細胞分化主要內容

細胞分化

CellDifferentiation北京大學基礎醫(yī)學院細胞生物學系文錦華1主要內容一、胚胎發(fā)育的普遍特征1、細胞分化的概念2、胚胎發(fā)育所依賴的細胞活動3、細胞分化的基本特征二、細胞決定及其調節(jié)1、細胞分化潛能的決定2、細胞決定的調節(jié)3、細胞選擇決定的機制三、器官組織建成中細胞分化的調節(jié)1、胚胎誘導對細胞分化的作用2、細胞間的相互作用對器官組織分化發(fā)育的影響3、激素對細胞分化的調節(jié)四、細胞分化與動物組織的維持1、干細胞的增殖與分化2、干細胞的類型3、干細胞與再生醫(yī)學五、細胞分化的分子機制1、細胞分化與基因組變化2、細胞分化與特異性蛋白質基因表達的調節(jié)六、細胞分化與腫瘤2生物體(多個、多種細胞)受精卵(單細胞)細胞增殖細胞分化細胞數(shù)量增加形成不同類型細胞3

(一)細胞分化的概念一般概念細胞分化是指同一來源的細胞通過分裂逐漸產生結構和功能上穩(wěn)定性差異的過程；也就是一種類型的細胞在形態(tài)結構、生化特性和生理機能等方面穩(wěn)定地轉變?yōu)榱硪活愋图毎倪^程。一、胚胎發(fā)育的普遍特征4

分子水平概念：細胞分化意味著機體內不同類型的細胞中有不完全一致的基因活性，而表現(xiàn)為某些特異性蛋白質的合成，即細胞分化是基因選擇性表達的結果。例如:紅細胞---血紅蛋白漿細胞---抗體輸卵管細胞---卵清蛋白5細胞分化的指標三大指標：形態(tài)結構、生化特性和生理機能成熟的紅細胞：中間凹陷、圓盤狀、無核產生血紅蛋白能攜帶氧和二氧化碳肌細胞：梭形產生收縮蛋白(肌動蛋白和肌球蛋白)能收縮6小腸上皮細胞紅細胞成纖維細胞不同類型細胞形態(tài)各異（掃描電鏡圖）7

(二)胚胎發(fā)育中的細胞活動細胞增殖：增殖產生大量的胚胎細胞細胞特化：不同形態(tài)結構，表達特異性性蛋白，具有特殊功能細胞間相互作用：誘導或抑制細胞的分化細胞運動：收縮，伸展，重排及遷移，構成相應的組織器官8幾種細胞活動過程在胚胎不同部位常以多種方式相互協(xié)調地同時進行。雖然各種動物的原腸胚形態(tài)不同，但產生內、中、外三胚層是許多動物所共同的。在原腸胚形成中，細胞發(fā)生遷移運動是起主要特征。細胞分化進入活躍時期。9哺乳動物早期發(fā)育期間細胞分化的主要階段受精卵桑椹胚囊胚內細胞團上皮滋養(yǎng)層神經(jīng)溝外胚層中胚層脊索內胚層三胚層胚胎1011(三) 細胞分化的基本特性1.細胞分化的穩(wěn)定性各種不同類型的細胞的分化特征在子代細胞中仍能繼續(xù)保持。當初誘導祖先細胞分化的信號所起的作用在子代細胞中仍能保持其記錄。例如：肌細胞、紅細胞、神經(jīng)細胞等，其分化特性在子代細胞中仍能繼續(xù)保持。122.細胞分化調節(jié)的保守性不同動物間的同源蛋白，特別是其中的基因調節(jié)蛋白，在結構上，在功能即生化反應上具有一定的相似性。若用實驗方法人為地在不同動物間進行互換，仍能正確地執(zhí)行對細胞分化發(fā)育的調節(jié)。

例如：小鼠小腦發(fā)育的基因調控蛋白Engrailed-1與果蠅的同源蛋白Engrailed。13在長期進化過程中雖經(jīng)過遺傳學修飾和進化選擇，使各種動物的細胞分化調節(jié)得到不斷完善與精確以適應外界環(huán)境，但各種動物間在細胞分化的基因調控上表現(xiàn)出一定的相似性，說明在動物界細胞分化的基因調節(jié)上仍然存在進化上的一定保守性。143.細胞分化調節(jié)的時空性特征

