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1、第四篇 细胞分化的分子机制,显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷 基因克隆和测序展现出其分子机理 ,第十五章 基因组相同和基因差异表达 第十六章 染色质水平基因活性的调控 第十七章 转录水平的调控 第十八章 RNA加工水平的调控 第十九章 翻译和翻译后的调控,指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用下，细胞在结构、形态、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异，成为多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统。,一、细胞分化,受精卵发育按严格的模式和时间次序发展，发育初级的细胞并非包含成形的形体，而是具备发育为完整个体的潜力。 这种潜力，来自一组称为干细胞的分化能力。在个体发育整个
2、过程中，由于干细胞的存在使细胞分化不断进行。,干细胞,干细胞有两方面区别于其它细胞的特征： 1，可分化为与自身完全相同的细胞， 2，可生产出特异性分化的细胞。 根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞可分为两类：胚胎干细胞及成体干细胞。,胚胎干细胞，又称全能干细胞，存在于未发育成熟的胚胎，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带等之外的任何一种特定类型细胞。即能长成动物的任何组织和器官。,成体干细胞：特定组织中的非特异性细胞，能无限制地分裂和自我更新。所产生的子细胞有两种结果，一是保持亲代特性，仍作为干细胞；二是不可逆地向终末方向发展，成为一至几种类型的特定细胞。,干细胞命运各不相同，
3、但分化机制相似：调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白质的合成，从而细胞逐步发展为具有专门功能的特定细胞类型。 同样，干细胞也对邻近细胞的生长信号发生反应，导致特定基因活化及相应蛋白质合成，参与细胞分化，运动，或与其它细胞作用以形成组织。,1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞。原被误认为功能单一的干细胞后被证实具有自我复制能力，可分化为人体206种组织器官的原始细胞； 1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞，目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞。,干细胞具有的能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有巨大的应用前景。,二
4、、 细胞分化的机理,（一）细胞分裂的不对称性 卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。 北极或动物极：极体释放的部位； 南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。,动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布； 用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期 用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。 卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。 昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。,母系基因产物控制卵的不对称分裂,细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异
5、 在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中 进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生,1、胚胎诱导(embryonic induction) ：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。 诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞： 脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管； 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。 诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异,（二）细胞间的相互作用,2、分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。 如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正
6、常的心脏。 3、细胞数量效应 小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。,4、细胞外基质的影响 干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞； 在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞； 在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。 5、激素的作用 如昆虫的保幼激素和脱皮激素。,（三）细胞核与细胞分化,1、染色体结构的变化 1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。 2）基因扩增：果蝇多线染色体。 3）基因重排：免疫球蛋白基因（106108种抗体）。 4）DNA的甲基化与异染
7、色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。,2、基因与细胞分化 无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其结果是启动特定基因的表达。 根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明： 卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达： 母体基因 间隙基因 成对基因体节极性基因同源异形基因（homeotic gene，Hox）,Gene and Development,母体基因,间隙基因,成对基因,体节极性基因,同源异形基因,奢侈基因与管家基因,生物体细胞中含有决定生长分裂和分化的全部基因信息，按其与细胞分化的关系，可将
