細(xì)胞分化 ppt課件

1、,細(xì)胞分化的分子機(jī)制,顯微手術(shù)和基因組學(xué)揭開了發(fā)育控制之迷… …基因克隆和測序展現(xiàn)出其分子機(jī)理… …,分子生物學(xué)與臨床,本章內(nèi)容：,細(xì)胞分化潛能與干細(xì)胞細(xì)胞分化與基因組變化 基因表達(dá)與組織形成特異性蛋白基因表達(dá)的發(fā)育階段性 基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制 影響細(xì)胞分化的因素,細(xì)胞分化的潛能,,,指多細(xì)胞生物成長發(fā)育中，在一些內(nèi)在機(jī)制作用下，細(xì)胞在結(jié)構(gòu)、形態(tài)、生理功能及生化特征等方面逐漸產(chǎn)生穩(wěn)定性差異，成為多種不同的細(xì)胞類型，以形成個體

2、不同的組織、器官和系統(tǒng)。,細(xì)胞分化,受精卵發(fā)育按嚴(yán)格的模式和時間次序發(fā)展，發(fā)育初級的細(xì)胞并非包含成形的形體，而是具備發(fā)育為完整個體的潛力。這種潛力，來自一組稱為干細(xì)胞的分化能力。在個體發(fā)育整個過程中，由于干細(xì)胞的存在使細(xì)胞分化不斷進(jìn)行。,干細(xì)胞,干細(xì)胞有兩方面區(qū)別于其它細(xì)胞的特征： 1，可分化為與自身完全相同的細(xì)胞， 2，可生產(chǎn)出特異性分化的細(xì)胞。 根據(jù)個體發(fā)育過程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細(xì)胞可分為兩類：胚胎干細(xì)胞及成體

3、干細(xì)胞。,胚胎干細(xì)胞，又稱全能干細(xì)胞，存在于未發(fā)育成熟的胚胎，高水平表達(dá)端粒酶，可分化為除構(gòu)成臍胎盤，臍帶等之外的任何一種特定類型細(xì)胞。即能長成動物的任何組織和器官。,成體干細(xì)胞：特定組織中的非特異性細(xì)胞，能無限制地分裂和自我更新。所產(chǎn)生的子細(xì)胞有兩種結(jié)果，一是保持親代特性，仍作為干細(xì)胞；二是不可逆地向終末方向發(fā)展，成為一至幾種類型的特定細(xì)胞。,干細(xì)胞命運(yùn)各不相同，但分化機(jī)制相似：調(diào)控基因指導(dǎo)特異性基因的轉(zhuǎn)錄及特定蛋白質(zhì)的合成，從而細(xì)胞

4、逐步發(fā)展為具有專門功能的特定細(xì)胞類型。同樣，干細(xì)胞也對鄰近細(xì)胞的生長信號發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致特定基因活化及相應(yīng)蛋白質(zhì)合成，參與細(xì)胞分化，運(yùn)動，或與其它細(xì)胞作用以形成組織。,1970年Martin Evans首次從小鼠胚囊中分離出小鼠胚胎干細(xì)胞。原被誤認(rèn)為功能單一的干細(xì)胞后被證實具有自我復(fù)制能力，可分化為人體206種組織器官的原始細(xì)胞；1998年在人胚囊內(nèi)層細(xì)胞分離出人的胚胎干細(xì)胞，目前通過核移植技術(shù)獲得人胚胎干細(xì)胞。,,,,,干細(xì)

5、胞具有的能夠穩(wěn)定生存增殖并保持多向分化潛能的特性使其在遺傳性疾病和組織器官移植領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景。,卵細(xì)胞具有極性，細(xì)胞核靠近北極。北極或動物極：極體釋放的部位；南極或植物極：相對北極而言，母體物質(zhì)主要儲存在于植物極。,二、細(xì)胞分化的機(jī)理,（一）細(xì)胞分裂的不對稱性,動物卵細(xì)胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布；用轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍能進(jìn)行至囊胚期用蛋白質(zhì)翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止發(fā)育。

6、卵裂后的細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運(yùn)。昆蟲以表面卵裂的方式形成胚層細(xì)胞的。遷入卵的后端極質(zhì)部的細(xì)胞發(fā)育為原始生殖細(xì)胞，用紫外線照射這一區(qū)域，破壞極質(zhì)，卵將發(fā)育為無生殖細(xì)胞的不育個體。,母系基因產(chǎn)物控制卵的不對稱分裂,細(xì)胞的不對稱分裂使姐妹細(xì)胞產(chǎn)生了差異在細(xì)胞分裂時一些重要的分子被不均等地分配到兩個子細(xì)胞中,1、胚胎誘導(dǎo)(embryonic induction) ：胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞影響相鄰細(xì)胞向一定方向分化的作用。

