发育与遗传及基因表达调控.ppt

第五章 发育的遗传控制及真核基因的 表达与调控,重要性分析： 本部分介绍发育与遗传交叉及真核基因调控的内容；其中遗传发育重点在相关名词术语，基因表达调控为重点掌握的内容。,关键掌握：,1、个体发育的概念和特点；2、细胞核和细胞质在个体发育中的作用；3、同源异型基因的概念并以拟南芥花发育的ABCE模型为例解释同源异型基因的作用；4、以噬菌体的装配和人的血红蛋白形成为例说明发育过程中基因的程序性表达；5、真核生物的表达调控的复杂性；6、细胞全能性的概念与遗传基础。 参考：Daniel L. Hartl Genetics: Analysis of Genes and Genomes Chapter 12 Molecular mechanisms of gene regulation; Chapter 14 Genetic control of development,受精 2周 5周 6周,8周 16周 18周 20周,无论高等植物、动物和人类，个体的成长都经历受精卵、幼体和成体的历程。,1、个体发育 (individual development) 高等生物从受精卵开始，经过一系列细胞分裂和分化，长成新个体的过程。高等生物个体发育的起点是受精卵。那么，一个小小的受精卵是怎样发育成为一个性成熟个体的呢？ 2、个体发育的特点： 1）个体发育由受精卵中的基因型和环境共同作用；2）受精卵分裂到一定阶段细胞发生分化，也就是个体不同部位的细胞形态结构和生理功能发生改变，形成不同的组织和器官。,Preface,3、除环境因素外，个体发育的基因调控网络：,1）细胞核和细胞质基因共同控制 2）基因的作用包括： -控制个体发育的方向（发育成什么） -控制个体发育模式（头-尾？背-腹？层次-内外器官的摆放？翅型？体节模式？花的模式？ ） -控制个体发育的过程（阶段性转变-基因差别表达） 3）基因表达调控的多层次性和复杂性（以真核为例）,第一节 细胞核和细胞质在个体发育中的作用,细胞核和细胞质是细胞生存必不可少的两部分，个体发育缺一不可。 细胞核和细胞质在个体发育中分工合作、共同完成由基因型（包括质基因）所预定的各种基因表达过程以及对外界环境条件变化作出反应。,一、细胞质在细胞生长和分化中的作用,卵细胞质存在分化：动、植物的卵细胞虽然是单细胞的，但它的细胞质内除显见的细胞器有分化外，还存在动物极、植物极、灰色新月体等分化。,这些分化的物质将来发育成什么组织和器官，大体上已经确定。,1.海胆的发育与切割试验, 海胆合子第一、二次分裂,顺着对称轴方向进行（动-植极）。 如果将四个卵裂细胞分开,每一个卵裂细胞都能发育成相同的小幼虫,说明各个卵裂细胞中细胞质是完全相同的（下图）。 第三次卵裂方向与对称轴垂直，分裂的8个卵裂细胞分开后，就不能发育成小幼虫。,在卵裂开始时，顺着赤道面把卵切成两半 （右图）：带核的动物极一半受精后发育成空心而多毛的球状物；带核的植物极一半受精后 发育成较复杂但不完整胚胎。,总结：动物受精卵细胞质的不均一性决定动物个体发育命运。,2.植物大、小孢子的发育实验,小孢子的核，经过第一次配子有丝分裂后形成二个子核： 一个核移到细胞质稠密的一端，发育成生殖核；另一个移到细胞的另一端，发育成营养核。,大孢子母细胞远离珠孔一极的细胞质较多，靠近珠孔一极的细胞质较少。 大孢子母细胞经过减数分裂形成的四个大孢子中 远离珠孔的一个大孢子能继续分裂和发育为胚囊，其余3个退化 。 说明细胞质的不同分布对大孢子的分化会产生不同的影响。,珠孔端,植物生殖细胞细胞质的不均一性决定植物个体发育命运。,3. 小麦瘿蚊胚盘后端极细胞质,若核在极细胞质中能保留全部40条染色体 , 将发育成 生殖细胞；若核在其它区域，丢失32条染色体，将发育成体细胞；若破坏极细胞质（紫外线照射等），则全部发育为体细胞，成为无生殖细胞瘿蚊。,说明细胞质的不均一性影响染色体的行为。,4、人类和哺乳动物的性染色质（失活的X染色体）,说明：细胞质的不均一性影响染色体的活性。,X,X,X,Y,人及哺乳类的X染色体失活是雌性早期胚胎发育开始发生的一种现象，用于平衡两性X性连锁基因在表达剂量上的差异。,二、细胞核在细胞生长和分化中的作用,伞藻（Acetabularia）是一种大型的单细胞海生绿藻。高约6-9 cm。细胞核在假根内。成熟时，顶部长出一个伞状的子实体，子实体因物种不同而异。,在欧洲，地中海伞藻（A. mediterranea）子实体边缘为圆形；,裂缘伞藻（A. crenulate）子实体边为分瓣形。,伞藻的再生和嫁接实验,嫁接后为什么先长出中间形的子实体？ 是因为嫁接的茎中还带有原来的细胞核控制下合成的物质，它们自然要影响子实体的形成；等到茎中贮存的物质消耗完了，再生的子实体是在嫁接后的异种核控制下形成的，所以长出的完全是异种的子实体了。