第14章 细胞分化与干细胞课件PPT

这是一份第14章 细胞分化与干细胞课件PPT，共59页。PPT课件主要包含了本章主要内容，细胞分化，干细胞，第一节，细胞决定实验示意图，第二节等内容，欢迎下载使用。

一、细胞分化的基本概念
细胞分化（cell differentiatin）：在个体发育中，由一种相同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，产生不同细胞类群的过程细胞分化的关键在于不同类型细胞中决定细胞命运和功能的特异性转录因子网络的建立，其实质是特异性基因在发育的特定时间和空间中选择性的表达（调控主要发生在转录水平）细胞分化是多细胞有机体发育的基础，也是目前干细胞（stem cell）研究中所面临的核心问题
表14-1 几种生物的细胞数目与类型
Brn17 January 1834Frankfurt am Main Died5 Nvember 1914 (aged 80)Freiburg Knwn frgerm plasm thery
细胞分化是由于遗传物质丢失造成的，每一种组织只保留了其特有的遗传物质。1883
表14-2 分子杂交技术检测基因及其mRNA 的表达
（一）细胞分化是基因选择性表达的结果
不同类型的细胞各自表达一套特异的基因因，其产物不仅决定细胞的形态结构，而且执行特定的生理功能
管家基因（huse keeping gene）几乎所有细胞中均表达；产物是维持细胞基本生命活动所必需的可能仅占基因总数很少一部分；一般在S 期早期复制组织特异性基因（tissue-specific gene）不同类型细胞中特异性表达的基因；产物赋予各种类型细胞特异形态结构特征与特异的功能占基因总数的绝大多数，调控并参与了细胞分化和组织与器官的构建一般在S 期早期复制，但在不表达这类基因的细胞里，则在S 期晚期复制
（二）管家基因与组织特异性基因
（三）组合调控引发组织特异性基因的表达
组合调控（cmbinatinal cntrl）：即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同参与完成的主导基因(master gene)：编码细胞分化启动过程中起决定作用调控蛋白的基因；主导基因的表达就有可能启动整个细胞的分化过程
图14-1 组合调控的作用机制示意图3 种调控蛋白（分别以1、2、3 表示）理论上可以调控产生8 种不同类型的细胞
MyD转入成纤维细胞中表达，使成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征
MyD 诱导的肌细胞分化
单细胞生物甚至原核生物为适应外界生活环境的改变也存在细胞分化单细胞有机体细胞分化多为直接适应外界环境的改变；多细胞有机体细胞分化是通过遗传程序控制的细胞分化构建执行不同功能的组织与器官，从而间接适应环境的改变。因此，多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂
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The life cycle f the slime mlds
（四）单细胞有机体的细胞分化
图14-2 黏菌繁殖过程示意图
细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程
多细胞生物的个体发育过程：胚胎发育：前者包括卵裂、囊胚、原肠胚等几个基本的发育阶段，脊椎动物还要经过神经轴胚期以及器官发生等阶段。细胞分化的明显改变开始于原肠胚形成之后胚后发育：
（五）细胞谱系（cell lineage）
又称“细胞世系”：指受精卵从第一次卵裂时起，到分化为各组织和器官的终末细胞时为止的发育史对于了解各类细胞和器官发育机制、比较不同种类生物早期发育之间的演化关系以及分离并获取具有生理功能的各种细胞等都有重要价值利用细胞谱系示踪（cell lineage tracing）技术来标记细胞并追踪观察其所有后代的增殖、分化以及迁移等活动，进而获得细胞分化和发育的相关知识
转分化（transdifferentiatin）：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去分化（dedifferentiatin）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重编程（reprgramming）：涉及DNA与组蛋白修饰的改变再生（regeneratin）：生物体缺失部分后重建的过程
二、影响细胞分化的因素
基因的选择性表达主要是由调节蛋白所启动调节蛋白的组合是影响细胞分化的主要的直接因素。一般来说，这种影响主要受胞外信号系统的调控，而胞外信号及细胞微环境又是通过细胞的信号转导调控网络来起作用
Mechanisms f cellular differentiatin
隐蔽mRNA（减数分裂的哪个时期合成？）决定子 （determinent）的不对称分裂
