细胞分化的分子机制转录和转录.pptx

细胞分化的分子机制转录和转录细胞分化细胞分化概述概述v在多细胞生物体内在多细胞生物体内,每个细胞都有一定得性状每个细胞都有一定得性状,即细胞特定即细胞特定基因型在一定得环境条件下得表现基因型在一定得环境条件下得表现,也称为细胞表型。也称为细胞表型。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、多潜能细胞和全能细胞、多潜能细胞和分化细胞。分化细胞。概述概述v全能细胞全能细胞:指她能够产生有机体得全部细胞表型指她能够产生有机体得全部细胞表型,或者说可或者说可以产生一个完整得有机体以产生一个完整得有机体,她得全套基因信息都可以表达。她得全套基因信息都可以表达。如合子、海胆和有些动物得早期分裂球等。如合子、海胆和有些动物得早期分裂球等。概述概述v多潜能细胞多潜能细胞:表现出发育潜能得一定局限性表现出发育潜能得一定局限性,仅能分化成为仅能分化成为特定范围内得细胞。特定范围内得细胞。v如多潜能生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、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。粒细胞等。v多潜能细胞后代得发育命运在一定得程度上已被限定多潜能细胞后代得发育命运在一定得程度上已被限定;v在不同得环境条件下也能表现出某些相同得细胞表型在不同得环境条件下也能表现出某些相同得细胞表型,而且这种决定不能通过形态或生物化学得标准而且这种决定不能通过形态或生物化学得标准(无特殊得无特殊得亚显微结构变化亚显微结构变化,不含特异性蛋白质不含特异性蛋白质)来识别来识别;v多潜能细胞得基因表达受到一定得限制。多潜能细胞得基因表达受到一定得限制。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得由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成得特殊细胞表型。特殊细胞表型。v合成特异性蛋白或具有特殊功能性得细胞器合成特异性蛋白或具有特殊功能性得细胞器;v有丝分裂得频率明显降低有丝分裂得频率明显降低,有得甚至完全停止细胞分型。有得甚至完全停止细胞分型。v细胞分化得过程就是从全能性细胞细胞分化得过程就是从全能性细胞多潜能性细胞多潜能性细胞分化分化细胞得发展过程细胞得发展过程,也就是基因选择性表达得结果。也就是基因选择性表达得结果。v分化细胞一般仅有分化细胞一般仅有5-10得基因表达得基因表达,除了合成细胞生除了合成细胞生长、代谢必需得产物之外长、代谢必需得产物之外,主要就是特异性产物得合成。主要就是特异性产物得合成。概述概述v细胞分化就是基因差异性表达得结果细胞分化就是基因差异性表达得结果,差异性基因表达产差异性基因表达产生得原因主要来自于两方面。生得原因主要来自于两方面。v细胞内环境得差异影响核基因得表达。在早期胚胎发育细胞内环境得差异影响核基因得表达。在早期胚胎发育得卵裂阶段得卵裂阶段,由于卵质得不均匀分布由于卵质得不均匀分布,卵裂得结果所产生得卵裂得结果所产生得分裂球分裂球(细胞细胞)存在不同得细胞内环境存在不同得细胞内环境,引起胚胎细胞核基引起胚胎细胞核基因得差异表达。因得差异表达。v细胞外环境得影响。细胞外环境得影响。在胚胎发育早期不同得胚胎细胞在胚胎发育早期不同得胚胎细胞位于不同得区域位于不同得区域,受到不同得外界环境得影响受到不同得外界环境得影响,接受不同得接受不同得位置信息。位置信息。特别就是邻近细胞得相互关系特别就是邻近细胞得相互关系,如胚胎诱导如胚胎诱导对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),通过细胞间得通讯通过细胞间得通讯,特别就特别就是信号传导间接影响细胞核基因得表达。是信号传导间接影响细胞核基因得表达。概述概述v差异基因表达得调控机制主要就是在以下几个水平完成差异基因表达得调控机制主要就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得选择性加工得选择性加工: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,构成特殊得转录子组。构成特殊得转录子组。vmRNA得选择性翻译得选择性翻译: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质,即基因功能得实施者。即基因功能得实施者。