细胞分化的分子机制转录、转录前和转录后学习教案

1、会计学1第一页，共79页。第1页/共78页第二页，共79页。n多潜能细胞: 含有的基因信息被限制表达的细胞n分化细胞:多潜能细胞通过分离和分化发育成的特殊细胞表型第2页/共78页第三页，共79页。过形态或生物化学的标准（无特殊的亚显微结构变化，不含特异性蛋白质）来识别；n多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。第3页/共78页第四页，共79页。第4页/共78页第五页，共79页。性细胞分化细胞的发展过程，也是基因选择性表达的结果。n分化细胞一般仅有5-10的基因表达，除了合成细胞生长、代谢必需的产物之外，主要是特异性产物的合成。第5页/共78页第六页，共79页。第6页/共78页第七页，共79页。基因

2、表达基因表达(biod)的多级调控的多级调控基因基因(jyn)激活激活转录起始 转录后加工(ji gng)mRNA降解蛋白质降解等蛋白质降解等蛋白质翻译蛋白质翻译翻译后加工修饰翻译后加工修饰第7页/共78页第八页，共79页。不同的胚胎细胞位于不同的区域，受到不同的外界环境的影响，接受不同的位置信息。特别是邻近细胞的相互关系，如胚胎诱导对于胚胎细胞分化(fnhu)具有重要意义。各种细胞外信号分子 (细胞因子、激素等信号分子)，通过细胞间的通讯，特别是信号传导间接影响细胞核基因的表达。第8页/共78页第九页，共79页。nmRNA的选择性翻译：调节哪些mRNA翻译成蛋白质。n差别蛋白质加工：选择哪些

3、蛋白质加工成为功能性蛋白质，即基因功能的实施者。第9页/共78页第十页，共79页。一性蛋白质，出现细胞(xbo)形态和功能的分化。n换句话说就是这些细胞(xbo)的基因组相同，只是在发育过程中不同的细胞(xbo)利用了基因组中不同的基因，结果导致各类细胞(xbo)合成其特有的蛋白质。第10页/共78页第十一页，共79页。去核受精卵去核受精卵囊胚核囊胚核原肠胚早期内胚层核原肠胚早期内胚层核神经胚内胚层核神经胚内胚层核50%蝌蚪，蝌蚪，异常个体以内胚层细胞异常个体以内胚层细胞 形成较其他胚层细胞更容易形成较其他胚层细胞更容易10%蝌蚪蝌蚪80%以上蝌蚪以上蝌蚪结论：随着发育，体细胞的核潜能结论：随

4、着发育，体细胞的核潜能(qin nn)存在普遍的受限现象，且具有供体核的特异存在普遍的受限现象，且具有供体核的特异性性二、核潜能(qin nn)的限定第11页/共78页第十二页，共79页。第12页/共78页第十三页，共79页。n外胚层细胞核为供体进行移核实验，产生发育异常的蝌蚪，可具有正常的神经分化但是缺乏内胚层结构。n在发育过程中体细胞核潜能的限定是一个(y )普遍的规律。第13页/共78页第十四页，共79页。n隆技术（连续克隆），使移植的供体核逐渐地适应这种环境，结果也可以获得发育正常的蝌蚪。第14页/共78页第十五页，共79页。n如原肠胚后期内胚层细胞核可以指导(zhdo)胚胎发育成为正

5、常的蝌蚪。甚至将已分化的小肠上皮细胞核或红细胞的细胞核作为供体移植到去核卵中，也可以获得少数发育正常的蝌蚪或成体。第15页/共78页第十六页，共79页。第16页/共78页第十七页，共79页。第17页/共78页第十八页，共79页。(shu c)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。n随后，克隆猴、克隆牛等一系列动物的研究获得了成功。第18页/共78页第十九页，共79页。第19页/共78页第二十页，共79页。体）。第20页/共78页第二十一页，共79页。1、染色体消减、染色体消减(xio jin)第21页/共78页第二十二页，共79页。rDNA核糖体RN

6、A基因(jyn)5前导序列转录间隔第22页/共78页第二十三页，共79页。B淋巴细胞：C区编码(bin m)恒定区V，D，J编码(bin m)可变区第23页/共78页第二十四页，共79页。剪切第24页/共78页第二十五页，共79页。的组织细胞特异性。第25页/共78页第二十六页，共79页。斑马鱼早期斑马鱼早期(zoq)(zoq)发育中发育中vasa mRNAvasa mRNA的时空表达（原位杂的时空表达（原位杂交）交） 第26页/共78页第二十七页，共79页。n到鸡胚孵化35h，红细胞的前体细胞分化为幼红细胞，血红蛋白迅速合成。n这表明血红蛋白基因是在这一段发育时期中转录(zhun l)的。第

