发育生物学-细胞分化的分子机制.ppt

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1、细胞分化的分子机制,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。,细胞分化,细胞分化,Cell differentiation involves the gradual emergence of cell types that have a clear-cut identity in the adult,such as nerve cells,fat cells Differentiated cells serve specialized functions and hav

2、e achieved a usually stable state.,发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐渐受限制的过程,细胞的全能性(totipotent)：生物体中的一个体细胞或一个性细胞在一定条件下，有能力重新形成完整的个体，或者分化形成该个体任何种类的细胞。此特性称为“细胞全能性”。,细胞的全能性(totipotent)：受精卵、8细胞期前的胚胎细胞是全能细胞。,多潜能细胞(pluripotent)：发育潜能有一定局限性，仅能分化成为特定范围内的细胞。如生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、粒细胞等分化细胞(differentiated cell)：仅具有分化形成某一种类型细胞的能

3、力。分化过程：全能 多能 分化细胞,发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐渐受限制的过程,细胞分化,细胞由未特化状态分化成不同细胞类型最初发生在胚胎发育的过程中，而在出生后直到成体的整个阶段都会持续进行。特化细胞的性质是基因特定表达模式的结果，不同基因表达模式决定特定蛋白的合成。“特定基因表达模式是如何形成的”是细胞分化的中心问题。,基因表达的阶段特异性及组织特异性 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。,细胞分化是基因按一定时空顺序表达的结果，这种在个体发育过程中不同的基因按照一定的时空顺序被激活的现象

4、称为“基因的差异表达”。,成纤维细胞被加入肌源蛋白后分化为肌细胞,细胞分化的机理,细胞分化,细胞分化是基因差异性表达的结果：-细胞内环境的差异：细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异，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，引起核基因的差异表达。,细胞分化,细胞分化是基因差异性表达的结果：-细胞外环境的影响：邻近细胞间的相互关系；细胞外信号(cell-surface proteins,hormones,polypeptide cytokines and molecules of the extracellular matrix)在分化过程中可诱发细胞内信号通路，影响基因表达。,应

5、用DNA microarrays 研究基因表达,High output screening genes expressed differently in different tissues or at different stages in development,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。,奢侈基因

6、与管家基因,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，从而产生特定的分化细胞类型。,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，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？,悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株,（Steward,1970年）,分化细胞的细胞核具有支持

7、胚胎发育能力,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。,分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力,Cloning by nuclear transfer:Nuclei from cells of the same blastula are transferred into enucleated egg.The frogs that develop are clones as they all have the same genetic constitution.The first mammal to be cloned,a lamb,

8、the Dolly,Dolly的标本和伊恩博士,Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。,Dolly,治疗性克隆,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”。,细胞融合能改变分化细胞基因表达活性的模式,Cell fusion shows the reversibility of gene inactivation during differentiation:the inacti

9、vation of muscle-specific genes in human liver cells is not irreversible.The pattern of gene expression in differentiated cells can be changed,controlled by factors present in the cytoplasm.,转分化能改变细胞的分化状态,Transdifferentiation:the change of one differentiated cell type into another.Generally,culture

10、condition;to a developmentally related cell type,细胞分化状态是可以改变的：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状体细胞。,转分化能改变细胞的分化状态,成纤维细胞转分化为其他类型的细胞,转分化能改变细胞的分化状态,转分化现象说明发育命运已经决定的细胞，仍然具有分化成为其他细胞的潜能,抗体分子的结构,e.g.,脊椎动物免疫系统,DNA的不可逆改变导致的细胞分化,抗体变异的分子基础,B淋巴细胞分化过程中产生免疫球蛋白基因重排使基因组发生了改变：原来胚胎细胞中不相连的DNA片段，通过切掉一些DNA片段，重新装配成抗体轻

11、链和重链可变区基因。,在发育的不同阶段，不同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,基因活性状态的维持和传递决定于调控蛋白和DNA的修饰,基因表达活性模式的维持,A central feature of cell differentiation is that some genes are maintained in an active state,while others are repressed and in

12、active.genes encoding gene-regulatory proteins can affect the activity of several other genes:transcription factors can activate or repress the activity of genes by binding to their control regions.,One way of keeping a gene active is for the gene products itself to act as the positive regulatory pr

13、otein:positive feedback,eg.Muscle-cell differentiation,the product of the myoD gene acts as an activator of myoD expression.,维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在,Chromatin that is packaged to a structure that cannot be transcribed is called heterochromatin Changes in the packing state of chromatin can be inherited

14、 through many cell divisions and can keep genes inactive,eg.X-chromosome inactivation-in female mammals,one of the two X chromosomes is inactivated and becomes highly condensed heterochromatin early in embryogenesis,基因活性状态与染色质的结构有关,X-chromosome inactivation,Inactive X-chromosome shows a different ph