,控制子实体形态的物质是mRNA，它在细胞核内形成，然后迅速向藻体上部移动，编码决定着子实体形态的蛋白质。 嫁接实验充分证明假根中的细胞核是决定上部再生子实体类型的根本原因，细胞核决定了个体的发育。,1.一方面在个体发育过程中，细胞核和细胞质是相互依存、不可分割的，但起主导作用的应该是细胞核。 &细胞核内的“遗传信息”决定着个体发育的方向和模式，控制细胞的代谢方式和分化程序。 &细胞质则是蛋白质合成的场所，并为DNA的复制、mRNA的转录以及tRNA、rRNA的合成提供原料和能量。,三、细胞核和细胞质在个体发育中相互依存,2.另一方面，细胞质中的一些物质又能调节和制约核基因的活性，使得相同的细胞核由于细胞质的不同而导致细胞的分化。没有细胞质的不等分裂，其后果只能是细胞数目的增加，不会有细胞的分化。,1、植物与病原菌的互作 病原菌的毒素，被植物细胞受体识别，使植物细胞迅速产生NO、H2O2等，产生过敏反应，杀死病菌。 毒素也作为信号分子，诱导植物防卫相关基因表达，如诱导几丁质酶等可降解真菌细胞壁，抑制病菌生长；或诱导苯丙氨酸解氨酶等与细胞壁形成有关的基因表达，以加强植物细胞壁，抵御病菌侵入。,四、环境条件的影响,环境中很多生物及非生物因子，可以调控相关基因表达，从而影响生物的个体发育。,2、植物的系统抗性 原因：玉米接种真菌后，诱导出对真菌的抗性。伴随着防卫相关基因的表达，可使植物产生系统抗性。 其它一些非生物因子，如温度、水分、受伤、紫外线、激素等都可以诱导相关的基因的表达，影响植物个体发育。,表现出抗炭疽病,3、协同进化 我国科学家发现了中侏罗纪传粉昆虫与当时的虫媒裸子植物之间存在着一种新的传粉模式：具有细长吸收式口器的长翅目昆虫可以在一类裸子植物（今已灭绝）上取食，同时起到传粉的作用。 这是目前为止最早的关于传粉昆虫和虫媒植物之间协同演化的例子（Ren et al. 2009，Science）。,鸟类、昆虫与花器的唯美协同进化,第二节 基因对个体发育的控制,一、基因控制发育的方向,1、高等植物第一次分裂就是不均等的分裂。小细胞胚体球形期心形期和鱼雷期分化根、茎等原始组织器官；大细胞胚柄（胚胎长成后就退化）,高等生物的总体发育经历受精卵、胚、幼体和成体的过程。,1）基因控制细胞的发育方向,2）基因控制组织、器官和个体发育的方向,2、细胞程序性死亡与形体雕刻,如不正常凋亡，对人类来说会发生严重的形体畸形甚至癌变，如并指、无肛、血管瘤等；而细胞凋亡是由基因编程控制的。,Programmed cell death,PCD：多细胞生物的一些细胞当不再为生物体所需要时，或是已受损失时，会激活受遗传控制的自噬或凋亡机制。,3、组织、器官的末端分化 个体发育包括了一系列按预定顺序依次发育的阶段。上一阶段的趋向完成，“启动”下一阶段的开始。 在正常情况下，一个细胞(组织或器官)分化到最终阶段，实现其稳定的表型或生理功能，表示达到了末端分化。,达到末端分化的细胞（组织或器官）通常不再继续分化或转化为其它任何结构。,例如：烟草生长到10对叶片并显现花序时，按叶片上下顺序分离叶片的表皮细胞进行培养： 基部两个叶片表皮细胞培养株，长出两片叶就不再生长； 第3，4片叶表皮细胞培养株，长出3-4对叶后开花； 第5-7对叶片表皮细胞培养株，长出2对叶就开花； 第8-10对叶片表皮细胞培养株，长出一个叶片开花； 花序表皮细胞的培养株很快分化出花芽，直接开花。,结果表明当植株发育到某一阶段时，在该阶段分化的组织和细胞就达到与该阶段相应的发育状态；一旦脱离周围组织而离体培养，则在原来发育阶段的基础上，继续向前。,个体发育的方向性是由内外两种因素控制的。 内在的因素是基因序列的特异性和在不同时间和空间上的选择性表达；外在的因素则包括相邻细胞或组织器官间以及外界环境条件的影响。,4、基因控制个体发育的方向,二、基因控制个体发育模式,(一）果蝇早期胚胎发育的基因控制,1、母体基因(maternal gene)：通过母体在卵细胞中表达，对卵细胞的成熟和早期胚胎起作用的基因。,控制果蝇早期胚胎发育的三类主要基因：,1）控制前后极性的基因： bicoid (bcd) 基因:负责头和胸的发育 nanos（nos）基因:负责腹部（后）的发育,2）控制背腹极性的基因：dorsal (dol)和toll,2、合子基因-分节基因（segment genes)： 在受精后表达，这些基因的突变会改变体节的数目和极性。,分节基因的分类：,1）gap gene :受母体基因调控，第一批表达的合子基因，将胚胎粗略的分为几个大区；该类基因突变导致连续的若干体节消失。 2）pair-rule gene:受前一基因调控，使胚胎分成明显的体节；该类基因突变导致胚胎每隔一个体节就缺失一部分。 3）segment polarity gene:受前一基因调控，决定胚胎每个体节中细胞类型的特异化发育。