发育生物学细胞分化的分子机制市公开课金奖市赛课一等奖课件

1、细胞分化分子机制第1页指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用下，细胞在结构、形态、生理功效及生化特征等方面逐步产生稳定性差异，成为各种不一样细胞类型，以形成个体不一样组织、器官和系统。 细胞分化第2页细胞分化 Cell differentiation involves the gradual emergence of cell types that have a clear-cut identity in the adult, such as nerve cells, fat cells Differentiated cells serve specialized functions an

2、d have achieved a usually stable state.第3页发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐步受限制过程细胞全能性 (totipotent)：生物体中一个体细胞或一个性细胞在一定条件下，有能力重新形成完整个体，或者分化形成该个体任何种类细胞。此特征称为“细胞全能性”。第4页细胞全能性 (totipotent)：受精卵 、8细胞期前胚胎细胞是全能细胞。第5页多潜能细胞 (pluripotent)：发育潜能有一定不足，仅能分化成为特定范围内细胞。如生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、粒细胞等分化细胞 (differentiated cell)： 仅含有分化形成某一

3、个类型细胞能力。 分化过程：全能 多能 分化细胞发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐步受限制过程第6页细胞分化 细胞由未特化状态分化成不一样细胞类型最初发生在胚胎发育过程中，而在出生后直到成体整个阶段都会连续进行。特化细胞性质是基因特定表示模式结果，不一样基因表示模式决定特定蛋白合成。“特定基因表示模式是怎样形成”是细胞分化中心问题。第7页 基因表示阶段特异性及组织特异性 特定基因表示按照严格时间次序发生，同时，同一基因产物在不一样组织器官表示数量不一样，不一样产物蛋白又分布于不一样细胞或组织器官。 第8页细胞分化是基因按一定时空次序表示结果，这种在个体发育过程中不一样基因按照一定时空次序被激

4、活现象称为“基因差异表示”。成纤维细胞被加入肌源蛋白后分化为肌细胞第9页细胞分化机理第10页细胞分化 细胞分化是基因差异性表示结果： - 细胞内环境差异：细胞不对称分裂使姐妹细胞产生了差异，在细胞分裂时一些主要分子被不均等地分配到两个子细胞中，引发核基因差异表示。 第11页细胞分化 细胞分化是基因差异性表示结果： - 细胞外环境影响：邻近细胞间相互关系；细胞外信号 (cell-surface proteins, hormones, polypeptide cytokines and molecules of the extracellular matrix) 在分化过程中可诱发细胞内信号通路，

5、影响基因表示。第12页应用DNA microarrays 研究基因表示 High output screening genes expressed differently in different tissues or at different stages in development第13页奢侈基因与管家基因生物体细胞中含有决定生长分裂和分化全部基因信息，按其与细胞分化关系，可将这些基因分为两大类：奢侈基因和管家基因 奢侈基因 (luxury gene): 编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞特定性状直接相关，这类基因对细胞本身生存无直接影响。如编码红细胞血红蛋白，肌细胞肌球蛋白和肌动蛋白等

6、基因属这类。 第14页奢侈基因与管家基因管家基因 (house keeping gene)，这类基因表示产物为细胞生命活动连续需要和必不少，但与细胞分化关系不大，在细胞分化中只起帮助作用。如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等。 第15页从分子层次看，细胞分化主要是奢侈基因中某种（或一些）特定基因选择性表示结果。一些基因选择性表示合成了执行特定功效蛋白质，从而产生特定分化细胞类型。 第16页基因活性状态可逆性从单个合子核发育为不一样类型细胞，基因活性谱发生了改变，这种改变是否包括遗传物质改变？第17页悬浮培养胡萝卜单细胞培养成了可育植株（Steward,1970

7、年）第18页分化细胞细胞核含有支持胚胎发育能力细胞核移植试验证实：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控制因子。第19页分化细胞细胞核含有支持胚胎发育能力 Cloning by nuclear transfer: Nuclei from cells of the same blastula are transferred into enucleated egg. The frogs that develop are clones as they all have the same genetic constitution. The first mammal

8、to be cloned, a lamb, the Dolly第20页Dolly标本和伊恩博士Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学伊恩博士研制成功，2003.2.14.因为肺结核而被安乐死，它标本于204月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。 第21页Dolly第22页治疗性克隆第23页这些试验说明：-即使是终末分化细胞，其细胞核一样也包含全部遗传信息，即含有发育为完整个体“全能性”。第24页细胞融合能改变分化细胞基因表示活性模式 Cell fusion shows the reversibility of gene inactivation durin

