝇成虫盘细胞的移植实验,细

2、胞决定实验示意图,细胞分化的有序性,单细胞生物：时间性多细胞生物：时间性空间性,（三）细胞分化的可逆性去分化与转分化,去分化(dedifferentiation),在特定条件的诱导下，高度分化的细胞可以失去特有的结构和功能，变为具有未分化细胞的特性。这种现象叫做去分化。,转分化(transdifferentiation),从一种特化细胞类型转变为另一种类型的分化细胞的现象。,（四）个体发育中细胞分化的潜能性,1、细胞发育潜能在发育过程中逐渐变窄,单个细胞在一定条件下具有分化发育成完整个体的能力。,全能细胞（totipotent cell),多能细胞（pluripotent cell),分化潜能

3、受限，失去发育成完整个体的能力，但仍具有发育成多种表型的能力。,随着细胞分化，细胞的分化潜能进一步受到限制，只有分化形成某一类型细胞的能力。,稳定型单能(unipotency),因此，就其分化潜能来讲，动物细胞的全能性随着细胞分化程度提高，而逐渐“变窄”，此为细胞分化的普遍规律。,全能细胞,多能细胞,单能细胞,在胚胎发育过程中，由全能多能单能的发育趋向，是细胞分化的一个普遍规律,2、细胞生理状态随分化水平而变化,细胞的分裂能力细胞对环境因子的反应性,高度分化的植物细胞仍具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株。,证据一：,3、分化细胞细胞核的全能性,1958年有人用野生胡萝卜游离的韧皮部细

4、胞进行体外培养的实验中，观察到已经高度分化的细胞可以重新分裂而回得到胚性细胞状态，这种现象叫做去分化或称脱分化，然后通过再分化形成根茎，最终发育成完整的新植株。,证据二：动物细胞核移植实验,爪蟾核移植实验,哺乳动物核移植实验“多莉”（Dolly）羊的诞生,红细胞和肌细胞等体细胞的遗传信息相同吗？,红细胞,血红蛋白基因开启,合成血红蛋白,肌细胞,肌动蛋白基因开启,合成肌动蛋白,细胞分化的实质是细胞按照一定程序发生的差别基因表达,二、细胞分化的调控,分子杂交技术检测基因及其表达,不同类型的细胞在发育过程中表达一套特异的基因，其产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行各自的生理功能。,又称组织特异性基因

5、(tissue-specific genes)指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；如红细胞的血红蛋白基因，皮肤的角蛋白基因。,管家基因(house-keeping gene)：,是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；如核糖体蛋白，线粒体蛋白，膜蛋白、组蛋白。,奢侈基因(luxury gene),（一）细胞分化与差异基因表达,细胞分化的基因表达调控可以发生在转录、翻译以及蛋白质形成后活性修饰等不同水平，其中转录因子介导的转录水平调控最为重要。,-顺式作用元件（包括启动子、增强子、沉默子），促进基因 转录活

6、性，调节基因的组织专一性表达。-反式作用因子（又叫转录因子或调节蛋白），结合特异的顺 式作用元件而激活基因的转录。-包括转录激活和转录抑制两方面。-DNA甲基化-组蛋白的共价修饰,（二）差别基因表达的转录水平调控,DNA甲基化修饰主要与基因抑制有关,人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化,基因活化蛋白引导的染色质局部结构改变,转录后的加工调节非编码RNA在细胞分化中的作用基因重排和基因调控,在卵裂期间，不同的细胞质组分被分配到不同类型的细胞内，这些特殊的组分被称为形态发生的决定子，它们支配细胞分化的途径。,（一）细胞核对细胞分化的影响,（二）细胞质对细胞分化的影响,细胞核内基因选择性表达,三、细胞

7、分化的影响因素,指一部分细胞对其邻近细胞的形态发生影响，并决定其分化方向。胚胎诱导是胚胎形成中有序分化的重要因素如眼的形成。,（三）细胞相互作用对分化的影响,在细胞生物中，细胞间相互作用对细胞分化有较大影响。,1.细胞诱导（induction）,多级诱导：初级诱导：如脊索中胚层诱导其表面的外胚层发育神经板；次级诱导：如神经板卷成神经管后，前端膨大成原脑，其两侧突出的视杯再诱导其上方的外胚层形成晶状体，为次级诱导；三级诱导：晶状体再诱导其表面的外胚层形成角膜，为三级诱导。,脊索中胚层,外胚层,神经板,前脑-视杯,神经管,外胚层,晶状体,外胚层,角膜,在胚胎发育中，分化的细胞受到邻近细胞产生的抑制

