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细胞生物学第十四章细胞分化与干细胞

2024-10-22

2025-08-07

study

note

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biology

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cytology

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postgraduate_entrance_examination

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细胞分化#

细胞分化的基本概念#

细胞分化是基因选择性表达的结果#

细胞分化(cell differentiation): 是指在个体发育中, 由一种相同类型的细胞经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异, 产生不同的细胞类群的过程。主要特征是细胞出现不同的形态结构和合成组织特异性的蛋白质。细胞分化的本质是基因的在特定的时间和空间中选择性表达。单细胞和多细胞生物都存在细胞分化, 前者为适应环境, 后者为构建不同的组织器官。

细胞分化的特点:

细胞分化是一种单向的、相对稳定和持久的过程, 但是在一定的条件下, 细胞分化又是可逆的;
分化的方向和程序是预先确定的, 细胞生理状态随分化程度而改变;
个体中所有不同种类的细胞的遗传背景完全一样, 分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的蛋白质所致。

分化细胞基因组所表达的基因大致可分为两种基本类型:一类是管家基因, 另一类称为组织特异性基因。

管家基因与组织特异性基因#

管家基因(house keeping gene): 是指所有细胞中均表达的一类维持细胞生存必不可少的基因, 这类基因一般在细胞周期 S 期的早期复制。其产物是维持细胞基本生命活动所必需的。组织特异性基因(tissue-specific gene): 是指不同类型细胞中特异性表达的基因, 所以又称奢侈基因(luxury gene)。这类基因的复制一般也在细胞周期 S 期的早期, 但是在不表达这类基因的其他细胞里, 则在 S 期的晚期复制。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。

组合调控引发组织特异性基因的表达#

组合调控(combinational control): 是指有限少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化的调控机制。即每种类型的分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。

主导基因(master gene): 是指在启动细胞分化的各类调节蛋白中存在的一两种起决定作用的调控蛋白所对应的编码基因。

组合调控作用: 借助于组合调控, 一旦某种关键性基因调控蛋白与其他调控蛋白形成适当的组合, 不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞, 而且遵循类似的机制, 甚至可以诱发整个器官的形成。(四)单细胞有机体的细胞分化

单细胞与多细胞分化的不同之处: 前者多为适应外界的生活环境的改变, 而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面更为复杂。

单细胞有机体的细胞分化#

单细胞与多细胞分化的不同之处: 前者多为适应外界的生活环境的改变, 而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面更为复杂。

转分化与再生#

转分化(transdifferentiation): 是指一种类型的分化细胞转变成另一种类型分化细胞的现象, 往往经历去分化和再分化的过程。

去分化(dedifferentiation): 又称脱分化, 是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。

重编程(reprogramming): 是指高等动物的已分化细胞的细胞核需在卵细胞质中才能完成其去分化程序的过程, 其中涉及 DNA 与组蛋白修饰的改变。

再生现象(regeneration): 一般的再生是指生物体缺失部分后重建的过程, 广义的再生可包括细胞水平、组织与器官水平及个体水平的再生。不同的有机体, 其再生能力有明显的差异, 植物比动物再生能力强, 低等动物比高等动物再生能力强。

细胞的全能性与多能干细胞#

细胞的全能性#

细胞全能性(totipotency): 是指细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。例如动物细胞核移植实验证明动物细胞核具有发育的全能性;植物细胞具有全能型, 在适宜的条件下可培育成正常的植株。

哪些具有全能性：

动物受精卵及卵裂早期的胚胎细胞
植物体细胞
哺乳动物终末分化的细胞，其细胞核具有全能性

细胞多能性(pluripotency): 是指高等动物细胞随着胚胎的发育和细胞分化, 丧失了发育成个体的能力, 仅具有分化成多种细胞类型及构建组织的潜能。

干细胞#

干细胞(stem cell): 是指机体中能进行自我更新(产生与自身相同的子代细胞)和多向分化潜能(分化形成不同细胞类型)并具有形成克隆能力的一类细胞。干细胞在细胞分化和个体发育中, 起着关键和决定性的作用。

干细胞的特征#

非终末分化细胞，保持未分化或者低分化特征；
在机体的数目和位置相对恒定；
具有自我更新能力；
能无限地分裂和增殖；
具有多向分化潜能；
分裂慢周期性；
两种生长方式——对称和非对称分裂。

干细胞分类#

按来源不同划分#

胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES): 是指早期胚胎(原肠胚期之前)或原始性腺中分离出来的一类细胞, 它具有体外培养无限增殖、自我更新和多向分化的特性。胚胎干细胞是一种高度未分化细胞, 具有发育全能性。

成体干细胞(adult stem cell)或(somatic stem cell): 是指存在于一种已经分化组织中的未分化细胞, 能够自我更新并特化形成该类型组织的细胞, 包括神经干细胞、血液干细胞、骨髓间充质干细胞、肌肉干细胞等。

