細(xì)胞分化的分子機(jī)制課件

1、細(xì)胞分化的分子機(jī)制指多細(xì)胞生物成長(zhǎng)發(fā)育中，在一些內(nèi)在機(jī)制作用下，細(xì)胞在形態(tài)、結(jié)構(gòu)、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(xì)胞類(lèi)型，以形成個(gè)體不同的組織、器官和系統(tǒng)。 細(xì)胞分化細(xì)胞分化的主要特點(diǎn)：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；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(guò)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。受精卵發(fā)育按嚴(yán)格的模式和時(shí)間次序發(fā)展，發(fā)育初級(jí)的細(xì)胞具備發(fā)育

2、為完整個(gè)體的潛力。這種潛力，來(lái)自一組稱(chēng)為干細(xì)胞的分化能力。在個(gè)體發(fā)育整個(gè)過(guò)程中，由于干細(xì)胞的存在使細(xì)胞分化不斷進(jìn)行。 干細(xì)胞干細(xì)胞有兩方面區(qū)別于其它細(xì)胞的特征： 1，可分裂為與自身完全相同的細(xì)胞， 2，可生產(chǎn)出特異性分化的細(xì)胞。 根據(jù)個(gè)體發(fā)育過(guò)程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細(xì)胞可分為兩類(lèi)：胚胎干細(xì)胞及成體干細(xì)胞。 成體干細(xì)胞：特定組織中的非特異性細(xì)胞，能無(wú)限制地分裂。所產(chǎn)生的子細(xì)胞有兩種結(jié)果，一是保持親代特性，仍作為干細(xì)胞；二是不可逆地向終末方向發(fā)展，成為一至幾種類(lèi)型的特定細(xì)胞。干細(xì)胞命運(yùn)各不相同，但分化機(jī)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(xì)胞逐步發(fā)展為具有專(zhuān)門(mén)功能的特定

3、細(xì)胞類(lèi)型。同樣，干細(xì)胞也對(duì)鄰近細(xì)胞的生長(zhǎng)信號(hào)（旁泌素）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(xì)胞分化，運(yùn)動(dòng)，或與其它細(xì)胞作用以形成組織。其二、細(xì)胞分化的機(jī)理-結(jié)果是啟動(dòng)特定基因的表達(dá)。管家基因(house keeping gene)，這類(lèi)基因的表達(dá)產(chǎn)物是細(xì)胞維持基本結(jié)構(gòu)和代謝活動(dòng)所必需的，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。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。 奢侈基因(luxury gene)，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(lèi)基因?qū)?xì)胞自身生存無(wú)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(dòng)蛋白

4、等的基因?qū)俅祟?lèi)。 分化細(xì)胞的基因表達(dá)特征一 基因組成熟分化的細(xì)胞保留著全部核基因組。 相關(guān)實(shí)驗(yàn)： 1964年Gurdon等進(jìn)行的非洲爪蟾實(shí)驗(yàn) 1970年Steward等用懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單個(gè) 細(xì)胞培養(yǎng)成可育的胡蘿卜植株。 1997年英國(guó)學(xué)者克隆出 “多莉”羊 J.Gurdon 1964爪蟾蝌蚪的腸上皮細(xì)胞 核移植去核卵細(xì)胞未受精卵UV腸上皮細(xì)胞核1-2%發(fā)育至蝌蚪或蛙無(wú)結(jié)果畸胎懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單細(xì)胞培養(yǎng)成了可育植株（Steward,1970年）Dolly的標(biāo)本和伊恩博士Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺結(jié)核而

