第3章 细胞分化的分子机制

第三章细胞生长细胞代谢细胞增殖细胞分化细胞通讯细胞衰老细胞死亡……细胞类型形成组织器官形成个体发育基因表达调控

细胞的重大生命活动：细胞分化（celldifferentiation）：细胞经分裂形成在形态、结构和功能上不同的稳定的细胞类群的过程；是个体发育的基础和核心。1、细胞分化是生物个体发育的中心问题研究细胞分化的分子机制是是探索发育机制的基础。在多细胞生物体内，每个细胞都有一定的性状-细胞表型（cellphenotypes）。根据细胞表型可将细胞分为3类：1）全能细胞（totipotentcell）2）多潜能细胞（pluripotentcell）3）分化细胞（differentiatedcell）。细胞分化的过程是一个从全能细胞-多能细胞-分化细胞的逐点发展过程。2、细胞分化是基因差异性表达的结果现代分子生物学的证据表明，细胞分化是由于基因差异性表达(differentialexpress)的结果。正是由于不同基因的差异表达，产生特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。差异性基因表达产生的原因主要来自两方面：首先是细胞内环境的差异影响核基因的表达（不等卵裂导致的卵质的不均匀分布）；其次是细胞外环境的影响（位置效应和胚胎诱导）。各种细胞外信号分子，通过诱导和细胞间的通讯，特别是信号传导（signaling）间接影响细胞核基因的表达。细胞分化中基因差异性表达，在动物发育过程中呈现出时空表达特征。基因差异性表达的调控机制主要在以下几个水平完成：

①基因的差异转录；②RNA前体的选择加工；③mRNA的选择翻译；④差异蛋白质的加工。⑤表观遗传修饰。事实上，在胚胎发育过程中，差异基因表达的调控机制十分复杂，涉及到多个水平的调控：包括染色体水平、DNA水平、转录水平、转录后加工、翻译水平、翻译后加工等。但以转录调控为主。图3-1真核生物基因表达调控示意图同一有机体的多种细胞具有完全相同的一套基因结构，即基因组的等同；具有相同基因结构的细胞由于受到内外环境条件和复杂的调控，出现差异基因表达，合成组织专一性产物，呈现细胞形态和功能的分化。第一节

基因组的等同和基因的差异表达一、在发育中核潜能被限定研究方法：核移植实验--豹蛙不同胚胎发育细胞核移植的观察、克隆动物实验。实验结论:随着个体发育的进行，体细胞核指导发育的潜能逐点受到限定，且呈现一定的组织特异性。二、细胞核具有潜在全能性的研究研究方法：核克隆（nuclearcloning）技术。实验结论：已分化的细胞和不同发育时期胚胎细胞的核与合子核一样，含有全套物种基因信息具有分化产生有机体各种细胞的潜能(P25)。体细胞克隆实验1）1995年，kampbellK(坎贝尔）成功进行了绵羊分化细胞克隆实验(胚泡内细胞团作供体），是世界上首例哺乳动物分化细胞细胞核具有发育全能性的报道。2）1997年，克隆羊Dolly成功诞生（以乳腺细胞作供体），1998年4月，多莉通过自然交配产生羊羔－邦莉。3）随后，人们分别在牛、小鼠、山羊、猴和猪等动物体细胞克隆获得成功。这些实验进一步证明了绝大多数动物细胞的核都具有潜在的全能性。Figure3-2Dollyandherfostermother图3-3

图3-4表3-1

细胞核的全能性是指一个细胞核具有该物种完整的遗传信息，在适当条件下能够发育成一个完整个体的能力。具有全能性的细胞包括植物体细胞、动物受精卵和早期胚胎细胞（未决定的细胞）。细胞的全能性与细胞核的全能性是两个不同的概念，植物体细胞具有全能性，而已分化的动物细胞失去全能性，因为在动物胚胎发育过程中，由于内外环境条件的影响，发育命运逐点收到限制，一旦细胞决定发生，发育方向便被确定，随后出现细胞分化，一般情况下不可逆。1、染色体消减