8、物影响，其作用与诱导相对。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。用含成体蛙脑组织碎片的培养液培养蛙胚，也不产生正常的脑，说明，已分化的细胞可以产生抑制邻近细胞进行同样的分化的物质，使发育的器官之间相互区别而避免重复发生。,2.细胞抑制,3.细胞粘附分子对细胞分化的作用,细胞粘合是由于同类细胞可以通过表面细胞粘附因子，进行相互识别、黏着、聚集并相互作用，这有利于形态发生以及正常结构的构建和维持。,如：将蝾螈的原肠胚三个胚层的游离细胞体外混合培养，各胚层细胞又将自我挑选，相互黏着，依然形成外胚层在外，内胚层在内，中胚层介于二者之间的胚胎。,2.远距离调节激素是远距离调节细胞

9、分化的信息分子。特点：靶细胞的特异性；激素作用的高效性；如：蝌蚪变态过程中，尾部退化及前肢形成是由于甲状腺分泌的甲状腺素和三碘甲状腺氨基酸的分泌增加所致。如：卵巢产生雌激素，促进雌性第二性征的发育分化。,（四）信号分子对分化的影响,（五）环境因素对分化的影响,1.相邻细胞通过细胞旁分泌产生的信号分子来实现的。如，成纤维细胞生长因子，转化生长因子，Wnt家族等。,肿瘤细胞是生物体内的正常细胞演变而来的。从细胞分化的观点分析肿瘤，可认为，细胞癌变是细胞分化领域中的一个特殊问题,肿瘤细胞是正常细胞分化机制失控造成的。细胞癌变是细胞去分化的结果。癌细胞和胚胎细胞具有很多相似的特性。例：甲胎蛋白,四、细

10、胞分化与肿瘤,传统的治疗方法，外科手术切除化学疗法和放射性治疗都是杀伤性治疗。研究表明肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号作用下，被诱导分化为正常细胞。如，应用维甲酸治疗早幼粒细胞白血病的诱导分化治疗取得了大批病例的成功.提示了肿瘤治疗的一个新方向。,肿瘤细胞经诱导分化后可以“改邪归正”,思考题管家基因、奢侈基因什麽是细胞分化？有那些具体特征？细胞分化的影响因素有那些？为什么说在发育过程中细胞的潜能逐渐变窄？,在个体成熟之后，机体的组织仍然保持着一种特有的自稳性。即在特定组织中细胞的死亡和细胞的增生的速度会维持着一个动态平衡。各种组织还保持着程度不同的损伤后再生的能力，如两栖类动物、哺乳动物的造血系

11、统，小肠，毛发及皮肤等。,干细胞,是一类具有自我更新和多向分化潜能的细胞，它存在于人体或者动物个体发育各个阶段的组织器官中，是各种分化细胞或特化细胞的初始来源。,干细胞,按来源分类,按分化潜能分类,一、干细胞的分类,处于8细胞之前的每一个胚胎细胞都具有全能性，将任意细胞移入子宫，都可以发育为一个完整个体。称为全能干细胞。,全能干细胞,随着发育的进行，形成胚泡，胚泡一侧的内细胞团具有分化为成熟个体中所有细胞类型的潜能，但没有形成完整个体的能力，称为多能干细胞，也称为胚胎干细胞。,随着胚胎继续发育，多能干细胞进一步分化，其后代的分化潜能将进一步变窄。只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化。如

12、神经干细胞只具有分化为神经元、神经胶质细胞的潜能。,多能干细胞,专能干细胞,干细胞是具有强大增殖潜能的原始细胞。细胞通常呈圆形或椭圆形，体积较小。核质比相对较大。细胞中各种细胞器不够发达等。有比较高的端粒酶活性。,二、干细胞的形态和生化特点,不同的干细胞具有各异的生化标志，对于确定干细胞的位置，寻找和分离干细胞有重要意义。如：角蛋白15是确定毛囊中表皮干细胞的标志分子，巢素蛋白是神经干细胞的标志分子。本质特点：具有增殖和自我更新能力，在适当条件下表现出分化潜能。,对称分裂：干细胞分裂产生的两个子细胞都是干细胞（增殖，自我更新）或都是分化细胞（分化）。不对称分裂：干细胞分裂产生一个子代干细胞（自

13、我更新）和一个子代分化细胞（分化）。,A：干细胞的不对称分裂(asymmetry division),B：干细胞群体的不对称分裂(populational asymmetry division),干细胞的增殖分化和自我更新方式：,1.干细胞增殖的缓慢性干细胞进入分化程序前，要经过一个短暂增殖期，产生过渡放大细胞。过渡放大细胞是界于干细胞和分化细胞之间的过渡细胞，经若干次分裂后产生分化细胞，其作用是可以通过较少的干细胞产生较多的分化细胞。,缓慢增殖的生理意义可减少基因发生突变的危险；有利于干细胞对环境信号作出反应。,三、干细胞的增殖特征,2.干细胞增殖系统的自稳定性自稳定性是指干细胞可以在生物个

