發育生物學細胞分化的分子機制

指多細胞生物成長發育中，在一些內在機制作用下，細胞在結構、形態、生理功能及生化特征等方面逐漸產生穩定性差異，成為多種不同的細胞類型，以形成個體不同的組織、器官和系統。細胞分化細胞分化Celldifferentiationinvolvesthegradualemergenceofcelltypesthathaveaclear-cutidentityintheadult,suchasnervecells,fatcellsDifferentiatedcellsservespecializedfunctionsandhaveachievedausuallystablestate.發育過程中細胞分化經歷一個分化能力逐漸受限制的過程細胞的全能性(totipotent)：生物體中的一個體細胞或一個性細胞在一定條件下，有能力重新形成完整的個體，或者分化形成該個體任何種類的細胞。此特性稱為“細胞全能性”。細胞的全能性(totipotent)：受精卵、8細胞期前的胚胎細胞是全能細胞。多潛能細胞(pluripotent)：發育潛能有一定局限性，僅能分化成為特定范圍內的細胞。如生血干細胞僅能分化成為淋巴細胞、單核細胞、粒細胞等分化細胞(differentiatedcell)：

僅具有分化形成某一種類型細胞的能力。

分化過程：全能→多能→分化細胞發育過程中細胞分化經歷一個分化能力逐漸受限制的過程細胞分化細胞由未特化狀態分化成不同細胞類型最初發生在胚胎發育的過程中，而在出生后直到成體的整個階段都會持續進行。特化細胞的性質是基因特定表達模式的結果，不同基因表達模式決定特定蛋白的合成。“特定基因表達模式是如何形成的”是細胞分化的中心問題。

基因表達的階段特異性及組織特異性

特定基因的表達按照嚴格的時間順序發生，同時，同一基因產物在不同的組織器官表達數量不同，不同的產物蛋白又分布于不同的細胞或組織器官。

細胞分化是基因按一定時空順序表達的結果，這種在個體發育過程中不同的基因按照一定的時空順序被激活的現象稱為“基因的差異表達”。成纖維細胞被加入肌源蛋白后分化為肌細胞細胞分化的機理細胞分化

細胞分化是基因差異性表達的結果：--細胞內環境的差異：細胞的不對稱分裂使姐妹細胞產生了差異，在細胞分裂時一些重要的分子被不均等地分配到兩個子細胞中，引起核基因的差異表達。

細胞分化

細胞分化是基因差異性表達的結果：--細胞外環境的影響：鄰近細胞間的相互關系；細胞外信號(cell-surfaceproteins,hormones,

polypeptidecytokinesandmoleculesoftheextracellularmatrix)

在分化過程中可誘發細胞內信號通路，影響基因表達。應用DNAmicroarrays研究基因表達Highoutputscreeninggenesexpresseddifferentlyindifferenttissuesoratdifferentstagesindevelopment奢侈基因與管家基因生物體細胞中含有決定生長分裂和分化的全部基因信息，按其與細胞分化的關系，可將這些基因分為兩大類：奢侈基因和管家基因

奢侈基因

(luxurygene):編碼細胞特異性蛋白，與各種分化細胞的特定性狀直接相關，這類基因對細胞自身生存無直接影響。如編碼紅細胞血紅蛋白，肌細胞的肌球蛋白和肌動蛋白等的基因屬此類。

奢侈基因與管家基因管家基因(housekeepinggene)，這類基因的表達產物為細胞生命活動持續需要和必不少，但與細胞分化的關系不大，在細胞分化中只起協助作用。 如tRNA，rRNA基因，催化能量代謝的各種酶系，三羧酸循環中各種酶系等。從分子層次看，細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的結果。某些基因的選擇性表達合成了執行特定功能的蛋白質，從而產生特定的分化細胞類型。基因活性狀態的可逆性從單個合子核發育為不同類型細胞，基因活性譜發生了改變，這種改變是否涉及遺傳物質的改變？懸浮培養的胡蘿卜單細胞培養成了可育植株（Steward,1970年）分化細胞的細胞核具有支持胚胎發育能力細胞核移植實驗證明：A：分化中遺傳物質沒有發生不可逆改變；B：細胞質中含有決定核內基因活性譜的控制因子。分化細胞的細胞核具有支持胚胎發育能力Cloningbynucleartransfer:Nucleifromcellsofthesameblastulaaretransferredintoenucleatedegg.Thefrogsthatdevelopareclonesastheyallhavethesamegeneticconstitution.Thefirstmammaltobecloned,alamb,theDollyDolly的標本和伊恩博士世界上第一只克隆羊Dolly

