1、细胞分化的分子机制转录和转录（优选）细胞分化的分子机（优选）细胞分化的分子机制转录和转录制转录和转录细胞分化细胞分化概述概述v 在多细胞生物体内，每个细胞都有一定的性状，即细胞特在多细胞生物体内，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。定基因型在一定的环境条件下的表现，也称为细胞表型。v 根据细胞表型可将细胞分为根据细胞表型可将细胞分为3类全能细胞、多潜能细胞和类全能细胞、多潜能细胞和分化细胞。分化细胞。概述概述v 全能细胞指它能够产生有机体的全部细胞表型，或者说可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
2、息都可以表达。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。如合子、海胆和有些动物的早期分裂球等。概述概述v 多潜能细胞表现出发育潜能的一定局限性，仅能分化成为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。特定范围内的细胞。v 如多潜能生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、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。粒细胞等。v 多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定；多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定；v 在不同的环境条件下也能表现出某些相同的细胞表型，在不同的环境条件下也能表现出某些相
3、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；亚显微结构变化，不含特异性蛋白质）来识别；v 多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。概述概述v 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。殊细胞表型。v 合成特异性蛋白或具有特殊功能性的细胞器；合成特异性蛋白或具有特殊功能性的细胞器；v 有丝分裂的频率明显降低，有的甚至完全停止细胞分型。有丝分裂的频率明显降低，有的甚至完全停止细胞分型。v
4、 细胞分化的过程是从全能性细胞细胞分化的过程是从全能性细胞多潜能性细胞多潜能性细胞分化细分化细胞的发展过程，也是基因选择性表达的结果。胞的发展过程，也是基因选择性表达的结果。v 分化细胞一般仅有分化细胞一般仅有510的基因表达，除了合成细胞生的基因表达，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。长、代谢必需的产物之外，主要是特异性产物的合成。概述概述v 细胞分化是基因差异性表达的结果，差异性基因表达产生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。的原因主要来自于两方面。v 细胞内环境的差异影响核基因的表达。在早期胚胎发育细胞内环境的差异影响核基
5、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的分裂球(细胞细胞)存在不同的细胞内环境，引起胚胎细胞核存在不同的细胞内环境，引起胚胎细胞核基因的差异表达。基因的差异表达。v 细胞外环境的影响。细胞外环境的影响。在胚胎发育早期不同的胚胎细胞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。的位置信息。特别是邻近细胞的相互关系，如胚胎诱导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。对于胚胎细胞分化具有重
6、要意义。各种细胞外信号分子各种细胞外信号分子(细胞因子、激素等信号分子细胞因子、激素等信号分子)，通过细胞间的通讯，特别，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。是信号传导间接影响细胞核基因的表达。概述概述v 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表达的调控机制主要是在以下几个水平完成v 差异基因转录调节哪些核基因转录成差异基因转录调节哪些核基因转录成RNA。v 核核RNA的选择性加工调节哪些核的选择性加工调节哪些核RNA进入细胞质并加进入细胞质并加工成为工成为mRNA，构成特殊的转录子组。，构成特殊的转录子组。v mRNA的选择性翻译调节哪些的选择性翻译调节
7、哪些mRNA翻译成蛋白质。翻译成蛋白质。v 差别蛋白质加工选择哪些蛋白质加工成为功能性蛋白质，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。即基因功能的实施者。第一节第一节 基因组相同和基因差异表达基因组相同和基因差异表达v 多细胞有机体具有许多形态、功能和生物化学组成不同的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。受精卵。v 这些不同的组织细胞虽然具有相同的基因结构，但由于基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
8、，继而合成组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。织专一性蛋白质，出现细胞形态和功能的分化。v 换句话说就是这些细胞的基因组相同，只是在发育过程中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。胞合成其特有的蛋白质。一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据v(一一)遗传学的证据遗传学的证据v 遗传学的研究早就显示，果绳幼虫的许多细胞具有多线染遗传学的研究早就显示，果绳幼虫的许多细胞具