7、誘導(dǎo)者(inductor) ：對其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞：脊索可誘導(dǎo)其頂部外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管；視胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。,（二）細(xì)胞間的相互作用,進(jìn)一步更復(fù)雜的模式由細(xì)胞間相互作用產(chǎn)生,誘導(dǎo)的相互作用可以在原本等同的細(xì)胞中建立起有序的差異,2、分化抑制：分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生抑素，抑制相鄰細(xì)胞發(fā)生同樣的分化。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。3、

8、細(xì)胞數(shù)量效應(yīng)小鼠胚胎胰腺原基在體外進(jìn)行組織培養(yǎng)時，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但如果把胰原基切成8小塊分別培養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織，如果再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。,4、細(xì)胞外基質(zhì)的影響干細(xì)胞在IV型膠原和層粘連蛋白上分化為上皮細(xì)胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細(xì)胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細(xì)胞。5、激素的作用如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。,1、染色體結(jié)構(gòu)的變化1）基因刪除：原生動物、昆蟲、甲

9、殼動物。2）基因擴(kuò)增：果蠅多線染色體。3）基因重排：免疫球蛋白基因（106~108種抗體）。4）DNA的甲基化與異染色質(zhì)化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。,（三）細(xì)胞核與細(xì)胞分化,2、基因與細(xì)胞分化無論是母體mRNA的作用還是細(xì)胞間的相互作用，其結(jié)果是啟動特定基因的表達(dá)。根據(jù)對果蠅、家蠶等實驗動物的研究表明：卵受精后，首先表達(dá)的是母體基因；母體基因的產(chǎn)物是轉(zhuǎn)錄因子，沿胚的前后軸形成一個濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制

10、其它基因的表達(dá)：母體基因→ 間隙基因→ 成對基因→體節(jié)極性基因→同源異形基因（homeotic gene，Hox）,Gene and Development,母體基因,間隙基因,成對基因,體節(jié)極性基因,同源異形基因,,,,,生物體細(xì)胞中含有決定生長分裂和分化的全部基因信息，按其與細(xì)胞分化的關(guān)系，可將這些基因分為兩大類：奢侈基因和管家基因,2． 奢侈基因與管家基因,奢侈基因(luxury gene)，編碼細(xì)胞特異性蛋白，與各種分化細(xì)

11、胞的特定性狀直接相關(guān)，這類基因?qū)?xì)胞自身生存無直接影響。 如編碼紅細(xì)胞血紅蛋白，肌細(xì)胞的肌球蛋白和肌動蛋白等的基因?qū)俅祟悺?管家基因(house keeping gene)，這類基因的表達(dá)產(chǎn)物為細(xì)胞生命活動持續(xù)需要和必不少，但與細(xì)胞分化的關(guān)系不大，在細(xì)胞分化中只起協(xié)助作用。如tRNA，rRNA基因，催化能量代謝的各種酶系，三羧酸循環(huán)中各種酶系等,從分子層次看，細(xì)胞分化主要是奢侈基因中某種（或某些）特定基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。某些

12、基因的選擇性表達(dá)合成了執(zhí)行特定功能的蛋白質(zhì)，從而產(chǎn)生特定的分化細(xì)胞類型。,分化細(xì)胞的基因表達(dá)特征一 基因組成熟分化的細(xì)胞保留著全部核基因組。,相關(guān)實驗： 1964年Gurdon等進(jìn)行的非洲爪蟾實驗 1970年Steward等用懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單個 細(xì)胞培養(yǎng)成可育的胡蘿卜植株。 1997年英國學(xué)者克隆出 “多莉”羊,J.Gurdon 1964,,,懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單細(xì)胞培養(yǎng)成了可育植株,（Steward,1970年）

13、,,Dolly的標(biāo)本和伊恩博士,Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英國愛丁堡大學(xué)的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺結(jié)核而被安樂死，它的標(biāo)本于2003年4月9日陳列于蘇格蘭首都愛丁堡國家博物館。,,,多莉的出生與三只母羊有關(guān)，而多莉與提供細(xì)胞核的母羊最相似 。,遺傳信息來自哪里？,這些實驗說明：--即使是終末分化細(xì)胞，其細(xì)胞核同樣也包含全部的遺傳信息，即具有發(fā)育為完整個體的“全能性”。,細(xì)胞的全

14、能性: 指已分化的細(xì)胞仍具有發(fā)育成完整個體的能力.,當(dāng)精子及卵子結(jié)合，來自父代及母代的基因即發(fā)生組合，形成發(fā)育為一個完整個體所需的基因組。分化進(jìn)程中，細(xì)胞有選擇地啟動某些基因并合成其它類型的細(xì)胞所不具備的蛋白質(zhì)，以構(gòu)成該種特定細(xì)胞的結(jié)構(gòu)，產(chǎn)物及功能的基礎(chǔ)。,如肌肉細(xì)胞發(fā)育的原腸胚形成階段，整個胚胎細(xì)胞都能合成肌球蛋白，但原腸期以后，合成肌球蛋白的細(xì)胞僅局限于心區(qū) ，而其他部位的細(xì)胞則被抑制。,分化中為何出現(xiàn)動物細(xì)胞表型的

