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1、第二章第二章 细胞分化的分子机制细胞分化的分子机制 转录和转录前的调控转录和转录前的调控概述概述v个体个体发育的中心育的中心问题是是细胞分化胞分化，研究，研究细胞分化的分子机胞分化的分子机制是探索制是探索发育机制的基育机制的基础。v细胞分化胞分化是指多是指多细胞有机体的胞有机体的细胞从胞从简单、原始原始的状的状态到到复复杂和和异异样化化的方向的方向发展的展的过程，是程，是通通过细胞分裂胞分裂产生生结构和功能有构和功能有稳定差异的定差异的过程程。v细胞表型胞表型 cell phenotype：是：是细胞特定基因型在一定的胞特定基因型在一定的环境条件的表境条件的表现，是，是细胞的特定性状。胞的特定
2、性状。v全能全能细胞胞:能能产生完整有机体，并且机体所需要的全部基生完整有机体，并且机体所需要的全部基因信息都被表达的因信息都被表达的细胞胞v多潜能多潜能细胞胞:含有的基因信息被限制表达的含有的基因信息被限制表达的细胞胞v分化分化细胞胞:多潜能多潜能细胞通胞通过分离和分化分离和分化发育成的特殊育成的特殊细胞胞表型表型个体个体个体个体发发育育育育过过程：全能性程：全能性程：全能性程：全能性细细胞胞胞胞多潜能性多潜能性多潜能性多潜能性细细胞胞胞胞分化分化分化分化细细胞胞胞胞概述概述概述概述v多潜能多潜能细胞胞：表：表现出出发育潜能的一定局限性，育潜能的一定局限性，仅能分化成能分化成为特定范特定范围
3、内的内的细胞。胞。v如如多潜能生血干多潜能生血干细胞胞仅能分化成能分化成为淋巴淋巴细胞胞、单核核细胞胞、粒粒细胞胞等。等。v多潜能多潜能细胞后代的胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定育命运在一定的程度上已被限定；v在在不同的不同的环境条件下也能表境条件下也能表现出某些相同的出某些相同的细胞表型胞表型，而且而且这种决定种决定不能通不能通过形形态或生物化学的或生物化学的标准准（无特殊的（无特殊的亚显微微结构构变化，不含特异性蛋白化，不含特异性蛋白质）来来识别；v多潜能多潜能细胞的基因表达受到一定的限制胞的基因表达受到一定的限制。细胞分化细胞分化概述概述v分化分化细胞胞：由多潜能：由多潜能细胞通胞
4、通过一系列分裂和分化一系列分裂和分化发育成的育成的特殊特殊细胞表型。胞表型。v合成特异性蛋白合成特异性蛋白或或具有特殊功能性的具有特殊功能性的细胞器胞器；v有有丝分裂的分裂的频率率明明显降低降低，有的甚至，有的甚至完全停止完全停止细胞分型。胞分型。v细胞分化的胞分化的过程是从程是从全能性全能性细胞胞多潜能性多潜能性细胞胞分化分化细胞胞的的发展展过程，也是程，也是基因基因选择性表达的性表达的结果果。v分化分化细胞一般胞一般仅有有5-10的基因表达，除了的基因表达，除了合成合成细胞生胞生长、代、代谢必需的必需的产物物之外，主要是之外，主要是特异性特异性产物的合成物的合成。DNA水平水平转录水平转录
5、水平翻译水平翻译水平基因表达的多基因表达的多级调控控基因基因激活激活转录起始起始 转录后加工后加工mRNA降解降解蛋白蛋白质降解等降解等蛋白蛋白质翻翻译翻翻译后加工修后加工修饰概述概述v细胞分化是胞分化是基因差异性表达的基因差异性表达的结果果，差异性基因表达，差异性基因表达产生生的原因主要来自于的原因主要来自于两方面两方面。v细胞内胞内环境的差异影响核基因的表达境的差异影响核基因的表达。在早期胚胎。在早期胚胎发育育的卵裂的卵裂阶段，由于段，由于卵卵质的不均匀分布的不均匀分布，卵裂的，卵裂的结果所果所产生生的分裂球的分裂球(细胞胞)存在不同的存在不同的细胞内胞内环境，引起胚胎境，引起胚胎细胞核胞
6、核基因的差异表达。基因的差异表达。v细胞外胞外环境的影响境的影响。在胚胎在胚胎发育早期育早期不同的不同的胚胎胚胎细胞胞位于位于不同的不同的区域区域，受到不同的外界，受到不同的外界环境的影响，接受不同境的影响，接受不同的位置信息。的位置信息。特特别是是邻近近细胞的相互关系胞的相互关系，如，如胚胎胚胎诱导对于胚胎于胚胎细胞分化具有重要意胞分化具有重要意义。各种各种细胞外信号分子胞外信号分子(细胞因子、激素等信号分子胞因子、激素等信号分子)，通，通过细胞胞间的通的通讯，特，特别是是信号信号传导间接影响接影响细胞核基因的表达胞核基因的表达。概述概述v差异基因表达的差异基因表达的调控机制控机制主要是在以