9、有多线染色体。这种多线染色体色体。这种多线染色体DNA可经历多次复制而不进行有丝可经历多次复制而不进行有丝分裂。形成分裂。形成512条，条，1024条，甚至更多条平行的条，甚至更多条平行的DNA双螺双螺旋结构。旋结构。v 人们发现这些染色体上有许多特征性的条带，果蝇的单倍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体基因组约有5150个不同的条带。在整个幼虫期和成体的个不同的条带。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。图型也保持不变。v 以后大量的实验证据表明从同一个体不同组织细
10、胞提取的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。是相同的，进一步说明不同组织细胞的基因组相同。多线染色体多线染色体一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据v(二二)胚胎学的证据胚胎学的证据v Driesch(1892)用无钙海水分离用无钙海水分离2细胞、细胞、4细胞、细胞、8细胞和细胞和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
11、产生其他各种细胞类型的基因。胞核内具有分化产生其他各种细胞类型的基因。v 蝾螈眼再生蝾螈眼再生v 正常的蝾螈胚胎发育中，晶状体由神经外胚层诱导其表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。细胞可再生新的晶状体。v 将蝾螈胚胎视网膜原基移掉，色素视网膜细胞可再生新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。的视网膜。v 由已分化的细胞转分化为其他细胞类型的现象称为转化。由已分化的细胞转分化为其他细胞类型的现象称为转化。(三三)分子生物学的证据分子生物学的证
12、据v 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。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。v 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相同的核基因组DNA。v 例各种不同小鼠细胞的单链例各种不同小鼠细胞的单链DNA可同样有效地抑制具有放可同样有效地抑制具有放射性标记的小鼠单链射性标记的小鼠单链DNA探针与小鼠胚胎基因组的杂交。探针与小鼠胚胎基因组的杂交。v 原位杂交技术果蝇唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白，但在果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
13、基因，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。而且该基因在体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白。二、核潜能的限定二、核潜能的限定v（一）在发育中核潜能被限定（一）在发育中核潜能被限定v 大量的证据表明，随着细胞的分化，核的潜能逐渐被限定。大量的证据表明，随着细胞的分化，核的潜能逐渐被限定。v Briggs和和King（1952，1960）用豹蛙成功进行核移植实验。）用豹蛙成功进行核移植实验。v 他们将未分化的囊胚期细胞核移植进激活的去核卵，结他们将未分化的囊胚期细胞核移植进激活的去核卵，结果有果有60%的受体正常发育形成囊胚，其中的受体
14、正常发育形成囊胚，其中80%85%继续发继续发育形成正常二倍体蝌蚪。育形成正常二倍体蝌蚪。v 采用原肠胚早期内胚层细胞核为供体进行核移植时只有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；的胚胎能够进行正常发育为蝌蚪；v 若用神经胚内胚层细胞核为供体时仅有若用神经胚内胚层细胞核为供体时仅有10%以下的胚胎以下的胚胎能够正常发育。能够正常发育。v 由此可见，随着个体发育的进行，细胞核指导发育的潜能由此可见，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。被越来越限定，甚至丧失了指导全部发育的能力。氯霉素乙配转移酶(CAT)
15、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。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。真核生物基因的结构分子生物学知识补充。分子量：nRNAmRNA；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。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。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。妊娠第2
16、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。形成512条，1024条，甚至更多条平行的DNA双螺旋结构。由前导序列决定翻译的速率。卵清蛋白的产生依赖于固醇类雌性激素的存在。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。加工后的RNA主要存在于外胚层中。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。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Spec1 mRNA只存在于外胚层中。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。当RN