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多细胞有机体具有许多形态、功能和生物化学组成不同得多细胞有机体具有许多形态、功能和生物化学组成不同得细胞。这些不同得细胞都来自于一个共同得始祖细胞细胞。这些不同得细胞都来自于一个共同得始祖细胞受精卵。受精卵。v这些不同得组织细胞虽然具有相同得基因结构这些不同得组织细胞虽然具有相同得基因结构,但由于基但由于基因表达受到复杂得调控因表达受到复杂得调控,发生差别基因转录发生差别基因转录,继而合成组织继而合成组织专一性蛋白质专一性蛋白质,出现细胞形态和功能得分化。出现细胞形态和功能得分化。v换句话说就就是这些细胞得基因组相同换句话说就就是这些细胞得基因组相同,只就是在发育过只就是在发育过程中不同得细胞利用了基因组中不同得基因程中不同得细胞利用了基因组中不同得基因,结果导致各结果导致各类细胞合成其特有得蛋白质。类细胞合成其特有得蛋白质。一、有机体不同组织细胞基因组相同得证据一、有机体不同组织细胞基因组相同得证据v(一一)遗传学得证据遗传学得证据v遗传学得研究早就显示遗传学得研究早就显示,果绳幼虫得许多细胞具有多线染果绳幼虫得许多细胞具有多线染色体。这种多线染色体色体。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。形成分裂。形成512条条,1024条条,甚至更多条平行得甚至更多条平行得DNA双螺旋双螺旋结构。结构。v人们发现这些染色体上有许多特征性得条带人们发现这些染色体上有许多特征性得条带,果蝇得单倍果蝇得单倍体基因组约有体基因组约有5150个不同得条带。在整个幼虫期和成体得个不同得条带。在整个幼虫期和成体得不同组织细胞中染色体得数目就是相同得不同组织细胞中染色体得数目就是相同得,染色体上条带染色体上条带得图型也保持不变。得图型也保持不变。v以后大量得实验证据表明从同一个体不同组织细胞提取得以后大量得实验证据表明从同一个体不同组织细胞提取得DNA就是相同得就是相同得,进一步说明不同组织细胞得基因组相同。进一步说明不同组织细胞得基因组相同。多线染色体多线染色体12大家应该也有点累了，稍作休息大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流大家有疑问的，可以询问和交流一、有机体不同组织细胞基因组相同得证据一、有机体不同组织细胞基因组相同得证据v(二二)胚胎学得证据胚胎学得证据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细胞和细胞和16细胞期得海胆胚胎细胞期得海胆胚胎,发现每个单独得卵裂球都可以发育发现每个单独得卵裂球都可以发育成为正常得胚胎。表明海胆得早期分裂球就是全能性得成为正常得胚胎。表明海胆得早期分裂球就是全能性得,细胞核内具有分化产生其她各种细胞类型得基因。细胞核内具有分化产生其她各种细胞类型得基因。v蝾螈眼再生蝾螈眼再生v正常得蝾螈胚胎发育中正常得蝾螈胚胎发育中,晶状体由神经外胚层诱导其表晶状体由神经外胚层诱导其表面得表皮细胞产生。如果将晶状体原基移掉面得表皮细胞产生。如果将晶状体原基移掉,其腹侧虹膜其腹侧虹膜细胞可再生新得晶状体。细胞可再生新得晶状体。v将蝾螈胚胎视网膜原基移掉将蝾螈胚胎视网膜原基移掉,色素视网膜细胞可再生新色素视网膜细胞可再生新得视网膜。得视网膜。v由已分化得细胞转分化为其她细胞类型得现象称为转化。由已分化得细胞转分化为其她细胞类型得现象称为转化。(三三)分子生物学得证据分子生物学得证据v分子生物学得研究结果为基因组相同提供了更准确得证据。分子生物学得研究结果为基因组相同提供了更准确得证据。v核酸分子杂交核酸分子杂交:表明有机体得不同组织细胞都拥有序列完表明有机体得不同组织细胞都拥有序列完全相同得核基因组全相同得核基因组DNA。v例例:各种不同小鼠细胞得单链各种不同小鼠细胞得单链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得小鼠单链放射性标记得小鼠单链DNA探针与小鼠胚胎基因组得杂交。探针与小鼠胚胎基因组得杂交。v原位杂交技术原位杂交技术:果蝇唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白果蝇唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白,但在果但在果绳唾液腺细胞得基因组中却同样具有编码卵黄蛋白得基因绳唾液腺细胞得基因组中却同样具有编码卵黄蛋白得基因,而且该基因在体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白。