Dolly治療性克隆這些實驗說明： --即使是終末分化細胞，其細胞核同樣也包含全部的遺傳信息，即具有發育為完整個體的“全能性”。細胞融合能改變分化細胞基因表達活性的模式Cellfusionshowsthereversibilityofgeneinactivationduringdifferentiation:theinactivationofmuscle-specificgenesinhumanlivercellsisnotirreversible.Thepatternofgeneexpressionindifferentiatedcellscanbechanged,controlledbyfactorspresentinthecytoplasm.轉分化能改變細胞的分化狀態Transdifferentiation:thechangeofonedifferentiatedcelltypeintoanother.Generally,culturecondition;toadevelopmentallyrelatedcelltype細胞分化狀態是可以改變的：雞視網膜表皮色素細胞在含透明質酸酶、血清、苯硫脲的條件下培養后轉變為晶狀體細胞。轉分化能改變細胞的分化狀態成纖維細胞轉分化為其他類型的細胞轉分化能改變細胞的分化狀態轉分化現象說明發育命運已經決定的細胞，仍然具有分化成為其他細胞的潛能抗體分子的結構e.g.,脊椎動物免疫系統DNA的不可逆改變導致的細胞分化抗體變異的分子基礎B淋巴細胞分化過程中產生免疫球蛋白基因重排使基因組發生了改變：原來胚胎細胞中不相連的DNA片段，通過切掉一些DNA片段，重新裝配成抗體輕鏈和重鏈可變區基因。在發育的不同階段，不同基因處于不同的活性狀態。一個轉錄因子可以調控其它許多基因的活性，但其作用取決于多個因素：靶基因是否含有其調控區；其本身是否處于活化狀態(e.g.,是否磷酸化)；其本身是否結合了其它調控因子。調控區是否結合了其它的調控因子基因活性狀態的維持和傳遞決定于調控蛋白和DNA的修飾基因表達活性模式的維持Acentralfeatureofcelldifferentiationisthatsomegenesaremaintainedinanactivestate,whileothersarerepressedandinactive.genesencodinggene-regulatoryproteinscanaffecttheactivityofseveralothergenes:transcriptionfactorscanactivateorrepresstheactivityofgenesbybindingtotheircontrolregions.

Onewayofkeepingageneactiveisforthegeneproductsitselftoactasthepositiveregulatoryprotein:positivefeedback,eg.Muscle-celldifferentiation,theproductofthemyoDgeneactsasanactivatorofmyoDexpression.維持細胞基因活性狀態依賴調控因子的連續存在ChromatinthatispackagedtoastructurethatcannotbetranscribediscalledheterochromatinChangesinthepackingstateofchromatincanbeinheritedthroughmanycelldivisionsandcankeepgenesinactive,eg.X-chromosomeinactivation-infemalemammals,oneofthetwoXchromosomesisinactivatedandbecomeshighlycondensedheterochromatinearlyinembryogenesis基因活性狀態與染色質的結構有關X-chromosomeinactivationInactiveX-chromosomeshowsadifferentphysicalstatefromthatintheactiveone,theBarrbodyintheinterphasenucleusofafemalehumancell.哺乳動物失活的X染色體在生殖細胞形成時才重新恢復活性狀態，保持完整的遺傳信息。基因活性狀態與DNA的化學修飾有關胞嘧啶C的甲基化修飾CG島（CGisland）：基因組DNA中富含GC堿基的區域，其中一些對稱序列中的5’-CG-3’二核苷酸的胞嘧啶（C）常被甲基化修飾；與基因的失活有關。DNA甲基化是一個動態過程，又是相對穩定的狀態；受精卵和早期胚胎細胞中甲基化程度低，隨分化進程逐漸建立。ManycytosinebasesoccurringCGpairsinvertebrateDNAaremethylated.WhentheDNAreplicated,thenewcomplementarystrandlacksmethylationbutcanberecognizedbymethylatingenzyme基因活性狀態與DNA的化學修飾有關DNA甲基化在DNA復制后，由甲基化酶將S-腺苷甲硫氨酸的甲基轉移到胞嘧啶的5-C上完成對堿基的修飾，甲基化位置上可阻止轉錄因子與DNA結合。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。在發育過程中，當某些基因表達完成后，DNA的甲基化可能參與了基因的關閉過程。InheritanceofthepatternofmethylationonDNAAnepigeneticstateofDNAmethylationcanbemaintainedacrosscellgenerations.Post-translationalmodificationofhistoneproteinsThehistoneinchromatincanundergomodificationsuchasmethylation,acetylation,orphosphorylationonspecificamino-acidresidues,andcanchangethepropertiesofchromatin,eg,histonemethylationismorecharacteristicoftranscriptionallysilentheterochromation.EpigeneticchangessuchasDNAmethylation,histoneacetylation,andhistonemethylationcanexerttheireffectonchromationstructureandgeneexpression.Post-translationalmodificationofhistoneproteinsHISTONEACETYLATION&CHROMATINREMODELINGDNA甲基化抑制基因轉錄的機制DNA甲基化有利于招募染色質重塑或修飾因子細胞分化中差異基因的調控機制Geneexpression差異基因表達的調控

