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第十三章细胞分化与基因表达调控\n\n\n第一节细胞分化一、细胞分化的基本概念。（一）细胞分化是基因选择性表达的结果\n细胞分化（celldifferentiation）：在个体发育过程中，由一种相同的细胞类型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称为细胞分化。细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，即细胞分化是基因的选择性表达的结果。细胞分化是由于基因选择性的表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。\n\n（二）组织特异性基因与管家基因管家基因(house-keepinggenes):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。\n组织特异性基因(tissue-specificgenes)：又称奢侈基因（luxurygenes），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生理功能。细胞分化的过程实际就是奢侈基因表达的过程。细胞分化的实质就是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达（differentialexpress）。\n调节基因（regulatorygene）：产物用于调节组织特异性基因的表达，或者起激活作用，或者起抑制作用。\n（三）组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控（combinationalcontrol）的方式，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调控完成的。\n\n在启动细胞分化的各类调控蛋白组合中，其中往往是只有一两种调控蛋白是起决定性的因子。这样，单一调控蛋白就有可能启动整个的细胞分化过程。最明显的例子是在成肌细胞分化为骨骼肌细胞的过程中，一种关键性调控蛋白MyoD在体外培养的成纤维细胞中表达，结果使来自皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征。一种关键性调控蛋白可以通过对其他调控蛋白的级联启动，诱发几种细胞甚至整个器官的形成。如：在果蝇眼器官的发育中，有一种关键性的调控蛋白Ey，如将其基因转入早期发育中将发育成腿的细胞中表达，结果诱导构成眼的不同细胞的形成，最终在腿部形成眼。\n（四）转分化与再生一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称转分化.转分化往往经历去分化和再分化的过程。去分化又称脱分化，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。\n生物界普遍存在再生现象（regeneration），广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。一般再生指生物体缺失一部分后在发生重建的过程。不同的多细胞有机体，其再生能力有明显的差异，一般来说，植物比动物再生能力强，低等动物比高等动物再生能力强。\n二、影响细胞分化的因素（一）细胞的全能性细胞全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性，称为细胞的全能性。受精卵及早期的胚胎细胞都是具有全能性的细胞。\n\n\n\n对动物细胞特别是高等动物细胞随着胚胎的发育，细胞逐渐丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。干细胞（Stemcell）是一类尚未完全分化、具有自我更新和分化潜能的细胞。\n干细胞同时具有分裂增殖成另一个与本身完全相同的细胞，以及分化成为多种具有特定功能的体细胞两种特性。