而且该基因在体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白。二、核潜能得限定二、核潜能得限定v(一一)在发育中核潜能被限定在发育中核潜能被限定v大量得证据表明大量得证据表明,随着细胞得分化随着细胞得分化,核得潜能逐渐被限定。核得潜能逐渐被限定。vBriggs和和King(1952,1960)用豹蛙成功进行核移植实验。用豹蛙成功进行核移植实验。v她们将未分化得囊胚期细胞核移植进激活得去核卵她们将未分化得囊胚期细胞核移植进激活得去核卵,结果结果有有60%得受体正常发育形成囊胚得受体正常发育形成囊胚,其中其中80%-85%继续发育形继续发育形成正常二倍体蝌蚪。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%得胚胎能够进行正常发育为蝌蚪得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若用神经胚内胚层细胞核为供体时仅有10%以下得胚胎能以下得胚胎能够正常发育。够正常发育。v由此可见由此可见,随着个体发育得进行随着个体发育得进行,细胞核指导发育得潜能被越细胞核指导发育得潜能被越来越限定来越限定,甚至丧失了指导全部发育得能力。甚至丧失了指导全部发育得能力。豹蛙核移植实验豹蛙核移植实验(一一)在发育中核潜能被限定在发育中核潜能被限定v细胞核潜能得限定就是稳定得且具有一定得组织特异性。细胞核潜能得限定就是稳定得且具有一定得组织特异性。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得原肠胚后期内胚层细胞核为供体采用具有组织特异性得原肠胚后期内胚层细胞核为供体时时,易于形成内胚层细胞易于形成内胚层细胞,指导发育成为外胚层和中胚层细指导发育成为外胚层和中胚层细胞得能力已受到限制。胞得能力已受到限制。v外胚层细胞核为供体进行移核实验外胚层细胞核为供体进行移核实验,产生发育异常得蝌产生发育异常得蝌蚪蚪,可具有正常得神经分化但就是缺乏内胚层结构。可具有正常得神经分化但就是缺乏内胚层结构。v在发育过程中体细胞核潜能得限定就是一个普遍得规律。在发育过程中体细胞核潜能得限定就是一个普遍得规律。(二二)细胞核具有潜在全能性得研究细胞核具有潜在全能性得研究v关于分化细胞核潜能限定得观点长期以来存在着争议。关于分化细胞核潜能限定得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得移植实验在很多情况有些学者认为用已分化细胞核进行得移植实验在很多情况下不能获得正常发育胚胎得原因下不能获得正常发育胚胎得原因,主要就是由于核移植得主要就是由于核移植得方法使已分化细胞核突然进入了一个高频率分裂得陌生胞方法使已分化细胞核突然进入了一个高频率分裂得陌生胞质环境质环境,容易引起染色体断裂。容易引起染色体断裂。v为真正评价细胞核得潜能为真正评价细胞核得潜能,人们采用核克隆技术人们采用核克隆技术(连续克隆连续克隆),使移植得供体核逐渐地适应这种环境使移植得供体核逐渐地适应这种环境,结果也可以获得结果也可以获得发育正常得蝌蚪。发育正常得蝌蚪。核克隆技术核克隆技术v将供体细胞核先移植进激活得去核卵中将供体细胞核先移植进激活得去核卵中,再将发育产生得再将发育产生得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,移植到移植到更多得去核卵中更多得去核卵中,通过多次核移植可制备出原来供体核得通过多次核移植可制备出原来供体核得许多拷贝。许多拷贝。v已分化细胞得核经历这一系列得移植后已分化细胞得核经历这一系列得移植后,其中有些细胞核其中有些细胞核变得可以指导整个有机体得发育。变得可以指导整个有机体得发育。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得如原肠胚后期内胚层细胞核可以指导胚胎发育成为正常得蝌蚪。甚至将已分化得小肠上皮细胞核或红细胞得细胞核蝌蚪。甚至将已分化得小肠上皮细胞核或红细胞得细胞核作为供体移植到去核卵中作为供体移植到去核卵中,也可以获得少数发育正常得蝌也可以获得少数发育正常得蝌蚪或成体。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得诞生得诞生v克隆羊克隆羊Dolly得诞生得诞生(1997)对对于说明体细胞核发育得全能于说明体细胞核发育得全能性具有特别重要得意义。性具有特别重要得意义。