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1、细胞分化的分子机制细胞分化的分子机制指多细胞生物成长发育中，在一些内在机指多细胞生物成长发育中，在一些内在机制作用下，细胞在结构、形态、生理功能及生制作用下，细胞在结构、形态、生理功能及生化特征等方面逐渐产生化特征等方面逐渐产生稳定性差异稳定性差异，成为多种，成为多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统。官和系统。细胞分化细胞分化细胞分化细胞分化l Cell differentiation involves the gradual emergence of cell types that have a clear-cut identity i
2、n the adult,such as nerve cells,fat cellsl Differentiated cells serve specialized functions and have achieved a usually stable state.发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐渐受限制的过程渐受限制的过程细胞的全能性细胞的全能性 (totipotent)：生物体中的一个体细胞或一个性细胞在一定条件下，有生物体中的一个体细胞或一个性细胞在一定条件下，有能力重新形成完整的个体，或者分化形成该个体任何种能力重新形成完整的个体，或者分化形成该
3、个体任何种类的细胞。此特性称为类的细胞。此特性称为“细胞全能性细胞全能性”。细胞的全能性细胞的全能性 (totipotent)：受精卵受精卵 、8 8细胞期前的胚胎细胞是全能细胞。细胞期前的胚胎细胞是全能细胞。多潜能细胞多潜能细胞 (pluripotent)：发育潜能有一定局限性，：发育潜能有一定局限性，仅能分化成为特定范围内的细胞。如生血干细胞仅能分仅能分化成为特定范围内的细胞。如生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、粒细胞等化成为淋巴细胞、单核细胞、粒细胞等分化细胞分化细胞(differentiated cell)：仅具有分化形成某一仅具有分化形成某一种类型细胞的能力。种类型细胞的能力
4、。分化过程：全能分化过程：全能 多能多能 分化细胞分化细胞发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐发育过程中细胞分化经历一个分化能力逐渐受限制的过程渐受限制的过程细胞分化细胞分化l 细胞由未特化状态分化成不同细胞类型最初发细胞由未特化状态分化成不同细胞类型最初发生在胚胎发育的过程中，而在出生后直到成体的生在胚胎发育的过程中，而在出生后直到成体的整个阶段都会持续进行。整个阶段都会持续进行。特化细胞的性质是基因特化细胞的性质是基因特定表达模式的结果，特定表达模式的结果，不同基因表达模式决定特不同基因表达模式决定特定蛋白的合成。定蛋白的合成。“特定基因表达模式是如何形成特定基因表达模式是如何形成的的”是
5、细胞分化的中心问题。是细胞分化的中心问题。基因表达的阶段特异性及组织特异性基因表达的阶段特异性及组织特异性 特定基因的表达按照严格的特定基因的表达按照严格的时间顺序时间顺序发发生，同时，同一基因产物在不同的组织器生，同时，同一基因产物在不同的组织器官表达数量不同，不同的产物蛋白又分布官表达数量不同，不同的产物蛋白又分布于不同的细胞或组织器官于不同的细胞或组织器官。细胞分化是基因按一定时空细胞分化是基因按一定时空顺序表达的结果，这种在个顺序表达的结果，这种在个体发育过程中不同的基因按体发育过程中不同的基因按照一定的时空顺序被激活的照一定的时空顺序被激活的现象称为现象称为“基因的差异表达基因的差异
6、表达”。成纤维细胞被加入肌源蛋白后分化成纤维细胞被加入肌源蛋白后分化为肌细胞为肌细胞细细胞胞分分化化的的机机理理细胞分化细胞分化l 细胞分化是基因差异性表达的结果：细胞分化是基因差异性表达的结果：-细胞内环境的差异：细胞内环境的差异：细胞的不对称分裂使姐妹细胞细胞的不对称分裂使姐妹细胞产生了差异，在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地产生了差异，在细胞分裂时一些重要的分子被不均等地分配到两个子细胞中，引起核基因的差异表达。分配到两个子细胞中，引起核基因的差异表达。细胞分化细胞分化l 细胞分化是基因差异性表达的结果：细胞分化是基因差异性表达的结果：-细胞外环境的影响：细胞外环境的影响：邻近细胞间的
7、相互关系；细邻近细胞间的相互关系；细胞外信号胞外信号(cell-surface proteins,hormones,polypeptide cytokines and molecules of the extracellular matrix)在分化过程中可诱发细胞内信在分化过程中可诱发细胞内信号通路，影响基因表达。号通路，影响基因表达。应用应用DNA microarrays 研究基因表达研究基因表达l High output screening genes expressed differently in different tissues or at different stages in
