发育生物学细胞分化的分子机制

发育生物学细胞分化的分子机制第1页，共84页，2023年，2月20日，星期四

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、生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异，成为多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统。细胞分化第2页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化Celldifferentiationinvolvesthegradualemergenceofcelltypesthathaveaclear-cutidentityintheadult,suchasnervecells,fatcellsDifferentiatedcellsservespecializedfunctionsandhaveachievedausuallystablestate.第3页，共84页，2023年，2月20日，星期四发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐渐受限制的过程细胞的全能性(totipotent)：生物体中的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的个体，或者分化形成该个体任何种类的细胞。此特性称为“细胞全能性”。第4页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞的全能性(totipotent)：受精卵、8细胞期前的胚胎细胞是全能细胞。第5页，共84页，2023年，2月20日，星期四多潜能细胞(pluripotent)：发育潜能有一定局限性，仅能分化成为特定范围内的细胞。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(differentiatedcell)：

仅具有分化形成某一种类型细胞的能力。

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渐受限制的过程第6页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化细胞由未特化状态分化成不同细胞类型最初发生在胚胎发育的过程中，而在出生后直到成体的整个阶段都会持续进行。特化细胞的性质是基因特定表达模式的结果，不同基因表达模式决定特定蛋白的合成。“特定基因表达模式是如何形成的”是细胞分化的中心问题。第7页，共84页，2023年，2月20日，星期四

基因表达的阶段特异性及组织特异性

特定基因的表达按照严格的时间顺序发生，同时，同一基因产物在不同的组织器官表达数量不同，不同的产物蛋白又分布于不同的细胞或组织器官。

第8页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化是基因按一定时空顺序表达的结果，这种在个体发育过程中不同的基因按照一定的时空顺序被激活的现象称为“基因的差异表达”。成纤维细胞被加入肌源蛋白后分化为肌细胞第9页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化的机理第10页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化

细胞分化是基因差异性表达的结果：--细胞内环境的差异：细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异，在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中，引起核基因的差异表达。

第11页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化

细胞分化是基因差异性表达的结果：--细胞外环境的影响：邻近细胞间的相互关系；细胞外信号(cell-surfaceproteins,hormones,

polypeptidecytokinesandmoleculesoftheextracellularmatrix)

在分化过程中可诱发细胞内信号通路，影响基因表达。第12页，共84页，2023年，2月20日，星期四应用DNAmicroarrays研究基因表达Highoutputscreeninggenesexpresseddifferentlyindifferenttissuesoratdifferentstagesindevelopment第13页，共84页，2023年，2月20日，星期四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的全部基因信息，按其与细胞分化的关系，可将这些基因分为两大类：奢侈基因和管家基因

奢侈基因

(luxurygene):编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。

第14页，共84页，2023年，2月20日，星期四奢侈基因与管家基因管家基因(housekeepinggene)，这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不少，但与细胞分化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。 如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢的各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等。第15页，共84页，2023年，2月20日，星期四从分子层次看，细胞分化主要是奢侈基因中某种（或某些）特定基因选择性表达的结果。某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分化细胞类型。第16页，共84页，2023年，2月20日，星期四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？第17页，共84页，2023年，2月20日，星期四悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株（Steward,1970年）第18页，共84页，2023年，2月20日，星期四分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力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。第19页，共84页，2023年，2月20日，星期四分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力Cloningbynucleartransfer:Nucleifromcellsofthesameblastulaaretransferredintoenucleatedegg.Thefrogsthatdevelopareclonesastheyallhavethesamegeneticconstitution.Thefirstmammaltobecloned,alamb,theDolly第20页，共84页，2023年，2月20日，星期四Dolly的标本和伊恩博士Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。