1）马回虫（Ascarimegaloceplala)发育过程中体细胞染色体的减少（丢失80﹪），仅生殖细胞染色体不减少；

2）瘿蝇（Myaetioladestructor)受精卵核分裂中大部分细胞核染色体由40条减少为8条，这些细胞将来发育为体细胞，仅将来发育为生殖细胞的细胞染色体不减少。2、基因重排：淋巴细胞分化过程中免疫球蛋白基因的重排。免疫球蛋白（抗体）的多态性是由其基因重排导致的；三、发育中基因组的改变图3-5VJCVJCVJC图3-6免疫球蛋白IgG基因许多片段发生重排基因重排的结果是原来胚胎细胞基因组中不相连的DNA片段，通过部分切除、重新组合、连接形成抗体基因轻链和重链，使每个B淋巴细胞都具有其独特的基因组。T淋巴细胞受体基因也通过类似的基因重排过程。3、基因扩增：两栖类核糖体RNA基因的基因扩增。rRNA基因以串联的方式重复排列：18S、5.8S、28S三种rRNA基因连在一起，构成一个大的RNA基因转录单位，串联重复5000次。每个转录单位具有一个5'的前导序列、18SrRNA基因编码序列、转录间隔（ITS1）、5.8SrRNA基因、转录间隔（ITS2）28SrRNA基因。Figure3-7TheeukaryoticribosomalDNArepeatingunit发育的核心是细胞分化，本质是基因的时空表达、产生特异性蛋白质的过程。基因表达的时间特异性指有些特异性基因仅在发育的特定时期或某些时期才有活性，其他时期均无活性。研究方法：减法杂交技术、斑点印迹和放射自显影等。基因表达的空间特异性主要指基因表达的组织特异性。研究方法：原位杂交。第二节转录水平的调控一、差异基因表达的研究方法1、卵清蛋白基因的转录卵清蛋白的转录依赖于雌性激素的调节；雌性激素进入细胞与受体结合形成复合物，经构相变化后，该复合物经核孔进入细胞核并结合于染色体的特定区域，激活和促进卵清蛋白基因的转录。卵白蛋白：卵清蛋白、附卵蛋白、卵粘蛋白和溶菌酶。二、发育中基因转录水平的调控2、珠蛋白基因的转录红细胞发育中珠蛋白基因的表达是细胞分化转录控制的最好例证：

人和许多动物的血红蛋白为四聚体，在不同发育时期的组成均不相同。

图3-7珠蛋白基因的表达调控人胚胎血红蛋白由2个ξ-珠蛋白链，2个ε珠蛋白链和4个血红素分子组成。随后，随着胚胎发育的进行，血红蛋白珠蛋白从胎儿的ａ2

γ2

，到成人的ａ2β2

，正常成人的血红蛋白分子中ａ2β2占97﹪，ａ2δ2占2﹪~占3﹪

，ａ2γ2

占1﹪。人的ξ和ａ珠蛋白基因位于第16号染色体上，而ε-、γ-、δ-和β-珠蛋白基因相连，在第11号染色体上依次排列，β珠蛋白基因家族的表达显示了一种调控机制，即指导其从胚胎期-胎儿期-成体型转变的顺序开关。研究发现，其DNA上存在一些位点控制区（LCR），相当于一种超级增强子，进行调控。图3-8珠蛋白基因家族有功能的珠蛋白基因的基本结构：三个外显子被两个内含子隔开。类（16）和类珠蛋白基因家族（11）人在发育过程中的血红蛋白类型图3-93、5SrRNA的基因转录调控整个发育过程中，5SrRNA基因表达调控都在转录水平进行。5SrRNA基因家族有两类基因，即卵母细胞型和体细胞型。非洲爪蟾有20000个卵母细胞型的5SrRNA基因和400个体细胞型的5SrRNA基因。在卵子发生早期，两类5SRNA基因均开始大量转录，并维持到囊胚中期，而从囊胚晚期开始，仅有体细胞型5SRNA基因转录。中心启动子元件：5SrRNA基因由RNA聚合酶III所控制，它具有一个特殊的、位于基因中间的启动子－中心启动子元件。该元件包括A、C两个区，其中A区（50-69）与TFIIIC结合；C区（80-90）与TFIIIA及RNA聚合酶III结合。TFIIIC-TFIIIA相互作用共同促进5SRNA基因的转录。

开关基因是指在发育中决定细胞向不同命运分化的基因。常见的开关基因有lin-12基因、Notch基因和MyoD1基因。

1）线虫的lin-12基因：决定子宫颈细胞（Z1.Ppp产生，ac)

