發(fā)育生物學(xué)——細(xì)胞分化的分子機(jī)制PPT精選文檔

1、細(xì)胞分化的分子機(jī)制細(xì)胞分化的分子機(jī)制指多細(xì)胞生物成長發(fā)育中，在一些內(nèi)在機(jī)指多細(xì)胞生物成長發(fā)育中，在一些內(nèi)在機(jī)制作用下，細(xì)胞在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生理功能及生制作用下，細(xì)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)生化特征等方面逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異穩(wěn)定性差異，成為多種，成為多種不同的細(xì)胞類型，以形成個體不同的組織、器不同的細(xì)胞類型，以形成個體不同的組織、器官和系統(tǒng)。官和系統(tǒng)。 細(xì)胞分化細(xì)胞分化細(xì)胞分化細(xì)胞分化l Cell differentiation involves the gradual emergence of cell types that have a clear-cut identity

2、in the adult, such as nerve cells, fat cellsl Differentiated cells serve specialized functions and have achieved a usually stable state.發(fā)育過程中細(xì)胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐發(fā)育過程中細(xì)胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐漸受限制的過程漸受限制的過程細(xì)胞的全能性細(xì)胞的全能性 (totipotent)：生物體中的一個體細(xì)胞或一個性細(xì)胞在一定條件下，有生物體中的一個體細(xì)胞或一個性細(xì)胞在一定條件下，有能力重新形成完整的個體，或者分化形成該個體任何種能力重新形成完整的個體，或者分化

3、形成該個體任何種類的細(xì)胞。此特性稱為類的細(xì)胞。此特性稱為“細(xì)胞全能性細(xì)胞全能性”。細(xì)胞的全能性細(xì)胞的全能性 (totipotent)：受精卵受精卵 、8 8細(xì)胞期前的胚胎細(xì)胞是全能細(xì)胞。細(xì)胞期前的胚胎細(xì)胞是全能細(xì)胞。多潛能細(xì)胞多潛能細(xì)胞 (pluripotent)：發(fā)育潛能有一定局限性，：發(fā)育潛能有一定局限性，僅能分化成為特定范圍內(nèi)的細(xì)胞。如生血干細(xì)胞僅能分僅能分化成為特定范圍內(nèi)的細(xì)胞。如生血干細(xì)胞僅能分化成為淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞、粒細(xì)胞等化成為淋巴細(xì)胞、單核細(xì)胞、粒細(xì)胞等分化細(xì)胞分化細(xì)胞 (differentiated cell)： 僅具有分化形成某一僅具有分化形成某一種類型細(xì)胞的能力。種類型

4、細(xì)胞的能力。 分化過程：全能分化過程：全能 多能多能 分化細(xì)胞分化細(xì)胞發(fā)育過程中細(xì)胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐發(fā)育過程中細(xì)胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐漸受限制的過程漸受限制的過程細(xì)胞分化細(xì)胞分化l 細(xì)胞由未特化狀態(tài)分化成不同細(xì)胞類型最初發(fā)細(xì)胞由未特化狀態(tài)分化成不同細(xì)胞類型最初發(fā)生在胚胎發(fā)育的過程中，而在出生后直到成體的生在胚胎發(fā)育的過程中，而在出生后直到成體的整個階段都會持續(xù)進(jìn)行。整個階段都會持續(xù)進(jìn)行。特化細(xì)胞的性質(zhì)是基因特化細(xì)胞的性質(zhì)是基因特定表達(dá)模式的結(jié)果，特定表達(dá)模式的結(jié)果，不同基因表達(dá)模式?jīng)Q定特不同基因表達(dá)模式?jīng)Q定特定蛋白的合成。定蛋白的合成?！疤囟ɑ虮磉_(dá)模式是如何形成特定基因表達(dá)模式是如何