第21页，共84页，2023年，2月20日，星期四Dolly第22页，共84页，2023年，2月20日，星期四治疗性克隆第23页，共84页，2023年，2月20日，星期四这些实验说明： --即使是终末分化细胞，其细胞核同样也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整个体的“全能性”。第24页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞融合能改变分化细胞基因表达活性的模式Cellfusionshowsthereversibilityofgeneinactivationduringdifferentiation:theinactivationofmuscle-specificgenesinhumanlivercellsisnotirreversible.Thepatternofgeneexpressionindifferentiatedcellscanbechanged,controlledbyfactorspresentinthecytoplasm.第25页，共84页，2023年，2月20日，星期四转分化能改变细胞的分化状态Transdifferentiation:thechangeofonedifferentiatedcelltypeintoanother.Generally,culturecondition;toadevelopmentallyrelatedcelltype细胞分化状态是可以改变的：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状体细胞。第26页，共84页，2023年，2月20日，星期四转分化能改变细胞的分化状态成纤维细胞转分化为其他类型的细胞第27页，共84页，2023年，2月20日，星期四转分化能改变细胞的分化状态转分化现象说明发育命运已经决定的细胞，仍然具有分化成为其他细胞的潜能第28页，共84页，2023年，2月20日，星期四抗体分子的结构e.g.,脊椎动物免疫系统DNA的不可逆改变导致的细胞分化第29页，共84页，2023年，2月20日，星期四抗体变异的分子基础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：原来胚胎细胞中不相连的DNA片段，通过切掉一些DNA片段，重新装配成抗体轻链和重链可变区基因。第30页，共84页，2023年，2月20日，星期四在发育的不同阶段，不同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基因活性状态的维持和传递决定于调控蛋白和DNA的修饰第31页，共84页，2023年，2月20日，星期四基因表达活性模式的维持Acentralfeatureofcelldifferentiationisthatsomegenesaremaintainedinanactivestate,whileothersarerepressedandinactive.genesencodinggene-regulatoryproteinscanaffecttheactivityofseveralothergenes:transcriptionfactorscanactivateorrepresstheactivityofgenesbybindingtotheircontrolregions.

第32页，共84页，2023年，2月20日，星期四Onewayofkeepingageneactiveisforthegeneproductsitselftoactasthepositiveregulatoryprotein:positivefeedback,eg.Muscle-celldifferentiation,theproductofthemyoDgeneactsasanactivatorofmyoDexpression.维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在第33页，共84页，2023年，2月20日，星期四ChromatinthatispackagedtoastructurethatcannotbetranscribediscalledheterochromatinChangesinthepackingstateofchromatincanbeinheritedthroughmanycelldivisionsandcankeepgenesinactive,eg.X-chromosomeinactivation-infemalemammals,oneofthetwoXchromosomesisinactivatedandbecomeshighlycondensedheterochromatinearlyinembryogenesis基因活性状态与染色质的结构有关第34页，共84页，2023年，2月20日，星期四X-chromosomeinactivationInactiveX-chromosomeshowsadifferentphysicalstatefromthatintheactiveone,theBarrbodyintheinterphasenucleusofafemalehumancell.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，保持完整的遗传信息。第35页，共84页，2023年，2月20日，星期四基因活性状态与DNA的化学修饰有关胞嘧啶C的甲基化修饰CG岛（CGisland）：基因组DNA中富含GC碱基的区域，其中一些对称序列中的5’-CG-3’二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修饰；与基因的失活有关。DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。第36页，共84页，2023年，2月20日，星期四ManycytosinebasesoccurringCGpairsinvertebrateDNAaremethylated.WhentheDNAreplicated,thenewcomplementarystrandlacksmethylationbutcanberecognizedbymethylatingenzyme基因活性状态与DNA的化学修饰有关第37页，共84页，2023年，2月20日，星期四DNA甲基化在DNA复制后，由甲基化酶将S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶的5-C上完成对碱基的修饰，甲基化位置上可阻止转录因子与DNA结合。越是活跃的基因其甲基化程度越低，越不活跃的基因甲基化程度越高。在发育过程中，当某些基因表达完成后，DNA的甲基化可能参与了基因的关闭过程。第38页，共84页，2023年，2月20日，星期四InheritanceofthepatternofmethylationonDNAAnepigeneticstateofDNAmethylationcanbemaintainedacrosscellgenerations.第39页，共84页，2023年，2月20日，星期四Post-translationalmodificationofhistoneproteinsThehistoneinchromatincanundergomodificationsuchasmethylation,acetylation,orphosphorylationonspecificamino-acidresidues,andcanchangethepropertiesofchromatin,eg,histonemethylationismorecharacteristicoftranscriptionallysilentheterochromation.EpigeneticchangessuchasDNAmethylation,histoneacetylation,andhistonemethylationcanexerttheireffectonchromationstructureandgeneexpression.第40页，共84页，2023年，2月20日，星期四Post-translationalmodificationofhistoneproteinsHISTONEACETYLATION&CHROMATINREMODELING第41页，共84页，2023年，2月20日，星期四DNA甲基化抑制基因转录的机制DNA甲基化有利于招募染色质重塑或修饰因子第42页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化中差异基因的调控机制第43页，共84页，2023年，2月20日，星期四Geneexpression第44页，共84页，2023年，2月20日，星期四差异基因表达的调控

