当前位置:文档之家› 细胞分化的分子机制(精)

细胞分化的分子机制(精)


相关实验:
• 1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验
• 1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个 细胞培养成可育的胡萝卜植株。 • 1997年英国学者克隆出 “多莉”羊
未受精卵
爪蟾蝌蚪的 肠上皮细胞
UV
去核卵细胞 肠上皮细胞核
核移植
无结果
畸胎
1-2%发育至蝌蚪或蛙
J.Gurdon 1964
部的细胞发育为原始生殖细胞,用紫外线照射这一区域,破
坏极质,卵将发育为无生殖细胞的不育个体。 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
进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生
(二)细胞间的相互作用

1 、胚胎诱导 (embryonic induction) :胚胎发育过程中,
DNA
转录
RNA 多肽
翻译
如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色 体所看到的膨松区的形成。膨松区是基 因的活化区,即正转录区域。膨松区的 位置和数目在相同发育阶段的同一类型 细胞一致,但在不同类型的细胞中有区 别,在不同的发育阶段也有明显变化。
果蝇多线染色体
特异基因的阶段性表达
用32P磷酸盐分别掺入前体细胞和原成红 细胞,若珠蛋白基因有表达,则DNA可转录有
一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。

诱导者(inductor) :对其它细胞起诱导作用的细胞:

脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板,神经沟和神经管; 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体,而晶体又可诱导外胚 层形成角膜。
诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异

2 、分化抑制: 分化成熟的细胞可以产生抑素,抑

母体基因→ 间隙基因→ 成对基因→体节极性基因→同源异
形基因(homeotic gene,Hox)
Gene and Development
母体基因
间隙基因 成对基因 体节极 性基因
同源异 形基因
2.
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
myoD家族
蛋白功能
不详 不详 成肌细胞形成必须 成肌细胞向肌细胞分化所必须
——————————————————————————————————————————————————————————
• 从体节细胞分化为成肌细胞时需myoD和 myf 5两种蛋白, • myogenin蛋白对成肌细胞融合并分化为成 熟的骨骼肌细胞必不可少
发生反应,导致特定基因活化及相应蛋白质
合成,参与细胞分化,运动,或与其它细胞
作用以形成组织。
• 1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小 鼠胚胎干细胞。原被误认为功能单一的干细胞后 被证实具有自我复制能力,可分化为人体206种
组织器官的原始细胞;
• 1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞,
悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株
(Steward,1970年)
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。
都是“全能”的,但其携带的遗传信息
在发育过程中并不都能表达,而是按严
格的时空顺序有选择地表达其中一部分。
基因表达的阶段特异性(时)及组织特异
性(空)
指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。
在胚胎发育过程中,细胞基因组严格按时空
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。
干细胞
受精卵发育按严格的模式和时间次序
发展,发育初级的细胞并非包含成形的形
体,而是具备发育为完整个体的潜力。
这种潜力,来自一组称为干细胞的分
储存在于植物极。
母系基因产物控制卵的不对称分裂

动物卵细胞中贮存有大量mRNA,呈非均匀分布;


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。

卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。

昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质
顺序相继活化这一现象称为基因的差异表达
( differential expression ) 或 顺 序 表 达
(sequential expression)。 从一个受精卵开始,在个体发育的过程中 逐步分化产生各种细胞类型和组织,这种分化就 是不同特异性基因相继表达的结果。
二、特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平 进行
化能力。在个体发育整个过程中,由于干
细胞的存在使细胞分化不断进行。