7、下几个水平完成：主要是在以下几个水平完成：v差异基因差异基因转录：调节哪些核基因哪些核基因转录成成RNA。v核核RNA的的选择性加工性加工：调节哪些核哪些核RNA进入入细胞胞质并并加工成加工成为mRNA，构成特殊的，构成特殊的转录子子组。vmRNA的的选择性翻性翻译：调节哪些哪些mRNA翻翻译成蛋白成蛋白质。v差差别蛋白蛋白质加工加工：选择哪些蛋白哪些蛋白质加工成加工成为功能性蛋白功能性蛋白质，即基因功能的，即基因功能的实施者。施者。第一节第一节 基因组相同和基因差异表达基因组相同和基因差异表达v多多细胞有机体具有胞有机体具有许多形多形态、功能和生物化学、功能和生物化学组成不同的成不同的细胞。
8、胞。这些不同的些不同的细胞都来自于一个共同的始祖胞都来自于一个共同的始祖细胞胞受精卵受精卵。v这些些不同的不同的组织细胞胞虽然具有然具有相同的基因相同的基因结构构，但由于，但由于基基因表达受到复因表达受到复杂的的调控控，发生差生差别基因基因转录，继而而合成合成组织专一性蛋白一性蛋白质，出出现细胞形胞形态和功能的分化和功能的分化。v换句句话说就是就是这些些细胞的基因胞的基因组相同，只是在相同，只是在发育育过程中程中不同的不同的细胞利用了基因胞利用了基因组中不同的基因中不同的基因，结果果导致各致各类细胞合成其特有的蛋白胞合成其特有的蛋白质。1 1、在发育中核潜能被限定、在发育中核潜能被限定 移核试
9、验（豹蛙）：发育时期越晚，细胞核潜能的受限性越大移核试验（豹蛙）：发育时期越晚，细胞核潜能的受限性越大去核受精卵去核受精卵囊胚核囊胚核原肠胚早期内胚层核原肠胚早期内胚层核神经胚内胚层核神经胚内胚层核50%蝌蚪，蝌蚪，异常个体以内胚层细胞异常个体以内胚层细胞 形成较其他胚层细胞更容易形成较其他胚层细胞更容易10%蝌蚪蝌蚪80%以上蝌蚪以上蝌蚪结论：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二、核潜能的限定二、核潜能的限定豹蛙核移植实验豹蛙核移植实验（一）在发育中核潜能被限定（一）在发育中核潜能被限定v细胞
10、核潜能的限定胞核潜能的限定是是稳定的且定的且具有一定的具有一定的组织特异性特异性。v三胚三胚层细胞核移植胞核移植实验：v采用具有采用具有组织特异性的特异性的原原肠胚后期胚后期内胚内胚层细胞核胞核为供体供体时，易于形成内胚，易于形成内胚层细胞，指胞，指导发育成育成为外胚外胚层和中胚和中胚层细胞的能力已受到限制胞的能力已受到限制。v外胚外胚层细胞核胞核为供体供体进行移核行移核实验，产生生发育异常的蝌育异常的蝌蚪，可具有正常的神蚪，可具有正常的神经分化但是分化但是缺乏内胚缺乏内胚层结构。构。v在在发育育过程中体程中体细胞核潜能的限定是一个普遍的胞核潜能的限定是一个普遍的规律。律。（二）细胞核具有潜在
11、全能性的研究（二）细胞核具有潜在全能性的研究v关于关于分化分化细胞核潜能限定胞核潜能限定的的观点点长期以来存在着争期以来存在着争议。v有些学者有些学者认为用用已分化已分化细胞核胞核进行的移植行的移植实验在很多情况在很多情况下下不能不能获得正常得正常发育胚胎育胚胎的原因，主要是由于核移植的方的原因，主要是由于核移植的方法使已法使已分化分化细胞核突然胞核突然进入了一个高入了一个高频率分裂的陌生胞率分裂的陌生胞质环境境，容易引起，容易引起染色体断裂染色体断裂。v为真正真正评价价细胞核的潜能，人胞核的潜能，人们采用采用核克隆技核克隆技术（连续克克隆隆），使移植的供体核逐，使移植的供体核逐渐地适地适应这
12、种种环境，境，结果也可以果也可以获得得发育正常的蝌蚪。育正常的蝌蚪。核克隆技术核克隆技术v将供体将供体细胞核先移植胞核先移植进激活的去核卵中，再将激活的去核卵中，再将发育育产生的生的大量卵裂期或囊胚期大量卵裂期或囊胚期细胞核胞核为供体，供体，再次再次进行移植行移植，移植，移植到更多的去核卵中，通到更多的去核卵中，通过多次核移植可制多次核移植可制备出原来供体核出原来供体核的的许多拷多拷贝。v已分化已分化细胞的核胞的核经历这一系列的移植后，其中一系列的移植后，其中有些有些细胞核胞核变得可以指得可以指导整个有机体的整个有机体的发育育。v如如原原肠胚后期内胚胚后期内胚层细胞核胞核可以指可以指导胚胎胚胎
