細胞分化干細胞細胞生物學

1、細胞分化與干細胞,Human cells：Number：1014 cells, >200 cell types,細胞分化,Question1：受精卵是如何發(fā)育成一個人的？,受精卵是如何發(fā)育成具有不同功能的組織器官的？,,在個體發(fā)育過程中，后代細胞間在形態(tài)、結構和生理功能上發(fā)生穩(wěn)定性差異的過程。細胞分化是多細胞有機體發(fā)育的基礎與核心。,細胞分化 (cell differentiation),（一）細胞分化表現(xiàn)為細胞形態(tài)結構

2、發(fā)生穩(wěn)定性差異。,----穩(wěn)定，與功能相適應,一、 細胞分化的基本特征,,（二）細胞分化的時空性。,*遺傳穩(wěn)定性：果蠅成蟲盤細胞的移植實驗　*決定制約著細胞分化的方向,果蠅成蟲盤細胞的移植實驗,細胞決定實驗示意圖,細胞分化的有序性,單細胞生物：時間性多細胞生物：時間性＋空間性,（三）細胞分化的可逆性——去分化與轉分化,去分化 (dedifferentiation),在特定條件的誘導下，高度分化的細胞可以失去特有的結構和功能，變?yōu)榫?/p>

3、有未分化細胞的特性。這種現(xiàn)象叫做去分化。,轉分化 (transdifferentiation),從一種特化細胞類型轉變?yōu)榱硪环N類型的分化細胞的現(xiàn)象。,（四）個體發(fā)育中細胞分化的潛能性,1、細胞發(fā)育潛能在發(fā)育過程中逐漸變窄,,,,單個細胞在一定條件下具有分化發(fā)育成完整個體的能力。,全能細胞（totipotent cell),多能細胞（pluripotent cell),分化潛能受限，失去發(fā)育成完整個體的能力，但仍具有發(fā)育成多種表型的能力。

4、,隨著細胞分化，細胞的分化潛能進一步受到限制，只有分化形成某一類型細胞的能力。,穩(wěn)定型單能 (unipotency),因此，就其分化潛能來講，動物細胞的全能性隨著細胞分化程度提高，而逐漸“變窄”，此為細胞分化的普遍規(guī)律。,,,,全能細胞,多能細胞,單能細胞,在胚胎發(fā)育過程中，由全能?多能?單能的發(fā)育趨向，是細胞分化的一個普遍規(guī)律,2、細胞生理狀態(tài)隨分化水平而變化,細胞的分裂能力細胞對環(huán)境因子的反應性,高度分化的植物細胞仍具有全能性

5、，在適宜的條件下可培育成正常的植株。,證據(jù)一：,3、分化細胞細胞核的全能性,1958年有人用野生胡蘿卜游離的韌皮部細胞進行體外培養(yǎng)的實驗中，觀察到已經(jīng)高度分化的細胞可以重新分裂而回得到胚性細胞狀態(tài)，這種現(xiàn)象叫做去分化或稱脫分化，然后通過再分化形成根莖，最終發(fā)育成完整的新植株。,,,證據(jù)二：動物細胞核移植實驗,爪蟾核移植實驗,哺乳動物核移植實驗—“多莉”（Dolly）羊的誕生,紅細胞和肌細胞等體細胞的遺傳信息相同嗎？,紅細胞,,血紅蛋白

6、基因開啟,合成血紅蛋白,肌細胞,,肌動蛋白基因開啟,合成肌動蛋白,細胞分化的實質是細胞按照一定程序發(fā)生的差別基因表達,二、 細胞分化的調控,分子雜交技術檢測基因及其表達,不同類型的細胞在發(fā)育過程中表達一套特異的基因，其產(chǎn)物不僅決定細胞的形態(tài)結構，而且執(zhí)行各自的生理功能。,又稱組織特異性基因(tissue-specific genes)指不同的細胞類型進行特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結構特征與特異的功能；如紅細

7、胞的血紅蛋白基因，皮膚的角蛋白基因。,管家基因(house-keeping gene)：,是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細胞基本生命活動所必需的；如核糖體蛋白，線粒體蛋白，膜蛋白、組蛋白。,奢侈基因(luxury gene),（一）細胞分化與差異基因表達,細胞分化的基因表達調控可以發(fā)生在轉錄、翻譯以及蛋白質形成后活性修飾等不同水平，其中轉錄因子介導的轉錄水平調控最為重要。,--順式作用元件（包括啟動子、增強子、沉默子

