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1、 博博学学笃笃行行 厚厚德德尚尚能能Yichun University关于细胞分化的分子机制转录关于细胞分化的分子机制转录和转录和转录第1页，讲稿共100张，创作于星期三概述概述v个体发育的中心问题是细胞分化个体发育的中心问题是细胞分化，研究细胞分化的分子机，研究细胞分化的分子机制是探索发育机制的基础。制是探索发育机制的基础。v细胞分化细胞分化是指多细胞有机体的细胞从是指多细胞有机体的细胞从简单简单、原始原始的状态到的状态到复杂复杂和和异样化异样化的方向发展的过程，是的方向发展的过程，是通过细胞分裂产生结通过细胞分裂产生结构和功能有稳定差异的过程构和功能有稳定差异的过程。第2页，讲稿共100张
2、，创作于星期三细胞分化细胞分化第3页，讲稿共100张，创作于星期三概述概述v在多细胞生物体内，每个细胞都有一定的性状，即细胞特在多细胞生物体内，每个细胞都有一定的性状，即细胞特定基因型在一定的环境条件下的表现，也称为定基因型在一定的环境条件下的表现，也称为细胞表型细胞表型。v根据细胞表型可将细胞分为根据细胞表型可将细胞分为3类：类：全能细胞全能细胞、多潜能细胞多潜能细胞和和分化细胞分化细胞。第4页，讲稿共100张，创作于星期三概述概述v全能细胞全能细胞：指它能够产生有机体的全部细胞表型，或者说：指它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可以产生一
3、个完整的有机体，它的全套基因信息都可以表达。如达。如合子合子、海胆和有些动物的早期分裂球海胆和有些动物的早期分裂球等。等。第5页，讲稿共100张，创作于星期三概述概述v多潜能细胞多潜能细胞：表现出发育潜能的一定局限性，仅能分化成：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。为特定范围内的细胞。v如如多潜能生血干细胞多潜能生血干细胞仅能分化成为仅能分化成为淋巴细胞淋巴细胞、单核细胞单核细胞、粒细胞粒细胞等。等。v多潜能细胞后代的多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定发育命运在一定的程度上已被限定；v在在不同的环境条件下也能表现出某些相同的细胞表型不同的环境条件下也能表现出某
4、些相同的细胞表型，而且这种决定而且这种决定不能通过形态或生物化学的标准不能通过形态或生物化学的标准（无特殊的（无特殊的亚显微结构变化，不含特异性蛋白质）亚显微结构变化，不含特异性蛋白质）来识别来识别；v多潜能细胞的基因表达受到一定的限制多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。第6页，讲稿共100张，创作于星期三概述概述v分化细胞分化细胞：由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的：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。特殊细胞表型。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细胞器具有特殊功能性的细胞器；v有丝分裂的频率有丝分裂的频率明显明显降低降低，有的甚至，有的甚至完全停止
5、完全停止细胞分型。细胞分型。v细胞分化的过程是从细胞分化的过程是从全能性细胞全能性细胞多潜能性细胞多潜能性细胞分化细分化细胞胞的发展过程，也是的发展过程，也是基因选择性表达的结果基因选择性表达的结果。v分化细胞一般仅有分化细胞一般仅有5-10的基因表达，除了的基因表达，除了合成细胞生合成细胞生长、代谢必需的产物长、代谢必需的产物之外，主要是之外，主要是特异性产物的合成特异性产物的合成。第7页，讲稿共100张，创作于星期三概述概述v细胞分化是细胞分化是基因差异性表达的结果基因差异性表达的结果，差异性基因表达产生，差异性基因表达产生的原因主要来自于的原因主要来自于两方面两方面。v细胞内环境的差异影
6、响核基因的表达细胞内环境的差异影响核基因的表达。在早期胚胎发育。在早期胚胎发育的卵裂阶段，由于的卵裂阶段，由于卵质的不均匀分布卵质的不均匀分布，卵裂的结果所产生，卵裂的结果所产生的分裂球的分裂球(细胞细胞)存在不同的细胞内环境，引起胚胎细胞核存在不同的细胞内环境，引起胚胎细胞核基因的差异表达。基因的差异表达。v细胞外环境的影响细胞外环境的影响。在胚胎发育早期在胚胎发育早期不同的不同的胚胎细胞胚胎细胞位于位于不同的不同的区域区域，受到不同的外界环境的影响，接受不同，受到不同的外界环境的影响，接受不同的位置信息。的位置信息。特别是特别是邻近细胞的相互关系邻近细胞的相互关系，如，如胚胎诱导胚胎诱导对