15、差異? 這是細(xì)胞各自表達(dá)特異性基因的結(jié)果。一些胚胎細(xì)胞按其遺傳潛能來說都是“全能”的，但其攜帶的遺傳信息在發(fā)育過程中并不都能表達(dá)，而是按嚴(yán)格的時空順序有選擇地表達(dá)其中一部分。,基因表達(dá)的階段特異性（時）及組織特異性（空） 指特定基因的表達(dá)按照嚴(yán)格的時間順序發(fā)生，同時，同一基因產(chǎn)物在不同的組織器官表達(dá)數(shù)量不同，不同的產(chǎn)物蛋白又分布于不同的細(xì)胞或組織器官。,在胚胎發(fā)育過程中，細(xì)胞基因組嚴(yán)格按時空順序相繼活化

16、這一現(xiàn)象稱為基因的差異表達(dá)（differential expression）或順序表達(dá)（sequential expression）。從一個受精卵開始，在個體發(fā)育的過程中逐步分化產(chǎn)生各種細(xì)胞類型和組織，這種分化就是不同特異性基因相繼表達(dá)的結(jié)果。,二、特異蛋白的選擇性基因表達(dá)主要在轉(zhuǎn)錄水平 進(jìn)行,,DNARNA多肽,轉(zhuǎn)錄翻譯,,,如果蠅和其他雙翅目昆蟲唾腺染色體所看到的膨松區(qū)的形成。膨松區(qū)是基因的活化區(qū)，即

17、正轉(zhuǎn)錄區(qū)域。膨松區(qū)的位置和數(shù)目在相同發(fā)育階段的同一類型細(xì)胞一致，但在不同類型的細(xì)胞中有區(qū)別，在不同的發(fā)育階段也有明顯變化。,,,果蠅多線染色體,,,用32P磷酸鹽分別摻入前體細(xì)胞和原成紅細(xì)胞，若珠蛋白基因有表達(dá)，則DNA可轉(zhuǎn)錄有32P標(biāo)記的RNA。當(dāng)用克隆的胚胎型?樣珠蛋白基因DNA探針與之雜交，發(fā)現(xiàn)在原成紅細(xì)胞中有DNA-RNA雜交反應(yīng)，而前體細(xì)胞中不發(fā)生雜交反應(yīng)。?說明前體細(xì)胞的胚胎型珠蛋白基因處于休止?fàn)顟B(tài)，直至發(fā)育到原成紅細(xì)胞

18、時才被活化。表明?樣珠蛋白基因具有嚴(yán)格的紅系組織特異性和發(fā)育階段專一性特點(diǎn)。,特異基因的階段性表達(dá),組織形成中的基因表達(dá),一、動物及人體的基本組織類型,包括四類 1．上皮組織:來源于外胚層，如皮膚表層 2．結(jié)締組織:由中胚層產(chǎn)生的，分布在表皮之內(nèi)各 器官組織之間，如韌帶、纖維、血漿 3．肌肉組織:來自中胚層，又有平滑肌、骨胳肌和 心肌，主要組分是肌原纖維

19、4．神經(jīng)組織:來自外胚層，由神經(jīng)元和神經(jīng)膠質(zhì)細(xì) 胞組成,二、哺乳動物骨骼肌發(fā)育中的基因調(diào)節(jié),1．骨骼肌細(xì)胞發(fā)育包括3個階段1）由胚胎的體節(jié)細(xì)胞出現(xiàn)細(xì)胞決定（分化方向）， 并分化為成肌細(xì)胞；2）成肌細(xì)胞向胚胎肢芽遷移并保持增殖能力；3）成肌細(xì)胞停止分裂，彼此融合成多核體細(xì)胞（或 肌管），伴隨細(xì)胞融合的出現(xiàn)，對骨骼肌發(fā)育 及其功能有關(guān)的各種肌細(xì)胞特異基因的表達(dá)使其 分化為成熟的骨骼肌細(xì)胞。,骨

20、骼肌細(xì)胞發(fā)育程序包括3個階段,已鑒定出4種控制骨骼肌細(xì)胞發(fā)育的基因：myoD、myf 5、myogenin及mrf4，分別表達(dá)相應(yīng)的myoD、myf 5、myogenin及mrf 4蛋白，統(tǒng)稱為myoD家族蛋白。這些蛋白均具有堿性螺旋-環(huán)螺旋（bHLH）結(jié)構(gòu)，屬DNA結(jié)合蛋白并行使轉(zhuǎn)錄因子的功能。,myoD家族蛋白在形成同源及異源二聚體后可與基因調(diào)控區(qū)中的CANNTG序列（又稱Ebox）相結(jié)合，通過DNA-protein相互作用，