細胞分化是基因選擇性表達的結果。具有時空特征。特異性基因是在體內的一定部位和一定時間內表達。由某種信號引發(fā)各種分化發(fā)育事件的協(xié)調作用，導致特異性基因的表達，最終形成各種類型的分化細胞。這種特異性基因在何種條件，由何種信號，通過何種途徑和方式被啟動而實現(xiàn)表達，是研究細胞分化的核心問題。15胰腺的發(fā)育腸管形成Pdx-1-LacZknockinmouseb-gal染色胃，胰腺部分染色16受精卵桑椹期內細胞團滋養(yǎng)外胚層外胚層（神經(jīng)、表皮）中胚層（血細胞、肌肉、腎臟）內胚層（消化道、肝臟、胰腺）原始生殖細胞胎盤ES細胞卵、精子（一）細胞決定二、細胞決定及其調節(jié)17

細胞決定的概念：在能識別一個細胞的分化以前，就有了一個預先保證細胞怎樣變化的時期，這一階段通稱為細胞決定（celldetermination).181、細胞分化的潛能與決定受精卵---在生物體發(fā)育的早期階段，所有細胞都有發(fā)育成不同組織或細胞類型的潛能(全能性，totipotency)囊胚(上皮滋養(yǎng)層+內細胞團)原腸胚---三胚層形成后，隨著細胞空間關系和微環(huán)境的差異，各胚層細胞的發(fā)育去向已定。各器官的預定區(qū)逐漸出現(xiàn)，細胞分化的潛能進一步局限化。此時的細胞具有演變成多種表型的能力，稱為多能性細胞(pluripotentcell)成體(專能穩(wěn)定型)---專能性細胞(unipotentcell)，單能性細胞(monopotentcell)19細胞決定(celldetermination)的分子概念某些基因永久性關閉，而另一些基因順序表達，使分化的潛能從全能向專能逐漸局限化的過程。此時的細胞雖然還沒有可分辨的分化特征，但已具備向某一特定方向分化的能力，并且這種能力是穩(wěn)定的、可遺傳的。決定是將特殊的使命賦予細胞，并使其進入程序性分化的過程。20事實上，絕大多數(shù)胚胎細胞最初有過基因組等同階段。不久之后，雖然每一細胞均含有一套完整遺傳指令，但在每一特定類型的細胞中，只使用一小部分遺傳信息，每一類型細胞只表達一套特異蛋白質。不同的細胞類型表達不同組的基因。21

決定分化細胞決定(設計分化程序)子細胞承襲母細胞的程序但未執(zhí)行基因組等同階段執(zhí)行程序進行終末分化22從某種意義上講，細胞決定是發(fā)育潛能逐漸限制的過程，即選擇基因表達的過渡階段，此時細胞雖尚無可分辨的分化特征，但已具備了向某一特定方向分化的能力。例如：果蠅幼蟲期的成蟲盤。2、細胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性23保幼激素高保幼激素低保幼激素高許多幼蟲組織被消化，供物、供能24

成蟲盤（器官芽，imaginaldisc)

成蟲盤是幼蟲體內處于未分化狀態(tài)的細胞團，變態(tài)后由成蟲盤產生成體不同的結構；成蟲盤位于幼蟲體內不同位置，是預先向某種特定類型分化的已決定的細胞團。保幼激素可使成蟲盤細胞增殖，但抑制它們向成蟲細胞分化。2526

1967，Hadorn

果蠅成蟲盤細胞決定狀態(tài)的移植實驗將成蟲盤移植到成體果蠅腹腔中，可以保持未分化狀態(tài)不斷增殖，甚至多次移植，時間長達9年，繁殖1800代。2728