7、于胚胎细胞分化具有重要意义。对于胚胎细胞分化具有重要意义。各种细胞外信号分子各种细胞外信号分子(细胞因子、激素等信号分子细胞因子、激素等信号分子)，通过细胞间的通讯，特别，通过细胞间的通讯，特别是是信号传导间接影响细胞核基因的表达信号传导间接影响细胞核基因的表达。第8页，讲稿共100张，创作于星期三概述概述v差异基因表达的调控机制差异基因表达的调控机制主要是在以下几个水平完成：主要是在以下几个水平完成：v差异基因转录差异基因转录：调节哪些核基因转录成：调节哪些核基因转录成RNA。v核核RNA的选择性加工的选择性加工：调节哪些核：调节哪些核RNA进入细胞质并加进入细胞质并加工成为工成为mRNA，
8、构成特殊的转录子组。，构成特殊的转录子组。vmRNA的选择性翻译的选择性翻译：调节哪些：调节哪些mRNA翻译成蛋白质。翻译成蛋白质。v差别蛋白质加工差别蛋白质加工：选择哪些蛋白质加工成为功能性蛋白：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。质，即基因功能的实施者。第9页，讲稿共100张，创作于星期三第一节第一节 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多细胞有机体具有许多形态、功能和生物化学组成不同的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受精卵。v这些这些不同的
9、组织细胞不同的组织细胞虽然具有虽然具有相同的基因结构相同的基因结构，但由于，但由于基基因表达受到复杂的调控因表达受到复杂的调控，发生差别基因转录发生差别基因转录，继而，继而合成组合成组织专一性蛋白质织专一性蛋白质，出现细胞形态和功能的分化出现细胞形态和功能的分化。v换句话说就是这些细胞的基因组相同，只是在发育过程中换句话说就是这些细胞的基因组相同，只是在发育过程中不同的细胞利用了基因组中不同的基因不同的细胞利用了基因组中不同的基因，结果导致各类细，结果导致各类细胞合成其特有的蛋白质。胞合成其特有的蛋白质。第10页，讲稿共100张，创作于星期三一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据一、有机体不同
10、组织细胞基因组相同的证据v(一一)遗传学的证据遗传学的证据v遗传学的研究早就显示，遗传学的研究早就显示，果绳幼虫果绳幼虫的许多细胞具有的许多细胞具有多线染多线染色体色体。这种多线染色体。这种多线染色体DNA可经历多次复制而不进行有丝可经历多次复制而不进行有丝分裂分裂。形成。形成512条，条，1024条，甚至更多条平行的条，甚至更多条平行的DNA双螺双螺旋结构。旋结构。v人们发现这些染色体上有许多特征性的条带，果蝇的单倍人们发现这些染色体上有许多特征性的条带，果蝇的单倍体基因组约有体基因组约有5150个不同的条带。在个不同的条带。在整个幼虫期和成体的整个幼虫期和成体的不同组织细胞中染色体的不同组
11、织细胞中染色体的数目数目是是相同相同的，染色体上条带的的，染色体上条带的图型也保持不变图型也保持不变。v以后大量的实验证据表明以后大量的实验证据表明从同一个体不同组织细胞提取的从同一个体不同组织细胞提取的DNA是相同的是相同的，进一步说明不同组织细胞的基因组相同。，进一步说明不同组织细胞的基因组相同。第11页，讲稿共100张，创作于星期三多线染色体多线染色体第12页，讲稿共100张，创作于星期三一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据v(二二)胚胎学的证据胚胎学的证据vDriesch(1892)用无钙海水分离用无钙海水分离2细胞细胞、4细胞细胞、8细胞细胞和
12、和16细胞细胞期的期的海胆胚胎海胆胚胎，发现每个单独的卵裂球都可以发育，发现每个单独的卵裂球都可以发育成为正常的胚胎。表明成为正常的胚胎。表明海胆的早期分裂球是全能性的，海胆的早期分裂球是全能性的，细细胞核内具有分化产生其他各种细胞类型的基因胞核内具有分化产生其他各种细胞类型的基因。v蝾螈眼再生蝾螈眼再生v正常的蝾螈胚胎发育中，晶状体由正常的蝾螈胚胎发育中，晶状体由神经外胚层诱导神经外胚层诱导其表其表面的面的表皮细胞表皮细胞产生。如果将晶状体原基移掉，其产生。如果将晶状体原基移掉，其腹侧虹膜腹侧虹膜细胞可再生新的晶状体细胞可再生新的晶状体。v将蝾螈胚胎将蝾螈胚胎视网膜原基移掉视网膜原基移掉，色
