细胞分化的分子机制转录和转录

关于细胞分化的分子机制转录和转录概述个体发育的中心问题是细胞分化，研究细胞分化的分子机制是探索发育机制的基础。细胞分化是指多细胞有机体的细胞从简单、原始的状态到复杂和异样化的方向发展的过程，是通过细胞分裂产生结构和功能有稳定差异的过程。第2页,共100页，2024年2月25日，星期天细胞分化第3页,共100页，2024年2月25日，星期天概述在多细胞生物体内，每个细胞都有一定的性状，即细胞特定基因型在一定的环境条件下的表现，也称为细胞表型。根据细胞表型可将细胞分为3类：全能细胞、多潜能细胞和分化细胞。第4页,共100页，2024年2月25日，星期天概述全能细胞：指它能够产生有机体的全部细胞表型，或者说可以产生一个完整的有机体，它的全套基因信息都可以表达。如合子、海胆和有些动物的早期分裂球等。第5页,共100页，2024年2月25日，星期天概述多潜能细胞：表现出发育潜能的一定局限性，仅能分化成为特定范围内的细胞。如多潜能生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、粒细胞等。①多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定；②在不同的环境条件下也能表现出某些相同的细胞表型，而且这种决定不能通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；③多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。第6页,共100页，2024年2月25日，星期天概述分化细胞：由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的特殊细胞表型。①合成特异性蛋白或具有特殊功能性的细胞器；②有丝分裂的频率明显降低，有的甚至完全停止细胞分型。细胞分化的过程是从全能性细胞→多潜能性细胞→分化细胞的发展过程，也是基因选择性表达的结果。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7页,共100页，2024年2月25日，星期天概述细胞分化是基因差异性表达的结果，差异性基因表达产生的原因主要来自于两方面。①细胞内环境的差异影响核基因的表达。在早期胚胎发育的卵裂阶段，由于卵质的不均匀分布，卵裂的结果所产生的分裂球(细胞)存在不同的细胞内环境，引起胚胎细胞核基因的差异表达。②细胞外环境的影响。⑴在胚胎发育早期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。⑵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具有重要意义。⑶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100页，2024年2月25日，星期天概述差异基因表达的调控机制主要是在以下几个水平完成：①差异基因转录：调节哪些核基因转录成RNA。②核RNA的选择性加工：调节哪些核RNA进入细胞质并加工成为mRNA，构成特殊的转录子组。③mRNA的选择性翻译：调节哪些mRNA翻译成蛋白质。④差别蛋白质加工：选择哪些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100页，2024年2月25日，星期天第一节基因组相同和基因差异表达多细胞有机体具有许多形态、功能和生物化学组成不同的细胞。这些不同的细胞都来自于一个共同的始祖细胞——受精卵。这些不同的组织细胞虽然具有相同的基因结构，但由于基因表达受到复杂的调控，发生差别基因转录，继而合成组织专一性蛋白质，出现细胞形态和功能的分化。换句话说就是这些细胞的基因组相同，只是在发育过程中不同的细胞利用了基因组中不同的基因，结果导致各类细胞合成其特有的蛋白质。第10页,共100页，2024年2月25日，星期天一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据(一)遗传学的证据遗传学的研究早就显示，果绳幼虫的许多细胞具有多线染色体。这种多线染色体DNA可经历多次复制而不进行有丝分裂。形成512条，1024条，甚至更多条平行的DNA双螺旋结构。人们发现这些染色体上有许多特征性的条带，果蝇的单倍体基因组约有5150个不同的条带。在整个幼虫期和成体的不同组织细胞中染色体的数目是相同的，染色体上条带的图型也保持不变。以后大量的实验证据表明从同一个体不同组织细胞提取的DNA是相同的，进一步说明不同组织细胞的基因组相同。第11页,共100页，2024年2月25日，星期天多线染色体第12页,共100页，2024年2月25日，星期天一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据(二)胚胎学的证据①Driesch(1892)用无钙海水分离2细胞、4细胞、8细胞和16细胞期的海胆胚胎，发现每个单独的卵裂球都可以发育成为正常的胚胎。