果蝇卵在受精后2小时内只进行核分裂, 胞质不分裂，形成合胞体胚胎。随后核向卵边缘迁移，细胞的分化命运决定于核迁入不同的细胞质区域。迁入卵后端生殖质（germplasm）中的最终分化为生殖细胞。 证明了果蝇卵细胞后端存在决定生殖细胞分化的细胞质成分即生殖质就是种质细胞的决定子
Figure 22-28a Mlecular Bilgy f the Cell (© Garland Science 2008)
（一）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响
受精后，区域性分布的母体基因产物通过级联反应，激活或抑制相应的合子基因表达，进一步造成裂隙基因（gap gene）、成对规则基因（pair rule gene）和体节极性基因（segment plarity gene）等合子基因表达的区域化，从而决定了果蝇胚胎的前后轴、背腹轴和体节的形成果蝇胚胎的发育命运，早在卵子成熟时就决定了。受精后，胚胎就按照既定的途径完成发育
图14－3 果蝇体节形成中的基因调控bicid 等母体基因的mRNA 和蛋白在受精卵中形成浓度梯度，调控裂隙基因的表达，形成各自特异的表达区域；裂隙基因再调控成对规则基因，各形成7 条横纹状分布的表达区；成对规则基因调控其下游的体节极性基因，形成14 条表达横纹，相当于14 个副体节的位置。体节的不同特征则是由同源异型基因决定的
（二）信号分子及细胞的位置信息决定细胞分化的命运
近端组织相互作用（prximate tissue interactin），也称近端诱导（prximate interactin）或胚胎诱导（embrynic inductin）：在胚胎发育过程中，一部分细胞影响周围的细胞，使其向一定方向分化的作用主要是通过信号细胞分泌产生的信号分子改变周围细胞（靶细胞）的分化方向来实现
细胞分化与3个胚层发生的分子机理
细胞分化与3 个胚层发生过程，不仅依赖于各种信号分子的组合，而且与其浓度也就是细胞相互的位置密切相关细胞所处的位置即细胞的微环境对细胞状态的维持以及分化的命运起着决定性作用
图14-4 细胞分化与3 个胚层发生的分子机理的示意图
细胞可将信号分子短暂的有效作用储存起来形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化果蝇幼虫的成虫盘（imaginal disc）：是一些未分化的细胞群，在幼虫变态过程中，不同的成虫盘发育为成虫不同的器官
果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验
决定（determinatin）
决定：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、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运“决定早于分化”细胞的决定与细胞的记忆有关，而细胞记忆可能通过两种方式实现：一是正反馈途径（psitive feedback lp），即细胞接受信号刺激后，激活转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其他组织特异性基因的表达二是染色体结构变化（DNA 与蛋白质相互作用及其修饰）的信息传到子代细胞
MyD是一个“主调控基因”，其表达使细胞成为骨骼肌。如果成肌细胞产生MyD蛋白（一种转录因子），它就会与许多靶基因的增强子结合。这个细胞现在被确定为骨骼肌细胞。
（四）染色质变化与基因重排对细胞分化的影响
染色体丢失是细胞分化的特例：马蛔虫发育过程中，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基因重排是细胞分化的另一种特殊方式：在B淋巴细胞分化过程中，DNA通过体细胞重组, 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
细胞命运重编程与诱导多能性干细胞
一、干细胞概念及其分类
机体中能进行自我更新（产生与自身相同的子代细胞）并具有多向分化潜能（分化形成不同细胞类型）的一类细胞在细胞分化，个体发育和成体维持等生命过程中，起着关键和决定性的作用
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图14-5 干细胞基本特征示意图干细胞能产生与自己相同的子代细胞，即自我更新能力。同时也具有分化成不同细胞类型的潜能
根据分化潜能不同全能干细胞（ttiptent stem cell）多潜能干细胞（pluriptent stem cell） 多能干细胞（multiptent stem cell）单能干细胞（uniptent stem cell）根据来源不同胚胎干细胞（embrynic stem cell，ESC）成体干细胞（adult stem cell）
干细胞增殖的2 种方式：对称性分裂和不对称性分裂
对称性分裂常见于干细胞自身数目的扩增；不对称性分裂除自我更新外，还产生了分化的细胞干细胞早期分化后产生一些细胞不再具有无限的自我更新能力，只能分裂有限次数，称之为祖细胞或前体细胞（Precursr cells）