\n根据分化潜能的大小干细胞可以分为单能干细胞：如表皮干细胞表皮细胞多能干细胞：造血干细胞多种血细胞全能干细胞：胚胎干细胞按来源不同干细胞可以分为：成体干细胞：造血干细胞、皮肤干细胞、生殖干细胞、神经干细胞、诱导多功能干细胞等胚胎干细胞（ES细胞）\n\n胚胎干细胞的获得目前胚胎干细胞的来源主要有两种：早期胚胎中获得或原始生殖细胞中获得。*２００７年，日本和美国科学家分别宣布发现将普通皮肤细胞转化为干细胞的方法，这样得到的干细胞和胚胎干细胞的功能相差无几，称为诱导多功能干细胞。这一发现被《自然》和《科学》杂志分别评为２００７年第一和第二大科学进展。\n\n干细胞的重要应用1、干细胞移植是人类有效的疾病治疗手段。干细胞培养可以实现组织修复与再生。多能干细胞经刺激后可发展为特化的细胞，使替代细胞和组织来源的更新成为可能，可用于治疗各种疾病，如中风、烧伤、糖尿病和心脏病等。胚胎干细胞由于具有发育分化为所有类型组织细胞的能力，理论上任何涉及丧失正常细胞的疾病都可以通过移植由胚胎干细胞分化而来的特异组织细胞来治疗。因而其最激动人心的潜在应用是用来修复甚至替换丧失功能的组织和器官。结合克隆技术创建病人特异性的胚胎干细胞可以克服移植免疫排斥反应，如果这一设想成为现实，将是人类医学中一项划时代的成就。\n\n上海出现首家“脐血银行”干细胞可治疗白血病\n日本北海道大学的科学家们利用从鲑鱼皮中提取的胶原制造全球首例人造血管\n心脏搭桥手术\n2007年第四军医大学宣布我国组织工程第一个产业化产品——人造皮肤“安体肤”正式问世，已经国家药品监督管理局正式批准注册、具有完全自主知识产权、可批量生产。在我国组织工程产业化研究领域具有里程碑意义。金岩教授展示“人造皮肤”\n\n设想一下公元2029年一个冬日，你走进一家集销售、维修、配件和信息服务为一体的人体器官4S店。因长期吸烟而胸闷气短，你不得不求助那里的值班医生。完成一系列体检后，你欣然订购一套基于自身多功能干细胞的呼吸系统。两星期后，全新的肺和气管等组织被成功地移植到你体内。威尔斯“肠子”:美国科学家（2010.12）首次在实验室中将多功能干细胞变成了功能性的人体肠道组织。为人体肠道的发育、功能和有关疾病的研究打开了一扇大门，并有望研制出用于移植的肠道组织。\n人兔细胞融合人体细胞核＋去核兔卵母细胞杂种细胞囊胚胚胎干细胞“辉夜姬”的横空出世。不同雌鼠卵细胞细胞融合发育形成早期胚胎代孕母鼠小鼠出生美国科学家（2010.12）利用干细胞技术培育出拥有两个父亲的老鼠。\n2、用于基因治疗干细胞是基因治疗的理想的靶细胞，因为它可以自我复制更新，治疗基因通过它带入人体中，能够持久地发挥作用，而不必担心象分化的细胞那样在细胞更新中可能丢失治疗基因。因而干细胞的培养在基因治疗上具有诱人的前景。2002年剑桥大学Daly等和Yenes等对鼠胚干细胞的免疫缺陷基因进行修复后，再将它们植入鼠体内，结果修复鼠的免疫系统缺陷。\n3、是动物育种的又一崭新手段。如可用于生产胚胎干细胞嵌合体动物，例：2003年我国第一例胚胎干细胞嵌合体猪的培育成功。4、促进相关学科的理论研究。对干细胞，特别是胚胎干细胞的研究，可促进人们对细胞分化调控、动物胚胎发育机制及其影响因素等问题的研究，从而进一步促进相关学科的发展。\n客迈拉是希腊传说中拥有狮头、羊身、蛇尾的吐火怪兽\n在过去数年中，美国科学家将人类的干细胞加入到了许多动物的胚胎中，“秘密炮制”出了许多实验性的“混血客迈拉”产品，例如猪体内流着人的血液的“人猪客迈拉”，羊体内的肝脏80%的成分属于人类的肝脏的“人羊客迈拉”，老鼠头颅里加入人的脑细胞的“人鼠客迈拉”等。\n美国内华达州州立大学动物生物技术系主任伊斯梅尔.赞贾尼领导的一个小组，将人体干细胞注入绵羊胚胎中，炮制出了一些“人羊客迈拉”，如今这些“混血羊”体内的肝脏———80%的成分都属于人类的肝脏，这个肝脏能制造人肝所能制造的所有化合物。赞贾尼的目标是制造具有“人属性的”肝以用于人肝移植。绵羊肝的部分将会遭到人免疫系统的排斥，而属于人的部分肝将会存活下来。\n斯坦福大学癌和干细胞生物学医学研究所主任韦斯曼，正在培育几乎完全拥有人类免疫系统的老鼠。这种老鼠对实验抗艾滋病病毒新药非常有用，因为艾滋病病毒不会传染给一般老鼠。韦斯曼小组已将人类神经干细胞注入到老鼠胚胎中，产生了脑部含有1%人脑细胞的老鼠。