13、素视网膜细胞可再生新色素视网膜细胞可再生新的视网膜的视网膜。v由已分化的细胞转分化为其他细胞类型的现象称为由已分化的细胞转分化为其他细胞类型的现象称为转化转化。第13页，讲稿共100张，创作于星期三(三三)分子生物学的证据分子生物学的证据v分子生物学的研究结果为基因组相同提供了更准确的证据。分子生物学的研究结果为基因组相同提供了更准确的证据。v核酸分子杂交核酸分子杂交：表明有机体的不同组织细胞都拥有序列完：表明有机体的不同组织细胞都拥有序列完全相同的核基因组全相同的核基因组DNA。v例例：各种不同小鼠细胞的单链各种不同小鼠细胞的单链DNA可同样有效地抑制具有可同样有效地抑制具有放射性标记的小鼠
14、单链放射性标记的小鼠单链DNA探针与小鼠胚胎基因组的杂交探针与小鼠胚胎基因组的杂交。v原位杂交技术原位杂交技术：果蝇：果蝇唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白，但在，但在果绳唾液腺细胞的果绳唾液腺细胞的基因组中却同样具有编码卵黄蛋白的基基因组中却同样具有编码卵黄蛋白的基因因，而且该基因在，而且该基因在体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白。第14页，讲稿共100张，创作于星期三二、核潜能的限定二、核潜能的限定v（一）在发育中核潜能被限定（一）在发育中核潜能被限定v大量的证据表明，随着细胞的分化，核的潜能逐渐被限定大量的证据表明，随着细胞的分化，核的
15、潜能逐渐被限定。vBriggs和和King（1952，1960）用）用豹蛙豹蛙成功进行成功进行核移植实验核移植实验。v他们将未分化的他们将未分化的囊胚期细胞核囊胚期细胞核移植进激活的去核卵，结果移植进激活的去核卵，结果有有60%的受体正常发育形成囊胚，其中的受体正常发育形成囊胚，其中80%-85%继续发育继续发育形成正常二倍体蝌蚪。形成正常二倍体蝌蚪。v采用采用原肠胚早期内胚层细胞核原肠胚早期内胚层细胞核为供体进行核移植时只有为供体进行核移植时只有50%的胚胎能够进行正常发育为蝌蚪；的胚胎能够进行正常发育为蝌蚪；v若用若用神经胚内胚层细胞核神经胚内胚层细胞核为供体时仅有为供体时仅有10%以下以
16、下的胚胎能的胚胎能够正常发育。够正常发育。v由此可见，由此可见，随着个体发育的进行，细胞核指导发育的潜能被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，甚至丧失了指导全部发育的能力越来越限定，甚至丧失了指导全部发育的能力。第15页，讲稿共100张，创作于星期三豹蛙核移植实验豹蛙核移植实验第16页，讲稿共100张，创作于星期三（一）在发育中核潜能被限定（一）在发育中核潜能被限定v细胞核潜能的限定细胞核潜能的限定是稳定的且是稳定的且具有一定的组织特异性具有一定的组织特异性。v三胚层细胞核移植实验：三胚层细胞核移植实验：v采用具有组织特异性的采用具有组织特异性的原肠胚后期原肠胚后期内胚层细胞
17、核内胚层细胞核为供体为供体时，易于形成内胚层细胞，指导发育成为时，易于形成内胚层细胞，指导发育成为外胚层和中胚层外胚层和中胚层细胞的能力已受到限制细胞的能力已受到限制。v外胚层细胞核外胚层细胞核为供体进行移核实验，产生发育异常的蝌为供体进行移核实验，产生发育异常的蝌蚪，可具有正常的神经分化但是蚪，可具有正常的神经分化但是缺乏内胚层缺乏内胚层结构。结构。v在发育过程中体细胞核潜能的限定是一个普遍的规律。在发育过程中体细胞核潜能的限定是一个普遍的规律。第17页，讲稿共100张，创作于星期三（二）细胞核具有潜在全能性的研究（二）细胞核具有潜在全能性的研究v关于关于分化细胞核潜能限定分化细胞核潜能限定
18、的观点长期以来存在着争议。的观点长期以来存在着争议。v有些学者认为用有些学者认为用已分化细胞核已分化细胞核进行的移植实验在很多情况进行的移植实验在很多情况下下不能获得正常发育胚胎不能获得正常发育胚胎的原因，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细胞核突然进入了一个高频率分裂的陌生胞质分化细胞核突然进入了一个高频率分裂的陌生胞质环境环境，容易引起，容易引起染色体断裂染色体断裂。v为真正评价细胞核的潜能，人们采用为真正评价细胞核的潜能，人们采用核克隆技术（核克隆技术（连续克连续克隆隆），使移植的供体核逐渐地适应这种环境，结果也可以，使移植的供体核逐渐地适应这种环境，结果也