8、），促進基因 轉錄活性，調節(jié)基因的組織專一性表達。 --反式作用因子（又叫轉錄因子或調節(jié)蛋白），結合特異的順 式作用元件而激活基因的轉錄。 --包括轉錄激活和轉錄抑制兩方面。 -- DNA甲基化 -- 組蛋白的共價修飾,（二）差別基因表達的轉錄水平調控,DNA甲基化修飾主要與基因抑制有關,人類胚胎紅細胞中珠蛋白基因的甲基化,基因活化蛋白引導的染色質局部結構改變,●轉錄后的加工調節(jié)●非編碼R

9、NA在細胞分化中的作用●基因重排和基因調控,在卵裂期間，不同的細胞質組分被分配到不同類型的細胞內(nèi)，這些特殊的組分被稱為形態(tài)發(fā)生的決定子，它們支配細胞分化的途徑。,（一）細胞核對細胞分化的影響,（二）細胞質對細胞分化的影響,? 細胞核內(nèi)基因選擇性表達,三、 細胞分化的影響因素,指一部分細胞對其鄰近細胞的形態(tài)發(fā)生影響，并決定其分化方向。胚胎誘導是胚胎形成中有序分化的重要因素如眼的形成。,（三）細胞相互作用對分化的影響,,在細胞生物中

10、，細胞間相互作用對細胞分化有較大影響。,1. 細胞誘導（induction）,多級誘導：初級誘導：如脊索中胚層誘導其表面的外胚層發(fā)育神經(jīng)板；次級誘導：如神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后，前端膨大成原腦，其兩側突出的視杯再誘導其上方的外胚層形成晶狀體，為次級誘導 ；三級誘導：晶狀體再誘導其表面的外胚層形成角膜，為三級誘導。,脊索中胚層,外胚層,神經(jīng)板,前腦-視杯,神經(jīng)管,外胚層,晶狀體,外胚層,角膜,,,,,,,,,在胚胎發(fā)育中，分化的細胞受到

11、鄰近細胞產(chǎn)生的抑制物影響，其作用與誘導相對。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。用含成體蛙腦組織碎片的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，也不產(chǎn)生正常的腦，說明，已分化的細胞可以產(chǎn)生抑制鄰近細胞進行同樣的分化的物質，使發(fā)育的器官之間相互區(qū)別而避免重復發(fā)生。,2. 細胞抑制,3. 細胞粘附分子對細胞分化的作用,細胞粘合是由于同類細胞可以通過表面細胞粘附因子，進行相互識別、黏著、聚集并相互作用，這有利于形態(tài)發(fā)生以及正常結構的構建

12、和維持。,如：將蠑螈的原腸胚三個胚層的游離細胞體外混合培養(yǎng)，各胚層細胞又將自我挑選，相互黏著，依然形成外胚層在外，內(nèi)胚層在內(nèi)，中胚層介于二者之間的胚胎。,2.遠距離調節(jié)激素是遠距離調節(jié)細胞分化的信息分子。特點：靶細胞的特異性；激素作用的高效性；如：蝌蚪變態(tài)過程中，尾部退化及前肢形成是由于甲狀腺分泌的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨基酸的分泌增加所致。如：卵巢產(chǎn)生雌激素，促進雌性第二性征的發(fā)育分化。,（四）信號分子對分化的影響,（五）環(huán)境

13、因素對分化的影響,1.相鄰細胞通過細胞旁分泌產(chǎn)生的信號分子來實現(xiàn)的。如，成纖維細胞生長因子，轉化生長因子，Wnt家族等。,腫瘤細胞是生物體內(nèi)的正常細胞演變而來的。從細胞分化的觀點分析腫瘤，可認為，細胞癌變是細胞分化領域中的一個特殊問題, 腫瘤細胞是正常細胞分化機制失控造成的。細胞癌變是細胞去分化的結果。癌細胞和胚胎細胞具有很多相似的特性。例：甲胎蛋白,四、 細胞分化與腫瘤,傳統(tǒng)的治療方法，外科手術切除／化學療法和放射性治療都是殺

