細(xì)胞分化教案

1、13.胚胎發(fā)育、分化與調(diào)控從受精卵形成胚胎，再由胚胎生長(zhǎng)發(fā)育成個(gè)體的過(guò)程稱為個(gè)體發(fā)育(individualdevelopment)。從形態(tài)上看,個(gè)體發(fā)育過(guò)程經(jīng)歷生長(zhǎng)(growth)、分化(differentiation)和形態(tài)發(fā)生(morphogenesis)。在個(gè)體發(fā)育中，細(xì)胞的后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過(guò)程稱為細(xì)胞的分化，其本質(zhì)是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果，即基因表達(dá)調(diào)控的結(jié)果(圖13-1)。圖13-1人的不同組織的細(xì)胞形態(tài)13.1配子發(fā)生與受精作用行有性生殖的生物，通過(guò)單倍體的雌、雄配子的融合創(chuàng)造下一代。配子的發(fā)生和受精是所有生物事件中最具神秘性的事件：一個(gè)受精卵通過(guò)一系列復(fù)雜的分裂、

2、分化和相互作用，精確地產(chǎn)生功能各異的細(xì)胞類(lèi)型，并特異地組成各種組織。13.1.1配子發(fā)生(gametogenesis)配子形成的過(guò)程稱為配子發(fā)生。在配子發(fā)生過(guò)程中，二倍體的原始生殖細(xì)胞(primordialgermcells)要通過(guò)減數(shù)分裂和分化才能轉(zhuǎn)化成單倍體的卵或精子(圖13-2)國(guó)生殖鯽胞J精埋捌黃原始生庖踴矗I制囊卵母匍總 次制印姆“-、柳貓布不母明席M般L分察次亞腦改爆燃有虻分最發(fā)育的各個(gè)階段都是發(fā)生在支持細(xì)胞的表面(圖13-5)圖13-2雌、雄配子發(fā)生過(guò)程的比較 卵子發(fā)生(oogenesis)在大多數(shù)動(dòng)物中，卵子形成(即卵子發(fā)生)發(fā)生在卵巢，并且有一個(gè)增殖期(proliferati

3、onphase),在該期，卵原細(xì)胞(oogonia)通過(guò)有絲分裂增加細(xì)胞數(shù)量。卵航班思*母郎胞經(jīng)過(guò)有絲分裂增殖之后，卵原細(xì)胞進(jìn)行減數(shù)分裂，此時(shí)的卵原細(xì)胞被稱為卵母細(xì)胞(oocyte),經(jīng)減數(shù)分裂，染色體發(fā)生遺傳重組，并將染色體組的數(shù)量減半成為單倍體。在卵子發(fā)生的生長(zhǎng)期，卵母細(xì)胞常常要儲(chǔ)備大量的蛋白質(zhì)、脂類(lèi)、糖類(lèi)，以供受精后的胚胎發(fā)育之用。這些物質(zhì)中有一些是卵母細(xì)胞自身制備的，但大多數(shù)都是靠其它來(lái)源提供的，如肝細(xì)胞、濾泡細(xì)胞(fo11iclecell)和看護(hù)細(xì)胞(nursecell)o濾泡細(xì)胞是卵母細(xì)胞周?chē)募?xì)胞(圖13-3)?？醋o(hù)細(xì)胞為無(wú)脊椎動(dòng)物，如昆蟲(chóng)的卵母細(xì)胞生長(zhǎng)提供支持。圖13-3濾泡細(xì)

4、胞與卵母細(xì)胞的關(guān)系(a).大鼠卵巢的掃描隧道電鏡照片；(b).典型哺乳動(dòng)物細(xì)胞卵母細(xì)胞和它周?chē)臑V泡細(xì)胞的關(guān)系示意圖肝細(xì)胞、濾泡細(xì)胞和看護(hù)細(xì)胞等在卵細(xì)胞發(fā)生中有什么作用？是否所有的卵母細(xì)胞都依賴于其他類(lèi)型的細(xì)胞為自己制造儲(chǔ)備物？卵母細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程中具有顯著的不對(duì)稱性(圖13-4)。卵母細(xì)胞的一端稱為植物極(vegetalpole),相反的一端稱為動(dòng)物極。動(dòng)物極卵黃小體核糖體銀總體緡希核植物極圖13-4兩棲類(lèi)卵母細(xì)胞的不對(duì)稱性卵子發(fā)生的生長(zhǎng)期完成之后，卵母細(xì)胞準(zhǔn)備進(jìn)行減數(shù)分裂，但是卵母細(xì)胞不會(huì)自動(dòng)進(jìn)入成熟期，而是停滯在前期I,直到有適當(dāng)?shù)募に剡M(jìn)行刺激。卵母細(xì)胞的減數(shù)分裂是高度不對(duì)稱的，最后產(chǎn)生一

5、個(gè)成熟的卵細(xì)胞和三個(gè)極體(polarbody)。什么是卵子發(fā)生？基本過(guò)程和主要特點(diǎn)是什么？ 精子發(fā)生(spermatogenesis)雄性的精子發(fā)生與卵子發(fā)生過(guò)程有很大的不同。動(dòng)物的雄配子稱作精子，是在睪丸中通過(guò)精子發(fā)生過(guò)程產(chǎn)生的。在哺乳動(dòng)物中，精子發(fā)生與支持細(xì)胞(Sertolicells)的發(fā)生密切相關(guān)，支持細(xì)胞為發(fā)育中的精子提供保護(hù)和營(yíng)養(yǎng)。實(shí)際上，精子筆膜幡麻蒯胞支持細(xì)胞初竣精母細(xì)凰次嫌精母細(xì)胞一晚精F細(xì)膻J-翰精智的展圖13-5哺乳動(dòng)物睪丸中發(fā)育的精細(xì)胞與支持細(xì)胞的關(guān)系支持細(xì)胞排列在構(gòu)成睪丸輸精管上，包埋在支持細(xì)胞表面的凹處的是發(fā)育中的精細(xì)胞。成熟的精細(xì)胞從支持細(xì)胞釋放進(jìn)入輸精管的腔。精

6、子的發(fā)生開(kāi)始于雄性原始生殖細(xì)胞一精原細(xì)胞(spermatogonia)的有絲分裂，雄性中的精原細(xì)胞的有絲分裂在成年后的生命過(guò)程中是持續(xù)發(fā)生的，因而能夠不斷產(chǎn)生大量的精細(xì)胞。在精母細(xì)胞(spermatocyte)有絲分裂增殖過(guò)程中產(chǎn)生的某些細(xì)胞最終分化成初級(jí)精母細(xì)胞，然后進(jìn)入減數(shù)分裂。在精子發(fā)生過(guò)程的有絲分裂和減數(shù)分裂過(guò)程中都使用了一種特殊的胞質(zhì)分裂方式，致使胞質(zhì)分裂不完全，使得形成的細(xì)胞通正在分犯的精子招徹成熟的總?cè)绫?#174;精綿明儲(chǔ)樹(shù)罐精件也施演戒H我1IGS®節(jié)鼐情猿分乘D恤闔質(zhì)肝tiAS/vtAtAiJXS/軸子細(xì)IK圖13-6發(fā)育中的精子與細(xì)胞質(zhì)橋，詳見(jiàn)正文通過(guò)減數(shù)分裂產(chǎn)

7、生的精子細(xì)胞在功能上是不成熟的，必須通過(guò)精子發(fā)生將減數(shù)分裂產(chǎn)生的精子細(xì)胞(spermatid)轉(zhuǎn)化成成熟的精細(xì)胞(spermcell)：一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的尾和帶有頂體(acrosome)的頭。什么是精子發(fā)生？有哪些主要特點(diǎn)？13.1.2受精作用(fertillization)受精作用涉及三個(gè)基本的反應(yīng)：頂體反應(yīng)、皮層反應(yīng)、原核融合等頂體反應(yīng)(acrosomalreaction)大多數(shù)的精子都是靠游動(dòng)來(lái)發(fā)現(xiàn)卵細(xì)胞，并與透明帶結(jié)合。為了確保精細(xì)胞與卵子的正確結(jié)合，需要有一種特別的機(jī)制。海膽的卵細(xì)胞外被中含有一種小肽，叫作呼吸活化肽(resact)，它可以作為化學(xué)附著物，擴(kuò)散到海水中，能夠選擇性地與同種海膽