19、可以获得发育正常的蝌蚪。获得发育正常的蝌蚪。第18页，讲稿共100张，创作于星期三核克隆技术核克隆技术v将供体细胞核先移植进激活的去核卵中，再将发育产生的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，大量卵裂期或囊胚期细胞核为供体，再次进行移植再次进行移植，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。的许多拷贝。v已分化细胞的核经历这一系列的移植后，其中已分化细胞的核经历这一系列的移植后，其中有些细胞核有些细胞核变得可以指导整个有机体的发育变得可以指导整个有机体的发育。v如如原肠胚
20、后期内胚层细胞核原肠胚后期内胚层细胞核可以指导胚胎发育成为正常的可以指导胚胎发育成为正常的蝌蚪。甚至将已分化的蝌蚪。甚至将已分化的小肠上皮细胞核小肠上皮细胞核或或红细胞的细胞核红细胞的细胞核作为供体移植到去核卵中，也可以获得少数发育正常的蝌作为供体移植到去核卵中，也可以获得少数发育正常的蝌蚪或成体。蚪或成体。第19页，讲稿共100张，创作于星期三一般核移植过程一般核移植过程第20页，讲稿共100张，创作于星期三核克隆过程核克隆过程第21页，讲稿共100张，创作于星期三Dolly的诞生的诞生v克隆羊克隆羊Dolly的诞生（的诞生（1997）对于说明体细胞核发育的全对于说明体细胞核发育的全能性具有
21、特别重要的意义。能性具有特别重要的意义。v这是人类首次成功的用哺乳这是人类首次成功的用哺乳动物体细胞动物体细胞-成年母羊乳腺上成年母羊乳腺上皮细胞核为供体皮细胞核为供体，经过，经过多次多次核移植核移植而获得的后代。而获得的后代。v随后，克隆猴、克隆牛等一随后，克隆猴、克隆牛等一系列动物的研究获得了成功。系列动物的研究获得了成功。第22页，讲稿共100张，创作于星期三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由英国爱丁堡大由英国爱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.由于肺结核而被安乐死
22、，由于肺结核而被安乐死，它的标本于它的标本于2003年年4月月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。物馆。第23页，讲稿共100张，创作于星期三三、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有些特殊的细胞中基因组会发生改变。有些特殊的细胞中基因组会发生改变。v马蛔虫体细胞的前体细胞马蛔虫体细胞的前体细胞在很早的卵裂阶段中经历在很早的卵裂阶段中经历染色质染色质消减消减，80%以上的以上的DNA丢失丢失，不再具备完整的基因组，不再具备完整的基因组，仅仅有生殖系的细胞具有一套完整的基因组结构有生殖系的细胞具有一套完整的基因组结构。v瘿瘿yng蝇蝇在细
23、胞核分裂至在细胞核分裂至16个个时，其中时，其中14个核个核中有中有32条条染色体消失，染色体消失，仅保留仅保留8条染色体条染色体。拥有这些核的细胞不具。拥有这些核的细胞不具有完整的基因组有完整的基因组DNA，将分化产生瘿蝇成体的体细胞，而，将分化产生瘿蝇成体的体细胞，而拥有其余两个核的细胞发育成为生殖细胞。拥有其余两个核的细胞发育成为生殖细胞。第24页，讲稿共100张，创作于星期三三、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vB淋巴细胞淋巴细胞：分化过程中发生免疫球蛋白基因重排使基因：分化过程中发生免疫球蛋白基因重排使基因组发生改变。原来胚胎细胞基因组中不相连的组发生改变
24、。原来胚胎细胞基因组中不相连的DNA片段通片段通过切接去掉一些过切接去掉一些DNA片段，片段，重新装配形成抗体轻链可变区重新装配形成抗体轻链可变区基因和重链可变区基因基因和重链可变区基因。此外，在。此外，在B淋巴细胞分化过程中淋巴细胞分化过程中恒定区基因发生类型转换恒定区基因发生类型转换，这两种因素使得每个，这两种因素使得每个B淋巴细淋巴细胞都具有独特的基因组，能够合成特异性抗体。胞都具有独特的基因组，能够合成特异性抗体。vT淋巴细胞淋巴细胞受体基因也经历类似的基因重排产生。受体基因也经历类似的基因重排产生。v酵母细胞酵母细胞分化过程中也分化过程中也存在基因重排存在基因重排，有些基因还因为，有