表明海胆的早期分裂球是全能性的，细胞核内具有分化产生其他各种细胞类型的基因。②蝾螈眼再生⑴正常的蝾螈胚胎发育中，晶状体由神经外胚层诱导其表面的表皮细胞产生。如果将晶状体原基移掉，其腹侧虹膜细胞可再生新的晶状体。⑵将蝾螈胚胎视网膜原基移掉，色素视网膜细胞可再生新的视网膜。由已分化的细胞转分化为其他细胞类型的现象称为转化。第13页,共100页，2024年2月25日，星期天(三)分子生物学的证据分子生物学的研究结果为基因组相同提供了更准确的证据。核酸分子杂交：表明有机体的不同组织细胞都拥有序列完全相同的核基因组DNA。例：各种不同小鼠细胞的单链DNA可同样有效地抑制具有放射性标记的小鼠单链DNA探针与小鼠胚胎基因组的杂交。原位杂交技术：果蝇唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白，但在果绳唾液腺细胞的基因组中却同样具有编码卵黄蛋白的基因，而且该基因在体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白。第14页,共100页，2024年2月25日，星期天二、核潜能的限定（一）在发育中核潜能被限定大量的证据表明，随着细胞的分化，核的潜能逐渐被限定。Briggs和King（1952，1960）用豹蛙成功进行核移植实验。①他们将未分化的囊胚期细胞核移植进激活的去核卵，结果有60%的受体正常发育形成囊胚，其中80%-85%继续发育形成正常二倍体蝌蚪。②采用原肠胚早期内胚层细胞核为供体进行核移植时只有50%的胚胎能够进行正常发育为蝌蚪；③若用神经胚内胚层细胞核为供体时仅有10%以下的胚胎能够正常发育。由此可见，随着个体发育的进行，细胞核指导发育的潜能被越来越限定，甚至丧失了指导全部发育的能力。第15页,共100页，2024年2月25日，星期天豹蛙核移植实验第16页,共100页，2024年2月25日，星期天（一）在发育中核潜能被限定细胞核潜能的限定是稳定的且具有一定的组织特异性。三胚层细胞核移植实验：①采用具有组织特异性的原肠胚后期内胚层细胞核为供体时，易于形成内胚层细胞，指导发育成为外胚层和中胚层细胞的能力已受到限制。②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。在发育过程中体细胞核潜能的限定是一个普遍的规律。第17页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）细胞核具有潜在全能性的研究关于分化细胞核潜能限定的观点长期以来存在着争议。有些学者认为用已分化细胞核进行的移植实验在很多情况下不能获得正常发育胚胎的原因，主要是由于核移植的方法使已分化细胞核突然进入了一个高频率分裂的陌生胞质环境，容易引起染色体断裂。为真正评价细胞核的潜能，人们采用核克隆技术（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18页,共100页，2024年2月25日，星期天核克隆技术将供体细胞核先移植进激活的去核卵中，再将发育产生的大量卵裂期或囊胚期细胞核为供体，再次进行移植，移植到更多的去核卵中，通过多次核移植可制备出原来供体核的许多拷贝。已分化细胞的核经历这一系列的移植后，其中有些细胞核变得可以指导整个有机体的发育。如原肠胚后期内胚层细胞核可以指导胚胎发育成为正常的蝌蚪。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19页,共100页，2024年2月25日，星期天一般核移植过程第20页,共100页，2024年2月25日，星期天核克隆过程第21页,共100页，2024年2月25日，星期天Dolly的诞生克隆羊Dolly的诞生（1997）对于说明体细胞核发育的全能性具有特别重要的意义。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、克隆牛等一系列动物的研究获得了成功。第22页,共100页，2024年2月25日，星期天Dolly的标本和伊恩博士Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。第23页,共100页，2024年2月25日，星期天三、基因组相同的例外——基因组的改变有些特殊的细胞中基因组会发生改变。马蛔虫体细胞的前体细胞在很早的卵裂阶段中经历染色质消减，80%以上的DNA丢失，不再具备完整的基因组，仅有生殖系的细胞具有一套完整的基因组结构。瘿[yǐng]蝇在细胞核分裂至16个时，其中14个核中有32条染色体消失，仅保留8条染色体。拥有这些核的细胞不具有完整的基因组DNA，将分化产生瘿蝇成体的体细胞，而拥有其余两个核的细胞发育成为生殖细胞。