研究生细胞分化课件

1、细胞分化细胞分化Cell differentiationHuman: 1014 cells, 200 cell types多细胞生物发育中必不可少的四个主要事件：多细胞生物发育中必不可少的四个主要事件：细胞增殖；细胞增殖；细胞特化；细胞特化；细胞间的相互作用；细胞间的相互作用；细胞运动。细胞运动。4小节小节第第1节节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念第第2节节 细胞分化与基因表达细胞分化与基因表达第第3节节 影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素第第4节节 细胞分化与细胞癌变细胞分化与细胞癌变第第1节节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念细胞分化细胞分化(cell differentiat

2、ion) *：由单个受精卵：由单个受精卵产生的产生的同源细胞同源细胞，在，在形态结构形态结构、生化组成和生化组成和功能功能等方面形成等方面形成稳定性差异稳定性差异，产生，产生不同的细不同的细胞类群胞类群的过程称为细胞分化。的过程称为细胞分化。 第第1节节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程二、细胞分化具有高度的稳定性二、细胞分化具有高度的稳定性三、细胞分化的方向由细胞决定所选择三、细胞分化的方向由细胞决定所选择 四、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分化四、已分化的细胞在特定条件下可发生去分化和转分

3、化五、细胞分化的时五、细胞分化的时-空性空性六、细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应六、细胞分化与细胞的分裂状态和速度相适应七、再生反映细胞的全能性七、再生反映细胞的全能性一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发育的全过程程多细胞生物的个体发育多细胞生物的个体发育胚胎发育：受精卵经过卵裂、囊胚、原肠胚、神经胚胎发育：受精卵经过卵裂、囊胚、原肠胚、神经胚及器官发生等阶段，衍生出与亲代相似的幼胚及器官发生等阶段，衍生出与亲代相似的幼小个体。小个体。胚后发育：幼体从卵膜孵化出或从母体分娩以后，胚后发育：幼体从卵膜孵化出或从母体分娩以后，经幼年、成年、老年直至衰老、

4、死亡的过程。经幼年、成年、老年直至衰老、死亡的过程。1.动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向 脊椎动物细胞分化示意图脊椎动物细胞分化示意图细胞分化贯穿于个体发育的全过程，其中胚胎期最细胞分化贯穿于个体发育的全过程，其中胚胎期最明显，细胞分化的明显改变开始于明显，细胞分化的明显改变开始于原肠胚形成之后原肠胚形成之后2.细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄缩窄”细胞全能性（细胞全能性（totipotency）*：单个细胞在一定条件单个细胞在一定条件下分化发育成为完整个体的能力。下分化发育成为完整个体的能力。细胞多能性

5、（细胞多能性（pluripotency）*：指细胞失去发育成指细胞失去发育成完整个体的能力，但具有分化为多种细胞类型和完整个体的能力，但具有分化为多种细胞类型和构建组织的潜能。构建组织的潜能。经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定，呈经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定，呈单单能化（能化（unipotency）。受精卵受精卵胚胎干细胞胚胎干细胞组织特异干细胞组织特异干细胞终末分终末分化细胞前体细胞化细胞前体细胞终末分化细胞终末分化细胞细胞分化的共同规律细胞分化的共同规律* ：在胚胎发育过程中，细胞逐：在胚胎发育过程中，细胞逐渐由渐由“全能全能”到到“多能多能”，最后向，最后向“单能单能”

6、的趋的趋向。向。造血干细胞（造血干细胞（HSC）的分化是典型的等级式分化过程）的分化是典型的等级式分化过程多能多能单能单能3.终末分化细胞的细胞核具有全能性终末分化细胞的细胞核具有全能性*全能性细胞核（全能性细胞核（totipotent nucleus）：）：终末终末分化细胞的细胞核仍然具有全能性。分化细胞的细胞核仍然具有全能性。 爪蟾核移植实验爪蟾核移植实验 哺乳动物核移植实验哺乳动物核移植实验“多莉多莉”（Dolly）羊的诞生羊的诞生 爪蟾核移植实验爪蟾核移植实验 哺乳动物核移植实验哺乳动物核移植实验“多莉多莉”（Dolly）羊的诞生）羊的诞生实验表明：已特化的体细胞仍然保留在一定条实验表

