细胞分化的分子机制-转录、转录前和转录后

1、第二章 细胞分化的分子机制 转录和转录前的调控,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。,细胞表型 cell phenotype：是细胞特定基因型在一定的环境条件的表现，是细胞的特定性状。 全能细胞:能产生完整有机体，并且机体所需要的全部基因信息都被表达的细胞 多潜能细胞: 含有的基因信息被限制表达的细胞 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,个体发育过程：全能性细胞多潜能性细胞分化细胞,概述,概述,多潜能细胞

2、：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。 多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定； 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； 多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。,细胞分化,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。 合成特异性蛋白或具有特殊功能性的细胞器； 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

3、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。,DNA水平,转录水平,翻译水平,基因表达的多级调控,基因激活,转录起始 转录后加工 mRNA降解,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。 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。 细胞外环境的影响。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。特别是邻近细胞的相互关系，

4、如胚胎诱导对于胚胎细胞分化具有重要意义。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。,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： 差异基因转录：调节哪些核基因转录成RNA。 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。 mRNA的选择性翻译：调节哪些mRNA翻译成蛋白质。 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

5、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。,1、在发育中核潜能被限定 移核试验（豹蛙）：发育时期越晚，细胞核潜能的受限性越大,结论：随着发育，体细胞的核潜能存在普遍的受限现象，且具有供体核的特异性,二、核潜能的限定,豹蛙核移植实验,（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： 采用具有组织特异性的原肠胚后期内胚

6、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。 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。,（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

7、育正常的蝌蚪。,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。,一般核移植过程,核克隆过程,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

8、-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。,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。,1、基因删除：原生动物、线虫、昆虫、甲壳动物。 2、基因扩增：爪蟾的rDNA、果蝇多线染色体。 3、基因重排：免疫球蛋白基因（106108种抗体）。,三、基因组相同的例外基因组的改变,副蛔虫 染色体消减 瘿蝇等 卵裂时，部分染色体丢失，丢失的体细胞； 不丢失

9、的生殖细胞。如：瘿蝇 40 8；摇蚊 4038 哺乳类（除骆驼）的红细胞、皮肤的羽毛、毛发角化细胞中 整个细胞核丢失,1、染色体消减,2、基因扩增,A、基因的选择扩增（gene selective amplification）：某些特 殊基因被选择性复制出许多拷贝的现象 非洲爪蟾rDNA扩增,从变态期开始，一直到卵母细胞成熟之前； 初级卵母细胞末期，其rDNA为体细胞的2105倍 果蝇卵壳蛋白基因滤泡细胞中超量DNA合成（16倍） B、基因组扩增（genome amplification）：通过多倍体和多线染 色体扩增完整基因组 哺乳动物肝细胞（营养原细胞）多倍体扩增 果蝇卵巢中营养细胞多线染

10、色体扩增,rDNA核糖体RNA基因,5前导序列,转录间隔,3、基因重排 免疫球蛋白的基因重组 淋巴母细胞在为抗体制备作准备时，组合多个独立的遗传程序（体细胞重组），其间，它总是试图将抗体轻链或重链的DNA序列随机编排成受体或抗体的可变区，以增加识别和结合未知外来抗原的机会,B淋巴细胞： C区编码恒定区 V，D，J编码可变区,剪切,免疫球蛋白基因重排,第二节 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

11、达的组织细胞特异性。,斑马鱼早期发育中vasa mRNA的时空表达（原位杂交）,一、差异基因表达的研究方法,（一）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。 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。 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。,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-珠蛋白链

12、、2个-珠蛋白链和4个血红素分子组成。,血红蛋白,妊娠第2个月：和 -珠蛋白链的合成突然停止，而-和-珠蛋白链合成量增加。由两个-和两个-珠蛋白链组成胎儿的血红蛋白分子。,血红蛋白,妊娠第3个月：-珠蛋白基因表达逐渐停止，同时-和-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22。 正常成体的血红蛋白分子中22占97%，22为2%-3%，22为1%。,血红蛋白,人的-和-珠蛋白基因位于第16号染色体上，而 -、-、-和-珠蛋白基因相连，在第一号染色体上依次排列。 -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。

13、,(二)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：20 000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聚合酶所调控的,2TFA的转录调节,转录因子TFA参与RNA聚合酶对非洲爪蟾5SrRNA转录的控制。 TFA既是RNA聚合酶控制中的第一个转录因子，也是5SrRNA的基因的专一性转录因

14、子。 但是TFA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TFC能够更牢固地与5SrRNA的基因中间启动子相结合，所以TFA分子与TFC结合形成TFA-TFC 复合物。 当RNA聚合酶与该复合物结合时5SrRNA的基因的转录即发生。,Switch gene: 发育中可以决定细胞向两种不同命运分化的基因（主基因的表达决定） 果蝇腹中线外胚层细胞具有分化成为上皮细胞或神经母细胞的双重潜能；notch转录缺乏时，腹中线所有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 myod1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。

15、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)转录调控的“开关基因”(switch gene),三、差异基因转录的调控机制,真核生物基因的结构： (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。,人-珠蛋白基因

16、的10个区域,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。 ACATTG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。 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。,人-珠蛋白基因的10个区域,第一外显子：长90bp，编码人-珠蛋白的1-30个氨基酸。 第一内含子：长130bp，是人-珠蛋白的非编

17、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。 第二外显子：长222bp，编码人-珠蛋白的31-104个氨基酸。,人-珠蛋白基因的10个区域,第二内含子：长850bp，也是人-珠蛋白的非编码序列。 第三外显子：长126bp，编码人-珠蛋白的105-146个氨基酸。 翻译终止密码子TAA,人-珠蛋白基因的10个区域,3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AA

18、TAAAA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-珠蛋白基因适时的和组织特异性的表达是必需的。,（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。,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。,2.与启动子结合的反式作用