發(fā)育生物學——細胞分化的分子機制PPT精選文檔

1、細胞分化的分子機制細胞分化的分子機制指多細胞生物成長發(fā)育中，在一些內在機指多細胞生物成長發(fā)育中，在一些內在機制作用下，細胞在結構、形態(tài)、生理功能及生制作用下，細胞在結構、形態(tài)、生理功能及生化特征等方面逐漸產生化特征等方面逐漸產生穩(wěn)定性差異穩(wěn)定性差異，成為多種，成為多種不同的細胞類型，以形成個體不同的組織、器不同的細胞類型，以形成個體不同的組織、器官和系統(tǒng)。官和系統(tǒng)。 細胞分化細胞分化細胞分化細胞分化l Cell differentiation involves the gradual emergence of cell types that have a clear-cut identity

2、in the adult, such as nerve cells, fat cellsl Differentiated cells serve specialized functions and have achieved a usually stable state.發(fā)育過程中細胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐發(fā)育過程中細胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐漸受限制的過程漸受限制的過程細胞的全能性細胞的全能性 (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能力重新形成完整的個體，或者分化

3、形成該個體任何種類的細胞。此特性稱為類的細胞。此特性稱為“細胞全能性細胞全能性”。細胞的全能性細胞的全能性 (totipotent)：受精卵受精卵 、8 8細胞期前的胚胎細胞是全能細胞。細胞期前的胚胎細胞是全能細胞。多潛能細胞多潛能細胞 (pluripotent)：發(fā)育潛能有一定局限性，：發(fā)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、粒細胞等化成為淋巴細胞、單核細胞、粒細胞等分化細胞分化細胞 (differentiated cell)： 僅具有分化形成某一僅具有分化形成某一種類型細胞的能力。種類型

4、細胞的能力。 分化過程：全能分化過程：全能 多能多能 分化細胞分化細胞發(fā)育過程中細胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐發(fā)育過程中細胞分化經(jīng)歷一個分化能力逐漸受限制的過程漸受限制的過程細胞分化細胞分化l 細胞由未特化狀態(tài)分化成不同細胞類型最初發(fā)細胞由未特化狀態(tài)分化成不同細胞類型最初發(fā)生在胚胎發(fā)育的過程中，而在出生后直到成體的生在胚胎發(fā)育的過程中，而在出生后直到成體的整個階段都會持續(xù)進行。整個階段都會持續(xù)進行。特化細胞的性質是基因特化細胞的性質是基因特定表達模式的結果，特定表達模式的結果，不同基因表達模式?jīng)Q定特不同基因表達模式?jīng)Q定特定蛋白的合成。定蛋白的合成?！疤囟ɑ虮磉_模式是如何形成特定基因表達模式是如何

5、形成的的”是細胞分化的中心問題。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特定基因的表達按照嚴格的時間順序時間順序發(fā)發(fā)生，同時，同一基因產物在不同的組織器生，同時，同一基因產物在不同的組織器官表達數(shù)量不同，不同的產物蛋白又分布官表達數(shù)量不同，不同的產物蛋白又分布于不同的細胞或組織器官于不同的細胞或組織器官。 細胞分化是基因按一定時空細胞分化是基因按一定時空順序表達的結果，這種在個順序表達的結果，這種在個體發(fā)育過程中不同的基因按體發(fā)育過程中不同的基因按照一定的時空順序被激活的照一定的時空順序被激活的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為“基因的差

6、異表基因的差異表達達”。成纖維細胞被加入肌源蛋白后分化成纖維細胞被加入肌源蛋白后分化為肌細胞為肌細胞細細胞胞分分化化的的機機理理細胞分化細胞分化l 細胞分化是基因差異性表達的結果：細胞分化是基因差異性表達的結果： - 細胞內環(huán)境的差異：細胞內環(huán)境的差異：細胞的不對稱分裂使姐妹細胞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。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l 細胞分化是基因差異性表達的結果：細胞分化是基因差異性表達的結果： - 細胞外環(huán)境的影響：細胞

