作业帮果蝇的体节发育是什么
来源：学生作业帮 编辑：拍题作业网作业帮 分类：生物作业 时间：2024/04/30 02:36:54
果蝇的体节发育是什么
细胞分化的分子机制
显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷… …
基因克隆和测序展现出其分子机理… …
分子生物学与临床
本章内容:
细胞分化潜能与干细胞
细胞分化与基因组变化
基因表达与组织形成
特异性蛋白基因表达的发育阶段性
基因表达的调控机制
影响细胞分化的因素
细胞分化的潜能_____
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,生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异,成为多种不同的细胞类型,以形成个体不同的组织,器官和系统.
细胞分化
受精卵发育按严格的模式和时间次序发展,发育初级的细胞并非包含成形的形体,而是具备发育为完整个体的潜力.
这种潜力,来自一组称为干细胞的分化能力.在个体发育整个过程中,由于干细胞的存在使细胞分化不断进行.
干细胞
干细胞有两方面区别于其它细胞的特征: 1,可分化为与自身完全相同的细胞,
2,可生产出特异性分化的细胞.
根据个体发育过程中出现的先后次序不同,干细胞可分为两类:胚胎干细胞及成体干细胞.
胚胎干细胞,又称全能干细胞,存在于未发育成熟的胚胎,高水平表达端粒酶,可分化为除构成脐胎盘,脐带等之外的任何一种特定类型细胞.即能长成动物的任何组织和器官.
成体干细胞:特定组织中的非特异性细胞,能无限制地分裂和自我更新.所产生的子细胞有两种结果,一是保持亲代特性,仍作为干细胞;二是不可逆地向终末方向发展,成为一至几种类型的特定细胞.
干细胞命运各不相同,但分化机制相似:调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白质的合成,从而细胞逐步发展为具有专门功能的特定细胞类型.
同样,干细胞也对邻近细胞的生长信号发生反应,导致特定基因活化及相应蛋白质合成,参与细胞分化,运动,或与其它细胞作用以形成组织.
1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞.原被误认为功能单一的干细胞后被证实具有自我复制能力,可分化为人体206种组织器官的原始细胞;
1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞,目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞.
干细胞具有的能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有巨大的应用前景.
二,细胞分化的机理
卵细胞具有极性,细胞核靠近北极.
北极或动物极:极体释放的部位;
南极或植物极:相对北极而言,母体物质主要储存在于植物极.
(一)细胞分裂的不对称性
动物卵细胞中贮存有大量mRNA,呈非均匀分布;
用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵,胚胎发育仍能进行至囊胚期
用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵,受精卵停止发育.
卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运.
昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的.迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞,用紫外线照射这一区域,破坏极质,卵将发育为无生殖细胞的不育个体.
母系基因产物控制卵的不对称分裂
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分配到两个子细胞中
(二)细胞间的相互作用
1,胚胎诱导(embryonic induction) :胚胎发育过程中,一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用.
诱导者(inductor) :对其它细胞起诱导作用的细胞:
脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板,神经沟和神经管;
视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体,而晶体又可诱导外胚层形成角膜.
进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生
诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异
2,分化抑制:分化成熟的细胞可以产生抑素,抑制相邻细胞发生同样的分化.
如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚,则蛙胚不能发育出正常的心脏.
3,细胞数量效应
小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时,可发育成具有功能的胰腺组织,但如果把胰原基切成8小块分别培养,则都不能形成胰腺组织,如果再把分开的小块合起来,又可形成胰腺组织.
4,细胞外基质的影响
干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞;
在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞;
在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞.
5,激素的作用
如昆虫的保幼激素和脱皮激素.
(三)细胞核与细胞分化
1,染色体结构的变化
1)基因删除:原生动物,昆虫,甲壳动物.
2)基因扩增:果蝇多线染色体.
3)基因重排:免疫球蛋白基因(106~108种抗体).
4)DNA的甲基化与异染色质化:胞嘧啶的甲基化使基因失活.
2,基因与细胞分化
无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用,其结果是启动特定基因的表达.
根据对果蝇,家蚕等实验动物的研究表明:
卵受精后,首先表达的是母体基因;母体基因的产物是转录因子,沿胚的前后轴形成一个浓度梯度,决定了胚的前后位置和头尾区域;控制其它基因的表达:
母体基因→ 间隙基因→ 成对基因→体节极性基因→同源异形基因(homeotic gene,Hox)
Gene and
Development
母体基因
间隙基因
成对基因
体节极性基因
同源异形基因
2. 奢侈基因与管家基因
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类:奢侈基因和管家基因
奢侈基因(luxury gene),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.
