第十一章 细胞分化(陈誉华)

活性染色质结构与基因转录：以血红蛋白表达为 例介绍。个体发育过程中血红蛋白的表达特点：脊椎 动物的血红蛋白由2条α-珠蛋白链和2条β-珠蛋白链组 成，其在个体发育不同时期表达不一样。
人 珠 蛋 白 基 因 结 构
血红蛋白选择性表达机制： 血红蛋白选择性表达机制： 在个体发育过程中依次有不同的β-珠蛋白基因的打 开和关闭，这与β-珠蛋白基因簇上游的基因座控制 区（locus control region, LCR）有关。 LCR距离ε基因的5’末端约10,000碱基对以上 ，可 使任何与它相连的β-家族基因高水平表达。
3.特定条件下已分化的细胞可转分化为另一种类型细胞 特定条件下已分化的细胞可转分化为另一种类型细胞 转分化的概念： 转分化的概念 ： 在高度分化的动物细胞中还可见 到另一种现象，即从一种分化状态转变为另一种分化 状态，这种情况称为转分化（transdifferentiation）。
必须指出的是，无论是动物还是植物，细胞分化 的稳定性是普遍存在的，而分化的可逆性，即发生细 胞的转分化或去分化是有条件的。
一、细胞分化的本质是基因组中不同基因 的选择性表达 二、细胞分化的基因表达调控主要发生在 转录水平 三、小RNA通过调控蛋白质基因的表达谱 RNA通过调控蛋白质基因的表达谱 来决定细胞分化
一、细胞分化的本质是基因组中不同基因 的选择性表达
1.基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律 基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律 细胞分化过程中一般并不伴有基因组的改变。 多细胞生物个体发育与细胞分化过程中，其基因组 DNA并不全部表达，而呈现选择性表达，它们按照 一定的时-空顺序，在不同细胞和同一细胞的不同 发育阶段发生差异表达（differential expression）。 细胞分化的本质： 细胞分化的本质：基因的选择性表达，一些基因处于 活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化。
二、细胞分化的方向由细胞决定来选择
1. 细胞决定先于细胞分化并制约着分化的方向 细胞决定(cell determination)：在个体发育过程中， 细胞决定 ： 细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来 的发育命运，只能向特定方向分化的状态。 原肠期的三胚层形成时，形成各器官的预定区已 经确定，只能按一定的规律发育分化成特定的组织、 器官和系统 。
第十一章 细胞分化 (cell differentiation)
内容
第一节 细胞分化的基本概念 第二节 细胞分化的分子基础 第三节 细胞分化的影响因素 第四节 细胞分化的医学意义
第一节 细胞分化的基本概念
一、细胞分化贯穿于多细胞生物个体发 育的全过程 二、细胞分化具有高度的稳定性 三、细胞分化的方向由细胞决定所选择 四、已分化的细胞在特定条件下可发生 去分化和转分化 五、细胞分化的时-空性 六、细胞分化与细胞的分裂状态和速度 相适应
3.终末分化细胞的细胞核具有全能性 终末分化细胞的细胞核具有全能性 全能性细胞核（totipotent nucleus）：终末分化细 胞的细胞核仍然具有全能性。 证明细胞核全能性的实验——核移植实验。 ⑴ 爪蟾核移植实验
哺乳动物核移植实验——“多莉”（Dolly）羊的诞生 多莉” ⑵ 哺乳动物核移植实验 多莉 ）
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⑴DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达 甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达 甲基化概念 ① DNA甲基化概念 甲基化 在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞嘧啶可 转变成5-甲基胞嘧啶，这称为DNA甲基化。 分布：常见于富含CG二核苷酸的CpG岛，主要集中 分布 ： 于异染色质区，其余则散在于基因组中。 含量： 含量：哺乳动物基因组中约70%～80%的CpG位 点是甲基化的。 作用： 作用 ： DNA的甲基化位点阻碍转录因子结合， 甲基化程度越高，DNA转录活性越低。
细胞分裂和细胞分化是多细胞生物个体发育 过程中的两个重要事件，两者之间有密切的联系。 通常细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化 细胞分化发生于细胞分裂的G1期，当G1期很短或 几乎没有G1期时，细胞分化减慢。 细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度 减慢——个体生长发育的一般规律。