第24页,共100页，2024年2月25日，星期天三、基因组相同的例外——基因组的改变B淋巴细胞：分化过程中发生免疫球蛋白基因重排使基因组发生改变。原来胚胎细胞基因组中不相连的DNA片段通过切接去掉一些DNA片段，重新装配形成抗体轻链可变区基因和重链可变区基因。此外，在B淋巴细胞分化过程中恒定区基因发生类型转换，这两种因素使得每个B淋巴细胞都具有独特的基因组，能够合成特异性抗体。T淋巴细胞受体基因也经历类似的基因重排产生。酵母细胞分化过程中也存在基因重排，有些基因还因为转座子（可以迁移的片段，插入到基因组中带来新的信息）的插入而改变。此外，在胚胎发育的某特定时期，有的特殊基因被选择性复制出许多拷贝，产生基因扩增现象。以上这些遗传信息的改变是细胞分化的结果而不是细胞分化的原因（原因：内环境胞质和外环境胚胎诱导）。第25页,共100页，2024年2月25日，星期天免疫球蛋白分子结构第26页,共100页，2024年2月25日，星期天剪切免疫球蛋白基因重排第27页,共100页，2024年2月25日，星期天第二节染色质水平基因活性的调控真核生物的DNA集中存在于细胞核内，DNA分子中携带着两种遗传信息：一种是负责编码蛋白质氨基酸组成的结构基因，另一种也是DNA序列，编码调控基因。基因表达：①结构基因转录和翻译后由其翻译产物蛋白质参与和调控生活细胞的一切生命活动；②同时，确定蛋白质的结构和蛋白质合成时间、空间次序性的信息由特定的调控基因编码。第28页,共100页，2024年2月25日，星期天核小体DNA与蛋白质结合，构成以核小体为基本单位的染色质结构。第29页,共100页，2024年2月25日，星期天染色质染色质可根据在细胞分裂间期折叠压缩的状况分成异染色质和常染色质。染色质结构发生变化是基因转录的前提。异染色质常染色质第30页,共100页，2024年2月25日，星期天一、染色质异染色质存在结构型和机动型两种类型。结构型：异染色质DNA序列的折叠压缩状况始终不发生改变，也不进行转录，但是对于基因表达的调节起着重要的作用。机动型：异染色质在某些情况下DNA序列折叠压缩的状况可以发生改变，成为常染色质并具有转录活性；而在另一些情况下又可转变成为异染色质失去转录活性。这个现象称为异染色质化。例如：雌性哺乳动物的两个X染色体中有一个随机失活的现象。第31页,共100页，2024年2月25日，星期天（一）X染色体失活1949年，Barr和Bertram就发现雌猫细胞核的核膜旁有个染色比较深的小颗粒，命名为Barrbody，以后认识到它是一个失活的X染色体。体细胞：Barrbody广泛地存在于雌性哺乳动物动物中，每个细胞都有一个X染色体失活。生殖细胞：这种现象也存在于雌性生殖细胞具有二倍体基因组的前体细胞，但在进行减数分裂时，失活的染色体又重新恢复活性，所以卵母细胞具有完整的遗传信息。第32页,共100页，2024年2月25日，星期天第33页,共100页，2024年2月25日，星期天X染色体失活的选择性和规律性证据：常常是父源性的X染色体失活，对雌性小鼠的滋养层细胞几乎只能检测到母源性X染色体的信号。有袋类动物所有胚胎细胞父源的X染色体都失活。X染色体失活并不是整条染色体发生异染色质化和失活，而只是位于X染色体长臂上的所有基因失活，位于X染色体短臂上的几个基因，如编码类固醇硫酸酯酶的基因并没有这种剂量失活的过程。在这些未失活的基因中，可能存在引起X染色体失活信号传导分子的编码基因。近年来对X染色体失活的分子机制的研究显示，xist基因在X染色体失活时特异性表达，该基因具有调控小鼠发育中X染色体失活的功能。第34页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）水蜡虫的染色体失活最引人注目的染色体失活现象见于水蜡虫。雌性个体：细胞中不具有机动型异染色质；雄性个体：细胞的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。结果在雄性动物的细胞核中存在一套单倍体母源性的常染色质和一套单倍体父源性异染色质。精子：精子细胞核中仅具有一套单倍体母源性的遗传信息（异染色质不进入精子核）。受精后如果产生雄性后代，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。结果：在雄性个体中除了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。第35页,共100页，2024年2月25日，星期天第36页,共100页，2024年2月25日，星期天水蜡虫x射线照射实验Brown(1961）用x射线照射水蜡虫，再把经过照射的水蜡虫与未经过照射的水蜡虫进行交配。结果发现：①其后代的发育情况不一致，只要雌性亲代经过X射线照射，而雄性亲代是未经x射线照射正常的后代，不管是雄性的还是雄性的幼体均大量死亡；②如果雌性亲代是未经x射线照射，而雄性亲代是经过x射线照射的正常后代，尽管雌性幼体死亡数仍然很多但雄性幼体死亡的却比较少。