西北农林科技大学：《细胞生物学》课程教学资源（课件讲稿）第15章 细胞分化与胚胎发育

第15章细胞分化与胚胎发育 1 细胞分化 2胚胎发育

1 细胞分化 2 胚胎发育 第15章 细胞分化与胚胎发育

第一节细胞分化(cell differentiation) 多细胞生物具有不同的发育模式，但都涉及： ①细胞增殖； ②细胞分化； ③细胞间的相互作用。 ·细胞分化(cell differentiation)是指在个体发育中，有一种 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。 ·单细胞生物会分化吗？ 细胞分化并非多细胞生物专有，细菌芽孢形成，酵母、粘 菌的有性生殖都存在细胞分化过程

• 多细胞生物具有不同的发育模式，但都涉及： – ①细胞增殖； – ②细胞分化； – ③细胞间的相互作用。 • 细胞分化（cell differentiation）是指在个体发育中，有一种 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。 • 单细胞生物会分化吗？ • 细胞分化并非多细胞生物专有，细菌芽孢形成，酵母、粘 菌的有性生殖都存在细胞分化过程。 第一节 细胞分化（cell differentiation）

细胞分化的基本概念 ● 细胞分化的本质是细胞在分化时、分化后产生不同（特异）的 蛋白质，表现出不同的形态和功能。 ·同一个体，分化的细胞基因组是有差异还是相同的呢？ ·特例： +马蛔虫：将要分化为生殖细胞的细胞保存完整的基因组，而将分化为体细 胞的细胞染色体丢失。 +原生动物核分化：生殖核保留完整基因组，营养核10%~90%的DNA丢失， 剩下的DNA发生重排及扩增。 + 浆细胞的分化：B淋巴细胞DNA断裂、丢失、重排分化出分泌特异抗体的浆 细胞。 ● 细胞的分化是细胞在发育过程中遗传物质选择性丢失造成的吗？

⚫ 细胞分化的本质是细胞在分化时、分化后产生不同（特异）的 蛋白质，表现出不同的形态和功能。 ⚫ 同一个体，分化的细胞基因组是有差异还是相同的呢？ ⚫ 特例：  马蛔虫：将要分化为生殖细胞的细胞保存完整的基因组，而将分化为体细 胞的细胞染色体丢失。  原生动物核分化：生殖核保留完整基因组，营养核10％～90％的DNA丢失， 剩下的DNA发生重排及扩增。  浆细胞的分化：B淋巴细胞DNA断裂、丢失、重排分化出分泌特异抗体的浆 细胞。 ⚫ 细胞的分化是细胞在发育过程中遗传物质选择性丢失造成的吗？ 一、 细胞分化的基本概念

1细胞分化是基因选择性表达的结果 研究表明，对于绝大多数生物来说，不同分化方向的绝大多数细胞基因组 是相同的。但不同分化方向的细胞相同的基因组中部分活化表达的基因不 同，产生特异的蛋白。 细胞分化是发育的核心问题； 细胞分化的实质在于细胞合成特异性蛋白； 特异性蛋白合成的基础在于细胞基因的选择性表达。 分化过程涉及： 基因活性状态的变化 细胞物质组成的变化一形态、结构、功能的变化 表15-2分子杂交技术检测基因及其mRNA的表达 细胞总DNA 细胞总RNA 输卵管细胞 成红细胞 胰岛阝细胞 输卵管细胞 成红细胞 胰岛B细胞 卵清蛋白基因探针 + B一珠蛋白基因探针 胰岛素基因探针 实验方法 Southern杂交 Northern杂交

• 研究表明，对于绝大多数生物来说，不同分化方向的绝大多数细胞基因组 是相同的。但不同分化方向的细胞相同的基因组中部分活化表达的基因不 同，产生特异的蛋白。 • 细胞分化是发育的核心问题； • 细胞分化的实质在于细胞合成特异性蛋白； • 特异性蛋白合成的基础在于细胞基因的选择性表达。 • 分化过程涉及： 基因活性状态的变化——细胞物质组成的变化——形态、结构、功能的变化 1 细胞分化是基因选择性表达的结果

管家基因(house--keeping gene).与组织特异性基 2 因(tissue-specific gene） 细胞分化是通过严格而精密调控的基因表达实现的。分化细胞基因组中所表 达的基因大致可分为两种基本类型： 管家基因（持家基因）：所有细胞中均表达的一类基因，负责维持细胞的 基本生命活动。如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因、核糖体蛋白基因等。 。 组织特异性基因：又称奢侈基因(luxury genes).,不同分化类型细胞中 特异性表达的基因。其产物赋予分化细胞特异性结构特征与功能。如卵清 蛋白基因，胰岛素基因，角蛋白基因。 ·组织特异基因的表达是受到与分化相关的调节基因的调控，使得组织特异 性基因表达具有时间、空间的范围。 细胞分化的本质是组织特异性基因在时间和空间上的差异表达