25、些基因还因为转转座子座子（可以迁移的片段，插入到基因组中带来新的信息）（可以迁移的片段，插入到基因组中带来新的信息）的的插入插入而改变。而改变。v此外，在胚胎发育的某特定时期，有的特殊基因被选择性此外，在胚胎发育的某特定时期，有的特殊基因被选择性复制出许多拷贝，产生复制出许多拷贝，产生基因扩增现象基因扩增现象。v以上这些遗传信息的改变是以上这些遗传信息的改变是细胞分化的结果而不是细胞分细胞分化的结果而不是细胞分化的原因（化的原因（原因：原因：内环境胞质和外环境胚胎诱导内环境胞质和外环境胚胎诱导）。第25页，讲稿共100张，创作于星期三免疫球蛋白分子结构免疫球蛋白分子结构第26页，讲稿共100张
26、，创作于星期三剪切剪切免疫球蛋白基因重排免疫球蛋白基因重排第27页，讲稿共100张，创作于星期三第二节第二节 染色质水平基因活性的调控染色质水平基因活性的调控v真核生物的真核生物的DNA集中存在于细胞核内，集中存在于细胞核内，DNA分子中携带着分子中携带着两种遗传信息：一种是负责两种遗传信息：一种是负责编码蛋白质氨基酸组成的结构编码蛋白质氨基酸组成的结构基因基因，另一种也是，另一种也是DNA序列，序列，编码调控基因编码调控基因。v基因表达：基因表达：v结构基因转录和翻译后由其翻译产物结构基因转录和翻译后由其翻译产物蛋白质参与和调控蛋白质参与和调控生活细胞的一切生命活动生活细胞的一切生命活动；v
27、同时，同时，确定蛋白质的结构和蛋白质合成时间、空间次序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性的信息由特定的调控基因编码。特定的调控基因编码。第28页，讲稿共100张，创作于星期三核小体核小体vDNA与蛋白质结合，构成以与蛋白质结合，构成以核小体核小体为基本单位的染色质结为基本单位的染色质结构。构。第29页，讲稿共100张，创作于星期三染色质染色质v染色质可根据在染色质可根据在细胞分裂间期折叠压缩细胞分裂间期折叠压缩的状况分成的状况分成异染色异染色质质和和常染色质常染色质。染色质结构发生变化是基因转录的前提染色质结构发生变化是基因转录的前提。异染色质异染色质常染色质常染色质第30
28、页，讲稿共100张，创作于星期三一、染色质一、染色质v异染色质存在异染色质存在结构型结构型和和机动型机动型两种类型。两种类型。v结构型结构型：异染色质：异染色质DNA序列的序列的折叠压缩状况始终不发生改折叠压缩状况始终不发生改变变，也，也不进行转录不进行转录，但是，但是对于基因表达的调节起着重要的对于基因表达的调节起着重要的作用作用。v机动型机动型：异染色质在某些情况下：异染色质在某些情况下DNA序列序列折叠压缩的状况折叠压缩的状况可以发生改变可以发生改变，成为常染色质并，成为常染色质并具有转录活性具有转录活性；而在另一；而在另一些情况下又些情况下又可转变成为异染色质失去转录活性可转变成为异染
29、色质失去转录活性。这个现象。这个现象称为称为异染色质化异染色质化。v例如例如：雌性哺乳动物的两个：雌性哺乳动物的两个X染色体染色体中有一个中有一个随机失活随机失活的的现象。现象。第31页，讲稿共100张，创作于星期三（一）（一）X染色体失活染色体失活v1949年，年，Barr和和Bertram就发现就发现雌猫雌猫细胞核的核膜旁有个细胞核的核膜旁有个染色比较深的小颗粒染色比较深的小颗粒，命名为，命名为Barr body，以后认识到它，以后认识到它是一个失活的是一个失活的X染色体。染色体。v体细胞体细胞：Barr body广泛地存在于雌性哺乳动物动物中广泛地存在于雌性哺乳动物动物中，每个细胞都有一
30、个每个细胞都有一个X染色体失活染色体失活。v生殖细胞生殖细胞：这种现象也存在于：这种现象也存在于雌性生殖细胞具有二倍体基雌性生殖细胞具有二倍体基因组的前体细胞因组的前体细胞，但在进行，但在进行减数分裂时减数分裂时，失活的染色体又，失活的染色体又重新恢复活性重新恢复活性，所以卵母细胞具有完整的遗传信息。，所以卵母细胞具有完整的遗传信息。第32页，讲稿共100张，创作于星期三第33页，讲稿共100张，创作于星期三X染色体失活的选择性和规律性染色体失活的选择性和规律性v证据证据：常常是：常常是父源性的父源性的X染色体失活染色体失活，对，对雌性小鼠雌性小鼠的的滋养滋养层细胞层细胞几乎只能检测到母源性几
31、乎只能检测到母源性X染色体的信号。染色体的信号。v有袋类动物有袋类动物所有胚胎细胞所有胚胎细胞父源的父源的X染色体都失活。染色体都失活。vX染色体失活染色体失活并不是整条染色体发生异染色质化和失活，并不是整条染色体发生异染色质化和失活，而只是位于而只是位于X染色体染色体长臂上的所有基因失活长臂上的所有基因失活，位于，位于X染色染色体体短臂上的几个基因短臂上的几个基因，如编码类固醇硫酸酯酶的基因，如编码类固醇硫酸酯酶的基因并没并没有有这种剂量这种剂量失活失活的过程。在这些未失活的基因中，可能的过程。在这些未失活的基因中，可能存存在引起在引起X染色体失活信号传导分子的编码基因染色体失活信号传导分子