细胞分化潜能随个体发育进程逐渐渐受到限制
全能细胞：在一定条件下，能够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：在胚胎发育的三胚层形成后，细胞的分化潜能受到限制，仅能向本胚层组织和器官方向分化发育的细胞经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定，呈单能化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”的趋向
高度分化的植物体细胞仍具有全能性
由发育早期的全能性细胞逐渐过渡为发育后期和成体中的多能和单能干细胞，最终形成特定细胞谱系的某一终末分化细胞类型在特殊的情况下，可以被逆转
Jhn B. Gurdn
爪蟾核移植实验 1962
Jhn B. Gurdn去掉青蛙卵细胞的细胞核，取而代之的是蝌蚪特殊细胞的细胞核。经过改造的卵发育成正常的蝌蚪。随后的核移植实验产生了克隆哺乳动物
Gurdn, J.B. (1962). The develpmental capacity f nuclei taken frm intestinal epithelium cells f feeding tadples. Jurnal f Embrylgy and Experimental Mrphlgy 10:622-640.
哺乳动物终末分化细胞的细胞核也具有全能性
体细胞核的重编程（reprgramming）
胚胎干细胞是胚胎发育的正常组成部分。它们可以从早期胚胎中分离出来，在培养皿中生长。
胚胎干细胞主要来源——内细胞团（Inner Cell Mass，ICM）
1981 年，首株小鼠胚胎干细胞由剑桥大学的Evan 和Kaufman 自小鼠的内细胞团分离建立1998 年，美国威斯康星大学J. A. Thmsn 等在建立灵长类动物恒河猴胚胎干细胞系的基础上，又成功地建立了人胚胎干细胞系1998 年， 约翰霍普金斯大学的J. Gearhart 教授等采用了与Thmsn 小组不同的方法，从5～9 周龄流产胎儿的生殖嵴中，也获得了具有正常核型的干细胞系，称为胚胎生殖嵴干细胞
图14-6 人胚胎干细胞建系的示意图
再生医学（regenerative medicine）
2001年B. Haseltine 提出了再生医学（regenerative medicine）的概念，旨在将治疗性克隆技术与人胚胎干细胞的制备相结合，利用体外构建的自身组织与器官来使患者得以康复
图14-7 人类的治疗性克隆与再生医学的设想运用克隆技术获得患者‘自身’的胚胎干细胞，然后在合适的条件下，定向分化成患者所需的各种细胞类型，如胰岛细胞可用于移植和糖尿病的治疗
Therapeutic clning is a methd fr creating patient-specific embrynic stem (ES) cells.
干细胞生物学特性的维持及其定向分化受控于不同类型信号分子的组合调控
图14-8 人胚胎干细胞的自我更新与细胞分化相关的主要信号分子及信号通路在FGF、Wnt 和TGF-β 等信号分子的作用下，转录因子Oct4、Sx2 和Nang 等的基因得以表达，进而使相关的基因转录维持干细胞的状态。而TGF-β 超家族的另一成员——骨形成蛋白（bne mrphgenetic prtein，BMP）具有抑制人胚胎干细胞的自我更新和诱导细胞分化的双重功能
成人干细胞（也称为体干细胞或组织干细胞）是一种罕见的未分化细胞群体，在出生后的大部分时间都存在于体内；它们能够自我更新并产生有限数量的成熟细胞类型来构建它们所居住的组织。
成体干细胞 adult stem cells
成体干细胞的基本功能：分化产生某些类型或某些种类的终末分化细胞成体干细胞广泛地存在于多种组织，如造血系统、皮肤、肠、卵巢、睾丸和肌肉中，甚至成年脑的某部位某些组织中已分化的细胞仍具有很强再生能力，其中是否存在成体干细胞，仍未有定论（如肝脏和胰岛）
成体干细胞可以均等分裂成两个子代干细胞，也可通过不均等分裂行成一个干细胞和一个祖细胞成体干细胞需要特定的微环境来维持它们的特性，这种提供特定胞外信号的微环境称为干细胞巢 Stem-cell niche成体干细胞通常细胞分裂很慢，有些是受到外界信号刺激才会分裂
Fig. Cmpsitin f the nicheStem cell niches are cmplex, hetertypic, dynamic structures, which include different cellular cmpnents, secreted factrs, immunlgical cntrl, ECM, physical parameters and metablic cntrl. The interactins between stem cells and their niches are bidirectinal and reciprcal.