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属此类.
管家基因(house keeping gene),这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不少,但与细胞分化的关系不大,在细胞分化中只起协助作用.
如tRNA,rRNA基因,催化能量代谢的各种酶系,三羧酸循环中各种酶系等
从分子层次看,细胞分化主要是奢侈基因中某种(或某些)特定基因选择性表达的结果.某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质,从而产生特定的分化细胞类型.
_
_
__分化细胞的基因表达特征
一 基因组
成熟分化的细胞保留着全部核基因组.
相关实验:
1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验
1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个
细胞培养成可育的胡萝卜植株.
1997年英国学者克隆出 "多莉"羊
J.Gurdon 1964
爪蟾蝌蚪的
肠上皮细胞
核移植
去核卵细胞
未受精卵
UV
肠上皮细胞核
1-2%发育至蝌蚪或蛙
无结果
畸胎
悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株
(Steward,1970年)
Dolly的标本和伊恩博士
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.
多莉的出生与三只母羊有关,而多莉与提供细胞核的母羊最相似 .
遗传信息来自哪里
这些实验说明:
--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,即具有发育为完整个体的"全能性".
细胞的全能性:
指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力.
当精子及卵子结合,来自父代及母代的基因即发生组合,形成发育为一个完整个体所需的基因组.
分化进程中,细胞有选择地启动某些基因并合成其它类型的细胞所不具备的蛋白质,以构成该种特定细胞的结构,产物及功能的基础.
如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶段,整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白,但原肠期以后,合成肌球蛋白的细胞仅局限于心区 ,而其他部位的细胞则被抑制.
分化中为何出现动物细胞表型的差异 这是细胞各自表达特异性基因的结果.一些胚胎细胞按其遗传潜能来说都是"全能"的,但其携带的遗传信息在发育过程中并不都能表达,而是按严格的时空顺序有选择地表达其中一部分.
基因表达的阶段特异性(时)及组织特异性(空)
指特定基因的表达按照严格的时间顺序发生,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于不同的细胞或组织器官.
在胚胎发育过程中,细胞基因组严格按时空顺序相继活化这一现象称为基因的差异表达(differential expression)或顺序表达(sequential expression).
从一个受精卵开始,在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织,这种分化就是不同特异性基因相继表达的结果.
二,特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平 进行
DNA
RNA
多肽
转录
翻译
如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色体所看到的膨松区的形成.膨松区是基因的活化区,即正转录区域.膨松区的位置和数目在相同发育阶段的同一类型细胞一致,但在不同类型的细胞中有区别,在不同的发育阶段也有明显变化.
果蝇多线染色体
用32P磷酸盐分别掺入前体细胞和原成红细胞,若珠蛋白基因有表达,则DNA可转录有32P标记的RNA.当用克隆的胚胎型 样珠蛋白基因DNA探针与之杂交,发现在原成红细胞中有DNA-RNA杂交反应,而前体细胞中不发生杂交反应.
说明前体细胞的胚胎型珠蛋白基因处于休止状态,直至发育到原成红细胞时才被活化.表明 样珠蛋白基因具有严格的红系组织特异性和发育阶段专一性特点.
特异基因的阶段性表达
组织形成中的基因表达
一,动物及人体的基本组织类型
包括四类
1.上皮组织:来源于外胚层,如皮肤表层
2.结缔组织:由中胚层产生的,分布在表皮之内各 器官组织之间,如韧带,纤维,血浆
3.肌肉组织:来自中胚层,又有平滑肌,骨胳肌和 心肌,主要组分是肌原纤维
4.神经组织:来自外胚层,由神经元和神经胶质细 胞组成
二,哺乳动物骨骼肌发育中的基因调节
1.骨骼肌细胞发育包括3个阶段
1)由胚胎的体节细胞出现细胞决定(分化方向),
并分化为成肌细胞;
2)成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力;
3)成肌细胞停止分裂,彼此融合成多核体细胞(或
肌管),伴随细胞融合的出现,对骨骼肌发育
及其功能有关的各种肌细胞特异基因的表达使其
分化为成熟的骨骼肌细胞.