8、 development奢侈基因与管家基因奢侈基因与管家基因l生物体细胞中含有决定生长分裂和分化的全部基因信生物体细胞中含有决定生长分裂和分化的全部基因信息，按其与细胞分化的关系，可将这些基因分为两大息，按其与细胞分化的关系，可将这些基因分为两大类：类：奢侈基因奢侈基因和和管家基因管家基因 奢侈基因奢侈基因(luxury gene):编码细胞特异性蛋白，与各种分化细编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球蛋白和肌动蛋白等的基因如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌
9、球蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。属此类。奢侈基因与管家基因奢侈基因与管家基因管家基因管家基因(house keeping gene)，这类基因的表达，这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不少，但与细胞分产物为细胞生命活动持续需要和必不少，但与细胞分化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。化的关系不大，在细胞分化中只起协助作用。如如tRNA，rRNA基因，催化能量代谢的各种酶系，三基因，催化能量代谢的各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等。羧酸循环中各种酶系等。从分子层次看，细胞分化主要是从分子层次看，细胞分化主要是奢侈奢侈基因中某种（或某些）特定基因选择基因中某种（或某些）特定基因选择性表达
10、的结果性表达的结果。某些基因的选择性表。某些基因的选择性表达合成了执行达合成了执行特定功能的蛋白质特定功能的蛋白质，从，从而产生特定的分化细胞类型。而产生特定的分化细胞类型。基因活性状态的可逆性基因活性状态的可逆性从单个合子核发育为不同类型细胞，从单个合子核发育为不同类型细胞，基因活性谱发生了改变，基因活性谱发生了改变，这种改变是这种改变是否涉及遗传物质的改变？否涉及遗传物质的改变？悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株（Steward,1970年）年）分化细胞的细胞核具有支持胚胎
11、发育能力分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力细胞核移植实验证明：细胞核移植实验证明：A A：分化中遗传物质没有发生不可逆改变；分化中遗传物质没有发生不可逆改变；B B：细胞质中含有决定核内基因活性谱的控制因子。细胞质中含有决定核内基因活性谱的控制因子。分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力分化细胞的细胞核具有支持胚胎发育能力l Cloning by nuclear transfer:Nuclei from cells of the same blastula are transferred into enucleated egg.The frogs that develop are clones
12、 as they all have the same genetic constitution.l The first mammal to be cloned,a lamb,the DollyDolly的标本和伊恩博士DollyDolly：1996.7.5.1996.7.5.世界上第一只克隆羊世界上第一只克隆羊世界上第一只克隆羊世界上第一只克隆羊DollyDolly由英国爱由英国爱由英国爱由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，丁堡大学的伊恩博士研制成功，丁堡大学的伊恩博士研制成功，丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.2003.2.14.由于肺结核由于肺结核由于肺结核由于肺结核而被安乐
13、死，它的标本于而被安乐死，它的标本于而被安乐死，它的标本于而被安乐死，它的标本于20032003年年年年4 4月月月月9 9日陈列于苏格兰日陈列于苏格兰日陈列于苏格兰日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。首都爱丁堡国家博物馆。首都爱丁堡国家博物馆。首都爱丁堡国家博物馆。Dolly治治疗疗性性克克隆隆这些实验说明这些实验说明：-即使是终末分化细胞，其细胞核同样即使是终末分化细胞，其细胞核同样也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整个体的个体的“全能性全能性”。细胞融合能改变分化细胞基因表达活性的模式细胞融合能改变分化细胞基因表达活性的模式l Cell fusio