7、27页/共78页第二十八页，共79页。不相同。n人胚胎(piti)血红蛋白：由2个-珠蛋白链、2个-珠蛋白链和4个血红素分子组成。第28页/共78页第二十九页，共79页。-和两个-珠蛋白链组成胎儿的血红蛋白分子。第29页/共78页第三十页，共79页。蛋白分子的组成迅速转换，由胎儿型代之为成体型，即22。n正常成体的血红蛋白分子中22占97%，22为2%-3%，22为1%。第30页/共78页第三十一页，共79页。号染色体上依次排列。n-珠蛋白基因(jyn)家族的表达显示了一种调控机制，即指导其从胚胎型胎儿型成体型转变的顺序开关。第31页/共78页第三十二页，共79页。5SrRNA，卵发生早期开始

8、一直可以检测到。n5SrRNA的基因的转录是由RNA聚合酶所调控的第32页/共78页第三十三页，共79页。TFC5SrRNA中间启动子相结合，所以(suy)TFA分子与TFC结合形成TFA-TFC 复合物。n当RNA聚合酶与该复合物结合时5SrRNA的基因的转录即发生。第33页/共78页第三十四页，共79页。细胞都分化成神经母细胞，胚胎不能正常发育；notch 控制分化成皮肤细胞和神经母细胞nnmyod1转录子是肌细胞分化的主要开关基因，也是肌母细胞决定子。将其通过病毒载体转染其它细胞（如色素细胞、神经细胞、脂肪细胞、肝细胞等），可使它们转分化为肌细胞。(三)转录(zhun l)调控的“开关基

9、因”(switch gene)第34页/共78页第三十五页，共79页。具有内含子的数目和内含子的长度差异很大。n真核生物的基因还包括5和3末端长度不等的特异性序列，这些序列虽然不编码氨基酸，但在基因表达的过程中起重要作用。第35页/共78页第三十六页，共79页。为前导序列，其长度在不同基因中差异很大。由前导序列决定翻译的速率。第36页/共78页第三十七页，共79页。第37页/共78页第三十八页，共79页。第38页/共78页第三十九页，共79页。珠蛋白基因适时的和组织特异性的表达是必需的。第39页/共78页第四十页，共79页。RNA于邻近基因或其他基因。第40页/共78页第四十一页，共79页。C

10、CAAT(CAAT框）、GGGCGGG(GC序列）、GGGAGAGGG和ATGCAAAT序列。nTATA框的主要作用(zuyng)：是使转录精确地从起始位点开始，其他的上游启动子元件：主要调控转录起始频率和维持基因转录，特别是CAAT框的作用(zuyng)相对较大。第41页/共78页第四十二页，共79页。缺乏这些因子，纯化的RNA聚合酶并不能识别启动子序列，转录只能起始于任意位置。n从不同动物细胞，甚至(shnzh)从酵母细胞分离的基本转录因子具有相似的活性。基本转录因子负责识别启动子序列中TATA框，并与RNA聚合酶一起形成转录起始复合物，进而起始转录。n已经经过鉴定的普通转录因子有TFD、

11、TFB、TFF、TFA等。按一定顺序参与形成转录起始复合物。第42页/共78页第四十三页，共79页。第43页/共78页第四十四页，共79页。第44页/共78页第四十五页，共79页。n增强子的作用同增强子的取向(5-3或3-5)无关，甚至远离靶基因达几千kb也仍有增强作用。n有一类增强子对基因的转录起抑制作用，称为沉默子(suencer)。当转录因子与沉默子结合时可抑制顺式调控元件相连的启动子的转录。第45页/共78页第四十六页，共79页。n有的具有前述两种功能；n还有的增强子与激素或其他分子相关。n根据增强子的功能特征可以将其分为以下几类。第46页/共78页第四十七页，共79页。间。n通常-珠

12、蛋白基因在人胚胎时期转录，如果把含有-珠蛋白基因的时间特异性增强子的DNA片段移到-珠蛋白基因的附近，在-珠蛋白基因的时间特异性增强子的作用下，-珠蛋白基因可在成体中表达。第47页/共78页第四十八页，共79页。n有位于第11号染色体上的人-珠蛋白基因家族的转录都由它调控。如果缺失此增强子区将引起所有-珠蛋白基因家族的基因沉默。“主”增强子的功能可能是使整个转录调节因子区域打开。第48页/共78页第四十九页，共79页。n进行研究。氯霉素乙配转移酶(CAT)的基因活性很容易检测，同时在哺乳动物中不表达，可作为哺乳动物的报道基因。第49页/共78页第五十页，共79页。n说明胰腺外分泌细胞和内分泌细