骨骼肌细胞发育程序包括3个阶段
已鉴定出4种控制骨骼肌细胞发育的基因:myoD,myf 5,myogenin及mrf4,分别表达相应的myoD,myf 5,myogenin及mrf 4蛋白,统称为myoD家族蛋白.
这些蛋白均具有碱性螺旋-环螺旋(bHLH)结构,属DNA结合蛋白并行使转录因子的功能.
myoD家族蛋白在形成同源及异源二聚体后可与基因调控区中的CANNTG序列(又称Ebox)相结合,通过DNA-protein相互作用, myoD构象改变从而诱导肌细胞特异性的基因转录.
myoD诱导肌细胞特异性基因转录
_
基因 表型 myoD家族
敲除 存活 成肌细胞 肌细胞 蛋白功能
——————————————————————————————————————————————————————————
myoD 能 + + 不详
myf 5 能 + + 不详
myoD,myf 5 否 - - 成肌细胞形成必须
myogenin 否 + - 成肌细胞向肌细胞分化所必须
表 1 myoD 家族基因敲除对小鼠
骨骼肌细胞分化发育的影响
从体节细胞分化为成肌细胞时需myoD和myf 5两种蛋白,
myogenin蛋白对成肌细胞融合并分化为成熟的骨骼肌细胞必不可少
细胞融合前只有myoD及myf5基因表达,myogenin基因只有在细胞融合发生后表达,且受myoD及myf 5表达的诱导. myoD及myf 5基因控制体节细胞分化为成肌细胞,而从成肌细胞发育为成熟的骨骼肌细胞则依赖于myogenin基因.
成肌细胞中,肌动蛋白,肌球蛋白,原肌球蛋白,肌钙蛋白(与肌肉收缩有关),磷酸肌酸激酶及乙酰胆碱受体(传递神经刺激)等特异性蛋白的基因活性处于休止状态.成肌细胞融合后,开始激活表达并使之最终分化为形态及功能成熟的骨骼肌细胞.
成肌细胞融合激活特异性蛋白基因
myoD
家族蛋白
总结:
Ebox
构象改变
二聚化
myoD
家族蛋白
特异蛋白表达
成肌细胞融合
三,神经发生的调节
神经系统:外胚层 神经管和神经嵴,神经管 脑,脊髓及视网膜在内的中枢神经系统;神经嵴 周围神经系统.
神经管及神经嵴细胞发育为神经母细胞后,其子细胞停止分裂时产生神经元细胞.神经元细胞两端生长出树突及轴突,轴突定向生长延伸至靶细胞部位,末端与靶细胞形成突触连接,最终从形态及功能上发育分化成熟.
神经元细胞分化
果蝇基因组中鉴定出一种约lOOkb的基因复合物 AS-complex (AS-c).AS—c对刚毛器官发育起调节作用.
果蝇的刚毛器官是毛干细胞,神经元,鞘细胞和牙槽细胞等4种细胞构成的触觉器官.
刚毛器的发育始于第二胸部体节的翅成虫盘细胞,经神经原细胞至神经前体细胞的发育, 前体细胞经过两次分裂后的4个子细胞发育成上述4种特化细胞.
神经元细胞分化过程中的基因
AS—c含4种基因——achaete(ac),scute(sc),Lethal of scute(L-sc)及asense(a),产物均为HLH蛋白.
ac及sc两种基因在神经原细胞中表达,使其向神经前体细胞方向分化.发育至神经前体细胞时,ac及sc停止表达,a及其他有关基因开始表达并导致神经元分化.
神经元细胞分化过程中的基因表达
神经原细胞
神经前体细胞
ac
a
L-sc
sc
ac及sc的表达受另两种基因—daughterless(da)及 extramachrochaete(emc)的调节,da及emc产物亦为bHLH蛋白,均可与ac及sc蛋白结合成异二聚体,前者通过调节转录促进神经原细胞向神经前体细胞分化,而后者则起抑制作用.
Notch 和Delta蛋白抑制ac及sc基因的表达,并阻止向神经前体细胞方向分化.
神经元细胞分化过程中的基因表达调节
神经原细胞
神经前体细胞
ac
a
L-sc
sc
da(+)
emc(-)
Notch(-)
Delta(-)
特异性蛋白基因表达的发育阶段特征
红细胞中的血红蛋白,在发育中不同基因顺序地"开""闭",使珠蛋白四聚体的构成随时间发展相应发生变化.