说明雄性水蜡虫细胞核中染色质的情况不同于雌性水蜡虫。染色体失活现象：是发生在转录前的一种基因调整。这种调控机制是使大量的基因异染色质化，进而使这些基因的转录停止。第37页,共100页，2024年2月25日，星期天二、选择性基因转录的染色质变化对于染色体疏松区和灯刷染色体的研究有助于说明特殊基因转录前的调控和选择性基因转录。（一）染色体疏松区染色体疏松区：指染色体上DNA解聚的特殊区域，是基因转录活跃区。研究发现果蝇和双翅目昆虫的多线染色体是否有疏松区和疏松区的位置，在不同组织细胞和同种细胞不同发育时期均存在很大差异，具有组织和发育时期的特异性。表明染色体上基因转录是按一定的时间和空间顺序进行的。第38页,共100页，2024年2月25日，星期天蜕皮素处理实验用蜕皮素处理体外培养的果蝇唾液腺细胞，染色体上会产生一些新的疏松区，但是原有的一些疏松区退化。新的疏松区的形成：由蜕皮素和染色体上的特殊部位结合所介导的。荧光抗体检测：利用兔抗蜕皮素抗体为一抗，荧光素标记的羊抗兔抗体为二抗，进行荧光染色可以检测出染色体上蜕皮素结合的位置，即对蜕皮素敏感的疏松区。在幼虫时期蜕皮素敏感的的疏松区大致可分为3种：1.在蜕皮素刺激后能诱导退化的疏松区；2.被蜕皮素刺激后1h内能迅速产生的疏松区；3.在蜕皮素刺激后几个小时后才能出现的疏松区。第39页,共100页，2024年2月25日，星期天蜕皮素处理实验疏松区所合成的产物对于诱导以后产生的疏松区是必需的。①如果在前一批疏松区刚形成不久，就在果蝇唾液腺细胞体外培养体系中加入蛋白质合成抑制剂，蜕皮素的刺激就不能引起后来的疏松区产生。②用突变的方法排除前一批疏松区，后一批疏松区也不能产生。说明蜕皮素和前一批疏松区的产物都是后一批疏松区产生的必要条件。第40页,共100页，2024年2月25日，星期天蜕皮素和前一批疏松区产物是必要条件第41页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）灯刷染色体在两栖类卵母细胞染色体的松散DNA处可以看到昆虫染色体疏松区的类似物，这种结构就是灯刷染色体。第42页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）灯刷染色体在减数分裂的双线期成对排列的每个染色单体自染色粒向一侧伸出许多DNA的侧环，这些侧环在双线期之后再缩回去。蝾螈卵母细胞在双线期，每个染色单体上约有5000个侧环，有些可长达50-100μm，含有106个核苷酸分子。一般所观察到的一个环是一个转录单位。灯刷染色体可以产生大量的mRNA，是卵发生中信息大量产生和积累的途径之一。这些mRNA主要为早期发育所利用。第43页,共100页，2024年2月25日，星期天第三节转录水平的调控差异基因转录的调控是最重要的调控机制。一、基因表达的时间和空间特异性基因表达的时间特异性：有些特异性的基因，只有在发育的某个特定时期或某些时期才具有活性，而在其他时期则是无功能的基因。基因表达的空问特异性：主要指基因表达的组织细胞特异性。第44页,共100页，2024年2月25日，星期天二、发育中基因转录水平的调节和变化（一）卵清蛋白基因的转录卵清蛋白是由产卵母鸡的输卵管黏膜细胞分泌的。卵清蛋白基因的转录受激素的调控。卵清蛋白的产生依赖于固醇类雌性激素的存在。固醇类激素是疏水性分子，可以自由出入细胞膜。当雌性激素进入细胞后可被激素受体蛋白识别，两者结合形成雌性激素-受体复合物。在发生构象变化后，复合物通过核膜孔进入细胞核并与染色质的特定区域结合，启动和促进卵清蛋白基因的转录。给年轻的母鸡注射雌性激素可以引起输卵管黏膜细胞的分化，合成卵清蛋白。第45页,共100页，2024年2月25日，星期天类固醇激素作用机理第46页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）珠蛋白基因的转录血红蛋白=珠蛋白+血红素利用珠蛋白mRNA的探针，对鸡胚红细胞发育中血红蛋白最初的转录进行监控。①分离孵化20-23h的鸡胚后部明区血岛时，可以观察到红细胞的前体细胞，但并未检测到血红蛋白基因的转录产物。②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。这表明血红蛋白基因是在这一段发育时期中转录的。第47页,共100页，2024年2月25日，星期天血红蛋白血红蛋白是一个四聚体蛋白质，在人和许多动物中，胚胎、胎儿和成体红细胞的血红蛋白分子的组成都不相同。人胚胎血红蛋白：由2个ζ-珠蛋白链、2个ε-珠蛋白链和4个血红素分子组成。第48页,共100页，2024年2月25日，星期天血红蛋白妊娠第2个月：ζ–和ε-珠蛋白链的合成突然停止，而α-和γ-珠蛋白链合成量增加。由两个α-和两个γ-珠蛋白链组成胎儿的血红蛋白分子。第49页,共100页，2024年2月25日，星期天血红蛋白妊娠第3个月：γ-珠蛋白基因表达逐渐停止，同时β-和δ-基因开始表达，产量逐渐增加。