Developmental Biology
第六章 发育中细胞分化机制
Developmental Biology
细胞分化 是指同群结构与功能相同的细胞发生一系列的内外
变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。分化过程涉及形态
结构的变化、基因活性状态变化、细胞内物质组成的变化和功
能的变化。
细胞分化的 主要特点 包括：
? 基因表达上的变化，导致组织特异性蛋白的产生；
? 不同细胞在蛋白质组成上的差异导致细胞结构的不同；改
变其组成就可改变其形状，如 MyoD转化；
? 在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测；
? 分化是渐进过程，进入终端分化的细胞往往不再分裂，
而终端分化后能够继续分裂的细胞可以维持和传递
终端分化状态；
? 细胞分化由许多细胞外信号 (如细胞表面蛋白、分泌蛋白 )
控制。
一、概念
Developmental Biology
二、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？
Developmental Biology
1,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。
细胞核移植实验也发现，某些类型细胞的核不能代替爪蟾卵
的核,说明这些细胞分化后完全丧失了细胞分裂能力。
Developmental Biology
Dolly and her foster mother
Developmental Biology 动物克隆的程序
Developmental Biology
2,细胞融合实验也证明了分化中遗传物质改变的可逆性
A,人肝细胞与大鼠肌细胞的融合实验
Developmental Biology
3,细胞分化状态是可以改变的
e.g.,两栖类肢体再生中肌细胞可转变为骨细胞；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体状细
胞。
Developmental Biology
三,DNA的不可逆改变导致的细胞分化
e.g.,脊椎动物免疫系统
Developmental Biology
进入细胞中的抗原
(如病毒的肽段 )
寄主细胞 MHC
(a complex consisting
of ~20 proteins)
Developmental Biology
抗体分子的结构
Developmental Biology
抗体变异的分子基础
Developmental Biology
在发育的不同阶段，不同的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
四、基因活性状态的维持和传递决定
于调控蛋白和 DNA的修饰
Developmental Biology
维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在
Developmental Biology
基因活性状态与染色质的结构有关
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。
Developmental Biology
基因活性状态与 DNA的化学修饰 有关
Developmental Biology
五、细胞分化中基因的转录调控
(一 )、基因转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子
Developmental Biology
转录调控中蛋白因子之间的相互作用
Developmental Biology
(二 )、外源信号对基因转录的激活作用
甾类激素 (Steroid hormones)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.,glucocorticoid.
B,激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。
Thyroid hormones,RA的作用方式与此类似。
Developmental Biology
多肽激素类 (peptide hormones)通过受体传递信号
Developmental Biology
Stat
信
号
传
导
途
径
Developmental Biology TGF-b信号传导途径
Developmental Biology
He
dge
hog
信
号
传
导
途
径
Developmental Biology
Wn
t
信
号
传
导
途
径
Developmental Biology N
otc
h/D
elta
信
号
传
导
途
径
Developmental Biology
(三 )、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
Developmental Biology
MyoD及其它 MRF(muscle-related factors)与 其它非组织特异性 bHLH蛋白如 E2A结合
而成的异源二聚体，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，促进靶基因的转录。
Developmental Biology
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
M u scle
( L oss of F G F r e c e p t o r s)
P roli fera tion Diff e re ntia tion P roli fer a tion diff e re nti a tion
C ycli n D 1 M y o D Cycl in D1 My oD
C dk 4 Cdk 4
FG Fs p2 1 p2 1
Developmental Biology
哺乳动物造血
器官,胚胎卵
黄囊 → 胎儿肝
脏 → 成年个体
骨髓和胰脏。
鱼类造血器官：
胚胎 ICM → 成
年肾脏。
(Aorta-gonad-mesonephros region)
血液干细胞的多向分化
Developmental Biology
将正常小鼠的骨髓细胞移植到
照射后的小鼠中，受体的胰脏
表面出现多种不同的血细胞集
落。
Developmental Biology
血细胞分化 涉及一系列
生长因子和转录因子。
有关的生长因子有的由
血细胞或骨髓基质细胞分
泌，有的由其它组织分泌
(如 EPO主要由肾脏分泌 )。
有关的转录因子有的
是非组织特异性的 (如 c-
Myb)，有的是组织特异性
的 (如 SCL,GATA-2、
GATA-1)。
CD34 cells
Developmental Biology
Developmental Biology
珠蛋白基因的表达调控
珠蛋白基因的表达与血红蛋白的组成
(?2?2)
Developmental Biology
b-珠蛋白基因的结构