第二节 细胞分化的分子基础
组蛋白的化学修饰将引起局部染色质结构的改 变，并进而决定了转录因子是否能够与基因表达调 控区结合；基因活化蛋白一方面通过组蛋白修饰导 致染色质结构改变，另一方面还可募集依赖于ATP 的染色质重塑复合体，使启动子部位的核小体舒展 开。
基因活化蛋白引导的 染色质局部结构改变
4.同源异形框基因规划机体前－ 4.同源异形框基因规划机体前－后体轴结构的 同源异形框基因规划机体前 分化与发育蓝图 同源异形框基因：广泛存在于从酵母到人类的各种 真核 生 物中 的 基因 ， 其特 点 是基因 中存在 共同的 180bp的DNA片段，编码高度同源的60个氨基酸。这 个 共 同 的 180bp DNA 片 段 被 称 为 同 源 异 形 框 （homeobox），含有同源异形框的基因谓之同源异 形框基因（homeobox gene），如果蝇的HOM 基因， 动物和人类的Hox基因。 同源异形域蛋白：由同源异形框基因编码的蛋白称 为同源异形域蛋白（homeodomain protein）。
2. 基因组改变是细胞分化的特例 基因组扩增： 基因组扩增 ： 见于果蝇的腺细胞和卵巢滤泡细胞， 染色体多次复制，形成多倍体（polyploid）和多线 体（polyteny）。 基因组丢失： 基因组丢失 ： 在马蛔虫发育过程中，只有生殖细胞 得到了完整染色体，而体细胞中的染色体只是部分 染色体片段。哺乳动物（除骆驼外）的红细胞以及 皮肤、羽毛和毛发的角化细胞则丢失了完整的核。 基因重排： 基因重排 ： 在B淋巴细胞分化过程中，DNA通过体 细胞重组（somatic recombination）, 使DNA序列中 不同部位的部分基因片段连接在一起，组成产生抗 体mRNA的DNA序列。
三、已分化的细胞在特定条件下可发生 去分化和转分化
1.细胞分化具有高度的稳定性 细胞分化的稳定性（ 细胞分化的稳定性 （ stability） ： 是指在正常生 ） 理条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞 一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分 化细胞。已分化的终末细胞在形态结构和功能上保持 稳定是个体生命活动的基础。 2.已分化的细胞可发生去分化 去分化的概念： 去分化的概念：一般情况下，细胞分化过程是不 可逆的。然而在某些条件下，分化了的细胞也不稳定， 其基因活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未 分 化 状 态 ， 这 一 变 化 过 程 称 为 去 分 化 (dedifferentiation)。
1.动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向 动物胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向
脊椎动物细胞分化示意图
2.细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄” 细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄” 细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐 全能（ 细胞： 全能 （ 干 ） 细胞 ： 在一定条件下，能够分化发育 成为完整个体的细胞，如哺乳动物桑葚胚的8细胞期 之前的细胞 。 多能（ 细胞： 多能 （ 干 ） 细胞 ： 在胚胎发育的三胚层形成后， 细胞的分化潜能受到限制，仅能向本胚层组织和器官 方向分化发育的细胞。 经过器官发生，各种组织细胞的命运最终确定， 呈单能化 单能化。 单能化 细胞分化的一般规律： 细胞分化的一般规律 ： 在胚胎发育过程中，细胞 逐渐由“全能”到“多能”，最后向“单能”的趋向。
LCR控制的 珠蛋白基因活化的可能机制 控制的β-珠蛋白基因活化的可能机制 控制的
2. 一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特定谱系细 胞的分化 细胞分化主导基因的概念： 细胞分化主导基因的概念： 细胞分化中基因活化的一种方式是，作为转录因 子的基因产物本身起正反馈调节蛋白作用。由此 维持一系列细胞分化基因的活动只需要激活基因 表达的起始事件，即特异地参与某一特定发育途 径的起始基因。 该基因一旦打开，它就维持在活化状态，表现为 能充分的诱导细胞沿着某一分化途径进行，从而 导致特定谱系细胞的发育。具有这种正反馈作用 的起始基因通常称为细胞分化主导基因（master control gene）。