（一）造血干细胞（hematpietic stem cells, hsc）
成体哺乳动物的造血干细胞大部分存在于骨髓中，多数造血干细胞处于相对静止的状态，即 G0 期长效造血干细胞（lng-term hematpietic stem cell，LT-HSC）短效造血干细胞（shrt-term hematpietic stem cell，ST-HSC）多能前体细胞（multiptent prgenitrs，MPP）共同淋巴系前体细胞（cmmn lymphid prgenitrs，CLP）共同髓系前体细胞（cmmn myelid prgenitrs，CMP）
图14-9 造血干细胞逐级分化为各种类型的血细胞
Hematpietic stem cell髓系共同祖细胞（CMP）进一步分化为巨核细胞/ 红细胞系前体细胞（MEP）或粒细胞/ 单核细胞系前体细胞（GMP）：MEP 最终形成红细胞和血小板；GMP 则最终形成巨噬细胞及各粒细胞。淋巴系共同祖细胞CLP）通过持续分化形成T 淋巴细胞及B 淋巴细胞、NK 细胞等。树突状细胞（DC）则有髓系与淋巴系两种来源
胚胎神经干细胞（embrynic neural stem cells），将发育成整个中枢神经系统胚胎神经干细胞可通过对称分裂方式形成两个子代干细胞，也可以不对称分裂形成一个干细胞和另一个向外迁移的细胞，称之为短暂增殖细胞（transient amplifying cells）。短暂增殖细胞可以形成神经祖细胞，向外迁移形成连续的神经层成年哺乳动物的脑中也存在神经干细胞
Fig. Neural stem cellNSCs secrete sluble factrs, including neurtrphic factrs, grwth factrs and cytkines, thus prtecting existing neural cells against damage in situ. Furthermre, they differentiate int neurns, astrcytes and ligdendrcytes via cmmitted prgenitr stages t replace lst neural cells. Either neural prtectin r cell replacement may aid in neurlgical functinal recvery after acute r chrnic injury via neural regeneratin
肠干细胞存在于肠壁深处的隐窝（crypts）中，可连续不断地产生肠上皮细胞Wnt 信号对肠干细胞的维持有重要作用潘氏细胞（Paneth cells）作为肠干细胞分化而来的一群细胞，其分布在干细胞周围并形成干细胞巢来维持肠干细胞
图14-10 肠干细胞示意图图中显示了一个肠隐窝中的肠干细胞（蓝色）和它分裂产生的增殖区（浅绿）和终端分化区（深绿）。潘氏细胞（粉色）存在于隐窝的底部，能够分泌一些抗菌蛋白并提供大部分的干细胞巢。间充质细胞（黄色）分布在隐窝底部的周围，也能分泌信号蛋白例如Wnt 来维持干细胞的状态
四、细胞命运重编程与诱导性多能干细胞
诱导多能干细胞（iPS）是在实验室通过对患者自身细胞进行“重编程”而人工培育的。iPS细胞可以由脂肪、皮肤和成纤维细胞（产生结缔组织的细胞）等现成的细胞制成。
日本京都大学教授山中伸弥（Shinya Yamanaka）
2006 年， 选取了24 个对胚胎干细胞维持十分重要的基因，在小鼠的成纤维细胞中诱导表达，最后发现同时转入4 种基因（Oct4、Sx2、c-myc 和KLF4）就可诱导产生一种多能干细胞，称“诱导性多潜能干细胞”（induced pluriptent stem cell，iPS cell）
诱导多能干细胞，iPS cell
图14-11 iPS 细胞建系过程的示意图山中伸弥利用逆转录病毒将四个转录因子Oct4 、Sx2 、c-myc 和KLF4 表达在鼠或者人的体细胞中，分化的体细胞可以重编成为多潜能干细胞。但是c-myc 是也原癌基因，有可能使细胞癌变
完整体细胞分化为多能干细胞的重编程
Shinya Yamanaka studied genes that are imprtant fr stem cell functin. When he transferred fur such genes (1) int cells taken frm the skin (2), they were reprgrammed int pluriptent stem cells (3) that culd develp int all cell types f an adult muse. He named these cells induced pluriptent stem (iPS) cells.