2 管家基因（house-keeping gene）与组织特异性基 因（tissue-specific gene） 细胞分化是通过严格而精密调控的基因表达实现的。分化细胞基因组中所表 达的基因大致可分为两种基本类型： • 管家基因（持家基因）：所有细胞中均表达的一类基因，负责维持细胞的 基本生命活动。如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因、核糖体蛋白基因等。 • 组织特异性基因：又称奢侈基因（luxury genes），不同分化类型细胞中 特异性表达的基因。其产物赋予分化细胞特异性结构特征与功能。如卵清 蛋白基因，胰岛素基因，角蛋白基因。 • 组织特异基因的表达是受到与分化相关的调节基因的调控，使得组织特异 性基因表达具有时间、空间的范围。 • 细胞分化的本质是组织特异性基因在时间和空间上的差异表达

3组合调控引发组织特异性基因表达 分化的细胞类型很多，而调控蛋白较少。 与细胞外的组合信号类似，细胞分化是调控蛋白组合调控 (combinational control)的结果。 ·在某种类型的细胞分化调节中，往往存在一两种起决定作用 的蛋白，编码这类蛋白的基因称为主导基因。 。 关键性调解蛋白有启动调控组合的作用（如骨骼肌发育关键 基因MyoD),或是其他调控蛋白的调控蛋白，使调控蛋白级 联启动（如果蝇眼发育关键基因Ey)

3 组合调控引发组织特异性基因表达 • 分化的细胞类型很多，而调控蛋白较少。 • 与细胞外的组合信号类似，细胞分化是调控蛋白组合调控 （combinational control）的结果。 • 在某种类型的细胞分化调节中，往往存在一两种起决定作用 的蛋白，编码这类蛋白的基因称为主导基因。 • 关键性调解蛋白有启动调控组合的作用（如骨骼肌发育关键 基因MyoD) ，或是其他调控蛋白的调控蛋白，使调控蛋白级 联启动（如果蝇眼发育关键基因Ey）

Fibroblasts signal Chorion villi cells No expression Amniocytes of muscle proteins MyoD ↓ myogenin Myf5 Virus-mediated MyoD gene transfer Mef2 Expression of Differentiation into early-myogenesis muscle structural genes myogenic cells proteins:desmin ↓ muscle development B: Further differentiation Expression of into multinucleated late-myogenesis myotubes proteins:titin,myosin and DYSTROPHIN A 20 um MyoD诱导成纤维细胞表现骨骼肌细胞特征

MyoD诱导成纤维细胞表现骨骼肌细胞特征

group of cells that give rise to group of cells that give rise to (red shows cells expressing ey gene) an adult eye an adult leg Drosophila larva Drosophila adult eye structure formed on leg normal fly fly with ey gene artificially expressed in leg precursor cells (A) (B) 眼分化关键调控基因异位表达使果蝇其他部位分化为眼

眼分化关键调控基因异位表达使果蝇其他部位分化为眼

前体细胞 调控蛋白① 细胞分裂 调控蛋白3 调控蛋白凤 1 调控蛋白③ 调控蛋白③ 调控蛋白③ 调控蛋白③ 组合调控的作用机制示意图 ② ①3

组合调控的作用机制示意图

4单细胞有机体的细胞分化 细胞分化并非多细胞有机体独有的特征，单细胞生物甚至原核生物也 存在细胞分化问题。没有形式上的分化，但有时间上的分化。也就是 说，生活史的不同时期单细胞生物的细胞形态与生理特征都有差异。 ·与多细胞有机体细胞分化不同，单细胞生物细胞的分化多为适应不同 的生活环境，而多细胞生物则通过细胞分化构建执行不同功能的组织 和器官。 孢子 菌柄 基座

4 单细胞有机体的细胞分化 • 细胞分化并非多细胞有机体独有的特征，单细胞生物甚至原核生物也 存在细胞分化问题。没有形式上的分化，但有时间上的分化。也就是 说，生活史的不同时期单细胞生物的细胞形态与生理特征都有差异。 • 与多细胞有机体细胞分化不同，单细胞生物细胞的分化多为适应不同 的生活环境，而多细胞生物则通过细胞分化构建执行不同功能的组织 和器官