【正文】 細(xì)胞分化的分子機(jī)制 顯微手術(shù)和基因組學(xué)揭開(kāi)了發(fā)育控制之迷 … … 基因克隆和測(cè)序展現(xiàn)出其分子機(jī)理 … … 中 山 大 學(xué) 主講：楊 中 漢 （ ） 分子生物學(xué)與臨床 分子生物學(xué)與臨床 本章內(nèi)容： ? 細(xì)胞分化潛能與干細(xì)胞 ? 細(xì)胞分化與基因組變化 ? 參與細(xì)胞分化的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路 ? 基因表達(dá)與組織形成 ? 特異性蛋白基因表達(dá)的發(fā)育階段性 ? 基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制（小 RNA分子調(diào)控） ? 影響細(xì)胞分化的因素 ? 細(xì)胞分化異常與疾病 指多細(xì)胞生物成長(zhǎng)發(fā)育中，在一些內(nèi)在機(jī)制作用下，細(xì)胞在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生理功能及生化特征等方面逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異，成為多種不同的細(xì)胞類型，以形成個(gè)體不同的組織、器官和系統(tǒng)。 人體約有 200種不同的分化細(xì)胞 細(xì)胞分化 （ cell differentiation ） ? 指細(xì)胞分裂和再生的過(guò)程，細(xì)胞通過(guò)分裂進(jìn)行增殖，使遺傳信息傳給子代，保持物種的延續(xù)和數(shù)量增多。 細(xì)胞增殖（ cell prolifeation ） ? 增殖與分化緊密相連 增殖過(guò)程中分化，分化過(guò)程中增殖。 ? 細(xì)胞增殖分化異常從本質(zhì)上講是基因的調(diào)控異常。 細(xì)胞分化特征 ? 1 ）判斷細(xì)胞分化指標(biāo)： 細(xì)胞形態(tài)、生化特征、功能 ? 2 ）細(xì)胞分化的形式 ①時(shí)間上：指一種細(xì)胞在不同的發(fā)育階段有不同的形態(tài)和功能變化（骨髓內(nèi)造血干細(xì)胞的發(fā)生過(guò)程）。 ②空間上：指來(lái)源于一種細(xì)胞的子細(xì)胞因所處位置不同，其形態(tài)和功能也不一樣（外胚層來(lái)源細(xì)胞可發(fā)育成表皮細(xì)胞或神經(jīng)細(xì)胞）。 ? 3 ）細(xì)胞分化的方式 ：一種是通過(guò)已分化細(xì)胞的簡(jiǎn)單倍增，形成新的分化細(xì)胞；另一種由未分化的干細(xì)胞產(chǎn)生。 受精卵發(fā)育按嚴(yán)格的模式和時(shí)間次序發(fā)展，具備發(fā)育為完整個(gè)體的潛力。這種潛力，來(lái)自一組稱為 干細(xì)胞 的分化能力。在個(gè)體發(fā)育整個(gè)過(guò)程中，由于干細(xì)胞的存在使細(xì)胞分化不斷進(jìn)行。 干細(xì)胞的功能是： 維持、修復(fù)作用 自我復(fù)制 多項(xiàng)分化潛能，產(chǎn)生具有分化功能的細(xì)胞 干細(xì)胞 ? 干細(xì)胞有兩方面區(qū)別于其它細(xì)胞的特征： 1， 可分化為與自身完全相同的細(xì)胞， 2， 可生產(chǎn)出特異性分化的細(xì)胞。 ? 根據(jù)個(gè)體發(fā)育過(guò)程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細(xì)胞分類： ①全能干細(xì)胞 胚胎干細(xì)胞 ②多能干細(xì)胞 ③定向干細(xì)胞 成體干細(xì)胞或組織干細(xì)胞 ? 又稱全能干細(xì)胞， 存在于未發(fā)育成熟的胚胎 ，高水平表達(dá)端粒酶，可分化為除構(gòu)成臍胎盤(pán)，臍帶等之外的任何一種特定類型細(xì)胞。 即能長(zhǎng)成動(dòng)物的任何組織和器官。 ?胚胎干細(xì)胞 特定組織中的非特異性細(xì)胞，能無(wú)限制地分裂和自我更新。所產(chǎn)生的子細(xì)胞有兩種結(jié)果：一是保持親代特性，仍作為干細(xì)胞；二是不可逆地向終末方向發(fā)展，成為一至幾種類型的特定細(xì)胞。 ?成體干細(xì)胞 ? 多能干細(xì)胞：分化產(chǎn)生 2種或 2種以上細(xì)胞，例如，骨髓造血干細(xì)胞為多能造血干細(xì)胞，通過(guò)增殖、分化產(chǎn)生定向干細(xì)胞，然后再產(chǎn)生分化細(xì)胞； ? 