(cell differentiation) 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 基本概念 一、贯穿于发育的全程 二、具有高度的稳定性 三、分化方向由细胞决定所选择 四、特定条件下可发生去分化和转分化 五、细胞分化的时-空性

细胞分化的概念：由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、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(cell differentiation) 。

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。后者指从卵膜孵化出或者母体分娩以后，经幼年、成年、老年和衰老死亡的过程。

1、三胚层代表不同类型细胞的分化去向

Cell differentiation

2、细胞分化潜能随个体发育进程逐渐“缩窄” 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。8细胞期之前的细胞和受精卵一样，一定条件下均能分化发育成完整个体。

干细胞的分类-干细胞分化潜能 Monopotent-single cell type

Preimplantation Genetic Diagnosis (PGD)

3、终末分化细胞的细胞核具有完整性 （1）爪蟾核移植实验——戈登 （2） “多莉”哺乳动物核移植——威尔默特 J. B. Gurdon, “The developmental capacity of nuclei taken from intestinal epithelium cells of feeding tadpoles,” Journal of Embryology and Experimental Morphology, vol. 10, pp. 622–640, 1962. I. Wilmut, A. E. Schnieke, J. McWhir, A. J. Kind, and K. H. Campbell, “Viable offspring derived from fetal and adult mammalian cells,” Nature, vol. 385, no. 6619, pp. 810–813, 1997.

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。

细胞决定实验示意图 早期 晚期

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）。

1800次 果蝇成虫盘细胞决定状态的移植实验

三、已分化的细胞在特定条件 下可发生去分化和转分化 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 2.已分化的细胞可发生去分化或转分化

Limb Regeneration  Studies indicated that once the tail is amputated the epithelial cells migrate and form a mature epithelium cap at the end of the wound. The internal cells underlying the cap lose their tissue characteristics and dedifferentiate in response to an unknown signal. The dedifferentiated cells proliferate and form a mass of pluripotent cells that are capable of redifferentiating. T

去分化(dedifferentiation)：从高度分化的细胞向其前体细胞或祖细胞逆分化方向的一致转变

Regeneration of salamander limbs requires concomitant regeneration of the severed nerves. A single protein, nAG, can substitute for the regenerating nerve cells. Science , 2007:

3、特定条件下已分化细胞可转分化为另一种类型细胞 转分化(trans-differentiation) ：从一种分化 状态转变为另一种分化状态，称为转分化。

转分化和去分化都是有条件的。

Transdifferentiation by linage specific transfactors

(Waddington et al. 1957; Zhou et al., Cell Stem Cells 2008) Schematic diagrams of development and reprogramming of cells in the epigenetic landscape (Waddington et al. 1957; Zhou et al., Cell Stem Cells 2008)

四、细胞分化的时-空性 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。

第二节 细胞分化的分子基础 一、本质：不同基因选择性表达 二、调控：主要发生在转录水平 三、其他：小RNA调控靶基因决定细胞分化

一、本质：基因组不同基因选择性表达 1. 基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律 基因组DNA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： 处于活化状态，同时另一些基因被抑制而不活化。

奢侈基因（luxury gene）：编码组织细胞特异性蛋白的基因。 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。

luxury goods

2. 基因组改变是细胞分化的特例 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：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：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。

二、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了细胞特异性蛋白的表达 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。

人珠蛋白(globin)基因结构

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 在个体发育不同时期表达不一样。

LCR控制的β-珠蛋白基因活化的可能机制 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控制的β-珠蛋白基因活化的可能机制

Transcription Factors regulate Gene expression

2. 关键基因启动特定谱系细胞的分化 细胞分化主导基因（master control gene）: 该基因一旦打开，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。

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调控基因的转录 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。

① DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化基因表达 分布：常见于富含CG二核苷酸的CpG岛，主要集中于异染色质区，其余则散在于基因组中。 含量：哺乳动物基因组中约70%～80%的CpG位点是甲基化的。 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。

人类胚胎红细胞中珠蛋白基因的甲基化

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。

（Histone modification） 组蛋白修饰 （Histone modification）

Histone methylation

组蛋白的乙酰化和去乙酰化 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(HATs)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。

基因活化蛋白引导的染色质局部结构改变

How Methylation Silences Genes

组蛋白修饰的功能 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； 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。

4.同源异形框基因规划机体前-后体轴结的 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），相应基因称为同源异形框基因（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）。

高度保守的60个氨基酸片段，为一种螺旋-环-螺旋（HLH）结构，其中的9个氨基酸（第42～50位）与DNA的大沟相结合，能识别其所控制的基因启动子中的特异序列，引起特定基因表达的激活或阻抑。 不同生物同源异形框编码的氨基酸序列比较

HOM 或 Hox基因在染色体上的排列顺序与其在体内 的不同时空表达模式相对应： 这些基因激活的时间顺序表现为越靠近前部的基因表达越早，而靠近后部的基因表达较迟。 这些基因表达的空间顺序表现为头区的最前叶只表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因。

果蝇和小鼠同源异形框基因及其表达模式

三、小RNA在细胞分化中的作用 小RNA 是长度约在20～30nt的非编码RNA。 小RNA是在研究秀丽隐杆线虫（Caenorhabditis elegan）细胞命运的时间控制过程中被发现的；广泛地存在于哺乳动物，具有高度的保守性，通过与靶基因mRNA互补结合而抑制蛋白质合成或促使靶基因mRNA降解。研究表明，它们参与了细胞分化与发育的基因表达调控。

2006年，安德鲁·费尔(Andrew Fire)和克里格·Ｃ·米洛(Craig C. Mello) 因为 RNAi 荣获诺贝尔奖

Nature 391, 806-811 (19 February 1998) Analysis of RNA-interference effects in individual cells. Fluorescence micrographs show progeny of injected animals from GFP-reporter strain PD4251. Nature 391, 806-811 (19 February 1998)

RISC:RNA induced silencing complex

微小RNA (microRNA, miRNA)：前体为70～90nt，由具有核糖核酸酶性质的Drosha和Dicer酶加工而成。

Profiling microRNA by pathway and disease

miRNA therapeutics--Regulus microRNAs

Epigenetics

What’s epigenetics? In biology, and specifically genetics, epigenetics is the study of heritable changes in gene expression or cellular phenotype caused by mechanisms other than changes in the underlying DNA sequence – hence the name epi- (Greek: επί- over, above, outer) -genetics. It refers to functionally relevant modifications to the genome that do not involve a change in the nucleotide sequence.

Epigenetics twin Histone deacetylation

Epigenetic inactivation of a DNA repair gene promoter

世界是我们的，也是你们的，但迟早是那帮孙子们的！

Cancer stem cell and its reprogramming 放疗能将乳腺癌细胞转变为癌干细胞 （Pajonk et al., Stem Cells 2012 ）

测试题 1、细胞分化的本质。 2、表观遗传学的概念。