8、精子表面的特異受體結(jié)合，這種受體具有尿音環(huán)化酶的作用，與海膽的呼吸活化肽結(jié)合之后，能夠在細(xì)胞內(nèi)產(chǎn)生第二信使cGMPo呼吸活化肽與受體的結(jié)合，指導(dǎo)了精子的運(yùn)動(dòng)，發(fā)現(xiàn)卵子并與之結(jié)合，然后進(jìn)行頂體反應(yīng)(圖13-7)圖13-7海膽的受精過(guò)程，詳見(jiàn)正文海膽的頂體反應(yīng)的基本過(guò)程和特點(diǎn)是什么？ 在哺乳動(dòng)物中，受精作用發(fā)生在雌性動(dòng)物的體內(nèi)，是靠精子沿生殖道游動(dòng)找到卵細(xì)胞，然后發(fā)生頂體反應(yīng)(圖13-8)。圖13-8哺乳動(dòng)物受精作用的頂體反應(yīng)在小鼠卵細(xì)胞的透明帶中有一種單體糖蛋白，ZP3在受精過(guò)程與負(fù)責(zé)與精子結(jié)合并誘導(dǎo)頂體反應(yīng)。哺乳動(dòng)物在交配中射出的精子必須在雌性生殖道中被分泌物修飾，這一過(guò)程稱為獲能(capac

9、itation),在人類(lèi)通常需要56小時(shí)。精子獲能是對(duì)精子細(xì)胞質(zhì)膜的脂和糖蛋白成份進(jìn)行修飾，其結(jié)果增強(qiáng)了精子的代謝能力和運(yùn)動(dòng)能力。一旦獲能的精細(xì)胞穿透濾泡細(xì)胞層，就會(huì)與透明帶結(jié)合。哺乳動(dòng)物卵細(xì)胞的透明帶有三種糖倍體的核(圖13-10)蛋白，其中ZP2和ZP3裝配成纖維，而ZP1對(duì)這些纖維進(jìn)行交聯(lián)形成三維結(jié)構(gòu)。ZP3作為精子的受體，使得精子與卵細(xì)胞進(jìn)行特異性的結(jié)合，引起頂體反應(yīng) 皮層反應(yīng)(corticalreaction)雖然在受精作用的開(kāi)始，一個(gè)卵細(xì)胞常常被成百上千個(gè)精細(xì)胞結(jié)合(圖13-9),但在正常情況下只有一個(gè)精子能夠同卵細(xì)胞的質(zhì)膜融合，并將細(xì)胞核和一些細(xì)胞器注入到卵細(xì)胞質(zhì)中，如果有多個(gè)精

10、子與同一個(gè)卵細(xì)胞融合，則稱為多精受精(polyspermy)，一般不會(huì)正常發(fā)育。有兩種機(jī)制保證了只有一個(gè)精子與卵細(xì)胞融合，所以多精受精是很少發(fā)生的。圖13-9在表面結(jié)合有多個(gè)精細(xì)胞的一個(gè)蛤卵細(xì)胞的掃描電鏡照片細(xì)胞如何防止多精受精？ 原核融合(pronucleifussion)精細(xì)胞的細(xì)胞核進(jìn)入卵細(xì)胞質(zhì)后，形成雄性原核(malepronucleus)。雄性原核向卵細(xì)胞的雌性原核移動(dòng)，當(dāng)兩個(gè)原核相互接觸時(shí)，通常會(huì)發(fā)生融合，形成一個(gè)商個(gè)二I削愷尾部輪效,、來(lái)自卵煙胞和茸煙胭的 染色沐狀列在一也赤道版單偌體的卵媼胞柱照固群歌中心弗 中那的-伸體捌（V佃胞林'需糯饕/1需鬣濫費(fèi)圖13-10哺乳動(dòng)

11、物受精后的精細(xì)胞與卵細(xì)胞的兩個(gè)原核的融合原核移到卵細(xì)胞的中央，當(dāng)它們碰到一起時(shí)，各自的核被膜解體，中心粒復(fù)制，兩個(gè)配子的染色體在紡錘體的作用下排列在同一個(gè)赤道板，進(jìn)行合子的第一次卵裂。 蛋白質(zhì)合成和DNA復(fù)制的激活受精作用會(huì)激活卵細(xì)胞中蛋白質(zhì)的合成和DNA的復(fù)制。如在海膽的卵母細(xì)胞，在受精前，只有不到1%的核糖體具有活性，所以蛋白質(zhì)合成幾乎完全停滯。但受精后不到5分鐘，蛋白質(zhì)合成速率大大增加，不到30分鐘，蛋白質(zhì)合成速率達(dá)到最高（圖13-11）iIIr1015202530受精的時(shí)間(min)圖13-11海膽卵細(xì)胞受精后蛋白質(zhì)合成的激活受精作用如何激活蛋白質(zhì)的合成和DNA的復(fù)制？圖13-12總結(jié)

12、了海膽卵細(xì)胞受精作用引起的反應(yīng)m*m*aH揩二寸in#聞出也愛(ài)Rittifc修子儲(chǔ)爾利 wanti 支門(mén):運(yùn)凡看亨用金吧|血筋麗 .1 音7由/世用藝春|'恍我白障第：；：留乂圮 trtDNAt!制圖13-12海膽卵細(xì)胞受精作用引起的反應(yīng)在卵細(xì)胞受精后加入RNA合成的抑制劑不會(huì)影響蛋白質(zhì)合成，這表明合成蛋白質(zhì)的mRNA是卵母細(xì)胞帶來(lái)的。這些由卵母細(xì)胞帶來(lái)的信息分子稱為母體信息(maternalInformation)13.2胚胎形成與分化受精發(fā)生之后，受精卵要進(jìn)行一系列的分裂、分化和相互作用，最后發(fā)育成個(gè)新的個(gè)體。13.2.1胚胎形成（formationoftheembryo）人和哺乳

13、動(dòng)物胚胎發(fā)育經(jīng)歷大致相同的分化發(fā)育過(guò)程。受精后胚胎的早期發(fā)育主要包括卵裂、胚泡形成和宮內(nèi)植入三個(gè)階段。 卵裂（cleavage）受精卵進(jìn)行的快速有絲分裂，稱為卵裂。經(jīng)過(guò)卵裂，受精卵被分割成很多小細(xì)胞，這些由小細(xì)胞組成的中空球形體稱為囊胚（blastula,圖13-13）。囊胚（空心球）囊胚的橫切面圖13-13受精卵的卵裂受精卵的卵裂速度比成年細(xì)胞的分裂快得多，如一個(gè)受精的蛙卵在不到兩天的時(shí)間內(nèi)可分裂成37,000個(gè)細(xì)胞；非洲爪蟾卵裂6小時(shí)達(dá)到10000個(gè)細(xì)胞組成的囊胚，卵裂時(shí)細(xì)胞體積越來(lái)越小。卵裂之所以快，是因?yàn)槭∪チ薌1期。由于卵裂過(guò)程不需要等細(xì)胞長(zhǎng)大，所以卵裂時(shí)細(xì)胞周期極短，幾乎只有S期和