5、形成的的”是細(xì)胞分化的中心問題。是細(xì)胞分化的中心問題。 基因表達(dá)的階段特異性及組織特異性基因表達(dá)的階段特異性及組織特異性 特定基因的表達(dá)按照嚴(yán)格的特定基因的表達(dá)按照嚴(yán)格的時(shí)間順序時(shí)間順序發(fā)發(fā)生，同時(shí)，同一基因產(chǎn)物在不同的組織器生，同時(shí)，同一基因產(chǎn)物在不同的組織器官表達(dá)數(shù)量不同，不同的產(chǎn)物蛋白又分布官表達(dá)數(shù)量不同，不同的產(chǎn)物蛋白又分布于不同的細(xì)胞或組織器官于不同的細(xì)胞或組織器官。 細(xì)胞分化是基因按一定時(shí)空細(xì)胞分化是基因按一定時(shí)空順序表達(dá)的結(jié)果，這種在個順序表達(dá)的結(jié)果，這種在個體發(fā)育過程中不同的基因按體發(fā)育過程中不同的基因按照一定的時(shí)空順序被激活的照一定的時(shí)空順序被激活的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為“基因的差

6、異表基因的差異表達(dá)達(dá)”。成纖維細(xì)胞被加入肌源蛋白后分化成纖維細(xì)胞被加入肌源蛋白后分化為肌細(xì)胞為肌細(xì)胞細(xì)細(xì)胞胞分分化化的的機(jī)機(jī)理理細(xì)胞分化細(xì)胞分化l 細(xì)胞分化是基因差異性表達(dá)的結(jié)果：細(xì)胞分化是基因差異性表達(dá)的結(jié)果： - 細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的差異：細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的差異：細(xì)胞的不對稱分裂使姐妹細(xì)胞細(xì)胞的不對稱分裂使姐妹細(xì)胞產(chǎn)生了差異，在細(xì)胞分裂時(shí)一些重要的分子被不均等地產(chǎn)生了差異，在細(xì)胞分裂時(shí)一些重要的分子被不均等地分配到兩個子細(xì)胞中，引起核基因的差異表達(dá)。分配到兩個子細(xì)胞中，引起核基因的差異表達(dá)。 細(xì)胞分化細(xì)胞分化l 細(xì)胞分化是基因差異性表達(dá)的結(jié)果：細(xì)胞分化是基因差異性表達(dá)的結(jié)果： - 細(xì)胞外環(huán)境的影響：細(xì)胞

7、外環(huán)境的影響：鄰近細(xì)胞間的相互關(guān)系；細(xì)鄰近細(xì)胞間的相互關(guān)系；細(xì)胞外信號胞外信號 (cell-surface proteins, hormones, polypeptide cytokines and molecules of the extracellular matrix) 在分化過程中可誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)信在分化過程中可誘發(fā)細(xì)胞內(nèi)信號通路，影響基因表達(dá)。號通路，影響基因表達(dá)。應(yīng)用應(yīng)用DNA microarrays 研究基因表達(dá)研究基因表達(dá)l High output screening genes expressed differently in different tissues or at di

8、fferent stages in development奢侈基因與管家基因奢侈基因與管家基因l 生物體細(xì)胞中含有決定生長分裂和分化的全部基因生物體細(xì)胞中含有決定生長分裂和分化的全部基因信息，按其與細(xì)胞分化的關(guān)系，可將這些基因分為信息，按其與細(xì)胞分化的關(guān)系，可將這些基因分為兩大類：兩大類：奢侈基因奢侈基因和和管家基因管家基因 奢侈基因奢侈基因 (luxury gene): 編碼細(xì)胞特異性蛋白，與各種分化細(xì)編碼細(xì)胞特異性蛋白，與各種分化細(xì)胞的特定性狀直接相關(guān)，這類基因?qū)?xì)胞自身生存無直接影響。胞的特定性狀直接相關(guān)，這類基因?qū)?xì)胞自身生存無直接影響。如編碼紅細(xì)胞血紅蛋白，肌細(xì)胞的肌球蛋白和肌動蛋白

9、等的基因如編碼紅細(xì)胞血紅蛋白，肌細(xì)胞的肌球蛋白和肌動蛋白等的基因?qū)俅祟?。屬此類?奢侈基因與管家基因奢侈基因與管家基因 管家基因管家基因 (house keeping gene)，這類基因的表達(dá)，這類基因的表達(dá)產(chǎn)物為細(xì)胞生命活動持續(xù)需要和必不少，但與細(xì)胞分產(chǎn)物為細(xì)胞生命活動持續(xù)需要和必不少，但與細(xì)胞分化的關(guān)系不大，在細(xì)胞分化中只起協(xié)助作用?；年P(guān)系不大，在細(xì)胞分化中只起協(xié)助作用。如如tRNA，rRNA基因，催化能量代謝的各種酶系，三基因，催化能量代謝的各種酶系，三羧酸循環(huán)中各種酶系等。羧酸循環(huán)中各種酶系等。 從分子層次看，細(xì)胞分化主要是從分子層次看，細(xì)胞分化主要是奢侈奢侈基因中某種（或某些）特

