W12细胞分化与基因表达调控.ppt

l第十二章 细胞分化与基因表达调控 第一节 细胞分化 一、细胞分化的基本概念： 1. 什么是细胞分化？（细胞 differntiaton） l 由受精卵开始在胚胎发育中演变出各种类型的组织 细胞，细胞之间的形态，结构和功能都发生了稳定的差 异变化，这种差异形成过程被称为细胞分化。 l 胚胎发育及个体发育都是通过高度精确有序的细胞 分化过程来实现的。 l 例1：原肠胚期三个胚层的发育趋势。 l 例2：红骨髓中的多能造血干细胞分化。 2. 细胞分化特点： l 细胞分化是稳定单向演变的，一般来说是不会 逆转的； l 分化的方向和程序都是预见确定的，例鳞翅目 ，双翅目昆虫的变态发育，幼虫体节中有不同的成虫 盘（or称器官芽）人工诱发使果虫蝇某个成虫盘突变 ，羽化后将出现某种organ畸变，如“触角足”，现 已知成虫盘的细胞分化由一系列的“同源异源盒型基 因”hemeobox 基因Hoxs调控。 l 细胞生理状态常随分化程度而改变：例分化程 度增多，对电离辐射的耐受能力亦增强。 二、细胞分化中发育潜能变化： 1. 发育潜能的演变规律： l 多能干细胞单能干细胞终末分化细胞。 l 全能性(totipotenuy)多能性(pluripotercy) 单能性(rwonopoency)。 l 动物个体发育中随着细胞分化程度深入使其发育 潜能逐渐变窄，变专一性。 l 例成熟红细胞是高度分化，是发育到尽头了，因 此称为终端分化细胞or称特化细胞。 2. 发育潜能演变机制的探讨： l weismann根据马蛔虫及小麦，瘿蚊胚胎中发现 chr消减现象(chromosome diminutin)，提出“体细 胞分化是由于遗传特质丢失造成的，每一种组织只保留 了其专有遗传物质”的学术观点。 l 20世纪60-70年代，植物组织体外培养能发育成 完整植株，证实高度分化的植物组织细胞仍keep全能 性，亦证明，细胞分化过程中并没有丢失遗传物质。 3. 发育潜能与动物克隆： l clone： 无性繁殖系 l cloning 无性繁殖（纯系）方式 三、胞核移植证实了animal特化细胞的细胞核 ，仍保持全能性： l 动物成体上高度分化细胞整体已不具备全能性， 但其细胞核仍保持有该物种遗传特性必须的全套基因 组，即细胞核仍具有全能性的遗传基础。 2个有关的认识论难点： 既然动物特化细胞的细胞核仍保持有全能性， 那么为什么说动物的发育潜能都是随着细胞分化的深 入而越变越窄呢？ 既然动物特化细胞的细胞核仍保持着全能性， 那么又为什么动物特化细胞的整体却表现为丧失了全 能性呢？ 四、细胞分化与基因时空表达： 1. 差别基因表达和基因时空表达： l 同一个体中不同组织(tissue)细胞进行细胞分化的 进程与方向的决定，归根结底就是在于严格按照一定 的遗传程序发生了差别基因表达。 l 管家基因 （house keeping基因） ； l 奢侈基因 （huxury 基因） 组织特异性基因 。 l 通常结构基因都是受着严格的时空表达调控，从 而导致基因组完成相同的不同组织细胞的显形（ phenotype）上发生差异变化，引起细胞分化，这被 称为差别基因表达（differential gene express）。 l e.g.: 成人血红蛋白是22，胚胎是22，胎 儿是2r2。 l 这种基因时空表达调控的实质，是由有限的少量调 控蛋白以组合调控方式来顺序启动众多特异细胞的分化 ，即关键调控蛋白先启动部分特异基因的表达（ express），诱导部分细胞分化，而被启动的基因表达 产物又成为其他基因的调控启动因子，从而诱导更多的 细胞走向分化，最终由这种级联方式启动分化构成有序 的三维细胞群体，导致了器官（organ）形成， l e.g.: 对果蝇眼基因转导入早期发育细胞，居然 诱导其腿部形成了眼。 