定向干細(xì)胞：產(chǎn)生的子細(xì)胞只能分化為某一類細(xì)胞，例如精原細(xì)胞、紅細(xì)胞系、白細(xì)胞系等，定向干細(xì)胞失去多方向分化的能力、增殖能力不是無(wú)限的，只能分裂幾次。 2022年 2月韓國(guó)首爾大學(xué)科學(xué)家黃禹錫在 《 科學(xué) 》 雜志上發(fā)表論文，宣布在世界上率先用卵子成功培育出人類胚胎干細(xì)胞； 2022年 5月，又在 《 科學(xué) 》 雜志上發(fā)表論文，宣布攻克了利用患者體細(xì)胞克隆胚胎干細(xì)胞的科學(xué)難題。 首爾大學(xué)調(diào)查委員會(huì)發(fā)表最終調(diào)查報(bào)告宣布，黃禹錫這兩項(xiàng)突破性研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是偽造的。 黃禹錫 2022年培育出第一條克隆狗 （最早克隆動(dòng)物是 1996克隆羊 Dolly） 干細(xì)胞命運(yùn)各不相同，但分化機(jī)制相似：調(diào)控基因 指導(dǎo)特異性基因的轉(zhuǎn)錄及特定蛋白質(zhì)的合成，從而細(xì)胞逐步發(fā)展為具有專門(mén)功能的特定細(xì)胞類型。 同樣，干細(xì)胞也對(duì)鄰近細(xì)胞的生長(zhǎng)信號(hào)發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致特定基因活化及相應(yīng)蛋白質(zhì)合成，參與細(xì)胞分化、運(yùn)動(dòng)或與其它細(xì)胞作用以形成組織。 ? 1970年 Martin Evans首次從小鼠胚囊中分離出小鼠胚胎干細(xì)胞。原被誤認(rèn)為功能單一的干細(xì)胞后被證實(shí)具有自我復(fù)制能力，可分化為人體 206種組織器官的原始細(xì)胞； ? 1998年在人胚囊內(nèi)層細(xì)胞分離出人的胚胎干細(xì)胞，目前通過(guò)核移植技術(shù)獲得人胚胎干細(xì)胞。 全能細(xì)胞 胚囊細(xì)胞 原胚細(xì)胞 多能干細(xì)胞 胚囊內(nèi)層細(xì)胞 ? 人類胚胎從何時(shí)起享有人的尊嚴(yán)？ ? 胚胎是早期生命嗎？ ? 干細(xì)胞具有的 能夠穩(wěn)定生存增殖并保持多向分化潛能的特性 使其在遺傳性疾病和組織器官移植領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。 細(xì)胞分化特點(diǎn) ? 1 ）穩(wěn)定性： 分化一旦確立，分化狀態(tài)穩(wěn)定； ? 2 ）全能性： 子代細(xì)胞保留親本細(xì)胞的全部信息，并在一定條件下可以表達(dá)出來(lái)； ? 3 ）選擇性： 分化細(xì)胞的基因選擇性表達(dá)，出現(xiàn)不同的表型； ? 4 ）可逆性： 具有增殖能力的組織中已分化的細(xì)胞在一定條件下可以逆轉(zhuǎn)到胚胎狀態(tài)，形成去分化現(xiàn)象。 細(xì)胞分化的機(jī)制 （ 1 ） “ 決定 ” 先于分化 細(xì)胞決定（ determination ）是指細(xì)胞內(nèi)某些基因永久地關(guān)閉，而另一些基因順序表達(dá)，具備向某一特定方向分化的能力（穩(wěn)定的、可遺傳的）。 如，胚胎早期的 外 （神經(jīng)細(xì)胞、上皮細(xì)胞、肛門(mén)上皮細(xì)胞）、 中 （泌尿、生殖）、 內(nèi) （呼吸、消化） 3 胚層在細(xì)胞形態(tài)上并無(wú)差別，但已預(yù)定要分化出各自不同的組織細(xì)胞。 （ 2 ）細(xì)胞質(zhì)在決定細(xì)胞差別中作用 細(xì)胞質(zhì)分配的不均勻，子代干細(xì)胞的胞質(zhì)組分不同，導(dǎo)致子細(xì)胞產(chǎn)生差別（即分化的表現(xiàn)）。 （ 3 ）細(xì)胞間相互作用 位置效應(yīng)：細(xì)胞分化與細(xì)胞所在位置及與其他細(xì)胞的聯(lián)系有關(guān)，包括細(xì)胞間直接接觸所進(jìn)行信息轉(zhuǎn)導(dǎo)和細(xì)胞外物質(zhì)（細(xì)胞因子）的作用結(jié)果。 ? 細(xì)胞內(nèi)不同基因在不同發(fā)育階段被選擇激活，即基因在時(shí)空上的有序表達(dá)。 ? 動(dòng)物卵細(xì)胞中貯存有 大量 mRNA， 呈非均勻分布； ? 用轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素 D處理海膽受精卵 ， 胚胎發(fā)育仍能進(jìn)行至囊胚期 ? 