13、胞的基因表达由不同的增强子调控。受体细胞受体细胞外分泌蛋白基因外分泌蛋白基因5末末端旁序列端旁序列+ cat内分泌蛋白基因内分泌蛋白基因5末末端旁序列端旁序列+ cat卵巢细胞卵巢细胞不表达不表达不表达不表达分泌胰岛素分泌胰岛素的胰腺细胞系的胰腺细胞系不表达不表达表达表达产生外分泌蛋产生外分泌蛋白的胰腺细胞系白的胰腺细胞系表达表达不表达不表达第50页/共78页第五十一页，共79页。n同时yp2的mRNA仅在卵巢组织中检测到，而yp1得mRNA仅在脂肪体中表达。n说明卵黄蛋白基因有两个增强子，而且都位于5末端，分别负责在卵巢和在脂肪体中的转录，使两个基因在两种细胞中正常转录。增强子对于基因表达的

14、特异性有决定性作用。第51页/共78页第五十二页，共79页。脂肪体卵巢(luncho)组织第52页/共78页第五十三页，共79页。n通用转录因子(ynz)：指与启动子TATA框序列结合的蛋白质，他们与RNA聚合酶II共同装配成为转录起始复合物，以启动转录。n特殊转录因子(ynz)：能识别特殊的DNA调节序列并与其结合，或与RNA聚合酶和其他转录因子(ynz)结合以行驶功能。第53页/共78页第五十四页，共79页。白脱离，同时(tngsh)受体构象发生改变。形成的激素-受体复合物进入细胞核并与特异性DNA序列结合，激活启动子调节转录。n能够与激素受体蛋白特异性结合的DNA序列称为激素效应元件，它

15、们既可以是增强子，也可以是启动子。第54页/共78页第五十五页，共79页。抗原受体。n当外来抗原与淋巴结或脾中的淋巴细胞膜上抗原受体结合后通过信号传导调控基因表达，使细胞分裂和进一步分化。第55页/共78页第五十六页，共79页。57第56页/共78页第五十七页，共79页。第一节第一节 RNA RNA加工水平的调控加工水平的调控(dio kn)(dio kn) 第二节第二节 翻译和翻译后的调控翻译和翻译后的调控(dio kn)(dio kn)第57页/共78页第五十八页，共79页。（一）、同一基因的初始转录物（nRNA） 经选择性拼接(pn ji)可产生不同的成熟RNA原肌球蛋白基原肌球蛋白基因

16、因(jyn)一、一、RNA加工水平的调控加工水平的调控(dio kn)-原肌球蛋白基因原肌球蛋白基因第58页/共78页第五十九页，共79页。nRNAmRNAB淋巴细胞的淋巴细胞的DNA，发生重排，发生重排生殖细生殖细胞的胞的DNA重链可变区（抗原重链可变区（抗原(kngyun)结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重 排（排（DNA水平）水平）重链恒定区发生分子转换，该模式通过重链恒定区发生分子转换，该模式通过RNA加工完成加工完成前体前体RNA区区区区IgMIgD第59页/共78页第六十页，共79页。相同基因相同基因(jyn)在不同发育时期或不同组在不

17、同发育时期或不同组 织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白质质降钙素降钙素/神经神经(shnjng)多肽多肽CGRP mRNA前体前体61第60页/共78页第六十一页，共79页。果蝇性别表型的决定事件，通过果蝇性别表型的决定事件，通过3 3个主要性别决定基因个主要性别决定基因RNARNA的不的不同同(b tn)(b tn)拼接模式，引起差异基因表达拼接模式，引起差异基因表达选择性选择性RNA加工与性别加工与性别(xngbi)决定决定第61页/共78页第六十二页，共79页。mRNA寿命(shumng)的不同对蛋白质合成的调控 通过mRNA的选择性降解和mRNA稳定性不同

18、调控蛋白质的合成不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其3UTR控制(kngzh)。短寿命mRNA的3UTR通常含有一个或多个AU富集区，其作用是促进Poly(A)降解。-珠蛋白珠蛋白RNARNA的的3UTR3UTR中含有中含有(hn yu)3(hn yu)3个个C C富集区，稳定，半衰期富集区，稳定，半衰期17h17h一种生长因子一种生长因子mRNAmRNA的半寿期不超过的半寿期不超过30min30min第二节 翻译和翻译后的调控第62页/共78页第六十三页，共79页。mRNA降解性能的差异可以影响细胞(xbo)的功能C-fos mRNA 5UTR coding sequence 3UTR成