7、外環(huán)境的影響：鄰近細胞間的相互關系；細鄰近細胞間的相互關系；細胞外信號胞外信號 (cell-surface proteins, hormones, polypeptide cytokines and molecules of the extracellular matrix) 在分化過程中可誘發(fā)細胞內信在分化過程中可誘發(fā)細胞內信號通路，影響基因表達。號通路，影響基因表達。應用應用DNA microarrays 研究基因表達研究基因表達l High output screening genes expressed differently in different tissues or at di

8、fferent stages in development奢侈基因與管家基因奢侈基因與管家基因l 生物體細胞中含有決定生長分裂和分化的全部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，可將這些基因分為信息，按其與細胞分化的關系，可將這些基因分為兩大類：兩大類：奢侈基因奢侈基因和和管家基因管家基因 奢侈基因奢侈基因 (luxury gene): 編碼細胞特異性蛋白，與各種分化細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。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

9、等的基因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。屬此類。 奢侈基因與管家基因奢侈基因與管家基因 管家基因管家基因 (house keeping gene)，這類基因的表達，這類基因的表達產物為細胞生命活動持續(xù)需要和必不少，但與細胞分產物為細胞生命活動持續(xù)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(xié)助作用?；年P系不大，在細胞分化中只起協(xié)助作用。如如tRNA，rRNA基因，催化能量代謝的各種酶系，三基因，催化能量代謝的各種酶系，三羧酸循環(huán)中各種酶系等。羧酸循環(huán)中各種酶系等。 從分子層次看，細胞分化主要是從分子層次看，細胞分化主要是奢侈奢侈基因中某種（或某些）特

10、定基因選擇基因中某種（或某些）特定基因選擇性表達的結果性表達的結果。某些基因的選擇性表。某些基因的選擇性表達合成了執(zhí)行達合成了執(zhí)行特定功能的蛋白質特定功能的蛋白質，從，從而產生特定的分化細胞類型。而產生特定的分化細胞類型。 基因活性狀態(tài)的可逆性基因活性狀態(tài)的可逆性從單個合子核發(fā)育為不同類型細胞從單個合子核發(fā)育為不同類型細胞，基因活性譜發(fā)生了改變，基因活性譜發(fā)生了改變，這種改變這種改變是否涉及遺傳物質的改變？是否涉及遺傳物質的改變？（Steward,1970年）年）分化細胞的細胞核具有支持胚胎發(fā)育能力分化細胞的細胞核具有支持胚胎發(fā)育能力細胞核移植實驗證明：細胞核移植實驗證明：A A：分化中遺傳物

11、質沒有發(fā)生不可逆改變；分化中遺傳物質沒有發(fā)生不可逆改變；B B：細胞質中含有決定核內基因活性譜的控制因子。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(fā)育能力分化細胞的細胞核具有支持胚胎發(fā)育能力l Cloning by nuclear transfer: Nuclei from cells of the same blastula are transferred into enucleated egg. The frogs that develop are clones as they all have the same genetic constitution. l

12、 The first mammal to be cloned, a lamb, the DollyDolly治治療療性性克克隆隆這些實驗說明這些實驗說明：-即使是終末分化細胞，其細胞核同樣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(fā)育為完整也包含全部的遺傳信息，即具有發(fā)育為完整個體的個體的“全能性全能性”。細胞融合能改變分化細胞基因表達活性的模式細胞融合能改變分化細胞基因表達活性的模式l Cell fusion shows the reversibility of gene inactivation during differentiation: the inactivati

13、on of muscle-specific genes in human liver cells is not irreversible. l The pattern of gene expression in differentiated cells can be changed, controlled by factors present in the cytoplasm.轉分化能改變細胞的分化狀態(tài)轉分化能改變細胞的分化狀態(tài)l Transdifferentiation: the change of one differentiated cell type into another. Gen