哺乳动物早期胚胎中四聚体的组成为α2ε2,然后随着胚胎发育改变为α2γ2,出生后主要为α2 2.正常成人的血液中还含有少量珠蛋白α2δ2.
ε γG γA ψβ δ β
5'—— ——— — — — — — 3'
11p15
2 1
5'—— ——— — —— 3'
16p13
β珠蛋白基因簇
珠蛋白基因簇
HbGowerII (α2ε2) HbF (α2γ2)
Hb Portland (ξ2γ2) HbF(α2γ2) HbA2 (α2δ2)
Hb GowerI (ξ2ε2) HbA (α2β2) 95%
胚胎期 胎儿 成人
小儿血象特点
一, 类珠蛋白基因表达的调节
(一),α类珠蛋白基因簇的结构特点
在人16号染色体上的位置依次是:
端粒-ψIL9-未命名-Dist1-MPG-Prox1-ξ-
α珠蛋白基因特异的增强子序列HS-40位于
Prox1基因的第5内含子中.
2 1
5'—— ——— — —— 3'
16p13
珠蛋白基因簇
端粒-ψIL9-未命名-Dist1-MPG-Prox1-ξ- 2- 1-
(二),调控α类珠蛋白基因表达的上游顺式作用元件和反式作用因子
1.顺式作用元件: HS-40增强子
上游40kb的一个DNaseI高敏位点(HS-40)
HS-40序列长约300bp,是多种组织特异及许多基本反式作用因子的结合位点:
HS-40对α类珠蛋白基因有增强子活性,它的缺失对甲基嘌呤DNA糖基化酶(MPG)基因的表达没有影响,只引起α类珠蛋白表达的降低,造成严重的α-地中海贫血.
4个红系特异的GATA盒
两个调控蛋白NF-E2/AP1的结合位点
3个CACCC盒和一个AG盒
2.反式作用因子及其作用特点
NF-E2蛋白:一种重要的红系反式作用因子,是由分子量分别为45kD(p45)和18kD(p18)的两类亚基构成的异二聚体,都是属于AP-1基因超家族的含碱性亮氨酸拉链(bZIP)的蛋白.
bZIP
GATA-1和EKLF也是重要的红系反式作用因子,在红系细胞的分化和基因表达过程中起关键作用,GATA位点突变会使红系分化终止.(Erythroid krupple like factor)
GATA-1和EKLF都可以通过锌指结构与其它蛋白因子相互作用形成核酸-蛋白复合物. GATA-1尚须辅助蛋白FOG存在.
α-珠蛋白基因簇的3'-下游区域内存在的GATA-1结合位点可能也影响α-珠蛋白基因表达,包含α1基因在内的α2基因下游20kb的缺失可使α2基因不能表达.
(三),α-类珠蛋白基因的表达
机体发育的整个过程中,α-类珠蛋白基因表达出现一次转换,即胚胎期ξ基因 胎儿/成人期α基因.基因簇5'-端的ξ基因在卵黄囊期首先开启表达.第五,六周造血功能从卵黄囊转移到胎肝后,ξ-基因表达基本关闭,α基因表达开始活跃.
HS-40和α-类基因启动子区与各种反式因子各自形成独立的DNA-蛋白复合物,然后通过它们之间的相互作用促进α-类珠蛋白基因表达.
α-类珠蛋白基因表达需要红系特异的上游增强子,且存在增强子和启动子区的相互作用.
ξmRNA的稳定性对ξ-基因表达的有效关闭作用重要:
α-类珠蛋白mRNA3'-非翻译区内有一段16个碱基的嘧啶富含区,α和ξmRNA的差异只是一个与C→G的突变,使ξ-mRNA与结合蛋白的结合大大降低,组装形成mRNA的能力较弱,且其poly(A)较短,所以ξmRNA容易降解.
转录后加工在ξmRNA的清除和关闭过程中起着关键作用,被认为是转录后调控的一个模式.
二,β类珠蛋白基因表达的调节
(一), -类珠蛋白基因簇的结构
ε γG γA ψβ δ β
5'——— ——— — — — — — 3'
(二),β类珠蛋白基因表达的调控
1.顺式作用元件
(1)启动子:转录起始点(+1) 5'端上游100～200bp区含TATA盒,CCAAT盒和CACCC盒.
