1、第六章 發(fā)育中細(xì)胞分化機(jī)制,細(xì)胞分化是指同群結(jié)構(gòu)與功能相同的細(xì)胞發(fā)生一系列的內(nèi)外變化，成為結(jié)構(gòu)與功能不同的細(xì)胞的過程。分化過程涉及形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化、基因活性狀態(tài)變化、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)組成的變化和功能的變化。 細(xì)胞分化的主要特點(diǎn)包括： 基因表達(dá)上的變化，導(dǎo)致組織特異性蛋白的產(chǎn)生； 不同細(xì)胞在蛋白質(zhì)組成上的差異導(dǎo)致細(xì)胞結(jié)構(gòu)的不同；改變其組成就可改變其形狀，如MyoD轉(zhuǎn)化； 在細(xì)胞分化的早期，不同細(xì)胞間的差異難以檢測(cè)； 分化是漸進(jìn)過程，進(jìn)入終端分化的細(xì)胞往往不再分裂，而終端分化后能夠繼續(xù)分裂的細(xì)胞可以維持和傳遞終端分化狀態(tài)； 細(xì)胞分化由許多細(xì)胞外信號(hào)(如細(xì)胞表面蛋白、分泌蛋白)控制。,一、概念,二、基因活性

2、狀態(tài)的可逆性,從單個(gè)合子核發(fā)育為不同類型細(xì)胞，基因活性譜發(fā)生了改變，這種改變是否涉及遺傳物質(zhì)的改變？,1. 細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)證明： A：分化中遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生不可逆改變； B：細(xì)胞質(zhì)中含有決定核內(nèi)基因活性譜的控制因子。,細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，某些類型細(xì)胞的核不能代替爪蟾卵的核，說明這些細(xì)胞分化后完全喪失了細(xì)胞分裂能力。,Dolly and her foster mother,動(dòng)物克隆的程序,2. 細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)也證明了分化中遺傳物質(zhì)改變的可逆性 A：人肝細(xì)胞與大鼠肌細(xì)胞的融合實(shí)驗(yàn),3. 細(xì)胞分化狀態(tài)是可以改變的 e.g., 兩棲類肢體再生中肌細(xì)胞可轉(zhuǎn)變?yōu)楣羌?xì)胞；雞視網(wǎng)膜表皮色素細(xì)胞在含透明質(zhì)酸酶、

3、血清、苯硫脲的條件下培養(yǎng)后轉(zhuǎn)變?yōu)榫w狀細(xì)胞。,三、DNA的不可逆改變導(dǎo)致的細(xì)胞分化,e.g., 脊椎動(dòng)物免疫系統(tǒng),抗體分子的結(jié)構(gòu),抗體變異的分子基礎(chǔ),在發(fā)育的不同階段，不同的基因處于不同的活性狀態(tài)。 一個(gè)轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控其它許多基因的活性，但其作用取決于多個(gè)因素： 靶基因是否含有其調(diào)控區(qū)； 其本身是否處于活化狀態(tài)(e.g., 是否磷酸化)； 其本身是否結(jié)合了其它調(diào)控因子。 調(diào)控區(qū)是否結(jié)合了其它的調(diào)控因子,四、基因活性狀態(tài)的維持和傳遞決定 于調(diào)控蛋白和DNA的修飾,維持細(xì)胞基因活性狀態(tài)依賴調(diào)控因子的連續(xù)存在,基因活性狀態(tài)與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān),哺乳動(dòng)物失活的X染色體在生殖細(xì)胞形成時(shí)才重新恢復(fù)活性狀態(tài)

4、。,基因活性狀態(tài)與DNA的化學(xué)修飾有關(guān),五、細(xì)胞分化中基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控,(一)、基因轉(zhuǎn)錄調(diào)控涉及通用轉(zhuǎn)錄因子和組織特異性轉(zhuǎn)錄因子,轉(zhuǎn)錄調(diào)控中蛋白因子之間的相互作用,(二)、外源信號(hào)對(duì)基因轉(zhuǎn)錄的激活作用,甾類激素(Steroid hormones)以兩種方式激活基因的轉(zhuǎn)錄： A：受體在激素進(jìn)入細(xì)胞前就結(jié)合在靶基因調(diào)控區(qū)上，但 只有當(dāng)激素與該受體結(jié)合后才激活轉(zhuǎn)錄。 E.g. ,glucocorticoid. B：激素先與胞質(zhì)中其受體結(jié)合，再進(jìn)入核激活轉(zhuǎn)錄。 Thyroid hormones，RA的作用方式與此類似。,多肽激素類(peptide hormones)通過受體傳遞信號(hào),Stat 信號(hào)傳導(dǎo)途

5、徑,TGF-b信號(hào)傳導(dǎo)途徑,Hedgehog 信號(hào)傳導(dǎo)途徑,Wnt 信號(hào)傳導(dǎo)途徑,Notch/Delta 信號(hào)傳導(dǎo)途徑,(三)、轉(zhuǎn)錄調(diào)控細(xì)胞分化的幾個(gè)模型,單向分化：肌細(xì)胞分化涉及轉(zhuǎn)錄因子的次序表達(dá),MyoD及其它MRF(muscle-related factors)與其它非組織特異性bHLH蛋白如E2A結(jié)合而成的異源二聚體，以及MEF (muscle-enhancer factors)同源二聚體，在調(diào)控元件E-box或MEF-box或同時(shí)與二者結(jié)合形成轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合體，促進(jìn)靶基因的轉(zhuǎn)錄。,肌細(xì)胞分化與細(xì)胞周期,A：分裂中的成肌細(xì)胞不能分化,B：分化中的肌細(xì)胞不能分裂,哺乳動(dòng)物造血器官：胚胎卵黃