13、发育成育成为正常的正常的蝌蚪。甚至将已分化的蝌蚪。甚至将已分化的小小肠上皮上皮细胞核胞核或或红细胞的胞的细胞核胞核作作为供体移植到去核卵中，也可以供体移植到去核卵中，也可以获得少数得少数发育正常的蝌育正常的蝌蚪或成体。蚪或成体。一般核移植过程一般核移植过程核克隆过程核克隆过程Dolly的诞生的诞生v克隆羊克隆羊Dolly的的诞生（生（1997）对于于说明体明体细胞核胞核发育的全育的全能性具有特能性具有特别重要的意重要的意义。v这是人是人类首次成功的用哺乳首次成功的用哺乳动物体物体细胞胞-成年母羊乳腺上成年母羊乳腺上皮皮细胞核胞核为供体供体，经过多次多次核移植核移植而而获得的后代。得的后代。v随
14、后，克隆猴、克隆牛等一随后，克隆猴、克隆牛等一系列系列动物的研究物的研究获得了成功。得了成功。Dolly的标本和伊恩博士的标本和伊恩博士vDolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊世界上第一只克隆羊Dolly由英国由英国爱丁堡大丁堡大学的伊恩博士研制成功，学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺由于肺结核而被安核而被安乐死，死，它的它的标本于本于2003年年4月月9日日陈列于列于苏格格兰首都首都爱丁堡国家博丁堡国家博物物馆。1、基因、基因删除：原生除：原生动物、物、线虫、昆虫、甲壳虫、昆虫、甲壳动物。物。2、基因基因扩增：爪蟾的增：爪蟾的rDNA、果果蝇多多线染色体。染色体。3、
15、基因重排：基因重排：免疫球蛋白基因（免疫球蛋白基因（106108种抗体）。种抗体）。三、基因组相同的例外三、基因组相同的例外基因组的改变基因组的改变v副蛔虫副蛔虫 染色体消减染色体消减v瘿蝇等瘿蝇等 卵裂时，部分染色体丢失，丢失的卵裂时，部分染色体丢失，丢失的体细胞；体细胞；不丢失的不丢失的生殖细胞。如：瘿蝇生殖细胞。如：瘿蝇 40 840 8；摇蚊；摇蚊 4038 4038 v哺乳类哺乳类（除骆驼）的红细胞、皮肤的羽毛、毛发角化细胞中（除骆驼）的红细胞、皮肤的羽毛、毛发角化细胞中 整个细胞核丢失整个细胞核丢失1、染色体消减、染色体消减2 2、基因扩增A、基因的选择扩增（gene select
16、ive amplificationgene selective amplification）：）：某些特殊基因被选择性复制出许多拷贝的现象 非洲爪蟾非洲爪蟾rDNA扩增增,从从变态期开始，一直到卵母期开始，一直到卵母细胞成熟之前；胞成熟之前；初初级卵母卵母细胞末期，其胞末期，其rDNA为体体细胞的胞的2105倍倍果果蝇卵壳蛋白基因卵壳蛋白基因滤泡泡细胞中超量胞中超量DNA合成（合成（16倍）倍）B、基因组扩增（genome amplification）：通过通过多倍体和多线染多倍体和多线染 色体色体扩增完整基因组扩增完整基因组v哺乳哺乳动物肝物肝细胞（胞（营养原养原细胞）胞）多倍体多倍体扩增增
17、v果果蝇卵巢中卵巢中营养养细胞胞多多线染色体染色体扩增增rDNA核糖体RNA基因5前导序列转录间隔3、基因重排v免疫球蛋白的基因重组v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编码可变区剪切剪切免疫球蛋白基因重排免疫球蛋白基因重排第二节第二节 转录水平的调控转录水平的调控v差异基因差异基因转录的的调控是最重要的控是最重要的调控机制。控机制。v一、基因表达的一、基因表达的时间和空和空间特异性特异性v基因表达的基因表达的时间特异
18、性特异性：有些特异性的基因，只有在：有些特异性的基因，只有在发育育的某个特定的某个特定时期或某些期或某些时期才具有活性，而在其他期才具有活性，而在其他时期期则是无功能的基因。是无功能的基因。v基因表达的空基因表达的空问特异性特异性：主要指基因表达的：主要指基因表达的组织细胞特异胞特异性。性。斑马鱼早期发育中斑马鱼早期发育中vasavasa mRNA mRNA的时空表达（原位杂交）的时空表达（原位杂交）一、差异基因表达的研究方法一、差异基因表达的研究方法（一）珠蛋白基因的转录（一）珠蛋白基因的转录v血血红蛋白蛋白=珠蛋白珠蛋白+血血红素素v利用珠蛋白利用珠蛋白mRNA的探的探针，对鸡胚胚红细胞胞
19、发育中血育中血红蛋白蛋白最初的最初的转录进行行监控。控。v分离孵化分离孵化20-23h的的鸡胚后部明区血胚后部明区血岛时，可以，可以观察到察到红细胞的前体胞的前体细胞胞，但并，但并未未检测到到血血红蛋白基因的蛋白基因的转录产物物。v到到鸡胚孵化胚孵化35h，红细胞的胞的前体前体细胞分化胞分化为幼幼红细胞胞，血血红蛋白迅速合成蛋白迅速合成。v这表明表明血血红蛋白基因是在蛋白基因是在这一段一段发育育时期中期中转录的的。血红蛋白血红蛋白v血血红蛋白是一个四聚体蛋蛋白是一个四聚体蛋白白质，在人和，在人和许多多动物中，物中，胚胎、胎儿和成体胚胎、胎儿和成体红细胞胞的血的血红蛋白分子的蛋白分子的组成都成都