14、n shows the reversibility of gene inactivation during differentiation:the inactivation of muscle-specific genes in human liver cells is not irreversible.l The pattern of gene expression in differentiated cells can be changed,controlled by factors present in the cytoplasm.转分化能改变细胞的分化状态转分化能改变细胞的分化状态l
15、Transdifferentiation:the change of one differentiated cell type into another.Generally,culture condition;to a developmentally related cell type 细胞分化状态是可以改细胞分化状态是可以改变的：变的：鸡视网膜表皮色素鸡视网膜表皮色素细胞在含透明质酸酶、血细胞在含透明质酸酶、血清、苯硫脲的条件下培养清、苯硫脲的条件下培养后转变为晶状体细胞。后转变为晶状体细胞。转分化能改变细胞的分化状态转分化能改变细胞的分化状态成纤维细胞转分化为其他类型的细胞成纤维细胞转分化
16、为其他类型的细胞转分化能改变细胞的分化状态转分化能改变细胞的分化状态转分化现象说明发育命运已经决定的细胞，仍然转分化现象说明发育命运已经决定的细胞，仍然具有分化成为其他细胞的潜能具有分化成为其他细胞的潜能抗体分子的结构抗体分子的结构e.g.,脊椎动物免疫系统脊椎动物免疫系统DNA的不可逆改变导致的细胞分化的不可逆改变导致的细胞分化抗体变异的分子基础抗体变异的分子基础B淋巴细胞分化过程中产生免疫球蛋白基因重排使基因组发生了淋巴细胞分化过程中产生免疫球蛋白基因重排使基因组发生了改变：原来胚胎细胞中不相连的改变：原来胚胎细胞中不相连的DNA片段，通过切掉一些片段，通过切掉一些DNA片段，重新装配成抗
17、体轻链和重链可变区基因。片段，重新装配成抗体轻链和重链可变区基因。在发育的不同阶段，不同基因处于不同的活性状态。在发育的不同阶段，不同基因处于不同的活性状态。一个转录因子可以调控其它许多基因的活性，但其一个转录因子可以调控其它许多基因的活性，但其作用取决于多个因素：作用取决于多个因素：H靶基因是否含有其调控区；靶基因是否含有其调控区；H其本身是否处于活化状态其本身是否处于活化状态(e.g.,是否磷酸化是否磷酸化)；H其本身是否结合了其它调控因子。其本身是否结合了其它调控因子。H调控区是否结合了其它的调控因子调控区是否结合了其它的调控因子基因活性状态的维持和传递决定于基因活性状态的维持和传递决定
18、于调控蛋白和调控蛋白和DNA的修饰的修饰基因表达活性模式的维持基因表达活性模式的维持l A central feature of cell differentiation is that some genes are maintained in an active state,while others are repressed and inactive.l genes encoding gene-regulatory proteins can affect the activity of several other genes:transcription factors can activa
19、te or repress the activity of genes by binding to their control regions.l One way of keeping a gene active is for the gene products itself to act as the positive regulatory protein:positive feedback,eg.Muscle-cell differentiation,the product of the myoD gene acts as an activator of myoD expression.维
20、持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在维持细胞基因活性状态依赖调控因子的连续存在l Chromatin that is packaged to a structure that cannot be transcribed is called heterochromatinl Changes in the packing state of chromatin can be inherited through many cell divisions and can keep genes inactive,eg.X-chromosome inactivation-in female mammals
21、,one of the two X chromosomes is inactivated and becomes highly condensed heterochromatin early in embryogenesis基因活性状态与染色质的结构有关基因活性状态与染色质的结构有关X-chromosome inactivationl Inactive X-chromosome shows a different physical state from that in the active one,the Barr body in the interphase nucleus of a fem
