細胞分化的分子機制轉錄和轉錄詳解演示文稿

細胞分化的分子機制轉錄和轉錄詳解演示文稿現(xiàn)在是1頁\一共有95頁\編輯于星期日（優(yōu)選）細胞分化的分子機制轉錄和轉錄現(xiàn)在是2頁\一共有95頁\編輯于星期日細胞分化現(xiàn)在是3頁\一共有95頁\編輯于星期日概述在多細胞生物體內，每個細胞都有一定的性狀，即細胞特定基因型在一定的環(huán)境條件下的表現(xiàn)，也稱為細胞表型。根據(jù)細胞表型可將細胞分為3類：全能細胞、多潛能細胞和分化細胞。現(xiàn)在是4頁\一共有95頁\編輯于星期日概述全能細胞：指它能夠產(chǎn)生有機體的全部細胞表型，或者說可以產(chǎn)生一個完整的有機體，它的全套基因信息都可以表達。如合子、海膽和有些動物的早期分裂球等?，F(xiàn)在是5頁\一共有95頁\編輯于星期日概述多潛能細胞：表現(xiàn)出發(fā)育潛能的一定局限性，僅能分化成為特定范圍內的細胞。如多潛能生血干細胞僅能分化成為淋巴細胞、單核細胞、粒細胞等。①多潛能細胞后代的發(fā)育命運在一定的程度上已被限定；②在不同的環(huán)境條件下也能表現(xiàn)出某些相同的細胞表型，而且這種決定不能通過形態(tài)或生物化學的標準（無特殊的亞顯微結構變化，不含特異性蛋白質）來識別；③多潛能細胞的基因表達受到一定的限制?，F(xiàn)在是6頁\一共有95頁\編輯于星期日概述分化細胞：由多潛能細胞通過一系列分裂和分化發(fā)育成的特殊細胞表型。①合成特異性蛋白或具有特殊功能性的細胞器；②有絲分裂的頻率明顯降低，有的甚至完全停止細胞分型。細胞分化的過程是從全能性細胞→多潛能性細胞→分化細胞的發(fā)展過程，也是基因選擇性表達的結果。分化細胞一般僅有5％-10％的基因表達，除了合成細胞生長、代謝必需的產(chǎn)物之外，主要是特異性產(chǎn)物的合成?，F(xiàn)在是7頁\一共有95頁\編輯于星期日概述細胞分化是基因差異性表達的結果，差異性基因表達產(chǎn)生的原因主要來自于兩方面。①細胞內環(huán)境的差異影響核基因的表達。在早期胚胎發(fā)育的卵裂階段，由于卵質的不均勻分布，卵裂的結果所產(chǎn)生的分裂球(細胞)存在不同的細胞內環(huán)境，引起胚胎細胞核基因的差異表達。②細胞外環(huán)境的影響。⑴在胚胎發(fā)育早期不同的胚胎細胞位于不同的區(qū)域，受到不同的外界環(huán)境的影響，接受不同的位置信息。⑵特別是鄰近細胞的相互關系，如胚胎誘導對于胚胎細胞分化具有重要意義。⑶各種細胞外信號分子(細胞因子、激素等信號分子)，通過細胞間的通訊，特別是信號傳導間接影響細胞核基因的表達?，F(xiàn)在是8頁\一共有95頁\編輯于星期日概述差異基因表達的調控機制主要是在以下幾個水平完成：①差異基因轉錄：調節(jié)哪些核基因轉錄成RNA。②核RNA的選擇性加工：調節(jié)哪些核RNA進入細胞質并加工成為mRNA，構成特殊的轉錄子組。③mRNA的選擇性翻譯：調節(jié)哪些mRNA翻譯成蛋白質。④差別蛋白質加工：選擇哪些蛋白質加工成為功能性蛋白質，即基因功能的實施者?，F(xiàn)在是9頁\一共有95頁\編輯于星期日第一節(jié)基因組相同和基因差異表達多細胞有機體具有許多形態(tài)、功能和生物化學組成不同的細胞。這些不同的細胞都來自于一個共同的始祖細胞——受精卵。這些不同的組織細胞雖然具有相同的基因結構，但由于基因表達受到復雜的調控，發(fā)生差別基因轉錄，繼而合成組織專一性蛋白質，出現(xiàn)細胞形態(tài)和功能的分化。換句話說就是這些細胞的基因組相同，只是在發(fā)育過程中不同的細胞利用了基因組中不同的基因，結果導致各類細胞合成其特有的蛋白質?，F(xiàn)在是10頁\一共有95頁\編輯于星期日一、有機體不同組織細胞基因組相同的證據(jù)(一)遺傳學的證據(jù)遺傳學的研究早就顯示，果繩幼蟲的許多細胞具有多線染色體。這種多線染色體DNA可經(jīng)歷多次復制而不進行有絲分裂。形成512條，1024條，甚至更多條平行的DNA雙螺旋結構。人們發(fā)現(xiàn)這些染色體上有許多特征性的條帶，果蠅的單倍體基因組約有5150個不同的條帶。在整個幼蟲期和成體的不同組織細胞中染色體的數(shù)目是相同的，染色體上條帶的圖型也保持不變。以后大量的實驗證據(jù)表明從同一個體不同組織細胞提取的DNA是相同的，進一步說明不同組織細胞的基因組相同?，F(xiàn)在是11頁\一共有95頁\編輯于星期日多線染色體現(xiàn)在是12頁\一共有95頁\編輯于星期日一、有機體不同組織細胞基因組相同的證據(jù)(二)胚胎學的證據(jù)①Driesch(1892)用無鈣海水分離2細胞、4細胞、8細胞和16細胞期的海膽胚胎，發(fā)現(xiàn)每個單獨的卵裂球都可以發(fā)育成為正常的胚胎。表明海膽的早期分裂球是全能性的，細胞核內具有分化產(chǎn)生其他各種細胞類型的基因。