突变引起每个体节中特异部分区域的缺失。,gap 基因hb,kr,kni在早期胚囊中的表达分布,pair-rule 基因eve（棕色）,ftz（蓝色）在晚期胚囊的分布,3、合子基因-控制体节特征的基因,同源异形/型基因(Homeotic genes):控制体节特征和组织、器官形成的一类基因，对其大小、极性和数目不起作用，如果突变会在胚胎发育的过程中出现同源异型现象。 同源异型现象：同源异型基因发生突变，会在胚胎发育过程中导致某一器官异位生长，即本来应该形成的正常结构被其他器官取代。如多肢、双头、多翅等。,分节：果蝇幼虫及成虫由体节组成，包括一个头(head)，三个胸节(T1至T3)，八个腹节(A1至A8)，每一节又分为前端(A)和后端(P)两部分。 节的特征发育：成虫的每个胸节带有一对脚。在第二胸节(T2)上长出翅膀，第三胸节(T3)上生长平衡器。,果蝇从胚胎分化发育至成熟个体，有两组同源异型基因簇参与调节分节和每节特征发育这一过程：,腹胸节基因复合体(BX-C)：控制2、3胸节和腹节特征，如果突变将第三胸节转变成第二胸节，平衡器转变成一对多余的翅膀。,触角脚基因复合体（ANT-C)：控制头部体节和前部胸节特征，如果突变使头上的触角变成一对脚。,同源异型框（homeobox): 同源异型基因中一般都有一个180核苷酸的保守序列，编码60个氨基酸，它可形成a -螺旋-转角-a -螺旋结构，与特定的DNA序列结合，这个保守序列叫同源异型框。 同源框普遍存在于生物中，同源异型基因调节的结构基因包括控制细胞分裂，纺锤体形成和取向，细胞分化等发育过程的基因。,4、果蝇早期胚胎发育的简要总结 果蝇发育经历卵、幼虫和成虫。 1）卵阶段：由母体基因决定的RNA和蛋白沿前后轴和背腹轴建立了梯度，前端发育为头，后端发育为尾；背侧在上，腹侧在下；,2）受精后阶段 一旦受精后，此梯度立即发挥作用，前后轴和背腹轴系统基因先后作用，调控分节基因和体节特征基因的表达。,果蝇早期胚 胎发育基因,母体基因（坐标基因）,合子基因,前后轴极性基因,背腹轴极性基因,分节基因,体节特征基因,gap gene,pair-rule gene,segment polarity gene,ANT-C BX-C,（二）高等植物发育中的同源异型基因 1991年，首先克隆玉米打结基因（Knotted 1），现在许多植物同源异型基因已分离和鉴定，初步理解基因调控模型。,1、控制拟南芥花发育的的转录因子,1）、拟南芥作为模式植物的优点： 植株小（1平方厘米好几棵） 、形态结构简单但结构完备；,世代周期短：从发芽到开花不超过6周；,结籽多：单棵可达万枚种子； 生活力强：用普通培养基就可作人工培养； 基因组在已知植物基因组中最小：单倍染色体数是n=5，仅有128MB，是小麦的1/128，这就使克隆它的有关基因相对说来比较容易； 拟南芥是自花受粉植物，基因高度纯合，用理化因素处理突变率很高，容易获得各种代谢功能的缺陷型。 例如用含除草剂的培养基来筛选，一般获抗除草剂的突变率是1/100,000；,基因组已测序，基因组结构清晰； 针对其进行的遗传操作手段成熟，并建立了全基因组的突变体库，有利于功能基因组的研究； 已经建立了众多基因的分子调控机制和信号传导机制。 所以，它是进行遗传学研究的好材料，是“植物中的果蝇”。,2）、拟南芥花模式的形成ABC模型,花的结构模式,拟南芥的花排列成四个同心圆，从外向内依次是：花萼、花瓣、雄蕊和心皮。,根据这些突变提出了控制花发育的ABC模型，指出各轮花器官是由少数同源异型基因控制，这些基因称为花器官特性基因。,通过研究拟南芥和金鱼草花的同源异型突变，花的突变可以分为： A类突变：第一轮器官由花萼变成心皮；第二轮由花瓣变成雄蕊； B类突变：第二轮变成了花萼，第三轮变成了心皮； C类突变：第三轮变成了花瓣，第四轮变成了花萼。,ABC模型基本内容： 花器官的发育涉及A、B、C三类基因，A功能基因在第一、二轮花器官中表达；B功能基因在第二、三轮花器官中表达；C功能基因则在第三、四轮花器官中表达。,在三类功能基因中，A和B、B和C可以相互重叠，但A和C相互拮抗，即A抑制C在第一、二轮花器官中表达，C抑制A在第三、四轮花器官中表达。,拟南芥经典ABC模型中已经克隆的基因,A类基因：无花瓣基因AP1和AP2，负责花萼和花瓣的形成，是一类与DNA结合的蛋白编码基因； B类基因：无花瓣基因AP3和雌蕊退化基因PI,负责花瓣和雄蕊的正常发育； C类基因：无花基因AG，除了控制雌蕊和雄蕊的发育，还可以控制花序的有限性，如果突变，花变成无限花序，第四轮的心皮发育成花中花，花轮结构变成（4花萼+4花瓣+6花瓣）n。,在野生型中,第一轮花器官中只有A基因起作用发育成花萼；在第二轮中，A、B基因共同作用发育成花瓣；在第三轮中，B、C共同起作用发育成雄蕊；第四轮花器官中只有C起作用，发育成心皮。