32、的编码基因。v近年来对近年来对X染色体失活的分子机制的研究显示，染色体失活的分子机制的研究显示，xist基因基因在在X染色体失活时特异性表达，该基因染色体失活时特异性表达，该基因具有调控小鼠发育中具有调控小鼠发育中X染色体失活的功能染色体失活的功能。第34页，讲稿共100张，创作于星期三（二）水蜡虫的染色体失活（二）水蜡虫的染色体失活v最引人注目的染色体失活现象见于最引人注目的染色体失活现象见于水蜡虫水蜡虫。v雌性个体雌性个体：细胞中：细胞中不具有机动型异染色质不具有机动型异染色质；v雄性个体雄性个体：细胞的：细胞的一整套单倍体父源性染色体经历异染色一整套单倍体父源性染色体经历异染色质化而失去
33、转录活性质化而失去转录活性。结果在雄性动物的细胞核中存在。结果在雄性动物的细胞核中存在一一套单倍体母源性的常染色质套单倍体母源性的常染色质和和一套单倍体父源性异染色质一套单倍体父源性异染色质。v精子精子：精子细胞核中：精子细胞核中仅具有一套单倍体母源性的遗传信息仅具有一套单倍体母源性的遗传信息（异染色质不进入精子核）（异染色质不进入精子核）。受精后如果产生雄性后代，。受精后如果产生雄性后代，精子携带来的染色体再次经历异染色质化而失去转录活性。精子携带来的染色体再次经历异染色质化而失去转录活性。v结果结果：在雄性个体中除了少数组织中出现异染色质化逆转：在雄性个体中除了少数组织中出现异染色质化逆转
34、的情况之外，的情况之外，进行表达的基因几乎全部是母源性进行表达的基因几乎全部是母源性的。的。第35页，讲稿共100张，创作于星期三第36页，讲稿共100张，创作于星期三水蜡虫水蜡虫x射线照射实验射线照射实验vBrown(1961）用）用x射线照射水蜡虫，再把射线照射水蜡虫，再把经过照射的水蜡经过照射的水蜡虫虫与与未经过照射的水蜡虫未经过照射的水蜡虫进行交配。进行交配。v结果发现结果发现：v其后代的发育情况不一致，只要其后代的发育情况不一致，只要雌性雌性亲代经过亲代经过X射线射线照照射射，而，而雄性雄性亲代是亲代是未未经经x射线射线照射照射正常的后代，不管是雄正常的后代，不管是雄性的还是雄性的幼
35、体性的还是雄性的幼体均大量死亡均大量死亡；v如果如果雌性雌性亲代是亲代是未未经经x射线射线照射照射，而，而雄性雄性亲代是经过亲代是经过x射射线线照射照射的正常后代，尽管的正常后代，尽管雌性雌性幼体幼体死亡死亡数仍然很数仍然很多多但但雄性雄性幼体幼体死亡死亡的却比较的却比较少少。v说明雄性水蜡虫细胞核中染色质的情况不同于雌性水蜡虫说明雄性水蜡虫细胞核中染色质的情况不同于雌性水蜡虫。v染色体失活现象染色体失活现象：是：是发生在转录前发生在转录前的一种基因调整。这种的一种基因调整。这种调控机制是调控机制是使大量的基因异染色质化使大量的基因异染色质化，进而使这些，进而使这些基因的基因的转录停止转录停止
36、。第37页，讲稿共100张，创作于星期三二、选择性基因转录的染色质变化二、选择性基因转录的染色质变化v对于对于染色体疏松区染色体疏松区和和灯刷染色体灯刷染色体的研究有助于说明特殊基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。因转录前的调控和选择性基因转录。v（一）染色体疏松区（一）染色体疏松区v染色体疏松区染色体疏松区：指染色体上：指染色体上DNA解聚的特殊区域，是基因解聚的特殊区域，是基因转录活跃区。转录活跃区。v研究发现研究发现果蝇果蝇和和双翅目昆虫双翅目昆虫的多线染色体的多线染色体是否有疏松区是否有疏松区和和疏松区的位置疏松区的位置，在，在不同组织细胞不同组织细胞和和同种细胞不
37、同发育时期同种细胞不同发育时期均均存在很大差异存在很大差异，具有组织和发育时期的特异性。，具有组织和发育时期的特异性。v表明表明染色体上基因转录染色体上基因转录是按一定的是按一定的时间时间和和空间顺序空间顺序进行的。进行的。第38页，讲稿共100张，创作于星期三蜕皮素处理实验蜕皮素处理实验v用蜕皮素处理用蜕皮素处理体外培养的体外培养的果蝇果蝇唾液腺细胞唾液腺细胞，染色体上会，染色体上会产产生一些新的疏松区生一些新的疏松区，但是，但是原有的一些疏松区退化原有的一些疏松区退化。v新的疏松区的形成新的疏松区的形成：由蜕皮素和染色体上的特殊部位结合：由蜕皮素和染色体上的特殊部位结合所介导的。所介导的。