v这就是人类首次成功得用哺这就是人类首次成功得用哺乳动物体细胞乳动物体细胞-成年母羊乳腺成年母羊乳腺上皮细胞核为供体上皮细胞核为供体,经过多次经过多次核移植而获得得后代。核移植而获得得后代。v随后随后,克隆猴、克隆牛等一系克隆猴、克隆牛等一系列动物得研究获得了成功。列动物得研究获得了成功。Dolly得标本和伊恩博士得标本和伊恩博士vDolly:1996、7、5、世界上第一只克隆羊、世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁由英国爱丁堡大学得伊恩博士研制成功堡大学得伊恩博士研制成功,2003、2、14、由于肺结核而、由于肺结核而被安乐死被安乐死,她得标本于她得标本于2003年年4月月9日陈列于苏格兰首都爱日陈列于苏格兰首都爱丁堡国家博物馆。丁堡国家博物馆。三、基因组相同得例外三、基因组相同得例外基因组得改变基因组得改变v有些特殊得细胞中基因组会发生改变。有些特殊得细胞中基因组会发生改变。v马蛔虫体细胞得前体细胞在很早得卵裂阶段中经历染色质马蛔虫体细胞得前体细胞在很早得卵裂阶段中经历染色质消减消减,80%以上得以上得DNA丢失丢失,不再具备完整得基因组不再具备完整得基因组,仅有生仅有生殖系得细胞具有一套完整得基因组结构。殖系得细胞具有一套完整得基因组结构。v瘿瘿yng蝇在细胞核分裂至蝇在细胞核分裂至16个时个时,其中其中14个核中有个核中有32条染条染色体消失色体消失,仅保留仅保留8条染色体。拥有这些核得细胞不具有完条染色体。拥有这些核得细胞不具有完整得基因组整得基因组DNA,将分化产生瘿蝇成体得体细胞将分化产生瘿蝇成体得体细胞,而拥有其而拥有其余两个核得细胞发育成为生殖细胞。余两个核得细胞发育成为生殖细胞。三、基因组相同得例外三、基因组相同得例外基因组得改变基因组得改变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组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得发生改变。原来胚胎细胞基因组中不相连得DNA片段通过片段通过切接去掉一些切接去掉一些DNA片段片段,重新装配形成抗体轻链可变区基重新装配形成抗体轻链可变区基因和重链可变区基因。此外因和重链可变区基因。此外,在在B淋巴细胞分化过程中恒定淋巴细胞分化过程中恒定区基因发生类型转换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淋巴细胞都具淋巴细胞都具有独特得基因组有独特得基因组,能够合成特异性抗体。能够合成特异性抗体。vT淋巴细胞受体基因也经历类似得基因重排产生。淋巴细胞受体基因也经历类似得基因重排产生。v酵母细胞分化过程中也存在基因重排酵母细胞分化过程中也存在基因重排,有些基因还因为转有些基因还因为转座子座子(可以迁移得片段可以迁移得片段,插入到基因组中带来新得信息插入到基因组中带来新得信息)得得插入而改变。插入而改变。v此外此外,在胚胎发育得某特定时期在胚胎发育得某特定时期,有得特殊基因被选择性复有得特殊基因被选择性复制出许多拷贝制出许多拷贝,产生基因扩增现象。产生基因扩增现象。v以上这些遗传信息得改变就是细胞分化得结果而不就是细以上这些遗传信息得改变就是细胞分化得结果而不就是细胞分化得原因胞分化得原因(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)。免疫球蛋白分子结构免疫球蛋白分子结构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 染色质水平基因活性得调控染色质水平基因活性得调控v真核生物得真核生物得DNA集中存在于细胞核内集中存在于细胞核内,DNA分子中携带着两分子中携带着两种遗传信息种遗传信息:一种就是负责编码蛋白质氨基酸组成得结构一种就是负责编码蛋白质氨基酸组成得结构基因基因,另一种也就是另一种也就是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蛋白质参与和调控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得一切生命活动生活细胞得一切生命活动;v同时同时,确定蛋白质得结构和蛋白质合成时间、空间次序确定蛋白质得结构和蛋白质合成时间、空间次序性得信息由特定得调控基因编码。性得信息由特定得调控基因编码。核小体核小体vDNA与蛋白质结合与蛋白质结合,构成以核小体为基本单位得染色质结构成以核小体为基本单位得染色质结构。构。染色质染色质v染色质可根据在细胞分裂间期折叠压缩得状况分成异染色染色质可根据在细胞分裂间期折叠压缩得状况分成异染色质和常染色质。