14、M期；隨著卵裂的持續(xù)，G1期開(kāi)始恢復(fù)，到卵裂結(jié)束時(shí)，Gi期重新出現(xiàn)。另外，由于卵細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)是不對(duì)稱分布的，卵裂所產(chǎn)生的小細(xì)胞獲得的細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)是不同的，這對(duì)其卵裂細(xì)胞的分化發(fā)展方向具有重要作用。 原腸胚形成(gastrulation)囊胚細(xì)胞遷移，最終將囊胚轉(zhuǎn)變成原腸胚(gastrula),它是由三層細(xì)胞層構(gòu)成的(圖13-14)o外胚層形成上皮覆蓋在外表面(皮膚和腺體)以及中性組織；內(nèi)胚層分化成的上皮覆蓋在組織的內(nèi)表面(胃腸和相關(guān)的腺體)；中胚層最終發(fā)育成擴(kuò)散的海綿網(wǎng)狀間充質(zhì)細(xì)胞(mesenchymecell),這些細(xì)胞形成支持細(xì)胞，如肌肉、軟骨、骨、血和結(jié)締組織。卵黃桂醒孔腹唇內(nèi)胚層信定艮胚

15、預(yù)經(jīng)外的神圖13-14原腸胚形成AD:原腸胚形成的立體示意圖；A7D，：原腸胚形成切面示意圖 3.2.2細(xì)胞分化、細(xì)胞決定與形態(tài)建成細(xì)胞分化是胚胎細(xì)胞分裂后，未定形的細(xì)胞在形態(tài)和生化組成上向?qū)Ｒ恍曰蛱禺愋苑较虬l(fā)展，或由原來(lái)較簡(jiǎn)單具有可塑性的狀態(tài)向異樣化穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展的過(guò)程。細(xì)胞決定(celldetermination)是指細(xì)胞在發(fā)生可識(shí)別的形態(tài)變化之前，就已受到約束而向特定方向分化，這時(shí)細(xì)胞內(nèi)部已發(fā)生變化，確定了未來(lái)的發(fā)育命運(yùn)，這就是決定什么是細(xì)胞決定？與細(xì)胞分化的關(guān)系如何？ 細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞分化的誘導(dǎo)卵裂時(shí)，細(xì)胞核內(nèi)的物質(zhì)，包括基因組都平均地分配到子細(xì)胞內(nèi)，所以子細(xì)胞內(nèi)的遺傳物質(zhì)是相同的。但是，卵

16、細(xì)胞質(zhì)各區(qū)域的組分并不相同。卵裂使不同的胞質(zhì)組分分割進(jìn)入各卵裂細(xì)胞。這些特殊細(xì)胞質(zhì)組分稱為細(xì)胞質(zhì)決定子(cytoplasmicdeterminants)。細(xì)胞質(zhì)決定子在卵母細(xì)胞中已然形成，受精卵在數(shù)次卵裂中，決定子一次次地重新改組、分配。卵裂后，決定子的位置固定下來(lái)，并分配到不同的細(xì)胞中，影響著細(xì)胞分化。軟體動(dòng)物極葉(polarlobe)的形成就是細(xì)胞質(zhì)對(duì)分化影響的典型例子(圖13-15)。軟體動(dòng)物受精卵的胞質(zhì)中的物質(zhì)分布并不是完全均勻的，含有一些將分化為中胚層必需的特殊物質(zhì)可能在分裂時(shí)先"偏心"地突出胞體形成極葉，在分裂時(shí)這部分胞質(zhì)只進(jìn)入一個(gè)子細(xì)胞，分裂后這部分極葉胞質(zhì)會(huì)

17、縮回，到下一次分裂時(shí)再重復(fù)這種不均等分裂的過(guò)程。圖13-15軟體動(dòng)物卵極葉的形成胞質(zhì)對(duì)性細(xì)胞的分化亦起重要作用。如雙翅目昆蟲(chóng)的受精卵后端有一部分稱為極質(zhì)(poleplasm)。極質(zhì)中含有膜包起的顆粒狀物質(zhì)，稱為極粒(polargranule)。當(dāng)核進(jìn)入極質(zhì)后，極粒圍繞在核周?chē)?，誘導(dǎo)極細(xì)胞分化為生殖細(xì)胞(圖13-16)。因此,生殖細(xì)胞的分化決定于細(xì)胞質(zhì)中的極質(zhì)。多梗仆照作梭移向外冏，開(kāi)給冬成劍能過(guò)界概細(xì)胞(初畿 生珀期胤圖13-16果蠅從受精卵到囊胚期的發(fā)育圖中可見(jiàn)體細(xì)胞與生殖細(xì)胞的分化舉例說(shuō)明細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞分化的誘導(dǎo) 細(xì)胞的相互作用對(duì)細(xì)胞分化的誘導(dǎo) 動(dòng)物在一定的胚胎發(fā)育時(shí)期，一部分細(xì)胞影響相鄰細(xì)

18、胞使其向一定方向分化的作用稱為胚胎誘導(dǎo)(embryonicinduction),或稱為分化誘導(dǎo)。如將正常的能夠發(fā)育成神經(jīng)組織的細(xì)胞從兩棲類(lèi)原腸期的早期胚胎中切下，然后移植到另一個(gè)胚胎的可以發(fā)育成表皮的區(qū)域中，結(jié)果，移植來(lái)的細(xì)胞發(fā)育成了表皮而不是神經(jīng)細(xì)胞。同樣，將可以分化發(fā)育成表皮組織的細(xì)胞移植到能夠發(fā)育成神經(jīng)組織的胚胎中，移植的細(xì)胞發(fā)育成了神經(jīng)細(xì)胞。 條件的不同對(duì)細(xì)胞分化能力的改變有一定的限制。如果用晚原腸期(大約2天后)的細(xì)胞進(jìn)行上述相同的實(shí)驗(yàn)，其結(jié)果完全不同：將神經(jīng)組織的細(xì)胞放在胚胎的能夠發(fā)育成表皮組織的部位將不會(huì)發(fā)育成表皮，而是神經(jīng)細(xì)胞，反之亦然。 胚胎誘導(dǎo)一般發(fā)生在內(nèi)胚層和中胚層或外胚

19、層和中胚層之間。從誘導(dǎo)的層次上看，分為三級(jí)，即初級(jí)誘導(dǎo)、二級(jí)誘導(dǎo)和三級(jí)誘導(dǎo)。能夠誘導(dǎo)新胚胎形成的現(xiàn)象稱為初級(jí)胚胎誘導(dǎo)(primaryembryonicinduction)。HansSpamann和HildeMangold是如何通過(guò)蝶蜿胚胎移植實(shí)驗(yàn)證明了初級(jí)誘導(dǎo)？ 分化誘導(dǎo)現(xiàn)象也見(jiàn)于生長(zhǎng)發(fā)育的其他階段中，如成體動(dòng)物中胚層來(lái)源的間充質(zhì)細(xì)胞對(duì)外胚層來(lái)源的許多組織細(xì)胞的誘導(dǎo)作用，這種誘導(dǎo)對(duì)這些細(xì)胞的維持、生長(zhǎng)和分化是必不可少的。 細(xì)胞誘導(dǎo)的機(jī)制涉及細(xì)胞與細(xì)胞的接觸、細(xì)胞基質(zhì)的接觸、信號(hào)分子的擴(kuò)散等，可能是通過(guò)某些化學(xué)誘導(dǎo)物實(shí)現(xiàn)的。誘導(dǎo)物從誘導(dǎo)組織進(jìn)入反應(yīng)組織引發(fā)誘導(dǎo)。這些誘導(dǎo)物可能是大分子的蛋白質(zhì)或核

20、酸類(lèi)，也可能是小分子或信號(hào)分子,其確切性質(zhì)還有待于進(jìn)一步研究。另外，細(xì)胞外基質(zhì)在細(xì)胞誘導(dǎo)中可能有重要作用。 形態(tài)建成(morphogenesis) 胚胎發(fā)育不僅需要將分裂產(chǎn)生的細(xì)胞分化成具有不同功能的特異的細(xì)胞類(lèi)型，同時(shí)，要將一些細(xì)胞組成功能和形態(tài)不同的組織和器官，最后形成一個(gè)具有表型特征個(gè)體，這一過(guò)程稱為形態(tài)建成。 位置信息(positionalinformation):不斷分裂和移動(dòng)中的細(xì)胞通過(guò)感知自己的瞬間空間位置并依此決定分化方向或調(diào)整移動(dòng)路徑，此即位置信息對(duì)發(fā)育分化的影響。 形態(tài)發(fā)生素(morphogen)假說(shuō)：細(xì)胞如何得知已經(jīng)遷至適當(dāng)位置并應(yīng)該開(kāi)始參與形成不同的組織和器官？有人提出