38、v荧光抗体检测荧光抗体检测：利用：利用兔抗蜕皮素抗体兔抗蜕皮素抗体为一抗，为一抗，荧光素标记荧光素标记的羊抗兔抗体的羊抗兔抗体为二抗，进行荧光染色可以检测出染色体上为二抗，进行荧光染色可以检测出染色体上蜕皮素结合的位置，即对蜕皮素敏感的疏松区。蜕皮素结合的位置，即对蜕皮素敏感的疏松区。v在幼虫时期蜕皮素敏感的的疏松区大致可分为在幼虫时期蜕皮素敏感的的疏松区大致可分为3种种：v1.在蜕皮素刺激后能在蜕皮素刺激后能诱导退化的疏松区诱导退化的疏松区；v2.被蜕皮素刺激后被蜕皮素刺激后1h内能迅速产生的疏松区内能迅速产生的疏松区；v3.在蜕皮素刺激后在蜕皮素刺激后几个小时后才能出现的疏松区几个小时后才
39、能出现的疏松区。第39页，讲稿共100张，创作于星期三蜕皮素处理实验蜕皮素处理实验v疏松区所合成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产物对于诱导以后产生的疏松区是必需的。v如果在如果在前一批疏松区刚形成不久前一批疏松区刚形成不久，就在果蝇唾液腺细胞，就在果蝇唾液腺细胞体外培养体系中体外培养体系中加入蛋白质合成抑制剂加入蛋白质合成抑制剂，蜕皮素的刺激就，蜕皮素的刺激就不能引起后来的疏松区产生不能引起后来的疏松区产生。v用用突变的方法排除前一批疏松区突变的方法排除前一批疏松区，后一批疏松区也不能后一批疏松区也不能产生产生。v说明说明蜕皮素蜕皮素和和前一批疏松区的产物前一批疏松区的产
40、物都是后一批疏松区产生都是后一批疏松区产生的的必要条件必要条件。第40页，讲稿共100张，创作于星期三蜕皮素和前一批疏松区产物是必要条件蜕皮素和前一批疏松区产物是必要条件第41页，讲稿共100张，创作于星期三（二）灯刷染色体（二）灯刷染色体v在两栖类卵母细胞染色体的松散在两栖类卵母细胞染色体的松散DNA处可以看到昆虫染色处可以看到昆虫染色体疏松区的类似物，这种结构就是灯刷染色体。体疏松区的类似物，这种结构就是灯刷染色体。第42页，讲稿共100张，创作于星期三（二）灯刷染色体（二）灯刷染色体v在在减数分裂的双线期减数分裂的双线期成对排列的成对排列的每个每个染色单体自染色粒向一侧伸出许多染色单体自
41、染色粒向一侧伸出许多DNA的侧环的侧环，这些侧环在双线期之后，这些侧环在双线期之后再缩回去。蝾螈卵母细胞在双线期，再缩回去。蝾螈卵母细胞在双线期，每个染色单体上约有每个染色单体上约有5000个侧环，有个侧环，有些可长达些可长达50-100m，含有，含有106个核苷酸个核苷酸分子。分子。v一般所观察到的一般所观察到的一个环是一个转录单一个环是一个转录单位位。灯刷染色体可以产生大量的。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，是卵发生中信息大量产生和积累的途径之一。这些积累的途径之一。这些mRNA主要为主要为早期发育所利用早期发育所利用。第43页，讲稿共100张，创作于星期三第三
42、节第三节 转录水平的调控转录水平的调控v差异基因转录的调控是最重要的调控机制。差异基因转录的调控是最重要的调控机制。v一、基因表达的时间和空间特异性一、基因表达的时间和空间特异性v基因表达的时间特异性基因表达的时间特异性：有些特异性的基因，只有在发育：有些特异性的基因，只有在发育的某个特定时期或某些时期才具有活性，而在其他时期则的某个特定时期或某些时期才具有活性，而在其他时期则是无功能的基因。是无功能的基因。v基因表达的空问特异性基因表达的空问特异性：主要指基因表达的组织细胞特异：主要指基因表达的组织细胞特异性。性。第44页，讲稿共100张，创作于星期三二、发育中基因转录水平的调节和变化二、发
43、育中基因转录水平的调节和变化v（一）卵清蛋白基因的转录（一）卵清蛋白基因的转录v卵清蛋白是由产卵母鸡的输卵管黏膜细胞分泌的。卵清蛋白是由产卵母鸡的输卵管黏膜细胞分泌的。v卵清蛋白基因的转录卵清蛋白基因的转录受激素的调控受激素的调控。v卵清蛋白的产生依赖于卵清蛋白的产生依赖于固醇类雌性激素固醇类雌性激素的存在。的存在。v固醇类激素是疏水性分子，可以自由出入细胞膜。当雌性固醇类激素是疏水性分子，可以自由出入细胞膜。当雌性激素进入细胞后可被激素受体蛋白识别，两者结合形成雌激素进入细胞后可被激素受体蛋白识别，两者结合形成雌性激素性激素-受体复合物。在发生构象变化后，复合物通过核膜受体复合物。在发生构象
44、变化后，复合物通过核膜孔进入细胞核并与染色质的特定区域结合，孔进入细胞核并与染色质的特定区域结合，启动和促进卵启动和促进卵清蛋白基因的转录清蛋白基因的转录。v给年轻的母鸡注射雌性激素可以引起输卵管黏膜细胞的分给年轻的母鸡注射雌性激素可以引起输卵管黏膜细胞的分化，合成卵清蛋白。化，合成卵清蛋白。第45页，讲稿共100张，创作于星期三类固醇激素作用机理类固醇激素作用机理第46页，讲稿共100张，创作于星期三（二）珠蛋白基因的转录（二）珠蛋白基因的转录v血红蛋白血红蛋白=珠蛋白珠蛋白+血红素血红素v利用珠蛋白利用珠蛋白mRNA的探针，对鸡胚红细胞发育中血红蛋白的探针，对鸡胚红细胞发育中血红蛋白最初的
