基因组相同和基因

基因组相同和基因差异表达 大量实验证明 同一有机体的多种细胞具有完全相同的一套基因 结构 ，即基因组相同。 细胞内由于基因表达受到复杂的调控， 不同细胞发生差异基因 转录，合成组织特异蛋白质，出现细胞形态和功能的分化 。 1 第一节 同一机体不同组织细胞基因相同 一 . 遗传学证据 同一个体细胞的染色体和基因组相同 果蝇幼虫细胞的多线染色体上有许多特征性的条带，其单倍体基 因组约有 5150个不同的条带，在整个幼虫和成体不同组织细胞 中染色体数目是相同的，染色体上条带的图型也保持不变，条 带的数目与基因的数目有明显的相关性 . 2 唾液腺、马氏管、直肠 和消化道中的染色体 3 二 . 胚胎学证据 已分化细胞仍然具有发育成为其它细胞的潜能 分离的海胆的 2-16细胞期胚胎卵裂球，每个都能发育为正常的 胚胎表明早期胚胎卵裂球是全能的 蝾螈 16-细胞期胚胎卵裂球具有发育为完整个体的潜能 4 已决定或已分化的细胞仍然具有发育为其它细胞的能力 转决定 (transdetermination)： 果蝇幼虫成虫盘 (imaginal discs，图 ) 细胞， 分化为确定命运的成虫细胞 。这种决定是稳定的 ;但在 一定条件下其命运也会改变，如触角盘经过多次移植将分化 形成成虫的腿、翅或嘴。 成虫盘细胞这种不按已决定的命运分化为一定类型器官，而是 分化为成体其它器官的现象称为转决定 果蝇成虫盘对应成体的器官 5 6 转分化或组织变形 (metaplasia)， 指由已分化的细胞转分化为 其它细胞类型的现象。 如蝾螈的晶状体再生 (下图 )。 除去晶状体原基，其腹侧虹膜可再生 新的晶状体； 除去视网膜原基，色素视网膜便可再生新视网膜。 7 三 . 分子生物学的证据 不同组织的细胞具有完全相同的核基因组 DNA 核酸分子杂交 (nucleic acid hybridi-zation)证明有机体不同组织细胞具 有量和序列完全相同的核基因组 DNA。 原位杂交 (in situ hybrization)进一步显示已分化细胞仍然含有不表达 的其它组织专一性基因。 8 第二节 核潜能的限制 一 . 在发育中核潜能被限定 Briggs和 King(1952, 1960)用核移植技术 (下图 )在豹蛙中所得结果显 示：发育时期愈晚，体细胞核指导发育为蝌蚪的百分率愈小 . 许多实验证明， 随着个体发育的进行，体细胞核指导发育的潜 能越来越限定 ，似乎丧失了指导完全发育的能力。核潜能限 定是稳定的和具有一定的组织特异性。 9 10 二 . 细胞核潜在全能性的研究 为真正研究核潜能采用了 核克隆 (nuclear cloning，下左图 )， 每个核 克隆有其特征性的表现型，同一克隆的核不仅指导发育的能 力基本一致，而且发育被阻断的阶段也一致。经过几代克隆 这些特征保持不变。 通过核克隆可大大提高指导发育的能力。 11 通过低温处理受体卵降低其分裂速度和通过精胺处理供体核提高 其分裂速度，使二者分裂速度匹配，同样提高核移植后指导发 育的能力。 由于核移植技术不断改进， 1966年 Gurdon将爪蟾蝌蚪肠细胞核移 植到去核卵，得到有生殖能力的成体。证明 已分化的肠细胞的 细胞核能指导完全的发育过程 ，产生不同类型的体细胞，说明 了细胞核的全能性。 蝌蚪红细胞 DNA停止复制，不合成 RNA， 将其核移入去核卵恢复 DNA复制并发育出游泳蝌蚪。 12 从两栖类克隆实验结果的分析可归纳出以下结论： 伴随发育 的进行有机体的体细胞存在着普遍的核潜能限定的现象 ， 这种限定是确定的，而且具有供体核的特异性。其次， 分 化细胞核基因组具有产生蝌蚪全部细胞类型的潜能 。 后来核移植技术也用于哺乳动物 (下图 )。 13 克隆羊 Dolly的诞生 (1997)亦说明体细胞核发 育的全能性 。 这是人类首次成功的用哺乳动物体细胞 成年母羊乳腺上皮细胞核为供体，经过 多次核移植 而获得的后代 . 随后克隆猴、克隆牛、克隆羊等一系列克 隆动物的研究也获得了成功。 获得克隆哺乳动物的技术路线如图，移植 的供体核都来源于成体动物的体细胞。 这说明， 绝大多数动物细胞的核都具有潜 在的全能性 . 14 第三节 基因组相同的例外 基因组改变 一、 染色质消减 (chrompsone diminution)： 如马蛔虫体细胞的前体细 胞在卵裂期间约 80% 的 DNA丢失 。 