l 理论推算，n个调控蛋白的组合调控可级联启动2n 个分化细胞类型。 l 2. 细胞分化程度与基因时空表达的关系： l 高度分化细胞：尽管其细胞核中仍具有完整的 基因，但依照基因时空表达的程序表，它还能发生差 别基因表达的可能性已极少了。 l 所以该特化细胞的发育潜能已变得十分有限了。 五、细胞质在细胞分化中的重要作用: 1. 动物特化细胞全能性丧失的原因: l 细胞全能性细胞核全能性+细胞质全能发育 base l 众多试验证明了动物特化细胞本身的细胞质是丧 失了发育潜能的，只有细胞核移植到具有全能性发育 潜能的卵细胞质中，才有了能实现整个杂交细胞的全 能性，这就是该问题的症结。 2. 动物卵细胞质对细胞分化的调控 l 胚胎学家发现受精卵中，从动物极到植物极之间 的卵细胞质呈现分区现象，其中物质的不均一性决定 了随后卵裂细胞的不同分化命运。 l决定子性细胞决定子 l生殖质、极质 3. 细胞分化决定子的分子性质： l 细胞分化决定子实质是来源于母体的遗传调控。 l 信息是贮存在成熟卵母细胞细胞质中的多种类型 的隐蔽mRNA（masked mRNA）（大量存在多copy ）。 4. 隐蔽mRNA的特点： l 是早在受精之前的卵母细胞阶段转录合成而贮存； 贮存中的隐蔽mRNA无活性（与蛋白质结合，以 RNP存在,无活性） l 受精引起胞内的Na+浓度改变，诱导隐蔽mRNA 激 活； l 各种类型的masked mRNA在卵细胞质中是不均一 分布的定位贮存，所以卵裂后不同子细胞的细胞分化 方向也各有不同，显然决定细胞分化方向的初始信息 储存于卵细胞中，卵裂后的各个细胞所携带信息已开始 有所不同，这种差别又通过胚胎细胞诱导作用，旁分泌 信号分子（细胞生长分子因子）对其他细胞产生级联效 应，信息被不断修饰成为精细复杂的分化指令，最终指 导产生分化各异的细胞 type。 六、细胞之间相互作用对细胞分化的影响： 1. 细胞位置效应，群体效应，其分化与所处位置有关联; 2. 胚胎诱导; 3. 激素对细胞分化的调控。 l eg1 蛙的幼体发育变态（甲状腺素） l eg2 昆虫幼虫蛹成虫的变态发育（保幼，脱皮 激素） 七、环境与细胞分化的影响： l 新生婴儿表现的各种type的先天畸形，其病因约只 有10%左右是因遗传因素，而其余的则是因环境因素or 是因环境与遗传共同作用所致，涉及的环境因素有：营 养胁迫，瘟疫、病原菌传染，有毒化学物质、射线辐射 等。致畸的关键敏感时期是怀孕头三个月。 八、再生现象（植物及低等动物）： 蚯蚓等再生能力较强，再生现象实质也是细胞 分化的一种特殊形式。 1. 再生是来源于创伤面的去分化细胞： l 去分化（dedifferentiation）， l 再分化（redifferentiation）。 2. 再生现象的启示： l 某些动物细胞在特定条件下，某细胞分化是可能 逆转，即由终端分化 去分化 再分化。 九、克隆动物研究的意义（人为条件下的再生）： 1. 首次证实了哺乳动物成体的特化细胞的细胞核仍保持有 发育全能性，英国Roshin研究所尝试以成体乳腺细胞的 细胞核移植来探索clone动物这种无性繁殖途径的研究背 景及研究目的是为了用此技术来扩展转基因动物的生物 学效应。 2. 首次成功证实了哺乳动物特化细胞的发育潜能是有可能 在人为条件下发生逆转分化的，并探索了实现去分化 再分化的实验技术。 l 以冷饥饿休克处理法，使供核细胞进入Go期状态， 实现去分化。 l 以电脉冲融合法，激活移植卵启动，实现再分化 。 3. 