45、转录进行监控。最初的转录进行监控。v分离孵化分离孵化20-23h的鸡胚后部明区血岛时，可以观察到的鸡胚后部明区血岛时，可以观察到红红细胞的前体细胞细胞的前体细胞，但并，但并未检测到未检测到血红蛋白基因的血红蛋白基因的转录产物转录产物。v到鸡胚孵化到鸡胚孵化35h，红细胞的，红细胞的前体细胞分化为幼红细胞前体细胞分化为幼红细胞，血红蛋白迅速合成血红蛋白迅速合成。v这表明这表明血红蛋白基因是在这一段发育时期中转录的血红蛋白基因是在这一段发育时期中转录的。第47页，讲稿共100张，创作于星期三血红蛋白血红蛋白v血红蛋白是一个四聚体蛋血红蛋白是一个四聚体蛋白质，在人和许多动物中，白质，在人和许多动物中
46、，胚胎、胎儿和成体红细胞胚胎、胎儿和成体红细胞的血红蛋白分子的组成都的血红蛋白分子的组成都不相同。不相同。v人胚胎血红蛋白人胚胎血红蛋白：由：由2个个-珠蛋白链、珠蛋白链、2个个-珠蛋白珠蛋白链和链和4个个血红素血红素分子组成。分子组成。第48页，讲稿共100张，创作于星期三血红蛋白血红蛋白v妊娠第妊娠第2个月个月：和和-珠珠蛋白链的合成突然停止，蛋白链的合成突然停止，而而-和和-珠蛋白链合成量增珠蛋白链合成量增加。由两个加。由两个-和两个和两个-珠蛋珠蛋白链组成胎儿的血红蛋白白链组成胎儿的血红蛋白分子。分子。第49页，讲稿共100张，创作于星期三血红蛋白血红蛋白v妊娠第妊娠第3个月：个月：-
47、珠蛋白基珠蛋白基因表达逐渐停止，同时因表达逐渐停止，同时-和和-基因开始表达，产量基因开始表达，产量逐渐增加。逐渐增加。v出生后：出生后：血红蛋白分子的血红蛋白分子的组成迅速转换，由胎儿型组成迅速转换，由胎儿型代之为成体型，即代之为成体型，即22。v正常成体的血红蛋白分子正常成体的血红蛋白分子中中22占占97%，22为为2%-3%，22为为1%。第50页，讲稿共100张，创作于星期三血红蛋白血红蛋白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-珠蛋白基因相连，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
48、族的表达显珠蛋白基因家族的表达显示了一种调控机制，即指示了一种调控机制，即指导其从导其从胚胎型胚胎型胎儿型胎儿型成体型成体型转变的顺序开关。转变的顺序开关。第51页，讲稿共100张，创作于星期三(三三)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.中心启动子元件中心启动子元件v在整个发育过程中在整个发育过程中5SrRNA基因表达的调控都是在转录水基因表达的调控都是在转录水平进行的。平进行的。v非洲爪蟾非洲爪蟾基因组具有基因组具有2个编码个编码5SrRNA的多基因家族，即的多基因家族，即卵卵母细胞型母细胞型和和体细胞型体细胞型。v卵母细胞型卵母细胞型：20 00
49、0个，转录水平很低，卵发生早期开始个，转录水平很低，卵发生早期开始囊胚中期可被检测到。囊胚中期可被检测到。v体细胞型体细胞型：400个，合成体细胞的个，合成体细胞的95以上以上5SrRNA，卵发，卵发生早期开始一直可以检测到。生早期开始一直可以检测到。v5SrRNA的基因的转录是由的基因的转录是由RNA聚合酶聚合酶所调控的所调控的第52页，讲稿共100张，创作于星期三2TFA的转录调节的转录调节v转录因子转录因子TFA参与参与RNA聚合酶聚合酶对对非洲爪蟾非洲爪蟾5SrRNA转转录的控制。录的控制。vTFA既是既是RNA聚合酶聚合酶控制中的控制中的第一个转录因子第一个转录因子，也，也是是5Sr
50、RNA的基因的的基因的专一性转录因子专一性转录因子。v但是但是TFA分子分子与与5SrRNA的基因的基因中间启动子中间启动子的的结合力很结合力很弱弱，相比之下非特异性转录因子，相比之下非特异性转录因子TFC能够能够更牢固更牢固地与地与5SrRNA的基因中间启动子相结合，所以的基因中间启动子相结合，所以TFA分子与分子与TFC结合形成结合形成TFA-TFC 复合物复合物。v当当RNA聚合酶聚合酶与该复合物结合时与该复合物结合时5SrRNA的基因的转录的基因的转录即发生即发生。第53页，讲稿共100张，创作于星期三(四四)转录调控的转录调控的“开关基因开关基因”(switch gene)v在发育中