20、不相同。不相同。v人胚胎血人胚胎血红蛋白蛋白：由：由2个个-珠蛋白珠蛋白链、2个个-珠蛋白珠蛋白链和和4个个血血红素素分子分子组成。成。血红蛋白血红蛋白v妊娠第妊娠第2个月个月：和和-珠蛋珠蛋白白链的合成突然停止，而的合成突然停止，而-和和-珠蛋白珠蛋白链合成量增加。合成量增加。由两个由两个-和两个和两个-珠蛋白珠蛋白链组成胎儿的血成胎儿的血红蛋白分子。蛋白分子。血红蛋白血红蛋白v妊娠第妊娠第3个月：个月：-珠蛋白基珠蛋白基因表达逐因表达逐渐停止，同停止，同时-和和-基因开始表达，基因开始表达，产量量逐逐渐增加。增加。v出生后：出生后：血血红蛋白分子的蛋白分子的组成迅速成迅速转换，由胎儿型，由
21、胎儿型代之代之为成体型，即成体型，即22。v正常成体的血正常成体的血红蛋白分子蛋白分子中中22占占97%，22为2%-3%，22为1%。血红蛋白血红蛋白v人的人的-和和-珠蛋白基因位于珠蛋白基因位于第第16号染色体号染色体上，而上，而-、-、-和和-珠蛋白基因相珠蛋白基因相连，在在第一号染色体第一号染色体上依次排上依次排列。列。v-珠蛋白基因家族的表达珠蛋白基因家族的表达显示了一种示了一种调控机制，即控机制，即指指导其从其从胚胎型胚胎型胎儿型胎儿型成体型成体型转变的的顺序开关。序开关。(二二)转录调控蛋白转录调控蛋白5S核糖体核糖体RNA基因的转录调控基因的转录调控v1.中心启中心启动子元件子
22、元件v在整个在整个发育育过程中程中5SrRNA基因表达的基因表达的调控都是在控都是在转录水水平平进行的。行的。v非洲爪蟾非洲爪蟾基因基因组具有具有2个个编码5SrRNA的多基因家族，即的多基因家族，即卵卵母母细胞型胞型和和体体细胞型胞型。v卵母卵母细胞型胞型：20 000个，个，转录水平很低，卵水平很低，卵发生早期开始生早期开始囊胚中期可被囊胚中期可被检测到。到。v体体细胞型胞型：400个，合成体个，合成体细胞的胞的95以上以上5SrRNA，卵，卵发生早期开始一直可以生早期开始一直可以检测到。到。v5SrRNA的基因的的基因的转录是由是由RNA聚合聚合酶所所调控的控的2TFA的转录调节的转录调
23、节v转录因子因子TFA参与参与RNA聚合聚合酶对非洲爪蟾非洲爪蟾5SrRNA转录的控制。的控制。vTFA既是既是RNA聚合聚合酶控制中的控制中的第一个第一个转录因子因子，也是，也是5SrRNA的基因的的基因的专一性一性转录因子因子。v但是但是TFA分子分子与与5SrRNA的基因的基因中中间启启动子子的的结合力很合力很弱弱，相比之下非特异性，相比之下非特异性转录因子因子TFC能能够更牢固更牢固地与地与5SrRNA的基因中的基因中间启启动子相子相结合，所以合，所以TFA分子与分子与TFC结合形成合形成TFA-TFC 复合物复合物。v当当RNA聚合聚合酶与与该复合物复合物结合合时5SrRNA的基因的
24、的基因的转录即即发生生。vSwitch gene:发育中可以决定育中可以决定细胞向两种不同命运分化的胞向两种不同命运分化的基因（主基因的表达决定）基因（主基因的表达决定）v果果蝇腹中腹中线外胚外胚层细胞具有分化成胞具有分化成为上皮上皮细胞或神胞或神经母母细胞的双重潜能；胞的双重潜能；notch转录缺乏缺乏时，腹中，腹中线所有所有细胞都分胞都分化成神化成神经母母细胞，胚胎不能正常胞，胚胎不能正常发育；育；notch 控制分化成控制分化成皮肤皮肤细胞和神胞和神经母母细胞胞 vmyod1转录子是肌子是肌细胞分化的主要开关基因，也是肌母胞分化的主要开关基因，也是肌母细胞决定子。将其通胞决定子。将其通过
25、病毒病毒载体体转染其它染其它细胞（如色素胞（如色素细胞、胞、神神经细胞、脂肪胞、脂肪细胞、肝胞、肝细胞等），可使它胞等），可使它们转分化分化为肌肌细胞。胞。(三三)转录调控的转录调控的“开关基因开关基因”(switch gene)三、差异基因转录的调控机制三、差异基因转录的调控机制v真核生物基因的真核生物基因的结构构：v(一一)外外显子与内含子子与内含子v真核生物的基因主要由真核生物的基因主要由两种两种DNA序列序列组成：一种是蛋白成：一种是蛋白质编码序列称序列称为外外显子子(exon)，另一种是非蛋白，另一种是非蛋白质编码序列序列称称为内含子内含子(intron)。v编码一个蛋白一个蛋白质的