9、g differentiation: the inactivation of muscle-specific genes in human liver cells is not irreversible. The pattern of gene expression in differentiated cells can be changed, controlled by factors present in the cytoplasm.第25页转分化能改变细胞分化状态 Transdifferentiation: the change of one differentiated cell ty

10、pe into another. Generally, culture condition; to a developmentally related cell type 细胞分化状态是能够改变：鸡视网膜表皮色素细胞在含透明质酸酶、血清、苯硫脲条件下培养后转变为晶状体细胞。第26页转分化能改变细胞分化状态成纤维细胞转分化为其它类型细胞第27页转分化能改变细胞分化状态转分化现象说明发育命运已经决定细胞，依然含有分化成为其它细胞潜能第28页抗体分子结构e.g., 脊椎动物免疫系统DNA不可逆改变造成细胞分化第29页抗体变异分子基础B淋巴细胞分化过程中产生免疫球蛋白基因重排使基因组发生了改变：原来胚

11、胎细胞中不相连DNA片段，经过切掉一些DNA片段，重新装配成抗体轻链和重链可变区基因。第30页在发育不一样阶段，不一样基因处于不一样活性状态。 一个转录因子能够调控其它许多基因活性，但其作用取决于多个原因：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调控因子基因活性状态维持和传递决定于调控蛋白和DNA修饰第31页基因表示活性模式维持 A central feature of cell differentiation is that some genes are maintained in an active st

12、ate, while others are repressed and inactive. genes encoding gene-regulatory proteins can affect the activity of several other genes: transcription factors can activate or repress the activity of genes by binding to their control regions. 第32页 One way of keeping a gene active is for the gene product

13、s itself to act as the positive regulatory protein: positive feedback, eg. Muscle-cell differentiation, the product of the myoD gene acts as an activator of myoD expression.维持细胞基因活性状态依赖调控因子连续存在第33页 Chromatin that is packaged to a structure that cannot be transcribed is called heterochromatin Changes

14、 in the packing state of chromatin can be inherited through many cell divisions and can keep genes inactive, eg. X-chromosome inactivation- in female mammals, one of the two X chromosomes is inactivated and becomes highly condensed heterochromatin early in embryogenesis基因活性状态与染色质结构相关第34页X-chromosome

15、 inactivation Inactive X-chromosome shows a different physical state from that in the active one, the Barr body in the interphase nucleus of a female human cell.哺乳动物失活X染色体在生殖细胞形成时才重新恢复活性状态，保持完整遗传信息。第35页基因活性状态与DNA化学修饰相关胞嘧啶C甲基化修饰 CG岛（CG island）：基因组DNA中富含GC碱基区域， 其中一些对称序列中 5-CG-3 二核苷酸胞嘧啶（C） 常被甲基化修饰；与基因失

16、活相关。 DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定状态；受精 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐步建立。第36页 Many cytosine bases occurring CG pairs in vertebrate DNA are methylated. When the DNA replicated, the new complementary strand lacks methylation but can be recognized by methylating enzyme基因活性状态与DNA化学修饰相关第37页DNA甲基化 在DNA复制后，由甲基化酶将S-腺苷甲硫氨酸甲

17、基转移到胞嘧啶5-C上完成对碱基修饰，甲基化位置上可阻止转录因子与DNA结合。 越是活跃基因其甲基化程度越低，越不活跃基因甲基化程度越高。在发育过程中，当一些基因表示完成后，DNA甲基化可能参加了基因关闭过程。第38页Inheritance of the pattern of methylation on DNA An epigenetic state of DNA methylation can be maintained across cell generations.第39页Post-translational modification of histone proteins The h

18、istone in chromatin can undergo modification such as methylation, acetylation, or phosphorylation on specific amino-acid residues, and can change the properties of chromatin, eg, histone methylation is more characteristic of transcriptionally silent heterochromation. Epigenetic changes such as DNA m

19、ethylation, histone acetylation, and histone methylation can exert their effect on chromation structure and gene expression.第40页Post-translational modification of histone proteinsHISTONE ACETYLATION & CHROMATIN REMODELING第41页DNA甲基化抑制基因转录机制DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子第42页细胞分化中差异基因调控机制第43页Gene expression第44页