8、这些基因分为两大类：奢侈基因和管家基因,奢侈基因(luxury gene)，编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。 如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。,管家基因(house keeping gene)，这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不少，但与细胞分化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。 如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢的各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等,从分子层次看，细胞分化主要是奢侈基因中某种（或某些）特定基因选择性表达的结果。某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分
9、化细胞类型。,分化细胞的基因表达特征,一 基因组 成熟分化的细胞保留着全部核基因组。 相关实验： 1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验 1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个 细胞培养成可育的胡萝卜植株。 1997年英国学者克隆出 “多莉”羊,这些实验说明： -即使是终末分化细胞，其细胞核同样也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整个体的“全能性”。,细胞的全能性: 指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力.,当精子及卵子结合，来自父代及母代的基因即发生组合，形成发育为一个完整个体所需的基因组。 分化进程中，细胞有选择地启动某些基因并合成其它类型的细胞所不具备的蛋白质，以构成该种
10、特定细胞的结构，产物及功能的基础。,如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶段，整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白，但原肠期以后，合成肌球蛋白的细胞仅局限于心区 ，而其他部位的细胞则被抑制。,分化中为何出现动物细胞表型的差异? 这是细胞各自表达特异性基因的结果。一些胚胎细胞按其遗传潜能来说都是“全能”的，但其携带的遗传信息在发育过程中并不都能表达，而是按严格的时空顺序有选择地表达其中一部分。,基因表达的阶段特异性（时）及组织特异性 指特定基因的表达按照严格的时间顺序发生，同时，同一基因产物在不同的组织器官表达数量不同，不同的产物蛋白又分布于不同的细胞或组织器官。,在胚胎发育过程中，细胞基因组严格按时空顺序相继活
11、化这一现象称为基因的差异表达（differential expression）或顺序表达（sequential expression）。 从一个受精卵开始，在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织，这种分化就是不同特异性基因相继表达的结果。,二、特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平 进行,DNA RNA 多肽,转录 翻译,如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色体所看到的膨松区的形成。膨松区是基因的活化区，即正转录区域。膨松区的位置和数目在相同发育阶段的同一类型细胞一致，但在不同类型的细胞中有区别，在不同的发育阶段也有明显变化。,果蝇多线染色体,用32P磷酸盐分别掺入前体细胞和原成红细胞，若珠
12、蛋白基因有表达，则DNA可转录有32P标记的RNA。当用克隆的胚胎型样珠蛋白基因DNA探针与之杂交，发现在原成红细胞中有DNA-RNA杂交反应，而前体细胞中不发生杂交反应。 说明前体细胞的胚胎型珠蛋白基因处于休止状态，直至发育到原成红细胞时才被活化。表明样珠蛋白基因具有严格的红系组织特异性和发育阶段专一性特点。,特异基因的阶段性表达,组织形成中的基因表达,一、动物及人体的基本组织类型,包括四类 1上皮组织:来源于外胚层，如皮肤表层 2结缔组织:由中胚层产生的，分布在表皮之内各 器官组织之间，如韧带、纤维、血浆 3肌肉组织:来自中胚层，又有平滑肌、骨胳肌和 心肌，主要组分是肌原纤维 4神经组织:
13、来自外胚层，由神经元和神经胶质细 胞组成,二、哺乳动物骨骼肌发育中的基因调节,1骨骼肌细胞发育包括3个阶段 1）由胚胎的体节细胞出现细胞决定（分化方向）， 并分化为成肌细胞； 2）成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力； 3）成肌细胞停止分裂，彼此融合成多核体细胞（或 肌管），伴随细胞融合的出现，对骨骼肌发育 及其功能有关的各种肌细胞特异基因的表达使其 分化为成熟的骨骼肌细胞。,骨骼肌细胞发育程序包括3个阶段,已鉴定出4种控制骨骼肌细胞发育的基因：myoD、myf 5、myogenin及mrf4，分别表达相应的myoD、myf 5、myogenin及mrf 4蛋白，统称为myoD家族蛋白。 这些
14、蛋白均具有碱性螺旋-环螺旋（bHLH）结构，属DNA结合蛋白并行使转录因子的功能。,myoD家族蛋白在形成同源及异源二聚体后可与基因调控区中的CANNTG序列（又称Ebox）相结合，通过DNA-protein相互作用， myoD构象改变从而诱导肌细胞特异性的基因转录。,myoD诱导肌细胞特异性基因转录,基因 表型 myoD家族 敲除 存活 成肌细胞 肌细胞 蛋白功能 myoD 能 + + 不详 myf 5 能 + + 不详 myoD、myf 5 否 - - 成肌细胞形成必须 myogenin 否 + - 成肌细胞向肌细胞分化所必须,表 1 myoD 家族基因敲除对小鼠 骨骼肌细胞分化发育的影响
15、,从体节细胞分化为成肌细胞时需myoD和myf 5两种蛋白， myogenin蛋白对成肌细胞融合并分化为成熟的骨骼肌细胞必不可少,细胞融合前只有myoD及myf5基因表达，myogenin基因只有在细胞融合发生后表达，且受myoD及myf 5表达的诱导。myoD及myf 5基因控制体节细胞分化为成肌细胞，而从成肌细胞发育为成熟的骨骼肌细胞则依赖于myogenin基因,成肌细胞中，肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白、肌钙蛋白（与肌肉收缩有关）、磷酸肌酸激酶及乙酰胆碱受体（传递神经刺激）等特异性蛋白的基因活性处于休止状态。成肌细胞融合后，开始激活表达并使之最终分化为形态及功能成熟的骨骼肌细胞。,成肌细
16、胞融合激活特异性蛋白基因,myoD 家族蛋白,总结：,Ebox,构象改变,二聚化,myoD 家族蛋白,特异蛋白表达,成肌细胞融合,三、神经发生的调节,神经系统：外胚层神经管和神经嵴，神经管脑、脊髓及视网膜在内的中枢神经系统;神经嵴周围神经系统。,神经管及神经嵴细胞发育为神经母细胞后，其子细胞停止分裂时产生神经元细胞。神经元细胞两端生长出树突及轴突，轴突定向生长延伸至靶细胞部位，末端与靶细胞形成突触连接，最终从形态及功能上发育分化成熟。,神经元细胞分化,果蝇基因组中鉴定出一种约lOOkb的基因复合物 AS-complex （AS-c）。ASc对刚毛器官发育起调节作用。 果蝇的刚毛器官是毛干细胞、神经元、鞘细胞和牙槽细胞等4种细胞构成的触觉器官。 刚毛器的发育始于第二胸部体节的翅成虫盘细胞，经神经原