用蛋白質(zhì)翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵 ， 受精卵停止發(fā)育 。 ? 卵裂后的細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運(yùn) 。 ? 昆蟲(chóng)以表面卵裂的方式形成胚層細(xì)胞的 。 遷入卵的后端極質(zhì)部的細(xì)胞發(fā)育為原始生殖細(xì)胞 ， 用紫外線照射這一區(qū)域 ， 破壞極質(zhì) ， 卵將發(fā)育為無(wú)生殖細(xì)胞的不育個(gè)體 。 （一）細(xì)胞分裂的不對(duì)稱性 細(xì)胞的不對(duì)稱分裂 使姐妹細(xì)胞產(chǎn)生了差異 在細(xì)胞分裂時(shí)一些重要的分子被不均等地分配到兩個(gè)子細(xì)胞中 ? 胚胎誘導(dǎo) (embryonic induction) ： 胚胎發(fā)育過(guò)程中 ，一部分細(xì)胞影響相鄰細(xì)胞向一定方向分化的作用 。 ? 誘導(dǎo)者 (inductor) ：對(duì)其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞： ? 脊索可誘導(dǎo)其頂部外胚層發(fā)育成神經(jīng)板 ， 神經(jīng)溝和神經(jīng)管； ? 視胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層形成晶體 ， 而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜 。 （二）細(xì)胞間的相互作用 進(jìn)一步更復(fù)雜的模式由細(xì)胞間相互作用產(chǎn)生 誘導(dǎo)的相互作用可以在原本等同的細(xì)胞中建立起有序的差異 ? 分化抑制： 分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生抑素 ， 抑制相鄰細(xì)胞發(fā)生同樣的分化 。 ? 如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚 ， 則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟 。 ? 細(xì)胞數(shù)量效應(yīng) ? 小鼠胚胎胰腺原基在體外進(jìn)行組織培養(yǎng)時(shí) ， 可發(fā)育成具有功能的胰腺組織 ， 但如果把胰原基切成 8小塊分別培養(yǎng) ， 則都不能形成胰腺組織 ， 如果再把分開(kāi)的小塊合起來(lái) ， 又可形成胰腺組織 。 ? 細(xì)胞外基質(zhì)的影響 ? 干細(xì)胞在 IV型膠原和層粘連蛋白上分化為上皮細(xì)胞； ? 在 I型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細(xì)胞； ? 在 II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細(xì)胞 。 ? 激素的作用 ? 如昆蟲(chóng)的保幼激素和脫皮激素。 ? 染色體結(jié)構(gòu)的變化 ? 1） 基因刪除：原生動(dòng)物 、 昆蟲(chóng) 、 甲殼動(dòng)物 。 ? 2） 基因擴(kuò)增： 果蠅多線染色體 。 ? 3） 基因重排： 免疫球蛋白基因 （ 106~108種抗體 ） 。 ? 4） DNA的甲基化與異染色質(zhì)化： 胞嘧啶的甲基化使基因失活 。 （三）細(xì)胞核與細(xì)胞分化 ? 基因與細(xì)胞分化 ? 無(wú)論是母體 mRNA的作用還是細(xì)胞間的相互作用 ， 其結(jié)果是 啟動(dòng)特定基因 的表達(dá) 。 ? 根據(jù)對(duì)果蠅 、 家蠶等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的研究表明： ? 卵受精后 ， 首先表達(dá)的是母體基因；母體基因的產(chǎn)物是轉(zhuǎn)錄因子 ， 沿胚的前后軸形成一個(gè)濃度梯度 ， 決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制其它基因的表達(dá)： ? 