现在，他希望能将引起帕金森氏病的有缺陷的人脑干细胞注入老鼠胚胎中，研究这些细胞如何同鼠细胞联系。韦斯曼正考虑培育含有100%人脑的杂种老鼠，但这仅仅是一种“假想试验”，是否可以进行还要通过伦理学机构审查。\n（二）影响细胞分化的其它因素1、胞外信号分子对细胞分化的影响。胚胎诱导：又称近端组织的相互作用。指在胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞，使其向一定方向分化。该行为通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素（细胞生长分化因子）来实现。远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调节。昆虫变态过程主要是由20一羟蜕皮素和保幼素共同调控的。人体血细胞定向分化也受到多种细胞因子的调控。\n2、细胞记忆与决定信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来，并形成长期的记忆，逐渐向特定方向分化。如果蝇的成虫盘在移植到体外九年后，移植回幼虫体内依然没有失去记忆，照例发育成为相应的器官。决定（determination）:即细胞命运的决定。是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态与功能等分化特征尚未显现之前旧已确定了细胞的分化命运。\n\n影响细胞命运决定的因素一般认为有两方面：①卵细胞的极性与早期胚胎细胞的不对称分裂。细胞的不对称分裂是指存在于核酸蛋白颗粒(RNP)中的转录因子mRNA，在细胞质中的分布是不均等的，当细胞分裂时，这些决定因子不均匀地分配到子细胞中，造成两种子细胞命运的差异。例如:高等脊椎动物卵中的生殖质，在卵裂开始时就不均等地分到不同的卵裂球中，结果有生殖质的卵裂球，将来发育成原生殖细胞，无生殖质的卵裂球则发育为成体细胞。②发育早期胚胎细胞间的相互作用。一种细胞的命运可以由相邻细胞来决定，如囊胚中的内细胞团可以分化为胚体，而在外表面的滋养层则只能分化为胎膜成分。\n3、受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响。由于细胞具有记忆能力，随着分化信息不断地积累使之成为“决定”了的细胞，这种与细胞分化相关的信息在很多动物中可以上溯至受精卵。在卵裂过程中不同的细胞质分配到不同的子细胞中，从而将决定未来细胞分化的命运，产生分化方向的差异。决定细胞向某一方向分化的初始信息储存于卵细胞中，在很多物种中，卵裂后的细胞所携带的信息已开始有所不同，这种区别又通过信号分子影响其他细胞产生级联效应。这样最初储存的信息不断被修饰并逐渐形成更为精细更为复杂的指令，最终产生分化各异的细胞类型。\n每个成熟的卵细胞中储存有2万~5万种RNA，其中大部分为mRNA。这些储存在卵细胞质中的mRNA直到受精后才被翻译为蛋白质。这些mRNA在卵质中不均匀分布，在细胞发育命运的决定过程中起重要作用。通常将这些在卵质中呈极性分布，在受精后被翻译为在胚胎发育中起重要作用的转录因子和翻译调节蛋白的mRNA分子称为母源效应基因(maternaleffectgene，MEG)产物。\n4、细胞间的相互作用与位置效应。细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建具有一定的影响，称这种作用为胚胎诱导。胚胎诱导作用不断强化并可分成不同的层次。胚胎诱导作用是通过细胞旁分泌因子产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）来实现的。细胞所处的位置不同对细胞分化的命运也有明显的影响。实验证明，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应。“位置信息”是产生效应的主要原因。与信号分子源的距离不同，决定了细胞发育成不同类型的细胞。\n间隙连接：细胞之间通过间隙连接，来协调分化，是最常见的一种形式。在小鼠胚胎的8细胞阶段，细胞之间普遍建立了电偶联，当细胞开始分化后不同细胞之间的电偶联逐渐消失，说明间隙连接存在于发育与分化的特定阶段的细胞间。