和子宫前体细胞(Z4.Aaa产生，vu）的分化。

2）果蝇的Notch基因：决定果蝇皮肤细胞和神经细胞分化。

3）脊椎动物的MyoD1基因：是肌细胞分化的主要开关基因，具有肌细胞分化表型特异性控制基因的功能，该基因编码一种核DNA结合蛋白，能够与DNA中肌肉特异性基因的临近片段结合并激活这些基因，引起肌细胞分化。4、转录调控的开关基因真核生物的蛋白质编码基因由可转录、具编码能力的外显子和无编码能力、最终在mRNA成熟中被切除的内含子序列、基因表达调控序列（如启动子、增强子等）组成。一个典型的真核生物基因包括核心启动子元件、上游及远上游调控序列、转录起始点、5'非编码区、起始密码、外显子、内含子、终止密码、3'非编码区及加尾信号等（图2-15，16）。三、差异基因转录的调控机制1.真核细胞基因的结构

图3-10图3-11真核生物基因转录起始和表达的调控依赖于两类调控元件的相互作用：一类是顺式作用元件，另一类是反式作用因子。启动子和增强子是基因主要的顺式作用元件，控制着与其相邻的结构基因的表达。反式作用因子由染色体上其他位置的基因编码，包括具有调控作用的蛋白因子和RNA，它们可作用于目标基因的顺式作用元件。启动子一般位于结构基因的转录起始点上游，而增强子位置变化较大，主要位于启动子的上游或者远上游、也可位于第一内含子及基因其他位置（如3'非编码区）。2、启动子和增强子启动子是位于转录起始位点上游特殊的DNA序列。它能与RNA聚合酶II及相关转录因子识别和结合，决定基因转录的起始和强度。根据真核生物基因的类型和RNA聚合酶的种类可分为三类：

1）由RNA聚合酶I识别的核糖体RNA的基因（包括18SRNA和

28SRNA)；

2）由RNA聚合酶II识别的蛋白质编码基因；

3）由RNA聚合酶III识别的tRNA及5SRNA的基因。二类基因启动子一般具有TATA框和CAAT框。其中TATA位于转录起始点上游25-30bp处，主要控制转录的精确起始；CAAT框位于其上游，调控转录起始频率和维持基因转录强度。1）启动子的结构和功能Figure3-12structureandorganizationofaeukaryoticgene2）增强子的结构和功能增强子是一种能够提高转录效率的顺式调控元件，最早是在SV40病毒中发现的长约200bp的一段DNA，可使旁侧的基因转录提高100倍，其后在真核生物、原核生物中都发现。在真核生物基因中，首先发现的是一种控制细胞特异性免疫的基因，即免疫球蛋白基因转录的增强子。这种增强子位于免疫球蛋白重链可变区基因与恒定区基因之间的内含子序列中，对B淋巴细胞免疫球蛋白基因的特异性转录是必须的。增强子的功能是激活启动子、控制启动子特异性转录的效率和速率。而转录过程的调节主要取决于增强子上结合的蛋白质与启动子上装配的转录复合物的相互作用。增强子的作用无位置和方向性。

①增强子可以提高同一条DNA链上基因转录效率，可以远距离作用，通常可距离1－4kb、个别情况下离开所调控的基因基因30kb仍能发挥作用。②增强子作用与其序列的正反方向无关，将增强子方向倒置依然能起作用。③增强子必须与特定蛋白质因结合后才能发挥增强转录的作用，且具有组织或细胞特异性。④增强子要有启动子才能发挥作用，没有启动子存在，增强子不能表现活性。

增强子的作用特点3、反式作用因子及转录因子RNA的转录起始，除启动子、增强子等顺式作用元件外，还必须有与之结合的RNA聚合酶和各种反式作用因子，其中主要的反式作用因子是转录因子（transcriptionfactor）。转录因子能精确、高效地与启动子上的特定顺式作用元件结合，决定基因转录的时间特异性和强度。转录因子一般具有三个结构域：DNA结合域、转录激活域和其他蛋白互作的结构域（图2-18）。第二类基因的转录必须有基础转录因子的存在，已鉴定的基础转录因子有：TFIID、TFIIA、TFIIB、TFIIC、TFIIH、TFIIJ等（图2-19）。