7、明：已特化的体细胞仍然保留在一定条件下可以表达的形成正常个体的全套基因。件下可以表达的形成正常个体的全套基因。英国发育生物学家英国发育生物学家John B. Gurdon 、日本京都大学、日本京都大学iPS（诱导多功能干细胞）细胞研究中心主任（诱导多功能干细胞）细胞研究中心主任Shinya Yamanaka因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献因在细胞核重新编程研究领域的杰出贡献而获奖而获奖。二、细胞分化具有高度的稳定性二、细胞分化具有高度的稳定性细胞分化的稳定性（细胞分化的稳定性（stability）：是指在）：是指在正常生理正常生理条件下条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞，已经分化

8、为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。分化细胞。已分化的终末细胞在形态结构和功能上已分化的终末细胞在形态结构和功能上保持稳定是个体生命活动的基础保持稳定是个体生命活动的基础。 三、细胞分化方向由细胞决定来选择三、细胞分化方向由细胞决定来选择1.细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向细胞决定细胞决定(cell determination)*：在个体发育过程在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运，只

9、能向特定方向分化确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化的状态。的状态。细胞决定实验示意图细胞决定实验示意图原肠胚早期原肠胚早期原肠胚晚期原肠胚晚期表明在两栖类的早期原肠胚和晚期原肠胚之间的某个时期便开始表明在两栖类的早期原肠胚和晚期原肠胚之间的某个时期便开始了细胞决定，一旦决定之后，即使外界的因素不复存在，细胞仍了细胞决定，一旦决定之后，即使外界的因素不复存在，细胞仍然按照已经决定的命运进行分化然按照已经决定的命运进行分化细胞决定可能机制：细胞决定可能机制：o 卵细胞的极性与早期胚胎细胞的不对称分裂。卵细胞的极性与早期胚胎细胞的不对称分裂。o 发育早期胚胎细胞的位置及胚胎细胞间的相互发育早期

10、胚胎细胞的位置及胚胎细胞间的相互作用。作用。2. 细胞决定具有遗传稳定性细胞决定具有遗传稳定性果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验去分化（去分化（dedifferentiation）*：一般情况下，细胞分一般情况下，细胞分化过程是不可逆的。然而在化过程是不可逆的。然而在某些条件下某些条件下，分化了的，分化了的细胞也不稳定，其基因活动模式也可发生可逆性的细胞也不稳定，其基因活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未分化状态，这一变化过程称为去变化，而又回到未分化状态，这一变化过程称为去分化。分化。四、已分化的细胞在特定条件下可发生转分化四、已分化的细胞在特定条件下可发生

11、转分化和去分化和去分化细胞分化的稳定性是普遍存在的，而细胞分化的稳定性是普遍存在的，而细胞的转分细胞的转分化或去分化是有条件的化或去分化是有条件的。转分化（转分化（transdifferentiation）*：在高度分化的动物：在高度分化的动物细胞中还可见到另一种现象，即从一种分化状态转变细胞中还可见到另一种现象，即从一种分化状态转变为另一种分化状态，这种情况称为转分化。为另一种分化状态，这种情况称为转分化。五、细胞分化的时五、细胞分化的时-空性空性 在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上的分化，也有空间上的分化。的分化，也有空间上的分化。 一个细

12、胞在一个细胞在不同的发育阶段不同的发育阶段可以有不同的形态可以有不同的形态结构和功能，即时间上的分化；结构和功能，即时间上的分化； 同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形，可以有不同的形态和功能，即空间上的分化。态和功能，即空间上的分化。六、细胞分裂与细胞分化六、细胞分裂与细胞分化细胞分裂和细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两细胞分裂和细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，两者之间有密切的联系。个重要事件，两者之间有密切的联系。 通常细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化通常

13、细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化 细胞分化发生于细胞分裂的细胞分化发生于细胞分裂的G1期，当期，当G1期很短或几期很短或几乎没有乎没有G1期时，细胞分化减慢。期时，细胞分化减慢。 细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度减细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度减慢慢个体生长发育的一般规律。个体生长发育的一般规律。七、再生七、再生再生（再生（regeneration）：生物体缺失部分重新）：生物体缺失部分重新建成的过程。建成的过程。再生反映了细胞的全能性。再生反映了细胞的全能性。再生能力植物高于动物，低等动物高于高等动再生能力植物高于动物，低等动物高于高等动物，再生能力随年龄增大而下

14、降。物，再生能力随年龄增大而下降。小结小结细胞分化细胞分化：同源细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面形成：同源细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面形成稳定性差异，产生不同的细胞类群。稳定性差异，产生不同的细胞类群。细胞分化的明显改变开始于原肠胚形成之后的胚胎期。细胞分化的明显改变开始于原肠胚形成之后的胚胎期。胚胎发育过程中细胞分化特点：全能胚胎发育过程中细胞分化特点：全能多能多能单能。单能。细胞分化的稳定性；细胞核具有分化全能性。细胞分化的稳定性；细胞核具有分化全能性。细胞决定：在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发细胞决定：在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命运。决