22、ale human cell.哺乳动物失活的哺乳动物失活的X染色体在生殖细胞形成时才重染色体在生殖细胞形成时才重新恢复活性状态，保持完整的遗传信息。新恢复活性状态，保持完整的遗传信息。基因活性状态与基因活性状态与DNA的化学修饰的化学修饰有关有关胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶胞嘧啶C C的甲基化修饰的甲基化修饰的甲基化修饰的甲基化修饰 CG CG岛（岛（岛（岛（CG islandCG island）：基因组）：基因组）：基因组）：基因组DNADNA中富含中富含中富含中富含GCGC碱基的区域，碱基的区域，碱基的区域，碱基的区域，其中一些对称序列中的其中一些对称序列中的其中一些对称序列中的其中一些对称序列中的
23、 5-CG-3 5-CG-3 二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（二核苷酸的胞嘧啶（C C）常被甲基化修饰；常被甲基化修饰；常被甲基化修饰；常被甲基化修饰；与基因的失活有关与基因的失活有关与基因的失活有关与基因的失活有关。DNA DNA甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精甲基化是一个动态过程，又是相对稳定的状态；受精 卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。卵和早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。卵和
24、早期胚胎细胞中甲基化程度低，随分化进程逐渐建立。l Many cytosine bases occurring CG pairs in vertebrate DNA are methylated.l When the DNA replicated,the new complementary strand lacks methylation but can be recognized by methylating enzyme基因活性状态与基因活性状态与DNA的化学修饰的化学修饰有关有关DNA甲基化甲基化 在在DNA复制后，由甲基化酶将复制后，由甲基化酶将S-腺苷甲硫氨酸的甲腺苷甲硫氨酸的甲基转
25、移到胞嘧啶的基转移到胞嘧啶的5-C上完成对碱基的修饰，甲基化位上完成对碱基的修饰，甲基化位置上可阻止转录因子与置上可阻止转录因子与DNA结合。结合。越是活跃的基因越是活跃的基因其甲基化程度越低，越不活跃的基因甲基化程度越高。其甲基化程度越低，越不活跃的基因甲基化程度越高。在发育过程中，当某些基因表达完成后，在发育过程中，当某些基因表达完成后，DNA的甲基的甲基化可能参与了基因的关闭过程。化可能参与了基因的关闭过程。Inheritance of the pattern of methylation on DNAl An epigenetic state of DNA methylation ca
26、n be maintained across cell generations.Post-translational modification of histone proteinsl The histone in chromatin can undergo modification such as methylation,acetylation,or phosphorylation on specific amino-acid residues,and can change the properties of chromatin,eg,histone methylation is more
27、characteristic of transcriptionally silent heterochromation.l Epigenetic changes such as DNA methylation,histone acetylation,and histone methylation can exert their effect on chromation structure and gene expression.Post-translational modification of histone proteinsHISTONE ACETYLATION&CHROMATIN REM
28、ODELINGDNADNA甲基化抑制甲基化抑制甲基化抑制甲基化抑制基因转录的机制基因转录的机制基因转录的机制基因转录的机制DNADNA甲基化有利于招甲基化有利于招甲基化有利于招甲基化有利于招募染色质重塑或修饰募染色质重塑或修饰募染色质重塑或修饰募染色质重塑或修饰因子因子因子因子细胞分化中差异基因的调控机制Gene expression差异差异基因表达的调控基因表达的调控l DNA的化学修饰的化学修饰、转录因转录因子的作用、子的作用、RNA splicing、蛋白的翻译后调控蛋白的翻译后调控RNA splicingmicroRNAPost-translational modification真核