出生后：血红蛋白分子的组成迅速转换，由胎儿型代之为成体型，即α2β2。正常成体的血红蛋白分子中α2β2占97%，α2δ2为2%-3%，α2γ2为1%。第50页,共100页，2024年2月25日，星期天血红蛋白人的ζ-和α-珠蛋白基因位于第16号染色体上，而ε-、γ-、δ-和β-珠蛋白基因相连，在第一号染色体上依次排列。β-珠蛋白基因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51页,共100页，2024年2月25日，星期天(三)转录调控蛋白5S核糖体RNA基因的转录调控1.中心启动子元件在整个发育过程中5SrRNA基因表达的调控都是在转录水平进行的。非洲爪蟾基因组具有2个编码5SrRNA的多基因家族，即卵母细胞型和体细胞型。卵母细胞型：20000个，转录水平很低，卵发生早期开始囊胚中期可被检测到。体细胞型：400个，合成体细胞的95％以上5SrRNA，卵发生早期开始一直可以检测到。5SrRNA的基因的转录是由RNA聚合酶Ⅲ所调控的第52页,共100页，2024年2月25日，星期天2．TFⅢA的转录调节转录因子TFⅢA参与RNA聚合酶Ⅲ对非洲爪蟾5SrRNA转录的控制。TFⅢA既是RNA聚合酶Ⅲ控制中的第一个转录因子，也是5SrRNA的基因的专一性转录因子。但是TFⅢA分子与5SrRNA的基因中间启动子的结合力很弱，相比之下非特异性转录因子TFⅢC能够更牢固地与5SrRNA的基因中间启动子相结合，所以TFⅢA分子与TFⅢC结合形成TFⅢA-TFⅢC复合物。当RNA聚合酶Ⅲ与该复合物结合时5SrRNA的基因的转录即发生。第53页,共100页，2024年2月25日，星期天(四)转录调控的“开关基因”(switchgene)在发育中有些基因是否表达，可以决定细胞向两种不同的命运分化。如线虫的lin-12基因，果蝇的notch基因和脊椎动物的myod1基因，我们称它们为开关基因。野生型线虫胚胎有两种可相互作用的邻近细胞：Z1.Ppp和Z4.Aaa，其中一种产生子宫颈(齿)细胞(ac)，另一种产生腹侧子宫前体细胞(vu)。在lin-12基因隐性突变的动物中lin-12基因不转录，两种细胞都分化成为ac细胞。在有的突变体中lin-12基因具有高转录活性，两种细胞都分化成为腹侧子宫前体细胞，即vu细胞。lin-12基因对于两种发育途径具有双重“开关”的作用。第54页,共100页，2024年2月25日，星期天果绳转录调控的“开关基因”果绳的一种细胞具有分化成为上皮细胞或神经母细胞双重潜能。正常情况下细胞中的1／4分化成为神经母细胞，其余的细胞成为上皮组织的前体。但在notch基因转录缺乏的胚胎中全部细胞只能分化成为神经母细胞，而不能同时产生上皮组织和神经母细胞，结果所产生的胚胎非正常发育而导致死亡。第55页,共100页，2024年2月25日，星期天脊椎动物转录调控的“开关基因”脊椎动物中，从肌母细胞分离的DNA能够改变脂肪细胞分化的命运，使脂肪细胞转分化成为肌细胞。但是从纤维母细胞或从其他类型细胞分离的DNA不能引起这种细胞分化表型的改变。原因：肌母细胞的基因组DNA中有一种特异性mydo1基因，仅在肌细胞中表达，是肌细胞分化主要的开关基因，其cDNA称为肌母细胞决定子1（mydo1)。如果将mydo1基因克隆到一种病毒载体上可以使多种类型的细胞转分化，如色素细胞、神经细胞、脂肪细胞及肝细胞等转分化为肌细胞。mydo1具有肌细胞分化表型特异性调控基因的功能。第56页,共100页，2024年2月25日，星期天三、差异基因转录的调控机制真核生物基因的结构：分子生物学知识补充。(一)外显子与内含子真核生物的基因主要由两种DNA序列组成：一种是蛋白质编码序列称为外显子(exon)，另一种是非蛋白质编码序列称为内含子(intron)。编码一个蛋白质的序列常以外显子和内含子镶嵌排列的方式存在。不同基因具有内含子的数目和内含子的长度差异很大。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57页,共100页，2024年2月25日，星期天人β-珠蛋白基因的10个区域①启动子区：启动子区位于转录起始点上游-95--26bp，由两个上游启动子成分和TATA盒组成。这个区域负责与RNA聚合酶结合，同时与以后的转录起始有关。②ACATTG序列：该序列位于RNA的5’末端，又称为帽子序列，是转录的起始点，在转录后帽子序列将被修饰，这段序列在不同的基因中有差异。③翻译起始密码ATG:该密码子位于转录起始点后50bp处，在转录的起始点和翻译起始点间的这段序列称为前导序列，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。①①①②③第58页,共100页，2024年2月25日，星期天人β-珠蛋白基因的10个区域④第一外显子：长90bp，编码人β-珠蛋白的1-30个氨基酸。