17、A聚合酶与该复合物结合时5SrRNA的基因的转录即发生。（一）、异质性核RNA（hnRNA）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。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。豹蛙核移植实验豹蛙核移植实验（一）在发育中核潜能被限定（一）在发育中核潜能被限定v 细胞核潜能的限定是稳定的且具有一定的组织特异性。细胞核潜能的限定是稳定的且具有一定的组织特异性。v 三胚层细胞核移植实验三胚层细胞核移植实验v 采用具有组织特异性的原肠胚后期内胚层细胞核为供体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
18、细胞，指导发育成为外胚层和中胚层时，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。细胞的能力已受到限制。v 外胚层细胞核为供体进行移核实验，产生发育异常的蝌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。蚪，可具有正常的神经分化但是缺乏内胚层结构。v 在发育过程中体细胞核潜能的限定是一个普遍的规律。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（二）细胞核具有潜在全能性的研究v 关于分化细胞核潜能限定的观点长期以来存在着争议。关于分化细胞核潜能限定的观点长期以来存在着争议。v 有些学者认为用已分
19、化细胞核进行的移植实验在很多情况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。环境，容易引起染色体断裂。v 为真正评价细胞核的潜能，人们采用核克隆技术（连续克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。获得发育正常的蝌蚪。核克隆技术核克隆技术v
20、 将供体细胞核先移植进激活的去核卵中，再将发育产生的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。的许多拷贝。v 已分化细胞的核经历这一系列的移植后，其中有些细胞核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。变得可以指导整个有机体的发育。v 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。
21、甚至将已分化的小肠上皮细胞核或红细胞的细胞核蝌蚪。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。蚪或成体。一般核移植过程一般核移植过程核克隆过程核克隆过程Dolly的诞生的诞生v 克隆羊克隆羊Dolly的诞生（的诞生（1997）对于说明体细胞核发育的全对于说明体细胞核发育的全能性具有特别重要的意义。能性具有特别重要的意义。v 这是人类首次成功的用哺乳这是人类首次成功的用哺乳动物体细胞成年母羊乳腺上动物体细胞成年母羊乳腺上皮细胞核为供体，经过多次皮细胞核为供体，经过多次核移植而获得的后代。
22、核移植而获得的后代。v 随后，克隆猴、克隆牛等一随后，克隆猴、克隆牛等一系列动物的研究获得了成功。系列动物的研究获得了成功。Dolly的标本和伊恩博士的标本和伊恩博士v Dolly1996.7.5.世界上第一只克隆羊世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐由于肺结核而被安乐死，它的标本于死，它的标本于2003年年4月月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。家博物馆。三、基因组相同的例外三、基因组相同的例外基因组的改变基因组的改变v 有些特殊的细胞中基因组会发生改变。有些特
23、殊的细胞中基因组会发生改变。v 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，消减，80%以上的以上的DNA丢失，不再具备完整的基因组，仅丢失，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。有生殖系的细胞具有一套完整的基因组结构。v 瘿瘿yyngng蝇在细胞核分裂至蝇在细胞核分裂至16个时，其中个时，其中14个核中有个核中有32条条染色体消失，仅保留染色体消失，仅保留8条染色体。拥有这些核的细胞不具条染色体。拥有这些核的细胞不具有完整的基因组有完整的基因组DNA，将分化产生瘿蝇成体的体细胞，而，将分化产生瘿蝇成体的体
24、细胞，而拥有其余两个核的细胞发育成为生殖细胞。拥有其余两个核的细胞发育成为生殖细胞。三、基因组相同的例外三、基因组相同的例外基因组的改变基因组的改变v 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发生改变。原来胚胎细胞基因组中不相连的DNA片段通过片段通过切接去掉一些切接去掉一些DNA片段，重新装配形成抗体轻链可变区基片段，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，在因和重链可变区基因。此外，在B淋巴细胞分化过程中恒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定区基因发生类型