DNA的化學修飾、轉錄因子的作用、RNAsplicing、蛋白的翻譯后調控RNAsplicingmicroRNAPost-translationalmodification真核細胞基因表達調節的多重性

主要調控水平：*－轉錄水平調控（transcriptionalcontrol）*－轉錄后水平調控（post-transcriptionalcontrol）

RNA加工水平調控（RNAprocessingcontrol）翻譯水平調控（translationalcontrol）

*

－蛋白質的翻譯后修飾（post-translationalmodification）細胞分化中基因的轉錄調控轉錄調控涉及通用轉錄因子和組織特異性轉錄因子Tissue-specificgeneexpressiscontrolledbyregulatoryregionsNormally,growthhormoneismadeonlyinthepituitary,andelastaseonlyinpancreasHumanGHismadeinthepancreasunderthecontrolofthemouseelastasepromoter.轉錄調控既需要基本轉錄調節因子也需要組織特異性轉錄調節因子Geneexpressionisregulatedbythecoordinatedactionofgene-regulatoryproteinsthatbindtocontrolregionsinDNAThetranscriptionmachinery,composedofRNApolymeraseandthegeneraltranscriptionfactorsthatbindtothepromoterregion,iscommontomanycells轉錄調控既需要基本轉錄調節因子也需要組織特異性轉錄調節因子Atranscriptionfactorinteractingwithitsciscontrolelement轉錄調控既需要基本轉錄調節因子也需要組織特異性轉錄調節因子Otherregulatoryregions,whichhavetobeboundbygene-regulatoryproteins(activatorsorrepressors)beforetranscriptioncanoccur,arelocatedadjacenttothepromoterandusuallyfurtherupstreamofthegene,suchasenhancer.3000transcriptionfactorsinthehumangenome.~5differentfactorsacttogetheratanyparticularcontrolregion.基因遠端的增強子促進轉錄復合體的裝配轉錄調控既需要基本轉錄調節因子也需要組織特異性轉錄調節因子Co-activators,whichlinkthetranscriptionmachinerytotheactivatorsandrepressorproteinsthatbindtospecificsitessuchasenhancer.e.g.,CBP(ahistoneacetyltransferase),regulatesthechromatin阻抑因子（repressor）抑制基因轉錄的可能機制阻抑因子（repressor）抑制基因轉錄的可能機制