若-30bpTATA盒点突变,将导致转录显著降低,引起 地中海贫血.若-90bp处CACCC盒发生突变,将破坏红系特异调控因子的结合,也引起 地中海贫血.
(2)增强子:2个增强子,分别位于人 珠蛋白基因内及3'端+2400bp处.
(3)沉默子:人 珠蛋白基因5'旁侧-610bp到-490bp及-338bp到-233bp处各有一个沉默子,与相应的反式阻抑因子直接或间接作用.
(4)座位控制区域(LCR):位于人ε珠蛋白基因5'上游远侧端6～21kb间的一段DNA序列,含4个DNaseI超敏位点.LCR为红系组织专一的,层次更高的顺式作用元件.LCR的突变或缺失会导致各种贫血症.
2.反式作用因子
与人 类珠蛋白基因转录有关的反式调控因子分为基本转录因子(如CPl,SPl)和红系组织特异转录因子(如GATA-1,NF-E2等)两类.
CPl: CCAAT
SP1:CACCC
3. 活性染色质结构与 -类珠蛋白基因的表达
染色质解旋结构变化依赖于5'上游远侧端的LCR.一些地中海贫血症病人珠蛋白基因所在的染色质部分或完全缺乏LCR,即使 珠蛋白基因及其近侧端调控区结构完整,也不能表达 珠蛋白. 红细胞在发育过程中失去染色质解螺旋能力,仍保持对DNasel的抗性,因而 珠蛋白结构基因处于非活性状态.
4.LCR与 -类珠蛋白基因发育中的顺序表达
不同珠蛋白基因在染色体上的排列位置,对保持发育阶段的顺序性表达至关重要;
珠蛋白基因的位置与LCR相对距离的差异,可能影响各珠蛋白基因同LCR相互作用的频率,使近距离珠蛋白基因优先表达,远距离的则在较后阶段被激活.
三, 组合调控对特异性蛋白基因表达的调节
组合调控(combinatorial control)是指一组基因调节蛋白共同协调地决定对某一基因表达的调节方式.
组合调控可使细胞分化成特定的细胞类型:
若将MyoD基因引入,取自鸡胚皮肤的体外培养的成纤维细胞 出现成肌细胞的特征,并融合成多核肌肉样细胞,表达肌动蛋白,肌球蛋白并组成收缩装置,质膜产生受体蛋白及离子通道蛋白,接受来自神经的刺激.
但若将MyoD基因引入非成纤维细胞, 细胞不转变为肌肉样细胞,说明成纤维细胞中已积累了其他必需的基因调节蛋白,在加入MyoD蛋白后,能完成特异的基因调节蛋白的组合,从而启动肌肉细胞的分化.
组合调控在特定器官的发育中也起调节作用.
眼发育中,一种关键性基因调节蛋白(果蝇称为Ey)能决定眼的发育. 若将Ey基因人为引入将要发育成腿的果蝇细胞,在腿部表达Ey蛋白的细胞发育成果蝇眼. 提示Ey蛋白与一些基因调控区的结合位点结合后,通过组合调控直接调节这些基因的表达.
ey> UAS-eyg-2
ey> UAS-eyg-2 EP C02-022
ey>UAS-eyg-2 EP C02-022
ey> UAS-eyg-2 EP C02-022
29OC
因而,通过一组基因调节蛋白的组合调控,共同协调地决定对某一基因表达.
细胞分化中基因表达的调控
一,DNA水平的调控
1.基因扩增
在生活史的某一段时间临时出现.如非洲爪蟾在成熟过程中产生18S,28SrRNA的rDNA的选择性复制,使成熟卵细胞具有2 106个DNA拷贝,与二倍体细胞(含有900个拷贝)相比,扩增1000倍.由于大量合成核糖体,在一个细胞核中甚至可出现1000个以上的核仁.
2.DNA序列重排在人类基因组中,所有抗体的重链和轻链都不是由一个完整的抗体基因编码的,而是由不同基因片段经重组后形成的.
3.非组蛋白质特异的非组蛋白质可能决定相应的特定基因的转录, 调节细胞中转录过程的因素是非组蛋白质.
恒定区
可变区
重链
轻链
兔子胸腺和骨髓细胞的染色质重组实验 :
① 未分离的胸腺染色质合成胸腺mRNA.
② 未分离的骨髓染色质合成骨髓mRNA.