证实了动物clone并不是100%的复制， clonecopy： l “A”亲本是细胞核供详，“B”亲本是“卵细 胞质受体”, “C”亲本是供胚胎发育的子宫环境的“ 代理母亲”。 4. 显示出clone动物技术的可应用范围尚待深入考察： l “多莉” 单clone的未老先衰的现象，证实了端 粒DNA序列消减速率控制着细胞的衰老速率。 第二节 癌细胞 l 在致癌因子作用下，某些细胞发生转化, 不再 进行正常分化和衰亡，而造成了不受调控的恶性增 殖细胞，即癌细胞 (cancer 细胞)，实质是分化程序 异常的细胞。 一、癌细胞的主要特征： 1. 无限增殖； 2. 丧失接触抑制性能； 3. 癌细胞之间粘着性减弱，其侵润性和扩散性，能通过 血液循环和淋巴途径转换； 4. 易被外源凝聚素所凝聚，癌细胞上的外源凝集素受体 （糖蛋白质）数量增多； 5. 体外培养时，粘壁性能降低（可悬浮培养）； 6. 细胞骨架结构紊乱，mRNA转录谱系和蛋白表达谱系 改变（癌细胞外形，出现变形）； 7. 膜抗原发生变化（躲避免疫监视）； 8. 对外源性生长因子需求量降低，自分泌（在低血清和 无血清培养液中生长）。 二、致癌因素： 1. 物理致癌因子，辐射射线； 2. 化学致癌因子，诱变剂； 3. 生物致癌因子： 肿瘤virus：既有DNA virus，又有RNA virus，但并非所有病毒致癌。 l 某些生物天然成分和生化代谢产物： 苏铁青 ，黄樟素， 黄曲霉素， 巴豆油， 儿茶酚， 吡咯烃 ，生物碱等。 三、细胞癌基因 l Hpa 只切割未甲基化的CCGG。 l 用上述酶检测DNA序列，发现非活跃转录基因的 DNA 甲基化程度普遍高于活跃转录的基因，而甲基化 DNA 在基因活化后通常伴随失去许多甲基基团。 l DNA甲基化对基因表达可能有两种作用： l（1） 甲基化影响DNA与蛋白酶的相互识别与作用; l（2） 甲基化影响DNA构象，如形成Z-DNA。 二、 转录水平上的基因调控： l 转录水平上的基因调控是真核细胞基因调控的 主要环节。 l 原核生物有操纵子及其紧密连锁的基因。 l 真核生物的转录受基因控制的顺式作用元件、 反式作用因子的各自影响及两者的相互作用。 （一）基因作用的顺式元件（DNA序列所含的控制 因子）： 是两种DNA序列： l 启动子和增强子， 与蛋白编码区连锁， 被RNA聚合酶识别、 结合。 l 原核只由一种RNA聚合酶催化; l 真核由三种RNA聚合酶催化： lRNA聚合酶：r（s,5.8s,18s）前体 核仁中合成 lRNA聚合酶：mRNA 核基质中合成 lRNA聚合酶：小RNA(tRNAs，5sRNA，snRNAs) 核基质中合成 1. 启动子: 通过RNA聚合酶启动子分析，得出启动子共同 模式： （1）TATA（识别）框：位于基因转录起点上游 附近，富含AT的共有序列（TATAATAAT）。 保证转录精确起始。 （2）上游启动子成份（UPE）：上游附近 的CAAT框，共有序列（GGTCCAATCT）及几百个 bp的启动子成分。 能结合特定的转录因子，控制转录起始频率。 l2. 增强子: 是能够增强与之相连的基因转录活性的调控序列, 通过结合特定的转录因子或影响构象而实现。 l 位于上游的200 bp 处包括两个72 bp 的串联重复 序列，其作用有三个显著的特征： （1）具远程效应，同一条上，在启动子上、 下游都可； （2）需要特定的蛋白因子参与； （3）大多数增强子具有组织特异性，少数能在各种 类型的细胞中发挥作用。 （二） 基因调控的反式作用因子： l 是各种基因控制蛋白，作用于顺式作用元件的靶位点 上（特异核甘酸序列）： . 