細胞分化的分子機制課件

1、細胞分化的分子機制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，成為多種不同的細胞類型，以形成個體不同的組織、器官和系統(tǒng)。 細胞分化細胞分化的主要特點：基因表達上的變化，導(dǎo)致組織特異性蛋白的產(chǎn)生；不同細胞在蛋白質(zhì)組成上的差異導(dǎo)致細胞結(jié)構(gòu)的不同；改變其組成就可改變其形狀；在細胞分化的早期，不同細胞間的差異難以檢測；分化是漸進過程，進入終端分化的細胞往往不再分裂，而終端分化后能夠繼續(xù)分裂的細胞可以維持和傳遞終端分化狀態(tài)；細胞分化由許多細胞外信號(如細胞表面蛋白、分泌蛋白)控制。受精卵發(fā)育按嚴(yán)格的模式和時間次序發(fā)展，發(fā)育初級的細胞具備發(fā)育

2、為完整個體的潛力。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。 干細胞干細胞有兩方面區(qū)別于其它細胞的特征： 1，可分裂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。 成體干細胞：特定組織中的非特異性細胞，能無限制地分裂。所產(chǎn)生的子細胞有兩種結(jié)果，一是保持親代特性，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。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

3、細胞類型。同樣，干細胞也對鄰近細胞的生長信號（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，參與細胞分化，運動，或與其它細胞作用以形成組織。其二、細胞分化的機理-結(jié)果是啟動特定基因的表達。管家基因(house keeping gene)，這類基因的表達產(chǎn)物是細胞維持基本結(jié)構(gòu)和代謝活動所必需的，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。 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

4、等的基因?qū)俅祟悺?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。 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 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 J.Gurdon 1964爪蟾蝌蚪的腸上皮細胞 核移植去核卵細胞未受精卵UV腸上皮細胞核1-2%發(fā)育至蝌蚪或蛙無結(jié)果畸胎懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單細胞培養(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

5、被安樂死，它的標(biāo)本于2003年4月9日陳列于蘇格蘭首都愛丁堡國家博物館。 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？當(dāng)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)。 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。 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(yán)格的時間順序發(fā)生，同時，同一基因產(chǎn)物

6、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。 在胚胎發(fā)育過程中，細胞基因組嚴(yán)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，這種分化就是不同特異性基因相繼表達的結(jié)果。 二、特異蛋白的選擇性基因表達主要在轉(zhuǎn)錄水平 進行DNARNA多肽轉(zhuǎn)錄翻譯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

7、細胞中有區(qū)別，在不同的發(fā)育階段也有明顯變化。二、 組合調(diào)控對特異性蛋白基因表達的調(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)地決定對某一基因表達的調(diào)節(jié)方式。 組合調(diào)控可使細胞分化成特定的細胞類型： 若將MyoD基因引入，取自雞胚皮膚的體外培養(yǎng)的成纖維細胞出現(xiàn)成肌細胞的特征，并融合成多核肌肉樣細胞，表達肌動蛋白、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，接受來自神經(jīng)的刺激。但若將MyoD基因引入非成纖維細胞， 細胞不轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪鈽蛹毎f明成纖維細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、啟動肌肉細胞的分化。 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)育成腿的果蠅細胞，在腿部表達Ey蛋白的細胞發(fā)育成果蠅眼。提示Ey蛋白與一些基因調(diào)控區(qū)的結(jié)合位點結(jié)合后，通過組合調(diào)控直接調(diào)節(jié)這些基因的表達。 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)地決定對某一基因表達。細胞分化中少數(shù)情況下涉及DNA的改變：1）基因刪除：原生動物、昆蟲、甲殼

9、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。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)育過程中，當(dāng)某些基因表達完成后，DNA的甲基化可能參與了基因的關(guān)閉過程。小鼠成纖維細胞 （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行表達，甚至可觀察到一部分細胞中與肌肉細胞發(fā)育有關(guān)的基因被激活而表達，細胞彼此發(fā)生融合而發(fā)育成肌肉細

10、胞。5-氮胞苷進入細胞內(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 影響細胞分化的因素 一 細胞內(nèi)因素受精卵或動物早期胚胎細胞在分化過程中，因不同基因表達，產(chǎn)物不斷加入細胞質(zhì)，改變細胞質(zhì)成分，使基因表達環(huán)境發(fā)生改變，細胞質(zhì)反作用于細胞核，又使核內(nèi)基因表達狀態(tài)不斷受到調(diào)節(jié)，細胞不斷分化，發(fā)育，成熟，直至產(chǎn)生各種不同類型的細胞。 二 細胞外因素影響細胞分化的細胞外因素，包括環(huán)境因素，胞外物質(zhì)（細胞的基質(zhì)，細胞因子，激素等），以及細胞之間的相互作用。 （一）、環(huán)境因素 環(huán)境多種因素對機體的發(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，胎鼠腦重可減輕10。 （二）、細胞間的相互作用 1誘導(dǎo)（induction）：一部分細胞對鄰近細胞產(chǎn)生影響，并決定鄰近細胞分化方向及形態(tài)發(fā)生的過程。 2抑制 （inhibition）指在胚胎發(fā)育中，已分化的細胞抑制鄰近細胞進行相同分化而產(chǎn)生的負反饋調(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，說明已分化的細胞可產(chǎn)生某種物質(zhì)，抑制鄰近細胞向相同方向分化。 3細胞識別與黏合 從受精、胚泡植入、形態(tài)發(fā)生、器官形成都與細胞識別與黏合息息相關(guān)。如將蠑螈的原腸胚三個胚層的游離細胞體外混合培養(yǎng)，各胚層細胞又將自我挑選，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。細胞識別作用主要由位于細胞表面或嵌于質(zhì)膜之中或結(jié)合于質(zhì)膜上的糖蛋白擔(dān)任。細胞間識別并黏合后，質(zhì)膜各部分就緊密結(jié)合成細胞間傳遞離子、電荷及分子的通道。（三）、激素