细胞生物学教学课件第12章 细胞分化

第十二章细胞分化与真核基因表达调控,在个体发育过程中，后代细胞间在形态、结构和生理功能上发生差异的过程称为细胞分化(celldifferentiation)。,细胞分化的特征与细胞的发育潜能,各种细胞在直观上表现出大小、形状和结构上的差别,1、形态结构与生理状态发生差异,细胞经过分化产生多种多样细胞的过程示意图,一、细胞分化的特征,软骨细胞,成纤维细胞,脂肪细胞,成骨细胞,未分化间充质细胞,内皮细胞,(1)细胞的分裂能力随分化程度的提高而有所下降；(2)细胞对环境因子的反应性也随分化程度的提高而降低（如对电离辐射的敏感性等）。,随着分化程度提高，细胞的生理活动与状态发生变化：,肿瘤细胞,放疗,只分裂不分化的异常细胞,分化程度低的可分裂细胞,（对电离辐射敏感性高）,（对电离辐射敏感性高）,细胞在发生形态差异之前的一定时间，细胞分化命运已经确定。,2、细胞分化方向的限定早于形态差异的出现,细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程细胞决定（celldetermination）。,细胞决定即意味着细胞内部已发生了稳定的变化，基因表达模式已开始发生改变。,脱分化(dedifferentiation)：在某些条件下，分化细胞并不稳定，其基因活动模式能发生可逆的变化，返回到未分化状态的过程。,3、脱分化与转分化,转分化(transdifferentiation)：有的细胞在发生脱分化之后，可再分化成另一种细胞的现象。,细胞具有发育成完整个体的潜能。如受精卵、2-细胞期细胞、8-细胞期细胞(哺乳类),二、细胞发育潜能的变化,具有分化出多种组织的潜能。如成体中的有些多能干细胞。,只能分化出一种细胞的分化潜能。如成体中的有些单能干细胞,发育潜能(developmentalpotential)：细胞分化能力的强弱,1、随分化的逐渐进行动物细胞的发育潜能逐渐降低,小鼠早期胚胎发育过程发育潜能的变化,多能性,全能性,卵裂(cleavage),处于相对未分化状态，一直保持着分裂能力的细胞，它通过分裂不断补充消耗的细胞。如造血干细胞、小肠隐窝干细胞。,高度特化不再分裂的细胞，执行完功能之后即被清除，如成熟RBC、肠绒毛上皮细胞,干细胞：,功能细胞：,据分化程度及增殖潜能，高等动物的体细胞可分为:,2、高度分化的植物体细胞仍具有全能性,部分组织单个细胞单个单倍体孢子,3、动物高度分化细胞的核仍保持全能性,模殖羊（克隆羊）Dolly,细胞分化与差别基因表达,持家基因(house-keepinggenes)：,如核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶的编码基因,如血红蛋白、清蛋白、角蛋白的编码基因等。,奢侈基因(luxurygenes)：,组织专一性基因(tissue-specificgenes),维持细胞生存所必需的，这类基因在各种细胞中都处于活动状态,在特定组织细胞中专一性选择表达,表达基因,差别基因表达(differentialgeneexpression)：各种细胞各有特定的一组基因(奢侈基因)进行表达的现象，又称为组织专一性基因表达(tissue-specificgeneexpression)。本质：“一些基因(组织专一性基因)开启，而其他基因关闭”,真核生物中差别基因表达要在基因表达链的各个环节上受到调节，最后表现为合成组织专一性蛋白质。