14、erally, culture condition; to a developmentally related cell type 細胞分化狀態(tài)是可以改細胞分化狀態(tài)是可以改變的：變的：雞視網(wǎng)膜表皮色素雞視網(wǎng)膜表皮色素細胞在含透明質酸酶、血細胞在含透明質酸酶、血清、苯硫脲的條件下培養(yǎng)清、苯硫脲的條件下培養(yǎng)后轉變?yōu)榫铙w細胞。后轉變?yōu)榫铙w細胞。轉分化能改變細胞的分化狀態(tài)轉分化能改變細胞的分化狀態(tài)成纖維細胞轉分化為其他類型的細胞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(tài)轉分化能改變細胞的分化狀態(tài)轉分化現(xiàn)象說明發(fā)育命運已經(jīng)決定的細胞，仍然轉分化現(xiàn)象說明發(fā)育命運已經(jīng)決定的細胞，仍然具有

15、分化成為其他細胞的潛能具有分化成為其他細胞的潛能抗體分子的結構抗體分子的結構e.g., 脊椎動物免疫系統(tǒng)脊椎動物免疫系統(tǒng)DNA的不可逆改變導致的細胞分化的不可逆改變導致的細胞分化抗體變異的分子基礎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(fā)生了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(fā)生了改變：原來胚胎細胞中不相連的改變：原來胚胎細胞中不相連的DNA片段，通過切掉一些片段，通過切掉一些DNA片段，重新裝配成抗體輕鏈和重鏈可變區(qū)基因。片段，重新裝配成抗體輕鏈和重鏈可變區(qū)基因。在發(fā)育的不同階段，不同基因處于不同的活性狀態(tài)。在發(fā)育的不同階段，不同基因處于不同的活性狀

16、態(tài)。 一個轉錄因子可以調控其它許多基因的活性，但其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：作用取決于多個因素：H 靶基因是否含有其調控區(qū)；靶基因是否含有其調控區(qū)；H 其本身是否處于活化狀態(tài)其本身是否處于活化狀態(tài) (e.g., 是否磷酸化是否磷酸化)；H 其本身是否結合了其它調控因子。其本身是否結合了其它調控因子。H 調控區(qū)是否結合了其它的調控因子調控區(qū)是否結合了其它的調控因子基因活性狀態(tài)的維持和傳遞決定于基因活性狀態(tài)的維持和傳遞決定于調控蛋白和調控蛋白和DNA的修飾的修飾基因表達活性模式的維持基因表達活性模式的維持l A central feature of cell

17、differentiation is that some genes are maintained in an active state, while others are repressed and inactive.l genes encoding gene-regulatory proteins can affect the activity of several other genes: transcription factors can activate or repress the activity of genes by binding to their control regi

18、ons. l One way of keeping a gene active is for the gene products itself to act as the positive regulatory protein: positive feedback, eg. Muscle-cell differentiation, the product of the myoD gene acts as an activator of myoD expression.維持細胞基因活性狀態(tài)依賴調控因子的連續(xù)存在維持細胞基因活性狀態(tài)依賴調控因子的連續(xù)存在l Chromatin that is pa

19、ckaged to a structure that cannot be transcribed is called heterochromatinl Changes in the packing state of chromatin can be inherited through many cell divisions and can keep genes inactive, eg. X-chromosome inactivation- in female mammals, one of the two X chromosomes is inactivated and becomes hi

20、ghly condensed heterochromatin early in embryogenesis基因活性狀態(tài)與染色質的結構有關基因活性狀態(tài)與染色質的結構有關X-chromosome inactivationl Inactive X-chromosome shows a different physical state from that in the active one, the Barr body in the interphase nucleus of a female human cell.哺乳動物失活的哺乳動物失活的X染色體在生殖細胞形成時才重染色體在生殖細胞形成時才重新恢