21、myoD構(gòu)象改變從而誘導(dǎo)肌細(xì)胞特異性的基因轉(zhuǎn)錄。,myoD誘導(dǎo)肌細(xì)胞特異性基因轉(zhuǎn)錄,,基因 表型 myoD家族敲除 存活 成肌細(xì)胞 肌細(xì)胞 蛋白功能——————————————————————————————————————————————————————————myoD 　能 + + 不詳myf 5 能 +

22、 + 不詳myoD、myf 5 否 - -成肌細(xì)胞形成必須myogenin否 + - 成肌細(xì)胞向肌細(xì)胞分化所必須,表 1 myoD 家族基因敲除對小鼠 骨骼肌細(xì)胞分化發(fā)育的影響,從體節(jié)細(xì)胞分化為成肌細(xì)胞時需myoD和myf 5兩種蛋白， myogenin蛋白對成肌細(xì)胞融合并分化為成熟的骨骼肌細(xì)胞必不可少,細(xì)胞融合前只有myoD及myf5

23、基因表達(dá)，myogenin基因只有在細(xì)胞融合發(fā)生后表達(dá)，且受myoD及myf 5表達(dá)的誘導(dǎo)。?myoD及myf 5基因控制體節(jié)細(xì)胞分化為成肌細(xì)胞，而從成肌細(xì)胞發(fā)育為成熟的骨骼肌細(xì)胞則依賴于myogenin基因．,成肌細(xì)胞中，肌動蛋白、肌球蛋白、原肌球蛋白、肌鈣蛋白（與肌肉收縮有關(guān)）、磷酸肌酸激酶及乙酰膽堿受體（傳遞神經(jīng)刺激）等特異性蛋白的基因活性處于休止?fàn)顟B(tài)。成肌細(xì)胞融合后，開始激活表達(dá)并使之最終分化為形態(tài)及功能成熟的骨骼肌細(xì)胞。,成肌

24、細(xì)胞融合激活特異性蛋白基因,myoD家族蛋白,總結(jié)：,,,Ebox,,,構(gòu)象改變,二聚化,myoD家族蛋白,特異蛋白表達(dá),成肌細(xì)胞融合,三、神經(jīng)發(fā)生的調(diào)節(jié),神經(jīng)系統(tǒng)：外胚層?神經(jīng)管和神經(jīng)嵴，神經(jīng)管?腦、脊髓及視網(wǎng)膜在內(nèi)的中樞神經(jīng)系統(tǒng);神經(jīng)嵴?周圍神經(jīng)系統(tǒng)。,神經(jīng)管及神經(jīng)嵴細(xì)胞發(fā)育為神經(jīng)母細(xì)胞后，其子細(xì)胞停止分裂時產(chǎn)生神經(jīng)元細(xì)胞。神經(jīng)元細(xì)胞兩端生長出樹突及軸突，軸突定向生長延伸至靶細(xì)胞部位，末端與靶細(xì)胞形成突觸連接，最終從形態(tài)及功能上

25、發(fā)育分化成熟。,神經(jīng)元細(xì)胞分化,果蠅基因組中鑒定出一種約lOOkb的基因復(fù)合物 AS-complex （AS-c）。AS—c對剛毛器官發(fā)育起調(diào)節(jié)作用。果蠅的剛毛器官是毛干細(xì)胞、神經(jīng)元、鞘細(xì)胞和牙槽細(xì)胞等4種細(xì)胞構(gòu)成的觸覺器官。剛毛器的發(fā)育始于第二胸部體節(jié)的翅成蟲盤細(xì)胞，經(jīng)神經(jīng)原細(xì)胞至神經(jīng)前體細(xì)胞的發(fā)育, 前體細(xì)胞經(jīng)過兩次分裂后的4個子細(xì)胞發(fā)育成上述4種特化細(xì)胞。,神經(jīng)元細(xì)胞分化過程中的基因,AS—c含4種基因——achaete（ac

26、）、scute（sc）、Lethal of scute（L－sc）及asense（a），產(chǎn)物均為HLH蛋白。ac及sc兩種基因在神經(jīng)原細(xì)胞中表達(dá)，使其向神經(jīng)前體細(xì)胞方向分化。發(fā)育至神經(jīng)前體細(xì)胞時，ac及sc停止表達(dá)，a及其他有關(guān)基因開始表達(dá)并導(dǎo)致神經(jīng)元分化。,神經(jīng)元細(xì)胞分化過程中的基因表達(dá),神經(jīng)原細(xì)胞,神經(jīng)前體細(xì)胞,ac,,a,L-sc,sc,ac及sc的表達(dá)受另兩種基因—daughterless（da）及 extramachroch