②蠑螈眼再生⑴正常的蠑螈胚胎發(fā)育中，晶狀體由神經(jīng)外胚層誘導其表面的表皮細胞產(chǎn)生。如果將晶狀體原基移掉，其腹側虹膜細胞可再生新的晶狀體。⑵將蠑螈胚胎視網(wǎng)膜原基移掉，色素視網(wǎng)膜細胞可再生新的視網(wǎng)膜。由已分化的細胞轉分化為其他細胞類型的現(xiàn)象稱為轉化?，F(xiàn)在是13頁\一共有95頁\編輯于星期日(三)分子生物學的證據(jù)分子生物學的研究結果為基因組相同提供了更準確的證據(jù)。核酸分子雜交：表明有機體的不同組織細胞都擁有序列完全相同的核基因組DNA。例：各種不同小鼠細胞的單鏈DNA可同樣有效地抑制具有放射性標記的小鼠單鏈DNA探針與小鼠胚胎基因組的雜交。原位雜交技術：果蠅唾液腺細胞并不合成卵黃蛋白，但在果繩唾液腺細胞的基因組中卻同樣具有編碼卵黃蛋白的基因，而且該基因在體外一定條件下仍然可以合成卵黃蛋白?，F(xiàn)在是14頁\一共有95頁\編輯于星期日二、核潛能的限定（一）在發(fā)育中核潛能被限定大量的證據(jù)表明，隨著細胞的分化，核的潛能逐漸被限定。Briggs和King（1952，1960）用豹蛙成功進行核移植實驗。①他們將未分化的囊胚期細胞核移植進激活的去核卵，結果有60%的受體正常發(fā)育形成囊胚，其中80%-85%繼續(xù)發(fā)育形成正常二倍體蝌蚪。②采用原腸胚早期內胚層細胞核為供體進行核移植時只有50%的胚胎能夠進行正常發(fā)育為蝌蚪；③若用神經(jīng)胚內胚層細胞核為供體時僅有10%以下的胚胎能夠正常發(fā)育。由此可見，隨著個體發(fā)育的進行，細胞核指導發(fā)育的潛能被越來越限定，甚至喪失了指導全部發(fā)育的能力?，F(xiàn)在是15頁\一共有95頁\編輯于星期日豹蛙核移植實驗現(xiàn)在是16頁\一共有95頁\編輯于星期日（一）在發(fā)育中核潛能被限定細胞核潛能的限定是穩(wěn)定的且具有一定的組織特異性。三胚層細胞核移植實驗：①采用具有組織特異性的原腸胚后期內胚層細胞核為供體時，易于形成內胚層細胞，指導發(fā)育成為外胚層和中胚層細胞的能力已受到限制。②外胚層細胞核為供體進行移核實驗，產(chǎn)生發(fā)育異常的蝌蚪，可具有正常的神經(jīng)分化但是缺乏內胚層結構。在發(fā)育過程中體細胞核潛能的限定是一個普遍的規(guī)律?，F(xiàn)在是17頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）細胞核具有潛在全能性的研究關于分化細胞核潛能限定的觀點長期以來存在著爭議。有些學者認為用已分化細胞核進行的移植實驗在很多情況下不能獲得正常發(fā)育胚胎的原因，主要是由于核移植的方法使已分化細胞核突然進入了一個高頻率分裂的陌生胞質環(huán)境，容易引起染色體斷裂。為真正評價細胞核的潛能，人們采用核克隆技術（連續(xù)克隆），使移植的供體核逐漸地適應這種環(huán)境，結果也可以獲得發(fā)育正常的蝌蚪?，F(xiàn)在是18頁\一共有95頁\編輯于星期日核克隆技術將供體細胞核先移植進激活的去核卵中，再將發(fā)育產(chǎn)生的大量卵裂期或囊胚期細胞核為供體，再次進行移植，移植到更多的去核卵中，通過多次核移植可制備出原來供體核的許多拷貝。已分化細胞的核經(jīng)歷這一系列的移植后，其中有些細胞核變得可以指導整個有機體的發(fā)育。如原腸胚后期內胚層細胞核可以指導胚胎發(fā)育成為正常的蝌蚪。甚至將已分化的小腸上皮細胞核或紅細胞的細胞核作為供體移植到去核卵中，也可以獲得少數(shù)發(fā)育正常的蝌蚪或成體?，F(xiàn)在是19頁\一共有95頁\編輯于星期日一般核移植過程現(xiàn)在是20頁\一共有95頁\編輯于星期日核克隆過程現(xiàn)在是21頁\一共有95頁\編輯于星期日Dolly的誕生克隆羊Dolly的誕生（1997）對于說明體細胞核發(fā)育的全能性具有特別重要的意義。這是人類首次成功的用哺乳動物體細胞-成年母羊乳腺上皮細胞核為供體，經(jīng)過多次核移植而獲得的后代。隨后，克隆猴、克隆牛等一系列動物的研究獲得了成功?，F(xiàn)在是22頁\一共有95頁\編輯于星期日Dolly的標本和伊恩博士Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英國愛丁堡大學的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺結核而被安樂死，它的標本于2003年4月9日陳列于蘇格蘭首都愛丁堡國家博物館?，F(xiàn)在是23頁\一共有95頁\編輯于星期日三、基因組相同的例外——基因組的改變有些特殊的細胞中基因組會發(fā)生改變。馬蛔蟲體細胞的前體細胞在很早的卵裂階段中經(jīng)歷染色質消減，80%以上的DNA丟失，不再具備完整的基因組，僅有生殖系的細胞具有一套完整的基因組結構。