细胞分化的分子机制

• 细胞分化 (cell differentiation)：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。
• 细胞表型 (cell phenotype)：细胞特定基因型在一定的环境条件下的表现，是细胞的特定性状。

• 全能细胞 (totipotent cell)：产生有机体全部细胞表型
• 多潜能细胞 (pluripotent cell)：产生几种特定类型的细胞
• 已分化细胞 (differentiated cell)：多潜能细胞通过分离和分化发育成的特殊细胞表型

个体发育的过程：全能性细胞 → 多潜能性细胞 → 分化细胞（基因选择表达）

• 差异基因转录：调节哪些核基因转录成RNA
• 核RNA的选择性加工：不同的拼接导致同一条核RNA产生不同的转录子
• mRNA的选择性翻译：调节哪些mRNA翻译成蛋白质
• 差别蛋白质加工：选择哪些蛋白质加工成为功能性蛋白质

• 遗传学证据：果蝇在整个幼虫期和成体的不同组织细胞中染色体的数目相同；同一个体不同组织细胞提取的DNA数量一致
• 胚胎学证据：已决定/分化的细胞仍具有发育成为其它细胞的潜力（海胆早期细胞全能性、蝶螨早期背唇）
• 分子生物学证据：核酸分子杂交显示不同组织细胞拥有序列完全相同的核基因组DNA；原位杂交表明已分化细胞仍含有不表达的其它组织转移性基因

结论：已分化的细胞核基因组具有产生全部细胞类型的潜能

• 眼成虫盘移植到幼虫腹部 → 腹部长出眼睛（已决定细胞发育命运稳定）
• 触角成虫盘多次移植后 → 部分细胞分化形成腿、翅、嘴（转决定现象）

转决定 (transdetermination)：已决定但尚未终末分化的细胞突然改变发育程序的事件

• 囊胚核 → 80%以上发育为蝌蚪
• 原肠胚早期内胚层核 → 50%蝌蚪，异常个体以内胚层细胞形成较其他胚层细胞更容易
• 神经胚内胚层核 → <10%蝌蚪

结论：随着发育，体细胞的核潜能存在普遍的受限现象，且具有供体核的特异性

• 已分化的细胞转分化为其它类型细胞的现象
• 实例：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

• 基因删除：原生动物、线虫、昆虫、甲壳动物
• 基因扩增：爪蟾的rDNA、果蝇多线染色体
• 基因重排：免疫球蛋白基因（10^6~10^8种抗体）

• 副蛔虫染色体消减
• 瘿蝇等卵裂时部分染色体丢失（丢失的→体细胞；不丢失的→生殖细胞）
• 哺乳类（除骆驼）的红细胞、皮肤的羽毛、毛发角化细胞中整个细胞核丢失

• 基因的选择扩增：
  • 非洲爪蟾rDNA扩增：从变态期开始到卵母细胞成熟前，初级卵母细胞末期rDNA为体细胞的2×10^5倍
  • 果蝇卵壳蛋白基因：滤泡细胞中超量DNA合成（16倍）
• 基因组扩增：通过多倍体和多线染色体扩增完整基因组（哺乳动物肝细胞、果蝇卵巢中营养细胞）

• 免疫球蛋白的基因重组
• 淋巴母细胞在为抗体制备作准备时，组合多个独立的遗传程序（体细胞重组）
• 将抗体轻链或重链的DNA序列随机编排成受体或抗体的可变区，增加识别和结合未知外来抗原的机会

• 转录前水平：染色质水平下的基因活性调控
• 转录水平：启动子，增强子，转录因子，激素等
• RNA加工水平：核RNA的选择性加工
• 翻译水平：mRNA的选择性翻译
• 翻译后水平：差别蛋白质加工

• 常染色质和异染色质：异染色质是DNA高度螺旋化状态
• 异染色质类型：
  • 结构型：DNA序列折叠状况始终不变，从不转录
  • 机动型：DNA折叠可改变，成为常染色质进行转录
• 异染色质化：具有转录活性的常染色质失去转录活性成为异染色质的过程（基因沉默）

• 哺乳类雌性X性染色体失活（长臂所有基因失活，短臂部分基因未失活）
• 多为随机失活；少为选择性失活（父源，小鼠滋养细胞、有袋类胚胎细胞）
• 表达剂量补偿（凝血因子基因）
• Xist基因调控小鼠发育中X染色体失活

• 染色体疏松区 (puff region)：染色体上DNA解螺旋区域，是基因转录活跃区，具有组织和发育时期的特异性
• 灯刷染色体 (lampbrush chromosome)：两栖类卵母细胞减数分裂双线期染色单体上染色粒向一侧伸出DNA侧环

• 时间特异性：不同发育时期基因表达活性不同（爪蟾原肠胚特异性cDNA文库构建）
• 空间特异性：组织特异性（Northern blot，原位杂交）

• 基因种类：
  • 结构基因：编码结构蛋白和酶分子结构
  • 调控基因：编码调节蛋白，调节结构基因表达
  • 转录而不翻译的基因：rDNA、tRNA基因
• 外显子和内含子：
  • 外显子：可编码氨基酸的序列
  • 内含子：非蛋白质编码序列（遵循GT-AG法则）
• 侧翼序列与调控序列：启动子、增强子、终止子等

• 启动子 (promoter)：
  • 核心启动子成分：TATA框（-25～30bp）
  • 上游启动子成分：CAAT框、GC框
• 增强子 (enhancer)：
  • 增强启动子发动转录，提高转录效率
  • 位置灵活（3'末段、内含子区域、互补DNA链）
  • 无方向性
  • 种类：时间特异性、组织特异性等

• 通用反式因子：TFIID、TFIIB、TFIIA、TFIIF（识别TATA框）；CTF/NF-1（识别CAAT框）；SP1（识别GC框）
• 特殊组织与细胞中的反式作用因子：如淋巴细胞中的Oct-2

• 甾类激素激活方式：
  • A型：受体在激素进入细胞前结合在靶基因调控区，激素结合后激活转录（甲状腺激素，视黄酸）
  • B型：激素先与胞质中受体结合，再进入核激活转录（肾上腺皮质激素）

• 位点控制区 (LCR)：β-珠蛋白基因上游的超强启动子区
• 何时表达何种β-珠蛋白决定于转录因子与启动子及LCR的亲和力
• EKLF是β-珠蛋白启动子结合的转录因子，EKLF-/-小鼠成年后仍表达ε-和γ-珠蛋白

• 5s rDNA启动子区包含A区和C区
• TFIIIA直接与启动子C区结合
• TFIII C先与中间启动子结合，TFIIIA + TFIII C → 复合物 + RNA聚合酶III → 5s rRNA基因转录

• 果蝇notch基因：控制腹中线外胚层细胞分化成为上皮细胞或神经母细胞
• myod基因：肌细胞分化的主要开关基因，也是肌母细胞决定子，可诱导其它细胞转分化为肌细胞