第三讲 转录及转录前调控

分子生物学证据


附图1：胚胎学证据：已分化的细胞仍具有发育成为其它细胞的潜力
蝾螈（早期背唇） 海胆（早期细胞全能性）
附图2：转决定
生殖器
移植成虫盘（果蝇器官原基，命运已决定细胞）实验
-- 眼成虫盘移植到另一个幼虫的腹部，后者腹部长出一只眼睛。已决定的 细胞，发育命运稳定； --触角成虫盘多次移植后，部分触角成虫盘细胞分化形成成体果蝇的腿、 翅、嘴。

细胞分化的过程：全能性细胞→多潜能性细胞→分化细胞 细胞分化是基因选择性表达的结果：分化细胞一般仅有5 ％-10％的基因表达，除了合成细胞生长、代谢必需的产 物之外，主要是特异性产物的合成。
细胞分化实质：组织特异性基因在时间与空 间上的差异表达


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管家基因（house-keeping genes）：细胞中均表 达的基因，其产物对维持细胞基本生命活动所必 需 奢侈基因（luxury genes），组织特异基因 （tissue-specific genes）：不同细胞类型进行特异 性表达的基因，其产物赋予各种细胞特异形态结 构与特异生理功能 调节基因（regulatory genes）：产物调节组织特 异性基因表达，或激活、或抑制作用
第3讲 细胞分化的分 子机制：转录及转录 前调控
概述

个体发育的中心问题是细胞分化，研究细 胞分化的分子机制是探索发育机制的基础。 细胞分化（cell differentiation）：是指多 细胞有机体的细胞从简单、原始的状态到 复杂和异样化的方向发展的过程，是通过 细胞分裂产生结构和功能有稳定差异的过 程。
3. 基因重排

免疫球蛋白的基因重组 淋巴母细胞在为抗体制备 作准备时，组合多个独立 的遗传程序（体细胞重 组），其间，它总是试图 将抗体轻链或重链的DNA 序列随机编排成受体或抗 体的可变区，以增加识别 和结合未知外来抗原的机 会
B淋巴细胞： C区编码恒定区 V，D，J编码可变区
第二节
染色质水平基因活性的调控
时间特异性：只在发育的某个特定时期或者某些 时期表达的基因 分析方法：消减克隆技术、构建时期特异的 cDNA文库等
HoxC5基因在小鼠胚胎中的时空表达模式

空间特异性：基因表达的组织细胞特异性 分析方法：原位杂交（in situ hybridization）
文昌鱼晚期神经 胚的横切面，示 AmphiMDF基因 在肌节区的表达。


真核生物的DNA集中存在于细胞核内，DNA分子中携带 着两种遗传信息：一种是负责编码蛋白质氨基酸组成的结 构基因，另一种也是DNA序列，编码调控基因。 基因表达：

①结构基因转录和翻译后由其翻译产物蛋白质参与和调控生活细 胞的一切生命活动； ②确定蛋白质的结构和蛋白质合成时间、空间次序性的信息由特 定的调控基因编码。

一整套单倍体父源性染色体经异染色质化 而失去转录活性
二、选择性基因转录的染色质变化 （一）染色体疏松区

对于染色体疏松区和灯刷染色体的 研究有助于说明特殊基因转录前的 调控和选择性基因转录。 染色体疏松区：指染色体上DNA解 聚的特殊区域，是基因转录活跃区。 研究发现果蝇和双翅目昆虫的多线 染色体是否有疏松区和疏松区的位 置，在不同组织细胞和同种细胞不 同发育时期均存在很大差异，具有 组织和发育时期的特异性。 表明染色体上基因转录是按一定的 时间和空间顺序进行的。
已决定但尚未终末分化的细胞，突然改变了它的发育程序的事件——转决定
附图3：转化（metaplasia）：已分化的细胞转分化为其它类型细胞的现象
e.g., 鸡视网膜表皮色素细胞在含透明质酸酶、血清、苯硫脲的条件下培养后转 变为晶体状细胞。
二、核潜能的限定 1.在发育中核潜能被限定

大量的证据表明，随着细胞的分化，核的潜能逐 渐被限定。

概述

细胞表型（cell phenotype）：是细胞特定基因型在一定的 环境条件的表现，是细胞的特定性状。 根据细胞表型分类：


全能细胞（totipotent cell）：能够产生有机体的全部细胞表型， 或者说可以产生一个完整的有机体，它的全套基因信息都可以表 达。如合子、海胆和有些动物的早期分裂球等。 多潜能细胞（pluripotent cell）：表现出发育潜能的一定局限性， 仅能分化成为特定范围内的细胞。 分化细胞（differentiated cell）：由多潜能细胞通过一系列分裂和 分化发育成的特殊细胞表型。合成特异性蛋白或具有特殊功能性 的细胞器；有丝分裂的频率明显降低，有的甚至完全停止。
差异性基因表达产生的原因