10、定基因選擇基因中某種（或某些）特定基因選擇性表達(dá)的結(jié)果性表達(dá)的結(jié)果。某些基因的選擇性表。某些基因的選擇性表達(dá)合成了執(zhí)行達(dá)合成了執(zhí)行特定功能的蛋白質(zhì)特定功能的蛋白質(zhì)，從，從而產(chǎn)生特定的分化細(xì)胞類型。而產(chǎn)生特定的分化細(xì)胞類型。 基因活性狀態(tài)的可逆性基因活性狀態(tài)的可逆性從單個合子核發(fā)育為不同類型細(xì)胞從單個合子核發(fā)育為不同類型細(xì)胞，基因活性譜發(fā)生了改變，基因活性譜發(fā)生了改變，這種改變這種改變是否涉及遺傳物質(zhì)的改變？是否涉及遺傳物質(zhì)的改變？（Steward,1970年）年）分化細(xì)胞的細(xì)胞核具有支持胚胎發(fā)育能力分化細(xì)胞的細(xì)胞核具有支持胚胎發(fā)育能力細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)證明：細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)證明：A A：分化中遺傳物

11、質(zhì)沒有發(fā)生不可逆改變；分化中遺傳物質(zhì)沒有發(fā)生不可逆改變；B 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)胞質(zhì)中含有決定核內(nèi)基因活性譜的控制因子。分化細(xì)胞的細(xì)胞核具有支持胚胎發(fā)育能力分化細(xì)胞的細(xì)胞核具有支持胚胎發(fā)育能力l 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. l

12、 The first mammal to be cloned, a lamb, the DollyDolly治治療療性性克克隆隆這些實(shí)驗(yàn)說明這些實(shí)驗(yàn)說明：-即使是終末分化細(xì)胞，其細(xì)胞核同樣即使是終末分化細(xì)胞，其細(xì)胞核同樣也包含全部的遺傳信息，即具有發(fā)育為完整也包含全部的遺傳信息，即具有發(fā)育為完整個體的個體的“全能性全能性”。細(xì)胞融合能改變分化細(xì)胞基因表達(dá)活性的模式細(xì)胞融合能改變分化細(xì)胞基因表達(dá)活性的模式l Cell fusion shows the reversibility of gene inactivation during differentiation: the inactivati

13、on of muscle-specific genes in human liver cells is not irreversible. l The pattern of gene expression in differentiated cells can be changed, controlled by factors present in the cytoplasm.轉(zhuǎn)分化能改變細(xì)胞的分化狀態(tài)轉(zhuǎn)分化能改變細(xì)胞的分化狀態(tài)l Transdifferentiation: the change of one differentiated cell type into another. Gen

14、erally, culture condition; to a developmentally related cell type 細(xì)胞分化狀態(tài)是可以改細(xì)胞分化狀態(tài)是可以改變的：變的：雞視網(wǎng)膜表皮色素雞視網(wǎng)膜表皮色素細(xì)胞在含透明質(zhì)酸酶、血細(xì)胞在含透明質(zhì)酸酶、血清、苯硫脲的條件下培養(yǎng)清、苯硫脲的條件下培養(yǎng)后轉(zhuǎn)變?yōu)榫铙w細(xì)胞。后轉(zhuǎn)變?yōu)榫铙w細(xì)胞。轉(zhuǎn)分化能改變細(xì)胞的分化狀態(tài)轉(zhuǎn)分化能改變細(xì)胞的分化狀態(tài)成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為其他類型的細(xì)胞成纖維細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為其他類型的細(xì)胞轉(zhuǎn)分化能改變細(xì)胞的分化狀態(tài)轉(zhuǎn)分化能改變細(xì)胞的分化狀態(tài)轉(zhuǎn)分化現(xiàn)象說明發(fā)育命運(yùn)已經(jīng)決定的細(xì)胞，仍然轉(zhuǎn)分化現(xiàn)象說明發(fā)育命運(yùn)已經(jīng)決定的細(xì)胞，仍然具有

