细胞生物学之细胞分化

中山大学大学大一教材医用细胞生物学第十五章细胞分化，同源异形框基因：广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中存在共同的180bp的DNA片段，编码高度同源的60个氨基酸。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形框（homeobox），含有同源异形框的基因谓之同源异形框基因（homeobox gene），如果蝇的HOM 基因，动物和人类的Hox基因。

细胞分化

• 细胞分化的基本概念
  • 多细胞生物个体发育过程与细胞分化的潜能
    • 动物和人类胚胎的三个胚层代表不同类型细胞的分化去向
      • 原肠胚形成后细胞分化开始
        • 内胚层（endoderm）
          • 将发育为消化道及其附属器官、唾液腺、胰腺、肝脏以及肺等的上皮成分
        • 中胚层（mesoderm)
          • 将发育成骨骼、肌肉、纤维组织和真皮，以及心血管系统和泌尿系统
        • 外胚层（ectoderm）
          • 形成神经系统、表皮及其附属物
    • 细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄”
      • 全能性细胞（totipotent cell）
        • 能在一定条件下分化发育成为完整个体的细胞，如哺乳动物桑葚胚的8细胞期之前的细胞
      • 多能细胞（pluripotent cell）
        • 在胚胎发育的三个胚层形成后，细胞的分化潜能受到限制，仅能想本胚层组织和器官方向分化发育的细胞
      • 单能性（unipootency)
        • 经过器官发生（organogenesis），各种组织细胞的命运最终确定，呈单能性
      • 细胞分化的一般规律：在胚胎发育过程中，细胞逐渐由“全能”到“多能”，最后向“单能”趋向
    • 终末分化的细胞的细胞核具有全能性
      • 全能性细胞核（totipotent nucleus):终末分化细胞的细胞核仍具有全能性
      • 证明细胞核全能性的实验
        • 核移植实验
          • 爪蟾核移植实验
          • 哺乳动物核移植实验---多莉羊的诞生
  • 细胞决定与细胞分化
    • 细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向
      • 细胞决定（cell determination）:在细胞发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态
      • 原肠期的三个胚层形成时，形成各器官的预定去已经确定，只能按照一定的规律法与分化成特定发组织、器官和系统
    • 细胞决定具有遗传稳定性
      • 典例：果蝇成虫盘细胞的移植实验
  • 细胞分化的可塑性
    • 细胞分化具有高度的稳定性
      • 在正常生理条件下，已分化为某种特异性、稳定类型的细胞一般不可能转化到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞
      • 已分化的终末细胞在形态结构和功能上保持稳定是个体生命活动的基础
    • 已分化的细胞可发生去分化
      • 去分化（dedifferentiation）:一般情况下，细胞分化过程是不可逆的，然而在某些条件下，分化了的细胞也不稳定，其基因活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未分化的状态
    • 细胞去分化重编程
      • 概念：一般将成熟终末分化细胞逆转为原始的多能，甚至是全能干细胞状态的过程称为细胞重编辑（cellular reprogramming）
      • 实例
        • 基于细胞核移植技术进行的动物克隆实验
        • 诱导多能干细胞（induced pluripotent stemcell，iPS细胞），如将四个转录因子（Oct3/4、Sox2、C-Myc、Klf4）基因导入小鼠皮肤成纤维细胞中，即可获得iPS细胞
    • 特定条件下已分化细胞可转化为另一种类型细胞
      • 转分化（trans-differentiation）概念：高度分化的动物细胞从一种转化状态转变为另一种分化状态
    • 必须指出的是，无论是动物还是植物，细胞分化的稳定性是普遍存在的，而分化的可逆性，即发生细胞的转分化或去分化是有条件的
  • 细胞分化的时空性
    • 在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上的分化，也有空间上的分化
    • 时间上的分化：一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结构和功能
    • 空间上的分化：同一种细胞的后代，由于细胞所处的空间位置不同，其环境也不同，可以有不同的形态和功能
  • 细胞分裂与细胞分化
    • 细胞分裂和细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，两者之间有密切的联系
    • 通常细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化