Trans-actingelements:encodedtranscriptionfactorsthatinteractwithcis-actingelements,eitherdirectlythroughDNAbindingorindirectlythroughprotein-proteininteractions.轉錄調控中蛋白因子之間的相互作用Post-translationalmodification轉錄調控是細胞分化的一個重要特征。一個轉錄因子可以調控其它許多基因的活性，但其作用取決于多個因素：基因表達活性模式的維持甾類激素(Steroidhormones)以兩種方式激活基因的轉錄：細胞分化是基因按一定時空順序表達的結果，這種在個體發育過程中不同的基因按照一定的時空順序被激活的現象稱為“基因的差異表達”。Co-activators,whichlinkthetranscriptionmachinerytotheactivatorsandrepressorproteinsthatbindtospecificsitessuchasenhancer.激素促進轉錄和增加mRNA壽命分化過程：全能→多能→分化細胞卵母細胞中儲藏性mRNA同一基因的初級轉錄物經選擇性拼接可產生不同的成熟RNA例如，敲除β-globin基因的啟動子和3‘enhancer后，成年小鼠的紅細胞中仍含大量的-globin;EKLF是β-珠蛋白啟動子結合的轉錄因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表達-和-珠蛋白。Celldifferentiationinvolvesthegradualemergenceofcelltypesthathaveaclear-cutidentityintheadult,suchasnervecells,fatcellsX-chromosomeinactivation-infemalemammals,oneofthetwoXchromosomesisinactivatedandbecomeshighlycondensedheterochromatinearlyinembryogenesis*－轉錄后水平調控（post-transcriptionalcontrol）ApoptoticsignalsaretransducedthroughBIDandBIMtocausethereleaseofpro-apoptoticfactorsfrommitochondriaeg.外部信號對基因轉錄的激活作用Intracellularsignaltransductionbywhichsignalsreceivedatthecellmembranecanaltergeneexpress:growthfactorssuchasFGFandEGF;bindingofthesignalmoleculetothecell-surfacereceptorsetsintrainanintracellularcascadeofproteinphosphorylations外部信號對基因轉錄的激活作用甾類激素(Steroidhormones)以兩種方式激活基因的轉錄：A：受體在激素進入細胞前就結合在靶基因調控區上，但只有當激素與該受體結合后才激活轉錄。

E.g.,ThyroidhormonesB：激素先與胞質中其受體結合，再進入核激活轉錄。E.g.,glucocorticoid.Summary

轉錄調控是細胞分化的一個重要特征。真核基因的組織特異性表達依賴于基因側翼順式調控序列上的調控位點(包括結合RNA聚合酶的轉錄起始位點鄰近的啟動子區域、更遠處調控基因的組織專一或發育階段特異性表達的調控位點)。順式調控上調控位點與不同調節蛋白結合的組合形式決定基因是否表達。蛋白生長因子、激素等胞外信號本身不能進入細胞，但是可通過細胞表面受體，激活細胞內的信號途徑從而專一影響基因表達；甾體激素能通過細胞膜和細胞內的受體蛋白形成復合物，作為轉錄因子與特定DNA調控元件結合影響基因表達。分化細胞中基因表達模式一旦建立，這種模式就能維持很長時間并能傳遞到子代細胞中。維持這種機制包括基因調控蛋白的持續表達和作用、DNA和組蛋白化學修飾造成的染色質結構和特性的長時期區域性的變化。轉錄調控細胞分化的幾個模型單向分化：肌細胞分化涉及轉錄因子的次序表達MyoD及其它MRF(muscle-relatedfactors)與其它非組織特異性bHLH蛋白如E2A結合而成的異源二聚體，以及MEF(muscle-enhancerfactors)同源二聚體，在調控元件E-box或MEF-box或同時與二者結合形成轉錄起始復合體，促進靶基因的轉錄。肌細胞分化與細胞周期A：分裂中的成肌細胞不能分化B：分化中的肌細胞不能分裂珠蛋白在發育中的表達調控受位于其編碼區很遠的調控序列的影響何時表達何種β-珠蛋白，決定于結合在特定珠蛋白基因的啟動子上的轉錄因子與結合在LCR上的因子之間的親和力。例如，敲除β-globin基因的啟動子和3‘enhancer后，成年小鼠的紅細胞中仍含大量的-globin;EKLF是β-珠蛋白啟動子結合的轉錄因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表達-和-珠蛋白。細胞分化中RNA加工水平上的調控RNA加工前三個胚層中的RNA量無差異。EctEn/mes加工后的RNA主要存在于外胚層中。核酸保護實驗(放射性intron或exon探針與總RNA雜交后再RNase消化)表明：海膽鈣結合蛋白基因CyIIIa在原腸胚的外胚層中表達核酸run-on(在膜上固定intron序列與放射性RNA探針雜交)實驗表明：Spec1基因在原腸胚的內、中、外胚層細胞核中都表達，但成熟的Spec1mRNA只存在于外胚層中。同一基因的初級轉錄物經選擇性拼接可產生不同的成熟RNAα-原肌球蛋白mRNA(α-tropomyosin)細胞分化中翻譯水平上的調控mRNA壽命的調控不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其3`UTR控制。短壽命mRNA的3`UTR通常含有一個或多個AU富集區，其作用是促進Poly(A)降解。激素促進轉錄和增加mRNA壽命早期發育中母體效應因子的影響胚胎早期的發育主要由卵母細胞中的母體效應因子(maternaleffectfactor)所控制。卵母細胞通過儲藏的mRNA調控早期發育，直到受精后才進行翻譯。