15、分化成為其他細(xì)胞的潛能具有分化成為其他細(xì)胞的潛能抗體分子的結(jié)構(gòu)抗體分子的結(jié)構(gòu)e.g., 脊椎動物免疫系統(tǒng)脊椎動物免疫系統(tǒng)DNA的不可逆改變導(dǎo)致的細(xì)胞分化的不可逆改變導(dǎo)致的細(xì)胞分化抗體變異的分子基礎(chǔ)抗體變異的分子基礎(chǔ)B淋巴細(xì)胞分化過程中產(chǎn)生免疫球蛋白基因重排使基因組發(fā)生了淋巴細(xì)胞分化過程中產(chǎn)生免疫球蛋白基因重排使基因組發(fā)生了改變：原來胚胎細(xì)胞中不相連的改變：原來胚胎細(xì)胞中不相連的DNA片段，通過切掉一些片段，通過切掉一些DNA片段，重新裝配成抗體輕鏈和重鏈可變區(qū)基因。片段，重新裝配成抗體輕鏈和重鏈可變區(qū)基因。在發(fā)育的不同階段，不同基因處于不同的活性狀態(tài)。在發(fā)育的不同階段，不同基因處于不同的活性狀

16、態(tài)。 一個轉(zhuǎn)錄因子可以調(diào)控其它許多基因的活性，但其一個轉(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因素：作用取決于多個因素：H 靶基因是否含有其調(diào)控區(qū)；靶基因是否含有其調(diào)控區(qū)；H 其本身是否處于活化狀態(tài)其本身是否處于活化狀態(tài) (e.g., 是否磷酸化是否磷酸化)；H 其本身是否結(jié)合了其它調(diào)控因子。其本身是否結(jié)合了其它調(diào)控因子。H 調(diào)控區(qū)是否結(jié)合了其它的調(diào)控因子調(diào)控區(qū)是否結(jié)合了其它的調(diào)控因子基因活性狀態(tài)的維持和傳遞決定于基因活性狀態(tài)的維持和傳遞決定于調(diào)控蛋白和調(diào)控蛋白和DNA的修飾的修飾基因表達(dá)活性模式的維持基因表達(dá)活性模式的維持l A central feature of cell

17、differentiation is that some genes are maintained in an active state, while others are repressed and inactive.l 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 regi

18、ons. l One way of keeping a gene active is for the gene products itself to act as the positive regulatory protein: positive feedback, eg. Muscle-cell differentiation, the product of the myoD gene acts as an activator of myoD expression.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l Chromatin that is pa

19、ckaged to a structure that cannot be transcribed is called heterochromatinl Changes in the packing state of chromatin can be inherited 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 hi

20、ghly condensed heterochromatin early in embryogenesis基因活性狀態(tài)與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)基因活性狀態(tài)與染色質(zhì)的結(jié)構(gòu)有關(guān)X-chromosome inactivationl Inactive X-chromosome shows a different physical state from that in the active one, the Barr body in the interphase nucleus of a female human cell.哺乳動物失活的哺乳動物失活的X染色體在生殖細(xì)胞形成時(shí)才重染色體在生殖細(xì)胞形成時(shí)才重新恢

21、復(fù)活性狀態(tài)，保持完整的遺傳信息。新恢復(fù)活性狀態(tài)，保持完整的遺傳信息?；蚧钚誀顟B(tài)與基因活性狀態(tài)與DNA的化學(xué)修飾的化學(xué)修飾有關(guān)有關(guān)l Many cytosine bases occurring CG pairs in vertebrate DNA are methylated. l When the DNA replicated, the new complementary strand lacks methylation but can be recognized by methylating enzyme基因活性狀態(tài)與基因活性狀態(tài)與DNA的化學(xué)修飾的化學(xué)修飾有關(guān)有關(guān)DNA甲基化甲基化 在在

22、DNA復(fù)制后，由甲基化酶將復(fù)制后，由甲基化酶將S-腺苷甲硫氨酸的腺苷甲硫氨酸的甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的5-C上完成對堿基的修飾，甲基上完成對堿基的修飾，甲基化位置上可阻止轉(zhuǎn)錄因子與化位置上可阻止轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合。結(jié)合。 越是活躍的越是活躍的基因其甲基化程度越低，越不活躍的基因甲基化程度基因其甲基化程度越低，越不活躍的基因甲基化程度越高。在發(fā)育過程中，當(dāng)某些基因表達(dá)完成后，越高。在發(fā)育過程中，當(dāng)某些基因表達(dá)完成后，DNA的甲基化可能參與了基因的關(guān)閉過程。的甲基化可能參與了基因的關(guān)閉過程。Inheritance of the pattern of methylation on DN