细胞内环境的差异影响核基因的表达。

在早期胚胎发育的卵裂阶段，由于卵质的不均匀分布，卵裂的结 果所产生的分裂球(细胞)存在不同的细胞内环境，引起胚胎细胞核 基因的差异表达。 在胚胎发育早期不同的胚胎细胞位于不同的区域，受到不同的外 界环境的影响，接受不同的位置信息。 特别是邻近细胞的相互关系，如胚胎诱导对于胚胎细胞分化具有 重要意义。 各种细胞外信号分子 (细胞因子、激素等信号分子)，通过细胞间 的通讯，特别是信号传导间接影响细胞核基因的表达。

DNA与蛋白质结合，构成以核小体为基本单位的染色质 结构。
一、染色质 chromatin

染色质可根据在细胞分裂间期折叠压缩的状况分 成异染色质和常染色质。染色质结构发生变化是 基因转录的前提。
异染色质
常染色质
常染色质和异染色质化（DNA高度螺旋化）

异染色质 结构型：异染色质DNA序列的折叠压缩状况始终不发 生改变，也不进行转录，但是对于基因表达的调节起着 重要的作用。 机动型：异染色质在某些情况下DNA序列折叠压缩的 状况可以发生改变，成为常染色质并具有转录活性；而 在另一些情况下又可转变成为异染色质失去转录活性。
一般所观察到的一个环是一个转录单位。灯刷染色体 可以产生大量的mRNA，是卵发生中信息大量产生和积 累的途径之一。这些mRNA主要为早期发育所利用。
第三节 转录水平的调控

差异基因转录的 调控是最重要的 调控机制。
转录是DNA将遗传信息传 递给蛋白质的中心环节
一、基因表达的时间和空间特异性

异染色质化过程：指具有转录活性的常染色质失去转录活 性（一种高度固缩状态），成为异染色质的过程（基因沉 默）。

（一）X染色体失活

哺乳类X性染色体（♀）：


长臂所有基因失活，短臂部分基因未失活 多为随机失活 少为选择性失活（父源失活：小鼠滋养细胞，有袋类胚胎细胞）
（二）水腊虫的染色体失活
二、差异基因转录的调控机制 1.基因的结构





①启动子区：这个区域负责与RNA聚合酶结合，同时与 以后的转录起始有关。 ②转录起始点：该序列位于RNA的5’末端，又称为帽子序 列，是转录的起始点，在转录后帽子序列将被修饰，这段 序列在不同的基因中有差异。 ③翻译起始密码ATG:在转录的起始点和翻译起始点间的 这段序列称为前导序列，其长度在不同基因中差异很大。 由前导序列决定翻译的速率。 ④外显子(exon)：编码序列 ⑤内含子(intron)：非编码序列，具有增强子效应，调控 转录。 ⑥翻译终止密码子TAA： ⑦ 3’末端非翻译区：具有增强子效应，调控转录；调控 mRNA寿命。 ⑧远端增强子
2. 基因扩增
A：基因的选择扩增（gene selective amplification）：某些特殊基因被选 择性复制出许多拷贝的现象 非洲爪蟾rDNA扩增,从变态期开始，一直到卵母细胞成熟之前；初级 卵母细胞末期，其rDNA为体细胞的2×105倍 果蝇卵壳蛋白基因——滤泡细胞中超量DNA合成（16倍） B：基因组扩增（genome amplification）：通过多倍体和多线染色体扩 增完整基因组 哺乳动物肝细胞（营养原细胞）——多倍体扩增 果蝇卵巢中营养细胞——多线染色体扩增
Dolly and her foster mother
三、基因组相同的例外 ——发育过程中基因组的变化

基因删除：原生动物、线虫、昆虫、甲壳动物。 基因扩增：爪蟾的rDNA、果蝇多线染色体。 基因重排：免疫球蛋白基因（106~108种抗体）。
1. 染色体消减


副蛔虫：染色体消减 瘿蝇等卵裂时，部分染色体丢失，丢失的→体细 胞；不丢失的→生殖细胞。如：瘿蝇 40 →8；摇 蚊 40→38 哺乳类（除骆驼）的红细胞、皮肤的羽毛、毛发 角化细胞中整个细胞核丢失
举例:珠蛋白的时空特异表达





