细胞分化与基因表达调控

第十二章细胞分化与基因体现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）由受精卵开始在胚胎发育中演变出多个类型的组织细胞，细胞之间的形态，构造和功效都发生了稳定的差别变化，这种差别形成过程被称为细胞分化。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。·例1：原肠胚期三个胚层的发育趋势。·例2：红骨髓中的多能造血干细胞分化。2.细胞分化特点：①细胞分化是稳定单向演变的，普通来说是不会逆转的；②分化的方向和程序都是预见拟定的，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。③细胞生理状态常随分化程度而变化：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：多能干细胞→单能干细胞→终末分化细胞。全能性(totipotenuy)→多能性(pluripotercy)→单能性(rwonopoency)。动物个体发育中随着细胞分化程度进一步使其发育潜能逐步变窄，变专一性。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：weismann根据马蛔虫及小麦，瘿蚊胚胎中发现chr消减现象(chromosomediminutin)，提出“体细胞分化是由于遗传特质丢失造成的，每一种组织只保存了其专有遗传物质”的学术观点。20世纪60-70年代，植物组织体外培养能发育成完整植株，证明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：clone：无性繁殖系 cloning无性繁殖（纯系）方式三、胞核移植证明了animal特化细胞的细胞核，仍保持全能性：动物成体上高度分化细胞整体已不含有全能性，但其细胞核仍保持有该物种遗传特性必须的全套基因组，即细胞核仍含有全能性的遗传基础。2个有关的认识论难点：①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进一步而越变越窄呢？②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体现为丧失了全能性呢？四、细胞分化与基因时空体现：1.差别基因体现和基因时空体现：同一种体中不同组织(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体现。·管家基因（housekeeping基因）；·奢侈基因（huxury基因）—组织特异性基因。普通构造基因都是受着严格的时空体现调控，从而造成基因组完毕相似的不同组织细胞的显形（phenotype）上发生差别变化，引发细胞分化，这被称为差别基因体现（differentialgeneexpress）。e.g.:成人血红蛋白是22，胚胎是22，胎儿是2r2。这种基因时空体现调控的实质，是由有限的少量调控蛋白以组合调控方式来次序启动众多特异细胞的分化，即核心调控蛋白先启动部分特异基因的体现（express），诱导部分细胞分化，而被启动的基因体现产物又成为其它基因的调控启动因子，从而诱导更多的细胞走向分化，最后由这种级联方式启动分化构成有序的三维细胞群体，造成了器官（organ）形成，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。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。

