第二章第二章 细胞分化的分子机制转录和转录前的细胞分化的分子机制转录和转录前的 调控调控第一篇 发育生物学基本原理概述v 个体发育的中心问题是细胞分化，研究细胞分化的分子机制是探索发育机制的基础。v 细胞分化是指多细胞有机体的细胞从简单、原始的状态到复杂和异样化的方向发展的过程，是通过细胞分裂产生结构和功能有稳定差异的过程。细胞分化概述v 在多细胞生物体内，每个细胞都有一定的性状，即细胞特定基因型在一定的环境条件下的表现，也称为细胞表型。v 根据细胞表型可将细胞分为3类：全能细胞、多潜能细胞和分化细胞。概述v 全能细胞：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达。如合子、海胆和有些动物的早期分裂球等。概述v 多潜能细胞：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。v 如多潜能生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、粒细胞等。v 多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定；v 在不同的环境条件下也能表现出某些相同的细胞表型，而且这种决定不能通过形态或生物化学的标准（无特殊的亚显微结构变化，不含特异性蛋白质）来识别；v 多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。概述v 分化细胞：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。v 合成特异性蛋白或具有特殊功能性的细胞器；v 有丝分裂的频率明显降低，有的甚至完全停止细胞分型。v 细胞分化的过程是从全能性细胞多潜能性细胞分化细胞的发展过程，也是基因选择性表达的结果。v 分化细胞一般仅有5-10的基因表达，除了合成细胞生长、代谢必需的产物之外，主要是特异性产物的合成。概述v 细胞分化是基因差异性表达的结果，差异性基因表达产生 的原因主要来自于两方面。v 细胞内环境的差异影响核基因的表达。在早期胚胎发育的卵裂阶段，由于卵质的不均匀分布，卵裂的结果所产生 的分裂球(细胞)存在不同的细胞内环境，引起胚胎细胞核基因的差异表达。v 细胞外环境的影响。在胚胎发育早期不同的胚胎细胞位于不同的区域，受到不同的外界环境的影响，接受不同 的位置信息。特别是邻近细胞的相互关系，如胚胎诱导 对于胚胎细胞分化具有重要意义。各种细胞外信号分子 (细胞因子、激素等信号分子)，通过细胞间的通讯，特别是信号传导间接影响细胞核基因的表达。概述v 差异基因表达的调控机制主要是在以下几个水平完成：v 差异基因转录：调节哪些核基因转录成RNA。v 核RNA的选择性加工：调节哪些核RNA进入细胞质并加工成为mRNA，构成特殊的转录子组。v mRNA的选择性翻译：调节哪些mRNA翻译成蛋白质。v 差别蛋白质加工：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。第一节 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。v 这些不同的组织细胞虽然具有相同的基因结构，但由于基因表达受到复杂的调控，发生差别基因转录，继而合成组织专一性蛋白质，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，只是在发育过程中不同的细胞利用了基因组中不同的基因，结果导致各类细胞合成其特有的蛋白质。一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据v (一)遗传学的证据v 遗传学的研究早就显示，果绳幼虫的许多细胞具有多线染 色体。这种多线染色体DNA可经历多次复制而不进行有丝 分裂。形成512条，1024条，甚至更多条平行的DNA双螺旋结构。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 体基因组约有5150个不同的条带。在整个幼虫期和成体的不同组织细胞中染色体的数目是相同的，染色体上条带的 图型也保持不变。v 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 DNA是相同的，进一步说明不同组织细胞的基因组相同。多线染色体一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据v (二)胚胎学的证据v Driesch(1892)用无钙海水分离2细胞、4细胞、8细胞和 16细胞期的海胆胚胎，发现每个单独的卵裂球都可以发育 成为正常的胚胎。表明海胆的早期分裂球是全能性的，细 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v 正常的蝾螈胚胎发育中，晶状体由神经外胚层诱导其表 面的表皮细胞产生。如果将晶状体原基移掉，其腹侧虹膜 细胞可再生新的晶状体。 v 将蝾螈胚胎视网膜原基移掉，色素视网膜细胞可再生新 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转化。(三)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。v 核酸分子杂交：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DNA。v 例：各种不同小鼠细胞的单链DNA可同样有效地抑制具有放射性标记的小鼠单链DNA探针与小鼠胚胎基因组的杂交。v 原位杂交技术：果蝇唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白，但在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因，而且该基因在体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白。二、核潜能的限定v （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。 v Briggs和King（1952，1960）用豹蛙成功进行核移植实验。v 他们将未分化的囊胚期细胞核移植进激活的去核卵，结果 有60%的受体正常发育形成囊胚，其中80%-85%继续发育 形成正常二倍体蝌蚪。 v 采用原肠胚早期内胚层细胞核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；v 若用神经胚内胚层细胞核为供体时仅有10%以下的胚胎能 够正常发育。