当前课程知识点:普通生物学 > 第一章 细胞生物学基础 > 第五节 细胞的分裂与分化 > 1.5.5细胞分化与细胞全能性
多细胞生物体都是由单个细胞
也就是受精卵细胞分裂 分化形成的
既然都是来源于同一个受精卵细胞
核基因组也相同
但是为什么发育成成体之后
构成不同组织器官的细胞
比如说神经细胞和肌肉细胞
无论在细胞形态 结构
还是功能方面都有很大的差异呢
这是因为在个体发育的过程中
细胞发生分化所致
现在我们就来分析细胞的分化
所谓细胞分化
是指在个体发育过程中
新生的细胞在形态
结构和功能上发生稳定差异
形成不同类型细胞的过程
以人的个体发育为例
由受精卵发育为胚泡
其中的内细胞团的细胞
就分化形成了
内胚层 外胚层和中胚层
三个胚层的细胞
再进一步形成了
不同的组织 器官和系统
比如说 内胚层细胞可以形成
消化道上皮
外胚层可以分化形成神经系统
中胚层形成肌肉组织等等
生物个体发育的过程
就伴随着细胞分化的过程
细胞分化是发育的核心问题
涉及非常复杂的机制
简单地说呢
细胞分化的原因呢
就是基因的选择性表达的结果
不同的细胞
被开启转录的基因不同
被翻译合成的蛋白质也不同
因此就形成了
执行特定功能的细胞
有了组织的分化
如何能够证明这个观点呢
有一个经典的实验 选取三种
能特异性表达某种蛋白的细胞
比如说鸡的输卵管细胞会合成卵清蛋白
成红细胞会合成β-珠蛋白
胰岛β细胞合成胰岛素
分别以上述三种蛋白的
编码基因作探针
与三种细胞中提取的总DNA
进行Southern杂交实验
结果显示呢都是阳性结果
也就是用+号来代表的
这说明了什么呢
说明三种细胞的基因组中
都含有这三种蛋白的基因
但是如果对这三种细胞的
总RNA进行Northern杂交实验
结果显示
卵清蛋白的mRNA
仅在输卵管细胞中表达
β-珠蛋白的mRNA
仅在成红细胞中有表达
胰岛素mRNA 仅在胰岛β细胞中表达
这一实验证明了不同类型的细胞
的确是表达了一套特异的基因
因而执行不同的生理功能
细胞的分化
就是基因选择性表达的结果
那么不同类型的细胞
是否表达的基因完全不同呢
不是这样的
细胞分化是经过严格而精密地
调控基因的表达而实现的
分化细胞基因组
所表达的基因大致分为两类
一是管家基因
也就是house-keeping gene
另一类是组织特异性基因
luxury gene
管家基因是指在所有细胞都表达的基因
它们的表达产物是维持细胞
正常的生命活动所必需的
比如说 糖酵解酶系基因β-actin 等
我们在做RT-PCR反应时候呢
常常会以管家基因作为对照
因为它在所有细胞中都会表达
而组织特异性基因是在
不同类型细胞中特异性表达的基因
正是由于这些组织特异性基因的表达
才使得各种类型的细胞
具有了特定的结构与功能
例如我们前面提到的卵清蛋白基因
和胰岛素基因 都是组织特异性表达基因
那么 在一个细胞内
管家基因和组织特异性基因
各占多少比例呢
现有的研究表明
绝大多数是组织特异性基因
真正意义的管家基因
所占比例很小 不超过3%
既然细胞分化
是由于基因特异性表达所致
那么人体至少有200多种不同类型的细胞
如果每种细胞分化
都需要一种调控蛋白的话
那么 就至少需要200种以上的调控蛋白
而事实上呢 并没有这么多
有少量的调控蛋白启动了
为数众多的特异细胞类型的分化程序
这个机制就是组合调控的方式
让我们来看这张示意图
每个基因都有开和关两种状态
如果有N个基因
理论上就有2的N次方种状态
假如有3种调控蛋白
第一次细胞分裂时
调节蛋白1的基因开启
在其中一个子细胞中表达
第二次分裂时
调节蛋白2的基因
在其中2个子细胞中开启并表达
第三次分裂时 调节蛋白3
在其中的4个子细胞中开启并表达
最终就形成了8种不同类型的细胞
每个细胞中所表达的调节蛋白的数目
和种类都不相同
这样呢 3种调控蛋白就调控了
8种类型细胞的分化
这是一种非常高效
经济的细胞分化的调控机制
从前面的讲述中我们已经知道
细胞分化的实质
是基因的选择性表达
结果呢 是形成了
执行不同的生理功能的
不同类型的细胞
成体细胞已经不再具有分化的能力
下面我们来分析细胞的全能性问题
细胞的全能性
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
只有动物的受精卵及卵裂
及卵裂早期的胚胎细胞
是具有全能性的细胞
植物的体细胞在适宜的条件下
可培育成正常的植株
说明植物细胞是具有全能性的
而且植物细胞的全能性
已经广泛应用于
植物基因工程的实践中
而动物细胞
特别是高等动物的细胞
随着胚胎发育和细胞的分化
细胞逐渐丧失了
发育成完整个体的能力
仅具有分化成多种细胞类型
及构建组织的潜能
这种潜能称为多能性
具有分化潜能的细胞称为干细胞
在动物整个发育的过程中
细胞分化的潜能是逐渐受到限制
由受精卵这样的全能性细胞
转化成多能或单能干细胞
最终分化形成的细胞