    • 细胞分化发生在细胞分裂的G1期，当G1期很短或几乎没有时（细胞快速分裂），细胞分化减慢
    • 个体生长发育的一般规律---细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度减慢
• 细胞分化的分子基础
  • 胞质中的细胞分化决定因子与传递方式
    • 母体效应基因产物的机型分布决定了细胞分化与发育的命运
      • 母体效应基因（maternal effect gene,MEG）再乱之中呈极性分布、在受精后被翻译为在配套发育中起重要作用的转录因子和翻译体哦就蛋白的mRNA分子，它们在细胞发育命运的决定中起重要作用
    • 胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运
      • 不对称分裂：在胚胎发育过程中，细胞在成分是不均质的，胞质中某些成分的分布具有区域性。当细胞分裂时，细胞质成分被不均等地分配到子细胞中，这种不均一性胞质成分可以调控细胞核基因的表达，在一定程度上决定细胞的早期分化
      • 实例：细胞质中numb蛋白的不对称分布能影响果蝇神经细胞的发育
  • 细胞分化中的基因表达的特点
    • 基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律
      • 细胞分化过程中一般不伴有基因组的改变
      • 多细胞个体发育与细胞分化过程中，其基因组DNA并不全部表达，而呈现选择性表达，它们按照一定的时空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同发育阶段发生差异表达（differential expression）
      • 细胞分化的本质：基因的选择性表达，一些基因处于活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化
      • 奢侈蛋白（luxury protein)
        • 奢侈基因：编码组织细胞特异性蛋白的基因
        • 奢侈蛋白：由奢侈基因编码，仅存在于特定的分化细胞中。如红细胞中的血红蛋白、皮肤表皮细胞中的角蛋白、肌细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白
      • 管家蛋白（house-kepping protien）
        • 管家基因：生物体各类细胞中都表达，为维持细胞生存和生长所必需的蛋白质编码的基因
        • 管家蛋白：由管家基因表达，存在与所有分化类型细胞中，如细胞骨架、膜蛋白、染色质的组蛋白、核糖体蛋白
    • 基因组改变是细胞分化的特例
      • 基因组扩增：见于果蝇的腺细胞和卵巢滤泡细胞，染色体多次复制，形成多倍体（polyploid）和多线体(polyteny)
      • 基因组丢失：在马蛔虫个体发育过程中，只有生殖细胞得到了完整染色体，而体细胞中的染色体只是部分染色体片段。哺乳动物（除骆驼外）的红细胞以及皮肤、羽毛和毛发的角化细胞则丢失了完整的核
      • 基因重排：在B淋巴细胞分化过程中，DNA通过体细胞重组（somatic recombination）,使DNA序列中不同部位的部分基因片段连接在一起，组成产生抗体mRNA的DNA序列
  • 基因选择性表达的转录水平调控
    • 基因的时序性表达
      • 时间特异性（temporal specificity）:某一特定基因表达严格按照一定的时间顺序发生
      • 阶段特异性（stage specificity):从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，都会由不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为分化、发育阶段一致的时间性
      • 例：血红蛋白选择表达性表达机制
        • 脊椎动物的血红蛋白由2条α-珠蛋白链和2条β-珠蛋白链组成，其在个体发育不同时期表达不一样。
          • 在个体发育过程中依次有不同的β-珠蛋白基因的打开和关闭，这与β-珠蛋白基因簇上游的基因座控制区（locus control region, LCR）有关
          • LCR距离ε基因的5′末端约10,000碱基对以上 ，可使任何与它相连的β-家族基因高水平表达
    • 基因的组织细胞特异性表达
      • 基因表达的空间特异性（spatial specificity）：在个体发育过程中，同一基因产物在不同的组织器官中表达多少是不一样的。一种基因产物在个体的不同组织或器官中表达，即在个体的不同空间出现
      • 基因表达的组织特异性：不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同
      • 与基因表达的调控相互作用的转录因子
        • 通用转录因子：为大量基因转录所需要并在许多细胞类型中都存在的因子
        • 组织细胞特异性转录因子：为特定基因或一系列组织特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞类型中存在的因子
      • 通常情况下，细胞特异性的基因表达是由于仅存于那种类型细胞中的组织细胞特异性转录因子与基因的调控区相互作用的结果
    • 细胞分化过程中基因表达调控的复杂性