,在突变体中，总体上：一类基因突变，只改变花的结构，不改变4个层次， 从而导致花器官的错位发育。 A基因突变：AP1突变,总结：第一轮发育为苞叶，第二轮缺失，第三、四轮正常,总结：C在第一、二轮花器官中异位表达，B基因表达不受影响，这样在突变体的花中，第一轮花器官只有C基因作用，发育为心皮；第二轮中，C、B基因同时表达，形成雄蕊；第三、四轮正常发育成雄蕊、心皮。,B基因突变：则在第二、三轮花器官中只有A、C功能基因表达，因此分别发育成萼片和心皮，第一、四轮正常发育。,C基因突变：则在第三、四轮花器官中有A基因异位表达，第三轮花器官由于B、A基因同时作用而发育成花瓣，第四轮由于A基因表达而形成花萼（新花）。,植物花发育的ABC模型的内容是什么？有何证据？如果B基因缺失或者组成型表达，其后果分别是什么？,答案要点：花的四轮器官是由A、B、C三类基因决定，A基因决定花萼，A和B基因决定花瓣，B和C基因决定雄蕊，C基因决定心皮。A和C之间存在拮抗作用，如果一类丧失了功能，另一类基因的功能将取而代之；证据是ABC三类同源异型突变体的存在；B缺失无花瓣和雄蕊，B组成型表达导致萼片变为花瓣，心皮变成了雄蕊。,ABCE模型 包含相互作用的A, B, C, E 4 类花器官特性基因。 A+E ：萼片 A+B+E： 花瓣 B+C+E： 雄蕊 C+E：心皮 其中，A和C相互拮抗； E类基因四重突变体会导致花变为叶状结构，只有ABCE共同作用，才能使叶状结构变为完整的花器。,在拟南芥中, A 类基因有2 个, APETALA1(AP1)和AP2, 其中AP1 有2 个旁系同源基因, 分别为CAULIFLOWER(CAL)和FRUITFULL (FUL)； B类基因2个, APETALA3(AP3)和PISTILLATA (PI)； C 类基因主要是AGAMOUS (AG), 它有3 个旁系同源基因SEEDSTICK(STK), SHATTERPROOF1 (SHP1)和SHP2； E类基因有4 个, SEPALLATA1 (SEP1), SEP2, SEP3,SEP4。,ABCDE模型,主要认为STK, SHP1和SHP2也属于D类基因，和C类的AG基因一起影响了胚的发育进程。,人类对花器的发育控制尽管有了一定的了解，但是仍然存在难以解释的问题，如C类基因突变第四轮有的形成萼片或新花等问题需要继续深入的研究。 路漫漫其修远兮，吾辈仍将上下而求索！,2、同源异型基因的多型性-RNA结合蛋白,玉米的顶穗基因1(Terminalear 1)，在雌雄花分化发育中起开关作用。顶穗基因突变导致在正常雄花处长出雌穗，并伴随有节间密集，植株矮小等特点。,该基因含有三个保守的RNA结合框，表明这种RNA结合蛋白可能参与调控mRNA切割、定位等过程，来控制性状表达。,个体发育阶段性转变的过程,实质是基因差别表达的过程（differential expression）。 基因差别表达: 不同基因在个体发育的不同阶段或不同部位被依次激活或阻遏的现象. 看家基因(house-keeping gene)与奢侈基因(luxury gene),三、基因控制发育过程的转变,在发育的某个阶段，某些基因被激活而得到表达，另一些基因则处于被阻遏或保持阻遏状态。 在发育的另一阶段，原来被阻遏的基因因激活而表达了，原来表达的基因却被阻遏。,基因是否得到表达，可从它的表达产物protein或转录产物mRNA（差异显示），或通过比较突变型 (mutant) 与野生型(wild type) 的表型(phenotype) 来推断。,（一）、噬菌体的分化和自然装配：,噬菌体侵入大肠杆菌后，它的DNA利用宿主的RNA多聚酶合成自己的mRNA(侵入1-2min 后)。这些mRNA在宿主的核糖体上进行翻译，合成能裂解宿主DNA的酶用于自身的合成； 大约在侵染5-6min后，出现新合成的噬菌体DNA，随即合成“早期”的蛋白质； 在侵染9-10min后，合成“晚期”蛋白质，包括头部外壳蛋白质，尾部及各种附属结构的蛋白质和溶菌酶(lysozyme)。溶菌酶裂解细菌的细胞壁，使新的噬菌体得以释放。,利用突变体进行研究，发现控制T4噬菌体各“部件”的合成以及装配需要70个基因。,早期基因：主要控制早期侵染行为，产生早期的mRNA，编码合成噬菌体DNA的酶等。 晚期基因：主要控制蛋白质“部件”的合成，装配新噬菌体并产生溶菌酶（lysozyme ）,（二）、高等植物发育中基因的顺序表达,在时间和空间上的精确控制： 特定发育时期有关基因根据植物发育的需要依次表达产生某些mRNA及合成蛋白质。 例如，在胚胎发育或花芽分化过程的不同阶段，会出现不同的阶段性专一酶，而这些酶的合成受制于不同基因依次开启或关闭。