,细胞分化是基因选择性表达的结果,分子杂交技术检测基因及其表达,第二节真核细胞基因表达的调控,遗传信息传递的中心法则(centraldogma)：,Crick,1958,复制,反转录酶(reversetranscriptase):D.Baltimore&H.M.Temin,1970,现代中心法则内容图解,(一)染色质结构与基因表达调控,(二)真核基因转录水平的调节,(五)蛋白质合成的翻译后水平的调节,(三)蛋白质合成的转录后水平的调节,(四)蛋白质合成的翻译水平的调节,(一)染色质结构与基因表达调控,疏松染色质结构的形成染色质的区间性染色质模板的转录,1、组蛋白和非组蛋白对转录的调节,在真核细胞中，带负电荷的DNA分子和常正电荷的组蛋白紧密结合而呈封闭状态。,DNA分子中有的基因虽具有转录为mRNA的潜能，但因被组蛋白封闭而不能进行转录。组蛋白的结合与分离以及修饰（如乙酰基化、甲基化、磷酸化等）能调节mRNA的转录。,如RNA聚合酶DNA聚合酶Poly(A)聚合酶DNA内切酶DNA外切酶组蛋白乙酰转移酶组蛋白甲基化酶组蛋白激酶组蛋白水解酶非组蛋白激酶等,非组蛋白种类繁多，有多种是参与核酸代谢和修饰的酶：,非组蛋白带有负电荷，能通过静电作用，吸引封闭DNA的组蛋白，使二者分离，DNA得以转录。,合成血红蛋白mRNA,不合成血红蛋白mRNA,非组蛋白具有物种特异性的证明实验,非组蛋白有物种和组织特异性，能与DNA特异结合，对DNA有专一调控作用！,(1)非组蛋白能特异性地同被组蛋白所阻遏的DNA特定区域相结合；,非组蛋白对转录的调节可能分两步进行：,(2)非组蛋白发生磷酸化而带负电荷，便开始排斥带负电荷的DNA，而与带正电荷的组蛋白结合成复合物。结果解除了组蛋白在特定区段对DNA的抑制，使该区基因转录。,如，组蛋白的乙酰化可促进基因的转录,在启动子区剩下的核小体也被乙酰基化，RNA聚合酶与启动子结合，转录开始。,2、基因转录与核小体结构,真核基因转录起始时核小体移位模型基因激活蛋白使核小体从启动子移开，暴露出启动子，从而可让通用转录因子在启动子上装配,1.核小体相位的影响当调控蛋白与染色质DNA的特定位点结合时，染色质易被引发二级结构的改变；进而引起其它的一些结合位点与调控蛋白的结合。,基因的关键调控元件被留在核心颗粒外面，从而有利于结合转录因子,位于DNA上调控元件被盘绕在核心组蛋白上，因为组蛋白，使DNA上的关键调控元件靠得很近，它们可以通过转录因子而联系。,核小体通常定位在DNA特殊位点而利于转录,染色质的区间性,基因座控制区（locuscontrolregion,LCR）染色体DNA上一种顺式作用元件，具有稳定染色质疏松结构的功能；与多种反式因子的结合序列可保证DNA复制时与启动子结合的因子仍保持在原位。隔离子（insulator）防止处于阻遏状态与活化状态的染色质结构域之间的结构特点向两侧扩展的染色质DNA序列，称为隔离子。作用：作为异染色质定向形成的起始位点；提供拓扑隔离区,染色质模板的转录,转录的“核小体犁”（nucleosomeplow）假说,第一步：RNA聚合酶使核小体不稳定，撤掉2个（H2A-H2B）,形成H3-H4四聚体复合物,第二步：组蛋白核心的另一半（H3-H4四聚体）被移开并转到聚合酶后面自由DNA上；,第三步：2个H2A-H2B二聚体重新结合到DNA上，又形成一个完整的核小体核心结构。,(二)真核基因转录水平的调节,1、真核生物基因受到邻近启动子和远方增强子的调控,真核基因的转录起始过程复杂,TATA框(TATAbox或Hognessbox)：保证转录准确地在起始点开始,其它与转录起始有关的DNA调节序列(如CAAT框、GC序列等)：主要控制转录起始的频率,增强子(enhancer)：通过启动子来增强转录效率的一种远端调控元件,沉默子(silencer)：作用与增强子相反，抑制基因表达,顺式调控元件,DNA上的基因调节序列,2、真核生物基因转录的启动需要转录因子的参与,DNA专一序列结合蛋白(sequence-specificDNA-bindingprotein),通用转录因子(generaltranscriptionfactor,TF),在基因开始转录前它们结合到启动子上，与RNA聚合酶组装成转录起始复合物，起始转录,一些能和特定的DNA调节序列相结合的基因调节蛋白(generegulatoryprotein)，在基因转录起始和调节等方面有着重要的作用,特定的转录因子(specialtranscriptionfactor),转录因子(generaltranscriptionfactor,TF)：,(1)转录起始复合物的组装与转录起始,转录起始复合物(transcriptionalinitiationcomplex)：,转录因子,转录相关因子(TBPassociatedfactors),RNA聚合酶,真核生物RNA聚合酶II转录起始复合物的组装过程示意图,TFIID结合TATA框：引起此序列弯曲，造成局部构象变化，吸引RNA聚合酶II和其它转录因子在启动子上参与组装,TFIIA的加入，可防止某些抑制物的掺入，有助于TFIID同TATA框结合的稳定，使组装过程得以继续进行,TFIIH是一个多亚基的蛋白质复合物，由多条肽链构成，其中有的亚基具有解旋酶活性(利用ATP使模板DNA解螺旋)；TFIIH的另一个亚基有激酶活性(在ATP存在下，使聚合酶大亚基的CDT中的丝氨酸或苏氨酸磷酸化，以便聚合酶脱离起始复合物而起始转录),转录起始复合物,(2)基因调节蛋白同增强子结合远距离地调控转录,通用转录因子和聚合酶还需要激活蛋白的协助，才能有效地启动转录。其中，结合到增强子上的激活蛋白可明显地增强转录速率。,真核生物中基因激活蛋白远距离调控模式因启动子与增强子相距远(上万个bp)，因此启动子与增强子之间的DNA链要发生折曲，以使结合在增强子上的调节蛋白与转录起始复合物相互接触而发挥作用,3、调控蛋白质与DNA的相互作用对基因转录调控,(1)调控因子与DNA的相互作用,直接或间接结合到DNA的基因调节序列上、参与转录调控的基因调节蛋白基因表达调控的反式作用因子(trans-actingfactor),通用转录因子基因调控蛋白,顺式调控元件,DNA的基因调节序列,启动子其他（CAAT框等）增强子沉默子,大多数调节蛋白能直接作用于DNA，插到识别区域的DNA双螺旋的大沟中，与其中的碱基对产生一系列的分子接触点，并在蛋白质与碱基对的接触边缘形成氢键、离子键或发生疏水性相互作用。,DNA形成帽状弯曲,它们的基本结构中具有不同功能的功能域(domain)：由几十到几百个氨基酸构成,(2)转录调控因子的结构特征,DNA结合功能域,螺旋-转角-螺旋结构域(helix-turn-helixmotif)锌指结构(zincfingermotif)亮氨酸拉链型结构域(Leucinezippermotif)螺旋-袢环-螺旋结构域(helix-loop-helixmotif),这种形式的DNA结合结构域有两个螺旋，其间有转角,螺旋-转角-螺旋结构域(helix-turn-helixmotif),识别螺旋的氨基酸残基直接同靶DNA大沟的特定碱基结合；另一螺旋的氨基酸和DNA中的磷酸戊糖骨架接触。具有这种结构域的蛋白质与DNA结合时，常以二聚体形式发挥作用,锌指结构(zincfingermotif),通过螺旋结合到DNA大沟中，锌指环上突出的赖氨酸、精氨酸参与同DNA的结合,亮氨酸拉链型结构域(Leucinezippermotif),肽链羧基端约35个氨基酸残基可形成螺旋，且其中每相隔6-7个氨基酸就含有1个亮氨酸，因此，当蛋白质形成螺旋时亮氨酸可排成一行，出现于螺旋的同一方向,这类蛋白质常以二聚体形式同DNA上靶位点结合，两个分子相应的螺旋之间，靠亮氨酸残基的疏水作用力，形成形似拉链的结构,螺旋-袢环-螺旋结构域(helix-loop-helixmotif),HLH与DNA的这种结合方式与亮氨酸拉链相似,激活基因转录的结构域,a.