20、差异基因表示调控 DNA化学修饰、转录因子作用、RNA splicing、蛋白翻译后调控RNA splicingmicroRNAPost-translational modification第45页真核细胞基因表示调整多重性第46页 主要调控水平： *转录水平调控（transcriptional control） *转录后水平调控（post-transcriptional control） RNA加工水平调控（RNA processing control） 翻译水平调控（translational control） * 蛋白质翻译后修饰（post-translational modificat

21、ion）第47页细胞分化中基因转录调控转录调控包括通用转录因子和组织特异性转录因子Tissue-specific gene express is controlled by regulatory regions Normally, growth hormone is made only in the pituitary, and elastase only in pancreas Human GH is made in the pancreas under the control of the mouse elastase promoter.第48页转录调控既需要基本转录调整因子也需要组织特异

22、性转录调整因子Gene expression is regulated by the coordinated action of gene-regulatory proteins that bind to control regions in DNA The transcription machinery, composed of RNA polymerase and the general transcription factors that bind to the promoter region, is common to many cells 第49页转录调控既需要基本转录调整因子也需要

23、组织特异性转录调整因子 A transcription factor interacting with its cis control element第50页转录调控既需要基本转录调整因子也需要组织特异性转录调整因子 Other regulatory regions, which have to be bound by gene-regulatory proteins (activators or repressors) before transcription can occur, are located adjacent to the promoter and usually furthe

24、r upstream of the gene, such as enhancer. 3000 transcription factors in the human genome. 5 different factors act together at any particular control region. 第51页基因远端增强子促进转录复合体装配第52页转录调控既需要基本转录调整因子也需要组织特异性转录调整因子 Co-activators, which link the transcription machinery to the activators and repressor pro

25、teins that bind to specific sites such as enhancer. e.g., CBP (a histone acetyltransferase), regulates the chromatin第53页阻抑因子（repressor）抑制基因转录可能机制第54页阻抑因子（repressor）抑制基因转录可能机制第55页 Trans-acting elements: encoded transcription factors that interact with cis-acting elements, either directly through DNA

26、binding or indirectly through protein-protein interactions.第56页转录调控中蛋白因子之间相互作用第57页外部信号对基因转录激活作用Intracellular signal transduction by which signals received at the cell membrane can alter gene express: growth factors such as FGF and EGF; binding of the signal molecule to the cell-surface receptor sets

27、 in train an intracellular cascade of protein phosphorylations第58页外部信号对基因转录激活作用甾类激素(Steroid hormones)以两种方式激活基因转录：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. , Thyroid hormones B：激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。 E.g. , glucocorticoid.第59页Summary 转录调控是细胞分化一个主要特征。真核基因组织特异性表示依赖于基因侧翼顺式调控序列上调控位点(包含结合RNA聚合酶转录起

28、始位点邻近开启子区域、更远处调控基因组织专一或发育阶段特异性表示调控位点)。顺式调控上调控位点与不一样调整蛋白结合组合形式决定基因是否表示。 蛋白生长因子、激素等胞外信号本身不能进入细胞，不过可经过细胞表面受体，激活细胞内信号路径从而专一影响基因表示；甾体激素能经过细胞膜和细胞内受体蛋白形成复合物，作为转录因子与特定DNA调控元件结合影响基因表示。 分化细胞中基因表示模式一旦建立， 这种模式就能维持很长时间并能传递到子代细胞中。维持这种机制包含基因调控蛋白连续表示和作用、DNA和组蛋白化学修饰造成染色质结构和特征长时期区域性改变。第60页转录调控细胞分化几个模型单向分化：肌细胞分化包括转录因子

29、次序表示第61页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，促进靶基因转录。第62页肌细胞分化与细胞周期A：分裂中成肌细胞不能分化B：分化中肌细胞不能分裂第63页珠蛋白在发育中表示调控受位于其编码区很远调控序列影响第64页何时表示何种-珠蛋白，决定于结合在特定珠蛋白基因开启子上转录因子与结合在LCR上因子之间亲和力。比如，敲除 -globin基因开启子和3 enhanc

30、er后，成年小鼠红细胞中仍含大量-globin; EKLF是 -珠蛋白开启子结合转录因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表示-和-珠蛋白。第65页细胞分化中RNA加工水平上调控RNA加工前三个胚层中RNA量无差异。EctEn/mes加工后RNA主要存在于外胚层中。核酸保护试验(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在原肠胚外胚层中表示核酸run-on (在膜上固定intron序列与放射性RNA探针杂交) 试验表明：Spec1基因在原肠胚内、中、外胚层细胞核中都表示，但成熟Spec1 mRNA只存在于外胚层中。第66页同一基因初级转录