,大豆种子发育中七种不同类型mRNA出现时间及相对数量（线条粗细代表mRNA的相对含量）,说明大豆种子不同发育阶段的变化，受不同蛋白控制，而这些蛋白的合成则受制于不同基因的依次开启或关闭。,（三）、人血红蛋白基因的顺序表达 hemoglobin由两条相同的链和两条相同的链聚合成四聚体，即 2 2。 链和 链分别由独立遗传的两个基因簇编码。, 链基因簇位于长约28 kb的DNA区段内，包括一个有活性的基因，2个有活性的基因。还有一个假基因，2个假基因。 链基因簇长约50 kb，含有5个功能性基因(1个，2个，1个和1个基因)，一个假基因。,在人的一生中，血红蛋白的组成经历多次变化，这是由于编码它们的基因在不同发育时期差次表达的结果：,Postconceptual age:孕后期；postnatal age:出生后；Erythropoisis：红细胞发生；embronic yolk sac:胚胎卵黄囊；Fetal liver:胎肝；fetal spleen：胎脾；adult bone marrow：成人骨髓,胚胎期（8周内）： 基因簇中链最先表达，但很快就被链取代；在基因簇中，只有、 链表达，依次组成三种不同的胚胎血红蛋白； 胎儿期（3-9月）：基因簇仅链表达，基因簇中链表达降低，被链取代，此期的胎儿血红蛋白仅一种组成； 成人期（出生后）：基因簇中的链合成下降，链合成上升。而从出生到成人期，则以链表达为主，伴随有少量链表达。基因簇在这两个时期都只有链表达。,1.体长1mm, 生命周期3 d，成体只有959个细胞； 2. 2n=12； 3. 基因组仅有8107bp，约有13,500个基因； 4. 与原核相似，有25%左右的基因产生多顺反子 mRNA； 5. 基因组中非重复序列达83%，E.coli为100% 而高等的真核生物大部分在50%以下； 6.大部分是XX型，为可以自体受精的两性体, XO 型为雄体(突变型,约占1/500)。,（四） C.elegans幼体阶段转变中基因的顺序表达,In C. elegans, cell lineages have distinct characteristics during 4 different larval （幼虫）stages ( L1L4 ).,L1 L2 L3 L4,Adult,Mutations in lin-4 disrupt the temporal regulation （时序调节）of larval development, causing L1 - specific cell-division patterns to reiterate（反复做）at later developmental stages.,L2,Zygote premature L2,该基因主导L1-L2转变,该基因对进入L2重要,与lin-4是否存在相关性？,Opposite developmental phenotypes - omission of the L1 stage and premature development into the L2 stage are observed in worms that are deficient for Lin-14.,Downregulation of lin-14 by lin-4 is necessary for normal development,lin-4 is a negative regulator of lin-14.,第三节 真核生物基因的表达调控,基因概念：基因是负载特定遗传信息的DNA片段。,基因结构的复杂性预示调控机制的存在：,终止子,基因表达：基因所携带的遗传信息经转录和翻译等过程产生具有特定功能的蛋白质或RNA的过程,基因的表达调控：对基因表达过程中的调节。,染色体,DNA,mRNA,mRNA,蛋白质,活性蛋白质,细胞核 核孔 细胞质,基因信息流的传递预示基因表达调控的存在：,基因表达方式的差异预示调控机制的存在,基本（组成型）表达：管家基因,时空特异性表达：,诱导或阻遏表达基因：,差别表达基因,生物的整套遗传密码可比作一本密码字典 该种生物的每个细胞中都有这本字典。为什么基因只有在它应该发挥作用的细胞内和应该发挥作用的时间才能呈现活化状态?,推测：必然有一个基因调控系统在发挥作用。 基因调控主要在四个水平上进行：,染色质水平； DNA水平； 转录（后）水平； 翻译（后）水平。,一、染色质水平的调控,（一）组蛋白质修饰与异染色质化,真核生物可改变染色体某一区域异染色质化程度而控制基因的表达，与组蛋白修饰等因素有关. 如人类巴氏小体：女性的一个X染色体因组蛋白修饰导致异染色质化， 关闭其上携带基因的表达。