第十二章 细胞分化与基因表达调控.doc

第十二章 细胞分化与基因表达调控 教学目的：1 掌握细胞分化的本质及影响因素2 了解基因表达调控的种类及机理教学重点：细胞分化的本质及影响因素教学难点：转录水平的基因调控讲授法引言 上面我们介绍了细胞分裂的有关问题，较为普遍的细胞分裂方式为有丝分裂和减数分裂，在生物的个体发生中，这两种分裂方式交替发生，以保证生物种族的延续。第一节 细胞分化一、细胞分化（ cell differentiation）的概念及特点概念 简单说细胞分化（cell differentiation）是个体发育过程中细胞之间产生稳定差异的过程。所以，细胞分化是指同源细胞通过分裂，发生形态、结构与功能特征稳定差异的过程。二、细胞分化的实质1 细胞分化是基因选择性表达的结果在个体发育过程中基因按照一定程序相继活化的现象，称为基因的差次表达（differential expression）或顺序表达（Sequential expression） 。即在同一时间内不是所有的基因都具活性，而是有的有活性，有的无活性，有些细胞是这部分基因有活性，有些细胞则是另外一些基因有活性。2 组织特异性基因和管家基因一类是维持细胞最基本生命活动的基因，是所有一切细胞都需具备的，由此译制基本生命活动所必需的结构和功能蛋白。这类基因称“House-keeping gene”，译为“管家基因”，它们与细胞分化关系不大。如编码与细胞分裂、能量代谢、细胞基本建成有关的蛋白质的基因属此类。另一类是译制特异蛋白质的基因，与细胞的基本生存无直接关系，但与细胞分化关系密切，被称为“Luxury gene”，译为奢侈基因。3 组合调控引发组织特异性基因的表达三、影响细胞分化的因素弄清了细胞分化的实质，研究者们便把注意力集中到基因选择表达的控制机理方面。除细胞核与细胞质的相互作用对细胞分化的影响外，包括环境在内的诸多因素均对细胞分化有重要的影响。（一）细胞的全能性（二）影响细胞分化的因素1 胞外信号分子2 细胞记忆与决定3 受精卵细胞质的不均一性4 细胞间的相互作用与位置效应5 环境对性别决定的影响6 染色质变化与基因重排7 细胞核对细胞分化的作用8 细胞质对细胞分化的作用四、细胞分化与胚胎发育第二节 癌细胞（cancer cell）是生物体内由正常细胞转变成的不受控制地恶性增殖细胞，细胞一旦发生癌变，其生物学属性则发生一系列变化。可认为是不正常的细胞分化过程。一、主要特征二、致癌因素三、癌基因（Oncogene，onc）与抑癌基因60年代末发现癌基因的存在。本世纪初（1908）发现多种病毒可引起肿瘤的发生，称这些病毒为肿瘤病毒或致癌病毒（Oncogenic virus），有DNA肿瘤病毒和RNA肿瘤病毒，主要的是RNA肿瘤病毒，被称为逆转录病毒（retrovirus）。其中含有病毒癌基因（V-oncogne）RNA肿瘤病毒侵染 寄主细胞 RNA 反转录cDNA（互补DNA）DNA双螺旋整合到寄主染色体一同复制，此时称细胞癌基因（C-oncogene）或原癌基因（protooncogene）指存在于细胞中的与V-oncogene相对应的同源序列。原癌基因（细胞癌基因）存在于正常的细胞中，处于被阻遏状态或许还参与细胞正常活动。但是Proto-oncogene（C-oncogene）致癌因子oncogene（癌基因）导致细胞发生癌变第三节 真核细胞基因表达的调控一、复制水平上对基因表达的调控主要包括：染色体消减和失活，以及基因扩增。意义：基因扩增是一种通过改变基因数量来调节基因表达的方式，以便在短期内产生出某一基因拷贝，以调节基因表达。二、转录水平上对基因表达的调节通过某种机制，在一定时间控制mRNA的转录。如果是这样，那么细胞分化的本质就是不同类型的细胞专门活化某种特定的基因，转录形成特定的mRNA的过程。真核细胞没有象原核细胞那样的操纵子及其紧密连锁的基因，其特点在于既受基因调控的顺式作用元件影响，同时又受反式作用因子的影响，二者的相互作用实现真核转录调控。顺式作用元件（cis-acting elements）。指与特定蛋白质编码区连锁在一起的对转录起调控作用的DNA序列结构，包括启动子、增强子和近来发现的抑制子（沉寂子silencer）。1启动子（promotor） 2增强子（enhancer）反式作用因子（trans-acting factors）指能直接或间接地识别或结合各顺式调控元件核心序列（8-12bp）上，参与调控靶基因转录效率的一组蛋白质。目前已分离纯化或鉴定的有几百之多，主要包括各种基因调控蛋白。