通用转录因子：结合在TATA框上，如TFA、 TFB等蛋白因子。 . 转录控制因子：结合在UPE（上游启动子成分） 特异核酸序列上的蛋白质因子。 l1. 反式作用因子必备的两种能力： l（1）必需识别、定位在特殊基因的增强子、启动子和 其它调控元件中的特异性靶序列。 l（2）要能够与RNA聚合酶或其它转录因子结合而行使 功能。 l2.反式作用蛋白质因子的特点: l（1）均为球蛋白.以二聚体形式发生作用，结合在 DNA特异的核甘酸序列上，有些是异源二聚体。 l（2） 这些基因调控蛋白具有不同的功能区域: l DNA结合结构域; l 转录激活结构域。 l 类固醇激素受体家族中，受体蛋白能使细胞通过 激活（正调控）或（负调控）特定基因对各种脂溶性 激素作出应答反应: l 这些受体蛋白具有一个中心DNA结合结构域， 约由100个氨基酸组成，形成一系列锌指结构，负责 识别特异DNA 序列; l 转录激活结构域定位在N-末端; l 这些固醇类激素受体都含有一个特定的激素结 合结构域，位于C-末端。 l（a）反式作用蛋白质的DNA结合结构域具有一些典型 的结构模式： -螺旋-转角-螺旋； 锌指； 亮氨酸 拉链； 螺旋-环-螺旋； 甾化合物和酸滴等结构模式。 由100以内个氨基酸组成。 l（b）基因控制蛋白的转录激活结构域一般由20-100个 氨基酸组成，含有许多带负电荷的-螺旋，激活转录的 水平与静电荷数有关。 增强净电荷能提高激活转录的 水平。 l例：糖皮质激素受体的三个结构域： l 结合DNA结构域； l 结合激素结构域； l 激活转录结构域。 l 甾类激素进入细胞与受体结合受体构象改变并 被激活活化的激素-受体复合物对DNA亲和力大大 增加进入细胞核后与增强子糖皮质激素反应元件 (GRE) 的特异共有序列（GGTACANNNTGTTCT） 结合，激活启动子而调节基因转录。 l（3）.有些反式作用蛋白质因子经物理或化学因素诱 导后才具有活性：如热诱导、磷酸化、与配基结合。 l 如果蝇的热激活转录因子（HSTF）经热诱导后 才能与特异DNA序列结合而促进转录。 l（4）在基因转录的控制中涉及很多蛋白质与DNA、 蛋白质之间复杂的相互作用，激活和阻遏效应的综合 影响形成一个基因控制元件的净效应。 l 环化学说：DNA不同位点上结合的蛋白因子通过 DNA形成环化结构而发生相互作用，蛋白起作用以调 节基因的转录活性。 l （5）.有些基因调控蛋白可与几个不同序列的DNA 结合位点相结合。 l 一种顺式作用元件又可作为多种反式作用蛋白 因子的作用靶位点，使基因转录的调节具有灵活性 。 三、 转录后水平的调控： l 转录水平的调控决定了mRNA种类和数量，但 转录出的是hnRNA多是前体，需修饰、加工、选择 性拼接和运输，转录后的调控也是重要环节。 （一） hnRNA的修饰加工： l 真核生物细胞内编码蛋白质的基因是以单个基因 为转录单位，且许多编码蛋白质的结构基因是不连续 的基因，有居间序列。DNA hnRNA（核内 高分子量不均一RNA） 修饰加工、选择性 拼 接 有功能的成熟mRNA 选择性运输到细 胞质中 翻译成蛋白质。 l hnRNA的修饰加工： 5端帽子的形成 l 3端附加多聚A尾巴 l hnRNA和mRNA都有5端7-甲基鸟嘌呤核苷 （m7 GpppN）的帽子结构。因甲基化程度不同，帽 子在同种，不同种生物的mRNA中都可以不同。 l 加帽过程在转录终止前以完成。 l功能： l 增加mRNA的稳定，保护其免被5外切核酸 酶的攻击。 帽子结构为核糖体对mRNA的识别提供信号。 l mRNA都带有末端多聚（A）尾巴，是转录后在 3端由特异性核酸内切酶先切除一段，然后由 polyA聚合酶完成多聚腺苷化。 