2.细胞分化程度与基因时空体现的关系：高度分化细胞：尽管其细胞核中仍含有完整的基因，但根据基因时空体现的程序表，它还能发生差别基因体现的可能性已极少了。因此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因素:细胞全能性——细胞核全能性+细胞质全能发育base众多实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，只有细胞核移植到含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即卵裂细胞的不同分化命运。·决定子 ·性细胞决定子生殖质、极质3.细胞分化决定子的分子性质：细胞分化决定子实质是来源于母体的遗传调控。信息是贮存在成熟卵母细胞细胞质中的多个类型的隐蔽mRNA（maskedmRNA）（大量存在多copy）。4.隐蔽mRNA的特点：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）受精引发胞内的Na+浓度变化，诱导隐蔽mRNA激活；多个类型的maskedmRNA在卵细胞质中是不均一分布的定位贮存，因此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）对其它细胞产生级联效应，信息被不停修饰成为精细复杂的分化指令，最后指导产生分化各异的细胞type。六、细胞之间互相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。eg1蛙的幼体发育变态（甲状腺素）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：新生婴儿体现的多个type的先天畸形，其病因约只有10%左右是因遗传因素，而其它的则是因环境因素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。致畸的核心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：去分化（dedifferentiation），再分化（redifferentiation）。2.再生现象的启示：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.初次证明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.初次成功证明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。·以冷饥饿休克解决法，使供核细胞进入Go期状态，实现去分化。·以电脉冲融正当，激活移植卵启动，实现再分化。3.证明了动物clone并不是100%的复制，clone≠copy：“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畴尚待进一步考察：“多莉”单clone的未老先衰的现象，证明了端粒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、癌细胞的重要特性：1.无限增殖；2.丧失接触克制性能；3.癌细胞之间粘着性削弱，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，粘壁性能减少（可悬浮培养）；6.细胞骨架构造紊乱，mRNA转录谱系和蛋白体现谱系变化（癌细胞外形，出现变形）；7.膜抗原发生变化（规避免疫监视）；8.对外源性生长因子需求量减少，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：现有DNAvirus，又有RNAvirus，但并非全部病毒致癌。·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&抑癌基因：1.癌基因：现已知人类基因组中有近百种细胞癌基因，or称原癌基因，这些基因其实在正常细胞之中并不起致癌作用，而是与细胞生长&分化有关的重要功效基因，但如果有致癌因子诱导，造成这些原癌基因被激活，即引发癌基因突变，or在基因前插入强启动子，or是引发了原癌基因的扩增，或是引发了原癌基因的染色体区段发生了重排，都可能造成这些原癌基因的产物发生异常体现，从而造成了细胞癌变。2.抑癌基因与基因突变Ras：现还已知人类基因组中有另一类型的基因，这类基因含有克制细胞癌变特化的作用，被称为抑癌基因，这类基因也是细胞中正常的重要基因，但若出现这类基因的2个等位基因都丢失和失活时也能够发生细胞癌变。抑癌基因是细胞增殖过程中正常负调控因子，其编码的蛋白质在细胞周期的检查上起制止周期进程的作用，如果抑癌基因缺失or失活时则造成细胞周期失控，过分增殖而发生细胞癌变。第三节基因体现的调控基因：是染色体上含有遗传效应的一段DNA序列，为一种转录单位，并通过体现对表型产生专一性效应。基因体现：DNA编码的遗传信息通过转录和翻译转化为特定蛋白质分子的构造信息，从而体现出细胞和生物体的某种遗传性状。基因体现的控制：任何影响转录和翻译过程的启动，关闭和速率的因素及其作用称作基因体现的控制。一、转录前水平的调控：通过变化DNA序列和染色质的构造来影响基因体现的过程。（一）染色质丢失：某些原生动物，线虫和甲壳类动物在个体发育过程中，体细胞会发生染色质丢失现象，只有后来分化形成生殖细胞的部分细胞才保持完整的基因组。

例：四膜虫含一种大核（营养核）和一种小核（生殖核），小核为生殖核，无转录活性，大核由小核发育而来，在发育的过程中发生多处染色质断裂，并删除大概10%基因组DNA，剩余的基因才成为体现型基因，体现出转录的活性。高等真核生物（动、植）无基因丢失现象，各类核都含有通过去分化和再分化而发育成完整个体的潜在能力，即含全部基因，称核的全能性。（二）基因扩增：指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量增加的现象。例如：两栖类和昆虫的卵母细胞，需要1012个核糖体大量合成蛋白，需要专一性的扩增rRNA基因（rDNA）非洲爪蟾体细胞rDNA有500拷贝，在卵母细胞期拷贝扩增为2百万个，以满足胚胎发育的需要。(三)基因重排：脯乳动物可产生106—108种不同的抗体，由B-淋巴细胞分化期间发生基因组重建，产生抗体的多样性。抗体由两条轻链（L）重链（H）构成：Kλ轻链基因片段有四类：L：前导片段V：可变片段2005J：连接片段C：恒定片段重链基因片段有五类：L：前导片段V：可变片段200D：多样性片段12J：连接片段5C：恒定片段8抗体的基因组有三个独立的多基因族：两个编码轻链，一种编码重链。淋巴细胞受抗原刺激分化为浆细胞时，胚原型DNA发生基因重排体现型DNA：重链基因族先重排：一种D片段与一种Jh片段连接，Vh片段与DJh片段连接VhDJh。当Vh基因经重排连接到恒定区增强子附近即可开始体现。

K轻链需通过Vk、Jk连接，形成可变区，再与Ck片段构成有转录活性的完整K轻链基因。如果K轻链重排失败，则λ链基因开始重排，而在产生λ链的细胞中，两个K位点均已重排过。普通每个B-细胞只体现重链或轻链的一种等位基因产物，称等位基因排斥作用。基因重排是基因差别体现的一种控制方式，通过上述的拼接机制而实现。如小鼠：重链基因重排数：Vh数200*D数12*Jh数5*V-D接点机动性10*D-J接点机动性10=120万种。轻链基因重排数：Vk数200*Jk数5*V-J接点机动性10=1万种。重链、轻链再任意组合能产生108以上种不同的抗体。（四）染色体构造与基因活性：染色体的构造与基因的转录活性有亲密的关系：1.