Cell, 2006,126: 663-676
"fr the discvery that mature cells can be reprgrammed t becme pluriptent"
The Nbel Prize in Physilgy r Medicine 2012
化学诱导的多潜能干细胞（Chemically induced pluriptent stem cell，CiPS cells）
图14-12 化学小分子诱导多能性干细胞Oct4-GFP 的小鼠胚胎成纤维细胞在小分子组合诱导下可以逐步成为GFP 阳性的克隆，最终在2i 培养基（CHIR99021 和PD0325901）中培养可获得化学诱导多潜能干细胞。VC6TFZ 为小分子缩写：V，VPA；C，CHIR99021；6，616452；T，Tranylcyprmine；F，Frsklin；Z，DZNep。
五、谱系重编程（lineage reprgramming）
转分化（trans-differentiatin）是谱系间重编程的一种方式，即一种类型已分化的细胞转变成为另一谱系的分化细胞。这样就不需要通过重编程，先把体细胞转化成iPS 细胞等原始状态的多潜能干细胞，再诱导分化为特定的细胞类型细胞命运转变的实质是细胞原有表观遗传修饰的擦除和新的细胞命运表观遗传修饰的重新建立
图14-13 重编程/ 再分化或转分化途径获得成熟肝细胞示意图A. 用四种转录因子，通过细胞重编程，可将成纤维细胞转化为为iPS 细胞，再经过特定的信号分子的作用，再分化成肝细胞。此外，也可以直接用六种转录因子，将成纤维细胞转分化为肝细胞。B. 通过转分化得到的人肝细胞的显微图片
Disease：Diabetes, Spinal crd injury, Parkinsn’s disease, heart diseaseGenetic based Disease：Cystic fibrsis, Huntingtn’s
The Nbel Prize in Physilgy r Medicine 1990
fr their discveries cncerning rgan and cell transplantatin in the treatment f human disease
CCR5 基因缺陷的造血干细胞移植治愈艾滋病
Figure 1. This illustratin shws the interactins between HIV particle and cell surface receptrs during virus entry
In 2007, an HIV-psitive patient received a bne marrw transplant t treat his leukemia frm an individual wh was hmzygus fr a mutatin in the CCR5 gene. This mutatin, knwn as CCR5Δ32, prevents HIV replicatin by inhibiting the early stage f viral entry int cells, resulting in resistance t infectin frm the majrity f HIV islates
细胞治疗是人多潜能干细胞技术中最引人瞩目的应用方向
干细胞体外定向分化为胰岛β 细胞为I 型糖尿病治疗提供一种可能
图14-14 人的胚胎干细胞体外诱导分化成胰岛β 细胞A. 体外诱导产生的胰岛β 细胞表达胰岛素及β 细胞关键转录因子PDX1 和NKX6.1。B. 将体外诱导产生的胰岛β 细胞移植到糖尿病模型小鼠体内，一周后小鼠血糖趋于正常。移植后42 天取出移植物，结果血糖明显升高
干细胞领域目前面临的关键问题主要包括
如何建立全能性干细胞如何维持多潜能干细胞体外扩增培养的稳定性如何实现干细胞分化过程中精细的时间和空间调控如何产生功能成熟的各种细胞或者组织来应用于治疗各种疾病
随着年龄的增长，我们的干细胞数量减少，也失去了活力