图3-13转录因子的结构域及活化示意图

图3-14转录起始复合物的形成1）常见的转录因子有：TFIID、TFIIB、TFIIA、TFIIE、TFIIF等。2）这些转录因子按一定顺序形成有活性的复合物发挥作用。TFIID－TFIIA－TFIIB－（TFIIE+TFIIF+RNA聚合酶II）。3）其他因子的进一步结合，形成活性复合物，开启基因转录过程。

除了通用转录因子，还有大量与启动子上游调节元件结合的特殊转录因子，它们与RNA聚合酶直接作用或者通过中介蛋白与其间接作用，共同决定基因转录的强度、时空特异性。真核生物转录因子有多种结构模式，如a螺旋-转角-a螺旋、锌指结构、亮氨酸拉链、螺旋-环-螺旋等（图3-15）。动物发育中重要的转录因子有同源异型框蛋白、POU蛋白等：

1）同源异型框蛋白：是由同源异型基因编码，含60个氨基酸组成的同源异型结构域的反式作用因子，其突变可导致同源异型突变，产生同源异型现象。具体作用见后。

2）POU蛋白：该转录因子除含有同源异型结构域，还含有一个POU特殊性结合区，共同构成POU结构域。参与许多激素基因的转录调控（图3-16）。图3-15（1）螺旋-折叠-螺旋结构模式图3-15（2）锌指(zincfinger)结构模式图3-15（3）亮氨酸拉链结构模式图3-15（4）螺旋-环-螺旋结构模式

图3-16图3-174、激素应答成分同一种激素可诱导一种类型的细胞同时产生几种特异蛋白，也可诱导不同类型细胞的多个基因同时发生表达。在发育过程中，基因表达的协同调节，是通过不同的结构基因位置接近或者具有相似的增强子所致。特例：糖皮质激素作为一种类固醇激素，可调节所有类型细胞的蛋白质代谢、减少组织的纤维化。激素受体蛋白具有3个功能结构域：激素结合域、DNA结合域和反式激活域。研究发现，激素对基因转录的调控既有正调控又有负调控，但不同结构域的调控机制又有所不同。5、免疫球蛋白基因的转录调控1）免疫球蛋白基因免疫球蛋白（抗体）的多态性主要起因于基因重排；抗体由两个重链和两个轻链组成；重链和轻链均分可变区（N端）和恒定区（C端），抗体多态性决定于可变区。免疫球蛋白轻链和重链由不同基因片段编码。编码抗体轻链的基因含有三个DNA片段：V片段（300种不同序列片段，编码可变区97个氨基）；J片段（4-5个不同序列片段，编码可变区15-17个氨基）；C片段（编码轻链恒定区）。编码抗体重链的基因含有4个片段：

V片段（200种不同片段，编码可变区氨基端97个氨基酸）；

D片段（10-15种不同片段，编码可变区3-14个氨基酸）；

J片段（四个不同片段，编码可变区最后15-17个氨基酸）；

C片段（编码重链恒定区）；2）免疫球蛋白基因转录的调节在B细胞的分化过程中，免疫球蛋白基因不同片段经过移动、剪接和重排，损失部分DNA片段，产生不同表达基因。免疫球蛋白基因的顺式调节：免疫球蛋白基因转录的顺式调节序列主要是启动子和增强子。图3-18抗体变异的分子基础A.这些顺式作用元件常位于重链和轻链基因的附近，能与一些细胞核内的因子结合，参与免疫球蛋白基因的转录。B.例如每个细胞中有V基因，每个V基因都有自己的启动子，但在一个成熟的浆细胞中仅有一个V基因表达。免疫球蛋白基因表达的反式调节：反式调节因子由免疫球蛋白基因以外的基因编码，并能与顺式调节的DNA序列结合，参与免疫球蛋白基因的表达（B淋巴细胞中存在的正调控）。6、转录因子活性的调控转录因子能调控特定基因的转录，而转录因子本身也是蛋白质，其自身合成同样受到其他转录因子的调控。在发育过程中，通过磷酸化途径也可调控转录因子的活性。图3-19RNA加工有多种形式，例如多个可选择的5'转录起始点，多个内含子的可变剪接、可选择的3'终止信号及RNA碱基的不同修饰等。特例1：B淋巴细胞重链基因lgM和lgD的表达产物mRNA的不同剪接（图3-20）。特例2：原肌球蛋白基因在肝、大脑、骨骼肌、平滑肌及成纤维细胞中的不同表达等（图3-21，22）。特例