③ 骨髓染色质的DNA,组蛋白和非组蛋白在试
管中重组后合成骨髓mRNA.
④ 胸腺染色质的DNA,组蛋白和非组蛋白重组
后合成胸腺mRNA.
⑤ 骨髓DNA和组蛋白与胸腺DNA和组蛋白混合
在一起,加入胸腺非组蛋白时,重组后合
成胸腺mRNA.若加入骨髓非组蛋白,则重
组后合成骨髓mRNA.
4.DNA甲基化
在DNA复制后,由甲基化酶将S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶的5-C上完成对碱基的修饰,甲基化位置上可阻止转录因子与DNA结合. 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.在发育过程中,当某些基因表达完成后,DNA的甲基化可能参与了基因的关闭过程.
小鼠成纤维细胞 (5-氮胞苷) 培养,
处于休止状态的基因被重新激活而进行表达,甚至可观察到一部分细胞中与肌肉细胞发育有关的激活而表达,细胞彼此发生融合而发育成肌肉细胞.
5-氮胞苷进入细胞内转变为三磷酸5-氮胞苷,这种5-氮胞苷化的DNA由于不能被甲基化,结果使相关基因被重新激活
RNA
多肽
转录
翻译
DNA
(去甲基化)
(5-氮胞苷)
甲基化
(三),转录后水平的调控
1.核内RNA的选择加工
如用海胆囊胚的mRNA制成的cDNA探针,分别与原肠胚,肠和体腔细胞nRNA杂交,结合率高达80%,而与囊胚和肠细胞mRNA结合率则不同,前者为28%,后者仅为10%,说明不同组织中转录的nRNA可以一致,但mRNA却不相同.
2.转录后初级产物RNA的加工
如从大鼠甲状腺和脑下垂体细胞分离得到的同一初级转录物,通过不同的剪切与加工,可产生2种不同的成熟mRNA.在甲状腺C细胞中编码降钙素,而在脑下垂体和多种神经细胞中,则编码降钙素基因相关蛋白.
3.专一mRNA的降解
如哺乳动物成红细胞(erythroblast)的分化过程中,早期细胞合成若干种mRNA,其中少量的珠蛋白mRNA被保留,但到后期最后几次细胞分裂时,只有珠蛋白mRNA保留下来,其他种类的mRNA均被降解.
在黏菌发育过程中,如果黏菌在某一阶段停止发育,则会把准备用于下阶段的新mRNA降解.
(四),翻译水平的调控
基因表达过程中,一条合成的多肽链经翻译后加工产生多种不同活性的蛋白质或多肽.
如鸦片促黑皮质素(POMC):
结构上为ACTH,促黑素细胞激素(MSH),内啡肽,
脂酸动员激素(LPH)的前体.
影响细胞分化的因素
一 细胞内因素
受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中,因不同基因表达,产物不断加入细胞质,改变细胞质成分,使基因表达环境发生改变,细胞质反作用于细胞核,又使核内基因表达状态不断受到调节,细胞不断分化,发育,成熟,直至产生各种不同类型的细胞.
二 细胞外因素
影响细胞分化的细胞外因素,包括环境因素,胞外物质(细胞的基质,黏附分子,细胞因子,激素等),以及细胞之间的相互作用.
(一),环境因素
环境多种因素对机体的发育有一定的影响,如温度,光线等,这些因素可能是造成第一次不等卵裂,从而影响细胞分化的原因之一.
如豚鼠的孕期为68d,如果在妊娠18—28d给母鼠增温度3—4℃1小时,胎鼠脑重可减轻10%.
(二),细胞间的相互作用
1.诱导(induction):一部分细胞对邻近细胞产生影响,并决定邻近细胞分化方向及形态发生的过程.
2.抑制 (inhibition)指在胚胎发育中,已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用.
如发育中的蛙胚置于含成体蛙心组织碎片的培养液中,胚胎不能产生正常的心脏;用含成体蛙脑组织碎片的培养液培养蛙胚,也不产生正常的脑,说明已分化的细胞可产生某种物质,抑制邻近细胞向相同方向分化.
3.细胞识别与黏合 从受精,胚泡植入,形态发生,器官形成都与细胞识别与黏合息息相关.
如将蝾螈的原肠胚三个胚层的游离细胞体外混合培养,各胚层细胞又将自我挑选,相互黏着,依然形成外胚层在外,内胚层在内,中胚层介于二者之间的胚胎.
