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1、Developmental Biology第六章第六章 发育中细胞分化机制发育中细胞分化机制Developmental Biology细胞分化细胞分化是指同群结构与功能相同的细胞发生一系列的内外是指同群结构与功能相同的细胞发生一系列的内外变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。分化过程涉及形态变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。分化过程涉及形态结构的变化、基因活性状态变化、细胞内物质组成的变化和功结构的变化、基因活性状态变化、细胞内物质组成的变化和功能的变化。能的变化。细胞分化的细胞分化的主要特点主要特点包括：包括：H基因表达上的变化，导致组织特异性蛋白的产生；基因表达上的变化，导致组织特异性
2、蛋白的产生；H不同细胞在蛋白质组成上的差异导致细胞结构的不同；改不同细胞在蛋白质组成上的差异导致细胞结构的不同；改变其组成就可改变其形状，如变其组成就可改变其形状，如MyoD转化；转化；H在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测；在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测；H分化是渐进过程，进入终端分化的细胞往往不再分裂，分化是渐进过程，进入终端分化的细胞往往不再分裂，而终端分化后能够继续分裂的细胞可以维持和传递而终端分化后能够继续分裂的细胞可以维持和传递终端分化状态；终端分化状态；H细胞分化由许多细胞外信号细胞分化由许多细胞外信号(如细胞表面蛋白、分泌蛋白如细胞表面蛋白、分泌蛋白)控制。控
3、制。一、概念一、概念Developmental Biology二、基因活性状态的可逆性二、基因活性状态的可逆性从单个合子核发育为不同类型细胞，从单个合子核发育为不同类型细胞，基因活性谱发生了改变，基因活性谱发生了改变，这种改变是否这种改变是否涉及遗传物质的改变？涉及遗传物质的改变？Developmental Biology1. 细胞核移植实验证明细胞核移植实验证明：A：分化中遗传物质没有发生不可逆改变；分化中遗传物质没有发生不可逆改变；B：细胞质中含有决定核内基因活性谱的控制因子。：细胞质中含有决定核内基因活性谱的控制因子。细胞核移植实验也发现，某些类型细胞的核不能代替爪蟾卵细胞核移植实验也发
4、现，某些类型细胞的核不能代替爪蟾卵的核，的核，说明这些细胞分化后完全丧失了细胞分裂能力。说明这些细胞分化后完全丧失了细胞分裂能力。Developmental BiologyDolly and her foster motherDevelopmental Biology动物克隆的程序动物克隆的程序Developmental Biology2. 细胞融合实验也证明了分化中遗传物质改变的可逆性细胞融合实验也证明了分化中遗传物质改变的可逆性A：人肝细胞与大鼠肌细胞的融合实验人肝细胞与大鼠肌细胞的融合实验Developmental Biology3. 细胞分化状态是可以改变的细胞分化状态是可以改变的e.
5、g., 两栖类肢体再生中肌细胞可转变为骨细胞；鸡视网膜表皮色素两栖类肢体再生中肌细胞可转变为骨细胞；鸡视网膜表皮色素细胞在含透明质酸酶、血清、苯硫脲的条件下培养后转变为晶体状细胞。细胞在含透明质酸酶、血清、苯硫脲的条件下培养后转变为晶体状细胞。Developmental Biology三、三、DNADNA的不可逆改变导致的细胞分化的不可逆改变导致的细胞分化e.g., 脊椎动物免疫系统脊椎动物免疫系统Developmental Biology进入细胞中的抗原(如病毒的肽段)寄主细胞MHC(a complex consisting of 20 proteins)Developmental Biol
6、ogy抗体分子的结构抗体分子的结构Developmental Biology抗体变异的分子基础抗体变异的分子基础Developmental Biology在发育的不同阶段，不同的基因处于不同的活性在发育的不同阶段，不同的基因处于不同的活性状态。状态。一个转录因子可以调控其它许多基因的活性，但一个转录因子可以调控其它许多基因的活性，但其作用取决于多个因素：其作用取决于多个因素：H靶基因是否含有其调控区；靶基因是否含有其调控区；H其本身是否处于活化状态其本身是否处于活化状态(e.g., 是否磷酸化是否磷酸化)；H其本身是否结合了其它调控因子。其本身是否结合了其它调控因子。H调控区是否结合了其它的调
7、控因子调控区是否结合了其它的调控因子四、基因活性状态的维持和传递决定四、基因活性状态的维持和传递决定 于调控蛋白和于调控蛋白和DNADNA的修饰的修饰Developmental Biology维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在Developmental Biology基因活性状态与染色质的结构有关基因活性状态与染色质的结构有关哺乳动物失活的哺乳动物失活的X染色染色体在生殖细胞形成时才体在生殖细胞形成时才重新恢复活性状态。重新恢复活性状态。Developmental Biology基因活性状态与基因活性状态与DNA的化学修饰有关的化学修饰有关De