按分化潜能划分#

全能干细胞(totipotent stem cell): 是指具有形成完整个体的分化潜能的干细胞。多能干细胞(pluripotent stem cell): 具有分化出多种细胞组织的潜能, 但失去了发育成完整个体的能力, 发育潜能受到一定的限制的细胞。在一定条件下, 能分化产生 3 个胚层中的各种类型的细胞并形成器官。

单能干细胞(unipotent stem cell): 多能细胞经器官发生, 各种组织细胞在形态上特化, 功能上专一性, 这时的细胞从多能转为稳定的单能细胞。单能干细胞是发育等级最低的干细胞。

干细胞增殖方式#

对称性分裂：用于干细胞自身数目的扩增。
不对称性分裂：除自我更新外，还产生了分化的细胞。

胚胎干细胞#

胚胎干细胞的特点:

具有发育全能性, 理论上可以诱导分化为机体中所有类型的细胞;
可在体外大量扩增、筛选、冻存和复苏, 而不丧失原有特性;
在体外可以无限增殖并保持未分化状态;
体积小、核大, 有一个或者多个核仁;
克隆紧密堆积, 无明显界限。

胚胎干细胞的应用:

作为生产克隆动物的高效材料;
生产转基因动物的高效材料;
发育生物学研究的理想体外模型;
加快组织工程发展。

胚胎干细胞的来源:

内细胞团(主要途径);
定向培养(小鼠和人原始生殖细胞);
体细胞核移植技术。

胚胎干细胞研究技术:

再生医学(regenerative medicine): 是指将治疗性克隆技术与人胚胎干细胞的制备相结合, 利用体外构建的自身组织与器官来使患者得以康复的技术。
治疗性克隆技术: 是指把患者体细胞移到去核卵母细胞中形成重组胚, 把重组胚体外培养到囊胚, 然后从囊胚内分离出 ES 细胞, 获得的 ES 细胞使之定向分化为所需的特定细胞类型(如神经细胞, 肌肉细胞和血细胞), 用于替代疗法的技术。

诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS): 是指向人的成纤维细胞中转入多种基因诱导产生的一种多能干细胞, 其性质与胚胎干细胞类似。iPS 细胞系的建立, 使人们有可能避开使用人的卵细胞以及所涉及的颇有争论的伦理问题, 使干细胞在理论和应用上的研究又迈进了关键的一步。

影响细胞分化的因素#

受精卵细胞质的不均一性#

隐蔽 mRNA: 是指卵母细胞的细胞质中与蛋白质结合处于非活性状态, 不能被核糖体识别的 mRNA, 细胞分裂后, 被不均一地分配到子细胞中。
决定子(determinent): 是指影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分。在卵裂过程中不同的细胞质分配到不同的子细胞中, 从而决定未来细胞分化的命运, 产生分化方向的差异。

胞外信号分子#

近旁组织的相互作用(promixate tissue interaction): 又称胚胎诱导(embryonic induction), 是指在胚胎发育早期, 一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化的现象, 其主要通过细胞旁分泌产生的信号分子来实现, 包括成纤维细胞生长因子(FGF)、转化生长因子(TGF)以及 Wnt 家族等。
远距离细胞间相互作用: 主要是通过激素来调节的。

细胞间的相互作用与位置效应#

位置效应(position effect): 是指改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向改变的现象。(4)细胞记忆与决定

细胞记忆: 是指细胞可以将信号分子短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆, 逐渐向特定方向分化的现象。
细胞决定(cell determination): 细胞分化具有严格的方向性, 细胞在未出现分化细胞的特征之前, 分化的方向就已由细胞内部的变化及受周围环境的影响而决定, 这一现象即为细胞决定。细胞在这种决定的状态下, 沿特定类型分化的能力已经稳定下来, 一般不会中途改变。

环境对性别决定的影响#

温度、个体间的相互位置关系等环境影响生物性别的决定。个体发育中的细胞分化的基础建立在细胞的内部, 而环境因素只是条件。

染色质变化与基因重排#

马蛔虫在卵裂过程中, 染色体出现消减现象, 这种情况并不普遍。例如, 纤毛虫的营养核中染色体 DNA 大量丢失, 而生殖核中则包含完整的基因组。
基因重排是细胞分化的另一种特殊方式。