癭[yǐng]蠅在細胞核分裂至16個時，其中14個核中有32條染色體消失，僅保留8條染色體。擁有這些核的細胞不具有完整的基因組DNA，將分化產(chǎn)生癭蠅成體的體細胞，而擁有其余兩個核的細胞發(fā)育成為生殖細胞?，F(xiàn)在是24頁\一共有95頁\編輯于星期日三、基因組相同的例外——基因組的改變B淋巴細胞：分化過程中發(fā)生免疫球蛋白基因重排使基因組發(fā)生改變。原來胚胎細胞基因組中不相連的DNA片段通過切接去掉一些DNA片段，重新裝配形成抗體輕鏈可變區(qū)基因和重鏈可變區(qū)基因。此外，在B淋巴細胞分化過程中恒定區(qū)基因發(fā)生類型轉換，這兩種因素使得每個B淋巴細胞都具有獨特的基因組，能夠合成特異性抗體。T淋巴細胞受體基因也經(jīng)歷類似的基因重排產(chǎn)生。酵母細胞分化過程中也存在基因重排，有些基因還因為轉座子（可以遷移的片段，插入到基因組中帶來新的信息）的插入而改變。此外，在胚胎發(fā)育的某特定時期，有的特殊基因被選擇性復制出許多拷貝，產(chǎn)生基因擴增現(xiàn)象。以上這些遺傳信息的改變是細胞分化的結果而不是細胞分化的原因（原因：內環(huán)境胞質和外環(huán)境胚胎誘導）?，F(xiàn)在是25頁\一共有95頁\編輯于星期日免疫球蛋白分子結構現(xiàn)在是26頁\一共有95頁\編輯于星期日剪切免疫球蛋白基因重排現(xiàn)在是27頁\一共有95頁\編輯于星期日第二節(jié)染色質水平基因活性的調控真核生物的DNA集中存在于細胞核內，DNA分子中攜帶著兩種遺傳信息：一種是負責編碼蛋白質氨基酸組成的結構基因，另一種也是DNA序列，編碼調控基因?；虮磉_：①結構基因轉錄和翻譯后由其翻譯產(chǎn)物蛋白質參與和調控生活細胞的一切生命活動；②同時，確定蛋白質的結構和蛋白質合成時間、空間次序性的信息由特定的調控基因編碼?，F(xiàn)在是28頁\一共有95頁\編輯于星期日核小體DNA與蛋白質結合，構成以核小體為基本單位的染色質結構?，F(xiàn)在是29頁\一共有95頁\編輯于星期日染色質染色質可根據(jù)在細胞分裂間期折疊壓縮的狀況分成異染色質和常染色質。染色質結構發(fā)生變化是基因轉錄的前提。異染色質常染色質現(xiàn)在是30頁\一共有95頁\編輯于星期日一、染色質異染色質存在結構型和機動型兩種類型。結構型：異染色質DNA序列的折疊壓縮狀況始終不發(fā)生改變，也不進行轉錄，但是對于基因表達的調節(jié)起著重要的作用。機動型：異染色質在某些情況下DNA序列折疊壓縮的狀況可以發(fā)生改變，成為常染色質并具有轉錄活性；而在另一些情況下又可轉變成為異染色質失去轉錄活性。這個現(xiàn)象稱為異染色質化。例如：雌性哺乳動物的兩個X染色體中有一個隨機失活的現(xiàn)象。現(xiàn)在是31頁\一共有95頁\編輯于星期日（一）X染色體失活1949年，Barr和Bertram就發(fā)現(xiàn)雌貓細胞核的核膜旁有個染色比較深的小顆粒，命名為Barrbody，以后認識到它是一個失活的X染色體。體細胞：Barrbody廣泛地存在于雌性哺乳動物動物中，每個細胞都有一個X染色體失活。生殖細胞：這種現(xiàn)象也存在于雌性生殖細胞具有二倍體基因組的前體細胞，但在進行減數(shù)分裂時，失活的染色體又重新恢復活性，所以卵母細胞具有完整的遺傳信息。現(xiàn)在是32頁\一共有95頁\編輯于星期日現(xiàn)在是33頁\一共有95頁\編輯于星期日X染色體失活的選擇性和規(guī)律性證據(jù)：常常是父源性的X染色體失活，對雌性小鼠的滋養(yǎng)層細胞幾乎只能檢測到母源性X染色體的信號。有袋類動物所有胚胎細胞父源的X染色體都失活。X染色體失活并不是整條染色體發(fā)生異染色質化和失活，而只是位于X染色體長臂上的所有基因失活，位于X染色體短臂上的幾個基因，如編碼類固醇硫酸酯酶的基因并沒有這種劑量失活的過程。在這些未失活的基因中，可能存在引起X染色體失活信號傳導分子的編碼基因。近年來對X染色體失活的分子機制的研究顯示，xist基因在X染色體失活時特異性表達，該基因具有調控小鼠發(fā)育中X染色體失活的功能?，F(xiàn)在是34頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）水蠟蟲的染色體失活最引人注目的染色體失活現(xiàn)象見于水蠟蟲。雌性個體：細胞中不具有機動型異染色質；雄性個體：細胞的一整套單倍體父源性染色體經(jīng)歷異染色質化而失去轉錄活性。結果在雄性動物的細胞核中存在一套單倍體母源性的常染色質和一套單倍體父源性異染色質。精子：精子細胞核中僅具有一套單倍體母源性的遺傳信息（異染色質不進入精子核）。受精后如果產(chǎn)生雄性后代，精子攜帶來的染色體再次經(jīng)歷異染色質化而失去轉錄活性。結果：在雄性個體中除了少數(shù)組織中出現(xiàn)異染色質化逆轉的情況之外，進行表達的基因幾乎全部是母源性的?