8、velopmental Biology五、细胞分化中基因的转录调控五、细胞分化中基因的转录调控( (一一) )、基因转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子、基因转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子Developmental Biology转录调控中蛋白因子之间的相互作用转录调控中蛋白因子之间的相互作用Developmental Biology(二二)、外源信号对基因转录的激活作用、外源信号对基因转录的激活作用甾类激素甾类激素(Steroid hormones)以两种方式激活基因的转录：以两种方式激活基因的转录：A：受体在激素进入细胞前就结合在靶基因调控区上，但受体在激素进入细胞前
9、就结合在靶基因调控区上，但 只有当激素与该受体结合后才激活转录。只有当激素与该受体结合后才激活转录。 E.g. ,glucocorticoid.B：激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。：激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。Thyroid hormones，RA的作用方式与此类似。的作用方式与此类似。Developmental Biology多肽激素类多肽激素类(peptide hormones)通过受体传递信号通过受体传递信号Developmental BiologyStat 信信号号传传导导途途径径Developmental BiologyTGF-b b信号传导途径信号传导途
10、径Developmental BiologyHedgehog 信信号号传传导导途途径径Developmental BiologyWnt 信信号号传传导导途途径径Developmental BiologyNotch/Delta 信信号号传传导导途途径径Developmental Biology( (三三) )、转录调控细胞分化的几个模型、转录调控细胞分化的几个模型单向分化：肌细胞分化单向分化：肌细胞分化涉及转录因子的次序表达涉及转录因子的次序表达Developmental BiologyMyoD及其它及其它MRF(muscle-related factors)与其它非组织特异性与其它非组织特异性
11、bHLH蛋白如蛋白如E2A结合结合而成的异源二聚体，以及而成的异源二聚体，以及MEF (muscle-enhancer factors)同源二聚体，在调控元件同源二聚体，在调控元件E-box或或MEF-box或同时与二者结合形成转录起始复合体，促进靶基因的转录。或同时与二者结合形成转录起始复合体，促进靶基因的转录。Developmental Biology肌细胞分化与细胞周期肌细胞分化与细胞周期A：分裂中的成肌细胞不能分化：分裂中的成肌细胞不能分化B：分化中的肌细胞不能分裂：分化中的肌细胞不能分裂Developmental Biology哺乳动物造血哺乳动物造血器官：器官：胚胎卵胚胎卵黄囊黄囊
12、胎儿肝胎儿肝脏脏成年个体成年个体骨髓和胰脏。骨髓和胰脏。鱼类造血器官：鱼类造血器官：胚胎胚胎ICM 成成年肾脏。年肾脏。(Aorta-gonad-mesonephros region)血液干细胞的多向分化血液干细胞的多向分化Developmental Biology将正常小鼠的骨髓细胞移植到将正常小鼠的骨髓细胞移植到照射后的小鼠中，受体的胰脏照射后的小鼠中，受体的胰脏表面出现多种不同的血细胞集表面出现多种不同的血细胞集落。落。Developmental Biology 血细胞分化血细胞分化涉及一系列涉及一系列生长因子和转录因子。生长因子和转录因子。 有关的生长因子有的由有关的生长因子有的由血细
13、胞或骨髓基质细胞分血细胞或骨髓基质细胞分泌，有的由其它组织分泌泌，有的由其它组织分泌(如如EPO主要由肾脏分泌主要由肾脏分泌)。 有关的转录因子有的有关的转录因子有的是非组织特异性的是非组织特异性的(如如c-Myb)，有的是组织特异性，有的是组织特异性的的(如如SCL、GATA-2、GATA-1)。 CD34 cellsDevelopmental BiologyDevelopmental Biology珠蛋白基因的表达调控珠蛋白基因的表达调控珠蛋白基因的表达与血红蛋白的组成珠蛋白基因的表达与血红蛋白的组成( 2 2)Developmental Biologyb b-珠蛋白基因的结构珠蛋白基因的
14、结构Developmental Biology何时表达何种何时表达何种b b-珠蛋白，决定于结合在特定珠蛋白基因的启动子上的珠蛋白，决定于结合在特定珠蛋白基因的启动子上的转录因子与结合在转录因子与结合在LCR上的因子之间的亲和力。上的因子之间的亲和力。例如，敲除例如，敲除b b-globin基基因的启动子和因的启动子和3 enhancer后，成年小鼠的红细胞中仍含大量的后，成年小鼠的红细胞中仍含大量的 -globin; EKLF是是b b-珠蛋白启动子结合的转录因子，珠蛋白启动子结合的转录因子，EKLF-/-小鼠成年之小鼠成年之后仍表达后仍表达 -和和 -珠蛋白。珠蛋白。Development