干细胞有两方面区别于其它细胞的特征: 1,
可分化为与自身完全相同的细胞,
2,可生产出特异性分化的细胞。

根据个体发育过程中出现的先后次序不同, 干细胞可分为两类:胚胎干细胞及成体干细 胞。
• 胚胎干细胞,又称全能干细胞,存在 于未发育成熟的胚胎,高水平表达端 粒酶,可分化为除构成脐胎盘,脐带 等之外的任何一种特定类型细胞。即 能长成动物的任何组织和器官。
1.上皮组织:来源于外胚层,如皮肤表层
2.结缔组织:由中胚层产生的,分布在表皮之内各
器官组织之间,如韧带、纤维、血浆
3.肌肉组织:来自中胚层,又有平滑肌、骨胳肌和
心肌,主要组分是肌原纤维
4.神经组织:来自外胚层,由神经元和神经胶质细
胞组成
二、哺乳动物骨骼肌发育中的基因调节
1.骨骼肌细胞发育包括3个阶段
分子生物学与临床
细胞分化的分子机制
显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷… …
基因克隆和测序展现出其分子机理… …
本章内容:
• 细胞分化潜能与干细胞
• 细胞分化与基因组变化
• 基因表达与组织形成
• 特异性蛋白基因表达的发育阶段性 • 基因表达的调控机制 • 影响细胞分化的因素
细胞分化的潜能
细胞分化
3)基因重排:免疫球蛋白基因(106~108种抗体)。

4)DNA的甲基化与异染色质化:胞嘧啶的甲基化使基因
无论是母体 mRNA 的作用还是细胞间的相互作用,其
结果是启动特定基因的表达。

根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明:

卵受精后,首先表达的是母体基因;母体基因的产物是转录 因子,沿胚的前后轴形成一个浓度梯度,决定了胚的前后位 置和头尾区域;控制其它基因的表达:
• 细胞融合前只有myoD及myf5基因表达,
myogenin基因只有在细胞融合发生后表达,
且受myoD及myf 5表达的诱导。myoD及myf
5基因控制体节细胞分化为成肌细胞,而从成
肌细胞发育为成熟的骨骼肌细胞则依赖于
myogenin基因.
成肌细胞融合激活特异性蛋白基因
• 成肌细胞中,肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球 蛋白、肌钙蛋白(与肌肉收缩有关)、磷酸 肌酸激酶及乙酰胆碱受体(传递神经刺激) 等特异性蛋白的基因活性处于休止状态。成 肌细胞融合后,开始激活表达并使之最终分 化为形态及功能成熟的骨骼肌细胞。
遗 传 信 息 来 自 哪 里?
多莉的出生与三只母羊有关,而多莉与提供细胞核的母羊最相似 。
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”。
细胞的全能性: 指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力.
• 当精子及卵子结合,来自父代及母 代的基因即发生组合,形成发育为 一个完整个体所需的基因组。
• 分化进程中,细胞有选择地启动某
些基因并合成其它类型的细胞所不
具备的蛋白质,以构成该种特定细
胞的结构,产物及功能的基础。

如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶
段,整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白,
但原肠期以后,合成肌球蛋白的细胞
仅局限于心区 ,而其他部位的细胞
则被抑制。
分化中为何出现动物细胞表型的差 异? 这是细胞各自表达特异性基因的 结果。一些胚胎细胞按其遗传潜能来说
• 成体干细胞:特定组织中的非特异
性细胞,能无限制地分裂和自我更
新。所产生的子细胞有两种结果,
一是保持亲代特性,仍作为干细胞;
二是不可逆地向终末方向发展,成 为一至几种类型的特定细胞。
干细胞命运各不相同,但分化机制相似:
调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白 质的合成,从而细胞逐步发展为具有专门功 能的特定细胞类型。 同样,干细胞也对邻近细胞的生长信号
myoD、myf 5、myogenin及mrf4,分
别表达相应的myoD、myf 5、myogenin
及mrf 4蛋白,统称为myoD家族蛋白。
• 这些蛋白均具有碱性螺旋-环螺旋(bHLH)
结构,属DNA结合蛋白并行使转录因子的功
能。
myoD诱导肌细胞特异性基因转录 • myoD家族蛋白在形成同源及异源二聚
奢侈基因(luxury gene),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。

管家基因(house keeping gene), 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。
相关主题