15、定先于分化；具有遗传稳定性。育命运。决定先于分化；具有遗传稳定性。细胞去分化和转分化细胞去分化和转分化细胞分化有时空性细胞分化有时空性细胞分化与细胞分裂密切联系细胞分化与细胞分裂密切联系再生反映细胞的全能性再生反映细胞的全能性第第2节节 细胞分化与基因表达细胞分化与基因表达一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性一、细胞分化的本质是基因组中不同基因的选择性表达表达二、细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平二、细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平三、小三、小RNA通过调控蛋白质基因的表达谱来决定通过调控蛋白质基因的表达谱来决定细胞分化细胞分化四、长链非编码四、长链非编码RNA与细胞的分

16、化发育与细胞的分化发育需要理解的与基因表达相关问题需要理解的与基因表达相关问题 The different Cell Types of a multicellular Organism Contain the Same DNA. Different Cell Types Produce different Sets of Proteins. A Cell Can Change the Expression of Its Genes in Response to External Signals. Gene Expression Can Be Regulated at many of the S

17、teps in the Pathway from DNA to RNA to Protein. Transcription Is Controlled by Proteins Binding to Regulatory DNA SequencesA neuron and a lymphocyte share the same genome. Both of these mammaliancells contain the same genome, but theyexpress different rNas and proteins.一、细胞分化的本质是基因组中不同基因一、细胞分化的本质是基因

18、组中不同基因的选择性表达的选择性表达细胞分化是由于细胞分化是由于基因选择性的表达基因选择性的表达各自特有的专一各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。 分子杂交技术检测基因及其表达分子杂交技术检测基因及其表达 基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律 细胞分化过程中细胞分化过程中一般并不伴有基因组的改变一般并不伴有基因组的改变。 多细胞生物个体发育与细胞分化过程中，其基因组多细胞生物个体发育与细胞分化过程中，其基因组DNA并不全部表达，而呈现选择性表达，它们按照并不全部表达，而呈现选择性表达，它们按照一定

19、的时一定的时-空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同发空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同发育阶段发生差异表达（育阶段发生差异表达（differential expression）。）。细胞分化的本质：细胞分化的本质：基因的选择性表达，一些基因处于基因的选择性表达，一些基因处于活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化。活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化。管家基因（管家基因（housekeeping gene）*：所有细胞中均所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命维持细胞基本生命活动所必需活动所必需的。的。编码的蛋白有：核糖体蛋白，线粒体蛋白，糖酵解酶编

20、码的蛋白有：核糖体蛋白，线粒体蛋白，糖酵解酶蛋白及与细胞分裂有关的蛋白等。蛋白及与细胞分裂有关的蛋白等。组织特异性基因组织特异性基因/奢侈基因（奢侈基因（luxury gene）*：不同的不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种赋予各种类型细胞特异的形态结构特征和生理功能类型细胞特异的形态结构特征和生理功能。编码的蛋白有：肌动蛋白，肌球蛋白，结缔组织胶原蛋编码的蛋白有：肌动蛋白，肌球蛋白，结缔组织胶原蛋白，和胰岛素等在不同组织表达的蛋白。白，和胰岛素等在不同组织表达的蛋白。基因选择性表达基因选择性表达/差异表达（差异表达（differential

21、express）*：在胚胎发育和细胞分化过程中，在胚胎发育和细胞分化过程中，奢侈基因按一定的时空顺序相继活化表达的奢侈基因按一定的时空顺序相继活化表达的现象。现象。Molecules localized at the ends of the Drosophila egg control its anteriorposterior polarity.Summary of sequential, spatially localized expression of selected genes in early development of the Drosophila embryo.早期果蝇胚胎早

22、期果蝇胚胎依序表达各依序表达各种基因种基因细胞分化的实质细胞分化的实质*是组织特异性基因在时间与空间上是组织特异性基因在时间与空间上的差次表达。从的差次表达。从DNA蛋白质受多个水平调控蛋白质受多个水平调控。二、细胞分化的基因表达调控主要发生在二、细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平转录水平Eucaryotic gene expression can be controlled at several different steps转录调节因子与基因表达调控区结合模式转录调节因子与基因表达调控区结合模式In eucaryotes, gene activation occurs at a di