26、序列常以的序列常以外外显子和内含子子和内含子镶嵌排列的方嵌排列的方式存在式存在。不同基因具有内含子的数目和内含子的。不同基因具有内含子的数目和内含子的长度差异度差异很大。很大。v真核生物的基因真核生物的基因还包括包括5和和3末端末端长度不等的特异性序列，度不等的特异性序列，这些序列些序列虽然然不不编码氨基酸氨基酸，但在，但在基因表达的基因表达的过程中起重程中起重要作用要作用。人人-珠蛋白基因的珠蛋白基因的10个区域个区域v启启动子区子区：启：启动子区位于子区位于转录起始点上游起始点上游-95-26bp，由两个上游启由两个上游启动子成分和子成分和TATA盒盒组成。成。这个区域个区域负责与与RNA
27、聚合聚合酶结合，同合，同时与以后的与以后的转录起始有关。起始有关。vACATTG序列序列：该序列位于序列位于RNA的的5末端，又称末端，又称为帽子帽子序列，是序列，是转录的起始点，在的起始点，在转录后帽子序列将被修后帽子序列将被修饰，这段序列在不同的基因中有差异。段序列在不同的基因中有差异。v翻翻译起始密起始密码ATG:该密密码子位于子位于转录起始点后起始点后50bp处，在在转录的起始点和翻的起始点和翻译起始点起始点间的的这段序列称段序列称为前前导序列，序列，其其长度在不同基因中差异很大。由前度在不同基因中差异很大。由前导序列决定翻序列决定翻译的速的速率。率。人人-珠蛋白基因的珠蛋白基因的10
28、个区域个区域v第一外第一外显子子：长90bp，编码人人-珠蛋白的珠蛋白的1-30个氨基酸。个氨基酸。v第一内含子第一内含子：长130bp，是人，是人-珠蛋白的非珠蛋白的非编码序列，序列，但但对于于RNA加工成加工成为mRNA并并转运到运到细胞核外具有重要作胞核外具有重要作用。用。v第二外第二外显子子：长222bp，编码人人-珠蛋白的珠蛋白的31-104个氨基个氨基酸。酸。人人-珠蛋白基因的珠蛋白基因的10个区域个区域v第二内含子第二内含子：长850bp，也是人，也是人-珠蛋白的非珠蛋白的非编码序列。序列。v第三外第三外显子子：长126bp，编码人人-珠蛋白的珠蛋白的105-146个氨个氨基酸。
29、基酸。v翻翻译终止密止密码子子TAA人人-珠蛋白基因的珠蛋白基因的10个区域个区域v3末端非翻末端非翻译区区：这段序列段序列虽然然转录但是并不参与蛋白但是并不参与蛋白质的翻的翻译。该区域包括区域包括AATAAAA序列，此序列序列，此序列为转录的的RNA产物在物在3末端增加末端增加200-300多聚核苷酸多聚核苷酸poly（A）尾尾所必需。所必需。poly（A）尾插入）尾插入进RNA的位置是在的位置是在AAUAA下下游游约20bp处，但是，但是转录继续进行超行超过AATAAAA序列的位序列的位置，置，终止在大止在大约1000bp处。在。在3末端非翻末端非翻译区序列中，从区序列中，从AATAAAA
30、位点后位点后600-900bp具有增具有增强子功能，子功能，对于成体于成体红细胞前体胞前体-珠蛋白基因适珠蛋白基因适时的和的和组织特异性的表达是必特异性的表达是必需的。需的。（二）启动子和增强子（二）启动子和增强子v真核生物基因的真核生物基因的转录起始和表达的起始和表达的调控依控依赖于于两两类调控元控元件件的相互作用，一的相互作用，一类是是顺式式调节子子，另一，另一类是是反式反式调节蛋蛋白白。v启启动子子和和增增强子子都是都是顺式式调节子，它子，它们能与特定功能基因能与特定功能基因连锁，作用于作用于邻近基因的表达近基因的表达。v反式反式调节蛋白是蛋白是可溶性的分子可溶性的分子，包括具有，包括具
31、有调控作用的控作用的蛋白蛋白因子因子和和RNA，它，它们可可作用于作用于邻近基因或其他基因近基因或其他基因。1.启动子的结构与功能启动子的结构与功能v启启动子子：是位于：是位于转录起始位点上游起始位点上游的特殊的特殊DNA序列序列。能被。能被RNA聚合聚合酶识别和和结合，合，对于于决定基因决定基因转录起始起始和和保保证DNA精确精确，有效地有效地转录具有极其重要作用。具有极其重要作用。v转录量相量相对较大的基因，启大的基因，启动子都具有相似的子都具有相似的结构。一个构。一个保守性保守性较高且富含高且富含TA的序列，又称的序列，又称为TATA框框，位于，位于转录起始位点上游大起始位点上游大约30