胚胎发育中的细胞分化#

原生生物(protozoan): 是指仅由单个细胞构成的生物。

后生生物(metazoan): 是指起源于单个细胞但由很多个细胞组成的生物。

发育(development): 是指后生生物经历一个由单细胞到多细胞, 最终形成成熟的个体的过程。

生殖细胞的分化#

哺乳动物的性别分化#

SRY: 是指性逆转(XX)男性的 X 染色体上的 Y 染色体易位片段, 它编码一个与 DNA 特异序列相结合的转录因子, 决定睾丸发育。XY 的性逆转女性患者中缺乏 SRY 的活性, 而在 XX 的小鼠中人为转入 SRY, 它将发育为雄性而不是雌性。
SRY 与性腺细胞的分化表达 SRY 的细胞最终分化为睾丸中最主要的细胞类型——支持细胞。支持细胞诱导性腺中其他体细胞分化为其他类型的睾丸组成细胞, 引导性别分化朝向男性(雄性)的方向。
SRY 的作用机制 a．SRY 编码一个转录因子, 通过调节下游基因的表达, 引起前体细胞向睾丸支持细胞分化。b．Sox9 是最关键的一个 SRY 下游基因, 对睾丸的形成至关重要。c．成纤维细胞生长因子 FGF9 维持 Sox9 的表达。 d．FGF9、SRY 和 Sox9 构成了一个调控网络: SRY 表达, 启动 Sox9 的表达, 而 Sox9 作为转录因子, 激活 FGF9, FGF9 蛋白分泌到细胞外, 维持本身的 Sox9 基因表达, 同时也作用于邻近细胞, 保证分化的同步, 并触发睾丸的形成。
卵巢的分化 a．在 SRY 基因不存在时, 生殖嵴原基细胞发育成为卵巢; b．Wnt4 编码一种生长因子, 在性别决定发生时, Wnt4 的表达仅限于 XX 个体, 在雄性生殖嵴中大大下降。

生殖细胞的形成与成熟#

原生殖细胞的产生随着胚胎发育的进行, 某些细胞在邻近细胞产生的蛋白因子的诱导之下, 很多体细胞特异表达的基因被逐渐关闭, 而一套生殖细胞特异表达的基因被逐渐开启, 细胞最终分化为原生殖细胞(PGC)。
原生殖细胞向生殖细胞的分化两性 PGC 通过增殖、迁移, 进入生殖嵴, 发育成卵原细胞和精原细胞。
精子和卵子的形成
- 精子的形成
  1. 精子产生于睾丸中生精小管的腔面上皮;
  2. 依次经历精原细胞(2n)、初级精母细胞(2n)、次级精母细胞(n)和精子细胞(n)等阶段, 最终变态为精子。
- 卵子的形成
  1. 卵细胞的形成依次经历卵原细胞、初级卵母细胞、次级卵母细胞到卵子;
  2. 在次级卵母细胞以及卵细胞形成时细胞进行不均等分裂, 同时产生一个体积较小的极体, 整个分裂完成后, 产生一个卵细胞、3 个极体。

早期胚胎发育过程中的分化#

动物早期发育概述#

受精(fertilization)作用: 受精即卵子和精子的融合过程, 包括两个连续反应: 顶体反应和皮层反应。
受精卵的发育过程: 受精卵进行卵裂形成囊胚, 胚胎细胞经历剧烈有序的运动, 形成三胚层的原肠胚, 三胚层逐步分化形成各种组织和器官, 接着发育成完整个体。

神经胚形成中的信号转导#

脊索的形成脊椎动物的脊索由中胚层细胞在 Wnt 信号途径作用下, 作用于细胞骨架, 向背部中心汇聚, 互相嵌入, 同时向头尾两端延伸, 最终形成纵贯头尾的棒状结构——脊索。
神经管的形成初期的脊索分泌出多种信号分子, 诱导在它表面的外胚层细胞发育成为神经板;然后依次经历神经沟、神经褶、神经管、神经嵴, 最后形成外周神经系统。

神经管的初期分化#

在神经细胞的增殖和分化过程中, 有 5 个基本的信号系统发挥了决定性作用, 分别是 FGF、RA、Wnt、hedgehog, (Hh)和 TGF-β。

发育进程中神经干细胞的维持
1. FGF 信号维持神经上皮的干细胞特性。 FGF 抑制促分化基因 Pax6, 从而诱导 cyclin D2 的表达。cyclin D2 与 CDK4/6 形成复合物, 促进早 G1 期的进程。
2. Wnt 经典途径维持神经管腹侧前体细胞的分裂能力。 Wnt 调控神经上皮细胞增殖, 依赖经典的 Wnt 信号途径, 即通过 β-catenin 调控 cyclin D1 和 c-myc 的转录。
3. hedgehog 途径对早期中枢神经系统生长的调控。 Shh 是 hedgehog 分泌蛋白家族的一个成员, Shh 与它的受体结合, 解除对 Smo 蛋白的活性抑制, 从而激活 Gli 家族转录因子, 调控一系列下游基因的活性;Shh-Gli 信号途径在背侧脑组织, 包括小脑、大脑新皮质和顶盖的发育中, 是主要的促细胞分裂原, 维持了发育晚期以及成体中枢神经系统内神经干细胞的存在。
4. BMP 信号调控背侧脊髓细胞的增殖和分化。 BMP 是 TGF-β 分泌蛋白家族的成员, 对神经管背侧的分化至关重要;同时也调控神经前体细胞的分裂增殖。
神经管细胞的分化诱导神经管出现背腹分化的 4 个主要信号: FGF、RA、Shh 和 BMP。
1. Shh 和 RA 在腹侧神经细胞分化中起关键作用。
2. BMP 在背侧神经细胞分化中起关键作用。
3. 神经元亚类的特化。