染色质结构发生变化就是基因转录得前提。质和常染色质。染色质结构发生变化就是基因转录得前提。异染色质异染色质常染色质常染色质一、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。异染色质存在结构型和机动型两种类型。v结构型结构型:异染色质异染色质DNA序列得折叠压缩状况始终不发生改序列得折叠压缩状况始终不发生改变变,也不进行转录也不进行转录,但就是对于基因表达得调节起着重要得但就是对于基因表达得调节起着重要得作用。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序列折叠压缩得状况序列折叠压缩得状况可以发生改变可以发生改变,成为常染色质并具有转录活性成为常染色质并具有转录活性;而在另一些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。为异染色质化。v例如例如:雌性哺乳动物得两个雌性哺乳动物得两个X染色体中有一个随机失活得现染色体中有一个随机失活得现象。象。(一一)X染色体失活染色体失活v1949年年,Barr和和Bertram就发现雌猫细胞核得核膜旁有个染就发现雌猫细胞核得核膜旁有个染色比较深得小颗粒色比较深得小颗粒,命名为命名为Barr body,以后认识到她就是一以后认识到她就是一个失活得个失活得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,每每个细胞都有一个个细胞都有一个X染色体失活。染色体失活。v生殖细胞生殖细胞:这种现象也存在于雌性生殖细胞具有二倍体基这种现象也存在于雌性生殖细胞具有二倍体基因组得前体细胞因组得前体细胞,但在进行减数分裂时但在进行减数分裂时,失活得染色体又重失活得染色体又重新恢复活性新恢复活性,所以卵母细胞具有完整得遗传信息。所以卵母细胞具有完整得遗传信息。X染色体失活得选择性和规律性染色体失活得选择性和规律性v证据证据:常常就是父源性得常常就是父源性得X染色体失活染色体失活,对雌性小鼠得滋养对雌性小鼠得滋养层细胞几乎只能检测到母源性层细胞几乎只能检测到母源性X染色体得信号。染色体得信号。v有袋类动物所有胚胎细胞父源得有袋类动物所有胚胎细胞父源得X染色体都失活。染色体都失活。vX染色体失活并不就是整条染色体发生异染色质化和失活染色体失活并不就是整条染色体发生异染色质化和失活,而只就是位于而只就是位于X染色体长臂上得所有基因失活染色体长臂上得所有基因失活,位于位于X染色染色体短臂上得几个基因体短臂上得几个基因,如编码类固醇硫酸酯酶得基因并没如编码类固醇硫酸酯酶得基因并没有这种剂量失活得过程。在这些未失活得基因中有这种剂量失活得过程。在这些未失活得基因中,可能存可能存在引起在引起X染色体失活信号传导分子得编码基因。染色体失活信号传导分子得编码基因。v近年来对近年来对X染色体失活得分子机制得研究显示染色体失活得分子机制得研究显示,xist基因在基因在X染色体失活时特异性表达染色体失活时特异性表达,该基因具有调控小鼠发育中该基因具有调控小鼠发育中X染色体失活得功能。染色体失活得功能。(二二)水蜡虫得染色体失活水蜡虫得染色体失活v最引人注目得染色体失活现象见于水蜡虫。最引人注目得染色体失活现象见于水蜡虫。v雌性个体雌性个体:细胞中不具有机动型异染色质细胞中不具有机动型异染色质;v雄性个体雄性个体:细胞得一整套单倍体父源性染色体经历异染色细胞得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。结果在雄性动物得细胞核中存在一质化而失去转录活性。结果在雄性动物得细胞核中存在一套单倍体母源性得常染色质和一套单倍体父源性异染色质。套单倍体母源性得常染色质和一套单倍体父源性异染色质。v精子精子:精子细胞核中仅具有一套单倍体母源性得遗传信息精子细胞核中仅具有一套单倍体母源性得遗传信息(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,精精子携带来得染色体再次经历异染色质化而失去转录活性。子携带来得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得情况之外得情况之外,进行表达得基因几乎全部就是母源性得。进行表达得基因几乎全部就是母源性得。水蜡虫水蜡虫x射线照射实验射线照射实验vBrown(1961)用用x射线照射水蜡虫射线照射水蜡虫,再把经过照射得水蜡虫再把经过照射得水蜡虫与未经过照射得水蜡虫进行交配。与未经过照射得水蜡虫进行交配。