DNA的化学修饰、转录因子的作用、RNAsplicing、蛋白的翻译后调控RNAsplicingmicroRNAPost-translationalmodification第45页，共84页，2023年，2月20日，星期四真核细胞基因表达调节的多重性第46页，共84页，2023年，2月20日，星期四

主要调控水平：*－转录水平调控（transcriptionalcontrol）*－转录后水平调控（post-transcriptionalcontrol）

RNA加工水平调控（RNAprocessingcontrol）翻译水平调控（translationalcontrol）

*

－蛋白质的翻译后修饰（post-translationalmodification）第47页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化中基因的转录调控转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子Tissue-specificgeneexpressiscontrolledbyregulatoryregionsNormally,growthhormoneismadeonlyinthepituitary,andelastaseonlyinpancreasHumanGHismadeinthepancreasunderthecontrolofthemouseelastasepromoter.第48页，共84页，2023年，2月20日，星期四转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子Geneexpressionisregulatedbythecoordinatedactionofgene-regulatoryproteinsthatbindtocontrolregionsinDNAThetranscriptionmachinery,composedofRNApolymeraseandthegeneraltranscriptionfactorsthatbindtothepromoterregion,iscommontomanycells第49页，共84页，2023年，2月20日，星期四转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子Atranscriptionfactorinteractingwithitsciscontrolelement第50页，共84页，2023年，2月20日，星期四转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子Otherregulatoryregions,whichhavetobeboundbygene-regulatoryproteins(activatorsorrepressors)beforetranscriptioncanoccur,arelocatedadjacenttothepromoterandusuallyfurtherupstreamofthegene,suchasenhancer.3000transcriptionfactorsinthehumangenome.~5differentfactorsacttogetheratanyparticularcontrolregion.第51页，共84页，2023年，2月20日，星期四基因远端的增强子促进转录复合体的装配第52页，共84页，2023年，2月20日，星期四转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子Co-activators,whichlinkthetranscriptionmachinerytotheactivatorsandrepressorproteinsthatbindtospecificsitessuchasenhancer.e.g.,CBP(ahistoneacetyltransferase),regulatesthechromatin第53页，共84页，2023年，2月20日，星期四阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制第54页，共84页，2023年，2月20日，星期四阻抑因子（repressor）抑制基因转录的可能机制第55页，共84页，2023年，2月20日，星期四

Trans-actingelements:encodedtranscriptionfactorsthatinteractwithcis-actingelements,eitherdirectlythroughDNAbindingorindirectlythroughprotein-proteininteractions.第56页，共84页，2023年，2月20日，星期四转录调控中蛋白因子之间的相互作用第57页，共84页，2023年，2月20日，星期四外部信号对基因转录的激活作用Intracellularsignaltransductionbywhichsignalsreceivedatthecellmembranecanaltergeneexpress:growthfactorssuchasFGFandEGF;bindingofthesignalmoleculetothecell-surfacereceptorsetsintrainanintracellularcascadeofproteinphosphorylations第58页，共84页，2023年，2月20日，星期四外部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.,ThyroidhormonesB：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，共84页，2023年，2月20日，星期四Summary