31、物经选择性拼接可产生不一样成熟RNA - 原肌球蛋白 mRNA (-tropomyosin)第67页细胞分化中翻译水平上调控mRNA寿命调控不一样基因mRNA半衰期不一样，主要受其3UTR控制。短寿命mRNA3UTR通常含有一个或多个AU富集区，其作用是促进Poly(A)降解。第68页激素促进转录和增加mRNA寿命第69页早期发育中母体效应因子影响胚胎早期发育主要由卵母细胞中母体效应因子(maternal effect factor)所控制。卵母细胞经过储备mRNA调控早期发育，直到受精后才进行翻译。 - 用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期 - 用蛋白质翻译抑制剂嘌

32、呤霉素处理受精卵，受精卵停顿发育。第70页卵母细胞中储备性mRNA第71页卵母细胞中mRNA 翻译调控机制mRNA masking (掩蔽): 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造成RNP解体，翻译得以进行。5 Cap(7-甲基鸟苷酸)调控：如一些种类moths，其卵中部分mRNA5-鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。第72页卵母细胞中mRNA 翻译调控机制mRNA sequester: 指mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受精卵histone mRNA定位于原核

33、中，受精后原核破裂，mRNA才能进入胞质开始翻译。翻译效率调控：如将海胆卵母细胞裂解液pH从自然状态下pH6.9提升到(受精后自然状态下) pH7.4,蛋白质合成量急剧增加。受精后pH升高作用可能包含去除mRNA封闭蛋白和激活翻译起始因子。第73页Poly(A)对翻译调控： 在小鼠未成熟卵母细胞质中能够翻译mRNA含有较长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示mRNApoly(A)较短(15-90A), 但其3UTR含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快速加上一

34、个长polyA,开始翻译。 poly(A)“尾巴”取得对储备卵母细胞mRNA开始翻译很关键第74页胚胎早期发育都由储备在卵母细胞中mRNA控制。哺乳类动物胚胎在第一个细胞周期内就开始胚胎基因转录。如小鼠母体效应因子mRNA只能维持2天，以后很快降解，由胚胎基因转录mRNA 编码新蛋白质代替母体效应因子控制发育。第75页细胞分化中翻译后水平上调控Activation by cleaving some domains,e.g, proinsulin;Control of functions by subcellular localization, e.g., membrane proteins;A

35、ssembly with other proteins, e.g., hemoglobin;Activation by binding to ions, e.g., calmodulin; Activation by modifications, e.g., phosphorylation.第76页程序化细胞死亡受遗传调控 Programmed cell death (apoptosis) in normal part of development, e.g. in the morphogenesis of the vertebrate limb, the interdigital cell

36、death is essential for separating the digits etc. 因为体内外生理或病理原因触发细胞内预存死亡程序而 造成细胞主动死亡过程。【Concept of apoptosis】第77页程序化细胞死亡受遗传调控 Apoptosis may be triggered by an external signal or cells may be programmed to die unless they receive a specific survival signal.第78页+cAMP、Ca2+、神经酰胺死亡信号凋亡诱导原因受体DNase激活、Caspas

37、es激活巨噬细胞吞噬分解凋亡细胞悉尼布雷诺尔罗伯特霍维茨约翰苏尔斯顿诺贝尔生理与医学奖取得者（一）细胞凋亡过程（The process of apoptosis）凋亡信号转导 凋亡相关基因激活凋亡基因激活 凋亡执行 凋亡细胞去除 细胞凋亡过程与调控（Process & of cell apoptosis）细胞凋亡异常第79页程序化细胞死亡受遗传调控Apoptosis pathways in mammals Apoptotic signals are transduced through BID and BIM to cause the release of pro-apoptotic fact

38、ors from mitochondria eg. Cytochrome c, triggers the caspase-activation pathway In the absence of apoptotic signals, cell death is inhibited by Bcl-2.第80页第81页基因表示可塑性 Stem cells both self-renew and give rise to a wide variety of cell types, which is of great importance, as it offers the possibility of using stem cells to replace cells that have been damaged or lost in human disease. How genes can be controlled in stem cells to give the desired cell type? How multipotent stem cells are? How plastic is the pattern of gene activi