1、,細胞分化的分子機制,顯微手術(shù)和基因組學(xué)揭開了發(fā)育控制之迷 基因克隆和測序展現(xiàn)出其分子機理 ,1,課件類別,本章內(nèi)容：,細胞分化潛能與干細胞 細胞分化與基因組變化 基因表達與組織形成 特異性蛋白基因表達的發(fā)育階段性 基因表達的調(diào)控機制 影響細胞分化的因素,2,課件類別,細胞分化的潛能,3,課件類別,4,課件類別,指多細胞生物成長發(fā)育中，在一些內(nèi)在機制作用下，細胞在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生理功能及生化特征等方面逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異，成為多種不同的細胞類型，以形成個體不同的組織、器官和系統(tǒng)。,細胞分化,5,課件類別,受精卵發(fā)育按嚴格的模式和時間次序發(fā)展，發(fā)育初級的細胞并非包含成形的形體，而是具備發(fā)育為完整個體

2、的潛力。 這種潛力，來自一組稱為干細胞的分化能力。在個體發(fā)育整個過程中，由于干細胞的存在使細胞分化不斷進行。,干細胞,6,課件類別,干細胞有兩方面區(qū)別于其它細胞的特征： 1，可分化為與自身完全相同的細胞， 2，可生產(chǎn)出特異性分化的細胞。 根據(jù)個體發(fā)育過程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細胞可分為兩類：胚胎干細胞及成體干細胞。,7,課件類別,胚胎干細胞，又稱全能干細胞，存在于未發(fā)育成熟的胚胎，高水平表達端粒酶，可分化為除構(gòu)成臍胎盤，臍帶等之外的任何一種特定類型細胞。即能長成動物的任何組織和器官。,8,課件類別,成體干細胞：特定組織中的非特異性細胞，能無限制地分裂和自我更新。所產(chǎn)生的子細胞有兩種結(jié)果，一是

3、保持親代特性，仍作為干細胞；二是不可逆地向終末方向發(fā)展，成為一至幾種類型的特定細胞。,9,課件類別,干細胞命運各不相同，但分化機制相似：調(diào)控基因指導(dǎo)特異性基因的轉(zhuǎn)錄及特定蛋白質(zhì)的合成，從而細胞逐步發(fā)展為具有專門功能的特定細胞類型。 同樣，干細胞也對鄰近細胞的生長信號發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致特定基因活化及相應(yīng)蛋白質(zhì)合成，參與細胞分化，運動，或與其它細胞作用以形成組織。,10,課件類別,1970年Martin Evans首次從小鼠胚囊中分離出小鼠胚胎干細胞。原被誤認為功能單一的干細胞后被證實具有自我復(fù)制能力，可分化為人體206種組織器官的原始細胞； 1998年在人胚囊內(nèi)層細胞分離出人的胚胎干細胞，目前通過核

4、移植技術(shù)獲得人胚胎干細胞。,11,課件類別,12,課件類別,13,課件類別,干細胞具有的能夠穩(wěn)定生存增殖并保持多向分化潛能的特性使其在遺傳性疾病和組織器官移植領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。,14,課件類別,卵細胞具有極性，細胞核靠近北極。 北極或動物極：極體釋放的部位； 南極或植物極：相對北極而言，母體物質(zhì)主要儲存在于植物極。,二、細胞分化的機理,（一）細胞分裂的不對稱性,15,課件類別,動物卵細胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布； 用轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍能進行至囊胚期 用蛋白質(zhì)翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止發(fā)育。 卵裂后的細胞質(zhì)的特性決定了子細胞核的分化命運。

5、昆蟲以表面卵裂的方式形成胚層細胞的。遷入卵的后端極質(zhì)部的細胞發(fā)育為原始生殖細胞，用紫外線照射這一區(qū)域，破壞極質(zhì)，卵將發(fā)育為無生殖細胞的不育個體。,母系基因產(chǎn)物控制卵的不對稱分裂,細胞的不對稱分裂使姐妹細胞產(chǎn)生了差異 在細胞分裂時一些重要的分子被不均等地分配到兩個子細胞中,16,課件類別,1、胚胎誘導(dǎo)(embryonic induction) ：胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞影響相鄰細胞向一定方向分化的作用。 誘導(dǎo)者(inductor) ：對其它細胞起誘導(dǎo)作用的細胞： 脊索可誘導(dǎo)其頂部外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管； 視胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。,（二）細胞間