⑤第一内含子：长130bp，是人β-珠蛋白的非编码序列，但对于RNA加工成为mRNA并转运到细胞核外具有重要作用。⑥第二外显子：长222bp，编码人β-珠蛋白的31-104个氨基酸。④⑤⑥第59页,共100页，2024年2月25日，星期天人β-珠蛋白基因的10个区域⑦第二内含子：长850bp，也是人β-珠蛋白的非编码序列。⑧第三外显子：长126bp，编码人β-珠蛋白的105-146个氨基酸。⑨翻译终止密码子TAA⑦⑧⑨第60页,共100页，2024年2月25日，星期天人β-珠蛋白基因的10个区域⑩3’末端非翻译区：这段序列虽然转录但是并不参与蛋白质的翻译。该区域包括AATAAAA序列，此序列为转录的RNA产物在3’末端增加200-300多聚核苷酸[poly（A）]尾所必需。poly（A）尾插入进RNA的位置是在AAUAA下游约20bp处，但是转录继续进行超过AATAAAA序列的位置，终止在大约1000bp处。在3’末端非翻译区序列中，从AATAAAA位点后600-900bp具有增强子功能，对于成体红细胞前体β-珠蛋白基因适时的和组织特异性的表达是必需的。⑩第61页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）启动子和增强子真核生物基因的转录起始和表达的调控依赖于两类调控元件的相互作用，一类是顺式调节子，另一类是反式调节蛋白。启动子和增强子都是顺式调节子，它们能与特定功能基因连锁，作用于邻近基因的表达。反式调节蛋白是可溶性的分子，包括具有调控作用的蛋白因子和RNA，它们可作用于邻近基因或其他基因。第62页,共100页，2024年2月25日，星期天1.启动子的结构与功能启动子：是位于转录起始位点上游的特殊DNA序列。能被RNA聚合酶Ⅱ识别和结合，对于决定基因转录起始和保证DNA精确，有效地转录具有极其重要作用。转录量相对较大的基因，启动子都具有相似的结构。一个保守性较高且富含TA的序列，又称为TATA框，位于转录起始位点上游大约30bp处。另外在TATA框的上游还有一个或多个上游启动子元件，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框的作用相对较大。第63页,共100页，2024年2月25日，星期天2.与启动子结合的反式作用因子基因转录还需要RNA聚合酶与启动子的相互作用。在转录开始之前，首先要形成RNA聚合酶和启动子的转录起始复合物。绝大多数真核生物的细胞有3种类型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负责作用于多种基因的转录。在细胞核中存在一些转录调节蛋白因子为RNA聚合酶与启动子结合所必需，如果缺乏这些因子，纯化的RNA聚合酶Ⅱ并不能识别启动子序列，转录只能起始于任意位置。从不同动物细胞，甚至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Ⅱ一起形成转录起始复合物，进而起始转录。已经经过鉴定的普通转录因子有TFⅡD、TFⅡB、TFⅡF、TFⅡA等。按一定顺序参与形成转录起始复合物。第64页,共100页，2024年2月25日，星期天第65页,共100页，2024年2月25日，星期天2.与启动子结合的反式作用因子RNA聚合酶Ⅰ和RNA聚合酶Ⅲ分别负责18S、28S核糖体RNA和5S核糖体RNA，tRNA基因的转录，也需要多种蛋白因子参与，这些转录因子也必须与启动子结合。第66页,共100页，2024年2月25日，星期天3.增强子的结构和功能增强子(enhancer)指增加同它连锁的基因转录频率的DNA序列。增强子是通过启动子来增加转录的。有效的增强子可以位于基因的5’端，也可位于基因的3’端，有的还可位于基因的内含子中。增强子的效应很明显，一般能使基因转录频率增加10～200倍，有的甚至可以高达上千倍。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。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67页,共100页，2024年2月25日，星期天增强子的分类同一增强子在有的细胞中是顺式调控元件，但在其他细胞中可能是沉默子，这是由细胞中其他转录因子决定的。由于增强子中有的能够调节基因表达的时间；有的能够调节基因表达的组织和细胞特异性；有的具有前述两种功能；还有的增强子与激素或其他分子相关。根据增强子的功能特征可以将其分为以下几类。第68页,共100页，2024年2月25日，星期天(1)时间特异性增强子在胚胎发育中存在一种时间特异性增强子。在两栖类胚胎发育中存在最典型的基因活性的时间开关，即囊胚中期转换(MBT)。MBT类型的基因由于含有一种时间特异性增强子，在囊胚中期被特异性激活。两栖类的这种增强子位于MBT基因阅读框5’末端上游约700bp。人β-珠蛋白基因的时间特异性增强子，位于3’末端，AATAAAA序列下游600-900bp之间。