14、傷性治療。研究表明腫瘤細胞可以在高濃度的分化信號作用下，被誘導分化為正常細胞。如，應用維甲酸治療早幼粒細胞白血病的誘導分化治療取得了大批病例的成功.提示了腫瘤治療的一個新方向。,腫瘤細胞經(jīng)誘導分化后可以“改邪歸正”,思考題管家基因、奢侈基因什麼是細胞分化？有那些具體特征？細胞分化的影響因素有那些？為什么說在發(fā)育過程中細胞的潛能逐漸變窄？,在個體成熟之后，機體的組織仍然保持著一種特有的自穩(wěn)性。即在特定組織中細胞的死亡和細胞的增

15、生的速度會維持著一個動態(tài)平衡。各種組織還保持著程度不同的損傷后再生的能力，如兩棲類動物、哺乳動物的造血系統(tǒng)，小腸，毛發(fā)及皮膚等。,干細胞,是一類具有自我更新和多向分化潛能的細胞，它存在于人體或者動物個體發(fā)育各個階段的組織器官中，是各種分化細胞或特化細胞的初始來源。,干細胞,,按來源分類,,,按分化潛能分類,,一、干細胞的分類,,處于8細胞之前的每一個胚胎細胞都具有全能性，將任意細胞移入子宮，都可以發(fā)育為一個完整個體。稱為全能干細胞。

16、,全能干細胞,隨著發(fā)育的進行，形成胚泡，胚泡一側的內(nèi)細胞團具有分化為成熟個體中所有細胞類型的潛能，但沒有形成完整個體的能力，稱為多能干細胞，也稱為胚胎干細胞。,隨著胚胎繼續(xù)發(fā)育，多能干細胞進一步分化，其后代的分化潛能將進一步變窄。只能向一種類型或密切相關的兩種類型的細胞分化。如神經(jīng)干細胞只具有分化為神經(jīng)元、神經(jīng)膠質細胞的潛能。,多能干細胞,專能干細胞,干細胞是具有強大增殖潛能的原始細胞。細胞通常呈圓形或橢圓形，體積較小。核質比相對較大

17、。細胞中各種細胞器不夠發(fā)達等。有比較高的端粒酶活性。,二、干細胞的形態(tài)和生化特點,不同的干細胞具有各異的生化標志，對于確定干細胞的位置，尋找和分離干細胞有重要意義。如：角蛋白15是確定毛囊中表皮干細胞的標志分子，巢素蛋白是神經(jīng)干細胞的標志分子。本質特點：具有增殖和自我更新能力，在適當條件下表現(xiàn)出分化潛能。,對稱分裂：干細胞分裂產(chǎn)生的兩個子細胞都是干細胞（增殖，自我更新）或都是分化細胞（分化）。不對稱分裂：干細胞分裂產(chǎn)生一個子代干

18、細胞（自我更新）和一個子代分化細胞（分化）。,A：干細胞的不對稱分裂 (asymmetry division),B：干細胞群體的不對稱分裂(populational asymmetry division),干細胞的增殖分化和自我更新方式：,1. 干細胞增殖的緩慢性干細胞進入分化程序前，要經(jīng)過一個短暫增殖期，產(chǎn)生過渡放大細胞。過渡放大細胞是界于干細胞和分化細胞之間的過渡細胞，經(jīng)若干次分裂后產(chǎn)生分化細胞，其作用是可以通過較少的干

19、細胞產(chǎn)生較多的分化細胞。,緩慢增殖的生理意義可減少基因發(fā)生突變的危險；有利于干細胞對環(huán)境信號作出反應。,三、 干細胞的增殖特征,2.干細胞增殖系統(tǒng)的自穩(wěn)定性自穩(wěn)定性是指干細胞可以在生物個體生命區(qū)間中自我更新并維持其自身數(shù)目的恒定。,干細胞的分化潛能（全能－多能－專能）胚胎干細胞的亞全能分化特性成體干細胞的多全能分化特性區(qū)別于前體細胞干細胞具有可塑性，在適當條件下干細胞的轉分化和去分化。 干細胞的轉分化：一種組織類型的

20、干細胞在適當條件下分化為另一種組織類型細胞的現(xiàn)象。如人的骨髓干細胞可以分化為肝臟細胞、肌肉細胞、神經(jīng)細胞等。 干細胞的去分化：一種干細胞向其前體細胞的逆向轉化。,四、干細胞的分化特征,分泌因子：許多分泌因子對干細胞的生存、增殖和分化具有重要調控作用。受體介導的細胞間相互作用整合素和胞間基質,干細胞的增殖分化是受到嚴密調控的。,五、干細胞增殖與分化的分子調控,2. 它在組織器官中所處是微環(huán)境。這種微環(huán)境稱為干細胞巢。,內(nèi)源因素。