21、形態(tài)發(fā)生素假說(shuō)來(lái)解釋處于胚胎不同部位的細(xì)胞在發(fā)育過(guò)程的形態(tài)建成行為：胚胎發(fā)生素在胚胎的特定部位合成和分泌，然后擴(kuò)散到周?chē)M織，形成一種濃度遞減的梯度。細(xì)胞通過(guò)適當(dāng)?shù)氖荏w“感知”自身部位的形態(tài)發(fā)生素的濃度，細(xì)胞就可以估測(cè)自己離形態(tài)發(fā)生素產(chǎn)生源有多遠(yuǎn)，并決定分化的方向。實(shí)際上，形態(tài)發(fā)生素假說(shuō)強(qiáng)調(diào)的就是位置信息對(duì)形態(tài)建成的影響?？茖W(xué)家通過(guò)對(duì)雞的肢芽(limbbuds)發(fā)育的研究，肯定了位置信息在形態(tài)建成中的作用。請(qǐng)根據(jù)雞的肢芽(limbbuds)發(fā)育的研究，設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)證明位置信息在形態(tài)建成中的作用。13.2.3影響分化和形態(tài)建成的其它因素 細(xì)胞粘合分子在胚胎發(fā)育中的作用研究表明細(xì)胞粘合分子(cel

22、ladhesionmolecular,CAM)在神經(jīng)誘導(dǎo)過(guò)程中起重要的調(diào)節(jié)作用。脊椎動(dòng)物神經(jīng)系統(tǒng)的發(fā)育從神經(jīng)管形成開(kāi)始，隨著胚胎三胚層的出現(xiàn)，在外胚層形成一條縱溝。這條縱溝的邊緣(即神經(jīng)外胚層的分解)逐漸升高并在背中線處會(huì)合。邊緣連合后與外側(cè)的外胚層分離，形成神經(jīng)管。神經(jīng)管被一層連續(xù)的外胚層上皮覆蓋。Edelmann等比較了兩個(gè)基本的細(xì)胞粘合分子-神經(jīng)細(xì)胞粘合分子(N-CAM)和肝細(xì)胞粘合分子(L-CAM)在神經(jīng)管形成中的分布。他們發(fā)現(xiàn)神經(jīng)外胚層與相鄰?fù)馀邔拥姆蛛x可能與這兩類(lèi)細(xì)胞粘著分子的表達(dá)調(diào)節(jié)有關(guān) 激素對(duì)分化和形態(tài)建成的影響細(xì)胞之間的分化調(diào)節(jié)方式中，除了相鄰細(xì)胞之間的作用外，還有遠(yuǎn)距離的調(diào)

23、節(jié)作用。隨著機(jī)體發(fā)育，細(xì)胞數(shù)目增加，機(jī)體體積增大，結(jié)構(gòu)逐漸復(fù)雜，對(duì)遠(yuǎn)距離的細(xì)胞的分化調(diào)節(jié)出現(xiàn)了一種新方式，即激素作用方式。舉例說(shuō)明激素對(duì)形態(tài)建成的影響。 分化抑制(differentialinhibition)分化完成的細(xì)胞可以產(chǎn)生抑素(chalone),這種化學(xué)介質(zhì)可抑制附近的細(xì)胞進(jìn)行同樣的分化。13.2.4細(xì)胞分化中的核質(zhì)關(guān)系在成熟個(gè)體組織中的核質(zhì)關(guān)系怎樣？ 細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞核的影響細(xì)胞質(zhì)不僅在細(xì)胞分化中具有重要作用，在成熟個(gè)體的組織中，細(xì)胞質(zhì)對(duì)細(xì)胞核仍然具有影響。 許多實(shí)驗(yàn)表明細(xì)胞質(zhì)能夠影響細(xì)胞核的基因表達(dá)。雞的紅細(xì)胞是終端分化細(xì)胞，它的細(xì)胞核是高度凝集的，不合成RNA或DNA。當(dāng)與培養(yǎng)的人

24、Hela細(xì)胞(去分化的癌細(xì)胞)融合后，核的體積增大20倍，染色質(zhì)松散，出現(xiàn)RNA和DNA合成，雞紅細(xì)胞核的重新激活是由于Hela細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)調(diào)節(jié)的結(jié)果。 細(xì)胞質(zhì)對(duì)基因表達(dá)具有調(diào)節(jié)能力。DeRobertis和Gurdon(1977)把培養(yǎng)的爪蟾腎細(xì)胞核注入螺蜿的卵母細(xì)胞內(nèi)，分析蛋白質(zhì)合成情況，發(fā)現(xiàn)，原來(lái)在腎細(xì)胞中表達(dá)的基因，此時(shí)不表達(dá)，而原來(lái)不表達(dá)的基因，這時(shí)卻被激活。說(shuō)明卵母細(xì)胞質(zhì)中含有某些成分，這些成分控制基因表達(dá)的開(kāi)關(guān)，對(duì)某些基因能激活，而對(duì)另外一些基因起抑制作用。 細(xì)胞核的決定作用 傘藻移植實(shí)驗(yàn)傘藻是單細(xì)胞的海藻，它是研究核質(zhì)關(guān)系中具有其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)的材料。1953年，H?mmerling和

25、Brachet用不同帽形，即傘形和菊花形"帽"的傘藻研究了核質(zhì)關(guān)系。請(qǐng)圖示H?mmerling和Brachet用傘形和菊花形"帽"的傘藻進(jìn)行移植實(shí)驗(yàn)。蛙的核移植用黑白兩種膚色的蛙為材料進(jìn)行核移植試驗(yàn)，也證明細(xì)胞核對(duì)細(xì)胞質(zhì)的決定作用。蛙膚黑色為顯性，白色為隱性，都是由細(xì)胞核控制的。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將帶有顯性黑色基因取自囊胚的核移植到帶有隱性白色基因經(jīng)紫外線照射處理的無(wú)核卵中，在移植成功長(zhǎng)成的蛙中，全部出現(xiàn)了黑色的表現(xiàn)型。這說(shuō)明蛙的色素是由細(xì)胞核控制的，并在以后的胚胎發(fā)育過(guò)程中受到影響而改變它的作用。13.2.5轉(zhuǎn)決定、脫分化與再生細(xì)胞分化中最顯著的特點(diǎn)是分化狀態(tài)的

26、穩(wěn)定性。特別在高等真核生物中，分化狀態(tài)一旦建立，其分化狀態(tài)是十分穩(wěn)定的，并能遺傳給許多細(xì)胞世代。如神經(jīng)原可在整個(gè)生命過(guò)程中保持著這種分化狀態(tài)。細(xì)胞分化不同于一般的細(xì)胞生理活動(dòng)引起的變化，如激素所引起的變化，當(dāng)刺激作用消失后，細(xì)胞又回到原來(lái)狀態(tài)。細(xì)胞分化則不同，它不會(huì)自發(fā)地逆轉(zhuǎn)。但是，分化的細(xì)胞可以在特定條件的誘導(dǎo)下進(jìn)行脫分化，這就是分化的可逆性，其根本原因就是分化細(xì)胞保持有全部基因組，可以通過(guò)適當(dāng)條件去分化，進(jìn)行再生。 轉(zhuǎn)決定(Transdetermination)在果蠅中發(fā)現(xiàn)了某種突變體或培養(yǎng)的成蟲(chóng)盤(pán)細(xì)胞中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)不按已決定的分化類(lèi)型發(fā)育，而生長(zhǎng)出不是相應(yīng)的成體結(jié)構(gòu)，這種現(xiàn)象叫轉(zhuǎn)決定。轉(zhuǎn)決