21、復活性狀態(tài)，保持完整的遺傳信息。新恢復活性狀態(tài)，保持完整的遺傳信息?；蚧钚誀顟B(tài)與基因活性狀態(tài)與DNA的化學修飾的化學修飾有關有關l Many cytosine bases occurring CG pairs in vertebrate DNA are methylated. l When the DNA replicated, the new complementary strand lacks methylation but can be recognized by methylating enzyme基因活性狀態(tài)與基因活性狀態(tài)與DNA的化學修飾的化學修飾有關有關DNA甲基化甲基化 在在

22、DNA復制后，由甲基化酶將復制后，由甲基化酶將S-腺苷甲硫氨酸的腺苷甲硫氨酸的甲基轉移到胞嘧啶的甲基轉移到胞嘧啶的5-C上完成對堿基的修飾，甲基上完成對堿基的修飾，甲基化位置上可阻止轉錄因子與化位置上可阻止轉錄因子與DNA結合。結合。 越是活躍的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，當某些基因表達完成后，越高。在發(fā)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。的甲基化可能參與了基因的關閉過程。Inheritance of the pattern of methylation on DN

23、Al An epigenetic state of DNA methylation can be maintained across cell generations.Post-translational modification of histone proteinsl The histone in chromatin can undergo modification such as methylation, acetylation, or phosphorylation on specific amino-acid residues, and can change the properti

24、es of chromatin, eg, histone methylation is more characteristic of transcriptionally silent heterochromation. l Epigenetic changes such as DNA methylation, histone acetylation, and histone methylation can exert their effect on chromation structure and gene expression.Post-translational modification

25、of histone proteinsHISTONE ACETYLATION & CHROMATIN REMODELING細胞分化中差異基因的調控機制Gene expression差異差異基因表達的調基因表達的調控控l DNA的化學修飾的化學修飾、轉錄因轉錄因子的作用、子的作用、RNA splicing、蛋白的翻譯后調控蛋白的翻譯后調控RNA splicingmicroRNAPost-translational modification真核細胞基因表達調節(jié)的多重性真核細胞基因表達調節(jié)的多重性 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-specif

26、ic gene express is controlled by regulatory regionsl Normally, growth hormone is made only in the pituitary, and elastase only in pancreasl Human GH is made in the pancreas under the control of the mouse elastase promoter.轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要組織特異性轉錄調節(jié)因子轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要組織特異性轉錄調節(jié)因子Gene expression is r

27、egulated by the coordinated action of gene-regulatory proteins that bind to control regions in DNA l The transcription machinery, composed of RNA polymerase and the general transcription factors that bind to the promoter region, is common to many cells 轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要組織特異性轉錄調節(jié)因子轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要

28、組織特異性轉錄調節(jié)因子l A transcription factor interacting with its cis control element轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要組織特異性轉錄調節(jié)因子轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要組織特異性轉錄調節(jié)因子l Other regulatory regions, which have to be bound by gene-regulatory proteins (activators or repressors) before transcription can occur, are located adjacent to the

29、promoter and usually further upstream of the gene, such as enhancer.l 3000 transcription factors in the human genome. 5 different factors act together at any particular control region. 轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要組織特異性轉錄調節(jié)因子轉錄調控既需要基本轉錄調節(jié)因子也需要組織特異性轉錄調節(jié)因子l Co-activators, which link the transcription machinery t

30、o the activators and repressor proteins that bind to specific sites such as enhancer. e.g., CBP (a histone acetyltransferase), regulates the chromatinl Trans-acting elements: encoded transcription factors that interact with cis-acting elements, either directly through DNA binding or indirectly throu

31、gh protein-protein interactions.轉錄調控中蛋白因子之間的相互作用轉錄調控中蛋白因子之間的相互作用外部信號對基因轉錄的激活作用外部信號對基因轉錄的激活作用Intracellular signal transduction by which signals received at the cell membrane can alter gene express: growth factors such as FGF and EGF; binding of the signal molecule to the cell-surface receptor sets in

