医学细胞生物学第15章细胞分化.ppt
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1、细胞分化,Differentiation of the Cell,细胞分化的基本概念 细胞分化的分子基础 细胞分化的影响因素 细胞分化与肿瘤细胞 细胞分化与再生,细胞分化,细胞分化(cell differentiation),是指受精卵在个体发育的过程中产生了在形态结构、生理功能及生化特征方面具备稳定性差异的另一类细胞的过程,是个体发育的基础和核心。,细胞分化的基本概念,细胞分化的概念及一般规律,细胞分化的基本概念,两个特点“同源”细胞“异化”过程,细胞分化的概念及一般规律,Human:1014 cells,200 cell types,细胞分化的基本概念,细胞分化的概念及一般规律,在一定条件
2、下可发育分化成一个完整个体的单个细胞称为全能细胞(totipotent cell),如受精卵及8细胞期之前的胚胎细胞均为全能细胞;,细胞分化显著规律:随着个体发育的进行,细胞的分化能力逐渐“缩窄”,由“全能”“泛能”“多能”“单能”终末分化细胞,胚胎干细胞为一类泛能细胞,不能发育分化成完整个体,但可以诱导分化成多种组织的细胞,细胞分化的基本概念,细胞分化的概念及一般规律,细胞分化的基本概念,细胞分化的概念及一般规律,三胚层的分化,在三胚层形成后,细胞分化潜能受到限制,各胚层细胞只能向特定组织和器官分化称为多能细胞(pluripotent cell),也叫成体干细胞如造血干细胞、神经干细胞、间充
3、质干细胞等。,造血干细胞,神经干细胞,细胞分化显著规律:随着个体发育的进行,细胞的分化能力逐渐“缩窄”,由“全能”“泛能”“多能”“单能”终末分化细胞,造血干细胞的分化过程,多能造血干细胞,细胞分化的基本概念,细胞分化的概念及一般规律,器官形成后,细胞的分化能力进一步受限,在某些组织的局部保留有一些只能定向分化为该种组织细胞的单能细胞(unipotent cell),如毛囊细胞、表皮干细胞、小肠隐窝细胞等。,细胞分化显著规律:随着个体发育的进行,细胞的分化能力逐渐“缩窄”,由“全能”“泛能”“多能”“单能”终末分化细胞,细胞分化的基本概念,细胞分化的概念及一般规律,终末分化细胞虽然不具备分化能
4、力,但核移植实验(体细胞克隆)证实:终末分化细胞的细胞核仍具备全能性,即全能性细胞核,细胞分化显著规律:随着个体发育的进行,细胞的分化能力逐渐“缩窄”,由“全能”“泛能”“多能”“单能”终末分化细胞,核移植实验的理论和实践意义,细胞分化后遗传物质并没有发生不可逆改变;卵子细胞质中含有激活基因表达活性的控制因子。某些细胞的核不能用于移植实验,说明这些细胞分化后基因组受到损伤,完全丧失了全能性,发育过程中的染色体丢失现象马蛔虫染色体片段的丢失(2n=2)小麦瘿蚊的染色体丢失(40 to 8)哺乳动物成熟红细胞核的丢失,核移植实验的理论和实践意义,哺乳动物核移植实验“Dolly”(1996年7月5日
5、-2003年2月14日)的产生,核移植(体细胞克隆)与医疗性克隆,诱导式多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS cells),2006年,日本京都大学山中伸弥(Shinya Yamanaka)发现将四个基因送入已分化完全的小鼠皮肤成纤维细胞,即可以把成纤维细胞重编程,变回类似于胚胎干细胞的多能性干细胞,称之为“诱导产生的多功能干细胞”(Induced pluripotent stem cells,IPS cells)。,Dr.Shinya Yamanaka,PhD,诱导式多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS
6、cells),2007年,山中伸弥研究团队再次成功地利用3-4个基因导入人类皮肤细胞,将其成功地转变成iPS细胞!同时,美国James Thomson研究团队利用4个基因将人类体细胞重编程为干细胞!42007年底,美国George Daley实验室从病人门诊时取得的皮肤细胞量身订作一个私人的干细胞库,将iPS细胞用于治疗人类退化性疾病已迈入真正的临床新纪元!,Dr.Kazutoshi Takahashi,PhD,Human iPSCs,In 2012 he andJohn Gurdonwere awarded theNobel Prize for Physiology or Medicinef
7、or the discovery that mature cells can be converted to stem cells,诱导式多能干细胞(induced pluripotent stem cells,iPS cells),三胚层的分化,细胞分化的基本概念,细胞决定概念,细胞在任何可识别的分化性状出现之前就已受到约束,只能向特定的方向分化,这时细胞内部已发生变化,确定了未来的发育命运,这就是细胞决定(cell determination),细胞分化的基本概念,细胞决定概念,肢芽,翼芽,翅膀长出脚趾,鸡胚肢芽/翼芽移植试验:移植前,肢芽(长出大腿)和翼芽(长出翅膀)两处细胞形态相同,均
8、未分化,若将肢芽组织块移植至翼芽部位,则翼尖会长出脚趾。,蛙/蝾螈胚胎预定口部外胚层的移植试验:将蛙原肠胚预定口部外胚层上皮移植并取代蝾螈原肠胚预定口部外胚层相应部位,结果蝾螈具有蝌蚪的吸盘;若将蝾螈的预定口部外胚层上皮移至蛙胚,则蝌蚪长出了蝾螈的平衡杆结论:蛙/蝾螈的预定口部外胚层上皮已决定其发育方向,细胞分化的基本概念,卵母细胞的不对称性,细胞决定成因,卵母细胞的极性与早期胚胎发育的不对称分裂早期胚胎发育中细胞之间或细胞群(层)间的相互作用维持并强化了细胞决定信号分子的梯度效应(细胞所处位置决定其分化方向),细胞分化的基本概念,细胞决定成因,三胚层的分化,各胚层细胞间的相互作用有助于维持各
9、胚层的发育命运,卵母细胞的极性与早期胚胎发育的不对称分裂早期胚胎发育中细胞之间或细胞群(层)间的相互作用维持并强化了细胞决定信号分子的梯度效应(细胞所处位置决定其分化方向),细胞分化的基本概念,细胞决定成因,细胞分化的基本概念,细胞决定成因,当信号分子从一个源头向外扩散时,往往形成一个信号的浓度梯度,使得距源头远近不同的细胞根据自己周围信号分子的浓度,表现出各种不同的发育取向。,卵母细胞的极性与早期胚胎发育的不对称分裂早期胚胎发育中细胞之间或细胞群(层)间的相互作用维持并强化了细胞决定信号分子的梯度效应(细胞所处的位置决定其分化方向),形态发生蛋白Shh在小鸡肢芽发育中的作用,前 端,后 端,
10、翼芽的极化区(信号源头),前 端,后 端,将翼芽的极化区组织移植到另一翼芽的前端,在正常生理条件下,已分化细胞具有稳定性(不可逆性);但在特殊条件下,已分化细胞失去特有的结构和功能,回到未分化状态。,细胞分化的基本概念,细胞的去分化和转分化,细胞的去(脱)分化细胞的转分化去分化和转分化的本质和意义,植物细胞的去分化,动物细胞的癌化,细胞转分化示意图,细胞分化的基本概念,细胞的去分化和转分化,细胞的去(脱)分化细胞的转分化去分化和转分化的本质和意义,在特殊条件下,已分化细胞从一种分化状态转变成另一种分化状态。,成纤维细胞转分化为其他类型的细胞,水母细胞的转分化,The hepatocyte-to
11、-beta cell transdifferentiationHepatocytes are obtained by liver biopsy from a donor or patient with diabetes,cultured and expandedex vivo,transduced with a pdx-1 virus,transdifferentiated into functioning,insulin-producing beta cells,and then transplanted into a patient with diabetes.,可控转分化与基因治疗,PN
