6-发育中细胞分化机制.ppt

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 Dollyandherfostermother 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 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 Steroidhormones 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 Thyroidhormones RA的作用方式与此类似 多肽激素类 peptidehormones 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 relatedfactors 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 enhancerfactors 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 mesonephrosregion 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 CD34cells 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Spec1mRNA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 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 mRNAmasking 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 mRNAsequester 指mRNA被阻隔于蛋白合成装置 如海胆未受精卵的histonemRNA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 90A 但其3 UTR具有胞质多聚腺苷酸化信号序列 CPEs UUUUAUinmiceandfrogs 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 Activationbycleavingsomedomains e g proinsulin Activationbyremovingprotectingproteins e g Dorsal Controloffunctionsbysubcellularlo