32、 train an intracellular cascade of protein phosphorylations外部信號對基因轉錄的激活作用外部信號對基因轉錄的激活作用甾類激素甾類激素(Steroid hormones)以兩種方式激活基因的轉錄：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(qū)上，但受體在激素進入細胞前就結合在靶基因調控區(qū)上，但 只有當激素與該受體結合后才激活轉錄。只有當激素與該受體結合后才激活轉錄。 E.g. , Thyroid hormones B：激素先與胞質中其受體結合，再進入核激活轉錄。激素先與胞質中其受體結合，再進入核激活轉錄。 E.g.

33、 , glucocorticoid.Summaryl 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(包括結合包括結合RNA聚合酶的轉錄起始位點鄰近的啟動子區(qū)域、更遠處調控基因的組聚合酶的轉錄起始位點鄰近的啟動子區(qū)域、更遠處調控基因的組織專一或發(fā)育階段特異性表達的調控位點織專一或發(fā)育階段特異性表達的調控位點)。順式調控上調控位順式調控上調控位點與不同調節(jié)蛋白結合的組合形式?jīng)Q定基因是否表達。點與不同調節(jié)蛋白結合的組合形式?jīng)Q定基因是否表達。l 蛋白生長因

34、子、激素等胞外信號本身不能進入細胞，但是可通蛋白生長因子、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；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轉錄因子與特定DNA調控元件結合影響基因表達。調控元件結合影響基因表達。l 分化細胞中基因表達模式一旦建立，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時間并能傳遞到子代細胞中。

35、維持這種機制包括基因調控蛋白的持續(xù)表達和作用、持續(xù)表達和作用、DNA和組蛋白化學修飾造成的染色質結構和和組蛋白化學修飾造成的染色質結構和特性的長時期區(qū)域性的變化。特性的長時期區(qū)域性的變化。轉錄調控細胞分化的幾個模型單向分化：肌細胞分化單向分化：肌細胞分化涉及轉錄因子的次序表達涉及轉錄因子的次序表達MyoD及其它及其它MRF(muscle-related factors)與與其它非組織特異性其它非組織特異性bHLH蛋白如蛋白如E2A結合而成的異源二聚體，以及結合而成的異源二聚體，以及MEF (muscle-enhancer factors)同源二聚體，在調控元件同源二聚體，在調控元件E-box或

36、或MEF-box或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。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肌細胞分化與細胞周期A：分裂中的成肌細胞不能分化：分裂中的成肌細胞不能分化B：分化中的肌細胞不能分裂：分化中的肌細胞不能分裂 Muscle (Loss of FGF receptors) Proliferation Differentiation Proliferation differentiation C Cy yc cl li in n D D1 1 MyoD C Cy yc cl li in n D D1 1 MyoD C Cd dk k 4

37、4 C Cd dk k4 4 FGFs p21 p21珠蛋白在發(fā)育中的表達調控受位于其編碼區(qū)很遠珠蛋白在發(fā)育中的表達調控受位于其編碼區(qū)很遠的調控序列的影響的調控序列的影響何時表達何種何時表達何種-珠蛋白，決定于結合在特定珠蛋白基因的啟珠蛋白，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動子上的轉錄因子與結合在LCR上的因子之間的親和力。例上的因子之間的親和力。例如，如，敲除敲除 -globin基因的啟動子和基因的啟動子和3 enhancer后，成年后，成年小鼠的紅細胞中仍含大量的小鼠的紅細胞中仍含大量的 -globin; EKLF是是 -珠蛋白啟動珠蛋白啟動子結合的轉錄因子，子結合的