l PolyA的长度在细胞核内是相当一致的，为 200250个核苷酸。但mRNA到达细胞质中polyA 的长度就不再一致了，变化于30250之间。可能与 mRNA从核孔输出有关。 l 在hnRNA的加工过程中，hnRNA始终和蛋白质 形成hnRNP颗粒。 （二）mRNA前体的选择性拼接： l 不连续基因中的居间序列称“内含子”; l 被内含子隔开的基因序列称“外显子”。 都被转录至hnRNA中， l l RNA拼接：切除内含子，把外显子连接起来，产生 成熟的mRNA分子: l （5）外显子 GT内含子AT 外显子（3 ） l 供体拼接点 受体拼接点 这是核结构基因普遍存在的序列。 内含子精确切除需要: l mRNA前体中的特异的识别信号; l 特定因子识别这些信号。 l 特定因子可能是核内小分子mRNA与Pr.的复合物 snRNP 。多为尿嘧啶含量较高的U-snRNP 。 两种拼接方式： 组成型拼接：直接去除内含子，将外显子拼接成 成熟的 mRNA 一种蛋白质产物。 可调控的选择性拼接：外显子有多种拼接方式， 可产生不同的成熟 mRNA 不同的蛋白质。 l 细胞类型特异性蛋白质的合成是真核细胞分化的 重要特征之一，产生蛋白质多样性的分子机制： l 多基因家族中各成员在特定细胞中，在一定的 生理条件下：“选择性表达”。 (如抗体) l 同一基因，原初转录产物 mRNA 通过 mRNA 前体的“选择性拼接”而产生不同的蛋白质。 l 此方法产生一套结构相关，功能相似的蛋白质， 称 “蛋白质异形体” 。 l （三） mRNA的选择性运输： l 运至细胞质的成熟mRNA只占核内hnRNA总量 的1/20，一些基因的转录活性与其在细胞中mRNA 的拷贝数不成正比例，生长细胞与静止细胞中的 hnRNA 转录速率差不多，但前者细胞质中mRNA的 含量和种类比后者要多得多，这些说明细胞在不同情 况下有选择地将不同的hnRNA加工成mRNA，并将 它们运到胞质。 例：海胆的选择性加工运输： l 海胆囊胚细胞中大约有20，000种不同序列的 hnRNA： l 其中有13，000种被加工成mRNA。 l 海胆成体肠细胞中有25，000种hnRNA， l 只有3，000种加工成mRNA。 l四、 翻译和翻译后加工水平的调控 l 真核生物在翻译水平上的调控普遍是控制mRNA 的稳定性和mRNA翻译起始的控制, 是一种快速调控 基因表达的方式。 （一） mRNA的稳定性： mRNA稳定性的变化可以控制基因表达： 细菌不稳定，mRNA半寿期约3分钟。 真核细胞： l -珠蛋白的mRNA半寿期约10h以上。 l 有些只要30分钟，如生长因子，是编码细胞内 调控蛋白的mRNA，不稳定的mRNA的3端非翻译 区已含有一段富含A和U的核苷酸序列。 影响mRNA稳定性： 3端特殊信号序列 l 细胞外信号的影响。如激素 l激素作用：促进特定基因的转录； l 影响mRNA的稳定性来调控翻译， l 从而影响细胞的生理活动。 l例1：牛奶中含有大量的酪蛋白： l 泌乳激素 酪蛋白的mRNA的半寿期增长30 -50倍，使mRNA浓度增加100倍，从而使酪蛋白 翻译（合成）量大增。 l l例2：增加细胞内铁的浓度导致两种现象： l 转铁蛋白受体的mRNA稳定性降低，转铁蛋白受体 合成减少，以减少细胞铁的输入; l 细胞铁蛋白的合成增加，以结合多余的铁。 l上述两种反应都是由一种“铁敏感调节蛋白”所介导的： l 转铁蛋白受体的 mRNA 在3端非转译区有多个铁 敏感调节蛋白的结合位点; l 铁蛋白的 mRNA 在5端非转译区有一段30个左右 核苷酸组成的铁应答序列，是铁敏感调节蛋白的特异性结