6、的相互作用,進一步更復(fù)雜的模式由細胞間相互作用產(chǎn)生,誘導(dǎo)的相互作用可以在原本等同的細胞中建立起有序的差異,17,課件類別,2、分化抑制：分化成熟的細胞可以產(chǎn)生抑素，抑制相鄰細胞發(fā)生同樣的分化。 如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。 3、細胞數(shù)量效應(yīng) 小鼠胚胎胰腺原基在體外進行組織培養(yǎng)時，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但如果把胰原基切成8小塊分別培養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織，如果再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。,18,課件類別,4、細胞外基質(zhì)的影響 干細胞在IV型膠原和層粘連蛋白上分化為上皮細胞； 在I型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細胞； 在II型膠原及軟骨粘連蛋白上

7、發(fā)育為軟骨細胞。 5、激素的作用 如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。,19,課件類別,1、染色體結(jié)構(gòu)的變化 1）基因刪除：原生動物、昆蟲、甲殼動物。 2）基因擴增：果蠅多線染色體。 3）基因重排：免疫球蛋白基因（106108種抗體）。 4）DNA的甲基化與異染色質(zhì)化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。,（三）細胞核與細胞分化,20,課件類別,2、基因與細胞分化 無論是母體mRNA的作用還是細胞間的相互作用，其結(jié)果是啟動特定基因的表達。 根據(jù)對果蠅、家蠶等實驗動物的研究表明： 卵受精后，首先表達的是母體基因；母體基因的產(chǎn)物是轉(zhuǎn)錄因子，沿胚的前后軸形成一個濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制其它基因的表

8、達： 母體基因 間隙基因 成對基因體節(jié)極性基因同源異形基因（homeotic gene，Hox）,21,課件類別,Gene and Development,母體基因,間隙基因,成對基因,體節(jié)極性基因,同源異形基因,22,課件類別,生物體細胞中含有決定生長分裂和分化的全部基因信息，按其與細胞分化的關(guān)系，可將這些基因分為兩大類：奢侈基因和管家基因,2 奢侈基因與管家基因,23,課件類別,奢侈基因(luxury gene)，編碼細胞特異性蛋白，與各種分化細胞的特定性狀直接相關(guān)，這類基因?qū)毎陨砩鏌o直接影響。 如編碼紅細胞血紅蛋白，肌細胞的肌球蛋白和肌動蛋白等的基因?qū)俅祟悺?24,課件類別,管家基

9、因(house keeping gene)，這類基因的表達產(chǎn)物為細胞生命活動持續(xù)需要和必不少，但與細胞分化的關(guān)系不大，在細胞分化中只起協(xié)助作用。 如tRNA，rRNA基因，催化能量代謝的各種酶系，三羧酸循環(huán)中各種酶系等,25,課件類別,從分子層次看，細胞分化主要是奢侈基因中某種（或某些）特定基因選擇性表達的結(jié)果。某些基因的選擇性表達合成了執(zhí)行特定功能的蛋白質(zhì)，從而產(chǎn)生特定的分化細胞類型。,26,課件類別,分化細胞的基因表達特征 一 基因組 成熟分化的細胞保留著全部核基因組。,27,課件類別,相關(guān)實驗： 1964年Gurdon等進行的非洲爪蟾實驗 1970年Steward等用懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單個

10、 細胞培養(yǎng)成可育的胡蘿卜植株。 1997年英國學(xué)者克隆出 “多莉”羊,28,課件類別,J.Gurdon 1964,29,課件類別,懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單細胞培養(yǎng)成了可育植株,（Steward,1970年）,30,課件類別,Dolly的標本和伊恩博士,Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英國愛丁堡大學(xué)的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺結(jié)核而被安樂死，它的標本于2003年4月9日陳列于蘇格蘭首都愛丁堡國家博物館。,31,課件類別,多莉的出生與三只母羊有關(guān)，而多莉與提供細胞核的母羊最相似 。,遺傳信息來自哪里？,32,課件類別,這些實驗說明： -即使是終末分化細胞，其