其功能都是通过与特异DNA序列相互作用而实现的，因此反式作用因子必须具备两种能力：一是它们必需识别定位在影响特殊靶基因的增强子、启动子和其它调控元件中的特异性靶序列；二是对于一个转录因子或正调控蛋白还要求它们能够通过与RNA聚合酶或其它转录因子结合而行使功能。三、转录后水平调控1、hnRNA的修饰加工a、5末端“戴帽”：即在5末端的鸟嘌呤的N-7位上产生甲基化，变成7-甲基鸟苷（M7G），使5末端成为5-M7G-PPP。生物学意义：可能阻止5末端继续添加核苷酸，不受磷酸酶和核酸酶降解，起稳定mRNA的作用，并利于同核糖体小亚基结合，形成起始复合物。b、3-末端加“尾”：即在3末端加上多个（200-250个）腺苷酸，形成PolyA“尾”。生物学意义：促使3末端与内质网结合，而使3末端稳定，另外可能有延长mRNA寿命的作用。利于从核孔中输出。c、部分核苷酸甲基化：某些腺苷酸的第6位碳被甲基化形成m6A，功能不清。2、mRNA的选择性拼接（修剪拼接）指切去内含子，将外显子连接的过程。5外显子GT内含子AT外显子-3内含子（intron）：真核生物中不连续基因中的居间序列。外显子（exon）：被内含子隔开的基因序列。内含子序列的精确切除是一种高度专一的作用过程，它需要mRNA前体中特异的识别信号，也需要细胞中识别这些信号的特定因子。目前认为核内的小分子RNA（small nucleur RNA，SnRNA）及其蛋白质复合物（SnRNP）可作为信号识别的特定因子。（小核糖核蛋白颗粒）存在于真核细胞核中与RNA加工过程有关的RNA。是由RNA聚合酶III催化合成的。SnRNA长约90220个核苷酸，共分6种，分别编号为U1U6。其中U3位于核仁中，与28srRNA的成熟有关。U1在核液中与mRNA的剪接加工有关。它对hn-RNA中的内含子外显子接点有辨认能力，能把转录本中在内含子、外显子接点切断，并进一步将外显子连接起来。SnRNA非常稳定，不游离有存在，常常同特有蛋白质结合成复合物小核糖核蛋白颗粒（snRNPs）。拼接方式有两种：一是切除内含子后，将外显子规范地拼接成成熟的mRNA，称为组成型拼接。这样一个基因只产生一种成熟的mRNA，也只产生一种蛋白质产物。另一种拼接方式。是可调控的选择性拼接，因而产生不同的成熟mRNA，翻择产生不同的蛋白质。3、mRNA的选择性运输细胞可以在不同情况下选择地将不同的hnRNA加工成mRNA，并把它们运至细胞质，这便是mRNA的选择性加工运输。这种运输是一种通过核孔的主动运输方式，其可能机制大体分为：1依赖于核孔复合体上受体蛋白对RNA分子的特异性识别，缺少识别信号便保留在核内；2不需要识别信号，除被特别保留在核内的RNA外：其余RNA都自动地输出细胞核；3存在选择输出和选择保留的联合机制。四、翻译和翻译后加工水平的调控在这个水平上调控，主要是控制mRNA的稳定性和mRNA翻译起始的调控。所谓在翻译水平上的调节，是说基因转录的各种mRNA并不都能翻译成蛋白质，在不同细胞中有不同的mRNA得到翻译，结果不同细胞具有不同的蛋白质，细胞内才有了差别（分化），是否有这种调节机制呢？人们早就注意到在海胆未受精卵中存在着较稳定（未活化）的mRNA，这种mRNA只有在受精后才能翻译，称为母体mRNA（maternal mRNA）。推测这种mRNA可能在未受精卵中被蛋白质遮盖，或被局限在细胞内某一特定区域而不能被翻译。而在受精后从这类束缚中解放出来，开始翻译成蛋白质。所以认为，在真核细胞对基因表达调节的一条重要途径是产生稳定性的mRNA，处于隐蔽状态，在一定条件下进行翻译。1、mRNA的稳定性通过mRNA稳定性的变化来调控基因表达。原核细胞绝大多数的mRNA不稳定，靠其快速合成和快速降解来调整其基因表达以适应环境之变化。真核细胞的mRNA相对来说稳定的多，影响mRNA的稳定性除mRNA分子3端特殊信号序列外，某些mRNA的稳定性还受细胞外信号的影响。如激素。在3端非翻译区含有一长段含A和U的核苷酸序列，与其不稳定性有关。2、mRNA翻译起始的调控通过控制mRNA翻译的起始，来进行基因表达的调控。“隐蔽mRNA”，在受精前贮存并不起始翻译的mRNA。在受精后被激活，合成蛋白质，满足快速卵裂之需。真核细胞mRNA相当稳定，可生存很长时间，例：海胆卵mRNA直到受精后才转译，种子中的mRNA要到萌发时才转译，为什么出现这种现象，有人提出“蒙面信使”理论：认为mRNA贮藏在由mRNA和核糖体以及一个蛋白质外壳组成的细胞质颗粒中，免遭酶的攻击而可长期保存，当有某种诱导因子时，除掉外壳进行转译。3、翻译后加工水平调控蛋白质合成后通常还需加工、修饰和正确折叠才能成为有功能活性的蛋白质。因此，在此水平上也存在表达的调控问题。由上可知：细胞分