母體基因 → 間隙基因 → 成對(duì)基因 → 體節(jié)極性基因 → 同源異形基因 （ homeotic gene， Hox） Gene and Development 母體基因 間隙基因 成對(duì)基因 體節(jié)極性基因 同源異形基因 同源異型基因決定身體各部分的特異性 生物體細(xì)胞中含有決定生長(zhǎng)分裂和分化的全部基因信息，按其與細(xì)胞分化的關(guān)系，可將這些基因分為兩大類： 奢侈基因 和 管家基因 2． 奢侈基因與管家基因 奢侈基因 (luxury gene)，編碼細(xì)胞特異性蛋白，與各種分化細(xì)胞的特定性狀直接相關(guān)，這類基因?qū)?xì)胞自身生存無(wú)直接影響。 如編碼紅細(xì)胞血紅蛋白，肌細(xì)胞的肌球蛋白和肌動(dòng)蛋白等的基因?qū)俅祟悺? ? 管家基因 (house keeping gene)，這類基因的表達(dá)產(chǎn)物為細(xì)胞生命活動(dòng)持續(xù)需要和必不少，但與細(xì)胞分化的關(guān)系不大，在細(xì)胞分化中只起協(xié)助作用。 如 tRNA， rRNA基因，催化能量代謝的各種酶系，三羧酸循環(huán)中各種酶系等 ? 從分子層次看，細(xì)胞分化主要是奢侈基因中 某種（或某些）特定基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。 某些基因的選擇性表達(dá)合成了執(zhí)行特定功能的蛋白質(zhì)，從而產(chǎn)生特定的分化細(xì)胞類型。 一 基因組 成熟分化的細(xì)胞保留著全部核基因組。 分化細(xì)胞的基因表達(dá)特征 基因循序差異表達(dá) 相關(guān)實(shí)驗(yàn)： 1964年 Gurdon等進(jìn)行的非洲爪蟾實(shí)驗(yàn) ? 1970年 Steward等用懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單個(gè) 細(xì)胞培養(yǎng)成可育的胡蘿卜植株。 ? 1996年英國(guó)學(xué)者克隆出 “ 多莉 ” 羊 1964 爪蟾蝌蚪的 腸上皮細(xì)胞 核移植 去核卵細(xì)胞 未受精卵 UV 腸上皮細(xì)胞核 12%發(fā)育至蝌蚪或蛙 無(wú)結(jié)果 畸胎 懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單細(xì)胞培養(yǎng)成了可育植株 （ Steward,1970年） Dolly的標(biāo)本和伊恩博士 Dolly： Dolly由英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的伊恩博士研制成功， 被安樂(lè)死，它的標(biāo)本于 2022年 4月 9日陳列于蘇格蘭首都愛(ài)丁堡國(guó)家博物館。 多莉的出生與三只母羊有關(guān)，而多莉與提供細(xì)胞核的母羊最相似 。 遺傳信息來(lái)自哪里？ ① 克隆羊 1996年 7月 5日，伊恩 維爾穆特科研小組克隆綿羊 “ 多利 ” 在位于蘇格蘭愛(ài)丁堡市郊的羅斯林研究所誕生。 “ 多利 ” 是世界上第一只通過(guò)成年哺乳動(dòng)物體細(xì)胞克隆的動(dòng)物 。 ②克隆貓 2022年初美國(guó)得克薩斯州Ａ＆Ｍ大學(xué)威蘇辛教授培育出世界上第一只克隆貓 “ ＣＣ ”。它于 2022年順利產(chǎn)下 3只貓崽。 ③克隆馬 2022年 5月 28日世界上第一匹克隆馬 “ 普羅梅泰亞 ” 在意大利克雷莫納市繁殖技術(shù)與家畜飼養(yǎng)實(shí)驗(yàn)室誕生，克隆馬科研小組負(fù)責(zé)人是切薩雷 加利教授。 ④克隆狗 2022年 8月韓國(guó)首爾大學(xué)教授黃禹錫研究小組將一條 9周大的阿富汗獵犬 “ 斯納皮 ” 介紹給公眾，并宣布它是世界上第一條克隆狗。 ⑤克隆猴子胚胎 2022年 11月 美國(guó)俄勒岡州比弗頓的國(guó)家靈長(zhǎng)類動(dòng)物研究中心沙烏科萊特 米塔利波夫研究小組利用一只 10歲雄性恒河短尾猴成功克隆出胚胎，并從 20個(gè)克隆胚胎中培育出兩批胚胎干細(xì)胞 ，并 從克隆胚胎中培育出成熟的猴子心臟細(xì)胞和大腦神經(jīng)。 ⑥克隆人？ ?動(dòng)物克隆進(jìn)程 齊天大圣： “ 其實(shí)我在 500年前就已經(jīng)成功克隆過(guò)猴子了！ ” 這些實(shí)驗(yàn)說(shuō)明 ： 即使是終末分化細(xì)胞，其細(xì)胞核同樣也包含全部的遺傳信息，即具有發(fā)育為完整個(gè)體的 “ 全能性 ” 。 細(xì)胞的全能性 : 指已分化的細(xì)胞仍具有發(fā)育成完整個(gè)體的能力 . ? 當(dāng)精子及卵子結(jié)合，來(lái)自父代及母代