血红蛋白是一个四聚体蛋白质， 在人和许多动物中，胚胎、胎儿 和成体红细胞的血红蛋白分子的 组成都不相同。 人胚胎血红蛋白：由2个δ-珠蛋白 链、2个ε-珠蛋白链和4个血红素 分子组成。 妊娠第2个月：δ–和ε-珠蛋白链的 合成突然停止，而α-和γ-珠蛋白 链合成量增加。由两个α-和两个 γ-珠蛋白链组成胎儿的血红蛋白 分子。 妊娠第3个月：γ-珠蛋白基因表达 逐渐停止，同时β-和δ-基因开始 表达，产量逐渐增加。 出生后：血红蛋白分子的组成迅 速转换，由胎儿型代之为成体型， 即α2β2。

细胞外环境的影响

差异基因表达的调控机制

①差异基因转录：调节哪些核基因转录成RNA。 ②核RNA的选择性加工：调节哪些核RNA进入细胞质并 加工成为mRNA，构成特殊的转录子组。 ③mRNA的选择性翻译：调节哪些mRNA翻译成蛋白质。 ④差别蛋白质加工：选择哪些蛋白质加工成为功能性蛋白 质，即基因功能的实施者。



蜕皮素具有调控果蝇唾液腺细胞染色体蓬松区形成的作用 （与染色体上的特殊部位结合） 蜕皮素也能诱导已存在的疏松区退化
疏松区所合 成的产物对 于诱导以后 产生的疏松 区是必需的
（二）灯刷染色体（lampbrush chromosome）

两栖类卵母细胞减数分裂的双线期成对排列的每 个染色单体上染色粒向一侧伸出许多DNA的侧环。
移核试验（豹蛙）：发育时期越晚，细胞核潜能的受限性越大 Briggs和King（1952，1960）
囊胚核
80%以上蝌蚪 50%蝌蚪，异常个体以内胚层细胞 去核受精卵
形成较其他胚层细胞更容易
原肠胚早期内胚层核
神经胚内胚层核
﹤10%蝌蚪
结论：随着个体发育的进行，细胞核指导发育的潜 能被越来越限定，并且这种限定具有供体核特异性。

一、有机体不同组织基因组相同的证据

遗传学证据:（果蝇)


在整个幼虫期和成体的不同组织细胞中染色体的数目相同; 同一个体不同组织细胞提取的DNA数量是一致的

胚胎学证据：已分化的细胞仍具有发育成为其它细胞的潜力 （附图1）


转决定（transdetermination）：已决定但尚未终末分化的细胞，突然改变了 它的发育程序的事件——转决定（附图2） 转化（metaplasia）：已分化的细胞转分化为其它类型细胞的现象。（附图3） 核酸分子杂交（Nucleic acihybridization）：有机体不同组织细胞中拥有序列 完全相同的核基因组DNA； 原位杂交（in situ hybridization）：许多已分化细胞仍含有不表达的其它组 织特异性基因
DNA水平
转录水平
翻译水平
第一节 基因组相同和基因差异表达

多细胞有机体具有许多形态、功能和生物 化学组成不同的细胞。这些不同的细胞都 来自于一个共同的始祖细胞——受精卵。 这些不同的组织细胞虽然具有相同的基因 结构，但由于基因表达受到复杂的调控， 发生差别基因转录，继而合成组织专一性 蛋白质，出现细胞形态和功能的分化。


核克隆技术：将供体细胞核先移植进激活的去核卵中，再将发育产生的大 量卵裂期或囊胚期细胞核为供体，再次进行移植，移植到更多的去核卵中， 通过多次核移植可制备出原来供体核的许多拷贝。

结论：已分化的细胞核基因组具有产生全部细胞类型的潜能
一般核移植过程
核克隆过程
Dolly的诞生



克隆羊Dolly的诞生（1997） 对于说明体细胞核发育的全 能性具有特别重要的意义。 这是人类首次成功的用哺乳 动物体细胞-成年母羊乳腺上 皮细胞核为供体，经过多次 核移植而获得的后代。 随后，克隆猴、克隆牛等一 系列动物的研究获得了成功。
二、核潜能的限定 2.细胞核具有潜在的全能性

关于分化细胞核潜能限定的观点长期以来存在着争议。 有些学者认为用已分化细胞核进行的移植实验在很多情况下不能获得 正常发育胚胎的原因，主要是由于核移植的方法使已分化细胞核突然 进入了一个高频率分裂的陌生胞质环境，容易引起染色体断裂。 为真正评价细胞核的潜能，人们采用核克隆技术（nuclear cloning）。 已分化细胞的核经历一系列的移植后，其中有些细胞核变得可以指导 整个有机体的发育。