细胞识别作用主要由位于细胞表面或嵌于质膜之中或结合于质膜上的糖复合物(糖蛋白,蛋白聚糖及糖脂)担任.
细胞间识别并黏合后,质膜各部分就紧密结合成细胞间传递离子,电荷及分子的通道.
(三),激素
激素由血液循环输送到不同部位决定靶细胞的分化,属远距离调节.
如在昆虫变态中,幼虫的蜕变和化蛹受激素影响.脑激素是脑部产生的神经内分泌物质.若从已经成熟的幼虫中将脑取出,就不能化蛹.若将脑回植到体内,则此幼虫又恢复化蛹能力,推断脑激素实际是一种促蜕皮激素.而保幼激素则由咽侧体产生,能促进幼虫发育,但阻止变态.若将幼龄虫的咽侧体切除,则提前化蛹,变为成虫
显微手术和基因组学揭开了发育控制之迷… …
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分子生物学与临床
本章内容:
细胞分化潜能与干细胞
细胞分化与基因组变化
基因表达与组织形成
特异性蛋白基因表达的发育阶段性
基因表达的调控机制
影响细胞分化的因素
细胞分化的潜能_____
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,生理功能及生化特征等方面逐渐产生稳定性差异,成为多种不同的细胞类型,以形成个体不同的组织,器官和系统.
细胞分化
受精卵发育按严格的模式和时间次序发展,发育初级的细胞并非包含成形的形体,而是具备发育为完整个体的潜力.
这种潜力,来自一组称为干细胞的分化能力.在个体发育整个过程中,由于干细胞的存在使细胞分化不断进行.
干细胞
干细胞有两方面区别于其它细胞的特征: 1,可分化为与自身完全相同的细胞,
2,可生产出特异性分化的细胞.
根据个体发育过程中出现的先后次序不同,干细胞可分为两类:胚胎干细胞及成体干细胞.
胚胎干细胞,又称全能干细胞,存在于未发育成熟的胚胎,高水平表达端粒酶,可分化为除构成脐胎盘,脐带等之外的任何一种特定类型细胞.即能长成动物的任何组织和器官.
成体干细胞:特定组织中的非特异性细胞,能无限制地分裂和自我更新.所产生的子细胞有两种结果,一是保持亲代特性,仍作为干细胞;二是不可逆地向终末方向发展,成为一至几种类型的特定细胞.
干细胞命运各不相同,但分化机制相似:调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白质的合成,从而细胞逐步发展为具有专门功能的特定细胞类型.
同样,干细胞也对邻近细胞的生长信号发生反应,导致特定基因活化及相应蛋白质合成,参与细胞分化,运动,或与其它细胞作用以形成组织.
1970年Martin Evans首次从小鼠胚囊中分离出小鼠胚胎干细胞.原被误认为功能单一的干细胞后被证实具有自我复制能力,可分化为人体206种组织器官的原始细胞;
1998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎干细胞,目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞.
干细胞具有的能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性使其在遗传性疾病和组织器官移植领域有巨大的应用前景.
二,细胞分化的机理
卵细胞具有极性,细胞核靠近北极.
北极或动物极:极体释放的部位;
南极或植物极:相对北极而言,母体物质主要储存在于植物极.
(一)细胞分裂的不对称性
动物卵细胞中贮存有大量mRNA,呈非均匀分布;
用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵,胚胎发育仍能进行至囊胚期
用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵,受精卵停止发育.
卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运.
昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的.迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞,用紫外线照射这一区域,破坏极质,卵将发育为无生殖细胞的不育个体.
母系基因产物控制卵的不对称分裂
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分配到两个子细胞中
(二)细胞间的相互作用
1,胚胎诱导(embryonic induction) :胚胎发育过程中,一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用.
诱导者(inductor) :对其它细胞起诱导作用的细胞:
脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板,神经沟和神经管;
视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体,而晶体又可诱导外胚层形成角膜.
进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生
诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异
2,分化抑制:分化成熟的细胞可以产生抑素,抑制相邻细胞发生同样的分化.
如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚,则蛙胚不能发育出正常的心脏.
3,细胞数量效应
小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时,可发育成具有功能的胰腺组织,但如果把胰原基切成8小块分别培养,则都不能形成胰腺组织,如果再把分开的小块合起来,又可形成胰腺组织.