32、bp处。另外在。另外在TATA框的上游框的上游还有一有一个或多个上游启个或多个上游启动子元件，如：子元件，如：CCAAT(CAAT框）、框）、GGGCGGG(GC序列）、序列）、GGGAGAGGG和和ATGCAAAT序列。序列。vTATA框的主要作用框的主要作用：是使：是使转录精确地从起始位点开始，精确地从起始位点开始，其他的上游启其他的上游启动子元件：子元件：主要主要调控控转录起始起始频率和率和维持基持基因因转录，特，特别是是CAAT框的作用相框的作用相对较大。大。2.与启动子结合的反式作用因子与启动子结合的反式作用因子v基因基因转录还需要需要RNA聚合聚合酶与启与启动子的相互作用。在子的相
33、互作用。在转录开始之前，首先要形成开始之前，首先要形成RNA聚合聚合酶和启和启动子的子的转录起始复起始复合物合物。绝大多数大多数真核生物的真核生物的细胞有胞有3种种类型型RNA聚合聚合酶，即，即RNA聚合聚合酶、RNA聚合聚合酶和和RNA聚合聚合酶。v其中其中RNA聚合聚合酶负责作用于多种基因的作用于多种基因的转录。在。在细胞核胞核中存在一些中存在一些转录调节蛋白因子蛋白因子为RNA聚合聚合酶与启与启动子子结合合所必需所必需，如果，如果缺乏缺乏这些因子些因子，纯化的化的RNA聚合聚合酶并不能并不能识别启启动子序列，子序列，转录只能起始于任意位置。只能起始于任意位置。v从不同从不同动物物细胞，甚
34、至从酵母胞，甚至从酵母细胞分离的基本胞分离的基本转录因子具有因子具有相似的活性。相似的活性。基本基本转录因子因子负责识别启启动子序列中子序列中TATA框框，并与并与RNA聚合聚合酶一起形成一起形成转录起始复合物，起始复合物，进而起始而起始转录。v已已经经过鉴定的定的普通普通转录因子因子有有TFD、TFB、TFF、TFA等。按一定等。按一定顺序参与形成序参与形成转录起始复合物。起始复合物。2.与启动子结合的反式作用因子与启动子结合的反式作用因子vRNA聚合聚合酶和和RNA聚合聚合酶分分别负责18S、28S核糖体核糖体RNA和和5S核糖体核糖体RNA，tRNA基因的基因的转录，也需要多种蛋，也需要
35、多种蛋白因子参与，白因子参与，这些些转录因子也必因子也必须与启与启动子子结合。合。3.增强子的结构和功能增强子的结构和功能v增增强子子(enhancer)指增加同它指增加同它连锁的基因的基因转录频率的率的DNA序列。增序列。增强子是通子是通过启启动子来增加子来增加转录的。的。v有效的增有效的增强子可以位于基因的子可以位于基因的5端，也可位于基因的端，也可位于基因的3端，端，有的有的还可位于基因的内含子中。可位于基因的内含子中。v增增强子的效子的效应很明很明显，一般能使基因，一般能使基因转录频率增加率增加10200倍，有的甚至可以高达上千倍。倍，有的甚至可以高达上千倍。v增增强子的作用同增子的作
36、用同增强子的取向子的取向(5-3或或3-5)无关，甚至无关，甚至远离靶基因达几千离靶基因达几千kb也仍有增也仍有增强作用。作用。v有一有一类增增强子子对基因的基因的转录起抑制作用，称起抑制作用，称为沉默子沉默子(suencer)。当。当转录因子与沉默子因子与沉默子结合合时可抑制可抑制顺式式调控元控元件相件相连的启的启动子的子的转录。增强子的分类增强子的分类v同一增同一增强子在有的子在有的细胞中是胞中是顺式式调控元件控元件，但在其他，但在其他细胞胞中可能是中可能是沉默子沉默子，这是是由由细胞中其他胞中其他转录因子决定因子决定的。的。v由于增由于增强子中有的能子中有的能够调节基因表达的基因表达的时
37、间；v有的能有的能够调节基因表达的基因表达的组织和和细胞特异性胞特异性；v有的有的具有前述两种功能具有前述两种功能；v还有的增有的增强子子与激素或其他分子相关与激素或其他分子相关。v根据增根据增强子的子的功能特征功能特征可以将其分可以将其分为以下几以下几类。(1)时间特异性增强子时间特异性增强子v在胚胎在胚胎发育中存在一种育中存在一种时间特异性增特异性增强子。子。v在在两栖两栖类胚胎胚胎发育中存在最典型的基因活性的育中存在最典型的基因活性的时间开关，开关，即即囊胚中期囊胚中期转换(MBT)。MBT类型的基因由于含有一种型的基因由于含有一种时间特异性增特异性增强子，在囊胚中期被特异性激活。两栖子
38、，在囊胚中期被特异性激活。两栖类的的这种增种增强子位于子位于MBT基因基因阅读框框5末端上游末端上游约700bp。v人人-珠蛋白基因的珠蛋白基因的时间特异性增特异性增强子，位于子，位于3末端末端，AATAAAA序列下游序列下游600-900bp之之间。v通常通常-珠蛋白基因在珠蛋白基因在人胚胎人胚胎时期期转录，如果把含有，如果把含有-珠蛋珠蛋白基因的白基因的时间特异性增特异性增强子的子的DNA片段移到片段移到-珠蛋白基因珠蛋白基因的附近，在的附近，在-珠蛋白基因的珠蛋白基因的时间特异性增特异性增强子的作用下，子的作用下，-珠蛋白基因珠蛋白基因可在成体中表达可在成体中表达。(2)组织特异性增强子