Developmental Biology何时表达何种 b-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 b-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 b-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。
Developmental Biology
六、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。
Ect En/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 Spec1 mRNA只存在于外胚层中。
Developmental Biology
同一基因的初级转录物经选择
性拼接可产生不同的成熟 RNA
Developmental Biology
七、细胞分化中翻译 水平上的调控
1,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。
Developmental Biology
mRNA降解性能的差异可以影响细胞的功能
C-fos mRNA 5’UTR coding sequence 3’UTR
成纤维细胞
肿瘤细胞
AU富集区
Developmental Biology
2,激素促进转录和增加 mRNA寿命
如 Prolactin仅提高牛的 casein基因转录水平 2
倍，但提高其 mRNA寿命 25倍。
Developmental Biology
3,
卵
母
细
胞
中mR
NA
的
翻
译
调
控
Developmental Biology
卵母细胞中 mRNA的 翻译调控机制
? mRNA masking,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。
? mRNA sequester,指 mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆
未受精卵的 histone mRNA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。
Developmental Biology
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)(UUUUAU in
mice and frogs)。 减数成
熟分裂后这些 mRNA迅速
加上一个长的 polyA,开始
翻译。
Developmental Biology
八、细胞分化中翻译后
水平上的调控
? Activation by cleaving some domains,e.g,proinsulin;
? Activation by removing protecting proteins,e.g.,Dorsal;
? Control of functions by subcellular localization,e.g.,
membrane proteins;
? Assembly with other proteins,e.g.,hemoglobin;
? Activation by binding to ions,e.g.,calmodulin;
? Activation by modifications,e.g.,phosphorylation.
第六章 发育中细胞分化机制
Developmental Biology
细胞分化 是指同群结构与功能相同的细胞发生一系列的内外
变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。分化过程涉及形态
结构的变化、基因活性状态变化、细胞内物质组成的变化和功
能的变化。
细胞分化的 主要特点 包括：
? 基因表达上的变化，导致组织特异性蛋白的产生；
? 不同细胞在蛋白质组成上的差异导致细胞结构的不同；改
变其组成就可改变其形状，如 MyoD转化；
? 在细胞分化的早期，不同细胞间的差异难以检测；
? 分化是渐进过程，进入终端分化的细胞往往不再分裂，
而终端分化后能够继续分裂的细胞可以维持和传递
终端分化状态；
? 细胞分化由许多细胞外信号 (如细胞表面蛋白、分泌蛋白 )
控制。
一、概念
Developmental Biology
二、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？
Developmental Biology
1,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。
细胞核移植实验也发现，某些类型细胞的核不能代替爪蟾卵
的核,说明这些细胞分化后完全丧失了细胞分裂能力。
Developmental Biology
Dolly and her foster mother
Developmental Biology 动物克隆的程序
Developmental Biology
2,细胞融合实验也证明了分化中遗传物质改变的可逆性
A,人肝细胞与大鼠肌细胞的融合实验
Developmental Biology
3,细胞分化状态是可以改变的
e.g.,两栖类肢体再生中肌细胞可转变为骨细胞；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体状细
胞。
Developmental Biology
三,DNA的不可逆改变导致的细胞分化
e.g.,脊椎动物免疫系统
Developmental Biology
进入细胞中的抗原
(如病毒的肽段 )
寄主细胞 MHC
(a complex consisting
of ~20 proteins)
Developmental Biology
抗体分子的结构
Developmental Biology
抗体变异的分子基础
Developmental Biology
在发育的不同阶段，不同的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
四、基因活性状态的维持和传递决定
于调控蛋白和 DNA的修饰
Developmental Biology
维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在
Developmental Biology
基因活性状态与染色质的结构有关
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。
Developmental Biology
基因活性状态与 DNA的化学修饰 有关
Developmental Biology
五、细胞分化中基因的转录调控
(一 )、基因转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子
Developmental Biology
转录调控中蛋白因子之间的相互作用
Developmental Biology
(二 )、外源信号对基因转录的激活作用
甾类激素 (Steroid hormones)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.,glucocorticoid.