27、定的細(xì)胞可以回復(fù)到?jīng)Q定的原初狀態(tài)，但更多的是突變成其他類(lèi)型的結(jié)構(gòu)。如觸角成蟲(chóng)盤(pán)細(xì)胞變成翅或腿等。 脫分化(dedifferentiation)又稱去分化。是指分化細(xì)胞失去特有的結(jié)構(gòu)和功能變?yōu)榫哂形捶只?xì)胞特性的不同生物的脫分化的能力往往是不一樣的，所以，在細(xì)胞工程中，通常采用人工的方法進(jìn)行誘導(dǎo)脫分化，如用激素等 全能性（totipotency）分化細(xì)胞保留著全部的核基因組，它具有生物個(gè)體生長(zhǎng)、發(fā)育所需要的全部遺傳信息，即能夠表達(dá)本身基因庫(kù)中的任何一種基因，也就是說(shuō)分化細(xì)胞具有發(fā)育為完整個(gè)體的潛能，稱為全能性。 對(duì)全能性的認(rèn)識(shí)，首先是在植物方面取得突破。1958年Steward等利用胡蘿卜根的韌

28、皮部組織培養(yǎng)出了完整的新植株后（圖13-17）o胡效卜 切片端殖的細(xì)峋聞陽(yáng)豐德的m細(xì)胞正在出裂伴曙弊的副胞固w 幼芮胡潮卜圖13-17由單個(gè)分化細(xì)胞再生成完整的植株 在動(dòng)物方面，雖然在整體上，動(dòng)物細(xì)胞的全能性隨著細(xì)胞分化程度提高而逐漸受到限制，分化潛能變窄，但在細(xì)胞核方面，它含有保持物種遺傳性所需的全套基因，而且并沒(méi)有因細(xì)胞分化而丟失基因，因此理在論上，高度分化細(xì)胞的細(xì)胞核仍具有全能性。最早是通過(guò)對(duì)兩棲類(lèi)蛙的核移植證明完全分化的細(xì)胞核具有全能性。實(shí)驗(yàn)中用UV照射破壞成熟蛙卵的細(xì)胞核，然后將取自于成年蛙皮膚細(xì)胞的細(xì)胞核注入到去核的卵細(xì)胞中，以此檢測(cè)完全分化的體細(xì)胞的細(xì)胞核是否具有發(fā)育成個(gè)體的能力

29、。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是核移植的卵不僅發(fā)育成正常的囊胚，而且發(fā)育成正常的蝌蚪（圖13-18)受精卵用著UV 破環(huán)核蝌蚪將核注入卵中成年蛙皮膚細(xì)胞培養(yǎng)驅(qū)除皮膚細(xì)胞的細(xì)胞核正常的囊胚圖13-18蛙的核移植實(shí)驗(yàn)1977年英國(guó)科學(xué)家利用成年綿羊的體細(xì)胞成功克隆了一只小羊，從實(shí)踐上證明了高度分化的哺乳動(dòng)物動(dòng)物細(xì)胞具有全能性再生(regeneration)生物體的整體或器官受外力作用發(fā)生創(chuàng)傷而部分丟失，在剩余部分的基礎(chǔ)上又生長(zhǎng)出與丟失部分在形態(tài)與功能上相同的結(jié)構(gòu)，這一修復(fù)過(guò)程稱為再生。13.3 細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)人體基因組的基因總數(shù)大約為33.5萬(wàn)個(gè)，這些基因在分化的細(xì)胞中是否都表達(dá)？如果表達(dá)有差異，那么，這些差異是

30、如何表現(xiàn)的？這就是細(xì)胞分化的分子機(jī)理問(wèn)題。13.4 .1分化細(xì)胞的基因表達(dá)從分子水平看，分化細(xì)胞間的主要差別是合成的蛋白質(zhì)的種類(lèi)不同。如紅細(xì)胞合成血紅蛋白、胰島細(xì)胞合成胰島素等。而蛋白質(zhì)是由基因編碼的，所以合成蛋白的不同，主要是表達(dá)的基因不同，不難理解，細(xì)胞分化的分子基礎(chǔ)在于基因表達(dá)的控制。 看家基因(house-keepinggene)與奢侈基因(luxurygene)在胚胎發(fā)生過(guò)程中，細(xì)胞分化與基因表達(dá)存在何種具體的關(guān)系還不清楚。事實(shí)上，細(xì)胞的基因并非都是同細(xì)胞分化有直接關(guān)系，根據(jù)基因同細(xì)胞分化的關(guān)系，可以將基因分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是看家基因，是維持細(xì)胞最低限度功能所不可少的基因；另一類(lèi)是組織

31、特異性(tissue-specificgene)表達(dá)的基因，或稱為奢侈基因，這類(lèi)基因與各類(lèi)細(xì)胞的特殊性有直接的關(guān)系，是在各種組織中進(jìn)行不同的選擇性表達(dá)的基因。 基因差異表達(dá)及調(diào)節(jié)細(xì)胞分化的關(guān)鍵是細(xì)胞按照一定程序發(fā)生差別基因表達(dá)(differentialgene_expression),開(kāi)放某些基因，關(guān)閉某些基因。另外，分化細(xì)胞間的差異往往是一群基因表達(dá)的差異，而不僅僅是一個(gè)基因表達(dá)的差異。在基因的差異表達(dá)中，包括結(jié)構(gòu)基因和調(diào)節(jié)基因的差異表達(dá)，差異表達(dá)的結(jié)構(gòu)基因受組織特異性表達(dá)的調(diào)控基因的調(diào)節(jié)(圖13-19)o什么是基因的差別表達(dá)？在細(xì)胞分化中有什么作用？巫胎細(xì)胞謝節(jié)球閂的表達(dá)削胞c摑胞H細(xì)胞1

32、細(xì)胞摑胭K細(xì)胞L細(xì)胞就蠲胞忖圖13-19多基因的差別表達(dá)對(duì)發(fā)育的控制圖中高度概括顯示了幾個(gè)調(diào)節(jié)基因合成的調(diào)節(jié)蛋白如何調(diào)控多種類(lèi)型細(xì)胞的發(fā)育，主要是通過(guò)基因的差異表達(dá)。13.3.2真核生物基因表達(dá)的調(diào)控真核生物細(xì)胞分化的本質(zhì)是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果?；虮磉_(dá)的調(diào)控發(fā)生在各種水平，包括DNA水平、轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后加工水平、翻譯水平等，受多種因素的影響。 基因組調(diào)控：DNA甲基化與DNA重排基因組控制(genomiccontrol)主要是在DNA水平上調(diào)節(jié)基因的活性，其中兩種重要的方式是DNA的甲基化和DNA重排。 DNA甲基化(DNAmethylation)是在甲基轉(zhuǎn)移酶的催化下，DNA的CG兩個(gè)核

33、甘酸的胞嗑咤被選擇性地添加甲基，形成5-甲基胞嗑咤，這常見(jiàn)于基因的5/-CG-3/序列。DNA的甲基化可引起基因的失活(圖13-20)。在大鼠個(gè)體發(fā)育過(guò)程中，核內(nèi)DNA甲基化的程度不同，14天的胚胎肝只有8%rDNA甲基化，18rDNA的甲基化程度達(dá)天的胚胎肝有30%rDNA甲基化，而成年的大鼠肝組織60%有極少轉(zhuǎn)錄新的DNA甲基化'*”“忖“2*fjr-識(shí)別甲基化的蛋白與甲基化位點(diǎn)結(jié)合基因完全關(guān)閉一埼送¥圖13-20DNA甲基化對(duì)基因活性的調(diào)控DNA甲基化抑制基因的轉(zhuǎn)錄，雖然確切的機(jī)理尚不清楚，但推測(cè)，甲基化可促使染色質(zhì)凝集，這樣，DNA轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶就不能夠與DN