,This process, known as X-chromosome inactivation, results in the transcriptional silencing of over a thousand genes and ensures dosage compensation between the sexes.,X chromosome inactivation in mammals,Mary Lyon was born in Norwich, England in 1925. She discovered X-chromosome inactivation, for which she is best known.,X X X Y,Avner and Heard, Nat. Rev. Genetics 2001 2(1):59-67,Xist X inactive-specific transcript,Xist的产物是RNA,不翻译蛋白，但可以招募组蛋白去乙酰化酶及甲基化酶，使染色质因低乙酰化和甲基化而异染色质化。,有实验证明：X染色体的失活可能与Xist无关，证明X染色体失活机制的复杂性,Nature, 460:647-651,2009 Evidence of Xist RNA-independent iniation of mouse imprinted X-chromosome inactivation,It was reported that, in mammals, X-chromosome inactivation is thought to be triggered by the expression of the non-coding Xist RNA from the future inactive X chromosome, Xist RNA in turn is proposed to recruit protein complexes that bring about heterochromatinization of the X-chromosome.,（二）DNA酶的敏感区域转录活性高,染色体上有些位点对DNA酶高敏感，容易受到DNA酶的剪切，称为超敏感区域（位点）。 这些位点是染色质中特殊DNA暴露区域，一般在转录起始点附近，即5端启动子区域。,（三）核基质蛋白,染色质并不漂浮在核内，而是结合在核基质上，核基质是一种35nm的网络纤维，这种结合是特异性的，如卵清蛋白基因与鸡卵巢的细胞核基质结合，而不与鸡肝脏核基质结合，这种结合利于特异基因的表达。,二、DNA水平的调控,1. 基因剂量改变 . 基因丢失：发育过程中，一些组织的细胞通过丢失某些基因，决定细胞分化。 如：原生动物马蛔虫（只有一对染色体，发育到一定阶段，除生殖母细胞外，其它体细胞发生染色体断裂，丢失85%的染色质）、小麦瘿蚊（核在极细胞质之外，丢失32条，保留8条，发育为体细胞）等。,. 基因扩增,也发生在异常细胞中，如人类的癌细胞中，由于癌基因的大量扩增，诱发癌症。,. 酵母交配型转变,2. DNA 重排(DNA rearrangement)：,酵母有两种交配类型 a 和，单倍体孢子 a 和之间交配产生 a/二倍体，经减数分裂及产孢过程形成4个单倍体孢子； 相同交配型的单倍体孢子之间不能发生交配。,但酵母存在一种同宗配合类型(homothallism)，其细胞可转换成对应交配类型，使细胞间发生配合。,交配型转换的遗传基础：控制交配型的一对等位基因位于第3染色体上，MATa基因为a交配型，-基因为交配型；在MAT基因两端有同源的HML和HMRa，分别与MAT、MATa基因相同；由于两基因上游有沉默子，故不表达。,（2）动物抗体基因重排： 人类能产生108种抗体，比基因组基因数目还多，而人类的抗体基因片段却只有约300个，这是为什么？,抗体分子结构： 重链H：440个氨基酸； 轻链L：220个氨基酸； N 端：110个氨基酸。 重链和轻链： 由变异区V和非变异区 C组成；均由二硫键连接。,抗体基因的组成： 重链包括4种片段：（人类第14号染色体上） 86个重链变异区段(VH)；30个多样区片段(D)； 9个连接区片段(J)；11个恒定区片段(C)； 轻链有3种片段； (第2号和第22号染色体上) 轻链变异区(VL)； 连接区(J)； 恒定区(C)；,抗体不是由一个完整的基因来编码，而是由不同的基因片段经重排连接而成的。,随着B淋巴细胞发育，基因组中抗体基因在DNA水平发生重排，形成编码抗体的完整基因，一个淋巴细胞只有一种组合的抗体基因。由于抗体基因重排时各个片段间的随机组合，因此300 个抗体基因片段产生10亿个抗体。,3. DNA甲基化和去甲基化：,在真核生物中，少数胞嘧啶在C5的位置上的H在甲基化酶的作用下被甲基所取代；也可以在去甲基化酶的作用下恢复。甲基化可降低转录速率，而去甲基化则相反。