，F(xiàn)在是35頁\一共有95頁\編輯于星期日現(xiàn)在是36頁\一共有95頁\編輯于星期日水蠟蟲x射線照射實驗Brown(1961）用x射線照射水蠟蟲，再把經(jīng)過照射的水蠟蟲與未經(jīng)過照射的水蠟蟲進行交配。結果發(fā)現(xiàn)：①其后代的發(fā)育情況不一致，只要雌性親代經(jīng)過X射線照射，而雄性親代是未經(jīng)x射線照射正常的后代，不管是雄性的還是雄性的幼體均大量死亡；②如果雌性親代是未經(jīng)x射線照射，而雄性親代是經(jīng)過x射線照射的正常后代，盡管雌性幼體死亡數(shù)仍然很多但雄性幼體死亡的卻比較少。說明雄性水蠟蟲細胞核中染色質的情況不同于雌性水蠟蟲。染色體失活現(xiàn)象：是發(fā)生在轉錄前的一種基因調整。這種調控機制是使大量的基因異染色質化，進而使這些基因的轉錄停止?，F(xiàn)在是37頁\一共有95頁\編輯于星期日二、選擇性基因轉錄的染色質變化對于染色體疏松區(qū)和燈刷染色體的研究有助于說明特殊基因轉錄前的調控和選擇性基因轉錄。（一）染色體疏松區(qū)染色體疏松區(qū)：指染色體上DNA解聚的特殊區(qū)域，是基因轉錄活躍區(qū)。研究發(fā)現(xiàn)果蠅和雙翅目昆蟲的多線染色體是否有疏松區(qū)和疏松區(qū)的位置，在不同組織細胞和同種細胞不同發(fā)育時期均存在很大差異，具有組織和發(fā)育時期的特異性。表明染色體上基因轉錄是按一定的時間和空間順序進行的。現(xiàn)在是38頁\一共有95頁\編輯于星期日蛻皮素處理實驗用蛻皮素處理體外培養(yǎng)的果蠅唾液腺細胞，染色體上會產(chǎn)生一些新的疏松區(qū)，但是原有的一些疏松區(qū)退化。新的疏松區(qū)的形成：由蛻皮素和染色體上的特殊部位結合所介導的。熒光抗體檢測：利用兔抗蛻皮素抗體為一抗，熒光素標記的羊抗兔抗體為二抗，進行熒光染色可以檢測出染色體上蛻皮素結合的位置，即對蛻皮素敏感的疏松區(qū)。在幼蟲時期蛻皮素敏感的的疏松區(qū)大致可分為3種：1.在蛻皮素刺激后能誘導退化的疏松區(qū)；2.被蛻皮素刺激后1h內能迅速產(chǎn)生的疏松區(qū)；3.在蛻皮素刺激后幾個小時后才能出現(xiàn)的疏松區(qū)?，F(xiàn)在是39頁\一共有95頁\編輯于星期日蛻皮素處理實驗疏松區(qū)所合成的產(chǎn)物對于誘導以后產(chǎn)生的疏松區(qū)是必需的。①如果在前一批疏松區(qū)剛形成不久，就在果蠅唾液腺細胞體外培養(yǎng)體系中加入蛋白質合成抑制劑，蛻皮素的刺激就不能引起后來的疏松區(qū)產(chǎn)生。②用突變的方法排除前一批疏松區(qū)，后一批疏松區(qū)也不能產(chǎn)生。說明蛻皮素和前一批疏松區(qū)的產(chǎn)物都是后一批疏松區(qū)產(chǎn)生的必要條件?，F(xiàn)在是40頁\一共有95頁\編輯于星期日蛻皮素和前一批疏松區(qū)產(chǎn)物是必要條件現(xiàn)在是41頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）燈刷染色體在兩棲類卵母細胞染色體的松散DNA處可以看到昆蟲染色體疏松區(qū)的類似物，這種結構就是燈刷染色體?，F(xiàn)在是42頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）燈刷染色體在減數(shù)分裂的雙線期成對排列的每個染色單體自染色粒向一側伸出許多DNA的側環(huán)，這些側環(huán)在雙線期之后再縮回去。蠑螈卵母細胞在雙線期，每個染色單體上約有5000個側環(huán)，有些可長達50-100μm，含有106個核苷酸分子。一般所觀察到的一個環(huán)是一個轉錄單位。燈刷染色體可以產(chǎn)生大量的mRNA，是卵發(fā)生中信息大量產(chǎn)生和積累的途徑之一。這些mRNA主要為早期發(fā)育所利用。現(xiàn)在是43頁\一共有95頁\編輯于星期日第三節(jié)轉錄水平的調控差異基因轉錄的調控是最重要的調控機制。一、基因表達的時間和空間特異性基因表達的時間特異性：有些特異性的基因，只有在發(fā)育的某個特定時期或某些時期才具有活性，而在其他時期則是無功能的基因。基因表達的空問特異性：主要指基因表達的組織細胞特異性?，F(xiàn)在是44頁\一共有95頁\編輯于星期日二、發(fā)育中基因轉錄水平的調節(jié)和變化（一）卵清蛋白基因的轉錄卵清蛋白是由產(chǎn)卵母雞的輸卵管黏膜細胞分泌的。卵清蛋白基因的轉錄受激素的調控。卵清蛋白的產(chǎn)生依賴于固醇類雌性激素的存在。固醇類激素是疏水性分子，可以自由出入細胞膜。當雌性激素進入細胞后可被激素受體蛋白識別，兩者結合形成雌性激素-受體復合物。在發(fā)生構象變化后，復合物通過核膜孔進入細胞核并與染色質的特定區(qū)域結合，啟動和促進卵清蛋白基因的轉錄。給年輕的母雞注射雌性激素可以引起輸卵管黏膜細胞的分化，合成卵清蛋白?，F(xiàn)在是45頁\一共有95頁\編輯于星期日類固醇激素作用機理現(xiàn)在是46頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）珠蛋白基因的轉錄血紅蛋白=珠蛋白+血紅素利用珠蛋白mRNA的探針，對雞胚紅細胞發(fā)育中血紅蛋白最初的轉錄進行監(jiān)控。①分離孵化20-23h的雞胚后部明區(qū)血島時，可以觀察到紅細胞的前體細胞，但并未檢測到血紅蛋白基因的轉錄產(chǎn)物。②到雞胚孵化35h，紅細胞的前體細胞分化為幼紅細胞，血紅蛋白迅速合成。這表明血紅蛋白基因是在這一段發(fā)育時期中轉錄的?，F(xiàn)在是47頁\一共有95頁\編輯于星期日血紅蛋白血紅蛋白是一個四聚體蛋白質，在人和許多動物中，胚胎、胎兒和成體紅細胞的血紅蛋白分子的組成都不相同。人胚胎血紅蛋白：由2個ζ-珠蛋白鏈、2個ε-珠蛋白鏈和4個血紅素分子組成?，F(xiàn)在是48頁\一共有95頁\編輯于星期日血紅蛋白妊娠第2個月：ζ–和ε-珠蛋白鏈的合成突然停止，而α-和γ-珠蛋白鏈合成量增加。由兩個α-和兩個γ-珠蛋白鏈組成胎兒的血紅蛋白分子。現(xiàn)在是49頁\一共有95頁\編輯于星期日血紅蛋白妊娠第3個月：γ-珠蛋白基因表達逐漸停止，同時β-和δ-基因開始表達，產(chǎn)量逐漸增加。出生后：血紅蛋白分子的組成迅速轉換，由胎兒型代之為成體型，即α2β2。正常成體的血紅蛋白分子中α2β2占97%，α2δ2為2%-3%，α2γ2為1%?，F(xiàn)在是50頁\一共有95頁\編輯于星期日血紅蛋白人的ζ-和α-珠蛋白基因位于第16號染色體上，而ε-、γ-、δ-和β-珠蛋白基因相連，在第一號染色體上依次排列。β-珠蛋白基因家族的表達顯示了一種調控機制，即指導其從胚胎型→胎兒型→成體型轉變的順序開關?，F(xiàn)在是51頁\一共有95頁\編輯于星期日(三)轉錄調控蛋白5S核糖體RNA基因的轉錄調控1.中心啟動子元件在整個發(fā)育過程中5SrRNA基因表達的調控都是在轉錄水平進行的。非洲爪蟾基因組具有2個編碼5SrRNA的多基因家族，即卵母細胞型和體細胞型。卵母細胞型：20000個，轉錄水平很低，卵發(fā)生早期開始囊胚中期可被檢測到。體細胞型：400個，合成體細胞的95％以上5SrRNA，卵發(fā)生早期開始一直可以檢測到。5SrRNA的基因的轉錄是由RNA聚合酶Ⅲ所調控的現(xiàn)在是52頁\一共有95頁\編輯于星期日2．TFⅢA的轉錄調節(jié)轉錄因子TFⅢA參與RNA聚合酶Ⅲ對非洲爪蟾5SrRNA轉錄的控制。TFⅢA既是RNA聚合酶Ⅲ控制中的第一個轉錄因子，也是5SrRNA的基因的專一性轉錄因子。但是TFⅢA分子與5SrRNA的基因中間啟動子的結合力很弱，相比之下非特異性轉錄因子TFⅢC能夠更牢固地與5SrRNA的基因中間啟動子相結合，所以TFⅢA分子與TFⅢC結合形成TFⅢA-TFⅢC復合物。當RNA聚合酶Ⅲ與該復合物結合時5SrRNA的基因的轉錄即發(fā)生。現(xiàn)在是53頁\一共有95頁\編輯于星期日(四)轉錄調控的“開關基因”(switchgene)在發(fā)育中有些基因是否表達，可以決定細胞向兩種不同的命運分化。如線蟲的lin-12基因，果蠅的notch基因和脊椎動物的myod1基因，我們稱它們?yōu)殚_關基因。野生型線蟲胚胎有兩種可相互作用的鄰近細胞：Z1.Ppp和Z4.Aaa，其中一種產(chǎn)生子宮頸(齒)細胞(ac)，另一種產(chǎn)生腹側子宮前體細胞(vu)。在lin-12基因隱性突變的動物中l(wèi)in-12基因不轉錄，兩種細胞都分化成為ac細胞。在有的突變體中l(wèi)in-12基因具有高轉錄活性，兩種細胞都分化成為腹側子宮前體細胞，即vu細胞。lin-12基因對于兩種發(fā)育途徑具有雙重“開關”的作用。現(xiàn)在是54頁\一共有95頁\編輯于星期日果繩轉錄調控的“開關基因”果繩的一種細胞具有分化成為上皮細胞或神經(jīng)母細胞雙重潛能。正常情況下細胞中的1／4分化成為神經(jīng)母細胞，其余的細胞成為上皮組織的前體。但在notch基因轉錄缺乏的胚胎中全部細胞只能分化成為神經(jīng)母細胞，而不能同時產(chǎn)生上皮組織和神經(jīng)母細胞，結果所產(chǎn)生的胚胎非正常發(fā)育而導致死亡?，F(xiàn)在是55頁\一共有95頁\編輯于星期日脊椎動物轉錄調控的“開關基因”脊椎動物中，從肌母細胞分離的DNA能夠改變脂肪細胞分化的命運，使脂肪細胞轉分化成為肌細胞。但是從纖維母細胞或從其他類型細胞分離的DNA不能引起這種細胞分化表型的改變。原因：肌母細胞的基因組DNA中有一種特異性mydo1基因，僅在肌細胞中表達，是肌細胞分化主要的開關基因，其cDNA稱為肌母細胞決定子1（mydo1)。如果將mydo1基因克隆到一種病毒載體上可以使多種類型的細胞轉分化，如色素細胞、神經(jīng)細胞、脂肪細胞及肝細胞等轉分化為肌細胞。