21、 OCT4、Nanog、 Sox2以及端粒酶。,胚胎干細胞,胚胎干細胞：來源于胚胎內(nèi)細胞團 (ICM)和原始生殖細胞, 具有發(fā)育全能性(具有分化發(fā)育成三個胚層細胞的潛力)的細胞。胚胎干細胞可以在體外無限擴增并保持未分化狀態(tài)，具有分化為胎兒或成體動物各種細胞類型的潛能。在適當條件下胚胎干細胞可被誘導分化為多種細胞。,,ES細胞（embryonic stem cell）： 來源于囊胚內(nèi)細胞團,EG細胞（embryonic ger

22、m cell）： 來源于早期胎兒生殖嵴部位原始生殖干細胞,EC細胞（embryonic carcinoma）： 來源于畸胎瘤,胚胎干細胞分類,,(1) 發(fā)育良好的囊胚，從中分離內(nèi)細胞群細胞?ES細胞(2) 從5-9周的胚胎生殖腺中分離出人的EG細胞 (3)惡性胚胎腫瘤或畸胎瘤細胞(4) 體細胞核移植： 去核卵細胞 + 體細胞核 ?克隆 ?囊胚 ?分離內(nèi)細胞群 ?ES細胞(5) 轉基因誘導重編程：誘導型多能干細胞（iPS),

23、1. 移植治療：很多疾病或病癥（如帕金森病、糖尿病創(chuàng)傷性脊髓損傷等）都可以通過移植人的分化的ES細胞得到治愈。2. 其它應用潛能：可用于研究目前無法解釋的人類早期發(fā)育引起的先天性缺陷和胎盤異動導致的自然流產(chǎn)；可用于毒性篩選；能用于共同治療互補。,人胚胎干細胞的應用潛能,精原干細胞,精原干細胞(spermatogonial stem cells, SSCs)是雄性生殖系干細胞，位于睪丸曲細精管基膜上，既具有自我更新潛能，又具有定向分化潛

24、能，是自然狀態(tài)下出生后動物體內(nèi)在整個生命期間進行自我更新并能將基因傳遞至子代的唯一成體干細胞。,成體干細胞,在成體組織器官中，許多細胞仍具有自我更新及分化產(chǎn)生不同組織細胞的能力。成體干細胞是在成體組織內(nèi)具有自我更新能力及能分化產(chǎn)生一種或一種以上子代組織細胞的未成熟細胞。,幾種成體干細胞,是骨髓中一種能起著造血功能的細胞。人血中的紅細胞、血小板、淋巴細胞、粒細胞等,都是由它經(jīng)過多次分化發(fā)育而成的。利用造血干細胞移植治療的疾病很多。如

25、腫瘤性疾?。喊籽?；以及非腫瘤性疾?。涸偕系K性貧血，重癥免疫缺陷病，急性放射病，地中海貧血等。,造血干細胞,神經(jīng)干細胞(neural stem cells，NSCs) 其存在推翻了神經(jīng)元無法再生的傳統(tǒng)觀點,神經(jīng)干細胞移植手術有望讓桑蘭重新站起來(圖),,神經(jīng)干細胞是神經(jīng)系統(tǒng)中能夠增殖分化成神經(jīng)元和神經(jīng)膠質細胞的特定原始神經(jīng)細胞。目前已在哺乳動物的中樞神經(jīng)系統(tǒng)多個部位發(fā)現(xiàn)并分離出神經(jīng)干細胞。對治療帕金森氏病、Huntington病

26、、腦、脊髓損傷等, 神經(jīng)系統(tǒng)疾病到來了希望。,具有分化為間質細胞的潛能，可以分化為多種間充質組織，如骨、關節(jié)、脂肪、肌肉、骨髓基質。在體外容易被誘導為成骨細胞和軟骨細胞，因此在骨損傷，骨組織畸形治療方面具有潛在應用價值。,間充質干細胞,其他成體干細胞,皮膚干細胞維持機體體表屏障的動態(tài)平衡小腸干細胞位于小腸內(nèi)腔面隱窩深處角膜干細胞維持了角膜上皮的更新和再生。肝干細胞具有分化為肝細胞和膽管上皮細胞的潛能。,干細胞的應用研究,1.胚胎