15、ysical state from that in the active one,the Barr body in the interphase nucleus of a female human cell.,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，保持完整的遗传信息。,基因活性状态与DNA的化学修饰有关,胞嘧啶C的甲基化修饰,CG岛（CG island）：基因组DNA中富含GC碱基的区域，其中一些对称序列中的 5-CG-3 二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修饰；与基因的失活有关。,DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进

16、程逐渐建立。,Many cytosine bases occurring CG pairs in vertebrate DNA are methylated.When the DNA replicated,the new complementary strand lacks methylation but can be recognized by methylating enzyme,基因活性状态与DNA的化学修饰有关,DNA甲基化 在DNA复制后，由甲基化酶将S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶的5-C上完成对碱基的修饰，甲基化位置上可阻止转录因子与DNA结合。越是活跃的基因其甲基化程度越低，

17、越不活跃的基因甲基化程度越高。在发育过程中，当某些基因表达完成后，DNA的甲基化可能参与了基因的关闭过程。,Inheritance of the pattern of methylation on DNA,An epigenetic state of DNA methylation can be maintained across cell generations.,Post-translational modification of histone proteins,The histone in chromatin can undergo modification such as methy

18、lation,acetylation,or phosphorylation on specific amino-acid residues,and can change the properties of chromatin,eg,histone methylation is more characteristic of transcriptionally silent heterochromation.Epigenetic changes such as DNA methylation,histone acetylation,and histone methylation can exert

19、 their effect on chromation structure and gene expression.,Post-translational modification of histone proteins,HISTONE ACETYLATION&CHROMATIN REMODELING,DNA甲基化抑制基因转录的机制,DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子,细胞分化中差异基因的调控机制,Gene expression,差异基因表达的调控,DNA的化学修饰、转录因子的作用、RNA splicing、蛋白的翻译后调控,RNA splicing,microRNA,Post-tra

20、nslational modification,真核细胞基因表达调节的多重性,主要调控水平：*转录水平调控（transcriptional control）*转录后水平调控（post-transcriptional control）RNA加工水平调控（RNA processing control）翻译水平调控（translational control）*蛋白质的翻译后修饰（post-translational modification）,细胞分化中基因的转录调控,转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子,Tissue-specific gene express is controlled

21、 by regulatory regions Normally,growth hormone is made only in the pituitary,and elastase only in pancreas Human GH is made in the pancreas under the control of the mouse elastase promoter.,转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子,Gene expression is regulated by the coordinated action of gene-regulatory protei

22、ns that bind to control regions in DNA The transcription machinery,composed of RNA polymerase and the general transcription factors that bind to the promoter region,is common to many cells,转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子,A transcription factor interacting with its cis control element,转录调控既需要基本转录调节因子也需

23、要组织特异性转录调节因子,Other regulatory regions,which have to be bound by gene-regulatory proteins(activators or repressors)before transcription can occur,are located adjacent to the promoter and usually further upstream of the gene,such as enhancer.3000 transcription factors in the human genome.5 different f

24、actors act together at any particular control region.,基因远端的增强子促进转录复合体的装配,转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子,Co-activators,which link the transcription machinery to the activators and repressor proteins that bind to specific sites such as enhancer.e.g.,CBP(a histone acetyltransferase),regulates the chroma

25、tin,阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制,阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制,Trans-acting elements:encoded transcription factors that interact with cis-acting elements,either directly through DNA binding or indirectly through protein-protein interactions.,转录调控中蛋白因子之间的相互作用,外部信号对基因转录的激活作用,Intracellular signal transducti

26、on by which signals received at the cell membrane can alter gene express:growth factors such as FGF and EGF;binding of the signal molecule to the cell-surface receptor sets in train an intracellular cascade of protein phosphorylations,外部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

27、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.,Thyroid hormones B：激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。E.g.,glucocorticoid.,Summary,转录调控是细胞分化的一个重要特征。真核基因的组织特异性表达依赖于基因侧翼顺式调控序列上的调控位点(包括结合RNA聚合酶的转录起始位点邻近的启动子区域、更远处调控基因的组织专一或发育阶段特异性表达的调控位点)。顺式调控上调控位点与不同调节蛋白结合的组合形式决定基因是否表达。蛋白生长因子、激素等胞外信号本身不能进入细胞，但是可通过细胞表面受体，激活细胞内的信号途径从而专一影响基因表达；甾体激素

28、能通过细胞膜和细胞内的受体蛋白形成复合物，作为转录因子与特定DNA调控元件结合影响基因表达。分化细胞中基因表达模式一旦建立，这种模式就能维持很长时间并能传递到子代细胞中。维持这种机制包括基因调控蛋白的持续表达和作用、DNA和组蛋白化学修饰造成的染色质结构和特性的长时期区域性的变化。,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

29、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,珠蛋白在发育中的表达调控受位于其编码区很远的调控序列的影响,何时表达何种-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LCR上的因子之间的亲和力。例如，敲除-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-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。,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