15、al Biology六、细胞分化中六、细胞分化中RNARNA加工水平上的调控加工水平上的调控RNA加工前三个胚层中的加工前三个胚层中的RNA量无差异。量无差异。Ect En/mes加工后的加工后的RNA主要存在于主要存在于外胚层中。外胚层中。核酸保护实验核酸保护实验(放射性放射性intron或或exon探针与总探针与总RNA杂交后再杂交后再RNase消化消化)表明：表明：海胆钙结合海胆钙结合蛋白基因蛋白基因CyIIIa在原肠胚的外在原肠胚的外胚层中表达胚层中表达核酸核酸run-on(在膜上固定在膜上固定intron序列与放射序列与放射性性RNA探针杂交探针杂交)实验表明：实验表明：Spec1基
16、因在基因在原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚层中。只存在于外胚层中。Developmental Biology同一基因的初级转录物经选择同一基因的初级转录物经选择性拼接可产生不同的成熟性拼接可产生不同的成熟RNADevelopmental Biology七、细胞分化中翻译七、细胞分化中翻译水平上的调控水平上的调控1. mRNA寿命的调控寿命的调控不同基因的不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其的半衰期不同，主要受其3UTR控制。控制。短寿命短寿命mRNA的的3UTR通常含有一个或多个通常含有一个或多个A
17、U富集区富集区，其作用是促进，其作用是促进Poly(A)降解。降解。Developmental BiologymRNA降解性能的差异可以影响细胞的功能降解性能的差异可以影响细胞的功能C-fos mRNA 5UTR coding sequence 3UTR成纤维细胞成纤维细胞肿瘤细胞肿瘤细胞AU富集区富集区Developmental Biology2. 激素促进转录和增加激素促进转录和增加mRNA寿命寿命 如如Prolactin仅提高牛的仅提高牛的casein基因转录水平基因转录水平2倍，但提高其倍，但提高其mRNA寿命寿命25倍。倍。Developmental Biology3. 卵卵母母细细
18、胞胞中中mRNA的的翻翻译译调调控控Developmental Biology卵母细胞中卵母细胞中mRNA的的 翻译调控机制翻译调控机制HmRNA masking: mRNA与其它蛋白结合成与其它蛋白结合成ribonucleoprotein (RNP) complex,阻止与阻止与ribosome结合；卵成熟或受精后，离结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或蛋白磷酸化等导致子强度改变或蛋白磷酸化等导致RNP解体，翻译得以进行。解体，翻译得以进行。H5 Cap(7-甲基鸟苷酸甲基鸟苷酸)的调控：的调控：如某些种类的如某些种类的moths，其卵其卵中的部分中的部分mRNA的的5-鸟苷酸在受精后才甲基
19、化，然后开始翻鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。译。HmRNA sequester: 指指mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受精卵的未受精卵的histone mRNA定位于原核中，受精后原核破裂，定位于原核中，受精后原核破裂，mRNA才能进入胞质开始翻译。才能进入胞质开始翻译。H翻译效率的调控：翻译效率的调控：如将海胆卵母细胞裂解液的如将海胆卵母细胞裂解液的pH从自然状从自然状态下的态下的pH6.9提高到提高到(受精后自然状态下的受精后自然状态下的) pH7.4,蛋白质合蛋白质合成量急剧增加。受精后成量急剧增加。受精后pH升高的作用升高的作用可能包括去除可能
20、包括去除mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子。的封闭蛋白和激活翻译起始因子。Developmental BiologyPoly(A)对翻译的调控：对翻译的调控： 在小鼠的未成熟卵母在小鼠的未成熟卵母细胞质中可以翻译的细胞质中可以翻译的mRNA具有较长的具有较长的poly(A), 减数成熟分裂后减数成熟分裂后poly(A)降降解，翻译终止。解，翻译终止。 在减数成熟分裂前不在减数成熟分裂前不表达的表达的mRNA的的poly(A)较较短短(15-90A), 但其但其3UTR具具有胞质多聚腺苷酸化信号有胞质多聚腺苷酸化信号序列序列(CPEs)(UUUUAU in mice and frogs)。减数
21、成熟减数成熟分裂后这些分裂后这些 mRNA迅速加迅速加上一个长的上一个长的polyA,开始翻开始翻译。译。Developmental Biology八、细胞分化中翻译后八、细胞分化中翻译后水平上的调控水平上的调控HActivation by cleaving some domains,e.g, proinsulin;HActivation by removing protecting proteins, e.g., Dorsal;HControl of functions by subcellular localization, e.g., membrane proteins;HAssembly with other proteins, e.g., hemoglobin;HActivation by binding to ions, e.g., calmodulin; HActivation by modifications, e.g., phosphorylation.