23、stance.通用转录因子：通用转录因子：为大量基因转录所需要并在许多细胞为大量基因转录所需要并在许多细胞类型中都存在的因子。类型中都存在的因子。组织细胞特异性转录因子：组织细胞特异性转录因子：为特定基因或一系列组织为特定基因或一系列组织特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞类型特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞类型中存在的因子。中存在的因子。通常情况下，细胞特异性的基因表达是由于仅存于那通常情况下，细胞特异性的基因表达是由于仅存于那种类型细胞中的组织细胞特异性转录因子与基因的调种类型细胞中的组织细胞特异性转录因子与基因的调控区相互作用的结果。控区相互作用的结果。1. 组织细胞特异

24、性转录因子和活性染色质结组织细胞特异性转录因子和活性染色质结构区决定了细胞特异性蛋白的表达构区决定了细胞特异性蛋白的表达人珠蛋白基因结构人珠蛋白基因结构脊椎动物的血红蛋白由脊椎动物的血红蛋白由2 2条条-珠蛋白链和珠蛋白链和2 2条条-珠蛋珠蛋白链组成，其在个体发育不同时期表达不一样。活性白链组成，其在个体发育不同时期表达不一样。活性染色质结构区决定了细胞特异性蛋白的表达染色质结构区决定了细胞特异性蛋白的表达血红蛋白选择性表达机制：血红蛋白选择性表达机制：在个体发育过程中依次有不同的在个体发育过程中依次有不同的-珠蛋白基因的打开和关珠蛋白基因的打开和关闭，这与闭，这与-珠蛋白基因簇上游的基因座

25、控制区（珠蛋白基因簇上游的基因座控制区（locus control region, LCR）有关。）有关。LCR距离距离基因的基因的5末端约末端约10,000碱基对以上碱基对以上 ，可使任何，可使任何与它相连的与它相连的-家族基因高水平表达。家族基因高水平表达。 LCR控制的控制的-珠蛋白基因活化的可能机制珠蛋白基因活化的可能机制2. 一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特定谱系细胞的分化定谱系细胞的分化 细胞分化中基因活化的一种方式是，作为转录因子的细胞分化中基因活化的一种方式是，作为转录因子的基因产物本身起正反馈调节蛋白作用。由此维持一系基因产物本身起正反

26、馈调节蛋白作用。由此维持一系列细胞分化基因的活动只需要激活基因表达的起始事列细胞分化基因的活动只需要激活基因表达的起始事件，即特异地参与某一特定发育途径的起始基因。件，即特异地参与某一特定发育途径的起始基因。 该基因一旦打开，它就维持在活化状态，表现为能充该基因一旦打开，它就维持在活化状态，表现为能充分的诱导细胞沿着某一分化途径进行，从而导致特定分的诱导细胞沿着某一分化途径进行，从而导致特定谱系细胞的发育。具有这种正反馈作用的起始基因通谱系细胞的发育。具有这种正反馈作用的起始基因通常称为常称为细胞分化主导基因（细胞分化主导基因（master control gene）。例如，在哺乳动物的成肌细

27、胞向肌细胞分化过程中，例如，在哺乳动物的成肌细胞向肌细胞分化过程中，myoD基因起重要作用。基因起重要作用。脊椎动物骨骼肌细胞分化机制脊椎动物骨骼肌细胞分化机制 MyoDMyoD诱导成纤维细胞表现骨骼肌细胞特征诱导成纤维细胞表现骨骼肌细胞特征例如：眼形成的关键调控蛋白例如：眼形成的关键调控蛋白Ey（果蝇）（果蝇）ey 基因基因 早期细胞（发育成腿）早期细胞（发育成腿） 腿中眼细胞分化腿中眼细胞分化 眼形成眼形成3. 染色质成分的共价修饰制约基因的转录染色质成分的共价修饰制约基因的转录染色质成分的共价修饰包括：染色质成分的共价修饰包括： DNA的甲基化；的甲基化； 组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化

28、、泛素化、糖组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖基化和羰基化。基化和羰基化。DNA和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转录活性的变化。染色质成分的共价修饰在基因转录录活性的变化。染色质成分的共价修饰在基因转录调控上的作用是可遗传的。调控上的作用是可遗传的。（1）DNA甲基化在转录水平上调控细甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达胞分化的基因表达 概念：在甲基转移酶催化下，概念：在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶分子中的胞嘧啶可转变成可转变成5-甲基胞嘧啶，这称为甲基胞嘧啶，这称为DNA甲基化甲基化（methylation） 。分布：常见于