30、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：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,-原肌球蛋白 mRNA(-tropomyosin),细胞分化中翻译水平上的调控,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

31、区，其作用是促进Poly(A)降解。,激素促进转录和增加mRNA寿命,早期发育中母体效应因子的影响,胚胎早期的发育主要由卵母细胞中的母体效应因子(maternal effect factor)所控制。卵母细胞通过储藏的mRNA调控早期发育，直到受精后才进行翻译。-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。,卵母细胞中储藏性mRNA,卵母细胞中mRNA的 翻译调控机制,mRNA masking(掩蔽):mRNA与其它蛋白结合成ribonucleoprotein(RNP)complex,阻止与ribosome结合；卵成熟或

32、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。,卵母细胞中mRNA的 翻译调控机制,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,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(

33、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。poly(A)“尾巴”的获得对储藏的卵母细胞mRNA开始翻译很关键,胚胎早期的发育都由储藏在卵母细胞中的mRNA控制。哺乳类动物胚胎在第一个细胞周期内就开始胚胎基因转录。如小鼠母体效应因子mRNA只能维持2天，以后很快降解，由

34、胚胎基因转录的mRNA 编码新的蛋白质代替母体效应因子控制发育。,细胞分化中翻译后水平上的调控,Activation by cleaving some domains,e.g,proinsulin;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.,phosp

35、horylation.,程序化细胞死亡受遗传调控,Programmed cell death(apoptosis)in normal part of development,e.g.in the morphogenesis of the vertebrate limb,the interdigital cell death is essential for separating the digits etc.,由于体内外生理或病理因素触发细胞内预存的死亡程序而 导致的细胞主动死亡过程。,【Concept of apoptosis】,程序化细胞死亡受遗传调控,Apoptosis may be t

36、riggered by an external signal or cells may be programmed to die unless they receive a specific survival signal.,（一）细胞凋亡过程（The process of apoptosis）,凋亡信号转导,程序化细胞死亡受遗传调控,Apoptosis pathways in mammals Apoptotic signals are transduced through BID and BIM to cause the release of pro-apoptotic factors fr

37、om mitochondria eg.Cytochrome c,triggers the caspase-activation pathway In the absence of apoptotic signals,cell death is inhibited by Bcl-2.,基因表达的可塑性,Stem cells both self-renew and give rise to a wide variety of cell types,which is of great importance,as it offers the possibility of using stem cell

38、s to replace cells that have been damaged or lost in human disease.How genes can be controlled in stem cells to give the desired cell type?How multipotent stem cells are?How plastic is the pattern of gene activity?,培养的胚胎干细胞能增殖分化成多种细胞类型,Totipotent stem cells in mammals:ES cells derived from the inner

39、 cell mass ES cells:express transcription factor Oct4;exposed to the cytokine leukemia inhibitory factor(LIF)Stem cell is the key for regenerative medicine(to restore the structure and function of damaged or disease tissues),eg.To take adult stem cells from the patients own undamaged tissues and rei

40、mplant them where needed,thus avoiding the problems of tissue rejection.Ethical tissues:To make human ES cells,the blastocyst must be destroyed,someone believe that this is a destruction of a human life.,培养的胚胎干细胞能增殖分化成多种细胞类型,ES cells can develop normally or into a tumor,depending on the environmenta

41、l signals they receive.,Stem cell and cloning,Summary,已分化了的动物细胞的细胞核移植到受精卵中的实验及细胞融合研究表明，分化细胞的细胞核的基因表达模式往往是可逆的，提示细胞分化是由细胞质中的因子决定的，不存在遗传物质的丢失。有些分化状态是可逆的，如在再生和培养细胞中，一种分化细胞类型可转分化成另一细胞类型。两栖类和哺乳动物都可以通过向去核卵移植成体细胞核得到克隆动物。干细胞既可以自我更新，也可以分化成广泛的细胞类型。期待干细胞研究可以应用到细胞替换治疗领域。,Summary to cell differentiation,细胞分化形成不同的细胞类型，其特性和特化是由基因表达及其产物的模式决定的。基因表达模式的维持和遗传需要几种机制的组合包括基因调控蛋白的持续作用、染色质包装状态的改变以及DNA的化学修饰。尽管体内动物细胞的分化状态一般极为稳定，但在有些情况下，一种细胞可转分化成另外一细胞类型。向去核卵移植成体细胞核可得到克隆的动物，这表明分化细胞的细胞核可以被重新编程，恢复可以指导胚胎发育的状态。干细胞可以增殖并分化成不同细胞类型，可能成为再生医学的关键手段。细胞分化途径包括外部信号、胞内信号转导途径、基因调控蛋白和发挥作用的蛋白等细节。如生长因子等信号分子诱导复杂的胞内事件。发育过程中，凋亡是细胞的一个共同命运。,