25、转换，这两种因素使得每个B淋巴细胞淋巴细胞都具有独特的基因组，能够合成特异性抗体。都具有独特的基因组，能够合成特异性抗体。v T淋巴细胞受体基因也经历类似的基因重排产生。淋巴细胞受体基因也经历类似的基因重排产生。v 酵母细胞分化过程中也存在基因重排，有些基因还因为转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）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。的插入而改变。v 此外，在胚胎发育的某特定时期，有的特殊基因被选择性此外，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。复制出许多拷贝，产
26、生基因扩增现象。v 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）。化的原因（原因内环境胞质和外环境胚胎诱导）。免疫球蛋白分子结构免疫球蛋白分子结构剪切剪切免疫球蛋白基因重排免疫球蛋白基因重排第二节第二节 染色质水平基因活性的调控染色质水平基因活性的调控v 真核生物的真核生物的DNA集中存在于细胞核内，集中存在于细胞核内，DNA分子中携带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，另一种也是基因，另一种也是DNA序列，编码调控基
27、因。序列，编码调控基因。v 基因表达基因表达v 结构基因转录和翻译后由其翻译产物蛋白质参与和调控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；生活细胞的一切生命活动；v 同时，确定蛋白质的结构和蛋白质合成时间、空间次序同时，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。性的信息由特定的调控基因编码。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。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。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。有的能够调节
28、基因表达的组织和细胞特异性；(1)时间特异性增强子c-fos基因编码正常成纤维细胞分裂必需的一种蛋白质然而，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；mRNA的选择性翻译调节哪些mRNA翻译成蛋白质。由两个和两个珠蛋白链组成胎儿的血红蛋白分子。被蜕皮素刺激后1h内能迅速产生的疏松区；通过mRNA的选择性降解和mRNA稳定性不同调控蛋白质的合成由此可见，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。一种产生外分泌蛋白的胰腺细胞系。(三)分子生物学的证据但是TFA分子与5SrR
29、NA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TFATFC 复合物。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。细胞核潜能的限定是稳定的且具有一定的组织特异性。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。真核生物基因的结构分子生物学知识补充。复杂性：hnRNAmRNA，核苷酸序列多样性雌性个体细胞中不具有机动型异染色质；核小体核小体v DNA与蛋白质结合，构成以核小体为基本单位的染色质结与蛋白质结合，构成以核小体为基
30、本单位的染色质结构。构。染色质染色质v 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。质和常染色质。染色质结构发生变化是基因转录的前提。异染色质异染色质常染色质常染色质一、染色质一、染色质v 异染色质存在结构型和机动型两种类型。异染色质存在结构型和机动型两种类型。v 结构型异染色质结构型异染色质DNA序列的折叠压缩状况始终不发生改变，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。也不进行转录，但是对于基因表达的调节起着重要的作用。v 机动型异染色质在某
31、些情况下机动型异染色质在某些情况下DNA序列折叠压缩的状况可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。为异染色质化。v 例如雌性哺乳动物的两个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染色体中有一个随机失活的现象。象。（一）（一）X染色体失活染色体失活v 1949年，年，Barr和和Bertram就发现雌猫细胞核的核膜旁有个就发现雌猫细胞核的核膜旁有个染色比较深的小颗粒，命名为染色比较深的小颗粒，
32、命名为Barr body，以后认识到它，以后认识到它是一个失活的是一个失活的X染色体。染色体。v 体细胞体细胞Barr body广泛地存在于雌性哺乳动物动物中，每广泛地存在于雌性哺乳动物动物中，每个细胞都有一个个细胞都有一个X染色体失活。染色体失活。v 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。新恢复活性，所以卵母细胞具有完整的遗传信息。X染色体失活的选择性和规律性染色体失活的选择性和规律性v
33、证据常常是父源性的证据常常是父源性的X染色体失活，对雌性小鼠的滋养层染色体失活，对雌性小鼠的滋养层细胞几乎只能检测到母源性细胞几乎只能检测到母源性X染色体的信号。染色体的信号。v 有袋类动物所有胚胎细胞父源的有袋类动物所有胚胎细胞父源的X染色体都失活。染色体都失活。v X染色体失活并不是整条染色体发生异染色质化和失活，染色体失活并不是整条染色体发生异染色质化和失活，而只是位于而只是位于X染色体长臂上的所有基因失活，位于染色体长臂上的所有基因失活，位于X染色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