用连接蛋白的抗体处理8细胞阶段的胚胎，则引起异常发育，推测间隙连接具有提供“位置信息”的作用。\n5、环境对性别决定的影响。生物的个体发育和细胞的分化具有对环境的容纳性。环境因素对细胞分化可产生影响，并进而影响到生物的个体发育。但是，这些影响因素又都是通过细胞自身的遗传机构发挥作用的。因此总的来说，个体发育中的细胞分化的基础是建立在细胞的内部，而环境因素只是条件。\n低等脊椎动物的性别决定与分化受环境因素的影响较大，环境信号启动不同基因的表达，从而影响动物的性别。如：孵化温度可以决定某些爬行动物(如鳄鱼、海龟等)的性别，在其受精卵发育的特定时期，温度决定了其性别分化，在低温下孵化产生一种性别，在高温下孵化则产生另一种性别。哺乳类动物B淋巴细胞的分化与发育则依赖于外来抗原的刺激。目前已发现许多环境因素可干扰人类的正常发育，例如，碘缺乏将引起甲状腺肿、精神发育和生长发育迟缓。\n6、染色质变化与基因重排对细胞分化的影响一百多年前人们就发现仅有1对或2对染色体的马蛔虫在卵裂过程中，染色体出现消减现象，追踪至32个细胞的分裂球阶段，发现除一个细胞保留正常的染色体外（将分化成生殖细胞），其余将分化成体细胞的细胞中，全部出现染色体丢失，显然这是细胞分化的一个特例。基因重排是细胞分化的另一种特殊方式。抗体是由浆细胞分泌的，而浆细胞是由B淋巴细胞分化而来。在这一过程中B淋巴细胞中的DNA经过断裂丢失与重排的复杂变化从而利用有限的免疫球蛋白基因，在理论上可表达出数百亿种抗体。\n三、细胞分化与胚胎发育通过大量的研究，人们在果蝇的发育过程中发现了一套关键性的基因群，称为同源异型基因（Ｈｏｘ　ｇｅｎｅｓ）,因其在基因表达调控中的主导作用又称Homeoticselectorgene,即Hox基因，这些基因都含有一段高度保守的DNA序列，称同源框，同源框编码的产物称同源异型结构域，可与DNA片断相互作用启动基因的表达。\n有趣的是Hox基因在染色体上的排列次序不仅和这些基因在胚胎发育过程中的活化的时间顺序是一致的，而且与它们在沿躯体纵轴的空间表达时相也基本相符。此外，Hox基因不仅存在于果蝇中，还存在于多种动物中，这些Hox基因都具有非常保守的同源框结构，在细胞分化与发育中均具有类似的生物学功能。目前认为，Hox基因是一类非常重要的转录调节因子，其功能是将胚胎细胞沿前-后轴分为不同的区域，并决定各主要区域器官的形态建成。\n第二节真核细胞基因表达的调控真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，主要发生在三个彼此相对独立的水平上\n转录水平的调控：决定某个基因是否会被转录，并决定转录的频率；真核细胞在特定时间通过差别基因转录选择性地合成蛋白质，转录水平的调控包括转录的激活和转录的阻抑，既与顺式调控元件有关，又与反式作用因子有关。\n加工水平的调控：决定初始mRNA转录物（hnRNA）被加工为能翻译成多肽的信使RNA（mRNA）的途径；选择性剪接是一种广泛存在的RNA加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个相关的蛋白质，产生蛋白质的多样性。\n在细胞内mRNA的前体有两种基本剪接方式：一是编码蛋白质的不连续基因通过RNA剪接将内含子从mRNA前体中去除，然后规范地将外显子剪接成成熟的mRNA，这种剪接方式称为组成型剪接。通过组成型剪接，一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般也只产生一种蛋白质产物；另一种剪接方式是可调控的选择性剪接。真核生物中有些基因的mRNA前体有几种不同的剪接方式，因而产生不同的成熟mRNA，翻译产生不同的蛋白质。\n翻译水平的调控：决定某种mRNA是否会真正得到翻译，如能得到翻译，还决定翻译的频率和时间的长短。一般是通过细胞质中特异的mRNA和多种蛋白之间的相互作用来实现的。涉及到mRNA的细胞质定位，mRNA翻译的调控和mRNA稳定性的调控等。\n\n讨论、思考题、作业：1、课后查阅相关文献。2、预习下章、节内容3、思考：1）什么是细胞分化，其本质是什么？2）什么是细胞分化的组合调控模式？3）影响细胞分化的因素有哪些？4）什么是干细胞？干细胞研究的重要应用有哪些？思考题