12、ASMay 31,2005vol.102no.227781-7782,细胞分化的基本概念,细胞的去分化和转分化,细胞的去(脱)分化细胞的转分化去分化和转分化的本质和意义,细胞全能性(cell totipotency)是指单个细胞(已分化或未分化)在一定条件下可发育分化成一个完整个体的潜在能力。全能性细胞应该具有正常完整的基因组,在特定条件下可表达基因组中任何基因,发育分化形成该个体的任何种类的细胞。,A,决定,B,去分化,转分化,C,细胞分化的基本概念,细胞的去分化和转分化,细胞的去(脱)分化细胞的转分化去分化和转分化的本质和意义,细胞全能性(cell totipotency)是指单个细胞(已
13、分化或未分化)在一定条件下可发育分化成一个完整个体的潜在能力。全能性细胞应该具有正常完整的基因组,在特定条件下可表达基因组中任何基因,发育分化形成该个体的任何种类的细胞。,通过去/转分化实现细胞弹性分化,D,成纤维细胞的弹性分化扮演“干细胞”的角色,细胞分化的基本概念,细胞分化的时-空性,多细胞生物个体发育过程中细胞的分化是在时间和空间这两个维度同时进行的:,同一个细胞,其分化过程往往跨越多个发育阶段,在每一阶段(时间点)会表现出某些分化的中间形态,并最终在特定发育时间形成终末分化形态。由于所处空间位置的差异,同一细胞的后代可能有完全不同的分化命运,此为空间上的分化。,细胞分化Vs 细胞分裂,
14、细胞分化的基本概念,分裂使机体细胞数量增加,分化使细胞种类增加;分化在分裂的基础上进行,没有分裂就没有分化;分化发生于G1期,若G1期很短,则分化减慢;分裂旺盛的细胞,分化缓慢;终末分化的细胞,分裂缓慢甚至不再分裂。,细胞分化Vs 细胞分裂,细胞分化的基本概念,分裂使机体细胞数量增加,分化使细胞种类增加;分化在分裂的基础上进行,没有分裂就没有分化;分化发生于G1期,若G1期很短,则分化减慢;分裂旺盛的细胞,分化缓慢;终末分化的细胞,分裂缓慢甚至不再分裂。,细胞分化Vs 细胞分裂,细胞分化的基本概念,时空性:分化细胞在特定的空间和时间出现,定向性:细胞决定,稳定性:细胞与细胞之间出现稳定的差异,
15、可逆性:转分化和去分化,弹性分化,普遍性:分化和分裂相伴而行,是多细胞生物的两件头等大事,细胞分化的基本概念,细胞分化的特点,细胞分化,细胞分化的基本概念 细胞分化的分子基础 细胞分化的影响因素 细胞分化与肿瘤细胞 细胞分化与再生,细胞分化的本质基因的选择性(差异)表达,在个体发育的过程中,细胞的基因并无丢失,而是出现选择性表达,转录产生不同的mRNA,翻译出不同的蛋白质,细胞之间因此出现了差别(分化)。因此基因的选择性表达(差异表达)是细胞分化的本质。,细胞分化的分子基础,根据对细胞分化是否有贡献,基因可分为:,细胞分化的分子基础,两个特点:维持细胞生存必需 与细胞分化无关,管家基因奢侈基因
16、,细胞分化的本质基因的选择性(差异)表达,基因组内某些基因仅在特定细胞或特定条件下才表达,编码具有特殊功能的蛋白质产物,称这些基因为奢侈基因(luxury gene)。,奢侈基因(luxury gene),细胞分化的分子基础,细胞分化的本质基因的选择性(差异)表达,管家基因奢侈基因,根据对细胞分化是否有贡献,基因可分为:,两个特点:细胞生存不一定需要 与细胞分化有关,成红细胞:血红蛋白和碳酸酐酶表皮细胞:角蛋白浆细胞:球蛋白肌纤维:肌球蛋白和肌动蛋白,细胞分化的标志:新的特异性蛋白质(特定奢侈蛋白)的合成,细胞分化的分子基础,基因选择性表达的成因1胞质分配不均,卵裂时,卵细胞质各区域的组分分布
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