6-differentiation.pptx

Developmental Biology,第六章 发育中细胞分化机制,细胞分化,是指同群结构与功能相同的细胞发生一系列的内外变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。分化过程涉及形态结构的变化、基因活性状态变化、细胞内物质组成的变化和功能的变化。,细胞分化的,主要特点,包括：,基因表达上的变化，导致组织特异性蛋白的产生；,不同细胞在蛋白质组成上的差异导致细胞结构的不同；改变其组成就可改变其形状，如,MyoD,转化；,在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测；,分化是渐进过程，进入终端分化的细胞往往不再分裂，而终端分化后能够继续分裂的细胞可以维持和传递终端分化状态；,细胞分化由许多细胞外信号(如细胞表面蛋白、分泌蛋白)控制。,一、概念,二、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？,1.,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。,细胞核移植实验也发现，某些类型细胞的核不能代替爪蟾卵的核，,说明这些细胞分化后完全丧失了细胞分裂能力。,Dolly and her foster mother,动物克隆的程序,2.,细胞融合实验也证明了分化中遗传物质改变的可逆性,A,：,人肝细胞与大鼠肌细胞的融合实验,3.,细胞分化状态是可以改变的,e.g.,两栖类肢体再生中肌细胞可转变为骨细胞；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体状细胞。,三、,DNA,的不可逆改变导致的细胞分化,e.g.,脊椎动物免疫系统,进入细胞中的抗原,(,如病毒的肽段,),寄主细胞,MHC,(a complex consisting,of 20 proteins),抗体分子的结构,抗体变异的分子基础,在发育的不同阶段，不同的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,四、基因活性状态的维持和传递决定 于调控蛋白和,DNA,的修饰,维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在,基因活性状态与染色质的结构有关,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。,基因活性状态与,DNA,的化学修饰,有关,五、细胞分化中基因的转录调控,(,一,),、基因转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子,转录调控中蛋白因子之间的相互作用,(,二,),、外源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.,glucocorticoid.,B,：,激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。,Thyroid hormones,，,RA,的作用方式与此类似。,多肽激素类,(peptide hormones),通过受体传递信号,Stat,信号传导途径,TGF-,b,信号传导途径,Hedgehog,信号传导途径,Wnt,信号传导途径,Notch/Delta,信号传导途径,(,三,),、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,哺乳动物造血器官：,胚胎卵黄囊胎儿肝脏成年个体骨髓和胰脏。,鱼类造血器官：,胚胎,ICM,成年肾脏。,(Aorta-gonad-mesonephros region),血液干细胞的多向分化,将正常小鼠的骨髓细胞移植到照射后的小鼠中，受体的胰脏表面出现多种不同的血细胞集落。,血细胞分化,涉及一系列生长因子和转录因子。,有关的生长因子有的由血细胞或骨髓基质细胞分泌，有的由其它组织分泌,(,如,EPO,主要由肾脏分泌,),。,有关的转录因子有的是非组织特异性的,(,如,c-Myb),，有的是组织特异性的,(,如,SCL,、,GATA-2,、,GATA-1),。,CD34 cells,珠蛋白基因的表达调控,珠蛋白基因的表达与血红蛋白的组成,(2,2),b,-,珠蛋白基因的结构,何时表达何种,b,-,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,b,-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,b,-,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。,六、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,七、细胞分化中翻译,水平上的调控,1.mRNA,寿命的调控,不同基因的,mRNA,的半衰期不同，主要受其3,UTR,控制。,短寿命,mRNA,的3,UTR,通常含有一个或多个,AU,富集区,，其作用是促进,Poly(A),降解。,mRNA,降解性能的差异可以影响细胞的功能,C-fos mRNA,5UTR coding sequence 3UTR,成纤维细胞,肿瘤细胞,AU,富集区,2.,激素促进转录和增加,mRNA,寿命,如,Prolactin,仅提高牛的,casein,基因转录水平2倍，但提高其,mRNA,寿命25倍。,3.,卵母细胞中,mRNA,的翻译调控,卵母细胞中,mRNA,的 翻译调控机制,mRNA masking:,mRNA,与其它蛋白结合成,ribonucleoprotein(RNP)complex,阻止与,ribosome,结合；卵成熟或受精后，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。,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(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(15-90,A),但其3,UTR,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。,八、细胞分化中翻译后,水平上的调控,Activation by cleaving some domains,e.g,proinsulin;,Activation by removing protecting proteins,e.g.,Dorsal;,Control of functions by subcellular localization,e.g.,membrane proteins;,Assembly with other proteins,e.g.,hemoglobin;,Activation by binding to ions,e.g.,calmodulin;,Activation by modifications,e.g.,phosphorylation.,