      • 关键基因调节蛋白的表达
        • 一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特 定谱系细胞的分化
        • 细胞分化中基因活化的一种方式是，作为转录因子的基因产物本身起正反馈调节蛋白作用。由此维持一系列细胞分化基因的活动只需要激活基因表达的起始事件，即特异地参与某一特定发育途径的起始基因
        • 细胞分化主导基因（master control gene）：具有正反馈作用的起始基因---该基因一旦打开，它就维持在活化状态，表现为能充分的诱导细胞沿着某一分化途径进行，从而导致特定谱系细胞的发育。
      • 一些基因调节蛋白的组合
        • 一些基因调节蛋白的组合能产生许多类型的细胞
        • 组合调控（combinatory control）
          • 概念：即转录起始受一个基因调节蛋白的组合而不是单个基因调节蛋白调控的现象
          • 条件：许多基因调节蛋白必须能共同作用来影响最终的转录速率。不仅每个基因拥有许多基因调节蛋白来调控它，而且每个基因调节蛋白也参与调控多个基因
      • 同源异型框基因的时空表达
        • 同源异形框基因：广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中存在共同的180bp的DNA片段，编码高度同源的60个氨基酸。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形框（homeobox），含有同源异形框的基因谓之同源异形框基因（homeobox gene），如果蝇的HOM 基因，动物和人类的Hox基因。
        • 同源异形域蛋白（homeodomain protein）：由同源异形框基因编码的蛋白称
        • 高度保守的60个氨基酸片段，为一种螺旋-回折-螺旋（HLH）结构，其中的9个氨基酸（第42～50位）与DNA的大沟相结合，能识别其所控制的基因启动子中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑
    • 染色质成分的化学修饰在转录水平上调控细胞的特化
      • DNA甲基化（methylation）
        • • 概念:在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶可转变成5-甲基胞嘧啶
          • 分布：常见于富含CG二核苷酸的CpG岛，主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中
          • 含量：哺乳动物基因组中约70%～80%的CpG位点是甲基化的
          • 作用：DNA的甲基化位点阻碍转录因子结合，甲基化程度越高，DNA转录活性越低
          • DNA 甲基化导致基因失活/沉默的可能机制
            • 甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结合位点的结合
            • 特异的转录抑制因子直接与甲基化DNA结合
            • 染色质结构的改变
      • 组蛋白的化学修饰
        • 组蛋白的化学修饰将引起染色质结构改变（即染色质重塑），而导致基因转录或沉默
        • 组蛋白密码（histone code）：组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型，它决定了染色质转录活跃或沉默的状态
        • 组蛋白的结构是动态变化的，包括组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化和羰基化等。近年研究表明，组蛋白的化学修饰所引起的染色质结构的动态变化能够影响细胞的分化状态的转变
      • 染色质成分的共价修饰的有时空性
        • 表观遗传：影响染色质结构变化的因素，如组蛋白修饰、DNA甲基化、组蛋白组分的改变、染色质重建子（remodeler）和非编码RNA等因素，或染色质上的这些标记在细胞分裂过程中能够被继承并共同作用决定细胞的表型
        • 可以认为，染色质的共价修饰和非共价机制（如组蛋白组分改变、染色质重建子和非编码RNA作用）相互结合促使形成一种染色质状态，使其在细胞的分化和发育过程中能够作为模板
        • 表观基因组与细胞分化
          • 基因组：某一个体不变的DNA序列
          • 表观基因组：染色质模板的总体构成。表观基因组随细胞类型的不同而变化，并能对其收到的内、外界信号发生反应。表观基因组会在多细胞生物由一个受精卵发育到许多已分化细胞这一过程中发生变化
      • DNA和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转录活性的变化。染色质成分的共价修饰在基因转录调控上的作用是可遗传的
  • 非编码RNA（non-coding RNA）在细胞分化中的作用
    • 非编码RNA主要包括：小RNA 和长链非编码RNA（long non-coding RNA，lncRNA）。研究表明，它们参与了细胞分化与发育的基因表达调控
