第二章_细胞分化的分子机制~转录和转录前调控

B淋巴细胞：
C区编码恒定区
V，D，J编码可变区
第二节
一、染色质
染色质水平基因活性的控制
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
• 细胞分化过程中基因差异性表达的条件和原因：
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翻译成蛋白质； 差别蛋白质加工：选择哪些蛋白质加工成为功能性蛋白质
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
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。
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
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。
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， 核糖体组成。 tRNA Gene→tRNA→转运氨基酸。
•
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
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。
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、
细胞表型 cell phenotypБайду номын сангаас：是细胞特定基因型在一定的环境条件
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 原肠胚早期内胚层核 神经胚内胚层核 80%以上蝌蚪 50%蝌蚪，异常个体以内胚层细胞 去核受精卵
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： 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 起始频率和维持基因转录
β - 珠蛋白基因
Intron 1 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
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、基因删除：原生动物、线虫、昆虫、甲壳动物。
• 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 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。
（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。
TF III A直接与启 动子C区结合
1、中心启动子元件（非洲爪蟾）
50 69 80
90
5 S rDNA 启动子区
A区
55 62
C区
A区和C区为有 效转录所必需
AGCAGGGT
中间启动动子——调控基因转录
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 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）
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 II结合共同装配成为转 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。
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；
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
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
第三节
受发育的遗传控制
基因转录水平的调控
一、基因表达的时间和空间特异性
• 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 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。
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
• 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
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）
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
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）； • 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
—— 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
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
下的表现，是细胞的特定性状。 totipotent cell:产生有机体全部细胞表型 细胞
（表型）
pluripotent cell: 产生几种特定类型的细胞
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
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
rDNA——核
糖体RNA基因
5’前导序列
转录间隔
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
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）。 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）
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 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