38、轉錄因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表達小鼠成年之后仍表達 -和和 -珠珠蛋白。蛋白。細胞分化中細胞分化中RNA加工水平上的調控加工水平上的調控RNA加工前三個胚層中的加工前三個胚層中的RNA量無差異量無差異。Ect En/mes加工后的加工后的RNA主要存在于外胚層中。主要存在于外胚層中。核酸保護實驗核酸保護實驗(放射性放射性intron或或exon探探針與總針與總RNA雜交后再雜交后再RNase消化消化)表明表明：海膽鈣結合蛋白基因海膽鈣結合蛋白基因CyIIIa在原腸胚在原腸胚的外胚層中表達的外胚層中表達核酸核酸run-on (在膜上固定在膜上固定intron序列與放射性序列與放射性RN

39、A探針雜交探針雜交) 實實驗表明：驗表明：Spec1基因在原腸胚的內、中、外胚層細胞核中都表達基因在原腸胚的內、中、外胚層細胞核中都表達，但成熟的，但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚層中。只存在于外胚層中。同一基因的初級轉錄物經(jīng)選擇性拼接可產同一基因的初級轉錄物經(jīng)選擇性拼接可產生不同的成熟生不同的成熟RNA細胞分化中翻譯細胞分化中翻譯水平上的調控水平上的調控mRNA壽命的調控壽命的調控不同基因的不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其的半衰期不同，主要受其3UTR控控制。制。短壽命短壽命mRNA的的3UTR通常含有一個或多個通常含有一個或多個AU富富集區(qū)集區(qū)，其作用是促進，其作用是促進P

40、oly(A)降解。降解。激素促進轉錄和增加激素促進轉錄和增加mRNA壽命壽命早期發(fā)育中母體效應因子的影響早期發(fā)育中母體效應因子的影響H 胚胎早期的發(fā)育主要由卵母細胞中的母體效應因子胚胎早期的發(fā)育主要由卵母細胞中的母體效應因子(maternal effect factor)所控制所控制。H 卵母細胞通過儲藏的卵母細胞通過儲藏的mRNA調控早期發(fā)育，直到受調控早期發(fā)育，直到受精后才進行翻譯。精后才進行翻譯。 - 用轉錄抑制劑放線菌素用轉錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍能進行至囊胚期能進行至囊胚期 - 用蛋白質翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止用蛋白質翻譯

41、抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止發(fā)育。發(fā)育。卵母細胞中儲藏性卵母細胞中儲藏性mRNA卵母細胞中卵母細胞中mRNA的的 翻譯調控機制翻譯調控機制H mRNA masking (掩蔽掩蔽): mRNA與其它蛋白結合成與其它蛋白結合成ribonucleoprotein (RNP) complex,阻止與阻止與ribosome結合；卵成熟或受精后，離子強度改變或結合；卵成熟或受精后，離子強度改變或蛋白磷酸化等導致蛋白磷酸化等導致RNP解體，翻譯得以進行。解體，翻譯得以進行。H 5 Cap(7-甲基鳥苷酸甲基鳥苷酸)的調控：的調控：如某些種類的如某些種類的moths，其卵中的部分其卵中的部分mRNA

42、的的5-鳥苷酸在受精后鳥苷酸在受精后才甲基化，然后開始翻譯。才甲基化，然后開始翻譯。卵母細胞中卵母細胞中mRNA的的 翻譯調控機制翻譯調控機制H mRNA sequester: 指指mRNA被阻隔于蛋白合成裝被阻隔于蛋白合成裝置。如海膽未受精卵的置。如海膽未受精卵的histone mRNA定位于原核定位于原核中，受精后原核破裂，中，受精后原核破裂，mRNA才能進入胞質開始翻才能進入胞質開始翻譯。譯。H 翻譯效率的調控：翻譯效率的調控：如將海膽卵母細胞裂解液的如將海膽卵母細胞裂解液的pH從從自然狀態(tài)下的自然狀態(tài)下的pH6.9提高到提高到(受精后自然狀態(tài)下的受精后自然狀態(tài)下的) pH7.4,蛋白質