39、组织特异性增强子v调节-珠蛋白基因珠蛋白基因表达的增表达的增强子，除了子，除了3末端的末端的临时性特性特异性增异性增强子子之外，之外，还有其他有其他两种增两种增强子子，由它，由它们调节-珠珠蛋白基因表达的蛋白基因表达的组织特异性特异性。v其中一种增其中一种增强子位子子位子-珠蛋白基因的第三个内含子序列内，珠蛋白基因的第三个内含子序列内，其作用使其作用使-珠蛋白基因的珠蛋白基因的转录只能在只能在红细跑跑发生生。v另一种增另一种增强子事子事实上是上是“主主”增增强子子，所有位于第，所有位于第11号染号染色体上的人色体上的人-珠蛋白基因家族的珠蛋白基因家族的转录都由它都由它调控。如果控。如果缺缺失此
40、增失此增强子区将引起所有子区将引起所有-珠蛋白基因家族的基因沉默珠蛋白基因家族的基因沉默。“主主”增增强子的功能可能是使整个子的功能可能是使整个转录调节因子区域打开。因子区域打开。(3)胰腺增强子胰腺增强子v有有时基因的活性在不同基因的活性在不同类型的相型的相邻细胞中由不同的增胞中由不同的增强子子所所调控。控。v如如胰腺外分泌蛋白胰腺外分泌蛋白胰凝乳蛋白胰凝乳蛋白酶、淀粉、淀粉酶、胰蛋白、胰蛋白酶基因基因的增的增强子，与子，与内分泌蛋白内分泌蛋白胰胰岛素基因的增素基因的增强子，子，虽然都位然都位于各自基因于各自基因5末端旁的序列中，却是不相同的两末端旁的序列中，却是不相同的两类增增强子。子。v
41、利用利用报道基因可道基因可对某一特定增某一特定增强子的功能子的功能进行研究。行研究。氯霉霉素乙配素乙配转移移酶(CAT)的基因活性很容易的基因活性很容易检测，同，同时在哺乳在哺乳动物中不表达，可作物中不表达，可作为哺乳哺乳动物的物的报道基因。道基因。(3)胰腺增强子胰腺增强子vWalker等等(1983)分分别构建构建这些基因些基因5末端旁序列和末端旁序列和cat的重的重组基因，再将不同的重基因，再将不同的重组基因分基因分别转人人3种受体种受体细胞胞：v不不产生胰生胰岛素和胰凝乳蛋白素和胰凝乳蛋白酶的卵巢的卵巢细胞；胞；v分泌胰分泌胰岛素的胰腺素的胰腺细胞系；胞系；v一种一种产生外分泌蛋白的胰
42、腺生外分泌蛋白的胰腺细胞系。胞系。v说明胰腺外分泌明胰腺外分泌细胞和内分泌胞和内分泌细胞的基因表达胞的基因表达由不同的增由不同的增强子子调控控。受体细胞受体细胞外分泌蛋白基因外分泌蛋白基因5末末端旁序列端旁序列+cat内分泌蛋白基因内分泌蛋白基因5末末端旁序列端旁序列+cat卵巢细胞卵巢细胞不表达不表达不表达不表达分泌胰岛素分泌胰岛素的胰腺细胞系的胰腺细胞系不表达不表达表达表达产生外分泌蛋产生外分泌蛋白的胰腺细胞系白的胰腺细胞系表达表达不表达不表达(4)卵黄蛋白增强子卵黄蛋白增强子v果果蝇卵黄蛋白是在雌性成体果卵黄蛋白是在雌性成体果蝇的特殊的特殊细胞中才大量合成胞中才大量合成的一种蛋白。果的一
43、种蛋白。果蝇有两种卵黄蛋白基因，有两种卵黄蛋白基因，yp1和和yp2，他，他们在在DNA上的位置上的位置邻近但是近但是转录的方向相反。的方向相反。v在卵巢和脂肪体中卵黄蛋白基因都在卵巢和脂肪体中卵黄蛋白基因都转录，但是他，但是他们能用限能用限制性内切制性内切酶分解，在共同的分解，在共同的5末端分开。如果将末端分开。如果将这两种基两种基因分因分别与与报道基因一起构建表达道基因一起构建表达质粒，再粒，再导入果入果蝇DNA，可以可以检测他他们转录的性的性别和和时间特异性。特异性。v卵黄蛋白基因卵黄蛋白基因仅在成体的雌性果在成体的雌性果蝇中表达。同中表达。同时yp2的的mRNA仅在在卵巢卵巢组织中中检
44、测到，而到，而yp1得得mRNA仅在在脂肪脂肪体体中表达。中表达。v说明明卵黄蛋白基因有两个增卵黄蛋白基因有两个增强子子，而且都位于，而且都位于5末端，分末端，分别负责在卵巢和在脂肪体中的在卵巢和在脂肪体中的转录，使两个基因在两种，使两个基因在两种细胞中正常胞中正常转录。增。增强子子对于基因表达的特异性有决定性作于基因表达的特异性有决定性作用。用。脂肪体脂肪体卵巢组织卵巢组织（三）转录因子（三）转录因子v转录因子是因子是基因基因调控的反式作用因子控的反式作用因子，是能与启，是能与启动子和增子和增强子子结合的蛋白合的蛋白质。v转录因子既含有因子既含有特异性特异性DNA结合域合域，又含有能与启，又