,三、转录水平的调控,原核生物DNA是裸露开放的，因此以阻遏物结合的负调控为主；真核生物以染色体存在，无活性时为异染色质状态，因此以正调控为主。,大多数真核生物基因经诱导可提高几倍至数十倍的表达效率，这主要是由转录水平的正调控为主。,真核生物基因转录时RNA聚合酶与DNA亲和力低，需要多种因子与其协同作用，共同调控转录的进行。,所以，该水平的调控主要体现在顺式作用元件和反式作用因子的互作。,与被调控的基因位于同一染色体的调控序列为“顺式”（cis）作用元件；与该元件互作的蛋白或RNA为“反式”（trans）作用因子。,1、顺式作用元件启动子（promoter）,启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合位点，位于受其调控的基因上游某一固定位置，紧邻转录起始点，是基因的一部分。,启动子基本结构（真核生物）： TATA盒(TATA box)：控制转录起始的精确性 CAAT盒(CAAT box)：控制转录的频率 GC盒(GC box)：增强子作用。,真核生物核小体的存在使基因启动子序列不能直接与RNA聚合酶接触，只有在染色质结构发生改变或“松散”之后，RNA聚合酶才能与启动子序列结合。,真核生物启动子先与一组转录因子结合装配成转录复合体前体后发生构型改变，适合与RNA聚合酶结合，起始转录。 所以，真核生物基因转录复合体通常包括RNA聚合酶及相关的多种转录因子。,选择性启动子： 有些真核生物基因具有两个或以上的启动子，用于在不同的细胞中表达，具有独立的转录调控。如果蝇的乙醇脱氢酶基因分别具有幼虫和成虫启动子。,成虫的转录和加工,顺式作用元件-增强子（Enhancer） 是远离转录起始点、决定基因的时空特异性表达、增强启动子转录活性的DNA序列，功能特点如下：,可以提高转录效率，在启动子起始转录的水平上使转录水平更高，但不能单独启动基因转录； 作用没有方向性，可以位于基因上、下游或基因序列内，也可以在不同染色体上远程调控； 增强子的存在，使基因转录只能在有适宜的转录因子存在时才能高速进行转录； 许多增强子可对细胞内外的信号作出反应；,同一基因转录可受不同增强子调控(编号16)，以便对不同信号作出反应；有的基因具有几个增强子，而有的可能没有。,同一增强子可与不同启动子进行竞争性互作：,如：人血红蛋白基因，控制胎儿链和成人链两基因共用同一个增强子，它与不同的启动子结合导致不同的基因表达。,增强子主要功能：与转录因子（有称转录激活子）结合，改变染色质的构型，从而利于与启动子接触提高mRNA合成效率。,2、反式作用因子,1）概念：能直接或间接地识别或结合在各类顺式作用元件核心序列上参与调控靶基因转录的蛋白质，有时也称转录因子。 2）结构：一般包括DNA结合域（螺旋-转角-螺旋、锌指结构、亮氨酸拉链和螺旋-突环-螺旋）、转录激活域，有的也包括蛋白互作结构域。,随着表观遗传学的发展，研究发现除了蛋白，DNA、RNA也有调控功能，所以现在也称反式调控元件。,3）分类,通用转录因子：普遍存在的转录因子，可识别启动子基本元件后形成转录复合体前体。,特异性转录因子：与基因表达的组织特异性有很大关系，能识别增强子或沉默子的转录调节因子。,RNA聚合酶；,种类多样的协调因子：有的可以改变局部染色质的构像(如甲基转移酶)，对基因转录起始具有推动作用；有的和转录复合体前体结合促进转录复合体最终形成。,4）反式作用因子通过以下不同的途经发挥调控作用： 蛋白质和DNA互作；蛋白质和配基结合；蛋白质互作；蛋白质的修饰。,蛋白质直接和DNA结合, a -螺旋-转角-a -螺旋(HTH) ：有3个螺旋，螺旋3识别并和DNA结合，一般结合于大沟；螺旋1和2和其它蛋白质结合 。,锌指结构：包括二个半胱氨酸及二个组氨酸族，其保守重复序列为Cys-N2-4-Cys-N12-14-His-N3-His。其中Cys和His残基与锌离子(Zn2+)形成的配位键，使氨基酸折叠成环，形成类似手指的构型。依靠指的N端与大沟结合。,亮氨酸拉链：是一种富含亮氨酸的蛋白链形成的二聚体结构，这种特殊结构利于识别特殊的DNA序列。,蛋白质和配基结合（如激素),调节蛋白先和配基结合被活化后进入细胞核，与特殊顺式元件结合促进转录。如甾类激素可以诱导某些基因表达。,激素控制果蝇幼虫唾腺染色体疏松区的变化：,现象举例： 果蝇三龄前期：第三染色体不出现疏松区。 三龄后期：第三染色体74区EF段、75区B段等出现疏松区。 前蛹期：以上疏松区消失, 71区C-E段出现疏松区。 成蛹期：71区C-E段疏松区消失，74区EF段、75区B段出现疏松区。 胸腺是产生蜕皮激素的地方，结扎试验导致以上疏松区的丧失说明蜕皮激素对疏松区开启的作用。 机理如前所述。,蛋白质之间的相互作用,酵母半乳糖基因的转录受一个长约17 bp的上游序列(UAS)调控，GAL4蛋白可以和UAS结合促进转录。 