通常，決定狀態(tài)很穩(wěn)定并且可遺傳，并保持許多代。 ------細胞遺傳（cellheredity)偶爾，被移植的成蟲盤不按已決定的分化類型，發(fā)育成另外的成蟲結構。 ------轉決定（transdetermination)是遺傳性突變的結果。29受精卵每次卵裂時，細胞核內的物質包括基因組都平均分配到子細胞中，而細胞質由于各區(qū)的組分并不相同，所以在子細胞中的分配并不均等。細胞質的這種不均質性，在一定程度上決定了細胞的早期分化。1、細胞質在細胞決定中的影響（二）細胞決定的調節(jié)30細胞決定子(cytoplasmicdeterminant)：從受精卵的第一次卵裂開始，細胞核就受到內環(huán)境(即不同的卵胞質組分)的影響，這些特殊的卵胞質組分稱為細胞決定子。決定子支配著細胞的分化途徑。例如：海鞘的黃色細胞質區(qū)----中胚層、肌肉透明質區(qū)----外胚層灰色胞質區(qū)----內胚層31胚胎在8細胞前細胞發(fā)育是全能性的。哺乳動物胚胎早期細胞決定可能與細胞在胚胎內所在位置有關。白鼠8細胞胚胎的卵裂球置于黑鼠4細胞胚期的卵裂球中央，使其形成嵌和體，培養(yǎng)到胚泡期時移植到假母子宮內，子代表現(xiàn)為明顯的白色品系。說明：卵裂球的發(fā)育潛能是全能的。其發(fā)育的決定與它們在胚胎中的位置有關。2、早期胚胎細胞決定與細胞位置的相關性32檢驗“內層-外層”假說的實驗去除透明質帶分離卵裂球卵裂球分裂移殖混合胚胎培養(yǎng)植入假母子宮333、哺乳類成肌細胞的決定肌細胞的分化經(jīng)歷三個階段：周圍組織發(fā)出的信號使體節(jié)中部分間充質細胞獲得決定，成為成肌細胞；成肌細胞保持增殖能力，部分細胞遷移至肢芽，最后停止增殖，融合成多核的合胞體；多核細胞稱為肌管，最終分化為骨骼肌細胞。

從神經(jīng)管及側面外胚層周圍組織發(fā)出的特異性細胞外信號對體節(jié)中一部分細胞決定形成成肌細胞具有重要作用。這些蛋白質都是轉錄調控因子，統(tǒng)稱為肌肉調節(jié)因子（muscleregulatoryfactors,MRFs）。34骨骼肌發(fā)育程序35胚胎發(fā)育中，在同一細胞群體中，即使所有的細胞均含有相同的基因組，卻會向不同的發(fā)育方向轉變，分化為不同的細胞類型。細胞如何選擇向不同發(fā)育方向的決定，即選擇決定是由什么機制所控制？（三）細胞選擇決定的機制361、細胞的不對稱分裂37細胞進行不對稱分裂，使子細胞出現(xiàn)明顯差異，不均等分配使子細胞質中含有不同的生物分子。這些分子作為決定子，直接或間接地改變基因表達，從而使子細胞獲得不同發(fā)育方向的決定，分化成不同的細胞類型。不對稱分裂的結果，產生一個干細胞和一個即將分化的祖細胞，祖細胞的分化潛能相對于干細胞受到明顯的限制。382、細胞間相互作用產生的側向抑制使細胞間產生差異而發(fā)育為不同類型細胞的最普遍途徑是細胞接受不同環(huán)境的刺激。在胚胎發(fā)育中主要表現(xiàn)為從相鄰細胞發(fā)出的信號。在一群相同的細胞中，每個細胞均具有獲得決定向某一特定類型細胞分化的可能，每個細胞均發(fā)出抑制信號影響周圍相鄰細胞，使彼此處于競爭的態(tài)勢。優(yōu)勢細胞發(fā)出更強的抑制信號。結果是優(yōu)勢細胞最終獲得決定向特定類型的細胞分化。這就是細胞間側向抑制作用的結果。39側向抑制與細胞分化每個細胞均向相鄰細胞發(fā)送抑制信號中央細胞在競爭中獲優(yōu)勢向相鄰細胞發(fā)送更強抑制信號中央細胞獲決定向某一方向分化403、細胞間相互作用與不對稱分裂相結合調控細胞決定