29、分布：常见于富含富含CG二核苷酸的二核苷酸的CpG岛岛，主要集中，主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中。于异染色质区，其余则散在于基因组中。含量：哺乳动物基因组中约含量：哺乳动物基因组中约70%80%的的CpG位点位点是甲基化的。是甲基化的。作用：作用：DNA的甲基化位点阻碍转录因子结合，甲基的甲基化位点阻碍转录因子结合，甲基化程度越高，化程度越高，DNA转录活性越低。转录活性越低。DNA 甲基化导致基因失活甲基化导致基因失活/沉默的可能机制沉默的可能机制 甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结合位点的合位点的 结合；结合； 特异的转录抑制因子直

30、接与甲基化特异的转录抑制因子直接与甲基化DNA结合；结合； 染色质结构的改变。染色质结构的改变。人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化化Formation of 5-methylcytosineoccurs by methylation of a cytosine base in the DNA double helix.DNA methylation patterns can be faithfully inherited（2）组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响）组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与转录因子与DNA的结合的结合 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类

31、型被组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型被称为组蛋白密码（称为组蛋白密码（histone code），它决定了染色质），它决定了染色质转录活跃或沉默的状态。转录活跃或沉默的状态。 组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶作用下，于组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶作用下，于组蛋白组蛋白N-端尾部的赖氨酸加上乙酰基端尾部的赖氨酸加上乙酰基。 乙酰化的作用：在大多数情况下，乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化有组蛋白乙酰化有利于基因转录利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非转录活性的常染色质区域或异染色质区域。活性的常染色质区域或异染色质区域。 组蛋白的化学

32、修饰将引起局部染色质结构的改变，组蛋白的化学修饰将引起局部染色质结构的改变，并进而决定了转录因子是否能够与基因表达调控区结并进而决定了转录因子是否能够与基因表达调控区结合；基因活化蛋白一方面通过组蛋白修饰导致染色质合；基因活化蛋白一方面通过组蛋白修饰导致染色质结构改变，另一方面还可募集依赖于结构改变，另一方面还可募集依赖于ATP的染色质重的染色质重塑复合体，使启动子部位的核小体舒展开。塑复合体，使启动子部位的核小体舒展开。Eucaryotic gene activator proteins can direct local alterations in chromatin structureT

33、ranscription regulators work together as a “committee” to control the expression of a eucaryotic gene.Combinations of a few transcription regulators can generate many different cell types during development.组合调控组合调控A single transcription regulator can coordinate the expression of many different gene

34、s4. 同源盒基因规划机体前后体轴结构的分化同源盒基因规划机体前后体轴结构的分化同源异形框基因（同源异形框基因（homeobox gene）*：广泛存在于从酵：广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中母到人类的各种真核生物中的基因，其特点是基因中存在共同的存在共同的180bp的的DNA片段，编码高度同源的片段，编码高度同源的60个个氨基酸。这个共同的氨基酸。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形片段被称为同源异形框（框（homeobox），含有同源异形框的基因谓之），含有同源异形框的基因谓之，如，如果蝇的果蝇的HOM 基因，动物和人类的基因，动物和人类的Hox基因。

35、基因。同源异形域蛋白（同源异形域蛋白（homeodomain protein）：由同源异形）：由同源异形框基因编码的蛋白称为框基因编码的蛋白称为。高度保守的高度保守的60个氨基酸片段，为一种螺旋个氨基酸片段，为一种螺旋-环环-螺旋螺旋（HLH）结构，其中的）结构，其中的9个氨基酸（第个氨基酸（第4250位）与位）与DNA的大沟相结合，能识别其所控制的基因启动子的大沟相结合，能识别其所控制的基因启动子中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑。中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑。不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较HOM或或Hox基因在染色体上的排

36、列顺序与其在体内的不基因在染色体上的排列顺序与其在体内的不同时空表达模式相对应：同时空表达模式相对应：激活的时间顺序激活的时间顺序：越靠近前部的基因表达越早，而靠近：越靠近前部的基因表达越早，而靠近后部的基因表达较迟。后部的基因表达较迟。表达的空间顺序表达的空间顺序：头区的最前叶只表达该基因簇的第一：头区的最前叶只表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因。个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因。作用作用*：是一种重要的转录调节因子，将胚胎细胞沿前后是一种重要的转录调节因子，将胚胎细胞沿前后轴分为不同的区域，并决定主要区域器官的形态建成。轴分为不同的区域，并决定主