34、A結(jié)合。如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明DNA甲基化對(duì)基因活性的影響？ DNA重排(DNArearrangement)是基因活性調(diào)節(jié)的另一種重要的方式。這種調(diào)節(jié)主要是根據(jù)DNA片段在基因組中位置的變化，即從一個(gè)位置變換到另一個(gè)位置。最熟知的兩個(gè)例子是酵母交配型的控制和抗體基因的重排。釀酒酵母(Saccharomycescerevisiae)發(fā)生交配時(shí)，是兩個(gè)不同的交配型的單倍體細(xì)胞，”和a融合形成一個(gè)二倍體的細(xì)胞。所有的單倍體細(xì)胞都攜帶有交配型的兩個(gè)等位基因，但實(shí)際上，細(xì)胞交配能力主要取決于基因組特定位點(diǎn)MAT座位中的兩個(gè)等位基因a或a。細(xì)胞通過(guò)交替改變MAT座位中的等位基因，控制細(xì)胞的交配型。這種DNA重排

35、稱為盒式機(jī)制(cassettemechnism)，交配型的座位象是個(gè)盒式播放機(jī)，a帶或a帶（等位基因）都能插進(jìn)去播放（轉(zhuǎn)錄）。圖13-21詳細(xì)描述了酵母盒式機(jī)制的調(diào)控方式rSIR基因產(chǎn)物構(gòu)HML n 和HMRQiK默MAT圖13-21酵母交配型轉(zhuǎn)換的盒式機(jī)制釀酒酵母3號(hào)染色體上含有交配型信息的三個(gè)拷貝，HMLa和HMRa座位分別含有兩個(gè)互補(bǔ)基因的一個(gè)拷貝，a和a,但是這兩個(gè)座位的轉(zhuǎn)錄都受SIR基因的抑制，所以，細(xì)胞的交配型是受MAT座位的基因控制。當(dāng)細(xì)胞轉(zhuǎn)化交配型時(shí)，MAT座位的a或a被另一種交配型DNA的拷貝替換，圖中MAT座位的a被a取代，使HML、MAT、HMR三個(gè)位點(diǎn)的基因發(fā)生重排，改

36、變了交配型。酵母細(xì)胞的基因組如何通過(guò)基因重排改變交配型？轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄控制（transcriptionalcontrol）是真核生物控制基因表達(dá)的重要調(diào)控方式,通過(guò)轉(zhuǎn)錄調(diào)控，控制著基因在不同組織中進(jìn)行差異表達(dá)。近幾年，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較哺乳動(dòng)物不同組織細(xì)胞核中合成的RNA的差異獲得了轉(zhuǎn)錄調(diào)控的直接證據(jù)。圖13-22就是基于這樣的思路設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。肝組織和腦組織的功能是不同的，如何通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明是基因差異轉(zhuǎn)錄的結(jié)果？(a)分離鼎照儲(chǔ)ERNAJ送舞性劇除去群tH跑和幽加四申式我的ERWA臍蚓原I特外的mRKR(b)精蠲料加俏iKK小我Lt周反轉(zhuǎn)錄介成cDNA(c)盛酬膈招相中RNR低鞋軒/題葉羽叮梭

37、Ir冊(cè)期戰(zhàn)人一肝理MKDN4。冊(cè)郵電博©0*注號(hào)胱出梢性"錄朝*交涉胞榷轉(zhuǎn)漁將余交舉蛔朦|分離期第倏禁贛地域才點(diǎn)被替錄物U小博柱轉(zhuǎn)求枷,圖13-22真核生物基因表達(dá)的轉(zhuǎn)錄控制的實(shí)驗(yàn)證據(jù)通過(guò)雜交實(shí)驗(yàn)可證明肝細(xì)胞和腦細(xì)胞質(zhì)中mRNA群體的差異：(a)分離肝細(xì)胞和腦細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)mRNA,然后將在兩種類(lèi)型細(xì)胞中都出現(xiàn)的mRNA選擇性的剔除，再將肝細(xì)胞特異的mRNA反轉(zhuǎn)錄成cDNA,制備成肝組織特異的探針。用制備的肝細(xì)胞特異的探針對(duì)肝細(xì)胞核RNA(b)和腦細(xì)胞核RNA(c)進(jìn)行雜交檢測(cè)，結(jié)果與預(yù)期的一致：來(lái)自肝細(xì)胞的核RNA能夠與肝細(xì)胞特異的探針雜交，而來(lái)自腦細(xì)胞的核RNA則不能與肝

38、細(xì)胞特異的探針雜交，表明在這兩種組織中進(jìn)行了不同基因的差別轉(zhuǎn)錄控制基因差別轉(zhuǎn)錄的方式有很多種，但主要是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)錄起始的控制，它涉及相當(dāng)多的轉(zhuǎn)錄因子的作用，包括在第H章中介紹的組織特異性結(jié)合蛋白的作用。這些轉(zhuǎn)錄因子同基因上游的特定DNA序列相互作用，形成特別的復(fù)合物控制轉(zhuǎn)錄的起始。真核生物有三種RNA聚合酶，不同的RNA聚合酶所需的轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物是不同的。圖13-23是典型的真核生物基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)節(jié)然再調(diào)控序列氈網(wǎng)調(diào)控用列圖13-23真核生物基因轉(zhuǎn)錄起始的調(diào)控轉(zhuǎn)錄起始復(fù)合物在啟動(dòng)子位點(diǎn)進(jìn)行裝配，參與裝配的因子有基因轉(zhuǎn)錄因子、RNA聚合酶、基因調(diào)節(jié)蛋白等。同源異型基因(homeoticgene)

39、?在進(jìn)行影響果蠅(Drosophila)發(fā)育突變的研究中，發(fā)現(xiàn)了一些有關(guān)控制動(dòng)物體態(tài)形成的基因，其中最重要的同源異型基因。如果此類(lèi)基因發(fā)生了突變，就會(huì)在胚胎發(fā)育過(guò)程中導(dǎo)致某一器官異位生長(zhǎng)，即本來(lái)應(yīng)該形成的正常結(jié)構(gòu)被其他器官取代了。例如，果蠅的同源異型基因Antp(觸角基因)的突變，導(dǎo)致果蠅的一對(duì)觸角被兩集腿所取代(圖13-24)。圖13-24果蠅的觸角基因突變，長(zhǎng)觸角的部位長(zhǎng)出了腿?進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)Antp基因的3/端含有一段由180個(gè)堿基對(duì)組成的序歹U,這是一個(gè)高度保守的同源區(qū)域，與其他同源異型基因高度相似，該序列稱為同源異型框(homeobox)，簡(jiǎn)稱同源框。這一段DNA序列編碼60個(gè)氫基

40、酸，被稱為同源異型結(jié)構(gòu)域(homeodomain)。同源框普遍存在于果蠅、鼠、人、蛙等生物中(圖13-25),并在50000萬(wàn)年前就已經(jīng)形成。同源框基因進(jìn)化歷史之久、分布之廣泛，說(shuō)明它在發(fā)育中的作用十分重要。SIMO 10 制復(fù)ME 摩KANT產(chǎn)3 RrT. g囂次 ，0UCJI a利61媼制. s 腐 圖山區(qū) 幡考 必發(fā)言 之餐惠 WMxa sm 福器m 靠3靠 黑Ari言 爆比的 MS羨 3K.K; -ira's10型吭RNTF晶由工某川J日丹常需5 S比岫 之七中 sErarXTI 闔:hl.:l-nF ixK x震森 ms黑 黑賓 費(fèi)黑 丁文 S蔚 3息 2港巾 叫 Jjxuu

41、o-io1HMHT皋噫AKTP果 ituEac工的&S-3LS.療 案覆m 次篇 黑言皿 段2起 Ma.g.S.mN竟 群患 山|>小ilrllf 5KM 需OB器 靠翁 rLhkk qGu o-c 二元之圖13-25鼠、蛙和果蠅的五個(gè)同源框基因的同源性比較?已發(fā)現(xiàn)的Hox基因的產(chǎn)物基本上都是轉(zhuǎn)錄因子，同源框的蛋白產(chǎn)物呈螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋的立體構(gòu)型，可以和DNA雙螺旋的主溝吻合，附著于鄰近于TAAT的堿基，由于它能識(shí)別所控制的基因啟動(dòng)子的特異序列，從而在轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控基因表達(dá)。同源異型基因的突變稱為同源異型突變(homeoticmutation)。除了上面介紹的觸角被兩只腿取代外，還