5、被安樂(lè)死，它的標(biāo)本于2003年4月9日陳列于蘇格蘭首都愛(ài)丁堡國(guó)家博物館。 多莉的出生與三只母羊有關(guān)，而多莉與提供細(xì)胞核的母羊最相似 。遺傳信息來(lái)自哪里？當(dāng)精子及卵子結(jié)合，來(lái)自父代及母代的基因即發(fā)生組合，形成發(fā)育為一個(gè)完整個(gè)體所需的基因組。分化進(jìn)程中，細(xì)胞有選擇地啟動(dòng)某些基因并合成其它類(lèi)型的細(xì)胞所不具備的蛋白質(zhì)，以構(gòu)成該種特定細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物及功能的基礎(chǔ)。 如肌肉細(xì)胞發(fā)育的原腸胚形成階段，整個(gè)胚胎細(xì)胞都能合成肌球蛋白，但原腸期以后，合成肌球蛋白的細(xì)胞僅局限于心區(qū) ，而其他部位的細(xì)胞則被抑制。 基因表達(dá)的階段特異性（時(shí)）及組織特異性（空） 指特定基因的表達(dá)按照嚴(yán)格的時(shí)間順序發(fā)生，同時(shí)，同一基因產(chǎn)物

6、在不同的組織器官表達(dá)數(shù)量不同，不同的產(chǎn)物蛋白又分布于不同的細(xì)胞或組織器官。 在胚胎發(fā)育過(guò)程中，細(xì)胞基因組嚴(yán)格按時(shí)空順序相繼活化這一現(xiàn)象稱(chēng)為基因的差異表達(dá)（differential expression）或順序表達(dá)（sequential expression）。從一個(gè)受精卵開(kāi)始，在個(gè)體發(fā)育的過(guò)程中逐步分化產(chǎn)生各種細(xì)胞類(lèi)型和組織，這種分化就是不同特異性基因相繼表達(dá)的結(jié)果。 二、特異蛋白的選擇性基因表達(dá)主要在轉(zhuǎn)錄水平 進(jìn)行DNARNA多肽轉(zhuǎn)錄翻譯如果蠅和其他雙翅目昆蟲(chóng)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(lèi)型細(xì)胞一致，但在不同類(lèi)型的

7、細(xì)胞中有區(qū)別，在不同的發(fā)育階段也有明顯變化。二、 組合調(diào)控對(duì)特異性蛋白基因表達(dá)的調(diào)節(jié) 組合調(diào)控（combinatorial control）是指一組基因調(diào)節(jié)蛋白共同協(xié)調(diào)地決定對(duì)某一基因表達(dá)的調(diào)節(jié)方式。 組合調(diào)控可使細(xì)胞分化成特定的細(xì)胞類(lèi)型： 若將MyoD基因引入，取自雞胚皮膚的體外培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞出現(xiàn)成肌細(xì)胞的特征，并融合成多核肌肉樣細(xì)胞，表達(dá)肌動(dòng)蛋白、肌球蛋白并組成收縮裝置，質(zhì)膜產(chǎn)生受體蛋白及離子通道蛋白，接受來(lái)自神經(jīng)的刺激。但若將MyoD基因引入非成纖維細(xì)胞， 細(xì)胞不轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪鈽蛹?xì)胞，說(shuō)明成纖維細(xì)胞中已積累了其他必需的基因調(diào)節(jié)蛋白，在加入MyoD蛋白后，能完成特異的基因調(diào)節(jié)蛋白的組合，從而

8、啟動(dòng)肌肉細(xì)胞的分化。 組合調(diào)控在特定器官的發(fā)育中也起調(diào)節(jié)作用。眼發(fā)育中，一種關(guān)鍵性基因調(diào)節(jié)蛋白（果蠅稱(chēng)為Ey）能決定眼的發(fā)育。若將Ey基因人為引入將要發(fā)育成腿的果蠅細(xì)胞，在腿部表達(dá)Ey蛋白的細(xì)胞發(fā)育成果蠅眼。提示Ey蛋白與一些基因調(diào)控區(qū)的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，通過(guò)組合調(diào)控直接調(diào)節(jié)這些基因的表達(dá)。 ey UAS-eyg-2ey UAS-eyg-2 EP C02-022eyUAS-eyg-2 EP C02-022ey UAS-eyg-2 EP C02-02229OC因而，通過(guò)一組基因調(diào)節(jié)蛋白的組合調(diào)控，共同協(xié)調(diào)地決定對(duì)某一基因表達(dá)。細(xì)胞分化中少數(shù)情況下涉及DNA的改變：1）基因刪除：原生動(dòng)物、昆蟲(chóng)、甲殼