转录调控是细胞分化的一个重要特征。真核基因的组织特异性表达依赖于基因侧翼顺式调控序列上的调控位点(包括结合RNA聚合酶的转录起始位点邻近的启动子区域、更远处调控基因的组织专一或发育阶段特异性表达的调控位点)。顺式调控上调控位点与不同调节蛋白结合的组合形式决定基因是否表达。蛋白生长因子、激素等胞外信号本身不能进入细胞，但是可通过细胞表面受体，激活细胞内的信号途径从而专一影响基因表达；甾体激素能通过细胞膜和细胞内的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达。分化细胞中基因表达模式一旦建立，这种模式就能维持很长时间并能传递到子代细胞中。维持这种机制包括基因调控蛋白的持续表达和作用、DNA和组蛋白化学修饰造成的染色质结构和特性的长时期区域性的变化。第60页，共84页，2023年，2月20日，星期四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第61页，共84页，2023年，2月20日，星期四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。第62页，共84页，2023年，2月20日，星期四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第63页，共84页，2023年，2月20日，星期四珠蛋白在发育中的表达调控受位于其编码区很远的调控序列的影响第64页，共84页，2023年，2月20日，星期四何时表达何种β-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β-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β-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。第65页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化中RNA加工水平上的调控RNA加工前三个胚层中的RNA量无差异。EctEn/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。第66页，共84页，2023年，2月20日，星期四同一基因的初级转录物经选择性拼接可产生不同的成熟RNAα-原肌球蛋白mRNA(α-tropomyosin)第67页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化中翻译水平上的调控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。第68页，共84页，2023年，2月20日，星期四激素促进转录和增加mRNA寿命第69页，共84页，2023年，2月20日，星期四早期发育中母体效应因子的影响胚胎早期的发育主要由卵母细胞中的母体效应因子(maternaleffectfactor)所控制。卵母细胞通过储藏的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呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。第70页，共84页，2023年，2月20日，星期四卵母细胞中储藏性mRNA第71页，共84页，2023年，2月20日，星期四卵母细胞中mRNA的翻译调控机制mRNAmasking(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。第72页，共84页，2023年，2月20日，星期四卵母细胞中mRNA的翻译调控机制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。第73页，共84页，2023年，2月20日，星期四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。

poly(A)“尾巴”的获得对储藏的卵母细胞mRNA开始翻译很关键第74页，共84页，2023年，2月20日，星期四胚胎早期的发育都由储藏在卵母细胞中的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，由胚胎基因转录的mRNA编码新的蛋白质代替母体效应因子控制发育。第75页，共84页，2023年，2月20日，星期四细胞分化中翻译后水平上的调控Activationbycleavingsomedomains,e.g,proinsulin;Controloffunctionsbysubcellularlocalization,e.g.,membraneproteins;Assemblywithotherproteins,e.g.,hemoglobin;Activationbybindingtoions,e.g.,calmodulin;Activationbymodifications,e.g.,phosphorylation.第76页，共84页，2023年，2月20日，星期四程序化细胞死亡受遗传调控Programmedcelldeath(apoptosis)innormalpartofdevelopment,hemorphogenesisofthevertebratelimb,theinterdigitalcelldeathisessentialforseparatingthedigitsetc.由于体内外生理或病理因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞主动死亡过程。【Conceptofapoptosis】第77页，共84页，2023年，2月20日，星期四程序化细胞死亡受遗传调控Apoptosismaybetriggeredbyanexternalsignalorcellsmaybeprogrammedtodieunlesstheyreceiveaspecificsurvivalsignal.第78页，共84页，2023年，2月20日，星期四+cAMP、Ca2+、神经酰胺死亡信号凋亡诱导因素受体DNase激活、Caspases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2002年诺贝尔生理与医学奖获得者（一）细胞凋亡过程（Theprocessofapoptosis）凋亡信号转导

凋亡相关基因激活凋亡基因激活

凋亡的执行

凋亡细胞清除

细胞凋亡的过程与调控（Process&ofcellapoptosis）细胞凋亡异常第79页，共84页，2023年，2月20日，星期四程序化细胞死亡受遗传调控Ap