基因失活：活跃转录的基因全部位于常染色质中，处在异染色体中的基因则不体现。①异染色化：雌性脯乳动物有两条χ染色体，其中一条发生异染色化而凝聚，所含基因以可遗传方式失活，在进行配子发生时，又回复为常染色质状态。②位置效应（扩散效应）：果蝇、小鼠、玉米等生物中，常染色质基因由于染色体重排变化位置而处在异染色质区附近时，基因的转录活化也受到克制。染色体上的异染色质化过程有扩增效应，愈靠近异染色质区的基因的位置效应愈强。2.染色质活化：在活化的过程中，核小体可能被解开，或无核小体构造（如活跃转录的rRNA基因）。从而使RNA聚合酶能够转录染色质的DNA。用DNaseI降解，有基因体现活性的染色质DNA比没有基因体现活性的染色质DNA要敏感诸多，阐明活化染色质对DNaseI有优先敏感性。

DNaseI超敏感位点是100-200bp的DNA序列特异暴露的染色质的区域，是起始转录的必要条件。调节蛋白可识别并修饰染色质的局部区域，触发解聚，使染色质变为疏松的“活化”形式，区段含数万bp的DNA。已暴露的活性染色质区域由调节蛋白与基因转录的次序作用元件互相作用，进一步影响基因活性。（五）染色体DNA甲基化和去甲基化与基因活性：动物DNA中，2-7%的胞嘧啶C被甲基化修饰,异染色体DNA（卫星DNA）明显。有两种酶参加修饰：

①维持性甲基化酶：在甲基化DNA模板指导下，使对应部分甲基化。②构建性甲基化酶：对非甲基化的DNA行甲基化修饰。

甲基化重要发生在CG二核苷酸对：5’……mCpG……3’5’……mCpG……3’3’…..GpCm……..5’3’……GpC………5’完全甲基化半甲基化限制性内切酶：MspⅠ切割CCGG，不管与否甲基化;HpaⅡ只切割未甲基化的CCGG。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在基因活化后普通随着失去许多甲基基团。DNA甲基化对基因体现可能有两种作用：（1）

甲基化影响DNA与蛋白酶的互相识别与作用;（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：转录水平上的基因调控是真核细胞基因调控的重要环节。原核生物有操纵子及其紧密连锁的基因。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互相作用。

（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：

启动子和增强子，与蛋白编码区连锁，被RNA聚合酶识别、结合。原核只由一种RNA聚合酶催化;真核由三种RNA聚合酶催化：RNA聚合酶Ⅰ：rＲＮＡ（２８s,5.8s,18s）前体核仁中合成RNA聚合酶Ⅱ：mRNA核基质中合成RNA聚合酶Ⅲ：小RNA(tRNAs，5sRNA，snRNAs)核基质中合成

1.启动子:通过RNA聚合酶Ⅱ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－２５附近，富含AT的共有序列（TATAATAAT）。确保转录精确起始。（2）上游启动子成分（UPE）：上游－７５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。2.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ＤＮＡ构象而实现。位于上游的200bp处涉及两个72bp的串联重复序列，其作用有三个明显的特性：（1）具远程效应，同一条ＤＮＡ上，在启动子上、下游都可；（2）需要特定的蛋白因子参加；（3）大多数增强子含有组织特异性，少数能在多个类型的细胞中发挥作用。（二）基因调控的反式作用因子：是多个基因控制蛋白，作用于顺式作用元件的靶位点上（特异核甘酸序列）：①.通用转录因子：结合在TATA框上，如TFⅡA、TFⅡB等蛋白因子。②.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。1.