23、Al An epigenetic state of DNA methylation can be maintained across cell generations.Post-translational modification of histone proteinsl The histone in chromatin can undergo modification such as methylation, acetylation, or phosphorylation on specific amino-acid residues, and can change the properti

24、es of chromatin, eg, histone methylation is more characteristic of transcriptionally silent heterochromation. l Epigenetic changes such as DNA methylation, histone acetylation, and histone methylation can exert their effect on chromation structure and gene expression.Post-translational modification

25、of histone proteinsHISTONE ACETYLATION & CHROMATIN REMODELING細(xì)胞分化中差異基因的調(diào)控機(jī)制Gene expression差異差異基因表達(dá)的調(diào)基因表達(dá)的調(diào)控控l DNA的化學(xué)修飾的化學(xué)修飾、轉(zhuǎn)錄因轉(zhuǎn)錄因子的作用、子的作用、RNA splicing、蛋白的翻譯后調(diào)控蛋白的翻譯后調(diào)控RNA splicingmicroRNAPost-translational modification真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)節(jié)的多重性真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)節(jié)的多重性 細(xì)胞分化中基因的轉(zhuǎn)錄調(diào)控轉(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Tissue-specif

26、ic gene express is controlled by regulatory regionsl Normally, growth hormone is made only in the pituitary, and elastase only in pancreasl Human GH is made in the pancreas under the control of the mouse elastase promoter.轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子Gene expression is r

27、egulated by the coordinated action of gene-regulatory proteins that bind to control regions in DNA l The transcription machinery, composed of RNA polymerase and the general transcription factors that bind to the promoter region, is common to many cells 轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要

28、組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子l A transcription factor interacting with its cis control element轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子l Other regulatory regions, which have to be bound by gene-regulatory proteins (activators or repressors) before transcription can occur, are located adjacent to the

29、promoter and usually further upstream of the gene, such as enhancer.l 3000 transcription factors in the human genome. 5 different factors act together at any particular control region. 轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子轉(zhuǎn)錄調(diào)控既需要基本轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子也需要組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子l Co-activators, which link the transcription machinery t

30、o the activators and repressor proteins that bind to specific sites such as enhancer. e.g., CBP (a histone acetyltransferase), regulates the chromatinl Trans-acting elements: encoded transcription factors that interact with cis-acting elements, either directly through DNA binding or indirectly throu

31、gh protein-protein interactions.轉(zhuǎn)錄調(diào)控中蛋白因子之間的相互作用轉(zhuǎn)錄調(diào)控中蛋白因子之間的相互作用外部信號對基因轉(zhuǎn)錄的激活作用外部信號對基因轉(zhuǎn)錄的激活作用Intracellular signal transduction 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

32、 train an intracellular cascade of protein phosphorylations外部信號對基因轉(zhuǎn)錄的激活作用外部信號對基因轉(zhuǎn)錄的激活作用甾類激素甾類激素(Steroid hormones)以兩種方式激活基因的轉(zhuǎn)錄：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。只有當(dāng)激素與該受體結(jié)合后才激活轉(zhuǎn)錄。 E.g. , Thyroid hormones 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。激素先與胞質(zhì)中其受體結(jié)合，再進(jìn)入核激活轉(zhuǎn)錄。 E.g.

33、 , glucocorticoid.Summaryl 轉(zhuǎn)錄調(diào)控是細(xì)胞分化的一個重要特征。真核基因的組織特異性轉(zhuǎn)錄調(diào)控是細(xì)胞分化的一個重要特征。真核基因的組織特異性表達(dá)依賴于基因側(cè)翼順式調(diào)控序列上的調(diào)控位點(diǎn)表達(dá)依賴于基因側(cè)翼順式調(diào)控序列上的調(diào)控位點(diǎn)(包括結(jié)合包括結(jié)合RNA聚合酶的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)鄰近的啟動子區(qū)域、更遠(yuǎn)處調(diào)控基因的組聚合酶的轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)鄰近的啟動子區(qū)域、更遠(yuǎn)處調(diào)控基因的組織專一或發(fā)育階段特異性表達(dá)的調(diào)控位點(diǎn)織專一或發(fā)育階段特異性表達(dá)的調(diào)控位點(diǎn))。順式調(diào)控上調(diào)控位順式調(diào)控上調(diào)控位點(diǎn)與不同調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的組合形式?jīng)Q定基因是否表達(dá)。點(diǎn)與不同調(diào)節(jié)蛋白結(jié)合的組合形式?jīng)Q定基因是否表達(dá)。l 蛋白生長因