B,激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。
Thyroid hormones,RA的作用方式与此类似。
Developmental Biology
多肽激素类 (peptide hormones)通过受体传递信号
Developmental Biology
Stat
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号
传
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途
径
Developmental Biology TGF-b信号传导途径
Developmental Biology
He
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Wn
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h/D
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Developmental Biology
(三 )、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
Developmental Biology
MyoD及其它 MRF(muscle-related factors)与 其它非组织特异性 bHLH蛋白如 E2A结合
而成的异源二聚体，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，促进靶基因的转录。
Developmental Biology
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
M u scle
( L oss of F G F r e c e p t o r s)
P roli fera tion Diff e re ntia tion P roli fer a tion diff e re nti a tion
C ycli n D 1 M y o D Cycl in D1 My oD
C dk 4 Cdk 4
FG Fs p2 1 p2 1
Developmental Biology
哺乳动物造血
器官,胚胎卵
黄囊 → 胎儿肝
脏 → 成年个体
骨髓和胰脏。
鱼类造血器官：
胚胎 ICM → 成
年肾脏。
(Aorta-gonad-mesonephros region)
血液干细胞的多向分化
Developmental Biology
将正常小鼠的骨髓细胞移植到
照射后的小鼠中，受体的胰脏
表面出现多种不同的血细胞集
落。
Developmental Biology
血细胞分化 涉及一系列
生长因子和转录因子。
有关的生长因子有的由
血细胞或骨髓基质细胞分
泌，有的由其它组织分泌
(如 EPO主要由肾脏分泌 )。
有关的转录因子有的
是非组织特异性的 (如 c-
Myb)，有的是组织特异性
的 (如 SCL,GATA-2、
GATA-1)。
CD34 cells
Developmental Biology
Developmental Biology
珠蛋白基因的表达调控
珠蛋白基因的表达与血红蛋白的组成
(?2?2)
Developmental Biology
b-珠蛋白基因的结构
Developmental Biology何时表达何种 b-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 b-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 b-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。
Developmental Biology
六、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。
Ect En/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 Spec1 mRNA只存在于外胚层中。
Developmental Biology
同一基因的初级转录物经选择
性拼接可产生不同的成熟 RNA
Developmental Biology
七、细胞分化中翻译 水平上的调控
1,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。
Developmental Biology
mRNA降解性能的差异可以影响细胞的功能
C-fos mRNA 5’UTR coding sequence 3’UTR
成纤维细胞
肿瘤细胞
AU富集区
Developmental Biology
2,激素促进转录和增加 mRNA寿命
如 Prolactin仅提高牛的 casein基因转录水平 2
倍，但提高其 mRNA寿命 25倍。
Developmental Biology
3,
卵
母
细
胞
中mR
NA
的
翻
译
调
控
Developmental Biology
卵母细胞中 mRNA的 翻译调控机制
? mRNA masking,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。
? mRNA sequester,指 mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆
未受精卵的 histone mRNA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。
Developmental Biology
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)(UUUUAU in
mice and frogs)。 减数成
熟分裂后这些 mRNA迅速
加上一个长的 polyA,开始
翻译。
Developmental Biology
八、细胞分化中翻译后
水平上的调控
? Activation by cleaving some domains,e.g,proinsulin;
? Activation by removing protecting proteins,e.g.,Dorsal;
? Control of functions by subcellular localization,e.g.,
membrane proteins;
? Assembly with other proteins,e.g.,hemoglobin;
? Activation by binding to ions,e.g.,calmodulin;
? Activation by modifications,e.g.,phosphorylation.