v结果发现结果发现:v其后代得发育情况不一致其后代得发育情况不一致,只要雌性亲代经过只要雌性亲代经过X射线照射射线照射,而雄性亲代就是未经而雄性亲代就是未经x射线照射正常得后代射线照射正常得后代,不管就是雄性不管就是雄性得还就是雄性得幼体均大量死亡得还就是雄性得幼体均大量死亡;v如果雌性亲代就是未经如果雌性亲代就是未经x射线照射射线照射,而雄性亲代就是经过而雄性亲代就是经过x射线照射得正常后代射线照射得正常后代,尽管雌性幼体死亡数仍然很多但雄尽管雌性幼体死亡数仍然很多但雄性幼体死亡得却比较少。性幼体死亡得却比较少。v说明雄性水蜡虫细胞核中染色质得情况不同于雌性水蜡虫。说明雄性水蜡虫细胞核中染色质得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:就是发生在转录前得一种基因调整。这就是发生在转录前得一种基因调整。这种调控机制就是使大量得基因异染色质化种调控机制就是使大量得基因异染色质化,进而使这些基进而使这些基因得转录停止。因得转录停止。二、选择性基因转录得染色质变化二、选择性基因转录得染色质变化v对于染色体疏松区和灯刷染色体得研究有助于说明特殊基对于染色体疏松区和灯刷染色体得研究有助于说明特殊基因转录前得调控和选择性基因转录。因转录前得调控和选择性基因转录。v(一一)染色体疏松区染色体疏松区v染色体疏松区染色体疏松区:指染色体上指染色体上DNA解聚得特殊区域解聚得特殊区域,就是基因就是基因转录活跃区。转录活跃区。v研究发现果蝇和双翅目昆虫得多线染色体就是否有疏松区研究发现果蝇和双翅目昆虫得多线染色体就是否有疏松区和疏松区得位置和疏松区得位置,在不同组织细胞和同种细胞不同发育时在不同组织细胞和同种细胞不同发育时期均存在很大差异期均存在很大差异,具有组织和发育时期得特异性。具有组织和发育时期得特异性。v表明染色体上基因转录就是按一定得时间和空间顺序进行表明染色体上基因转录就是按一定得时间和空间顺序进行得。得。蜕皮素处理实验蜕皮素处理实验v用蜕皮素处理体外培养得果蝇唾液腺细胞用蜕皮素处理体外培养得果蝇唾液腺细胞,染色体上会产染色体上会产生一些新得疏松区生一些新得疏松区,但就是原有得一些疏松区退化。但就是原有得一些疏松区退化。v新得疏松区得形成新得疏松区得形成:由蜕皮素和染色体上得特殊部位结合由蜕皮素和染色体上得特殊部位结合所介导得。所介导得。v荧光抗体检测荧光抗体检测:利用兔抗蜕皮素抗体为一抗利用兔抗蜕皮素抗体为一抗,荧光素标记得荧光素标记得羊抗兔抗体为二抗羊抗兔抗体为二抗,进行荧光染色可以检测出染色体上蜕进行荧光染色可以检测出染色体上蜕皮素结合得位置皮素结合得位置,即对蜕皮素敏感得疏松区。即对蜕皮素敏感得疏松区。v在幼虫时期蜕皮素敏感得得疏松区大致可分为在幼虫时期蜕皮素敏感得得疏松区大致可分为3种种:v1、在蜕皮素刺激后能诱导退化得疏松区、在蜕皮素刺激后能诱导退化得疏松区;v2、被蜕皮素刺激后、被蜕皮素刺激后1h内能迅速产生得疏松区内能迅速产生得疏松区;v3、在蜕皮素刺激后几个小时后才能出现得疏松区。、在蜕皮素刺激后几个小时后才能出现得疏松区。蜕皮素处理实验蜕皮素处理实验v疏松区所合成得产物对于诱导以后产生得疏松区就是必需疏松区所合成得产物对于诱导以后产生得疏松区就是必需得。得。v如果在前一批疏松区刚形成不久如果在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加入蛋白质合成抑制剂体外培养体系中加入蛋白质合成抑制剂,蜕皮素得刺激就蜕皮素得刺激就不能引起后来得疏松区产生。不能引起后来得疏松区产生。v用突变得方法排除前一批疏松区用突变得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说明蜕皮素和前一批疏松区得产物都就是后一批疏松区产说明蜕皮素和前一批疏松区得产物都就是后一批疏松区产生得必要条件。生得必要条件。蜕皮素和前一批疏松区产物就是必要条件蜕皮素和前一批疏松区产物就是必要条件(二二)灯刷染色体灯刷染色体v在两栖类卵母细胞染色体得松散在两栖类卵母细胞染色体得松散DNA处可以看到昆虫染色处可以看到昆虫染色体疏松区得类似物体疏松区得类似物,这种结构就就是灯刷染色体。这种结构就就是灯刷染色体。(二二)灯刷染色体灯刷染色体v在减数分裂得双线期成对排列得每个在减数分裂得双线期成对排列得每个染色单体自染色粒向一侧伸出许多染色单体自染色粒向一侧伸出许多DNA得侧环得侧环,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,每每个染色单体上约有个染色单体上约有5000个侧环个侧环,有些可有些可长达长达50-100m,含有含有106个核苷酸分子。