43、合成量急劇增加。受精后蛋白質合成量急劇增加。受精后pH升高的作升高的作用可能包括去除用可能包括去除mRNA的封閉蛋白和激活翻譯起始的封閉蛋白和激活翻譯起始因子。因子。Poly(A)對翻譯的調控：對翻譯的調控： 在小鼠的未成熟卵母細在小鼠的未成熟卵母細胞質中可以翻譯的胞質中可以翻譯的mRNA具具有較長的有較長的poly(A), 減數(shù)成減數(shù)成熟分裂后熟分裂后poly(A)降解，翻降解，翻譯終止。譯終止。 在減數(shù)成熟分裂前不表在減數(shù)成熟分裂前不表達的達的mRNA的的poly(A)較短較短(15-90A), 但其但其3UTR具具有胞質多聚腺苷酸化信號序有胞質多聚腺苷酸化信號序列列(CPEs)(UUUU

44、AU in mice and frogs)。減數(shù)成減數(shù)成熟分裂后這些熟分裂后這些 mRNA迅速迅速加上一個長的加上一個長的polyA,開始翻開始翻譯。譯。 poly(A)“尾巴尾巴”的獲得對的獲得對儲藏的卵母細胞儲藏的卵母細胞mRNA開始開始翻譯很關鍵翻譯很關鍵H 胚胎早期的發(fā)育都由儲藏在卵母細胞中的胚胎早期的發(fā)育都由儲藏在卵母細胞中的mRNA控控制制。H 哺乳類動物胚胎在第一個細胞周期內就開始胚胎基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因轉錄。如小鼠母體效應因子mRNA只能維持只能維持2天天，以后很快降解，由胚胎基因轉錄的，以后很快降解，由胚胎基因轉錄的mRN

45、A 編碼新編碼新的蛋白質代替的蛋白質代替母體效應因子控制發(fā)育母體效應因子控制發(fā)育。細胞分化中翻譯后細胞分化中翻譯后水平上的調控水平上的調控HActivation by cleaving some domains,e.g, proinsulin;HControl of functions by subcellular localization, e.g., membrane proteins;HAssembly with other proteins, e.g., hemoglobin;HActivation by binding to ions, e.g., calmodulin; HActi

46、vation by modifications, e.g., phosphorylation.程序化細胞死亡受遺傳調控程序化細胞死亡受遺傳調控l Programmed cell death (apoptosis) in normal part of development, e.g. in the morphogenesis of the vertebrate limb, the interdigital cell death is essential for separating the digits etc.程序化細胞死亡受遺傳調控程序化細胞死亡受遺傳調控l Apoptosis may b

47、e triggered by an external signal or cells may be programmed to die unless they receive a specific survival signal.凋亡信號轉導凋亡信號轉導 凋亡基因激活凋亡基因激活 凋亡的執(zhí)行凋亡的執(zhí)行 凋亡細胞清除凋亡細胞清除 程序化細胞死亡受遺傳調控程序化細胞死亡受遺傳調控Apoptosis pathways in mammalsl Apoptotic signals are transduced through BID and BIM to cause the release of pro

48、-apoptotic factors from mitochondria eg. Cytochrome c, triggers the caspase-activation pathwayl In the absence of apoptotic signals, cell death is inhibited by Bcl-2.基因表達的可塑性基因表達的可塑性l Stem cells both self-renew and give rise to a wide variety of cell types, which is of great importance, as it offers

49、 the possibility of using stem cells to replace cells that have been damaged or lost in human disease. l How genes can be controlled in stem cells to give the desired cell type? How multipotent stem cells are?l How plastic is the pattern of gene activity? 培養(yǎng)的胚胎干細胞能增殖分化成多種細胞類型培養(yǎng)的胚胎干細胞能增殖分化成多種細胞類型l Totipotent stem cells in mammals: ES cells derived from the inner cell massl ES cells: express transcription factor Oct4; exposed to the cytokine leukemi