v 由此可见，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。豹蛙核移植实验（一）在发育中核潜能被限定v 细胞核潜能的限定是稳定的且具有一定的组织特异性。v 三胚层细胞核移植实验：v 采用具有组织特异性的原肠胚后期内胚层细胞核为供体时，易于形成内胚层细胞，指导发育成为外胚层和中胚层细胞的能力已受到限制。v 外胚层细胞核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缺乏内胚层结构。v 在发育过程中体细胞核潜能的限定是一个普遍的规律。（二）细胞核具有潜在全能性的研究v 关于分化细胞核潜能限定的观点长期以来存在着争议。v 有些学者认为用已分化细胞核进行的移植实验在很多情况下不能获得正常发育胚胎的原因，主要是由于核移植的方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环境，容易引起染色体断裂。v 为真正评价细胞核的潜能，人们采用核克隆技术（连续克隆），使移植的供体核逐渐地适应这种环境，结果也可以获得发育正常的蝌蚪。核克隆技术v 将供体细胞核先移植进激活的去核卵中，再将发育产生的大量卵裂期或囊胚期细胞核为供体，再次进行移植，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，其中有些细胞核变得可以指导整个有机体的发育。v 如原肠胚后期内胚层细胞核可以指导胚胎发育成为正常的蝌蚪。甚至将已分化的小肠上皮细胞核或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蚪或成体。一般核移植过程核克隆过程Dolly的诞生v 克隆羊Dolly的诞生（1997）对于说明体细胞核发育的全能性具有特别重要的意义。v 这是人类首次成功的用哺乳动物体细胞-成年母羊乳腺上皮细胞核为供体，经过多次核移植而获得的后代。v 随后，克隆猴、克隆牛等一系列动物的研究获得了成功。Dolly的标本和伊恩博士v Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。三、基因组相同的例外基因组的改变v 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在很早的卵裂阶段中经历染色质消减，80%以上的DNA丢失，不再具备完整的基因组，仅有生殖系的细胞具有一套完整的基因组结构。v 瘿yng蝇在细胞核分裂至16个时，其中14个核中有32条染色体消失，仅保留8条染色体。拥有这些核的细胞不具有完整的基因组DNA，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。三、基因组相同的例外基因组的改变v B淋巴细胞：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DNA片段通 过切接去掉一些DNA片段，重新装配形成抗体轻链可变区 基因和重链可变区基因。此外，在B淋巴细胞分化过程中 恒定区基因发生类型转换，这两种因素使得每个B淋巴细 胞都具有独特的基因组，能够合成特异性抗体。 v T淋巴细胞受体基因也经历类似的基因重排产生。v 酵母细胞分化过程中也存在基因重排，有些基因还因为转 座子（可以迁移的片段，插入到基因组中带来新的信息） 的插入而改变。 v 此外，在胚胎发育的某特定时期，有的特殊基因被选择性 复制出许多拷贝，产生基因扩增现象。 v 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 化的原因（原因：内环境胞质和外环境胚胎诱导）。免疫球蛋白分子结构剪切免疫球蛋白基因重排第二节 染色质水平基因活性的调控v 真核生物的DNA集中存在于细胞核内，DNA分子中携带着两种遗传信息：一种是负责编码蛋白质氨基酸组成的结 构基因，另一种也是DNA序列，编码调控基因。v 基因表达：v 结构基因转录和翻译后由其翻译产物蛋白质参与和调控生活细胞的一切生命活动；v 同时，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特定的调控基因编码。核小体v DNA与蛋白质结合，构成以核小体为基本单位的染色质结构。染色质v 染色质可根据在细胞分裂间期折叠压缩的状况分成异染色质和常染色质。染色质结构发生变化是基因转录的前提。异染色质常染色质一、染色质v 异染色质存在结构型和机动型两种类型。v 结构型：异染色质DNA序列的折叠压缩状况始终不发生改变，也不进行转录，但是对于基因表达的调节起着重要的作用。v 机动型：异染色质在某些情况下DNA序列折叠压缩的状况可以发生改变，成为常染色质并具有转录活性；而在另一些情况下又可转变成为异染色质失去转录活性。这个现象称为异染色质化。v 例如：雌性哺乳动物的两个X染色体中有一个随机失活的现象。（一）X染色体失活v 1949年，Barr和Bertram就发现雌猫细胞核的核膜旁有个染色比较深的小颗粒，命名为Barr body，以后认识到它是一个失活的X染色体。v 体细胞：Barr body广泛地存在于雌性哺乳动物动物中，每个细胞都有一个X染色体失活。v 生殖细胞：这种现象也存在于雌性生殖细胞具有二倍体基因组的前体细胞，但在进行减数分裂时，失活的染色体又重新恢复活性，所以卵母细胞具有完整的遗传信息。X染色体失活的选择性和规律性v 证据：常常是父源性的X染色体失活，对雌性小鼠的滋养层细胞几乎只能检测到母源性X染色体的信号。v 有袋类动物所有胚胎细胞父源的X染色体都失活。v X染色体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X染色体长臂上的所有基因失活，位于X染色体短臂上的几个基因，如编码类固醇硫酸酯酶的基因并没有这种剂量失活的过程。在这些未失活的基因中，可能存 在引起X染色体失活信号传导分子的编码基因。v 近年来对X染色体失活的分子机制的研究显示，xist基因在X染色体失活时特异性表达，该基因具有调控小鼠发育中X染色体失活的功能。（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水蜡虫。v 雌性个体：细胞中不具有机动型异染色质；v 雄性个体：细胞的一整套单倍体父源性染色体经历异染色质化而失去转录活性。结果在雄性动物的细胞核中存在一套单倍体母源性的常染色质和一套单倍体父源性异染色质。v 精子：精子细胞核中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）。受精后如果产生雄性后代，精子携带来的染