个核苷酸分子。v一般所观察到得一个环就是一个转录一般所观察到得一个环就是一个转录单位。灯刷染色体可以产生大量得单位。灯刷染色体可以产生大量得mRNA,就是卵发生中信息大量产生和就是卵发生中信息大量产生和积累得途径之一。这些积累得途径之一。这些mRNA主要为主要为早期发育所利用。早期发育所利用。第三节第三节 转录水平得调控转录水平得调控v差异基因转录得调控就是最重要得调控机制。差异基因转录得调控就是最重要得调控机制。v一、基因表达得时间和空间特异性一、基因表达得时间和空间特异性v基因表达得时间特异性基因表达得时间特异性:有些特异性得基因有些特异性得基因,只有在发育得只有在发育得某个特定时期或某些时期才具有活性某个特定时期或某些时期才具有活性,而在其她时期则就而在其她时期则就是无功能得基因。是无功能得基因。v基因表达得空问特异性基因表达得空问特异性:主要指基因表达得组织细胞特异主要指基因表达得组织细胞特异性。性。二、发育中基因转录水平得调节和变化二、发育中基因转录水平得调节和变化v(一一)卵清蛋白基因得转录卵清蛋白基因得转录v卵清蛋白就是由产卵母鸡得输卵管黏膜细胞分泌得。卵清蛋白就是由产卵母鸡得输卵管黏膜细胞分泌得。v卵清蛋白基因得转录受激素得调控。卵清蛋白基因得转录受激素得调控。v卵清蛋白得产生依赖于固醇类雌性激素得存在。卵清蛋白得产生依赖于固醇类雌性激素得存在。v固醇类激素就是疏水性分子固醇类激素就是疏水性分子,可以自由出入细胞膜。当雌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性激素进入细胞后可被激素受体蛋白识别,两者结合形成两者结合形成雌性激素雌性激素-受体复合物。在发生构象变化后受体复合物。在发生构象变化后,复合物通过核复合物通过核膜孔进入细胞核并与染色质得特定区域结合膜孔进入细胞核并与染色质得特定区域结合,启动和促进启动和促进卵清蛋白基因得转录。卵清蛋白基因得转录。v给年轻得母鸡注射雌性激素可以引起输卵管黏膜细胞得分给年轻得母鸡注射雌性激素可以引起输卵管黏膜细胞得分化化,合成卵清蛋白。合成卵清蛋白。类固醇激素作用机理类固醇激素作用机理(二二)珠蛋白基因得转录珠蛋白基因得转录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得探针得探针,对鸡胚红细胞发育中血红蛋白对鸡胚红细胞发育中血红蛋白最初得转录进行监控。最初得转录进行监控。v分离孵化分离孵化20-23h得鸡胚后部明区血岛时得鸡胚后部明区血岛时,可以观察到红可以观察到红细胞得前体细胞细胞得前体细胞,但并未检测到血红蛋白基因得转录产物。但并未检测到血红蛋白基因得转录产物。v到鸡胚孵化到鸡胚孵化35h,红细胞得前体细胞分化为幼红细胞红细胞得前体细胞分化为幼红细胞,血红血红蛋白迅速合成。蛋白迅速合成。v这表明血红蛋白基因就是在这一段发育时期中转录得。这表明血红蛋白基因就是在这一段发育时期中转录得。血红蛋白血红蛋白v血红蛋白就是一个四聚体血红蛋白就是一个四聚体蛋白质蛋白质,在人和许多动物中在人和许多动物中,胚胎、胎儿和成体红细胞胚胎、胎儿和成体红细胞得血红蛋白分子得组成都得血红蛋白分子得组成都不相同。不相同。v人胚胎血红蛋白人胚胎血红蛋白:由由2个个-珠珠蛋白链、蛋白链、2个个-珠蛋白链珠蛋白链和和4个血红素分子组成。个血红素分子组成。血红蛋白血红蛋白v妊娠第妊娠第2个月个月:和和-珠珠蛋白链得合成突然停止蛋白链得合成突然停止,而而-和和-珠蛋白链合成量增加。珠蛋白链合成量增加。由两个由两个-和两个和两个-珠蛋白链珠蛋白链组成胎儿得血红蛋白分子。组成胎儿得血红蛋白分子。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渐停止因表达逐渐停止,同时同时-和和-基因开始表达基因开始表达,产量逐渐产量逐渐增加。增加。v出生后出生后:血红蛋白分子得组血红蛋白分子得组成迅速转换成迅速转换,由胎儿型代之由胎儿型代之为成体型为成体型,即即22。v正常成体得血红蛋白分子正常成体得血红蛋白分子中中22占占97%,22为为2%-3%,22为为1%。血红蛋白血红蛋白v人得人得-和和-珠蛋白基因位于珠蛋白基因位于第第16号染色体上号染色体上,而而-、-、-和和-珠蛋白基因相连珠蛋白基因相连,在第一号染色体上依次排在第一号染色体上依次排列。列。v-珠蛋白基因家族得表达珠蛋白基因家族得表达显示了一种调控机制显示了一种调控机制,即指即指导其从导其从胚胎型胚胎型胎儿型胎儿型成体型转变得顺序开关。成体型转变得顺序开关。