通常γ-珠蛋白基因在人胚胎时期转录，如果把含有β-珠蛋白基因的时间特异性增强子的DNA片段移到γ-珠蛋白基因的附近，在β-珠蛋白基因的时间特异性增强子的作用下，γ-珠蛋白基因可在成体中表达。第69页,共100页，2024年2月25日，星期天(2)组织特异性增强子调节β-珠蛋白基因表达的增强子，除了3’末端的临时性特异性增强子之外，还有其他两种增强子，由它们调节β-珠蛋白基因表达的组织特异性。其中一种增强子位子β-珠蛋白基因的第三个内含子序列内，其作用使β-珠蛋白基因的转录只能在红细跑发生。另一种增强子事实上是“主”增强子，所有位于第11号染色体上的人β-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β-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70页,共100页，2024年2月25日，星期天(3)胰腺增强子有时基因的活性在不同类型的相邻细胞中由不同的增强子所调控。如胰腺外分泌蛋白胰凝乳蛋白酶、淀粉酶、胰蛋白酶基因的增强子，与内分泌蛋白胰岛素基因的增强子，虽然都位于各自基因5’末端旁的序列中，却是不相同的两类增强子。利用报道基因可对某一特定增强子的功能进行研究。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71页,共100页，2024年2月25日，星期天(3)胰腺增强子Walker等(1983)分别构建这些基因5’末端旁序列和cat的重组基因，再将不同的重组基因分别转人3种受体细胞：①不产生胰岛素和胰凝乳蛋白酶的卵巢细胞；②分泌胰岛素的胰腺细胞系；③一种产生外分泌蛋白的胰腺细胞系。说明胰腺外分泌细胞和内分泌细胞的基因表达由不同的增强子调控。受体细胞外分泌蛋白基因5’末端旁序列+cat内分泌蛋白基因5’末端旁序列+cat卵巢细胞不表达不表达分泌胰岛素的胰腺细胞系不表达表达产生外分泌蛋白的胰腺细胞系表达不表达第72页,共100页，2024年2月25日，星期天(4)卵黄蛋白增强子果蝇卵黄蛋白是在雌性成体果蝇的特殊细胞中才大量合成的一种蛋白。果蝇有两种卵黄蛋白基因，yp1和yp2，他们在DNA上的位置邻近但是转录的方向相反。在卵巢和脂肪体中卵黄蛋白基因都转录，但是他们能用限制性内切酶分解，在共同的5’末端分开。如果将这两种基因分别与报道基因一起构建表达质粒，再导入果蝇DNA，可以检测他们转录的性别和时间特异性。卵黄蛋白基因仅在成体的雌性果蝇中表达。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。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特异性有决定性作用。第73页,共100页，2024年2月25日，星期天脂肪体卵巢组织第74页,共100页，2024年2月25日，星期天（三）转录因子转录因子是基因调控的反式作用因子，是能与启动子和增强子结合的蛋白质。转录因子既含有特异性DNA结合域，又含有能与启动子或增强子结合并刺激基因转录的结构域。通过相互作用使任何一种细胞中只有很少的一部分启动子发生转录。转录因子可分为通用转录因子和特殊转录因子，即两类基因调节蛋白。通用转录因子：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。特殊转录因子：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结合以行驶功能。第75页,共100页，2024年2月25日，星期天(四)激素应答成分在发育过程中经常出现基因表达的协同调节现象。当一种类型的细胞同时表达几种细胞特异性蛋白，或者在不向类型的细胞中由同一种激素诱导几种基因表达时，这种基因表达的协同调节现象即发生。具有转录因子活性的类固醇激素特异性受体以非活性状态存在时与一种热体克蛋白结合，当激素与受体蛋白结合后热体克蛋白脱离，同时受体构象发生改变。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。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，它们既可以是增强子，也可以是启动子。第76页,共100页，2024年2月25日，星期天(五)免疫球蛋白轻链基因的转录调控在每一个有机体中，绝大多数类型的细胞都具有相同的基因组，但是淋巴细胞例外。在与抗原接触之前，处于休止期的B淋巴细胞就合成免疫球蛋白分子，但并不分泌。每一种B淋巴细胞本身具有产生107种以上不同的抗体分子的能力，但由于基因重排，每个细胞仅仅只合成一种抗体分子，并且将其置于细胞膜表面作为抗原受体。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77页,共100页，2024年2月25日，星期天第三章细胞分化的分子机制