19、纤维细胞肿瘤细胞AU富集区c-fosc-fos基因编码正常成纤维细胞分裂必需基因编码正常成纤维细胞分裂必需(bx)(bx)的一种的一种蛋白质蛋白质第63页/共78页第六十四页，共79页。早期发育中母早期发育中母体体(mt)效应效应因子的影响因子的影响1 1、卵母细胞中合成并贮藏、卵母细胞中合成并贮藏大量大量(dling)(dling)的发育信息的发育信息（mRNAmRNA和蛋白质），这些和蛋白质），这些信息在排卵以前至早期发信息在排卵以前至早期发育过程中逐渐被利用；育过程中逐渐被利用；2 2、每个卵母细胞中贮藏、每个卵母细胞中贮藏 20 000 50 00020 000 50 000种不同种不

20、同的的mRNAmRNA，每种，每种mRNAmRNA大约大约1 1 600600个拷贝；个拷贝；3 3、贮藏的信息在卵细胞中、贮藏的信息在卵细胞中梯度分布或者均匀分布梯度分布或者均匀分布第64页/共78页第六十五页，共79页。激素对特定(tdng)mRNA稳定性的影响如Prolactin（泌乳刺激素）仅提高(t go)牛的casein（酪蛋白）基因转录水平2倍，提高(t go)其mRNA寿命25倍，使mRNA更多次的翻译。第65页/共78页第六十六页，共79页。1、卵母细胞中翻译(fny)调控机制的假说HmRNA masking（掩蔽）: mRNA与其它蛋白结合成ribonucleoprotei

21、n (RNP) complex,阻止与核糖体结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或蛋白磷酸化等导致RNP不稳定/解体，翻译得以进行。H5 Cap（7-甲基鸟苷酸）的调控：如某些种类(蛾)，其卵中的部分mRNA的5-鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。HmRNA sequester（隐蔽）: 指mRNA被阻隔于蛋白合成装置。如海胆(hi dn)未受精卵的组蛋白 mRNA定位于原核中，受精后原核破裂，mRNA才能进入胞质开始翻译。HPoly(A)对翻译的调控：卵母细胞减数分裂成熟前后，mRNA polyA的长度发生变化（由3UTR调控）。带长polyA的mRNA具翻译活性H翻译效率的调控：如将海胆

22、(hi dn)卵母细胞裂解液的pH从自然状态下的pH6.9提高到pH7.4（受精后自然状态下的pH）,蛋白质合成量急剧增加。受精后pH升高的作用可能包括去除mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子。三、翻译和翻译后调控三、翻译和翻译后调控(dio kn)的机制的机制第66页/共78页第六十七页，共79页。Poly(A)对翻译的调控： 在小鼠的未成熟卵母细胞质中可以翻译的mRNA具有较长的poly(A), 减数成熟分裂后poly(A)降解，翻译终止(zhngzh)。 在减数成熟分裂前不表达的mRNA的poly(A)较短(15-90A), 但其3UTR具有胞质多聚腺苷酸化信号序列(CPEs)(UUUU

23、AU in mice and frogs)。减数成熟分裂后这些 mRNA迅速加上一个长的polyA,开始翻译。第67页/共78页第六十八页，共79页。 2. 秀丽隐杆线虫秀丽隐杆线虫(xin chn)发育的翻译调控发育的翻译调控 mRNA 3UTR调控配子的决定调控配子的决定TRA-2TRA-2是卵子发育所必需的一种蛋白质，如果是卵子发育所必需的一种蛋白质，如果tra-2 mRNAtra-2 mRNA翻译活性被抑制，生殖细胞翻译活性被抑制，生殖细胞精子；精子； tra-2 mRNAtra-2 mRNA的的3UTR3UTR区含有区含有2 2个区域，它们可能结合在幼虫精子发生时合成的抑制蛋白；如果这两个个区域，它们可能结合在幼虫精子发生时合成的抑制蛋白；如果这两个(lin )(lin )区域突变，精子不能形成区域突变，精子不能形成3 UTR3 UTR对发育的时空调控作用：对发育的时空调控作用：调控配子的决定；调控配子的决定；调控许多卵母细胞贮存调控许多卵母细胞贮存mRNAmRNA的的翻译活动；翻译活动；调控一些调控一些(yxi)mRNA(yxi)mRNA在卵母细在卵母细胞中的定位；胞中的定位；参与某些组织分化的维持参与某些组织分化的维持FEM-3是精子发育所必需的一种蛋白质，如果是精子发育所必需的