34、子、激素等胞外信號本身不能進(jìn)入細(xì)胞，但是可通蛋白生長因子、激素等胞外信號本身不能進(jìn)入細(xì)胞，但是可通過細(xì)胞表面受體，激活細(xì)胞內(nèi)的信號途徑從而專一影響基因表達(dá)過細(xì)胞表面受體，激活細(xì)胞內(nèi)的信號途徑從而專一影響基因表達(dá)；甾體激素能通過細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)的受體蛋白形成復(fù)合物，作為；甾體激素能通過細(xì)胞膜和細(xì)胞內(nèi)的受體蛋白形成復(fù)合物，作為轉(zhuǎn)錄因子與特定轉(zhuǎn)錄因子與特定DNA調(diào)控元件結(jié)合影響基因表達(dá)。調(diào)控元件結(jié)合影響基因表達(dá)。l 分化細(xì)胞中基因表達(dá)模式一旦建立，分化細(xì)胞中基因表達(dá)模式一旦建立， 這種模式就能維持很長這種模式就能維持很長時(shí)間并能傳遞到子代細(xì)胞中。維持這種機(jī)制包括基因調(diào)控蛋白的時(shí)間并能傳遞到子代細(xì)胞中。

35、維持這種機(jī)制包括基因調(diào)控蛋白的持續(xù)表達(dá)和作用、持續(xù)表達(dá)和作用、DNA和組蛋白化學(xué)修飾造成的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和和組蛋白化學(xué)修飾造成的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)和特性的長時(shí)期區(qū)域性的變化。特性的長時(shí)期區(qū)域性的變化。轉(zhuǎn)錄調(diào)控細(xì)胞分化的幾個模型單向分化：肌細(xì)胞分化單向分化：肌細(xì)胞分化涉及轉(zhuǎn)錄因子的次序表達(dá)涉及轉(zhuǎn)錄因子的次序表達(dá)MyoD及其它及其它MRF(muscle-related factors)與與其它非組織特異性其它非組織特異性bHLH蛋白如蛋白如E2A結(jié)合而成的異源二聚體，以及結(jié)合而成的異源二聚體，以及MEF (muscle-enhancer factors)同源二聚體，在調(diào)控元件同源二聚體，在調(diào)控元件E-box或

36、或MEF-box或或同時(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。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：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：分化中的肌細(xì)胞不能分裂 Muscle (Loss of FGF receptors) Proliferation Differentiation Proliferation differentiation C Cy yc cl li in n D D1 1 MyoD C Cy yc cl li in n D D1 1 MyoD C Cd dk k 4

37、4 C Cd dk k4 4 FGFs p21 p21珠蛋白在發(fā)育中的表達(dá)調(diào)控受位于其編碼區(qū)很遠(yuǎn)珠蛋白在發(fā)育中的表達(dá)調(diào)控受位于其編碼區(qū)很遠(yuǎn)的調(diào)控序列的影響的調(diào)控序列的影響何時(shí)表達(dá)何種何時(shí)表達(dá)何種-珠蛋白，決定于結(jié)合在特定珠蛋白基因的啟珠蛋白，決定于結(jié)合在特定珠蛋白基因的啟動子上的轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)合在動子上的轉(zhuǎn)錄因子與結(jié)合在LCR上的因子之間的親和力。例上的因子之間的親和力。例如，如，敲除敲除 -globin基因的啟動子和基因的啟動子和3 enhancer后，成年后，成年小鼠的紅細(xì)胞中仍含大量的小鼠的紅細(xì)胞中仍含大量的 -globin; EKLF是是 -珠蛋白啟動珠蛋白啟動子結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子，子結(jié)合的