(三三)转录调控蛋白转录调控蛋白5S核糖体核糖体RNA基因得转录调控基因得转录调控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基因表达得调控都就是在转录基因表达得调控都就是在转录水平进行得。水平进行得。v非洲爪蟾基因组具有非洲爪蟾基因组具有2个编码个编码5SrRNA得多基因家族得多基因家族,即卵即卵母细胞型和体细胞型。母细胞型和体细胞型。v卵母细胞型卵母细胞型:20 000个个,转录水平很低转录水平很低,卵发生早期开始囊胚卵发生早期开始囊胚中期可被检测到。中期可被检测到。v体细胞型体细胞型:400个个,合成体细胞得合成体细胞得95以上以上5SrRNA,卵发生卵发生早期开始一直可以检测到。早期开始一直可以检测到。v5SrRNA得基因得转录就是由得基因得转录就是由RNA聚合酶聚合酶所调控得所调控得2、TFA得转录调节得转录调节v转录因子转录因子TFA参与参与RNA聚合酶聚合酶对非洲爪蟾对非洲爪蟾5SrRNA转转录得控制。录得控制。vTFA既就是既就是RNA聚合酶聚合酶控制中得第一个转录因子控制中得第一个转录因子,也也就是就是5SrRNA得基因得专一性转录因子。得基因得专一性转录因子。v但就是但就是TFA分子与分子与5SrRNA得基因中间启动子得结合力得基因中间启动子得结合力很弱很弱,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能够更牢固地与能够更牢固地与5SrRNA得基因中间启动子相结合得基因中间启动子相结合,所以所以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得基因得转录得基因得转录即发生。即发生。(四四)转录调控得转录调控得“开关基因开关基因”(switch gene)v在发育中有些基因就是否表达在发育中有些基因就是否表达,可以决定细胞向两种不同可以决定细胞向两种不同得命运分化。如线虫得得命运分化。如线虫得lin-12基因基因,果蝇得果蝇得notch基因和脊基因和脊椎动物得椎动物得myod1基因基因,我们称她们为开关基因。我们称她们为开关基因。v野生型线虫胚胎有两种可相互作用得邻近细胞野生型线虫胚胎有两种可相互作用得邻近细胞:Z1、Ppp和和Z4、Aaa,其中一种产生子宫颈其中一种产生子宫颈(齿齿)细胞细胞(ac),另一种产生另一种产生腹侧子宫前体细胞腹侧子宫前体细胞(vu)。v在在lin-12基因隐性突变得动物中基因隐性突变得动物中lin-12基因不转录基因不转录,两种细两种细胞都分化成为胞都分化成为ac细胞。细胞。v在有得突变体中在有得突变体中lin-12基因具有高转录活性基因具有高转录活性,两种细胞都分两种细胞都分化成为腹侧子宫前体细胞化成为腹侧子宫前体细胞,即即vu细胞。细胞。vlin-12基因对于两种发育途径具有双重基因对于两种发育途径具有双重“开关开关”得作用。得作用。果绳转录调控得果绳转录调控得“开关基因开关基因”v果绳得一种细胞具有分化成为上皮细胞或神经母细胞双重果绳得一种细胞具有分化成为上皮细胞或神经母细胞双重潜能。潜能。v正常情况下细胞中得正常情况下细胞中得14分化成为神经母细胞分化成为神经母细胞,其余得细其余得细胞成为上皮组织得前体。胞成为上皮组织得前体。v但在但在notch基因转录缺乏得胚胎中全部细胞只能分化成为基因转录缺乏得胚胎中全部细胞只能分化成为神经母细胞神经母细胞,而不能同时产生上皮组织和神经母细胞而不能同时产生上皮组织和神经母细胞,结果结果所产生得胚胎非正常发育而导致死亡。所产生得胚胎非正常发育而导致死亡。脊椎动物转录调控得脊椎动物转录调控得“开关基因开关基因”v脊椎动物中脊椎动物中,从肌母细胞分离得从肌母细胞分离得DNA能够改变脂肪细胞分能够改变脂肪细胞分化得命运化得命运,使脂肪细胞转分化成为肌细胞。使脂肪细胞转分化成为肌细胞。v但就是从纤维母细胞或从其她类型细胞分离得但就是从纤维母细胞或从其她类型细胞分离得DNA不能引不能引起这种细胞分化表型得改变。起这种细胞分化表型得改变。v原因原因:肌母细胞得基因组肌母细胞得基因组DNA中有一种特异性中有一种特异性mydo1基因基因,仅在肌细胞中表达仅在肌细胞中表达,就是肌细胞分化主要得开关基因就是肌细胞分化主要得开关基因,其其cDNA称为肌母细胞决定子称为肌母细胞决定子1(mydo1)。v如果将如果将mydo1基因克隆到一种病毒载体上可以使多种类型基因克隆到一种病毒载体上可以使多种类型得细胞转分化得细胞转分化,如色素细胞、神经细胞、脂肪细胞及肝细如色素细胞、神经细胞、脂肪细胞及肝细胞等转分化为肌细胞。胞等转分化为肌细胞。mydo1具有肌细胞分化表型特异性具有肌细胞分化表型特异性调控基因得功能。调控基因