45、含有能与启动子或子或增增强子子结合并刺激基因合并刺激基因转录的的结构域构域。通。通过相互作用使任相互作用使任何一种何一种细胞中只有很少的一部分启胞中只有很少的一部分启动子子发生生转录。v转录因子可分因子可分为通用通用转录因子因子和和特殊特殊转录因子因子，即两，即两类基基因因调节蛋白。蛋白。v通用通用转录因子因子：指与启：指与启动子子TATA框序列框序列结合的蛋白合的蛋白质，他他们与与RNA聚合聚合酶II共同装配成共同装配成为转录起始复合物，以启起始复合物，以启动转录。v特殊特殊转录因子因子：能：能识别特殊的特殊的DNA调节序列并与其序列并与其结合，合，或与或与RNA聚合聚合酶和其他和其他转录因
46、子因子结合以行合以行驶功能。功能。(四四)激素应答成分激素应答成分v在在发育育过程中程中经常出常出现基因表达的基因表达的协同同调节现象。象。v当一种当一种类型的型的细胞同胞同时表达几种表达几种细胞特异性蛋白，或者在胞特异性蛋白，或者在不向不向类型的型的细胞中由同一种激素胞中由同一种激素诱导几种基因表达几种基因表达时，这种基因表达的种基因表达的协同同调节现象即象即发生。生。v具有具有转录因子活性的因子活性的类固醇激素特异性受体以非活性状固醇激素特异性受体以非活性状态存在存在时与一种与一种热体克蛋白体克蛋白结合，当激素与受体蛋白合，当激素与受体蛋白结合后合后热体克蛋白脱离，同体克蛋白脱离，同时受体
47、构象受体构象发生改生改变。形成的激素。形成的激素-受体复合物受体复合物进入入细胞核并与特异性胞核并与特异性DNA序列序列结合，激活启合，激活启动子子调节转录。v能能够与激素受体蛋白特异性与激素受体蛋白特异性结合的合的DNA序列称序列称为激素效激素效应元件，它元件，它们既可以是增既可以是增强子，也可以是启子，也可以是启动子。子。(五五)免疫球蛋白轻链基因的转录调控免疫球蛋白轻链基因的转录调控v在每一个有机体中，在每一个有机体中，绝大多数大多数类型的型的细胞都具有相同的基胞都具有相同的基因因组，但是，但是淋巴淋巴细胞例外胞例外。v在与抗原接触之前，在与抗原接触之前，处于休止期的于休止期的B淋巴淋巴
48、细胞就合成免疫胞就合成免疫球蛋白分子，但并不分泌。每一种球蛋白分子，但并不分泌。每一种B淋巴淋巴细胞本身具有胞本身具有产生生107种以上不同的抗体分子的能力，但由于种以上不同的抗体分子的能力，但由于基因重排基因重排，每个每个细胞胞仅仅只合成一种抗体分子，并且将其置于只合成一种抗体分子，并且将其置于细胞膜胞膜表面作表面作为抗原受体。抗原受体。v当当外来抗原外来抗原与与淋巴淋巴结或或脾脾中的淋巴中的淋巴细胞膜上抗原受体胞膜上抗原受体结合合后通后通过信号信号传导调控基因表达，使控基因表达，使细胞分裂和胞分裂和进一步分化。一步分化。细胞分化的分子机制细胞分化的分子机制 转录后的调控转录后的调控第一节第
49、一节 RNARNA加工水平的调控加工水平的调控 第二节第二节 翻译和翻译后的调控翻译和翻译后的调控（一）、同一基因的初始转录物（一）、同一基因的初始转录物（nRNAnRNA）经选择性拼接可产生不同的成熟经选择性拼接可产生不同的成熟RNARNA原肌球蛋白基因原肌球蛋白基因一、一、RNA加工水平的调控加工水平的调控-原肌球蛋白基因原肌球蛋白基因nRNAmRNAB淋巴细胞的淋巴细胞的DNA，发生重排，发生重排生殖细生殖细胞的胞的DNA重链可变区（抗原结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重重链可变区（抗原结合区）在淋巴细胞形成过程中，发生基因重 排（排（DNA水平）水平）重链恒定区发生分子转换，该模
50、式通过重链恒定区发生分子转换，该模式通过RNA加工完成加工完成前体前体RNA区区区区IgMIgD相同基因在不同发育时期或不同组相同基因在不同发育时期或不同组 织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白质织细胞中拼接不同，合成不同的蛋白质降钙素降钙素/神经多肽神经多肽CGRP mRNA前体前体果蝇性别表型的决定事件，通过果蝇性别表型的决定事件，通过3 3个主要性别决定基因个主要性别决定基因RNARNA的不同拼接模式，引起差异基因表达的不同拼接模式，引起差异基因表达选择性选择性RNA加工与性别决定加工与性别决定mRNA寿命的不同对蛋白质合成的调控寿命的不同对蛋白质合成的调控 通过通过mRNA的选择性降解和的