当半乳糖缺乏时， 尽管该蛋白仍然与DNA结合，但Gal80蛋白总是与Gal4蛋白活性域结合，不能激活转录； 当磷酸化的半乳糖与Gal80/Gal4蛋白复合体结合时，改变它们的构型，使Gal4p的活性中心外露，结果诱导gal基因表达。,四、转录后调控,1、mRNA的加工,（1） 5端加帽,当RNA链合成达到30个核苷酸后，在其5端加上一个7-甲基鸟嘌呤核苷的帽子，作用是在蛋白质翻译时帮助识别起始位置以及防止被RNA酶降解。,（2）3端加尾,Pre mRNA 终止于3末端的下游1-2 kb；然后由核酸酶切到离保守序列AAUAAA的下游1130个核苷酸处；最后加上约200 bp的poly A尾巴。作用：增加mRNA的稳定性以及从细胞核向细胞质的运输。,(3) 内含子切除,2、选择性mRNA拼接 同一初级转录产物在不同的细胞中用不同方式进行拼接加工，形成不同的成熟mRNA分子，使蛋白质含量或组成上都可能不同。,3、RNA editing and RNAi,4、Control of RNA stability 真核生物的许多组织或细胞中，经转录的mRNA受抑制不能翻译成多肽，以失活的状态贮存（蒙面信使）。,举例： 如海胆卵内mRNA在受精前不能进行翻译，受精后的蛋白质合成速率猛增。原因：受精前的poly A过短，受精后加长后利于翻译。 植物种子在发芽的早期阶段，虽没有mRNA的合成，但有蛋白质的合成。 以上两例说明储存mRNA的存在。,mRNA的运输调控 真核细胞和原核不同，有一个核膜包被的核，实验表明约一半的蛋白编码基因的初始转录本一直留在核里面，然后被降解掉，只有与核孔复合体结合的RNA才能输出，现在不清楚mRNA是否需要一个特殊的输出信号。 2. 翻译过程的调控 翻译水平控制主要是受核糖体稳定性、新合成蛋白降解速率，和翻译过程中mRNA稳定性所决定，mRNA的寿命有的是几个月，有的只有几分钟。,五、翻译和翻译后水平的调控,3. 蛋白质加工过程的调控 . 蛋白质的折叠 蛋白质在一定的条件下（如伴侣蛋白存在时），才能折叠成一定的空间构型并具有生物学功能。,. 蛋白质的酶切 末端切割：有些分泌蛋白对细胞有毒害作用，常以无活性的前体形式贮存在细胞内，需要时才由蛋白酶切割加工成有功能的蛋白。,1例：蜜毒素对细胞的溶解没有特异性，为什么不能使自身细胞溶解呢？原来是翻译后以前体形式储存于细胞内，当释放时能被细胞间隙的一种蛋白酶识别和切割后产生有活性的蜜毒素。,2例：真核生物的膜蛋白和分泌蛋白的切割，这些蛋白都带有膜上定位信号肽。信号肽被特定的细胞中的蛋白酶切除形成成熟蛋白，如胰岛素的加工。,脊椎动物胰岛素的加工,切除N端24个氨基酸残基形成前体胰岛素,二硫键连接，切除B链,21个氨基酸残基的链和30个氨基酸残基的C链成熟体,105个氨基酸的前胰岛素原,多聚蛋白质切割：有些蛋白质开始翻译时形成一个含有多个蛋白质分子的多肽链，切割后产生具有不同功能的蛋白质分子。,如，一些脊椎动物的激素合成。人的脑垂体产生一种蛋白质，至少包括四种不同的荷尔蒙分子，经蛋白酶切割多聚蛋白质后形成。 在不同细胞中切割的方式和位点不同，从而产生不同的荷尔蒙分子，以适应不同的细胞发育的需要。,. 蛋白质的化学修饰： 简单修饰：将一些小化学基团，如乙酰基、甲基和磷酸基加到氨基酸侧链或蛋白质的氨基端或羧基端上。如核小体组蛋白H3的乙酰化，影响基因表达。 复杂修饰：如蛋白质的糖基化(glycosylation)， 将糖分子连接在丝氨酸或苏氨酸的羟基上，形成O- 连糖基化(O-linked glycosylation)；与天门冬氨酸的氨基相连则形成N-连糖基化(N-linked glycosylation)。,. 内含肽切除： 一些前体蛋白质具有内含子(intein)，经切除后连接成成熟蛋白质分子。有的蛋白质内含肽片段具有核酸内切酶活性，用于内含子归巢：,杂合体中，无内含肽的DNA序列，经内含肽的切割跳跃而成为纯合子。,4.蛋白质定位运输调控 蛋白质合成后，定向地到达其执行功能的目标地点 留在胞浆 进入核、线粒体、叶绿体或其它细胞器 运输并固定于膜上，分泌至细胞外，输送至靶器官,5、蛋白质的再定位，在某些条件下，已经定位的蛋白改变原先的定位发挥作用。,SECTION 4 cellular totipotency and animal cloning,An early question in the study of development was whether the genome of an adult cell is the same as that of a zygote zaot. Key studies were done, one in plants, the other in animals.,1. preface,【prefs