29、细胞基因表达调节的多重性真核细胞基因表达调节的多重性 主要调控水平：主要调控水平：*转录水平转录水平转录水平转录水平调控（调控（调控（调控（transcriptional controltranscriptional control）*转录后水平转录后水平转录后水平转录后水平调控（调控（调控（调控（post-transcriptional controlpost-transcriptional control）RNARNA加工水平调控（加工水平调控（加工水平调控（加工水平调控（RNA processing controlRNA processing control）翻译水平调控（翻译水平调控（
30、翻译水平调控（翻译水平调控（translational controltranslational control）*蛋白质的蛋白质的蛋白质的蛋白质的翻译后翻译后翻译后翻译后修饰（修饰（修饰（修饰（post-translational modificationpost-translational modification）细胞分化中基因的转录调控转录调控涉及通用转录因子和组织特异性转录因子Tissue-specific gene express is controlled by regulatory regionsl Normally,growth hormone is made only in
31、 the pituitary,and elastase only in pancreasl Human GH is made in the pancreas under the control of the mouse elastase promoter.转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子Gene expression is regulated by the coordinated action of gene-regulatory proteins that bind to control regions in
32、 DNA l The transcription machinery,composed of RNA polymerase and the general transcription factors that bind to the promoter region,is common to many cells 转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子l A transcription factor interacting with its cis control element转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织
33、特异性转录调节因子转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子l Other regulatory regions,which have to be bound by gene-regulatory proteins(activators or repressors)before transcription can occur,are located adjacent to the promoter and usually further upstream of the gene,such as enhancer.l 3000 transcription factors in t
34、he human genome.5 different factors act together at any particular control region.基因远端的增强子促进转录复合体的装配基因远端的增强子促进转录复合体的装配转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子转录调控既需要基本转录调节因子也需要组织特异性转录调节因子l Co-activators,which link the transcription machinery to the activators and repressor proteins that bind to specific sites
35、such as enhancer.e.g.,CBP(a histone acetyltransferase),regulates the chromatin阻抑因子（阻抑因子（阻抑因子（阻抑因子（repressorrepressor）抑制基因转录的可能机制）抑制基因转录的可能机制）抑制基因转录的可能机制）抑制基因转录的可能机制阻抑因子（阻抑因子（阻抑因子（阻抑因子（repressorrepressor）抑制基因转录的可能机制）抑制基因转录的可能机制）抑制基因转录的可能机制）抑制基因转录的可能机制l Trans-acting elements:encoded transcription fact
36、ors that interact with cis-acting elements,either directly through DNA binding or indirectly through protein-protein interactions.转录调控中蛋白因子之间的相互作用转录调控中蛋白因子之间的相互作用外部信号对基因转录的激活作用外部信号对基因转录的激活作用Intracellular signal transduction by which signals received at the cell membrane can alter gene express:growth