14、体生命区间中自我更新并维持其自身数目的恒定。,干细胞的分化潜能（全能多能专能）胚胎干细胞的亚全能分化特性成体干细胞的多全能分化特性区别于前体细胞干细胞具有可塑性，在适当条件下干细胞的转分化和去分化。干细胞的转分化：一种组织类型的干细胞在适当条件下分化为另一种组织类型细胞的现象。如人的骨髓干细胞可以分化为肝脏细胞、肌肉细胞、神经细胞等。干细胞的去分化：一种干细胞向其前体细胞的逆向转化。,四、干细胞的分化特征,分泌因子：许多分泌因子对干细胞的生存、增殖和分化具有重要调控作用。受体介导的细胞间相互作用整合素和胞间基质,干细胞的增殖分化是受到严密调控的。,五、干细胞增殖与分化的分子调控,2.它在组织器

15、官中所处是微环境。这种微环境称为干细胞巢。,内源因素。OCT4、Nanog、Sox2以及端粒酶。,胚胎干细胞,胚胎干细胞：来源于胚胎内细胞团(ICM)和原始生殖细胞,具有发育全能性(具有分化发育成三个胚层细胞的潜力)的细胞。胚胎干细胞可以在体外无限扩增并保持未分化状态，具有分化为胎儿或成体动物各种细胞类型的潜能。在适当条件下胚胎干细胞可被诱导分化为多种细胞。,ES细胞（embryonic stem cell）：来源于囊胚内细胞团,EG细胞（embryonic germ cell）：来源于早期胎儿生殖嵴部位原始生殖干细胞,EC细胞（embryonic carcinoma）：来源于畸胎瘤,胚胎干细

16、胞分类,(1)发育良好的囊胚，从中分离内细胞群细胞ES细胞(2)从5-9周的胚胎生殖腺中分离出人的EG细胞(3)恶性胚胎肿瘤或畸胎瘤细胞(4)体细胞核移植：去核卵细胞+体细胞核 克隆 囊胚 分离内细胞群 ES细胞(5)转基因诱导重编程：诱导型多能干细胞（iPS),1.移植治疗：很多疾病或病症（如帕金森病、糖尿病创伤性脊髓损伤等）都可以通过移植人的分化的ES细胞得到治愈。2.其它应用潜能：可用于研究目前无法解释的人类早期发育引起的先天性缺陷和胎盘异动导致的自然流产；可用于毒性筛选；能用于共同治疗互补。,人胚胎干细胞的应用潜能,精原干细胞,精原干细胞(spermatogonial stem cel

17、ls,SSCs)是雄性生殖系干细胞，位于睾丸曲细精管基膜上，既具有自我更新潜能，又具有定向分化潜能，是自然状态下出生后动物体内在整个生命期间进行自我更新并能将基因传递至子代的唯一成体干细胞。,成体干细胞,在成体组织器官中，许多细胞仍具有自我更新及分化产生不同组织细胞的能力。成体干细胞是在成体组织内具有自我更新能力及能分化产生一种或一种以上子代组织细胞的未成熟细胞。,几种成体干细胞,是骨髓中一种能起着造血功能的细胞。人血中的红细胞、血小板、淋巴细胞、粒细胞等,都是由它经过多次分化发育而成的。利用造血干细胞移植治疗的疾病很多。如肿瘤性疾病：白血病；以及非肿瘤性疾病：再生障碍性贫血，重症免疫缺陷病，

18、急性放射病，地中海贫血等。,造血干细胞,神经干细胞(neural stem cells，NSCs)其存在推翻了神经元无法再生的传统观点,神经干细胞移植手术有望让桑兰重新站起来(图),神经干细胞是神经系统中能够增殖分化成神经元和神经胶质细胞的特定原始神经细胞。目前已在哺乳动物的中枢神经系统多个部位发现并分离出神经干细胞。对治疗帕金森氏病、Huntington病、脑、脊髓损伤等,神经系统疾病到来了希望。,具有分化为间质细胞的潜能，可以分化为多种间充质组织，如骨、关节、脂肪、肌肉、骨髓基质。在体外容易被诱导为成骨细胞和软骨细胞，因此在骨损伤，骨组织畸形治疗方面具有潜在应用价值。,间充质干细胞,其他成体干细胞,皮肤干细胞维持机体体表屏障的动态平衡小肠干细胞位于小肠内腔面隐窝深处角膜干细胞维持了角膜上皮的更新和再生。肝干细胞具有分化为肝细胞和胆管上皮细胞的潜能。,干细胞的应用研究,1.胚胎干细胞育出心脏组织,2.骨髓干细胞育出肾脏组织,3.成人干细胞治心梗,4.脐血干细胞治疗白血病,5.皮肤干细胞治疗烧伤,6.神经组织细胞治疗帕金森症,7.胰岛干细胞治疗糖尿病,展望：干细胞的长生不死梦,