不對稱分裂與細胞間的相互作用，同時參與對細胞決定的調控。例：線蟲受精卵的胚胎發(fā)育果蠅的感覺母細胞發(fā)育為感覺鬃（一種機械感覺器官）。圖：線蟲早期胚胎通過不同信號通路的調節(jié)確定細胞的不同特征411、胚胎誘導(分化誘導)胚胎誘導(embryonicinduction)：在動物胚胎發(fā)育過程中，各胚層之間能相互促進細胞分化和組織器官發(fā)生，此現(xiàn)象稱為胚胎誘導。這種作用一般發(fā)生在中胚層與內胚層、中胚層與外胚層之間。能對其它細胞起誘導作用的細胞稱為誘導者(inductor)或組織者(organizer)。（一）胚胎誘導對細胞分化的作用三、器官組織建成中細胞分化的調節(jié)421920~1940年，Spemann和他的學生用兩棲動物進行了發(fā)育生物學歷史上著名的實驗。結果提示了胚胎誘導的存在。1924年，發(fā)表了論文，1935年因該發(fā)現(xiàn)而獲Nobel獎。從青蛙囊胚中取一塊未來的腹部表皮移植到蠑螈未來的口腔區(qū)。這塊蛙組織整合到宿主口腔區(qū)并形成口腔組織。但是，它具有遺傳潛力形成蛙的嘴?？梢?，位置信息不是物種特異的，但是，細胞接受的位置信息只能按照該細胞的遺傳編程來解譯。43Spemann的兩棲動物經(jīng)典移植實驗蠑螈蠑螈囊胚蛙蛙囊胚有蛙嘴的蠑螈44

胚胎誘導可分為三級：初級誘導、次級誘導和三級誘導(Spemann發(fā)現(xiàn))。脊索中胚層誘導其表面覆蓋的外胚層發(fā)育呈神經(jīng)板---初級誘導；神經(jīng)板卷成神經(jīng)管后，前端膨大成原腦，其兩側突出的視杯再誘導視杯上方的外胚層形成晶狀體---次級誘導；晶狀體再誘導其表面的外胚層形成角膜---三級誘導。45表面覆蓋的外胚層脊索中胚層誘導(初級誘導)神經(jīng)板卷成神經(jīng)管前端膨大原腦視杯上方的外胚層原腦兩側突出的視杯誘導(次級誘導)晶狀體角膜(三級誘導)46 最初，由Spemann檢測到視小泡誘導晶狀體表皮幫助完成眼的形成。 晶狀體基板形成后，晶狀體接著誘導其上方的表皮形成角膜來增補眼的視學裝置。47脊椎動物胚胎頭部橫切面示意圖485～6天胚齡雞胚眼部結構電鏡掃描圖492、胚胎誘導的可能機制信號濃度梯度對細胞誘導分化的作用細胞耦聯(lián)受體對信號分子的識別能力靶基因上游的不同調控區(qū)對信號作出不同的反應50在胚胎誘導中，受體細胞對信號必須有反應能力。這種能力的獲得意味著誘導信號的受體已經(jīng)產生并已發(fā)揮其作用。51分化抑制：已分化好的細胞可產生某種物質，這種物質可抑制鄰近細胞進行同樣的分化，這種作用稱為分化抑制。具有抑制作用的化學物質稱為抑素。例如：3、分化抑制正常發(fā)育的蛙胚含成體蛙心組織的培養(yǎng)液中無成體蛙心組織的培養(yǎng)液中蛙胚不能正常發(fā)育蛙胚正常發(fā)育52（二）細胞間相互作用對器官組織分化發(fā)育的影響細胞間相互作用包括單向和雙向相互作用，單向是指一個細胞或一個細胞群體向不同的鄰近細胞發(fā)出信號（信號細胞)，由接受信號的細胞（反應細胞）作出反應，以不同模式進行分化發(fā)育。然而更多的是雙相相互作用，相互誘導，許多內部器官的發(fā)育是通過這種方式進行的。531、上皮細胞-間充質細胞間相互作用對肺發(fā)育的調節(jié)對肺的發(fā)育而言，最重要的是在靠近上皮芽頂端的間充質細胞中表達FGF10，其受體在上皮芽細胞中表達。FGF10信號的作用是引導上皮芽生長的方向，上皮向間充質侵入，不斷生長出芽。上皮芽侵入間充質并重復分支，還依賴于從芽頂上皮細胞向間充質細胞發(fā)送的SHh信號。SHh信號暫時阻斷正對著生長中的上皮芽頂端的間充質細胞中FGF10的表達，而且將其分成兩部分，形成兩個分開的突出的間充質細胞團，作為新的生長方向的信標發(fā)送FGF10，引導上皮芽頂端向兩種不同的方向突出生長，如此反復使上皮芽生長分支，最終形成支氣管樹狀分支系統(tǒng)。54肺分支的形態(tài)發(fā)生552、基膜對上皮細胞分化的作用許多動物組織中的上皮細胞與間充質細胞間隔著一層由層粘連蛋白、膠原蛋白、巢蛋白及蛋白聚糖等細胞外基質成分組成的基膜，通過在上皮細胞上的一跨膜蛋白—整合素與基膜中的一些組分的結合，將上皮細胞粘附在細胞外基質上，基膜通過膠原蛋白和纖粘連蛋白等細胞外基質與間充質細胞連接。