37、要区域器官的形态建成。果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式三、小三、小RNA在细胞分化中的作用在细胞分化中的作用小小RNA 是长度约在是长度约在2030个核苷酸的非编码个核苷酸的非编码RNA。微小微小RNA(microRNA, miRNA):前体为前体为7090nt，由具，由具有核糖核酸酶性质的有核糖核酸酶性质的Drosha和和Dicer酶加工而成的酶加工而成的22nt的的miRNA。小干扰小干扰RNA(small interfering RNA, siRNA）：来源于：来源于外源性的长双链外源性的长双链RNA，Dicer酶解成酶解成21-28nt大小的大小

38、的RNA产物。产物。小小RNA是在研究秀丽隐杆线虫（是在研究秀丽隐杆线虫（C. elegan）细）细胞命运的时间控制过程中被发现的；广泛地胞命运的时间控制过程中被发现的；广泛地存在于哺乳动物，具有高度的保守性，通过存在于哺乳动物，具有高度的保守性，通过与靶基因与靶基因mRNA互补结合而抑制蛋白质合成互补结合而抑制蛋白质合成或促使靶基因或促使靶基因mRNA降解。研究表明，它们降解。研究表明，它们参与了细胞分化与发育的基因表达调控。参与了细胞分化与发育的基因表达调控。An miRNA targets a complementary mRNA transcript for destruction.s

39、iRNAs destroy foreign RNAs.四、长链非编码四、长链非编码RNA与细胞的分化发育与细胞的分化发育长链非编码长链非编码RNA（longnon-coding RNA）：位于细）：位于细胞核或细胞质内的一类长度超过胞核或细胞质内的一类长度超过200nt的功能性的功能性RNA分子，缺乏编码蛋白的能力，以分子，缺乏编码蛋白的能力，以RNA形式在形式在多种层面上调控基因的表达水平。多种层面上调控基因的表达水平。主要为：主要为：表观遗传调控表观遗传调控转录调控转录调控转录后调控转录后调控小结小结1. 细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差次表达。细胞分化的实质是组织特异性基

40、因在时间与空间上的差次表达。(管家基因，奢侈基因，基因差次表达管家基因，奢侈基因，基因差次表达)2. 细胞分化即基因选择性表达的调控，主要为转录水平的调控：细胞分化即基因选择性表达的调控，主要为转录水平的调控： 组织特异性转录因子和活性染色质结构组织特异性转录因子和活性染色质结构 DNA甲基化修饰和乙酰化修饰甲基化修饰和乙酰化修饰 细胞分化主导基因启动特定细胞系的发育细胞分化主导基因启动特定细胞系的发育 同源异型框基因规划机体前后体轴结构的分化同源异型框基因规划机体前后体轴结构的分化 小小RNA和和LncRNA多层调控多层调控第第3节节 影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素一、胞质中的细胞分化

41、决定因子与传递方式影响细一、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式影响细胞分化的命运胞分化的命运二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向二、胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向三、激素是不相邻的远距离的细胞间相互作用的分三、激素是不相邻的远距离的细胞间相互作用的分化调节因子化调节因子四、细胞分化的方向可因环境因素的影响而改变四、细胞分化的方向可因环境因素的影响而改变一、细胞核和细胞质的相互作用一、细胞核和细胞质的相互作用胞质中的细胞分化决定因子与传递方式影响细胞质中的细胞分化决定因子与传递方式影响细胞分化的命运胞分化的命运o 母体效应基因产物的极性分布母体效应基因产物的极性分布 如果蝇如果蝇bic

42、oid基因和基因和Bicoid蛋白的极性分布蛋白的极性分布2. 胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配 受精前后受精前后bicoid基因基因mRNA及翻译蛋白的浓度梯度分及翻译蛋白的浓度梯度分布布General features of asymmetric cell division. 早期胚胎细胞部队称分早期胚胎细胞部队称分裂影响细胞分化示意图裂影响细胞分化示意图细胞质中细胞质中numbnumb蛋白的不蛋白的不对称分布能够影响果蝇对称分布能够影响果蝇神经细胞的发育神经细胞的发育二、胚胎诱导对细胞分化的作用二、胚胎诱导对细胞分化的作用胚胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向胚

43、胎细胞间相互作用协调细胞分化的方向胚胎诱导胚胎诱导(embryonic induction) *：胚胎发育过程中，：胚胎发育过程中，一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定其分化方一部分细胞对邻近细胞产生影响并决定其分化方向的现象，称为诱导或胚胎诱导。向的现象，称为诱导或胚胎诱导。特点：相互诱导作用是特点：相互诱导作用是有层次有层次的。的。具有具有区域特异性区域特异性和和遗传特异性遗传特异性。分子基础：信号分子介导的细胞间信息传递。；分子基础：信号分子介导的细胞间信息传递。；眼球发育过程中的多级诱导作用眼球发育过程中的多级诱导作用A 初级诱导初级诱导 B 次级诱导次级诱导 C 三级诱导三级诱导三、位

