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1、第六章 发育中细胞分化机制,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能的变化。细胞分化的主要特点包括：基因表达上的变化，导致组织特异性蛋白的产生；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MyoD转化；在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测；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终端分化状态；细胞分化由许多细胞外信号(如细胞表面蛋白、分泌蛋白)控制。,一、概念,二、基因活性状态的可逆性
2、,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，这种改变是否涉及遗传物质的改变？,1.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；B：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的核，说明这些细胞分化后完全丧失了细胞分裂能力。,Dolly and her foster mother,动物克隆的程序,2.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,3.细胞分化状态是可以改变的e.g.,两栖类肢体再生中肌细胞可转变为骨细胞；鸡视网膜表皮色素细胞在含透明质酸酶、血清、苯硫脲的条件下培养后转
3、变为晶体状细胞。,三、DNA的不可逆改变导致的细胞分化,e.g.,脊椎动物免疫系统,抗体分子的结构,抗体变异的分子基础,在发育的不同阶段，不同的基因处于不同的活性状态。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：靶基因是否含有其调控区；其本身是否处于活化状态(e.g.,是否磷酸化)；其本身是否结合了其它调控因子。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 于调控蛋白和DNA的修饰,维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在,基因活性状态与染色质的结构有关,哺乳动物失活的X染色体在生殖细胞形成时才重新恢复活性状态。,基因活性状态与DNA的化学修饰有关,五
4、、细胞分化中基因的转录调控,(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,转录调控中蛋白因子之间的相互作用,(二)、外源信号对基因转录的激活作用,甾类激素(Steroid hormones)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 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。Thyroid hormones，RA的作用方式与此类似。,多肽激素类(peptide hormones)通过受体传递信号,Stat 信号传导途径,TGF-b信号传导途径,Hedgehog 信号传
5、导途径,Wnt 信号传导途径,Notch/Delta 信号传导途径,(三)、转录调控细胞分化的几个模型,单向分化：肌细胞分化涉及转录因子的次序表达,MyoD及其它MRF(muscle-related factors)与其它非组织特异性bHLH蛋白如E2A结合而成的异源二聚体，以及MEF(muscle-enhancer factors)同源二聚体，在调控元件E-box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。,肌细胞分化与细胞周期,A：分裂中的成肌细胞不能分化,B：分化中的肌细胞不能分裂,哺乳动物造血器官：胚胎卵黄囊胎儿肝脏成年个体骨髓和胰脏。鱼类造血器官：胚胎ICM
6、 成年肾脏。,(Aorta-gonad-mesonephros region),血液干细胞的多向分化,将正常小鼠的骨髓细胞移植到照射后的小鼠中，受体的胰脏表面出现多种不同的血细胞集落。,血细胞分化涉及一系列生长因子和转录因子。有关的生长因子有的由血细胞或骨髓基质细胞分泌，有的由其它组织分泌(如EPO主要由肾脏分泌)。有关的转录因子有的是非组织特异性的(如c-Myb)，有的是组织特异性的(如SCL、GATA-2、GATA-1)。,CD34 cells,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,(22),b-珠蛋白基因的结构,何时表达何种b-珠蛋白，决定于结合在特定珠蛋白基因的启动子
7、上的转录因子与结合在LCR上的因子之间的亲和力。例如，敲除b-globin基因的启动子和3 enhancer后，成年小鼠的红细胞中仍含大量的-globin;EKLF是b-珠蛋白启动子结合的转录因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表达-和-珠蛋白。,六、细胞分化中RNA加工水平上的调控,RNA加工前三个胚层中的RNA量无差异。,Ect,En/mes,加工后的RNA主要存在于外胚层中。,核酸保护实验(放射性intron或exon探针与总RNA杂交后再RNase消化)表明：海胆钙结合蛋白基因CyIIIa在原肠胚的外胚层中表达,核酸run-on(在膜上固定intron序列与放射性RNA探针杂交)实验表明
8、：Spec1基因在原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚层中。,同一基因的初级转录物经选择性拼接可产生不同的成熟RNA,七、细胞分化中翻译水平上的调控,1.mRNA寿命的调控,不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其3UTR控制。短寿命mRNA的3UTR通常含有一个或多个AU富集区，其作用是促进Poly(A)降解。,mRNA降解性能的差异可以影响细胞的功能,2.激素促进转录和增加mRNA寿命,如Prolactin仅提高牛的casein基因转录水平2倍，但提高其mRNA寿命25倍。,3.卵母细胞中mRNA的翻译调控,卵母细胞中mRNA的 翻译调控机制,mR
9、NA masking:mRNA与其它蛋白结合成ribonucleoprotein(RNP)complex,阻止与ribosome结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或蛋白磷酸化等导致RNP解体，翻译得以进行。5 Cap(7-甲基鸟苷酸)的调控：如某些种类的moths，其卵中的部分mRNA的5-鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。mRNA sequester:指mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受精卵的histone mRNA定位于原核中，受精后原核破裂，mRNA才能进入胞质开始翻译。翻译效率的调控：如将海胆卵母细胞裂解液的pH从自然状态下的pH6.9提高到(受精后自然状态下的)pH7.4,
10、蛋白质合成量急剧增加。受精后pH升高的作用可能包括去除mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子。,Poly(A)对翻译的调控：在小鼠的未成熟卵母细胞质中可以翻译的mRNA具有较长的poly(A),减数成熟分裂后poly(A)降解，翻译终止。在减数成熟分裂前不表达的mRNA的poly(A)较短(15-90A),但其3UTR具有胞质多聚腺苷酸化信号序列(CPEs)(UUUUAU in mice and frogs)。减数成熟分裂后这些 mRNA迅速加上一个长的polyA,开始翻译。,八、细胞分化中翻译后水平上的调控,Activation by cleaving some domains,e.g,proinsulin;Activation by removing protecting proteins,e.g.,Dorsal;Control of functions by subcellular localization,e.g.,membrane proteins;Assembly with other proteins,e.g.,hemoglobin;Activation by binding to ions,e.g.,calmodulin;Activation by modifications,e.g.,phosphorylation.,