42、發(fā)現(xiàn)一種同源異型突變的果蠅，叫作雙胸突變(bithoraxmutant),這種突變多長(zhǎng)出一對(duì)翅膀(圖13-26b)。圖13-26果蠅的雙胸突變a.正常果蠅；b.雙胸突變體什么是同源異型基因？它的基因結(jié)構(gòu)有什么特點(diǎn)？編碼的產(chǎn)物有什么功能？ 轉(zhuǎn)錄后加工的控制RNA轉(zhuǎn)錄物分為兩種類(lèi)型：簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)錄單元，只能加工形成一種mRNA;復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄單元，它可以加工形成幾種mRNA,合成幾種蛋白質(zhì)。簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)錄單元的加工主要是切除內(nèi)含子。內(nèi)含子的切除按"GT-AG"規(guī)則，即內(nèi)含子的切除總是在5/端以GT開(kāi)始，在3/端以AG結(jié)束。*, I成M摑期忙匚WWW/ m-, 成胃謊a里在復(fù)雜的轉(zhuǎn)錄物加工中

43、，經(jīng)不同剪接產(chǎn)生不同的成熟mRNA,表達(dá)不同的產(chǎn)物。有時(shí)某一基因的內(nèi)含子在一種類(lèi)型的細(xì)胞中是要被切除的內(nèi)含子而在另外一種類(lèi)型的細(xì)胞中卻是外顯子。例如大鼠的一個(gè)基因可編碼7種組織特異性的蛋白-a-原肌球蛋白(a-tropomyosin),這主要是通過(guò)改變剪接位點(diǎn)，以不同的剪接方式進(jìn)行加工實(shí)現(xiàn)的(圖13-27)?？诨禺?huà)圖13-27大鼠原肌球蛋白基因的轉(zhuǎn)錄和加工剪接圖的上方給出的是大鼠原肌球蛋白的基因結(jié)構(gòu)，下方給出的是該基因轉(zhuǎn)錄后經(jīng)可變剪接，在不同組織中形成7種不同的原肌球蛋白。細(xì)折線表示剪接前內(nèi)含子部位，小方框表示出現(xiàn)在成熟mRNA中的外顯子部分。 翻譯水平的調(diào)控翻譯控制(translationa

44、lcontral)有很多方式,包括控制蛋白質(zhì)合成的速度、mRNA穩(wěn)定性的控制、翻譯起始的控制等。 蛋白質(zhì)合成速度的控制紅細(xì)胞的血紅蛋白的翻譯控制是典型的控制蛋白質(zhì)合成速度的例子(圖1 3-28 )紅細(xì)胞如何控制珠蛋白的合成速度？血紅點(diǎn)（無(wú)活性）®有血紅素具有蛋白激陶的活性翻譯起始復(fù)合物合成多版圖13-28發(fā)育的紅細(xì)胞中血紅素對(duì)翻譯的調(diào)控作用發(fā)育中的紅細(xì)胞的主要功能是合成血紅蛋白。血紅蛋白是由四個(gè)珠蛋白和一個(gè)血紅素輔基構(gòu)成。紅細(xì)胞含有HCI蛋白（血紅素控制的抑制劑），它根據(jù)血紅素的量來(lái)調(diào)節(jié)蛋白質(zhì)的合成：血紅素與HCI結(jié)合，使HCI失去活性；當(dāng)細(xì)胞缺乏血紅素時(shí)，HCI具有活性；激活的HC

45、I可作為一種蛋白激酶，催化elF2磷酸化。eIF2是一種關(guān)鍵的翻譯起始因子，磷酸化的eIF2被失活，eIF2不能同甲酰tRNA和GTP結(jié)合形成翻譯起始復(fù)合物，細(xì)胞內(nèi)所有mRNA的翻譯都被抑制，由于珠蛋白mRNA是紅細(xì)胞的主要mRNA,所以受影響最大的就是珠蛋白的合成。當(dāng)有血紅素時(shí)，珠蛋白的合成得以進(jìn)行。 鐵蛋白翻譯的控制珠蛋白合成的控制是細(xì)胞通過(guò)蛋白質(zhì)的磷酸化來(lái)控制翻譯速度的范例，是一種非特異性的調(diào)控；而鐵蛋白翻譯的控制則是細(xì)胞在mRNA水平特異性控制某一基因表達(dá)的經(jīng)典（圖13-29）住夜應(yīng)因子(IRE)IRE-結(jié)合俄自GW與頭酸)活性默態(tài))5,*AAM 3,5,-鐵(擱譯抑制)鐵(促進(jìn)抻制)

46、 k圖13-29鐵蛋白mRNA翻譯的調(diào)控鐵蛋白在細(xì)胞內(nèi)的作用是螯合細(xì)胞質(zhì)中的游離鐵原子，保護(hù)細(xì)胞免受游離金屬的毒性。鐵蛋白的翻譯受細(xì)胞內(nèi)游離鐵的濃度調(diào)節(jié)，鐵離子的濃度影響一種阻遏蛋白的活性。這種阻遏蛋白有兩個(gè)結(jié)合位點(diǎn)，一個(gè)是鐵離子結(jié)合位點(diǎn)，另一個(gè)是同鐵蛋白mRNA5/端UTP區(qū)結(jié)合的位點(diǎn)，該位點(diǎn)稱為鐵反應(yīng)元件(iron-responseelementRE)。當(dāng)這種阻遏蛋白不同鐵結(jié)合時(shí)，可以同mRNA的IRE結(jié)合，阻止了鐵蛋白mRNA的翻譯；當(dāng)細(xì)胞中的鐵濃度升高對(duì)細(xì)胞產(chǎn)生危害時(shí)，游離鐵同阻遏蛋白結(jié)合，并使阻遏蛋白失活，從而使鐵蛋白mRNA得以翻譯。 偽裝mRNA的激活翻譯水平的調(diào)控在卵母細(xì)胞中具

47、有重要作用。未受精的卵細(xì)胞中攜帶有大量的mRNA,但這些mRNA在發(fā)育的早期不能進(jìn)行蛋白質(zhì)的合成，一般將這些儲(chǔ)存在卵細(xì)胞中為后期發(fā)育合成蛋白質(zhì)用的mRNA稱為“偽裝的"mRNA(maskedmRNA),因?yàn)樗鼈儽灰恍┑鞍踪|(zhì)結(jié)合并抑制了活性。但是受精后，這些偽裝的mRNA迅速去抑制，進(jìn)行蛋白質(zhì)的快速合成。如何證明成熟的卵母細(xì)胞中有偽裝的mRNA存在？ 翻譯后加工的控制原核和真核生物中合成的多肽都要進(jìn)行酶的切割和共價(jià)修飾，這種翻譯后的加工對(duì)于酶活性的調(diào)節(jié)是非常重要的。在真核生物中許多激素的合成都是以一個(gè)共同的前體合成的，稱為聚蛋白，然后切割成不同的蛋白質(zhì)。但是在不同的組織中，切割的方式是

48、不同的，因此相同的基因在不同的組織中合成不同的激素蛋白。例如多肽蛋白阿黑皮素原(proopiomelanocortin,POMC),在大鼠的腦垂體的前葉和中葉都能合成，含有多種不同的肽激素。在前葉只被切成ACTH和0-LPH,但是在垂體中葉要繼續(xù)被切成幾個(gè)小肽(圖13-30),它們具有不同的功能。y-MSHCLIP y LPH p-END腦垂體的前葉和中葉ACTH*LPHft-MSH僅在中暗圖13-30POMC的組織特異性的轉(zhuǎn)翻譯后加工POMC經(jīng)組織特異性的翻譯后加工產(chǎn)生兩套不同的多肽激素。在腦垂體的前葉和垂體中葉中，POMC被蛋白酶解，生成三個(gè)片段：N-端片段(N-terminalfragm