27、aete（emc）的調(diào)節(jié)，da及emc產(chǎn)物亦為bHLH蛋白，均可與ac及sc蛋白結(jié)合成異二聚體，前者通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)錄促進(jìn)神經(jīng)原細(xì)胞向神經(jīng)前體細(xì)胞分化，而后者則起抑制作用。Notch 和Delta蛋白抑制ac及sc基因的表達(dá)，并阻止向神經(jīng)前體細(xì)胞方向分化。,神經(jīng)元細(xì)胞分化過程中的基因表達(dá)調(diào)節(jié),神經(jīng)原細(xì)胞,神經(jīng)前體細(xì)胞,ac,,a,L-sc,sc,da(+),emc(-),Notch(-)Delta(-),特異性蛋白基因表達(dá)的發(fā)育階段特征,

28、紅細(xì)胞中的血紅蛋白，在發(fā)育中不同基因順序地“開”“閉”，使珠蛋白四聚體的構(gòu)成隨時間發(fā)展相應(yīng)發(fā)生變化。 哺乳動物早期胚胎中四聚體的組成為α2ε2，然后隨著胚胎發(fā)育改變?yōu)棣?γ2，出生后主要為α2?2。正常成人的血液中還含有少量珠蛋白α2δ2。,ε γG γA ψβ δ β5’——?———?—?—?—?—?— 3’,11p15,? ?2 ?1 5’——?———?—?—— 3’,16p13,β珠蛋白基因簇,?

29、珠蛋白基因簇,HbGowerII (α2ε2) HbF (α2γ2)Hb Portland (ξ2γ2） HbF(α2γ2) HbA2 (α2δ2)Hb GowerI (ξ2ε2) HbA (α2β2) 95％ 胚胎期 胎兒 成人,,小兒血象特點(diǎn),一、?類珠蛋白基因表達(dá)的調(diào)節(jié),（一）、α類珠蛋白基因簇的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在人16號染

30、色體上的位置依次是：端粒-ψIL9-未命名-Dist1-MPG-Prox1-ξ-α珠蛋白基因特異的增強(qiáng)子序列HS-40位于 Prox1基因的第5內(nèi)含子中。,? ?2 ?1 5’——?———?—?—— 3’,16p13,?珠蛋白基因簇,端粒-ψIL9-未命名-Dist1-MPG-Prox1-ξ- ?2-?1-,（二）、調(diào)控α類珠蛋白基因表達(dá)的上游順式作用元件和反式作用因子,1．順式作用元件： HS-40

31、增強(qiáng)子上游40kb的一個DNaseI高敏位點(diǎn)（HS-40） HS-40序列長約300bp，是多種組織特異及許多基本反式作用因子的結(jié)合位點(diǎn)：,HS-40對α類珠蛋白基因有增強(qiáng)子活性，它的缺失對甲基嘌呤DNA糖基化酶（MPG）基因的表達(dá)沒有影響，只引起α類珠蛋白表達(dá)的降低，造成嚴(yán)重的α-地中海貧血。,4個紅系特異的GATA盒兩個調(diào)控蛋白NF-E2/AP1的結(jié)合位點(diǎn) 3個CACCC盒和一個AG盒,2．反式作用因子及其作用特點(diǎn)NF

32、-E2蛋白：一種重要的紅系反式作用因子，是由分子量分別為45kD（p45）和18kD（p18）的兩類亞基構(gòu)成的異二聚體，都是屬于AP-1基因超家族的含堿性亮氨酸拉鏈（bZIP)的蛋白。,bZIP,GATA-1和EKLF也是重要的紅系反式作用因子，在紅系細(xì)胞的分化和基因表達(dá)過程中起關(guān)鍵作用，GATA位點(diǎn)突變會使紅系分化終止。(Erythroid krupple like factor)GATA-1和EKLF都可以通過鋅指結(jié)構(gòu)與其它蛋白

33、因子相互作用形成核酸-蛋白復(fù)合物。 GATA-1尚須輔助蛋白FOG存在。,α-珠蛋白基因簇的3’-下游區(qū)域內(nèi)存在的GATA-1結(jié)合位點(diǎn)可能也影響α-珠蛋白基因表達(dá)，包含α1基因在內(nèi)的α2基因下游20kb的缺失可使α2基因不能表達(dá)。,（三）、α-類珠蛋白基因的表達(dá)機(jī)體發(fā)育的整個過程中，α-類珠蛋白基因表達(dá)出現(xiàn)一次轉(zhuǎn)換，即胚胎期ξ基因?胎兒/成人期α基因?；虼?’-端的ξ基因在卵黃囊期首先開啟表達(dá)。第五、六周造血功能從卵黃囊轉(zhuǎn)移到胎