38、轉(zhuǎn)錄因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表達(dá)小鼠成年之后仍表達(dá) -和和 -珠珠蛋白。蛋白。細(xì)胞分化中細(xì)胞分化中RNA加工水平上的調(diào)控加工水平上的調(diào)控RNA加工前三個胚層中的加工前三個胚層中的RNA量無差異量無差異。Ect En/mes加工后的加工后的RNA主要存在于外胚層中。主要存在于外胚層中。核酸保護(hù)實(shí)驗(yàn)核酸保護(hù)實(shí)驗(yàn)(放射性放射性intron或或exon探探針與總針與總RNA雜交后再雜交后再RNase消化消化)表明表明：海膽鈣結(jié)合蛋白基因海膽鈣結(jié)合蛋白基因CyIIIa在原腸胚在原腸胚的外胚層中表達(dá)的外胚層中表達(dá)核酸核酸run-on (在膜上固定在膜上固定intron序列與放射性序列與放射性RN

39、A探針雜交探針雜交) 實(shí)實(shí)驗(yàn)表明：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)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，但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚層中。只存在于外胚層中。同一基因的初級轉(zhuǎn)錄物經(jīng)選擇性拼接可產(chǎn)同一基因的初級轉(zhuǎn)錄物經(jīng)選擇性拼接可產(chǎn)生不同的成熟生不同的成熟RNA細(xì)胞分化中翻譯細(xì)胞分化中翻譯水平上的調(diào)控水平上的調(diào)控mRNA壽命的調(diào)控壽命的調(diào)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控控制。制。短壽命短壽命mRNA的的3UTR通常含有一個或多個通常含有一個或多個AU富富集區(qū)集區(qū)，其作用是促進(jìn)，其作用是促進(jìn)P

40、oly(A)降解。降解。激素促進(jìn)轉(zhuǎn)錄和增加激素促進(jìn)轉(zhuǎn)錄和增加mRNA壽命壽命早期發(fā)育中母體效應(yīng)因子的影響早期發(fā)育中母體效應(yīng)因子的影響H 胚胎早期的發(fā)育主要由卵母細(xì)胞中的母體效應(yīng)因子胚胎早期的發(fā)育主要由卵母細(xì)胞中的母體效應(yīng)因子(maternal effect factor)所控制所控制。H 卵母細(xì)胞通過儲藏的卵母細(xì)胞通過儲藏的mRNA調(diào)控早期發(fā)育，直到受調(diào)控早期發(fā)育，直到受精后才進(jìn)行翻譯。精后才進(jìn)行翻譯。 - 用轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素用轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍能進(jìn)行至囊胚期能進(jìn)行至囊胚期 - 用蛋白質(zhì)翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止用蛋白質(zhì)翻譯

41、抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止發(fā)育。發(fā)育。卵母細(xì)胞中儲藏性卵母細(xì)胞中儲藏性mRNA卵母細(xì)胞中卵母細(xì)胞中mRNA的的 翻譯調(diào)控機(jī)制翻譯調(diào)控機(jī)制H mRNA masking (掩蔽掩蔽): mRNA與其它蛋白結(jié)合成與其它蛋白結(jié)合成ribonucleoprotein (RNP) complex,阻止與阻止與ribosome結(jié)合；卵成熟或受精后，離子強(qiáng)度改變或結(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)致蛋白磷酸化等導(dǎo)致RNP解體，翻譯得以進(jìn)行。解體，翻譯得以進(jìn)行。H 5 Cap(7-甲基鳥苷酸甲基鳥苷酸)的調(diào)控：的調(diào)控：如某些種類的如某些種類的moths，其卵中的部分其卵中的部分mRNA

42、的的5-鳥苷酸在受精后鳥苷酸在受精后才甲基化，然后開始翻譯。才甲基化，然后開始翻譯。卵母細(xì)胞中卵母細(xì)胞中mRNA的的 翻譯調(diào)控機(jī)制翻譯調(diào)控機(jī)制H mRNA sequester: 指指mRNA被阻隔于蛋白合成裝被阻隔于蛋白合成裝置。如海膽未受精卵的置。如海膽未受精卵的histone mRNA定位于原核定位于原核中，受精后原核破裂，中，受精后原核破裂，mRNA才能進(jìn)入胞質(zhì)開始翻才能進(jìn)入胞質(zhì)開始翻譯。譯。H 翻譯效率的調(diào)控：翻譯效率的調(diào)控：如將海膽卵母細(xì)胞裂解液的如將海膽卵母細(xì)胞裂解液的pH從從自然狀態(tài)下的自然狀態(tài)下的pH6.9提高到提高到(受精后自然狀態(tài)下的受精后自然狀態(tài)下的) pH7.4,蛋白質(zhì)