反式作用因子必备的两种能力：（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。（2）要能够与RNA聚合酶或其它转录因子结合而行使功效。2.反式作用蛋白质因子的特点:（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。（2）这些基因调控蛋白含有不同的功效区域:①DNA结合构造域;②转录激活构造域。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）特定基因对多个脂溶性激素作出应答反映:①这些受体蛋白含有一种中心DNA结合构造域，约由100个氨基酸构成，形成一系列锌指构造，负责识别特异DNA序列;②转录激活构造域定位在N-末端;③这些固醇类激素受体都含有一种特定的激素结合构造域，位于C-末端。（a）反式作用蛋白质的DNA结合构造域含有某些典型的构造模式：α-螺旋-转角-α-螺旋；锌指；亮氨酸拉链；螺旋-环-螺旋；甾化合物和酸滴等构造模式。由100以内个氨基酸构成。（b）基因控制蛋白的转录激活构造域普通由20-100个氨基酸构成，含有许多带负电荷的α-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。例：糖皮质激素受体的三个构造域：①结合DNA构造域；②结合激素构造域；③激活转录构造域。甾类激素进入细胞与受体结合→受体构象变化并被激活→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映元件(GRE)的特异共有序列（GGTACANNNTGTTCT）结合，激活启动子而调节基因转录。（3）.有些反式作用蛋白质因子经物理或化学因素诱导后才含有活性：如热诱导、磷酸化、与配基结合。如果蝇的热激活转录因子（HSTF）经热诱导后才干与特异DNA序列结合而增进转录。

（4）在基因转录的控制中涉及诸多蛋白质与DNA、蛋白质之间复杂的互相作用，激活和阻遏效应的综合影响形成一种基因控制元件的净效应。环化学说：DNA不同位点上结合的蛋白因子通过DNA形成环化构造而发生互相作用，蛋白起作用以调节基因的转录活性。（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。一种顺式作用元件又可作为多个反式作用蛋白因子的作用靶位点，使基因转录的调节含有灵活性。三、转录后水平的调控：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：真核生物细胞内编码蛋白质的基因是以单个基由于转录单位，且许多编码蛋白质的构造基因是不持续的基因，有居间序列。DNAhnRNA（核内高分子量不均一RNA）修饰加工、选择性拼接有功效的成熟mRNA选择性运输到细胞质中翻译成蛋白质。hnRNA的修饰加工：①5’端帽子的形成②3’端附加多聚A尾巴hnRNA和mRNA都有5’端7-甲基鸟嘌呤核苷（m7GpppN）的帽子构造。因甲基化程度不同，帽子在同种，不同种生物的mRNA中都能够不同。加帽过程在转录终止前以完毕。功效：①增加mRNA的稳定，保护其免被5’外切核酸酶的攻击。②帽子构造为核糖体对mRNA的识别提供信号。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聚合酶完毕多聚腺苷化。PolyA的长度在细胞核内是相称一致的，为200~250个核苷酸。但mRNA达成细胞质中polyA的长度就不再一致了，变化于30~250之间。可能与mRNA从核孔输出有关。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：①不持续基因中的居间序列称“内含子”;②被内含子隔开的基因序列称“外显子”。都被转录至hnRNA中，

RNA拼接：切除内含子，把外显子连接起来，产生成熟的mRNA分子:（5’）外显子↓GT…内含子…AT↓外显子（3’）供体拼接点受体拼接点这是核构造基因普遍存在的序列。内含子精确切除需要:①mRNA前体中的特异的识别信号;②特定因子识别这些信号。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：①构成型拼接：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。②可调控的选择性拼接：外显子有多个拼接方式，可产生不同的成熟mRNA→不同的蛋白质。细胞类型特异性蛋白质的合成是真核细胞分化的重要特性之一，产生蛋白质多样性的分子机制：①多基因家族中各组员在特定细胞中，在一定的生理条件下：“选择性体现”。(如抗体)②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。此办法产生一套构造有关，功效相似的蛋白质，称“蛋白质异形体”。

（三）mRNA的选择性运输：运至细胞质的成熟mRNA只占核内hnRNA总量的1/20，某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，这些阐明细胞在不同状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：海胆囊胚细胞中大概有20，000种不同序列的hnRNA：其中有13，000种被加工成mRNA。海胆成体肠细胞中有25，000种hnRNA，只有3，000种加工成mRNA。四、翻译和翻译后加工水平的调控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体现的方式。（一）mRNA的稳定性：mRNA稳定性的变化能够控制基因体现：细菌不稳定，mRNA半寿期约3分钟。真核细胞：①β-珠蛋白的mRNA半寿期约10h以上。②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：①3’端特殊信号序列②细胞外信号的影响。如激素激素作用：①增进特定基因的转录；