9、動(dòng)物。2）基因擴(kuò)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。egDNA甲基化在DNA復(fù)制后，由甲基化酶將S-腺苷甲硫氨酸的甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的5-C上完成對(duì)堿基的修飾，甲基化位置上可阻止轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合。 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越高。在發(fā)育過(guò)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(guò)程。小鼠成纖維細(xì)胞 （5-氮胞苷）培養(yǎng)，處于休止?fàn)顟B(tài)的基因被重新激活而進(jìn)行表達(dá)，甚至可觀察到一部分細(xì)胞中與肌肉細(xì)胞發(fā)育有關(guān)的基因被激活而表達(dá)，細(xì)胞彼此發(fā)生融合而發(fā)育成肌肉細(xì)

10、胞。5-氮胞苷進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槿姿?-氮胞苷，這種5-氮胞苷化的DNA由于不能被甲基化，結(jié)果使相關(guān)基因被重新激活RNA多肽轉(zhuǎn)錄翻譯DNA（去甲基化）（5-氮胞苷）甲基化 影響細(xì)胞分化的因素 一 細(xì)胞內(nèi)因素受精卵或動(dòng)物早期胚胎細(xì)胞在分化過(guò)程中，因不同基因表達(dá)，產(chǎn)物不斷加入細(xì)胞質(zhì)，改變細(xì)胞質(zhì)成分，使基因表達(dá)環(huán)境發(fā)生改變，細(xì)胞質(zhì)反作用于細(xì)胞核，又使核內(nèi)基因表達(dá)狀態(tài)不斷受到調(diào)節(jié)，細(xì)胞不斷分化，發(fā)育，成熟，直至產(chǎn)生各種不同類(lèi)型的細(xì)胞。 二 細(xì)胞外因素影響細(xì)胞分化的細(xì)胞外因素，包括環(huán)境因素，胞外物質(zhì)（細(xì)胞的基質(zhì)，細(xì)胞因子，激素等），以及細(xì)胞之間的相互作用。 （一）、環(huán)境因素 環(huán)境多種因素對(duì)機(jī)體的發(fā)育有一

11、定的影響，如溫度，光線等，這些因素可能是造成第一次不等卵裂，從而影響細(xì)胞分化的原因之一。 如豚鼠的孕期為68d，如果在妊娠1828d給母鼠增溫度341小時(shí)，胎鼠腦重可減輕10。 （二）、細(xì)胞間的相互作用 1誘導(dǎo)（induction）：一部分細(xì)胞對(duì)鄰近細(xì)胞產(chǎn)生影響，并決定鄰近細(xì)胞分化方向及形態(tài)發(fā)生的過(guò)程。 2抑制 （inhibition）指在胚胎發(fā)育中，已分化的細(xì)胞抑制鄰近細(xì)胞進(jìn)行相同分化而產(chǎn)生的負(fù)反饋調(diào)節(jié)作用。如發(fā)育中的蛙胚置于含成體蛙心組織碎片的培養(yǎng)液中，胚胎不能產(chǎn)生正常的心臟；用含成體蛙腦組織碎片的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，也不產(chǎn)生正常的腦，說(shuō)明已分化的細(xì)胞可產(chǎn)生某種物質(zhì)，抑制鄰近細(xì)胞向相同方向分化。 3細(xì)胞識(shí)別與黏合 從受精、胚泡植入、形態(tài)發(fā)生、器官形成都與細(xì)胞識(shí)別與黏合息息相關(guān)。如將蠑螈的原腸胚三個(gè)胚層的游離細(xì)胞體外混合培養(yǎng)，各胚層細(xì)胞又將自我挑選，相互黏著，依然形成外胚層在外，內(nèi)胚層在內(nèi)，中胚層介于二者之間的胚胎。細(xì)胞識(shí)別作用主要由位于細(xì)胞表面或嵌于質(zhì)膜之中或結(jié)合于質(zhì)膜上的糖蛋白擔(dān)任。細(xì)胞間識(shí)別并黏合后，質(zhì)膜各部分就緊密結(jié)合成細(xì)胞間傳遞離子、電荷及分子的通道。（三）、激素