許多上皮細胞的分化依賴于基膜介導的細胞間相互作用。56來自內胚層的細胞基膜用膠原酶和透明質酸酶處理，除去基膜培養(yǎng)立即加入間充質不生長基膜再生加入間充質不存在間充質基膜在唾腺分化中的作用573、側向相互（側向抑制）作用對細胞分化的影響

側向相互作用主要在相同細胞間進行，使兩個相同的細胞選擇不同的分化方向，分化為不同的細胞。是通過高度保守的Notch信號通路介導的。

58（三）激素對細胞分化的調節(jié)激素的調節(jié)作用出現(xiàn)于胚胎發(fā)育的晚期，此時，細胞決定已經(jīng)發(fā)生，所以激素引起的反應是按細胞預定的分化程序進行的。這種作用是遠距離的相互作用，必須通過受體起作用，激素帶著特定的生物信息到達靶細胞，促進靶細胞的發(fā)育和分化。59例如：兩棲類動物的腦垂體成體

↓分泌 ↑

促甲狀腺素

肢芽生長、分化↓促進 ↑甲狀腺細胞的生長和分化

變態(tài)，蝌蚪退化↓分泌 ↑甲狀腺素→→→→→→→組織(甲狀腺素受體)60四、細胞分化與動物組織的維持成體動物中，許多組織細胞如皮膚、血液和小腸上皮細胞的壽命都很短，需要不斷被相應的新細胞替換。成體產生新的分化細胞有兩種方式：通過已存在的分化細胞的簡單倍增形成新的分化細胞，即分化細胞經(jīng)分裂形成相同類型的兩個子代細胞；由未分化的干細胞產生。6162(一) 干細胞(stemcell)的增殖與分化干細胞的概念干細胞：具有自我復制和多潛能分化能力的細胞。成體的許多組織中都保留有一部分未分化的細胞，一旦需要，這些細胞便可按發(fā)育途徑，先分裂后分化產生分化細胞。機體中這部分未分化的細胞稱為干細胞。意義：細胞在分化過程中，由于高度分化而失去了再分裂的能力，最終衰老死亡。機體在發(fā)展適應過程中為了彌補這一不足，保留了一部分未分化的原始細胞，即干細胞。63

2、干細胞的特點(1)干細胞是已決定、未分化的細胞，不是終末分化細胞---干細胞不是處于分化途徑的終端，但其發(fā)育潛能已被限定；(2)干細胞能不斷地分裂---永生干細胞，每次分裂時，其子代中始終有一個細胞仍保持干細胞的分裂特征，維持自身數(shù)量和功能的穩(wěn)定；(3)干細胞分裂產生的子細胞只能在兩種途徑中選擇其一：保持親代特征仍作為干細胞或向終末分化。64哺乳動物表皮剖面圖角蛋白角質化細胞顆粒細胞棘細胞基底細胞基膜真皮核解體遷移細胞干細胞分裂中的干細胞表皮層外界65干細胞有絲分裂終末分化細胞干細胞分裂產生的子細胞的兩條選擇途徑分化子細胞自我復制Self-renewal66

3、干細胞增殖與分化的機理不均等分裂假說：在干細胞的細胞質中，調節(jié)分化的蛋白質分布不均勻；通過細胞分裂，使調節(jié)分化的蛋白質分配到兩個子細胞中；獲得調節(jié)蛋白質較多的子細胞分化為功能專一的細胞，而另一個細胞仍保持干細胞的分裂特征。67不均等分裂假說示意圖細胞質的不均勻分布特化細胞非特化細胞有絲分裂期調節(jié)蛋白質在細胞質中凝聚但分布不均勻一個子細胞獲得促進特化的調節(jié)蛋白質6869干細胞的增殖與分化的機理仍然目前研究的熱點課題70(二) 干細胞的類型