二、 基因重排 (gene rearrangement):如淋巴细胞在分化过程中 免疫 球蛋白基因重排 ，其基因组发生改变。 B淋巴细胞是受到抗原刺激后产生抗体的细胞。这种 抗体对特异 性抗原的选择 涉及 B淋巴细胞分化过程中新基因的产生 . 15 抗体分子由两对多肽亚基组成，含有两条完全相同的重链和两 条完全相同的轻链 (下图 )。 抗体分子每条肽链分为变区和恒区：变区由氨基端组成，其结 构决定抗体分子的特异性；恒区由羧基端组成，它决定抗体 分子的其它性质。 编码抗体分子四条肽链的基因由 DNA片段组成。 16 编码轻链的基因含三种 DNA片段 ： V 片段 负责编码轻链变区的 97个氨基酸 ，大约有 300种不同序列的 V片段； J 片段负责编码 轻链变区最后 15-17个氨基酸 ，有 4-5个不同 序列的 J片段； C 片段负责编码轻链恒区 . 在 B细胞分化过程中，一个 V片段和一个 J 片段经过移动和剪接形成轻链变区基因 ， 即经过基因重排，其结果丢失了一些 DNA 片段 （下图）。 17 三 . 基因扩增 (gene amplification): 最早对爪蟾 卵母细胞核糖体 RNA(rRNA)进行研究。卵母细胞的 基因扩增从蝌蚪变态期开始，一直到卵母细胞成熟之前。 经过基因扩增卵母细胞中 rDNA已达到体细胞的 2X105倍，这些 扩增基因都位于染色体之外形成许多小颗粒 ，从电镜下观察 到核仁增加 (下图 ) 18 两栖类核糖体 RNA基因位于核仁组织区的核糖体 DNA以成串重 复的形式排列 (下图 )。 18S， 5.8S和 28S三种 rRNA基因连接在一 起 ，构成一个大的核糖体 RNA基因转录单位。 这些单位在 DNA链上串联重复约 5000次。每个转录单位具有一个 5 的前导序列，以后依次是 18S rRNA基因的编码序列、转录 间隔、 5.8S rRNA基因、转录间隔、 28S rRNA基因。这些基因 之间没有内含子，以整个转录单位转录成一个 40S rRNA前体 ，再由后者产生三种 rRNA。 19 染色体上 rRNA 基因转录单位一样，非转录间隔区的长短不一 样 .通过基因扩增可转录产生大量的 RNA，但基因扩增并不是 普遍现象，其机制尚不完全清楚。 20 第十三章 染色质水平基因活性的调控 真核生物的 DNA主要集中在细胞核内并与蛋白质结合构成以核小 体为基本单位的染色质 (chromatin)结构。 染色质根据在细胞分裂期间折叠压缩的状况分为 异染色质 (heterochromatin)和 常染色质 (euchromatin)。 染色质结构发生变化 是基因转录的前提 。 21 第一节 异染色质 异染色质存在结构型和机动型 ，前者不变形，不转录；后者变形 后具转录活性。如雌性哺乳动物两个 X染色体中一个随机失活 一 . X染色体失活 1949年 Barr和 Bertram发现雌猫细胞核核膜附近有染色较深的颗 粒，命名为 巴氏小体 (Barr body)， 以后认识到是一个失活的 X染 色体。它广泛存在于雌性哺乳动物中。 Mary Leon(1961)认为两个 X染色体在发育某一阶段必然有一个发 生随机失活 (random inactivation)。 这种失活不可逆，其后代亦然 22 23 在卵子减数分裂时失活的 X染色体可恢复活性，保证完 整遗传信息，但其机制不清 (右图 ) 24 二 . 水蜡虫的染色体失活 水蜡虫雌性个体细胞中不具有兼性染色质，但是 雄性个体细胞 一整套单倍体父源性染色体经历异染色质化而失去转录活性 ，甚至 本来在雄性亲代细胞中具有转录活性的常染色质在传 递给雄性子代时也转变成异染色质 。 (这样 )在雄性动物的细胞核中存在一套单倍体母源性常染色质和 一套单倍体父源性异染色质。在精子发生减数分裂时，异染 色质化的染色质不进入精子的细胞核，精子细胞核中仅具一 套单倍体母源性的遗传信息 . 精子与卵子结合受精，如果产生雄性后代，精子携带来的染色 体再次经历异染色质化而失去转录活性 (下图 )。 结果在雄性个 体中除少数组织中出现异染色质化逆转的情况之外，进行表 达的基因几乎全部是母源性的。 25 用 X射线照射水蜡虫，再把照射过的与未照射过的水蜡虫交配， 只要雌性亲代被照射，而雄性亲代未照射，其后代不管雄性 还是雌性幼体均大量死亡；反过来，雌性亲代未照射，雄性 亲代照射，尽管雌性个体死亡仍很多，但雄性幼体死亡较少 。雄性和雌性染色质不同。 26 第二节 选择性基因转录的染色