34、肝后，ξ-基因表達(dá)基本關(guān)閉，α基因表達(dá)開始活躍。,HS-40和α-類基因啟動子區(qū)與各種反式因子各自形成獨(dú)立的DNA-蛋白復(fù)合物，然后通過它們之間的相互作用促進(jìn)α-類珠蛋白基因表達(dá)。α-類珠蛋白基因表達(dá)需要紅系特異的上游增強(qiáng)子，且存在增強(qiáng)子和啟動子區(qū)的相互作用。,ξmRNA的穩(wěn)定性對ξ-基因表達(dá)的有效關(guān)閉作用重要： α-類珠蛋白mRNA3’-非翻譯區(qū)內(nèi)有一段16個堿基的嘧啶富含區(qū)，α和ξmRNA的差異只是一個與C→G的突變，使

35、ξ-mRNA與結(jié)合蛋白的結(jié)合大大降低，組裝形成mRNA的能力較弱，且其poly（A）較短，所以ξmRNA容易降解。轉(zhuǎn)錄后加工在ξmRNA的清除和關(guān)閉過程中起著關(guān)鍵作用，被認(rèn)為是轉(zhuǎn)錄后調(diào)控的一個模式。,二、β類珠蛋白基因表達(dá)的調(diào)節(jié),（一）、?-類珠蛋白基因簇的結(jié)構(gòu),ε γG γA ψβ δ β5’———?———?—?—?—?—?— 3’,（二）、β類珠蛋白基因表達(dá)的調(diào)控 1．順式作用元件 （1）啟動子

36、：轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)(+1) 5’端上游100～200bp區(qū)含TATA盒、CCAAT盒和CACCC盒。 若-30bpTATA盒點(diǎn)突變，將導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄顯著降低，引起??地中海貧血。若-90bp處CACCC盒發(fā)生突變，將破壞紅系特異調(diào)控因子的結(jié)合，也引起?地中海貧血。 （2）增強(qiáng)子：2個增強(qiáng)子，分別位于人?珠蛋白基因內(nèi)及3’端+2400bp處。,（3）沉默子：人?珠蛋白基因5’旁側(cè)-610bp到-490bp及-338bp到

37、-233bp處各有一個沉默子，與相應(yīng)的反式阻抑因子直接或間接作用。 （4）座位控制區(qū)域（LCR）：位于人ε珠蛋白基因5’上游遠(yuǎn)側(cè)端6～21kb間的一段DNA序列，含4個DNaseI超敏位點(diǎn)。LCR為紅系組織專一的、層次更高的順式作用元件。LCR的突變或缺失會導(dǎo)致各種貧血癥。,2．反式作用因子,與人?類珠蛋白基因轉(zhuǎn)錄有關(guān)的反式調(diào)控因子分為基本轉(zhuǎn)錄因子（如CPl，SPl）和紅系組織特異轉(zhuǎn)錄因子（如GATA-1，NF-E2等）兩類

38、。,CPl： CCAATSP1：CACCC,3. 活性染色質(zhì)結(jié)構(gòu)與?-類珠蛋白基因的表達(dá),染色質(zhì)解旋結(jié)構(gòu)變化依賴于5’上游遠(yuǎn)側(cè)端的LCR。一些地中海貧血癥病人珠蛋白基因所在的染色質(zhì)部分或完全缺乏LCR，即使?珠蛋白基因及其近側(cè)端調(diào)控區(qū)結(jié)構(gòu)完整，也不能表達(dá)?珠蛋白。?紅細(xì)胞在發(fā)育過程中失去染色質(zhì)解螺旋能力，仍保持對DNasel的抗性，因而?珠蛋白結(jié)構(gòu)基因處于非活性狀態(tài)。,4．LCR與?-類珠蛋白基因發(fā)育中的順序表達(dá),不同珠蛋白基因在染色

39、體上的排列位置，對保持發(fā)育階段的順序性表達(dá)至關(guān)重要；珠蛋白基因的位置與LCR相對距離的差異，可能影響各珠蛋白基因同LCR相互作用的頻率，使近距離珠蛋白基因優(yōu)先表達(dá)，遠(yuǎn)距離的則在較后階段被激活。,三、 組合調(diào)控對特異性蛋白基因表達(dá)的調(diào)節(jié),組合調(diào)控（combinatorial control）是指一組基因調(diào)節(jié)蛋白共同協(xié)調(diào)地決定對某一基因表達(dá)的調(diào)節(jié)方式。 組合調(diào)控可使細(xì)胞分化成特定的細(xì)胞類型：,若將MyoD基因引入，取自雞胚皮膚的體

40、外培養(yǎng)的成纖維細(xì)胞?出現(xiàn)成肌細(xì)胞的特征，并融合成多核肌肉樣細(xì)胞，表達(dá)肌動蛋白、肌球蛋白并組成收縮裝置，質(zhì)膜產(chǎn)生受體蛋白及離子通道蛋白，接受來自神經(jīng)的刺激。但若將MyoD基因引入非成纖維細(xì)胞， ?細(xì)胞不轉(zhuǎn)變?yōu)榧∪鈽蛹?xì)胞，說明成纖維細(xì)胞中已積累了其他必需的基因調(diào)節(jié)蛋白，在加入MyoD蛋白后，能完成特異的基因調(diào)節(jié)蛋白的組合，從而啟動肌肉細(xì)胞的分化。,組合調(diào)控在特定器官的發(fā)育中也起調(diào)節(jié)作用。眼發(fā)育中，一種關(guān)鍵性基因調(diào)節(jié)蛋白（果蠅稱為