-用轉錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發育仍能進行至囊胚期-用蛋白質翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止發育。卵母細胞中儲藏性mRNA卵母細胞中mRNA的翻譯調控機制mRNAmasking(掩蔽):

mRNA與其它蛋白結合成ribonucleoprotein(RNP)complex,阻止與ribosome結合；卵成熟或受精后，離子強度改變或蛋白磷酸化等導致RNP解體，翻譯得以進行。5’Cap(7-甲基鳥苷酸)的調控：如某些種類的moths，其卵中的部分mRNA的5`-鳥苷酸在受精后才甲基化，然后開始翻譯。卵母細胞中mRNA的翻譯調控機制mRNAsequester:指mRNA被阻隔于蛋白合成裝置。如海膽未受精卵的histonemRNA定位于原核中，受精后原核破裂，mRNA才能進入胞質開始翻譯。翻譯效率的調控：如將海膽卵母細胞裂解液的pH從自然狀態下的pH6.9提高到(受精后自然狀態下的)pH7.4,蛋白質合成量急劇增加。受精后pH升高的作用可能包括去除mRNA的封閉蛋白和激活翻譯起始因子。Poly(A)對翻譯的調控：

在小鼠的未成熟卵母細胞質中可以翻譯的mRNA具有較長的poly(A),減數成熟分裂后poly(A)降解，翻譯終止。在減數成熟分裂前不表達的mRNA的poly(A)較短(15-90A),

但其3`UTR具有胞質多聚腺苷酸化信號序列(CPEs)(UUUUAUinmiceandfrogs)。減數成熟分裂后這些mRNA迅速加上一個長的polyA,開始翻譯。

poly(A)“尾巴”的獲得對儲藏的卵母細胞mRNA開始翻譯很關鍵胚胎早期的發育都由儲藏在卵母細胞中的mRNA控制。哺乳類動物胚胎在第一個細胞周期內就開始胚胎基因轉錄。如小鼠母體效應因子mRNA只能維持2天，以后很快降解，由胚胎基因轉錄的mRNA編碼新的蛋白質代替母體效應因子控制發育。細胞分化中翻譯后水平上的調控Activationbycleavingsomedomains,e.g,proinsulin;Controloffunctionsbysubcellularlocalization,e.g.,membraneproteins;Assemblywithotherproteins,e.g.,hemoglobin;Activationbybindingtoions,e.g.,calmodulin;Activationbymodifications,e.g.,phosphorylation.程序化細胞死亡受遺傳調控Programmedcelldeath(apoptosis)innormalpartofdevelopment,hemorphogenesisofthevertebratelimb,theinterdigitalcelldeathisessentialforseparatingthedigitsetc.由于體內外生理或病理因素觸發細胞內預存的死亡程序而導致的細胞主動死亡過程。【Conceptofapoptosis】程序化細胞死亡受遺傳調控Apoptosismaybetriggeredbyanexternalsignalorcellsmaybeprogrammedtodieunlesstheyreceiveaspecificsurvivalsignal.+cAMP、Ca2+、神經酰胺死亡信號凋亡誘導因素受體DNase激活、Caspases激活巨噬細胞吞噬分解凋亡細胞悉尼·布雷諾爾羅伯特·霍維茨約翰·蘇爾斯頓2002年諾貝爾生理與醫學獎獲得者（一）細胞凋亡過程（Theprocessofapoptosis）凋亡信號轉導

凋亡相關基因激活凋亡基因激活

凋亡的執行

凋亡細胞清除

細胞凋亡的過程與調控（Process&ofcellapoptosis）細胞凋亡異常程序化細胞死亡受遺傳調控ApoptosispathwaysinmammalsApoptoticsignalsaretransducedthroughBIDandBIMtocausethereleaseofpro-apoptoticfactorsfrommitochondriaeg.Cytochromec,triggersthecaspase-activationpathwayIntheabsenc