11、細胞核同樣也包含全部的遺傳信息，即具有發(fā)育為完整個體的“全能性”。,細胞的全能性: 指已分化的細胞仍具有發(fā)育成完整個體的能力.,33,課件類別,當精子及卵子結(jié)合，來自父代及母代的基因即發(fā)生組合，形成發(fā)育為一個完整個體所需的基因組。 分化進程中，細胞有選擇地啟動某些基因并合成其它類型的細胞所不具備的蛋白質(zhì)，以構(gòu)成該種特定細胞的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物及功能的基礎(chǔ)。,34,課件類別,如肌肉細胞發(fā)育的原腸胚形成階段，整個胚胎細胞都能合成肌球蛋白，但原腸期以后，合成肌球蛋白的細胞僅局限于心區(qū) ，而其他部位的細胞則被抑制。,35,課件類別,分化中為何出現(xiàn)動物細胞表型的差異? 這是細胞各自表達特異性基因的結(jié)果。一些胚胎

12、細胞按其遺傳潛能來說都是“全能”的，但其攜帶的遺傳信息在發(fā)育過程中并不都能表達，而是按嚴格的時空順序有選擇地表達其中一部分。,36,課件類別,基因表達的階段特異性（時）及組織特異性（空） 指特定基因的表達按照嚴格的時間順序發(fā)生，同時，同一基因產(chǎn)物在不同的組織器官表達數(shù)量不同，不同的產(chǎn)物蛋白又分布于不同的細胞或組織器官。,37,課件類別,在胚胎發(fā)育過程中，細胞基因組嚴格按時空順序相繼活化這一現(xiàn)象稱為基因的差異表達（differential expression）或順序表達（sequential expression）。 從一個受精卵開始，在個體發(fā)育的過程中逐步分化產(chǎn)生各種細胞類型和組織，這種分化

13、就是不同特異性基因相繼表達的結(jié)果。,38,課件類別,二、特異蛋白的選擇性基因表達主要在轉(zhuǎn)錄水平 進行,DNA RNA 多肽,轉(zhuǎn)錄 翻譯,39,課件類別,如果蠅和其他雙翅目昆蟲唾腺染色體所看到的膨松區(qū)的形成。膨松區(qū)是基因的活化區(qū)，即正轉(zhuǎn)錄區(qū)域。膨松區(qū)的位置和數(shù)目在相同發(fā)育階段的同一類型細胞一致，但在不同類型的細胞中有區(qū)別，在不同的發(fā)育階段也有明顯變化。,40,課件類別,果蠅多線染色體,41,課件類別,42,課件類別,用32P磷酸鹽分別摻入前體細胞和原成紅細胞，若珠蛋白基因有表達，則DNA可轉(zhuǎn)錄有32P標記的RNA。當用克隆的胚胎型樣珠蛋白基因DNA探針與之雜交，發(fā)現(xiàn)在原成紅細胞中有DNA-RNA

14、雜交反應(yīng)，而前體細胞中不發(fā)生雜交反應(yīng)。 說明前體細胞的胚胎型珠蛋白基因處于休止狀態(tài)，直至發(fā)育到原成紅細胞時才被活化。表明樣珠蛋白基因具有嚴格的紅系組織特異性和發(fā)育階段專一性特點。,特異基因的階段性表達,43,課件類別,組織形成中的基因表達,44,課件類別,一、動物及人體的基本組織類型,包括四類 1上皮組織:來源于外胚層，如皮膚表層 2結(jié)締組織:由中胚層產(chǎn)生的，分布在表皮之內(nèi)各 器官組織之間，如韌帶、纖維、血漿 3肌肉組織:來自中胚層，又有平滑肌、骨胳肌和 心肌，主要組分是肌原纖維 4神經(jīng)組織:來自外胚層，由神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細 胞組成,45,課件類別,二、哺乳動物骨骼肌發(fā)育中的基因調(diào)節(jié),1骨骼肌

15、細胞發(fā)育包括3個階段 1）由胚胎的體節(jié)細胞出現(xiàn)細胞決定（分化方向）， 并分化為成肌細胞； 2）成肌細胞向胚胎肢芽遷移并保持增殖能力； 3）成肌細胞停止分裂，彼此融合成多核體細胞（或 肌管），伴隨細胞融合的出現(xiàn)，對骨骼肌發(fā)育 及其功能有關(guān)的各種肌細胞特異基因的表達使其 分化為成熟的骨骼肌細胞。,46,課件類別,骨骼肌細胞發(fā)育程序包括3個階段,47,課件類別,已鑒定出4種控制骨骼肌細胞發(fā)育的基因：myoD、myf 5、myogenin及mrf4，分別表達相應(yīng)的myoD、myf 5、myogenin及mrf 4蛋白，統(tǒng)稱為myoD家族蛋白。 這些蛋白均具有堿性螺旋-環(huán)螺旋（bHLH）結(jié)構(gòu)，屬DNA結(jié)