41、Ey）能決定眼的發(fā)育。若將Ey基因人為引入將要發(fā)育成腿的果蠅細(xì)胞，在腿部表達(dá)Ey蛋白的細(xì)胞發(fā)育成果蠅眼。?提示Ey蛋白與一些基因調(diào)控區(qū)的結(jié)合位點(diǎn)結(jié)合后，通過組合調(diào)控直接調(diào)節(jié)這些基因的表達(dá)。,因而，通過一組基因調(diào)節(jié)蛋白的組合調(diào)控，共同協(xié)調(diào)地決定對某一基因表達(dá)。,細(xì)胞分化中基因表達(dá)的調(diào)控,一、DNA水平的調(diào)控,1．基因擴(kuò)增在生活史的某一段時間臨時出現(xiàn)。如非洲爪蟾在成熟過程中產(chǎn)生18S、28SrRNA的rDNA的選擇性復(fù)制，使成熟卵細(xì)胞

42、具有2 ?106個DNA拷貝，與二倍體細(xì)胞（含有900個拷貝）相比，擴(kuò)增1000倍。由于大量合成核糖體，在一個細(xì)胞核中甚至可出現(xiàn)1000個以上的核仁。,2．DNA序列重排在人類基因組中，所有抗體的重鏈和輕鏈都不是由一個完整的抗體基因編碼的，而是由不同基因片段經(jīng)重組后形成的。 3．非組蛋白質(zhì)特異的非組蛋白質(zhì)可能決定相應(yīng)的特定基因的轉(zhuǎn)錄，?調(diào)節(jié)細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄過程的因素是非組蛋白質(zhì)。,,,,,,,,,,,恒定區(qū),可變區(qū),重鏈,輕鏈,,,兔子

43、胸腺和骨髓細(xì)胞的染色質(zhì)重組實驗 ：① 未分離的胸腺染色質(zhì)合成胸腺mRNA。② 未分離的骨髓染色質(zhì)合成骨髓mRNA。③ 骨髓染色質(zhì)的DNA、組蛋白和非組蛋白在試 管中重組后合成骨髓mRNA。④ 胸腺染色質(zhì)的DNA、組蛋白和非組蛋白重組 后合成胸腺mRNA。⑤ 骨髓DNA和組蛋白與胸腺DNA和組蛋白混合 在一起，加入胸腺非組蛋白時，重組后合 成胸腺mRNA。若加入骨髓非組蛋白，則重 組后合成骨

44、髓mRNA。,,4．DNA甲基化在DNA復(fù)制后，由甲基化酶將S-腺苷甲硫氨酸的甲基轉(zhuǎn)移到胞嘧啶的5-C上完成對堿基的修飾，甲基化位置上可阻止轉(zhuǎn)錄因子與DNA結(jié)合。? 越是活躍的基因其甲基化程度越低，越不活躍的基因甲基化程度越高。在發(fā)育過程中，當(dāng)某些基因表達(dá)完成后，DNA的甲基化可能參與了基因的關(guān)閉過程。,小鼠成纖維細(xì)胞 （5-氮胞苷）?培養(yǎng)，處于休止?fàn)顟B(tài)的基因被重新激活而進(jìn)行表達(dá)，甚至可觀察到一部分細(xì)胞中與肌肉細(xì)胞發(fā)育有關(guān)的激

45、活而表達(dá)，細(xì)胞彼此發(fā)生融合而發(fā)育成肌肉細(xì)胞。5-氮胞苷進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)轉(zhuǎn)變?yōu)槿姿?-氮胞苷，這種5-氮胞苷化的DNA由于不能被甲基化，結(jié)果使相關(guān)基因被重新激活,,RNA多肽,轉(zhuǎn)錄翻譯,,,,,DNA,,,（去甲基化）,（5-氮胞苷）,,,甲基化,（三）、轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控1．核內(nèi)RNA的選擇加工如用海膽囊胚的mRNA制成的cDNA探針，分別與原腸胚、腸和體腔細(xì)胞nRNA雜交，結(jié)合率高達(dá)80％，而與囊胚和腸細(xì)胞mRNA結(jié)

