第二章细胞分化的分子机制——转录和转录前调控

2）、内含子（intron）
• 非蛋白质编码序列，又称插入序列；
• 不同基因具有内含子的数目和内含子的长度差异很大；
• 对前体RNA加工成为mRNA并转运到细胞核外具有重要作用； • 真核生物某些结构Gene没有内含子，如组蛋白Gene、干扰素
Gene、大多数的酵母结构Gene等
Intron 1
β - 珠蛋白基因
腿、翅、嘴。 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
B、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。
核移植实验
3、分子生物学证据：
核酸分子杂交（Nucleic acid hybridization）：有 机体不同组织细胞中拥有序列完全相同的核 基因组DNA；
（二）、转录调控蛋白5s核糖体RNA基因转录的调控
在发育中，5 s核糖体RNA基因表达的调控均在转录水平进行。
1、中心启动子元件（非洲爪蟾）
TF III A直接与启 动子C区结合
5 S rDNA 启动子区
50 55
69
A区
62
AGCAGGGT
中间启动动子——调控基因转录
80
90
C区
A区和C区为有 效转录所必需
Intron 2
5` GT——AG 3`法则
在每个外显子和内含子的接头区都是一段高度保 守的共有序列，内含子的5`端是GT，3端是AG，这种接 头方式称为GT-AG法则，普遍存在于真核生物中，是RNA 剪接的识别信号，转录后的前体RAN中的内含子剪接位 点。
2、侧翼序列与调控序列
每个结构基因的第一个和最后一个外显子的外侧， 都有一段不被转录的非编码区（untranslated region)， 称为侧翼序列（Flanking sequence）。
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控制
一、染色质 chromatin
哺乳动物失活的X染色 体在生殖细胞形成时才 重新恢复活性状态。
常染色质和异染色质化（DNA高度螺旋化）
结构型：DNA序列的折叠状况始终不变
异染色质
也从不转录，但可调节基因表达
机动型：某些情况下，DNA折叠可以
二、发育中基因表达转录水平的 调节与变化
（一）、珠蛋白基因在红细胞中的表达调控
b-珠蛋白基因的结构
位点控制区——超强启动子区
何时表达何种b-珠蛋白，决定于结合在特定珠蛋白基因启动子上的转录 因子与结合在LCR上的因子之间的亲和力。例如，敲除b-globin基因 的启动子和3’增强子后，成年小鼠的红细胞中仍含大量的-globin; EKLF是b-珠蛋白启动子结合的转录因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表 达-和-珠蛋白。
核心启动子成分：如：在启动子的上游区一般都含有一个TATA框（高度保 守），位于转录起始点上游25～30 bp（-30～50 ），可精确地控制转录从起
始位点开始；TATA框与转录因子TFII结合，再与RNA 聚合酶II形成转录起始
复合物，从而准确地识别转录起始位置，对转录水平有定量效应。 上游启动子成分：如CAAT框、GC框、GCCACACCC和ATGCAAAT序列，调控转录
细胞决定子。将其通过病毒载体转染其它细胞（如色 素细胞、神经细胞、脂肪细胞、肝细胞等），可使它 们转分化为肌细胞。
三、差异基因转录的调控机制
（一）、真核生物基因结构
• 基因种类（依其功能分为）：
1、结构Gene---编码蛋白和酶分子结构； 2、调控Gene---调节结构基因表达； 3、转录而不翻译的Gene：rDNA Gene→rRNA→核仁形成区，
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转移性基因
二、核潜能的限定
合子核 → 分化细胞核 （全能性）→（多潜能性）
1、在发育中核潜能被限定
移核试验（豹蛙）：发育时期越晚，细胞核潜能的受限性越大
囊胚核
80%以上蝌蚪
原肠胚早期内胚层核 神经胚内胚层核
1、基因删除：原生动物、线虫、昆虫、甲壳动物。 2、基因扩增：爪蟾的rDNA、果蝇多线染色体。 3、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
• 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。 暂时性的
• 表达剂量补偿，凝血因子基因；
• 近年：xist基因有调控小鼠发育中X染色体失活的功能
二、选择性基因转录的染色质变化
（一）、染色体疏松区
（puff region of chromosome）
染色体蓬松区——染色体上DNA解螺旋 的区域，是基因转录 活跃区
• 蓬松区的有无或者位置，具有组织和 发育时期的特异性
为在原肠胚时期特异表达的cDNA； - 将后者连于载体中得到原肠胚期特异性的cDNA文库。
用特异性基因探针做点杂交，便可检测各期特异基因表达 用基因芯片技术对各种不同基因的表达谱进行分析 • 空间特异性——组织特异性（Northern blot，原位杂交）
斑马鱼早期发育中vasa mRNA的时空表达（原位杂交）
B、基因组扩增（genome amplification）：通过多倍体和多线染
• 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
色体扩增完整基因组
5’前导序列
转录间隔
rDNA——核
糖体RNA基因
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