44、置信息对细胞分化的影响三、位置信息对细胞分化的影响在胚胎细胞采取特定的分化模式之前，细胞通常发在胚胎细胞采取特定的分化模式之前，细胞通常发生区域特化，获得独特的信息称为生区域特化，获得独特的信息称为位置信息位置信息（positional information），），细胞所处的位置细胞所处的位置不同对细胞分化的命运有明显影响，改变细胞所不同对细胞分化的命运有明显影响，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向改变。处的位置可导致细胞分化方向改变。本质：旁分泌因子在胚胎的不同发育阶段以及处于本质：旁分泌因子在胚胎的不同发育阶段以及处于不同位置的胚胎细胞中的表达差异，提供了胚胎不同位置的胚胎细胞中的表达

45、差异，提供了胚胎发育过程中的位置信息。发育过程中的位置信息。位置信息（位置信息（sonic hedgehog信号）在翅膀发育中的作用信号）在翅膀发育中的作用A. 正常翅芽的发育；正常翅芽的发育；B. sonic hedgehog的正常表达部位在翅芽后的正常表达部位在翅芽后部极化区，把该极化区细胞移植到宿主翅芽的前区，则产生了额外部极化区，把该极化区细胞移植到宿主翅芽的前区，则产生了额外的翅趾。的翅趾。四、激素对细胞分化的影响四、激素对细胞分化的影响激素是远距离细胞间相互作用的分化调节因子，是激素是远距离细胞间相互作用的分化调节因子，是个个体发育晚期体发育晚期的细胞分化调控方式。的细胞分化调控方

46、式。激素影响细胞分化与发育的典型例子是动物发育过程激素影响细胞分化与发育的典型例子是动物发育过程中的变态（中的变态（metamorphosis）效应。）效应。昆虫的变态发育受蜕皮激素的影响。昆虫的变态发育受蜕皮激素的影响。两栖类的变态与甲状腺激素（两栖类的变态与甲状腺激素（T3,T4）有关）有关小结小结细胞分化受多种因素的调节：细胞分化受多种因素的调节：母体效应基因产物的极性分布和胚胎发育早期细胞的不母体效应基因产物的极性分布和胚胎发育早期细胞的不对称性分裂决定或影响细胞的分化命运；对称性分裂决定或影响细胞的分化命运；随个体发育进程，不断增加的胚胎细胞间的相互作用对随个体发育进程，不断增加的胚

47、胎细胞间的相互作用对细胞分化的影响越来越明显，其主要表现形式是由细胞分化的影响越来越明显，其主要表现形式是由旁分泌因子和细胞间位置信息所介导的胚胎诱导；旁分泌因子和细胞间位置信息所介导的胚胎诱导；激素则是个体发育晚期细胞分化的调节因素。激素则是个体发育晚期细胞分化的调节因素。第第4节节 细胞分化与细胞癌变细胞分化与细胞癌变动物体内因分裂调节失控而无限增殖的细胞称动物体内因分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞。为肿瘤细胞。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤。上皮组织的恶性肿瘤称为癌。上皮组织的恶性肿瘤称为癌。目前人类肿瘤的目前人类肿瘤的90%以上是上皮源性的，故癌

48、以上是上皮源性的，故癌细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。1. 癌细胞是分化程序异常的细胞癌细胞是分化程序异常的细胞 分化障碍分化障碍:低分化、高增殖力低分化、高增殖力 丧失接触性抑制的丧失接触性抑制的“永生细胞永生细胞”干细胞异常分化与肿瘤的发生干细胞异常分化与肿瘤的发生2. 肿瘤细胞可能起源于一些未分化或微分化的干细胞肿瘤细胞可能起源于一些未分化或微分化的干细胞肿瘤干细胞（肿瘤干细胞（cancer stem cell, CSC）也称肿瘤起源细胞，）也称肿瘤起源细胞，是从肿瘤组织中分离或鉴定的少数细胞，具有无限自我更是从肿瘤组织中分离或鉴定的少数细胞，具有无限