具有含很多负电荷的螺旋结构(-helix)b.富含谷氨酰胺(Gln)c.有些反式作用因子的功能结构域富含脯氨酸残基(Pro),一般由20100个氨基酸残基组成。有时一个反式作用因子可含有多个转录激活区(如酵母GAL4:2个),不同的转录激活区具有共同的结构特点：,可识别DNA专一调节序列，同基因调控区结合,可同转录装置接触，促进转录起始,如酵母GAL4因子：,激活功能域(activationdomain)：DNA结合功能域(DNA-bindingdomain)：,酵母GAL4因子的结构图解,GAL4基因激活蛋白的作用图解,GAL4作为一种基因激活蛋白，它可同启动子附近部位结合，促进TFIID结合到刚形成的通用转录因子复合物上。基因激活蛋白的结合可使基因的转录效率提高1000倍!,(三)蛋白质合成的转录后水平的调节,RNA转录后还需要在不同情况下进一步加工、剪接和修饰：,RNA剪接5末端戴上7-甲基鸟苷酸帽(m7G)3末端多腺苷酸化等,真核生物mRNA的合成与加工过程图解,染色体片断,染色体,前体mRNA,DNA,成熟mRNA,选择性拼接是一种广泛存在的RNA加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个相关的蛋白质,交替性剪接(alternativesplicing),组成性剪接(constitutivesplicing),前体mRNA含有多个内含子，并依次准确地逐一切除,一个前体mRNA因不同剪接方式可产生多种成熟mRNA的剪接方式,原肌球蛋白前体mRNA的交替剪接,真核生物中也存在着明显的翻译水平上的调节。在这一水平的调控中，最为重要的几个方面是：,mRNA自身的稳定性蛋白质合成起始速率的调节mRNA的结构等,(四)蛋白质合成的翻译水平的调节,在真核生物中，母体mRNA常同蛋白质结合以核糖核蛋白颗粒(ribonucleoproteinparticle)的形式隐蔽下来。受精后才有步骤地“显露”出来，并利用卵母细胞中已装配的核糖体进行蛋白质合成，供早期胚胎发育之用。,(1)mRNA的稳定性,隐蔽mRNA(maskedmRNA)：,mRNA屏蔽状态的解除与否、mRNA的寿命长短都直接影响mRNA作为合成蛋白质模板的功能。,启动一个动物受精卵形成胚胎所需要的信息预存在卵子发生期的卵母细胞里,微管和微丝对细胞中特定部位的mRNA的聚集有一定关系,有的mRNA的稳定性受激素的控制。乳汁中的酪蛋白是在乳腺中合成的，酪蛋白mRNA转录物的寿命在有催乳激素时比没有催乳激素时长得多。,调节编码铁蛋白（ferritin）的mRNA翻译速率的机制,5端的“帽子”结构3端的多(A)尾5端非编码序列3端非编码序列其它非编码序列,(2)mRNA非翻译区的结构与翻译调控,真核mRNA分子的非翻译区(untranslatedregion,UTR),在mRNA的翻译过程中也有调控作用,mRNA的翻译活性要依赖于m7G状态的形成；“m7Gcap”的结构有利于mRNA由细胞核转运到细胞质并增加mRNA的稳定性；对于3多（A）尾在翻译中的有效调节具有协同作用；mRNA5端由“m7Gcap”到起始密码之间的非编码先导序列在结构特点上也与翻译起始的识别机制有关（一个有功能的起始密码AUG，总是出现在一定的核苷酸序列框架之内）。,5m7Gcap：,AUG上游的第三个核苷酸常是嘌呤且多数为A；紧跟在AUG后面的核苷酸也应是嘌呤，多数情况不是G。处于这样序列中的AUG利用率最高！,3非翻译区(3untranslatedregion,UTR)：,在3端存在着一段含A、U核苷酸丰富的长序列，在翻译过程中不参加蛋白质的翻译(UTR)，包括终止密码、多(A)尾以及两者之间的非编码序列，在翻译过程中有促进自身mR