按分化潛能大小，可分為：全能干細胞（totipotency)：細胞可以發(fā)育成為一個完整的個體。多能干細胞（pluripotency)：可以分化成為構成身體的三個胚層中的至少一種類型的細胞。胚胎干細胞具有與早期胚胎細胞相似的形態(tài)特征和很強的分化能力，可不斷增殖并分化成為全身200多種細胞類型，可進一步形成機體的任何組織或器官。多能干細胞（multipotency)：可以分化發(fā)育成為相同胚層中的不同種細胞類型的能力。特指某一系統(tǒng)的干細胞。又稱定向干細胞，定向干細胞是各系的母細胞，它再分化產生分化細胞。多能干細胞最終可分化產生兩種以上類型的細胞。專能干細胞（oligopotency

）：分裂產生的子細胞只能分化為單一類型的細胞。如，精原細胞→精子。7172定向干細胞的特點定向干細胞已有所分化，失去多向分化的能力，只能向相關的兩系或幾系細胞分化；增殖能力不是無限的，只能分裂若干次；在定向干細胞上具有對某種調節(jié)因子起反應的結構。如，原紅細胞上具有促紅細胞生成素受體，在促紅細胞生成素的作用下可分化成紅細胞。73造血干細胞分化示意圖造血干細胞(多向性)原紅細胞(定向性)粒系巨噬定向干細胞原巨核細胞(定向性)淋巴母細胞網(wǎng)織紅細胞紅細胞原單核細胞單核細胞巨噬細胞原粒細胞粒細胞(中性、嗜堿、嗜酸性)巨核細胞血小板淋巴細胞74

γ/x(致死) 宿主小鼠 骨髓細胞

2weeks

供體小鼠(健康) 血液中出現(xiàn)供體血細胞

脾結節(jié)

顯微鏡下 紅系 粒系-單核系 巨核系

75再生障礙性貧血---骨髓中紅細胞生成作用明顯降低，可能是由于毒物、放射性輻射等因素引起干細胞增殖障礙。多能造血干細胞只占骨髓中總細胞的0.01%。76胚胎干細胞按來源，可分為：77成體干細胞造血干細胞間充質干細胞紅細胞白細胞肥大細胞纖維細胞脂肪細胞78

利用多能或專能干細胞培育人體細胞和組織的研究已經(jīng)取得了一定成果，但利用前景更廣闊的，還是分化能力最強的全能干細胞。（三）干細胞與再生醫(yī)學79成體干細胞參與組織修復與再生80細胞移植與組織修復與再生81受精卵在分裂早期、尚未植入子宮以前，囊胚內部的內細胞團便是具有全部分化能力的胚胎干細胞集合。如果能將它們取出，制成細胞懸液，在體外進行培養(yǎng)，就可通過改變體外培養(yǎng)條件來探索胚胎干細胞向不同組織細胞分化的規(guī)律，對揭開人體的個體發(fā)育之迷具有及其重要的理論意義。如果能夠源源不斷地獲得胚胎干細胞，就可以在體外誘導產生不同的組織細胞甚至器官供移植用，因而在臨床實踐上也有廣闊的應用前景。8283

在體細胞克隆技術出現(xiàn)之前，科學家只能通過流產、死產或人工受精的人類胚胎獲取干細胞進行研究。克隆羊多利的問世，意味著人們可以通過體細胞克隆出人類胚胎，這將使獲取干細胞更為容易。從患者身上取下體細胞進行克隆，使其發(fā)育形成的囊胚，6至7天，從中提取干細胞，培育出遺傳特征與病人完全吻合的細胞、組織或器官，如果向提供細胞的病人移植這些組織器官，這就是所謂的“治療性克隆”。如果這種研究獲得成功，病人將可以輕易地獲得與自己完全合適的移植器官，不會產生排異反應。84