6、囊胎兒肝臟成年個(gè)體骨髓和胰臟。 魚類造血器官：胚胎ICM 成年腎臟。,(Aorta-gonad-mesonephros region),血液干細(xì)胞的多向分化,將正常小鼠的骨髓細(xì)胞移植到照射后的小鼠中，受體的胰臟表面出現(xiàn)多種不同的血細(xì)胞集落。,血細(xì)胞分化涉及一系列生長因子和轉(zhuǎn)錄因子。 有關(guān)的生長因子有的由血細(xì)胞或骨髓基質(zhì)細(xì)胞分泌，有的由其它組織分泌(如EPO主要由腎臟分泌)。 有關(guān)的轉(zhuǎn)錄因子有的是非組織特異性的(如c-Myb)，有的是組織特異性的(如SCL、GATA-2、GATA-1)。,CD34 cells,珠蛋白基因的表達(dá)調(diào)控,珠蛋白基因的表達(dá)與血紅蛋白的組成,(22),b-珠蛋白基因的結(jié)構(gòu)

7、,何時(shí)表達(dá)何種b-珠蛋白，決定于結(jié)合在特定珠蛋白基因的啟動(dòng)子上的轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)合在LCR上的因子之間的親和力。例如，敲除b-globin基因的啟動(dòng)子和3 enhancer后，成年小鼠的紅細(xì)胞中仍含大量的-globin; EKLF是b-珠蛋白啟動(dòng)子結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表達(dá)-和-珠蛋白。,六、細(xì)胞分化中RNA加工水平上的調(diào)控,RNA加工前三個(gè)胚層中的RNA量無差異。,Ect,En/mes,加工后的RNA主要存在于外胚層中。,核酸保護(hù)實(shí)驗(yàn)(放射性intron或exon探針與總RNA雜交后再RNase消化)表明：海膽鈣結(jié)合蛋白基因CyIIIa在原腸胚的外胚層中表達(dá),核酸run-o

8、n(在膜上固定intron序列與放射性RNA探針雜交)實(shí)驗(yàn)表明：Spec1基因在原腸胚的內(nèi)、中、外胚層細(xì)胞核中都表達(dá)，但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚層中。,同一基因的初級(jí)轉(zhuǎn)錄物經(jīng)選擇性拼接可產(chǎn)生不同的成熟RNA,七、細(xì)胞分化中翻譯水平上的調(diào)控,1. mRNA壽命的調(diào)控,不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其3UTR控制。短壽命mRNA的3UTR通常含有一個(gè)或多個(gè)AU富集區(qū)，其作用是促進(jìn)Poly(A)降解。,mRNA降解性能的差異可以影響細(xì)胞的功能,2. 激素促進(jìn)轉(zhuǎn)錄和增加mRNA壽命,如Prolactin僅提高牛的casein基因轉(zhuǎn)錄水平2倍，但提高其mRNA壽命25倍。,3. 卵

9、母細(xì)胞中mRNA的翻譯調(diào)控,卵母細(xì)胞中mRNA的 翻譯調(diào)控機(jī)制,mRNA masking: mRNA與其它蛋白結(jié)合成ribonucleoprotein (RNP) complex,阻止與ribosome結(jié)合；卵成熟或受精后，離子強(qiáng)度改變或蛋白磷酸化等導(dǎo)致RNP解體，翻譯得以進(jìn)行。 5 Cap(7-甲基鳥苷酸)的調(diào)控：如某些種類的moths，其卵中的部分mRNA的5-鳥苷酸在受精后才甲基化，然后開始翻譯。 mRNA sequester: 指mRNA被阻隔于蛋白合成裝置。如海膽未受精卵的histone mRNA定位于原核中，受精后原核破裂，mRNA才能進(jìn)入胞質(zhì)開始翻譯。 翻譯效率的調(diào)控：如將海膽卵

10、母細(xì)胞裂解液的pH從自然狀態(tài)下的pH6.9提高到(受精后自然狀態(tài)下的) pH7.4,蛋白質(zhì)合成量急劇增加。受精后pH升高的作用可能包括去除mRNA的封閉蛋白和激活翻譯起始因子。,Poly(A)對(duì)翻譯的調(diào)控： 在小鼠的未成熟卵母細(xì)胞質(zhì)中可以翻譯的mRNA具有較長的poly(A), 減數(shù)成熟分裂后poly(A)降解，翻譯終止。 在減數(shù)成熟分裂前不表達(dá)的mRNA的poly(A)較短(15-90A), 但其3UTR具有胞質(zhì)多聚腺苷酸化信號(hào)序列(CPEs)(UUUUAU in mice and frogs)。減數(shù)成熟分裂后這些 mRNA迅速加上一個(gè)長的polyA,開始翻譯。,八、細(xì)胞分化中翻譯后水平上的調(diào)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., me