34、基因中，可能存有这种剂量失活的过程。在这些未失活的基因中，可能存在引起在引起X染色体失活信号传导分子的编码基因。染色体失活信号传导分子的编码基因。v 近年来对近年来对X染色体失活的分子机制的研究显示，染色体失活的分子机制的研究显示，xist基因基因在在X染色体失活时特异性表达，该基因具有调控小鼠发育染色体失活时特异性表达，该基因具有调控小鼠发育中中X染色体失活的功能。染色体失活的功能。（二）水蜡虫的染色体失活（二）水蜡虫的染色体失活v 最引人注目的染色体失活现象见于水蜡虫。最引人注目的染色体失活现象见于水蜡虫。v 雌性个体细胞中不具有机动型异染色质；雌性个体细胞中不具有机动型异染色质；v 雄性
35、个体细胞的一整套单倍体父源性染色体经历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。单倍体母源性的常染色质和一套单倍体父源性异染色质。v 精子精子细胞核中仅具有一套单倍体母源性的遗传信息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，（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。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。
36、v 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。情况之外，进行表达的基因几乎全部是母源性的。水蜡虫水蜡虫x射线照射实验射线照射实验v Brown(1961）用）用x射线照射水蜡虫，再把经过照射的水蜡射线照射水蜡虫，再把经过照射的水蜡虫与未经过照射的水蜡虫进行交配。虫与未经过照射的水蜡虫进行交配。v 结果发现结果发现v 其后代的发育情况不一致，只要雌性亲代经过其后代的发育情况不一致，只要雌性亲代经过X射线照射线照射，而雄性亲代是未经射，而雄性亲代是未经x射线照射正常的后代，不管是雄射线照射正常的后
37、代，不管是雄性的还是雄性的幼体均大量死亡；性的还是雄性的幼体均大量死亡；v 如果雌性亲代是未经如果雌性亲代是未经x射线照射，而雄性亲代是经过射线照射，而雄性亲代是经过x射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。幼体死亡的却比较少。v 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。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。v 染色体失活现象是发生在转录前的一种基因调整。这种调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控机制是使大量的基因异染色
38、质化，进而使这些基因的转录停止。录停止。二、选择性基因转录的染色质变化二、选择性基因转录的染色质变化v 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。因转录前的调控和选择性基因转录。v（一）染色体疏松区（一）染色体疏松区v 染色体疏松区指染色体上染色体疏松区指染色体上DNA解聚的特殊区域，是基因转解聚的特殊区域，是基因转录活跃区。录活跃区。v 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疏松区的位置，在不
39、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。均存在很大差异，具有组织和发育时期的特异性。v 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。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。蜕皮素处理实验蜕皮素处理实验v 用蜕皮素处理体外培养的果蝇唾液腺细胞，染色体上会产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。生一些新的疏松区，但是原有的一些疏松区退化。v 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。介导的。v 荧光抗体检测利用兔抗蜕皮素抗
40、体为一抗，荧光素标记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。皮素结合的位置，即对蜕皮素敏感的疏松区。v 在幼虫时期蜕皮素敏感的的疏松区大致可分为在幼虫时期蜕皮素敏感的的疏松区大致可分为3种种v 1.在蜕皮素刺激后能诱导退化的疏松区；在蜕皮素刺激后能诱导退化的疏松区；v 2.被蜕皮素刺激后被蜕皮素刺激后1h内能迅速产生的疏松区；内能迅速产生的疏松区；v 3.在蜕皮素刺激后几个小时后才能出现的疏松区。在蜕皮素刺激后几个小时后才能出现的疏松区。4（受
41、精后自然状态下的pH）,蛋白质合成量急剧增加。第二内含子长850bp，也是人珠蛋白的非编码序列。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。关于分化细胞核潜能限定的观点长期以来存在着争议。第二节 翻译和翻译后的调控多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定；(1)时间特异性增强子2TFA的转录调节（二）细胞核具有潜在全能性的研究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。这些不同的组织细胞虽然具有相同的基因结构，但由
42、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。最引人注目的染色体失活现象见于水蜡虫。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。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。二、早期发育中母体效应因子的影响同时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。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