克隆人與倫理道德85868788(一)細胞分化與基因組變化：按與細胞分化的關系將基因分為兩類：1、管家基因(housekeepinggene)：為維持各種細胞基本活動所必需的結構和功能蛋白質編碼的基因。這類基因是各種細胞所共有的，例如，為與細胞分裂和能量代謝有關的各種蛋白質編碼的基因。2、奢侈基因(luxurygene)：編碼細胞特異性蛋白質編碼，對細胞的生存無直接影響，但對細胞分化起重要作用。是基因選擇性表達的結果。例如，紅細胞的血紅蛋白基因。五、細胞分化的分子機制89有人曾提出，受精卵分裂產生的兩部分分裂球是不相等的，由于某些基因丟失不能表達而形成不同類型的分化細胞。實驗證明：細胞核經(jīng)染色，測定其DNA含量都是恒定的；胚胎細胞DNA與成體細胞DNA進行雜交，證明分化細胞中仍然保留整套染色體組的全部基因。90基因的差次表達(differentialexpression)或順序表達(sequentialexpression)：在個體發(fā)育過程中，基因按一定程序相繼活化的現(xiàn)象。在研究發(fā)育和分化時，常以特異性蛋白質的合成及其變化作為觀察基因表達變化的一種標志。胚胎細胞(全能、多能)攜帶的遺傳信息在發(fā)育過程中并不都能表達，而是按嚴格的時空順序，有選擇地表達其中一部分。9192

分化細胞90%以上的基因被抑制，有選擇地表達特異基因。DNA/RNA分子雜交實驗結果表明 基因組轉錄百分率(%)細菌 40~50變形蟲 28果蠅(胚胎) 15雞(肝) 15小鼠(肝、腎、胰) 4~5人(肝、腎、胰及Hela細胞) 4~5降低93分化細胞的全能性(totipotency)分化細胞保留著全部的核基因組，它具有生物個體生長、發(fā)育所需要的全部遺傳信息，能表達本身基因庫中的任何一種基因，分化細胞具有發(fā)育為完整個體的潛能，即全能性。經(jīng)典證據(jù)(1)非洲爪蟾的核移植實驗(1968年Gurdon等)。最初，并沒有計劃克隆動物，而是想檢測細胞核在發(fā)育過程中是否仍保持全能性，或遺傳信息是否不可逆地丟失或滅活。 94非洲爪蟾的核移植實驗95

(2)DNA雜交實驗---所有二倍體細胞中的DNA含量恒定，遺傳信息的穩(wěn)定性說明細胞分化不是由于染色體或基因丟失造成的(RBC無核；馬蛔蟲所有體細胞染色體丟失；爪蟾卵母細胞卵子成熟期基因擴增均為個別現(xiàn)象)。(3)克隆羊實驗(1996年，英國愛丁堡Roslin研究所Wilmut等，6歲成年綿羊的乳腺上皮細胞)96轉錄水平的調控翻譯水平的調控細胞分化基因表達的調控97

基因組到底編碼些什么呢？基因組含有如何制造特異性蛋白質、rRNA和tRNA，及調控DNA自我復制的信息?；蚪M包含一些層次化的組織：主導基因(mastergene)通過它們的產物(屬轉錄因子)支配整套的從屬基因。基因組含有時空程序元件，以控制基因的表達順序。98

主導基因也叫選擇基因(selectorgene)它控制了次級基因的開啟。為了確定一個分化程序，必須激活一套特異的基因，選擇基因的功能就是選擇和控制一套確定細胞類型和區(qū)域特異性發(fā)育的基因。因此，選擇基因的活性是啟始選擇、實現(xiàn)選擇及進一步保持特定分化狀態(tài)的關鍵。99主導基因亦叫選擇基因它控制了次級基因的開啟。為了確定一個分化程序，必須激活一套特異的基因選擇基因的功能就是選擇和控制一套確定細胞類型和區(qū)域特異性發(fā)育的基因；選擇基因的活性是啟始選擇、實現(xiàn)選擇及進一步保持特定分化狀態(tài)的關鍵。100DNA(二倍體細胞DNA含量恒定，分化細胞的全能性)轉錄primaryRNA(原初轉錄體)剪接mRNA穿過核膜翻譯降解蛋白質101

雜交實驗---檢測primaryRNA是否具有組織特異性，若有，則說明轉錄水平可調控。從肝細胞cDNA文庫中任選15個克隆(每個克隆含一個基因)，分別提取肝、腎和腦的primaryRNA，檢測其是否與這15個克隆雜交。結果：肝primaryRNA與15個克隆均雜交；腎、腦primaryRNA僅與3個克隆雜交[說明]：肝細胞產生了特異的primaryRNA---基因轉錄水平調控分化102(二)細胞分化與特異性蛋白質基因表達的調節(jié)1、特異性蛋白質基因表達的發(fā)育階段特征許多特異性蛋白質基因在發(fā)育過程中表現(xiàn)出時空順序表達及組織特異性和發(fā)育階段專一性特征。典型的例證是珠蛋白基因（globingene）。所有的脊椎動物珠蛋白是由４條肽鏈形成的四聚體。成體動物中有兩對，一對是鏈，一對是鏈，即22但在胚胎發(fā)育前后共產生５種樣(-like)肽鏈，即,,A