mydo1具有肌細胞分化表型特異性調控基因的功能?，F(xiàn)在是56頁\一共有95頁\編輯于星期日三、差異基因轉錄的調控機制真核生物基因的結構：分子生物學知識補充。(一)外顯子與內含子真核生物的基因主要由兩種DNA序列組成：一種是蛋白質編碼序列稱為外顯子(exon)，另一種是非蛋白質編碼序列稱為內含子(intron)。編碼一個蛋白質的序列常以外顯子和內含子鑲嵌排列的方式存在。不同基因具有內含子的數(shù)目和內含子的長度差異很大。真核生物的基因還包括5’和3’末端長度不等的特異性序列，這些序列雖然不編碼氨基酸，但在基因表達的過程中起重要作用?，F(xiàn)在是57頁\一共有95頁\編輯于星期日人β-珠蛋白基因的10個區(qū)域①啟動子區(qū)：啟動子區(qū)位于轉錄起始點上游-95--26bp，由兩個上游啟動子成分和TATA盒組成。這個區(qū)域負責與RNA聚合酶結合，同時與以后的轉錄起始有關。②ACATTG序列：該序列位于RNA的5’末端，又稱為帽子序列，是轉錄的起始點，在轉錄后帽子序列將被修飾，這段序列在不同的基因中有差異。③翻譯起始密碼ATG:該密碼子位于轉錄起始點后50bp處，在轉錄的起始點和翻譯起始點間的這段序列稱為前導序列，其長度在不同基因中差異很大。由前導序列決定翻譯的速率。①①①②③現(xiàn)在是58頁\一共有95頁\編輯于星期日人β-珠蛋白基因的10個區(qū)域④第一外顯子：長90bp，編碼人β-珠蛋白的1-30個氨基酸。⑤第一內含子：長130bp，是人β-珠蛋白的非編碼序列，但對于RNA加工成為mRNA并轉運到細胞核外具有重要作用。⑥第二外顯子：長222bp，編碼人β-珠蛋白的31-104個氨基酸。④⑤⑥現(xiàn)在是59頁\一共有95頁\編輯于星期日人β-珠蛋白基因的10個區(qū)域⑦第二內含子：長850bp，也是人β-珠蛋白的非編碼序列。⑧第三外顯子：長126bp，編碼人β-珠蛋白的105-146個氨基酸。⑨翻譯終止密碼子TAA⑦⑧⑨現(xiàn)在是60頁\一共有95頁\編輯于星期日人β-珠蛋白基因的10個區(qū)域⑩3’末端非翻譯區(qū)：這段序列雖然轉錄但是并不參與蛋白質的翻譯。該區(qū)域包括AATAAAA序列，此序列為轉錄的RNA產(chǎn)物在3’末端增加200-300多聚核苷酸[poly（A）]尾所必需。poly（A）尾插入進RNA的位置是在AAUAA下游約20bp處，但是轉錄繼續(xù)進行超過AATAAAA序列的位置，終止在大約1000bp處。在3’末端非翻譯區(qū)序列中，從AATAAAA位點后600-900bp具有增強子功能，對于成體紅細胞前體β-珠蛋白基因適時的和組織特異性的表達是必需的。⑩現(xiàn)在是61頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）啟動子和增強子真核生物基因的轉錄起始和表達的調控依賴于兩類調控元件的相互作用，一類是順式調節(jié)子，另一類是反式調節(jié)蛋白。啟動子和增強子都是順式調節(jié)子，它們能與特定功能基因連鎖，作用于鄰近基因的表達。反式調節(jié)蛋白是可溶性的分子，包括具有調控作用的蛋白因子和RNA，它們可作用于鄰近基因或其他基因?，F(xiàn)在是62頁\一共有95頁\編輯于星期日1.啟動子的結構與功能啟動子：是位于轉錄起始位點上游的特殊DNA序列。能被RNA聚合酶Ⅱ識別和結合，對于決定基因轉錄起始和保證DNA精確，有效地轉錄具有極其重要作用。轉錄量相對較大的基因，啟動子都具有相似的結構。一個保守性較高且富含TA的序列，又稱為TATA框，位于轉錄起始位點上游大約30bp處。另外在TATA框的上游還有一個或多個上游啟動子元件，如：CCAAT(CAAT框）、GGGCGGG(GC序列）、GGGAGAGGG和ATGCAAAT序列。TATA框的主要作用：是使轉錄精確地從起始位點開始，其他的上游啟動子元件：主要調控轉錄起始頻率和維持基因轉錄，特別是CAAT框的作用相對較大?，F(xiàn)在是63頁\一共有95頁\編輯于星期日2.與啟動子結合的反式作用因子基因轉錄還需要RNA聚合酶與啟動子的相互作用。在轉錄開始之前，首先要形成RNA聚合酶和啟動子的轉錄起始復合物。絕大多數(shù)真核生物的細胞有3種類型RNA聚合酶，即RNA聚合酶Ⅰ、RNA聚合酶Ⅱ和RNA聚合酶Ⅲ。其中RNA聚合酶Ⅱ負責作用于多種基因的轉錄。在細胞核中存在一些轉錄調節(jié)蛋白因子為RNA聚合酶與啟動子結合所必需，如果缺乏這些因子，純化的RNA聚合酶Ⅱ并不能識別啟動子序列，轉錄只能起始于任意位置。從不同動物細胞，甚至從酵母細胞分離的基本轉錄因子具有相似的活性?；巨D錄因子負責識別啟動子序列中TATA框，并與RNA聚合酶Ⅱ一起形成轉錄起始復合物，進而起始轉錄。已經(jīng)經(jīng)過鑒定的普通轉錄因子有TFⅡD、TFⅡB、TFⅡF、TFⅡA等。按一定順序參與形成轉錄起始復合物。