    • 小RNA ：长度约在20～30个核苷酸（nt）的非编码RNA，是在研究秀丽隐杆线虫（C. elegan）细胞命运的时间控制过程中被发现的；广泛地存在于哺乳动物，具有高度的保守性，通过与靶基因mRNA互补结合而抑制蛋白质合成或促使靶基因mRNA降解
    • 长链非编码RNA：长度超过200个核苷酸,与细胞分化和发育密切相关
• 细胞分化的影响因素
  • 细胞间相互作用对细胞的分化的影响
    • 胚胎细胞间相互作用的主要表现形式是胚胎诱导
      • 胚胎诱导（embryonic induction）：胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定其分化方向的现象
      • 胚胎诱导的特点： 胚胎细胞间的相互诱导作用是有层次的。在三个胚层中，中胚层首先独立分化，该过程对相邻胚层有很强的分化诱导作用，促进内胚层、外胚层各自向相应的组织器官分化。
      • 胚胎诱导的分子基础：胚胎诱导是通过诱导组织释放的各种旁分泌因子（paracrine factor）实现的。这些旁分泌因子以诱导组织为中心形成由近及远的浓度梯度，它们与反应组织细胞表面的受体结合，将信号传递至细胞内，通过调节反应组织细胞的基因表达而诱导其发育和分化
    • 胚胎细胞间的相互作用还表现为细胞分化的抑制效应
      • 抑制：是指在胚胎发育中已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用
      • 侧向抑制（lateral inhibition）：在具有相同分化命运的胚胎细胞中，如果一个细胞“试图”向某个特定方向分化，那么，这个细胞在启动分化指令的同时也发出另一个信号去抑制邻近细胞的分化的现象。见于脊椎动物的神经板细胞向神经前体细胞分化过程中
  • 激素对细胞分化的调节
    • 激素是远距离细胞间相互作用的分化调节因子，是个体发育晚期的细胞分化调控方式
    • 激素影响细胞分化与发育的典型例子是动物发育过程中的变态（metamorphosis）效应
      • 例如
        • 昆虫的变态发育受蜕皮激素的影响
        • 两栖类的变态与甲状腺激素（T3,T4）有关
  • 环境因素对细胞分化的影响
    • 细胞分化的方向可因环境影响而改变。 目前已了解到，物理的、化学的和生物性因素均可对细胞的分化与发育产生重要影响
    • 物理因素，如两栖类动物受精卵的背-腹轴决定，与重力有关； 在低等脊椎动物，性别决定与分化受环境因素的影响较大，如温度
    • 生物性因素：哺乳类动物（包括人类）B淋巴细胞的分化与发育则依赖于外来性抗原的刺激
• 细胞分化与医学
  • 细胞分化与肿瘤
    • 肿瘤细胞特征：低分化和高增殖
    • 肿瘤细胞是异常分化的细胞
    • 肿瘤细胞是丧失接触性抑制的“永生”细胞
    • 肿瘤细胞群体分类
      • 干细胞：它是肿瘤细胞群体的起源，具有无限分裂增殖及自我更新能力，维持整个群体的更新和生长
      • 过渡细胞：它由干细胞分化而来，具备有限分裂增殖能力，但丧失自我更新特征
      • 终末细胞：它是分化成熟细胞，已彻底丧失分裂增殖能力
      • G0期细胞：它是细胞群体中的后备细胞，有增殖潜能但不分裂，在一定条件下，可以更新进入增殖周期
    • 大量证据表明，肿瘤起源于一些未分化或微分化的干细胞，是由于组织更新时所产生的分化异常所致
    • 肿瘤细胞向正常细胞的诱导分化
      • 肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导下，增殖减慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种诱导分化信号分子称为分化诱导剂。分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化诱导作用。如：可利用维甲酸对肿瘤细胞的诱导分化作用治疗人急性早幼粒细胞白血病
  • 细胞分化与再生医学
    • 再生（regeneration）现象：一些发育成熟的成年动物的整体或器官受外界因素作用发生创伤而部分丢失时，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态结构和功能上相同的组织或器官的过程
    • 再生的本质与方式
      • 本质：是成体动物为修复缺失组织器官的发育再活化，是多潜能未分化细胞的再发育
      • 方式
        • 微变态再生：是两栖类动物再生肢体的主要方式
        • 变形再生：见于水螅的再生
        • 补偿性再生：是哺乳动物肝脏再生的方式
    • 再生的过程
      • 蝾螈肢体的再生主要过程
        • 顶端外胚层帽和去分化再生胚芽的形成
        • 胚芽细胞的增生和再分化
        • 再生胚芽的模式形成
    • 动物的再生策略给人类以重要启示
      • 找出激活曾经是人体器官形成的发育程序的方法
        • 寻找相对未分化的多潜能干细胞
        • 寻找能够允许这些细胞开始形成特定组织细胞的环境
    • 细胞分化的可塑性研究显示体细胞重 编程的巨大可能性
      • 应用细胞重编程技术，能将体细胞转变为多潜能未分化干细胞
      • 应用细胞重编程技术，能将体细胞转变为组织特异性干细胞
      • 应用细胞重编程技术，能将一种体细胞直接转化为另一种体细胞。示例：将皮肤成纤维细胞直接转化为血细胞、心肌细胞及神经元等