46、合率則不同，前者為28％，后者僅為10％，說明不同組織中轉(zhuǎn)錄的nRNA可以一致，但mRNA卻不相同。,2．轉(zhuǎn)錄后初級產(chǎn)物RNA的加工如從大鼠甲狀腺和腦下垂體細(xì)胞分離得到的同一初級轉(zhuǎn)錄物，通過不同的剪切與加工，可產(chǎn)生2種不同的成熟mRNA。在甲狀腺C細(xì)胞中編碼降鈣素，而在腦下垂體和多種神經(jīng)細(xì)胞中，則編碼降鈣素基因相關(guān)蛋白。,3．專一mRNA的降解如哺乳動物成紅細(xì)胞（erythroblast）的分化過程中，早期細(xì)胞合成若干種mR

47、NA，其中少量的珠蛋白mRNA被保留，但到后期最后幾次細(xì)胞分裂時，只有珠蛋白mRNA保留下來，其他種類的mRNA均被降解。在黏菌發(fā)育過程中，如果黏菌在某一階段停止發(fā)育，則會把準(zhǔn)備用于下階段的新mRNA降解。,（四）、翻譯水平的調(diào)控基因表達(dá)過程中，一條合成的多肽鏈經(jīng)翻譯后加工產(chǎn)生多種不同活性的蛋白質(zhì)或多肽。 如鴉片促黑皮質(zhì)素(POMC)：結(jié)構(gòu)上為ACTH，促黑素細(xì)胞激素(MSH)，內(nèi)啡肽, 脂酸動員激素(LPH)的前體

48、。,影響細(xì)胞分化的因素,一 細(xì)胞內(nèi)因素,受精卵或動物早期胚胎細(xì)胞在分化過程中，因不同基因表達(dá)，產(chǎn)物不斷加入細(xì)胞質(zhì)，改變細(xì)胞質(zhì)成分，使基因表達(dá)環(huán)境發(fā)生改變，細(xì)胞質(zhì)反作用于細(xì)胞核，又使核內(nèi)基因表達(dá)狀態(tài)不斷受到調(diào)節(jié)，細(xì)胞不斷分化，發(fā)育，成熟，直至產(chǎn)生各種不同類型的細(xì)胞。,二 細(xì)胞外因素,影響細(xì)胞分化的細(xì)胞外因素，包括環(huán)境因素，胞外物質(zhì)（細(xì)胞的基質(zhì)，黏附分子，細(xì)胞因子，激素等），以及細(xì)胞之間的相互作用。,（一）、環(huán)境因素 環(huán)境多種因

49、素對機(jī)體的發(fā)育有一定的影響，如溫度，光線等，這些因素可能是造成第一次不等卵裂，從而影響細(xì)胞分化的原因之一。 如豚鼠的孕期為68d，如果在妊娠18—28d給母鼠增溫度3—4℃1小時，胎鼠腦重可減輕10％。,（二）、細(xì)胞間的相互作用,1．誘導(dǎo)（induction）：一部分細(xì)胞對鄰近細(xì)胞產(chǎn)生影響，并決定鄰近細(xì)胞分化方向及形態(tài)發(fā)生的過程。,2．抑制 （inhibition）指在胚胎發(fā)育中，已分化的細(xì)胞抑制鄰近細(xì)胞進(jìn)行相同分化而產(chǎn)生的負(fù)反饋調(diào)

50、節(jié)作用。如發(fā)育中的蛙胚置于含成體蛙心組織碎片的培養(yǎng)液中，胚胎不能產(chǎn)生正常的心臟；用含成體蛙腦組織碎片的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，也不產(chǎn)生正常的腦，說明已分化的細(xì)胞可產(chǎn)生某種物質(zhì)，抑制鄰近細(xì)胞向相同方向分化。,3．細(xì)胞識別與黏合 從受精、胚泡植入、形態(tài)發(fā)生、器官形成都與細(xì)胞識別與黏合息息相關(guān)。如將蠑螈的原腸胚三個胚層的游離細(xì)胞體外混合培養(yǎng)，各胚層細(xì)胞又將自我挑選，相互黏著，依然形成外胚層在外，內(nèi)胚層在內(nèi)，中胚層介于二者之間的胚胎。,細(xì)胞識

51、別作用主要由位于細(xì)胞表面或嵌于質(zhì)膜之中或結(jié)合于質(zhì)膜上的糖復(fù)合物（糖蛋白，蛋白聚糖及糖脂）擔(dān)任。細(xì)胞間識別并黏合后，質(zhì)膜各部分就緊密結(jié)合成細(xì)胞間傳遞離子、電荷及分子的通道。,（三）、激素 激素由血液循環(huán)輸送到不同部位決定靶細(xì)胞的分化，屬遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)。如在昆蟲變態(tài)中，幼蟲的蛻變和化蛹受激素影響。腦激素是腦部產(chǎn)生的神經(jīng)內(nèi)分泌物質(zhì)。若從已經(jīng)成熟的幼蟲中將腦取出，就不能化蛹。若將腦回植到體內(nèi)，則此幼蟲又恢復(fù)化蛹能力，推斷腦激素實際是一