現(xiàn)在是64頁\一共有95頁\編輯于星期日現(xiàn)在是65頁\一共有95頁\編輯于星期日2.與啟動子結合的反式作用因子RNA聚合酶Ⅰ和RNA聚合酶Ⅲ分別負責18S、28S核糖體RNA和5S核糖體RNA，tRNA基因的轉錄，也需要多種蛋白因子參與，這些轉錄因子也必須與啟動子結合。現(xiàn)在是66頁\一共有95頁\編輯于星期日3.增強子的結構和功能增強子(enhancer)指增加同它連鎖的基因轉錄頻率的DNA序列。增強子是通過啟動子來增加轉錄的。有效的增強子可以位于基因的5’端，也可位于基因的3’端，有的還可位于基因的內含子中。增強子的效應很明顯，一般能使基因轉錄頻率增加10～200倍，有的甚至可以高達上千倍。增強子的作用同增強子的取向(5’-3’或3’-5’)無關，甚至遠離靶基因達幾千kb也仍有增強作用。有一類增強子對基因的轉錄起抑制作用，稱為沉默子(suencer)。當轉錄因子與沉默子結合時可抑制順式調控元件相連的啟動子的轉錄。現(xiàn)在是67頁\一共有95頁\編輯于星期日增強子的分類同一增強子在有的細胞中是順式調控元件，但在其他細胞中可能是沉默子，這是由細胞中其他轉錄因子決定的。由于增強子中有的能夠調節(jié)基因表達的時間；有的能夠調節(jié)基因表達的組織和細胞特異性；有的具有前述兩種功能；還有的增強子與激素或其他分子相關。根據(jù)增強子的功能特征可以將其分為以下幾類?，F(xiàn)在是68頁\一共有95頁\編輯于星期日(1)時間特異性增強子在胚胎發(fā)育中存在一種時間特異性增強子。在兩棲類胚胎發(fā)育中存在最典型的基因活性的時間開關，即囊胚中期轉換(MBT)。MBT類型的基因由于含有一種時間特異性增強子，在囊胚中期被特異性激活。兩棲類的這種增強子位于MBT基因閱讀框5’末端上游約700bp。人β-珠蛋白基因的時間特異性增強子，位于3’末端，AATAAAA序列下游600-900bp之間。通常γ-珠蛋白基因在人胚胎時期轉錄，如果把含有β-珠蛋白基因的時間特異性增強子的DNA片段移到γ-珠蛋白基因的附近，在β-珠蛋白基因的時間特異性增強子的作用下，γ-珠蛋白基因可在成體中表達?，F(xiàn)在是69頁\一共有95頁\編輯于星期日(2)組織特異性增強子調節(jié)β-珠蛋白基因表達的增強子，除了3’末端的臨時性特異性增強子之外，還有其他兩種增強子，由它們調節(jié)β-珠蛋白基因表達的組織特異性。其中一種增強子位子β-珠蛋白基因的第三個內含子序列內，其作用使β-珠蛋白基因的轉錄只能在紅細跑發(fā)生。另一種增強子事實上是“主”增強子，所有位于第11號染色體上的人β-珠蛋白基因家族的轉錄都由它調控。如果缺失此增強子區(qū)將引起所有β-珠蛋白基因家族的基因沉默?！爸鳌痹鰪娮拥墓δ芸赡苁鞘拐麄€轉錄調節(jié)因子區(qū)域打開。現(xiàn)在是70頁\一共有95頁\編輯于星期日(3)胰腺增強子有時基因的活性在不同類型的相鄰細胞中由不同的增強子所調控。如胰腺外分泌蛋白胰凝乳蛋白酶、淀粉酶、胰蛋白酶基因的增強子，與內分泌蛋白胰島素基因的增強子，雖然都位于各自基因5’末端旁的序列中，卻是不相同的兩類增強子。利用報道基因可對某一特定增強子的功能進行研究。氯霉素乙配轉移酶(CAT)的基因活性很容易檢測，同時在哺乳動物中不表達，可作為哺乳動物的報道基因。現(xiàn)在是71頁\一共有95頁\編輯于星期日(3)胰腺增強子Walker等(1983)分別構建這些基因5’末端旁序列和cat的重組基因，再將不同的重組基因分別轉人3種受體細胞：①不產(chǎn)生胰島素和胰凝乳蛋白酶的卵巢細胞；②分泌胰島素的胰腺細胞系；③一種產(chǎn)生外分泌蛋白的胰腺細胞系。說明胰腺外分泌細胞和內分泌細胞的基因表達由不同的增強子調控。受體細胞外分泌蛋白基因5’末端旁序列+cat內分泌蛋白基因5’末端旁序列+cat卵巢細胞不表達不表達分泌胰島素的胰腺細胞系不表達表達產(chǎn)生外分泌蛋白的胰腺細胞系表達不表達現(xiàn)在是72頁\一共有95頁\編輯于星期日(4)卵黃蛋白增強子果蠅卵黃蛋白是在雌性成體果蠅的特殊細胞中才大量合成的一種蛋白。果蠅有兩種卵黃蛋白基因，yp1和yp2，他們在DNA上的位置鄰近但是轉錄的方向相反。在卵巢和脂肪體中卵黃蛋白基因都轉錄，但是他們能用限制性內切酶分解，在共同的5’末端分開。如果將這兩種基因分別與報道基因一起構建表達質粒，再導入果蠅DNA，可以檢測他們轉錄的性別和時間特異性。卵黃蛋白基因僅在成體的雌性果蠅中表達。同時yp2的mRNA僅在卵巢組織中檢測到，而yp1得mRNA僅在脂肪體中表達。說明卵黃蛋白基因有兩個增強子，而且都位于5’末端，分別負責在卵巢和在脂肪體中的轉錄，使兩個基因在兩種細胞中正常轉錄。增強子對于基因表達的特異性有決定性作用?，F(xiàn)在是73頁\一共有95頁\編輯于星期日脂肪體卵巢組織現(xiàn)在是74頁\一共有95頁\編輯于星期日（三）轉錄因子轉錄因子是基因調控的反式作用因子，是能與啟動子和增強子結合的蛋白質。