,G,及，分別由相應的結構基因編碼。樣珠蛋白基因實際是一個基因家族。其氨基酸序列基本相同，但有10-20%的差別。103隨著胚胎發(fā)育，珠蛋白四聚體出現(xiàn)的情況有所不同，胚胎型珠蛋白基因首先在胚胎卵黃囊血島中表達，隨后，珠蛋白基因關閉。主要由胎兒型珠蛋白基因在胎兒肝臟中表達，到胎兒出生前后，珠蛋白基因表達逐漸下降。同時，成年型珠蛋白基因表達逐漸升高。在哺乳動物早期胚胎中四聚體的組成為22，隨著胚胎發(fā)育改變?yōu)?2,正常成人的血液中還含有少量由22,組成的珠蛋白A2。104相對珠蛋白合成（%總量）出生年齡/周人出生前后紅細胞樣珠蛋白基因表達的變化105人樣珠蛋白基因家族結構圖106人類樣珠蛋白基因家族定位于11號染色體段臂上，主要由5個結構基因組成,,G,A,和基因按5-3方向依次排列，全長約60kb,每種珠蛋白結構基因均含有3個外顯子和2個內含子。在珠蛋白基因調控區(qū)有一段DNA序列，稱為座位控制區(qū)域（Locuscontrolregion,LCR）。不同的哺乳動物的LCR有很強的同源性，說明在進化過程中,LCR可能來源于同一祖先，且穩(wěn)定地存在于紅系組織中，是紅系組織專一的，對樣珠蛋白基因轉錄具有重要的調節(jié)作用。若LCR突變或缺失，甚至部分缺失，就會導致各種貧血癥。107

不同珠蛋白基因在染色體上排列的位置對保持發(fā)育階段的順序性表達至關重要。不同珠蛋白基因的位置與LCR相對距離的差異，可能影響不同珠蛋白基因與LCR相互作用的頻率，從而使近距離珠蛋白基因優(yōu)先表達，遠距離的則在較后階段被激活。但這種推測尚有待進一步證實。108２、組合調控對特異性蛋白質基因表達的調節(jié)

組合調控（Combinatorialcontrol）是指一組基因調節(jié)蛋白共同協(xié)調地決定對某一基因表達的調節(jié)方式。許多真核基因的調控區(qū)中含有正調及負調的基因調節(jié)蛋白的結合位點，通過這些結合位點，基因調節(jié)蛋白與不同的基因順式調控元件發(fā)生相互作用，通過基因調節(jié)蛋白間某種特殊的協(xié)調作用刺激或阻抑異性蛋白基因的表達。

109人樣珠蛋白基因表達的調控模式110

珠蛋白基因即受到組合調控的調節(jié)，這里顯示紅細胞發(fā)育過程中一些基因調節(jié)蛋白對珠蛋白基因表達的調控模式。其中CP1存在于多種細胞類型中都存在，而GATA-1特異性存在于紅細胞的前體細胞中。當GATA-1在這些位點結合后，便排斥其它蛋白的結合。GATA-1在珠蛋白基因表達的紅細胞特異性方面具有非常重要的作用。在引發(fā)細胞分化的各種調節(jié)蛋白組合中，往往只有一兩種調節(jié)蛋白起決定作用。111在組合調控中某種調節(jié)蛋白之所以具有決定性作用，就在于這種蛋白質可使不同的調節(jié)蛋白形成某種特殊的組合，而這種組合是某種細胞類型的基因特異性表達所必需的。這種起決定性作用的某種基因調節(jié)蛋白就有可能啟動整個細胞分化過程。例：MyoD基因，在肌細胞分化中具有關鍵作用。112說明：

成纖維細胞中積累了其它必需的基因調控蛋白，一旦加入MyoD蛋白后，便能完成特異的基因調節(jié)蛋白組合，從而啟動肌細胞的分化。在此種組合調控中，MyoD成為一種起決定作用的基因調節(jié)蛋白