43、分子与TFC结合形成TFATFC 复合物。真核生物：DNA nRNA（核）mRNA（质）蜕皮素处理实验蜕皮素处理实验v 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。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。v 如果在前一批疏松区刚形成不久，就在果蝇唾液腺细胞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。不能引起后来的疏松区产生。v 用突变的方法排除前一批疏松区，后一批疏松区也不能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。产生。v 说明蜕皮
44、素和前一批疏松区的产物都是后一批疏松区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。的必要条件。蜕皮素和前一批疏松区产物是必要条件蜕皮素和前一批疏松区产物是必要条件（二）灯刷染色体（二）灯刷染色体v 在两栖类卵母细胞染色体的松散在两栖类卵母细胞染色体的松散DNA处可以看到昆虫染色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。体疏松区的类似物，这种结构就是灯刷染色体。（二）灯刷染色体（二）灯刷染色体v 在减数分裂的双线期成对排列的每个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的侧
45、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，再缩回去。蝾螈卵母细胞在双线期，每个染色单体上约有每个染色单体上约有5000个侧环，有个侧环，有些可长达些可长达50100m，含有，含有106个核苷酸个核苷酸分子。分子。v 一般所观察到的一个环是一个转录单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，是卵发生中信息大量产生和积累的途径之一。这些积累的途径之一。这些mRNA主要为主要为早期发育所利用。早期发育所利用。第三节第三节 转录水平的调控转录水平的调控v 差异基因转录的调控是最重要的调控机制。差异基因转录的
46、调控是最重要的调控机制。v 一、基因表达的时间和空间特异性一、基因表达的时间和空间特异性v 基因表达的时间特异性有些特异性的基因，只有在发育的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。无功能的基因。v 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。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。二、发育中基因转录水平的调节和变化二、发育中基因转录水平的调节和变化v（一）卵清蛋白基因的转录（一）卵清蛋白基因的转录v 卵清蛋白是由产卵母鸡的输卵管黏膜细胞分泌的。卵清蛋
47、白是由产卵母鸡的输卵管黏膜细胞分泌的。v 卵清蛋白基因的转录受激素的调控。卵清蛋白基因的转录受激素的调控。v 卵清蛋白的产生依赖于固醇类雌性激素的存在。卵清蛋白的产生依赖于固醇类雌性激素的存在。v 固醇类激素是疏水性分子，可以自由出入细胞膜。当雌性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
48、蛋白基因的转录。清蛋白基因的转录。v 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。化，合成卵清蛋白。类固醇激素作用机理类固醇激素作用机理（二）珠蛋白基因的转录（二）珠蛋白基因的转录v 血红蛋白血红蛋白=珠蛋白珠蛋白+血红素血红素v 利用珠蛋白利用珠蛋白mRNA的探针，对鸡胚红细胞发育中血红蛋白的探针，对鸡胚红细胞发育中血红蛋白最初的转录进行监控。最初的转录进行监控。v 分离孵化分离孵化2023h的鸡胚后部明区血岛时，可以观察到红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。细胞的前
49、体细胞，但并未检测到血红蛋白基因的转录产物。v 到鸡胚孵化到鸡胚孵化35h，红细胞的前体细胞分化为幼红细胞，红细胞的前体细胞分化为幼红细胞，血红蛋白迅速合成。血红蛋白迅速合成。v 这表明血红蛋白基因是在这一段发育时期中转录的。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v 血红蛋白是一个四聚体蛋血红蛋白是一个四聚体蛋白质，在人和许多动物中，白质，在人和许多动物中，胚胎、胎儿和成体红细胞胚胎、胎儿和成体红细胞的血红蛋白分子的组成都的血红蛋白分子的组成都不相同。不相同。v 人胚胎血红蛋白由人胚胎血红蛋白由2个个珠珠蛋白链、蛋白链、2个个珠蛋白链和珠蛋白链和4个血红素分子组成。个血
50、红素分子组成。血红蛋白血红蛋白v 妊娠第妊娠第2个月个月和和 珠蛋白珠蛋白链的合成突然停止，而链的合成突然停止，而和和珠蛋白链合成量增加。由珠蛋白链合成量增加。由两个两个和两个和两个珠蛋白链组珠蛋白链组成胎儿的血红蛋白分子。成胎儿的血红蛋白分子。血红蛋白血红蛋白v 妊娠第妊娠第3个月个月珠蛋白基因珠蛋白基因表达逐渐停止，同时表达逐渐停止，同时和和基因开始表达，产量逐渐基因开始表达，产量逐渐增加。增加。v 出生后血红蛋白分子的组出生后血红蛋白分子的组成迅速转换，由胎儿型代成迅速转换，由胎儿型代之为成体型，即之为成体型，即22。v 正常成体的血红蛋白分子正常成体的血红蛋白分子中中22占占97%，2