就不再具有分化的潜能
成了终末分化细胞
按照来源分
干细胞分为两类
一是胚胎干细胞
第二是成体干细胞
胚胎干细胞 可以分化形成
任何一种细胞类型
它来源于囊胚期的内细胞团
以人的早期胚胎发育为例
精卵受精后
受精卵开始进行卵裂
5-7天后 发育成中空的囊胚
特称为胚泡
胚泡外层的细胞称为滋养层细胞
胚泡的内部有一团细胞
称为内细胞团
这个内细胞团的细胞
就是胚胎干细胞
胚胎干细胞是一种多能细胞
能够分化出人体
所有的组织和器官
例如 胚胎干细胞
可以分化形成脂肪细胞
神经元细胞 巨噬细胞
平滑肌细胞 神经胶质细胞等等
而成体干细胞
它只能分化形成某种细胞类型
例如造血干细胞
神经干细胞 肌肉干细胞等等
也称为组织干细胞
例如造血干细胞可以分化形成
各种类型的血细胞
如T淋巴细胞 B淋巴细胞
噬中性噬碱性和噬酸性粒细胞等等
白血病就是由于干细胞癌变所致
既然干细胞能够分化
形成不同类型的细胞
我们是否可以人为诱导
干细胞形成某些组织或器官呢
基于这样的想法
2001年有科学家就提出了
再生医学这样一种全新的治疗理念概念
理想的治疗方案
就是在体外人为的诱导
干细胞向特定的方向分化
从而构建我们需要的组织与器官
如肝脏或者是肾脏等等
再将这些器官移植入体内
来替代某些损坏的脏器或组织
使患者得以康复
不过呢
使用人体胚胎干细胞涉及伦理问题
它的应用受到限制
于是科学家们
又同时进行了另一种尝试
用已经分化成熟的体细胞
让它重新恢复分化能力
这就是细胞的重新编程技术
2012年两位科学家 一位来自英国
一位来自日本 因为他们
对于细胞的重新编程技术的贡献
获得了诺贝尔生理或医学奖
其中 John Gurdon 1962年
证明细胞可以重新编程
而山中伸弥于2006 将小鼠的成纤维细胞
诱导成了多功能干细胞也就是iPS细胞
有关细胞编程技术的研究工作也有华人参与
例如2007年 Nature和Science杂志
同一天都报道了相似的一项工作
也就是将人体的皮肤细胞改造成
类似胚胎干细胞的“多功能细胞”
其中 Science杂志上的那篇文章
第一作者就是一位华人学者
她叫俞君英
2014年日本完成了世界上首例
多功能干细胞移植手术
一位70岁的日本女性
她是视网膜黄斑变性患者
接受了IPS细胞移植手术
具体的做法是
先将患者的皮肤细胞
诱导为多能干细胞
然后呢再将多能干细胞
进一步诱导分化为视网膜色素上皮细胞
制成供移植用的细胞层
最后呢将此细胞层移植入患者的眼内
当然关于IPS技术
还存在一些争议
也存在不稳定的问题
还需要不断的改进和完善
希望这项技术日臻完善呢
给更多的患者带去福音
-绪论
--绪论
-人物访谈——走进精准医学
-第一节 细胞概述
-第一章 细胞生物学基础--第一节 细胞概述
-第二节 细胞膜与物质的跨膜运输
-第一章 细胞生物学基础--第二节 细胞膜与物质的跨膜运输
-第三节 真核细胞的结构
-第一章 细胞生物学基础--第三节 真核细胞的结构
-第四节 细胞的能量代谢
-第一章 细胞生物学基础--第四节 细胞的能量代谢
-第五节 细胞的分裂与分化
-第一章 细胞生物学基础--第五节 细胞的分裂与分化
-第一节 遗传的分子基础
-第二章 分子生物学基础--第一节 遗传的分子基础
-第二节 基因的表达调控
-第二章 分子生物学基础--第二节 基因的表达调控
-第三节 生物技术及其应用
-第二章 分子生物学基础--第三节 生物技术及其应用
-第四节 人类基因组及其遗传疾病
-第二章 分子生物学基础--第四节 人类基因组及其遗传疾病
-第一节 高等植物体的细胞与组织
-第三章第一节 高等植物体的细胞与组织
-第二节 植物的生长
-第三章 高等植物体的结构与功能--第二节 植物的生长
-第三节 植物的生殖和发育
-第三章 高等植物体的结构与功能--第三节 植物的生殖和发育
-第四节 植物的营养与运输
-第三章 高等植物体的结构与功能--第四节 植物的营养与运输
-第五节 植物生长发育的调控
--3.5.6 乙烯
-第三章 高等植物体的结构与功能--第五节 植物生长发育的调控
-第一节 动物的组织
--4.1.5 软骨
--4.1.6 硬骨
--4.1.7 血液
-第一节 动物的组织--作业
-第二节 消化系统
-第四章 高等动物体的结构与功能--第二节 消化系统
-第三节 呼吸系统
-第三节 呼吸系统--作业
-第四节 循环系统
-第四章 高等动物体的结构与功能--第四节 循环系统
-第五节 内环境的控制
-第四章 高等动物体的结构与功能--第五节 内环境的控制
-第六节 内分泌系统
-第四章 高等动物体的结构与功能--第六节 内分泌系统
-第七节 神经系统与神经调节
-第四章 高等动物体的结构与功能--第七节 神经系统与神经调节
-第八节 生殖与胚胎发育
-第四章 高等动物体的结构与功能--第八节 生殖与胚胎发育
-2020年秋季学期普通生物学期中考试