——转录后的调控第78页,共100页，2024年2月25日，星期天真核生物：DNA→nRNA（核）→mRNA（质）第一节RNA加工水平的调控大多数编码细胞特异性蛋白质的基因选择性表达的调控主要发生在转录水平，但转录后调控对决定蛋白质结构和功能重要（一）、异质性核RNA（hnRNA）由于转录模板不同，nRNA的长度和性质差别较大分子量：nRNA﹥mRNA；半寿期：

nRNA﹤mRNA；复杂性：

hnRNA﹥mRNA，核苷酸序列多样性一、mRNA前体和mRNA第79页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）、前体mRNA的加工对

早期发育的调控海胆：囊胚期与长腕幼虫期细胞nRNA相同；囊胚期处于转录激活状态的DNA序列与长腕幼虫期完全一致；随着发育进程由基因组DNA的转录所产生的细胞质mRNA的复杂性逐渐减小；早期胚胎发育的调控机制：存在加工水平的差异第80页,共100页，2024年2月25日，星期天早期发育对RNA信息的选择——不同类型细胞对nRNA的选择不同第81页,共100页，2024年2月25日，星期天RNA加工前三个胚层中的RNA量无差异。EctEn/mes加工后的RNA主要存在于外胚层中。核酸保护实验(放射性intron或exon探针与总RNA杂交后再RNase消化)表明：海胆钙结合蛋白基因CyIIIa在原肠胚的外胚层中表达核酸run-on(在膜上固定intron序列与放射性RNA探针杂交)实验表明：Spec1基因在原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的Spec1mRNA只存在于外胚层中。nRNA第82页,共100页，2024年2月25日，星期天（一）、同一基因的初始转录物（nRNA）经选择性拼接可产生不同的成熟RNA原肌球蛋白基因二、RNA加工水平的调控α-原肌球蛋白基因第83页,共100页，2024年2月25日，星期天nRNAmRNAB淋巴细胞的DNA，发生重排生殖细胞的DNA重链可变区（抗原结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重排（DNA水平）重链恒定区发生分子转换，该模式通过RNA加工完成前体RNAμ区δ区IgMIgD第84页,共100页，2024年2月25日，星期天相同基因在不同发育时期或不同组织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白质降钙素/神经多肽CGRPmRNA前体第85页,共100页，2024年2月25日，星期天果蝇性别表型的决定事件，通过3个主要性别决定基因RNA的不同拼接模式，引起差异基因表达选择性RNA加工与性别决定第86页,共100页，2024年2月25日，星期天（二）、RNA3’末端的决定绝大多数真核生物nRNA在剪接之前，先进行3’末端断裂和多聚腺苷酸化加工，这种加工由顺式和反式作用元件调控。1、顺式作用元件AAUAAA序列：位于3’末端，对其下游10-30bp位点发生的裂解是必需的；GU或U富积序列：位于3’末端AAUAAA区域下游，调控mRNA3’末端裂解的效率。2、反式作用元件（人癌细胞）特异性核蛋白因子：可识别发生裂解和进行多聚腺苷酸化的顺式因子；poly（A）聚合酶：用于合成多聚腺苷酸尾；裂解因子I和II：mRNA前体的裂解酶；裂解刺激因子：可显著提高裂解反应的效率第87页,共100页，2024年2月25日，星期天（三）、mRNA向核外的运输推测：RNA在核基质内完成转录和加工，然后将mRNA运输到核膜孔，由此运出核外，但机制尚不十分清楚。然而，已知细胞分化中基因选择性表达调控的另一种方式是细胞核以何种方式处理mRNA前体，通过调控，有的mRNA运出核外，有的不能运出；已发现：一种特殊的病毒蛋白对于mRNA运输是必需的。第88页,共100页，2024年2月25日，星期天第二节翻译和翻译后的调控

1.翻译过程（mRNA→特异多肽链的合成）AUG氨基酰-tRNA与核糖体结合；aa离开tRNA，aa之间肽键、缩合；核糖体沿mRNA移动；UAGUAAUGA一、翻译水平的调控3个阶段第89页,共100页，2024年2月25日，星期天第90页,共100页，2024年2月25日，星期天2.mRNA寿命的不同对蛋白质合成的调控——通过mRNA的选择性降解和mRNA稳定性不同调控蛋白质的合成rabbit3’不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其3`UTR控制。短寿命mRNA的3’UTR通常含有一个或多个AU富集区，其作用是促进Poly(A)降解。β-珠蛋白RNA的3’UTR中含有3个C富集区，稳定，半衰期17h一种生长因子mRNA的半寿期不超过30min第91页,共100页，2024年2月25日，星期