49、自我更新和诱导肿瘤发生的能力，是肿瘤产生的种子细胞新和诱导肿瘤发生的能力，是肿瘤产生的种子细胞。 肿瘤干细胞的生物学特征图肿瘤干细胞的生物学特征图 肿瘤发生的克隆选择假说与肿瘤干细胞假说肿瘤发生的克隆选择假说与肿瘤干细胞假说 肿瘤干细胞微环境与肿瘤干细胞的恶性转化肿瘤干细胞微环境与肿瘤干细胞的恶性转化3. 肿瘤细胞可被诱导分化为成熟细胞肿瘤细胞可被诱导分化为成熟细胞肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导下，增殖肿瘤细胞可以在高浓度的分化信号诱导下，增殖减慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种减慢，分化加强，走向正常的终末分化。这种诱导分化信号分子称为分化诱导剂。诱导分化信号分子称为分化诱导剂。分化

50、诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化分化诱导剂对肿瘤的这种促分化作用，称为分化诱导作用。诱导作用。如：可利用维甲酸对肿瘤细胞的诱导分化作用治如：可利用维甲酸对肿瘤细胞的诱导分化作用治疗人急性早幼粒细胞白血病。疗人急性早幼粒细胞白血病。小结小结细胞分化与肿瘤的发生关系密切。细胞分化与肿瘤的发生关系密切。肿瘤细胞的典型特点是细胞增殖失控和分化障肿瘤细胞的典型特点是细胞增殖失控和分化障碍，可视为细胞的异常分化状态。碍，可视为细胞的异常分化状态。恶性肿瘤可以向正常成熟细胞诱导分化。恶性肿瘤可以向正常成熟细胞诱导分化。Cell. 1993 Dec 3;75(5):855-62.Posttranscri

51、ptional regulation of the heterochronic gene lin-14 by lin-4 mediates temporal pattern formation in C. elegans.Wightman B1, Ha I, Ruvkun G.SummaryDuring C. elegans development, the temporal pattern of many cell lineages is specified by graded activity of the heterochronic gene Lin-14. Here we demons

52、trate that a temporal gradient in Lin-14 protein is generated posttranscriptionally by multiple elements in the Lin-14 3UTR that are regulated by the heterochronic gene Lin-4. The lin-14 3UTR is both necessary and sufficient to confer Lin-4-mediated posttranscriptional temporal regulation. The funct

53、ion of the Lin-14 3UTR is conserved between C. elegans and C. briggsae. Among the conserved sequences are seven elements that are each complementary to the Lin-4 RNAs. A reporter gene bearing three of these elements shows partial temporal gradient activity. These data suggest a molecular mechanism f

54、or Lin-14p temporal gradient formation: the lin-4 RNAs base pair to sites in the lin-14 3UTR to form multiple RNA duplexes that down-regulate Lin-14 translation.o The heterochronic gene pathway generates a temporal gradient of Lin-14 protein (Lin-14p) that specifies the normal temporal sequence of c

55、ell lineages.o A key question in temporal pattern formation is how the heterochronic gene pathway generates this molecular gradient.Introductiono The instructive role of Lin-14 in temporal pattern formation was established by the observation that Lin-14 gain-of-function (gf) and loss-of-function (lf

56、) mutations have opposite phenotypes. lin-14(lf)alleles cause larvae stage 2 (L2) patterns of cell lineage in a variety of tissues to be executed precociously during the Ll stage (Ambros and Horvitz, 1987). o These mutations delete sequences from the lin-14 mRNA 3 untranslated region (3UTR), suggest

57、ing that regulatory elements in the 3UTR normally are responsible for mediating the downregulation of Lin-14p abundance at later larval stages(Wightman et al., 1991).o The heterochronic gene lin-4 is a negative regulator of lin-14 (Ambros, 1989; Arasu et al., 1991). o A null mutation in lin-4 result

58、s in Ll -specific cell lineage reiterations similar to those observed with lin-14(gf) mutations and causes Lin-14p to be present at post-L1 stages (Chalfie et al., 1981; Arasu et al., 1991; Lee et al., 1993). o Therefore, the lin-4gene product is required for normal temporal regulation of Lin-14p an

59、d is a candidate for directly interacting with negative regulatory elements in the lin-14 3UTR identified by lin14(gf) mutations. o Here we examine the molecular mechanism by which the Lin-14p temporal gradient is generated. We find that temporal regulation of Lin-14p abundance during wild-type deve

60、lopment occurs at a posttranscriptional step and is mediated by the lin-14 3UTR that bears multiple conserved elements complementary to the lin-4 RNAs. These data suggest that the Lin-14p temporal gradient is generated by lin-4 antisense base pairing to the lin-14 mRNA.Experimental Procedures1.Stagi