37、 factors such as FGF and EGF;binding of the signal molecule to the cell-surface receptor sets in train an intracellular cascade of protein phosphorylations外部信号对基因转录的激活作用外部信号对基因转录的激活作用甾类激素甾类激素(Steroid hormones)以两种方式激活基因的转录：以两种方式激活基因的转录：A：受体在激素进入细胞前就结合在靶基因调控区上，但受体在激素进入细胞前就结合在靶基因调控区上，但 只有当激素与该受体结合后才激活转
38、录。只有当激素与该受体结合后才激活转录。E.g.,Thyroid hormones B：激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。激素先与胞质中其受体结合，再进入核激活转录。E.g.,glucocorticoid.Summaryl 转录调控是细胞分化的一个重要特征。真核基因的组织特异性转录调控是细胞分化的一个重要特征。真核基因的组织特异性表达依赖于基因侧翼顺式调控序列上的调控位点表达依赖于基因侧翼顺式调控序列上的调控位点(包括结合包括结合RNA聚合酶的转录起始位点邻近的启动子区域、更远处调控基因的组聚合酶的转录起始位点邻近的启动子区域、更远处调控基因的组织专一或发育阶段特异性表达的调控位点织
39、专一或发育阶段特异性表达的调控位点)。顺式调控上调控位顺式调控上调控位点与不同调节蛋白结合的组合形式决定基因是否表达。点与不同调节蛋白结合的组合形式决定基因是否表达。l 蛋白生长因子、激素等胞外信号本身不能进入细胞，但是可通蛋白生长因子、激素等胞外信号本身不能进入细胞，但是可通过细胞表面受体，激活细胞内的信号途径从而专一影响基因表达；过细胞表面受体，激活细胞内的信号途径从而专一影响基因表达；甾体激素能通过细胞膜和细胞内的受体蛋白形成复合物，作为转甾体激素能通过细胞膜和细胞内的受体蛋白形成复合物，作为转录因子与特定录因子与特定DNA调控元件结合影响基因表达。调控元件结合影响基因表达。l 分化细胞
40、中基因表达模式一旦建立，分化细胞中基因表达模式一旦建立，这种模式就能维持很长这种模式就能维持很长时间并能传递到子代细胞中。维持这种机制包括基因调控蛋白的时间并能传递到子代细胞中。维持这种机制包括基因调控蛋白的持续表达和作用、持续表达和作用、DNA和组蛋白化学修饰造成的染色质结构和特和组蛋白化学修饰造成的染色质结构和特性的长时期区域性的变化。性的长时期区域性的变化。转录调控细胞分化的几个模型单向分化：肌细胞分化单向分化：肌细胞分化涉及转录因子的次序表达涉及转录因子的次序表达MyoD及其它及其它MRF(muscle-related factors)与与其它非组织特异性其它非组织特异性bHLH蛋白如
41、蛋白如E2A结合而成的异源二聚体，以及结合而成的异源二聚体，以及MEF(muscle-enhancer factors)同源二聚体，在调控元件同源二聚体，在调控元件E-box或或MEF-box或或同时与二者结合形成转录起始复合体，促进靶基因的转录。同时与二者结合形成转录起始复合体，促进靶基因的转录。肌细胞分化与细胞周期肌细胞分化与细胞周期A：分裂中的成肌细胞不能分化：分裂中的成肌细胞不能分化B：分化中的肌细胞不能分裂：分化中的肌细胞不能分裂珠蛋白在发育中的表达调控受位于其编码区很远珠蛋白在发育中的表达调控受位于其编码区很远的调控序列的影响的调控序列的影响何时表达何种何时表达何种-珠蛋白，决定于
42、结合在特定珠蛋白基因的启珠蛋白，决定于结合在特定珠蛋白基因的启动子上的转录因子与结合在动子上的转录因子与结合在LCR上的因子之间的亲和力。例上的因子之间的亲和力。例如，如，敲除敲除-globin基因的启动子和基因的启动子和3 enhancer后，成年后，成年小鼠的红细胞中仍含大量的小鼠的红细胞中仍含大量的-globin;EKLF是是-珠蛋白启动珠蛋白启动子结合的转录因子，子结合的转录因子，EKLF-/-小鼠成年之后仍表达小鼠成年之后仍表达-和和-珠蛋珠蛋白。白。细胞分化中细胞分化中RNA加工水平上的调控加工水平上的调控RNA加工前三个胚层中的加工前三个胚层中的RNA量无差异。量无差异。Ect
43、En/mes加工后的加工后的RNA主要存在于外胚层中。主要存在于外胚层中。核酸保护实验核酸保护实验(放射性放射性intron或或exon探探针与总针与总RNA杂交后再杂交后再RNase消化消化)表明：表明：海胆钙结合蛋白基因海胆钙结合蛋白基因CyIIIa在原肠胚的在原肠胚的外胚层中表达外胚层中表达核酸核酸run-on(在膜上固定在膜上固定intron序列与放射性序列与放射性RNA探针杂交探针杂交)实实验表明：验表明：Spec1基因在原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，基因在原肠胚的内、中、外胚层细胞核中都表达，但成熟的但成熟的Spec1 mRNA只存在于外胚层中。只存在于外胚层中。同一基因的