轉錄因子既含有特異性DNA結合域，又含有能與啟動子或增強子結合并刺激基因轉錄的結構域。通過相互作用使任何一種細胞中只有很少的一部分啟動子發(fā)生轉錄。轉錄因子可分為通用轉錄因子和特殊轉錄因子，即兩類基因調節(jié)蛋白。通用轉錄因子：指與啟動子TATA框序列結合的蛋白質，他們與RNA聚合酶II共同裝配成為轉錄起始復合物，以啟動轉錄。特殊轉錄因子：能識別特殊的DNA調節(jié)序列并與其結合，或與RNA聚合酶和其他轉錄因子結合以行駛功能?，F(xiàn)在是75頁\一共有95頁\編輯于星期日(四)激素應答成分在發(fā)育過程中經(jīng)常出現(xiàn)基因表達的協(xié)同調節(jié)現(xiàn)象。當一種類型的細胞同時表達幾種細胞特異性蛋白，或者在不向類型的細胞中由同一種激素誘導幾種基因表達時，這種基因表達的協(xié)同調節(jié)現(xiàn)象即發(fā)生。具有轉錄因子活性的類固醇激素特異性受體以非活性狀態(tài)存在時與一種熱體克蛋白結合，當激素與受體蛋白結合后熱體克蛋白脫離，同時受體構象發(fā)生改變。形成的激素-受體復合物進入細胞核并與特異性DNA序列結合，激活啟動子調節(jié)轉錄。能夠與激素受體蛋白特異性結合的DNA序列稱為激素效應元件，它們既可以是增強子，也可以是啟動子?，F(xiàn)在是76頁\一共有95頁\編輯于星期日(五)免疫球蛋白輕鏈基因的轉錄調控在每一個有機體中，絕大多數(shù)類型的細胞都具有相同的基因組，但是淋巴細胞例外。在與抗原接觸之前，處于休止期的B淋巴細胞就合成免疫球蛋白分子，但并不分泌。每一種B淋巴細胞本身具有產(chǎn)生107種以上不同的抗體分子的能力，但由于基因重排，每個細胞僅僅只合成一種抗體分子，并且將其置于細胞膜表面作為抗原受體。當外來抗原與淋巴結或脾中的淋巴細胞膜上抗原受體結合后通過信號傳導調控基因表達，使細胞分裂和進一步分化?，F(xiàn)在是77頁\一共有95頁\編輯于星期日第三章細胞分化的分子機制

——轉錄后的調控現(xiàn)在是78頁\一共有95頁\編輯于星期日真核生物：DNA→nRNA（核）→mRNA（質）第一節(jié)RNA加工水平的調控大多數(shù)編碼細胞特異性蛋白質的基因選擇性表達的調控主要發(fā)生在轉錄水平，但轉錄后調控對決定蛋白質結構和功能重要（一）、異質性核RNA（hnRNA）由于轉錄模板不同，nRNA的長度和性質差別較大分子量：nRNA﹥mRNA；半壽期：nRNA﹤mRNA；復雜性：hnRNA﹥mRNA，核苷酸序列多樣性一、mRNA前體和mRNA現(xiàn)在是79頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）、前體mRNA的加工對

早期發(fā)育的調控海膽：囊胚期與長腕幼蟲期細胞nRNA相同；囊胚期處于轉錄激活狀態(tài)的DNA序列與長腕幼蟲期完全一致；隨著發(fā)育進程由基因組DNA的轉錄所產(chǎn)生的細胞質mRNA的復雜性逐漸減小；早期胚胎發(fā)育的調控機制：存在加工水平的差異現(xiàn)在是80頁\一共有95頁\編輯于星期日早期發(fā)育對RNA信息的選擇——不同類型細胞對nRNA的選擇不同現(xiàn)在是81頁\一共有95頁\編輯于星期日RNA加工前三個胚層中的RNA量無差異。EctEn/mes加工后的RNA主要存在于外胚層中。核酸保護實驗(放射性intron或exon探針與總RNA雜交后再RNase消化)表明：海膽鈣結合蛋白基因CyIIIa在原腸胚的外胚層中表達核酸run-on(在膜上固定intron序列與放射性RNA探針雜交)實驗表明：Spec1基因在原腸胚的內、中、外胚層細胞核中都表達，但成熟的Spec1mRNA只存在于外胚層中。nRNA現(xiàn)在是82頁\一共有95頁\編輯于星期日（一）、同一基因的初始轉錄物（nRNA）經(jīng)選擇性拼接可產(chǎn)生不同的成熟RNA原肌球蛋白基因二、RNA加工水平的調控α-原肌球蛋白基因現(xiàn)在是83頁\一共有95頁\編輯于星期日nRNAmRNAB淋巴細胞的DNA，發(fā)生重排生殖細胞的DNA重鏈可變區(qū)（抗原結合區(qū)）在淋巴細胞形成過程中，發(fā)生基因重排（DNA水平）重鏈恒定區(qū)發(fā)生分子轉換，該模式通過RNA加工完成前體RNAμ區(qū)δ區(qū)IgMIgD現(xiàn)在是84頁\一共有95頁\編輯于星期日相同基因在不同發(fā)育時期或不同組織細胞中拼接不同，合成不同的蛋白質降鈣素/神經(jīng)多肽CGRPmRNA前體現(xiàn)在是85頁\一共有95頁\編輯于星期日果蠅性別表型的決定事件，通過3個主要性別決定基因RNA的不同拼接模式，引起差異基因表達選擇性RNA加工與性別決定現(xiàn)在是86頁\一共有95頁\編輯于星期日（二）、RNA3’末端的決定絕大多數(shù)真核生物nRNA在剪接之前，先進行3’末端斷裂和