16、合蛋白并行使轉(zhuǎn)錄因子的功能。,48,課件類別,myoD家族蛋白在形成同源及異源二聚體后可與基因調(diào)控區(qū)中的CANNTG序列（又稱Ebox）相結(jié)合，通過DNA-protein相互作用， myoD構(gòu)象改變從而誘導(dǎo)肌細胞特異性的基因轉(zhuǎn)錄。,myoD誘導(dǎo)肌細胞特異性基因轉(zhuǎn)錄,49,課件類別,基因 表型 myoD家族 敲除 存活 成肌細胞 肌細胞 蛋白功能 myoD 能 + + 不詳 myf 5 能 + + 不詳 myoD、myf 5 否 - -成肌細胞形成必須 myogenin否 + - 成肌細胞向肌細胞分化所必須,表 1 myoD 家族基因敲除對小鼠 骨骼肌細胞分化發(fā)育的影響,50,課件類別,從體節(jié)細

17、胞分化為成肌細胞時需myoD和myf 5兩種蛋白， myogenin蛋白對成肌細胞融合并分化為成熟的骨骼肌細胞必不可少,51,課件類別,細胞融合前只有myoD及myf5基因表達，myogenin基因只有在細胞融合發(fā)生后表達，且受myoD及myf 5表達的誘導(dǎo)。myoD及myf 5基因控制體節(jié)細胞分化為成肌細胞，而從成肌細胞發(fā)育為成熟的骨骼肌細胞則依賴于myogenin基因,52,課件類別,成肌細胞中，肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白、肌鈣蛋白（與肌肉收縮有關(guān)）、磷酸肌酸激酶及乙酰膽堿受體（傳遞神經(jīng)刺激）等特異性蛋白的基因活性處于休止狀態(tài)。成肌細胞融合后，開始激活表達并使之最終分化為形態(tài)及功能成熟

18、的骨骼肌細胞。,成肌細胞融合激活特異性蛋白基因,53,課件類別,myoD 家族蛋白,總結(jié)：,Ebox,構(gòu)象改變,二聚化,myoD 家族蛋白,特異蛋白表達,成肌細胞融合,54,課件類別,三、神經(jīng)發(fā)生的調(diào)節(jié),神經(jīng)系統(tǒng)：外胚層神經(jīng)管和神經(jīng)嵴，神經(jīng)管腦、脊髓及視網(wǎng)膜在內(nèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng);神經(jīng)嵴周圍神經(jīng)系統(tǒng)。,55,課件類別,神經(jīng)管及神經(jīng)嵴細胞發(fā)育為神經(jīng)母細胞后，其子細胞停止分裂時產(chǎn)生神經(jīng)元細胞。神經(jīng)元細胞兩端生長出樹突及軸突，軸突定向生長延伸至靶細胞部位，末端與靶細胞形成突觸連接，最終從形態(tài)及功能上發(fā)育分化成熟。,神經(jīng)元細胞分化,56,課件類別,果蠅基因組中鑒定出一種約lOOkb的基因復(fù)合物 AS-complex （AS-c）。ASc對剛毛器官發(fā)育起調(diào)節(jié)作用。 果蠅的剛毛器官是毛干細胞、神經(jīng)元、鞘細胞和牙槽細胞等4種細胞構(gòu)成的觸覺器官。 剛毛器的發(fā)育始于第二胸部體節(jié)的翅成蟲盤細胞，經(jīng)神經(jīng)原細胞至神經(jīng)前體細胞的發(fā)育, 前體細胞經(jīng)過兩次分裂后的4個子細胞發(fā)育成上述4種特化細胞。,神經(jīng)元細胞分化過程中的基因,57,課件類別,ASc含4種基因achaete（ac）、scute（sc）、Lethal of scute（Lsc）及asense（a），產(chǎn)物均為HLH蛋白。 ac及sc兩種基因在神經(jīng)原細胞中表達，使其向神經(jīng)前體細胞方向分化。發(fā)育