49、ent,N-TERM)、促腎上腺素(ACTH)、B-促脂解素(B-lipotropin,B-LPH)。但是在垂體中葉，多肽激素要被進(jìn)一步切割產(chǎn)生5種不同的激素：促黑激素(丫-melanocytestimulatinghormone,丫-MSH)、a-MSH、類(lèi)促腎上腺皮質(zhì)素垂體中葉肽(corticotropin-likeintermediatelobepeptide,CLIP)、丫-LPH、0-內(nèi)啡肽(0-endorphin)。13.3.3果蠅發(fā)育的調(diào)控線蟲(chóng)(nematoes)、果蠅(fruitflies)、斑馬魚(yú)(zebrafish)、小鼠(mice)和植物中的擬南芥(Adbidopsis)

50、等已成為發(fā)育研究的模式生物，這些模式生物的主要優(yōu)越性在于它們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中易于飼養(yǎng)(培養(yǎng))和繁殖。其中果蠅只有4對(duì)染色體，生命周期短，是分化研究的重要模型動(dòng)物，從黑腹果蠅（Drosophilamelanogaster）發(fā)育研究中獲得的許多分子事件已經(jīng)被證實(shí)普遍適用于高等動(dòng)物和人類(lèi)。 果蠅的生活史與早期發(fā)育果蠅的生活史（lifecycle）中包括從胚胎到成體的程序化完全變態(tài)（metamorphosis）,所謂完全變態(tài)是指昆蟲(chóng)發(fā)育成成蟲(chóng)時(shí)的形態(tài)完全不同于幼蟲(chóng)果蠅的整個(gè)生活周期只需要910天（圖13-31）。早捌陳昭一無(wú)休行矚脂盥卡"。犬卵受相¥母黜感圖13-31黑腹果蠅的生活史 果

51、蠅為雙翅目昆蟲(chóng)，軀體分節(jié)。果蠅卵的大小約為0.2mmx0.45mm,由卵發(fā)育為成蟲(chóng)果蠅大體經(jīng)過(guò)四個(gè)階段：卵、幼蟲(chóng)、蛹和成蟲(chóng)。果蠅在胚胎階段有兩個(gè)最重要的特征：極性（poladty）和分節(jié)（metamerism）。果蠅的卵從卵巢中排出時(shí)，它的細(xì)胞質(zhì)物質(zhì)就有了明確的空間分布定位和有秩序的卵質(zhì)結(jié)構(gòu)，就如同動(dòng)物極和植物極一樣，它的前端和后端可明顯分辯。在胚胎的后期可見(jiàn)到體節(jié)，每一個(gè)體節(jié)都具有不同的特征。 在果蠅的生活史中，有兩種完全不同的形態(tài)，中間被變態(tài)過(guò)程隔開(kāi)。一種是類(lèi)似蚯蚓狀的幼蟲(chóng)（larva）,另一種就是成蟲(chóng)果蠅。變態(tài)期又稱為蛹化（pupation）。果蠅的受精卵在一天之內(nèi)就發(fā)育成幼蟲(chóng)，然后經(jīng)過(guò)

52、連續(xù)的三個(gè)幼蟲(chóng)發(fā)育階段（稱為齡期），此過(guò)程持續(xù)4天多。在早期胚胎建成過(guò)程中，幼蟲(chóng)體內(nèi)會(huì)形成幾十種尚未分化的細(xì)胞團(tuán)，稱為成蟲(chóng)盤(pán)（imaginaldiscs）,變態(tài)期后不同的成蟲(chóng)盤(pán)可以逐漸發(fā)育為果蠅的腿、翅、觸角和軀體的其他部分的結(jié)構(gòu)（圖13-32）唇掂上唇平衡器外生殘器”下唇圖13-32果蠅成蟲(chóng)盤(pán)的定位和發(fā)育的命運(yùn)果蠅卵母細(xì)胞的發(fā)育成熟分三個(gè)階段(圖13-33),成熟的卵細(xì)胞有明顯的極性,即前后軸(anterior-posterioraxis,A-P)、背腹軸(dorsal-ventralaxis,D-V)圖13-33果蠅卵母細(xì)胞發(fā)育成熟的三個(gè)階段及結(jié)構(gòu)果蠅卵母細(xì)胞的發(fā)育成熟分為幾個(gè)階段？各有什

53、么特點(diǎn)？果蠅的卵細(xì)胞一旦受精，受精卵的細(xì)胞核即開(kāi)始分裂，并且每隔610分鐘，生成的子核也進(jìn)行同步分裂，但不會(huì)形成核膜。在進(jìn)行第八和第H輪核分裂之間，細(xì)胞核開(kāi)始向四周遷移，圍著卵黃形成單核層，這就是多核體的囊胚(圖13-34)。再經(jīng)過(guò)幾輪的分裂，細(xì)胞質(zhì)膜向內(nèi)凹陷，包圍起細(xì)胞核形成單層細(xì)胞層，此即細(xì)胞的囊胚層。此時(shí)，不同種類(lèi)的細(xì)胞分裂不再同步，它們發(fā)育的命運(yùn)由所分割的細(xì)胞質(zhì)中的信息決定。V-V/sfiIIJ%.卜分裂>!合胞體.；1(多核缽)核遷移丁“二門(mén)合胞體戢胚X/.小:二二二二/'極甄胞項(xiàng)媵內(nèi)陷”，成,珈胞康胚圖13-34果蠅的早期發(fā)育母體基因(maternalgene)對(duì)果蠅

54、早期發(fā)育模式的調(diào)控作用通過(guò)對(duì)影響果蠅早期發(fā)育突變的系統(tǒng)分析發(fā)現(xiàn)了母體基因(maternalgene),根據(jù)它們的作用,將母體基因分為四群：前部基因群(anterior-groupgenes)、后部基因群(posterior-groupgenes)、端部基因群(terminal-groupgenes)、背部基因群(dorsoventral-groupgenes),每群在胚胎發(fā)育過(guò)程中控制不同區(qū)域的分化。在成熟的未受精的卵細(xì)胞中，母體基因轉(zhuǎn)錄的mRNA和蛋白質(zhì)通過(guò)建立不同的濃度梯度，幫助卵細(xì)胞建立前后軸和背腹軸，即母體基因的產(chǎn)物沿著體軸成濃度梯度分布。某些母體基因合成的蛋白質(zhì)通過(guò)擴(kuò)散在細(xì)胞質(zhì)中形成

55、不對(duì)稱分布，使得囊胚中的不同細(xì)胞帶有不同量的母體基因的蛋白質(zhì)，造成分化的差異。母體mRNA的產(chǎn)物包括轉(zhuǎn)錄激活子(transcriptionalactivators)、轉(zhuǎn)錄抑制因子(transcriptionalrepressors)以及翻譯抑制因子(translationalrepressors),它們調(diào)節(jié)不同發(fā)育途徑，構(gòu)建不同的組織。果蠅的前后軸很大程度上受biciod和nanos基因產(chǎn)物影響。biciod基因產(chǎn)物是主要的前部形態(tài)發(fā)生素(anteriormorphogen),而nanos基因產(chǎn)物則是主要的后部形態(tài)發(fā)生素(poste門(mén)ormorphogen)。由看護(hù)細(xì)胞合成的biciod基因的mRNA定位未于受精卵細(xì)胞的前端，與微管結(jié)合，不發(fā)生翻譯。受精后翻譯成Bicoid蛋白，并在第七次核分裂時(shí)從前端向后擴(kuò)散，沿A-P軸形成濃度梯度(圖13-35a),這為以后的A-P軸模式形成提供了位置信息。正常的成蟲(chóng)到前端的距南卵長(zhǎng)度的百分比)M X卵取后端的成蟲(chóng)(PUSPO口,2q到前端的距府(卵氏度的百分比)圖13-35母體基因的產(chǎn)物