人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化 人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化
甲基化导致基因失活/沉默的可能机制 ② DNA 甲基化导致基因失活 沉默的可能机制 甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结合位 点的 结合； 特异的转录抑制因子直接与甲基化DNA结合； 染色质结构的改变。
组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与DNA ⑵ 组蛋白的乙酰化和去乙酰化影响转录因子与 的结合 组蛋白中被修饰氨基酸的种类、位置和修饰类型 被称为组蛋白密码（histone code），它决定了染 色质转录活跃或沉默的状态。 组蛋白乙酰化：在组蛋白乙酰基转移酶作用下， 于组蛋白N-端尾部的赖氨酸加上乙酰基。 乙酰化的作用：在大多数情况下，组蛋白乙酰化 有利于基因转录。低乙酰化的组蛋白通常位于非 转录活性的常染色质区域或异染色质区域。
细胞决定实验 示意图
2. 细胞决定具有遗传稳定性 细胞决定表现出遗传稳定性。典型的例子是果蝇 成虫盘细胞的移植实验。 在果蝇研究中发现，有时某种培养的成虫盘细胞 会出现不按已决定的分化类型发育，而是生长出不是 相应的成体结构，发生了转决定 （transdetermination）。
果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验
例如，在哺乳动物的成肌细胞向肌细胞分化过程中，
myoD基因起重要作用。
脊椎动物骨骼肌细胞分化机制
3. 染色质成分的共价修饰制约基因的转录 染色质成分的共价修饰包括： DNA的甲基化； 组蛋白的乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、糖 基化和羰基化。 DNA和组蛋白的修饰都会引起染色质结构和基因转 录活性的变化。染色质成分的共价修饰在基因转录 调控上的作用是可遗传的。
二、细胞分化的基因表达调控主要发生在 转录水平
1.组织细胞特异性转录因子和活性染色质结构区决定 组织细胞特异性转录因子和活性染色质结构区决定 了细胞特异性蛋白的表达 与基因表达的调控区相互作用的转录因子分两大类： 通用转录因子： 通用转录因子：为大量基因转录所需要并在许多 细胞类型中都存在的因子。 组织细胞特异性转录因子：为特定基因或一系列 组织细胞特异性转录因子 组织特异性基因所需要，并在一个或很少的几种细胞 类型中存在的因子。 通情况下，细胞特异性的基因表达是由于仅存于 那种类型细胞中的组织细胞特异性转录因子与基因的 调控区相互作用的结果。
四、细胞分化的时-空性 细胞分化的时在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上 的分化，也有空间上的分化。 一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结 构和功能，即时间上的分化； 同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位 置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态和 功能，即空间上的分化。
五、细胞分裂与细胞分化
奢侈基因（ ）：编码组织细胞特异性蛋 奢侈基因（luxury gene）： ）： 白的基因。 奢侈蛋白： 奢侈蛋白 ： 由奢侈基因编码，仅存在于特定的分化 细胞中，赋予分化细胞不同特征的特异性蛋白。如 红细胞中的血红蛋白、皮肤表皮细胞中的角蛋白、 肌细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白。 管 家 蛋 白 (housekeeping protein) ： 由 管 家 基 因 (housekeeping gene)表达，存在于所有分化类型细胞 中，维持细胞生存所必需的基本蛋白，如细胞骨架 蛋白、膜蛋白、染色质的组蛋白、核糖体蛋白。
细胞分化的概念：由单个受精卵产生的细胞，在形 细胞分化的概念 态结构、生化组成和功能等方面均有明显的差异，形成 这种稳定性差异的过程称为细胞分化(celldifferentiation) 。
一、细胞分化贯穿于多细胞生物 个体发育的全过程
多细胞生物的个体发育过程： 一般包括胚胎发育和胚后发育两个阶段，前者包 括卵裂、囊胚、原肠胚等几个基本的发育阶段，脊椎 动物还要经过神经轴胚期以及器官发生等阶段。细胞 分化的明显改变开始于原肠胚形成之后。