44、初级转录物经选择性拼接可产同一基因的初级转录物经选择性拼接可产生不同的成熟生不同的成熟RNA-原肌球蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白原肌球蛋白 mRNA(-tropomyosin)mRNA(-tropomyosin)细胞分化中翻译细胞分化中翻译水平上的调控水平上的调控mRNA寿命的调控寿命的调控不同基因的不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其的半衰期不同，主要受其3UTR控控制。制。短寿命短寿命mRNA的的3UTR通常含有一个或多个通常含有一个或多个AU富富集区集区，其作用是促进，其作用是促进Poly(A)降解。降解。激素促进转录和增加激素促进转录和增加mRNA寿命寿命早期发育中母体效应因子的影响早
45、期发育中母体效应因子的影响H胚胎早期的发育主要由卵母细胞中的母体效应因子胚胎早期的发育主要由卵母细胞中的母体效应因子(maternal effect factor)所控制所控制。H卵母细胞通过储藏的卵母细胞通过储藏的mRNA调控早期发育，直到受精调控早期发育，直到受精后才进行翻译。后才进行翻译。-用转录抑制剂放线菌素用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期进行至囊胚期 -用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。发育。卵卵母母细细胞胞中中储储藏藏性性mRNA卵母细胞中卵母细胞中mRNA
46、的的 翻译调控机制翻译调控机制HmRNA masking(掩蔽掩蔽):mRNA与其它蛋白结合成与其它蛋白结合成ribonucleoprotein(RNP)complex,阻止与阻止与ribosome结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或蛋白磷酸化等导致蛋白磷酸化等导致RNP解体，翻译得以进行。解体，翻译得以进行。H5 Cap(7-甲基鸟苷酸甲基鸟苷酸)的调控：的调控：如某些种类的如某些种类的moths，其卵中的部分其卵中的部分mRNA的的5-鸟苷酸在受精后鸟苷酸在受精后才甲基化，然后开始翻译。才甲基化，然后开始翻译。卵母细胞中卵母细胞中mRNA的的 翻译调控机
47、制翻译调控机制HmRNA sequester:指指mRNA被阻隔于蛋白合成装被阻隔于蛋白合成装置。如海胆未受精卵的置。如海胆未受精卵的histone mRNA定位于原核定位于原核中，受精后原核破裂，中，受精后原核破裂，mRNA才能进入胞质开始翻才能进入胞质开始翻译。译。H翻译效率的调控：翻译效率的调控：如将海胆卵母细胞裂解液的如将海胆卵母细胞裂解液的pH从从自然状态下的自然状态下的pH6.9提高到提高到(受精后自然状态下的受精后自然状态下的)pH7.4,蛋白质合成量急剧增加。受精后蛋白质合成量急剧增加。受精后pH升高的作升高的作用可能包括去除用可能包括去除mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始的封闭
48、蛋白和激活翻译起始因子。因子。Poly(A)对翻译的调控：对翻译的调控：在小鼠的未成熟卵母细在小鼠的未成熟卵母细胞质中可以翻译的胞质中可以翻译的mRNA具具有较长的有较长的poly(A),减数成减数成熟分裂后熟分裂后poly(A)降解，翻降解，翻译终止。译终止。在减数成熟分裂前不表在减数成熟分裂前不表达的达的mRNA的的poly(A)较短较短(15-90A),但其但其3UTR具具有胞质多聚腺苷酸化信号序有胞质多聚腺苷酸化信号序列列(CPEs)(UUUUAU in mice and frogs)。减数成减数成熟分裂后这些熟分裂后这些 mRNA迅速迅速加上一个长的加上一个长的polyA,开始翻开始
49、翻译。译。poly(A)“尾巴尾巴”的获得对的获得对储藏的卵母细胞储藏的卵母细胞mRNA开始开始翻译很关键翻译很关键H胚胎早期的发育都由储藏在卵母细胞中的胚胎早期的发育都由储藏在卵母细胞中的mRNA控控制制。H哺乳类动物胚胎在第一个细胞周期内就开始胚胎基哺乳类动物胚胎在第一个细胞周期内就开始胚胎基因转录。如小鼠母体效应因子因转录。如小鼠母体效应因子mRNA只能维持只能维持2天，天，以后很快降解，由胚胎基因转录的以后很快降解，由胚胎基因转录的mRNA 编码新的编码新的蛋白质代替蛋白质代替母体效应因子控制发育母体效应因子控制发育。细胞分化中翻译后细胞分化中翻译后水平上的调控水平上的调控HActiv
50、ation by cleaving some domains,e.g,proinsulin;HControl of functions by subcellular localization,e.g.,membrane proteins;HAssembly with other proteins,e.g.,hemoglobin;HActivation by binding to ions,e.g.,calmodulin;HActivation by modifications,e.g.,phosphorylation.程序化细胞死亡受遗传调控程序化细胞死亡受遗传调控l Programmed c