43、合成量急劇增加。受精后蛋白質(zhì)合成量急劇增加。受精后pH升高的作升高的作用可能包括去除用可能包括去除mRNA的封閉蛋白和激活翻譯起始的封閉蛋白和激活翻譯起始因子。因子。Poly(A)對翻譯的調(diào)控：對翻譯的調(diào)控： 在小鼠的未成熟卵母細(xì)在小鼠的未成熟卵母細(xì)胞質(zhì)中可以翻譯的胞質(zhì)中可以翻譯的mRNA具具有較長的有較長的poly(A), 減數(shù)成減數(shù)成熟分裂后熟分裂后poly(A)降解，翻降解，翻譯終止。譯終止。 在減數(shù)成熟分裂前不表在減數(shù)成熟分裂前不表達(dá)的達(dá)的mRNA的的poly(A)較短較短(15-90A), 但其但其3UTR具具有胞質(zhì)多聚腺苷酸化信號序有胞質(zhì)多聚腺苷酸化信號序列列(CPEs)(UUUU

44、AU in mice and frogs)。減數(shù)成減數(shù)成熟分裂后這些熟分裂后這些 mRNA迅速迅速加上一個長的加上一個長的polyA,開始翻開始翻譯。譯。 poly(A)“尾巴尾巴”的獲得對的獲得對儲藏的卵母細(xì)胞儲藏的卵母細(xì)胞mRNA開始開始翻譯很關(guān)鍵翻譯很關(guān)鍵H 胚胎早期的發(fā)育都由儲藏在卵母細(xì)胞中的胚胎早期的發(fā)育都由儲藏在卵母細(xì)胞中的mRNA控控制制。H 哺乳類動物胚胎在第一個細(xì)胞周期內(nèi)就開始胚胎基哺乳類動物胚胎在第一個細(xì)胞周期內(nèi)就開始胚胎基因轉(zhuǎn)錄。如小鼠母體效應(yīng)因子因轉(zhuǎn)錄。如小鼠母體效應(yīng)因子mRNA只能維持只能維持2天天，以后很快降解，由胚胎基因轉(zhuǎn)錄的，以后很快降解，由胚胎基因轉(zhuǎn)錄的mRN

45、A 編碼新編碼新的蛋白質(zhì)代替的蛋白質(zhì)代替母體效應(yīng)因子控制發(fā)育母體效應(yīng)因子控制發(fā)育。細(xì)胞分化中翻譯后細(xì)胞分化中翻譯后水平上的調(diào)控水平上的調(diào)控HActivation by cleaving some domains,e.g, proinsulin;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; HActi

46、vation by modifications, e.g., phosphorylation.程序化細(xì)胞死亡受遺傳調(diào)控程序化細(xì)胞死亡受遺傳調(diào)控l 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.程序化細(xì)胞死亡受遺傳調(diào)控程序化細(xì)胞死亡受遺傳調(diào)控l Apoptosis may b

47、e triggered by an external signal or cells may be programmed to die unless they receive a specific survival signal.凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo)凋亡信號轉(zhuǎn)導(dǎo) 凋亡基因激活凋亡基因激活 凋亡的執(zhí)行凋亡的執(zhí)行 凋亡細(xì)胞清除凋亡細(xì)胞清除 程序化細(xì)胞死亡受遺傳調(diào)控程序化細(xì)胞死亡受遺傳調(diào)控Apoptosis pathways in mammalsl Apoptotic signals are transduced through BID and BIM to cause the release of pro

48、-apoptotic factors from mitochondria eg. Cytochrome c, triggers the caspase-activation pathwayl In the absence of apoptotic signals, cell death is inhibited by Bcl-2.基因表達(dá)的可塑性基因表達(dá)的可塑性l Stem cells both self-renew and give rise to a wide variety of cell types, which is of great importance, as it offers

49、 the possibility of using stem cells to replace cells that have been damaged or lost in human disease. l How genes can be controlled in stem cells to give the desired cell type? How multipotent stem cells are?l How plastic is the pattern of gene activity? 培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞能增殖分化成多種細(xì)胞類型培養(yǎng)的胚胎干細(xì)胞能增殖分化成多種細(xì)胞類型l Totipotent stem cells in mammals: ES cells derived from the inner cell massl ES cells: express transcription factor Oct4; exposed to the cytokine leukemi