2、TF Ш A 的转录调节
TFIIIC 先与中间启动子结合， TFIIIA + TFIIIC→复合物 + RNA聚合酶III→5 S rRNA基因 转录
• RNA聚合酶III调控5s rRNA基因的转录；
• TF Ш A等分子辅助参与RNA聚合酶III对不同启动子区的识别和结合
（三）、转录调控的开关基因
前提条件：携带有丰富的遗传信息及复杂的表达调控机制 细胞内环境：卵质不均匀分布
原因 细胞外环境：细胞间相互作用 （位置不同，接收的信息不同）。
• 差异基因表达的调控机制：
差异基因转录：调节哪些核基因转录成RNA； 核RNA的选择性加工：不同的拼接将导致同一条核RNA产生不同的
转录子； mRNA的选择性翻译：调节哪些mRNA翻译成蛋白来自百度文库； 差别蛋白质加工：选择哪些蛋白质加工成为功能性蛋白质
2、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
海胆（早期细胞全能性）、蝾螈（早期背唇）
A、转决定 （transdetermination）：
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
第二章 细胞分化的分子机制 —— 转录和转录前的调控
基本概念
细胞分化 cell differentiation: 是指同群结构与功能相同的细胞发生一系列的 内外变化，成为结构与功能不同的细胞的过程。分化过程涉及基因活性状态变化、 细胞内物质组成的变化和功能的变化以及形态结构的变化。
细胞表型 cell phenotype：是细胞特定基因型在一定的环境条件 下的表现，是细胞的特定性状。
第三节 基因转录水平的调控
一、基因表达的时间和空间特异性
受发育的遗传控制
• 时间特异性——不同发育时期，基因表达活性不同 David（1983）爪蟾，采用减法式克隆技术，构建原肠胚时期特异性的cDNA
文库： - 分别提取受精卵、原肠胚mRNA，mRNA→cDNA； - 两个时期的cDNA杂交，去掉双链杂交分子（两个时期都表达），余下者
改变，成为常染色质，进行
转录，有些情况反之
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）。
X染色体失活（长臂所有基因失活，短臂部分基因未失活）
• 哺乳类X性染色体（♀）；
• 多为随机失活；少为选择性失活（父源，小鼠滋养细胞、 袋鼠胚胎细胞）；
整个细胞核丢失
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）
起始频率和维持基因转录
转录因子
真核转录起始复合物的形成
通用转录因子与启动子
TATA框序列结合，该因
子进一步与RNA聚合酶
TFIIE
II结合共同装配成为转
TFIIF
录起始复合物，启动转
录；
此复合物在所有真核细 胞转录过程中均出现。
• CAAT框（CAAT Box）:是一段保守序列，位于转录起始
totipotent cell:产生有机体全部细胞表型
细胞 pluripotent cell: 产生几种特定类型的细胞
（表型）
differentiated cell:多潜能细胞通过分离和分化发育 成的特殊细胞表型
个体发育的过程：全能性细胞→多潜能性细胞→分化细胞，基因选择表达
• 细胞分化过程中基因差异性表达的条件和原因：
它是基因的调控序列，对基因的有效表达起调控作 用，包括：启动子、增强子、终止子等。
（二）、真核生物基因转录水平的调控
1、顺式作用元件（启动子和增强子）
1）、启动子（promoter）：是位于转录起始位点上游的特殊DNA序列，可被 RNA聚合酶II及其它转录因子或蛋白质识别并结合，对于决定基因转录起始和 保证DNA精确、有效地转录具有极其重要的作用。包括：
去核受精卵
50%蝌蚪，异常个体以内胚层细胞
形成较其他胚层细胞更容易
﹤10%蝌蚪
结论：随着发育，体细胞的核潜能存在普遍的受限现象，且具有供体核的特异性
2、细胞核具有潜在的全能性
核克隆：
克隆哺乳 动物的技 术路线
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
三、基因组相同的例外
——基因组的变化
1）、外显子（exon） • 可编码氨基酸的序列； • 一般一个蛋白质的氨基酸序列常有多个外显子构成，这些外显
子常被长度不一的内含子所间隔。 —— β珠蛋白 基因（1700bp）=3个外显子+2个内含子。
—— DMD基因（2300kb）=79个外显子+ 78 个内含子。（迄今认识的最 大的基因）
β - 珠蛋白基因
核糖体组成。
tRNA Gene→tRNA→转运氨基酸。
• 真核生物的结构基因的DNA序列由编码序列和非编码
序列两部分组成，编码序列是不连续的，被非编码序列 分割开来，称为断裂基因（split gene）。
• 外显子和内含子
• 侧翼序列与调控序列，包括：启动子、增 强子、终止子等。
1、外显子和内含子
第一节 基因组相同和基因差异表达
Genome equivalence —— 同一有机体的多种细胞具有完全相同
（基因组相同）
的一套基因结构
一、有机体不同组织基因组相同的证据
1、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
• Switch gene: 发育中可以决定细胞向两种不同命运分 化的基因（主基因的表达决定）
• 果蝇腹中线外胚层细胞具有分化成为上皮细胞或神经
母细胞的双重潜能；notch转录缺乏时，腹中线所有细
胞都分化成神经母细胞，胚胎不能正常发育；
notch 控制分化成皮肤细胞和神经母细胞
• myod1转录子是肌细胞分化的主要开关基因，也是肌母