4,细胞外基质的影响
干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞;
在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞;
在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞.
5,激素的作用
如昆虫的保幼激素和脱皮激素.
(三)细胞核与细胞分化
1,染色体结构的变化
1)基因删除:原生动物,昆虫,甲壳动物.
2)基因扩增:果蝇多线染色体.
3)基因重排:免疫球蛋白基因(106~108种抗体).
4)DNA的甲基化与异染色质化:胞嘧啶的甲基化使基因失活.
2,基因与细胞分化
无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用,其结果是启动特定基因的表达.
根据对果蝇,家蚕等实验动物的研究表明:
卵受精后,首先表达的是母体基因;母体基因的产物是转录因子,沿胚的前后轴形成一个浓度梯度,决定了胚的前后位置和头尾区域;控制其它基因的表达:
母体基因→ 间隙基因→ 成对基因→体节极性基因→同源异形基因(homeotic gene,Hox)
Gene and
Development
母体基因
间隙基因
成对基因
体节极性基因
同源异形基因
2. 奢侈基因与管家基因
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类:奢侈基因和管家基因
奢侈基因(luxury gene),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.
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属此类.
管家基因(house keeping gene),这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要和必不少,但与细胞分化的关系不大,在细胞分化中只起协助作用.
如tRNA,rRNA基因,催化能量代谢的各种酶系,三羧酸循环中各种酶系等
从分子层次看,细胞分化主要是奢侈基因中某种(或某些)特定基因选择性表达的结果.某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质,从而产生特定的分化细胞类型.
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__分化细胞的基因表达特征
一 基因组
成熟分化的细胞保留着全部核基因组.
相关实验:
1964年Gurdon等进行的非洲爪蟾实验
1970年Steward等用悬浮培养的胡萝卜单个
细胞培养成可育的胡萝卜植株.
1997年英国学者克隆出 "多莉"羊
J.Gurdon 1964
爪蟾蝌蚪的
肠上皮细胞
核移植
去核卵细胞
未受精卵
UV
肠上皮细胞核
1-2%发育至蝌蚪或蛙
无结果
畸胎
悬浮培养的胡萝卜单细胞培养成了可育植株
(Steward,1970年)
Dolly的标本和伊恩博士
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.
多莉的出生与三只母羊有关,而多莉与提供细胞核的母羊最相似 .
遗传信息来自哪里
这些实验说明:
--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,即具有发育为完整个体的"全能性".
细胞的全能性:
指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力.
当精子及卵子结合,来自父代及母代的基因即发生组合,形成发育为一个完整个体所需的基因组.
分化进程中,细胞有选择地启动某些基因并合成其它类型的细胞所不具备的蛋白质,以构成该种特定细胞的结构,产物及功能的基础.
如肌肉细胞发育的原肠胚形成阶段,整个胚胎细胞都能合成肌球蛋白,但原肠期以后,合成肌球蛋白的细胞仅局限于心区 ,而其他部位的细胞则被抑制.
分化中为何出现动物细胞表型的差异 这是细胞各自表达特异性基因的结果.一些胚胎细胞按其遗传潜能来说都是"全能"的,但其携带的遗传信息在发育过程中并不都能表达,而是按严格的时空顺序有选择地表达其中一部分.
基因表达的阶段特异性(时)及组织特异性(空)
指特定基因的表达按照严格的时间顺序发生,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于不同的细胞或组织器官.
在胚胎发育过程中,细胞基因组严格按时空顺序相继活化这一现象称为基因的差异表达(differential expression)或顺序表达(sequential expression).
从一个受精卵开始,在个体发育的过程中逐步分化产生各种细胞类型和组织,这种分化就是不同特异性基因相继表达的结果.
二,特异蛋白的选择性基因表达主要在转录水平 进行
DNA
RNA
多肽
转录
翻译
如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色体所看到的膨松区的形成.膨松区是基因的活化区,即正转录区域.膨松区的位置和数目在相同发育阶段的同一类型细胞一致,但在不同类型的细胞中有区别,在不同的发育阶段也有明显变化.
果蝇多线染色体
用32P磷酸盐分别掺入前体细胞和原成红细胞,若珠蛋白基因有表达,则DNA可转录有32P标记的RNA.当用克隆的胚胎型 样珠蛋白基因DNA探针与之杂交,发现在原成红细胞中有DNA-RNA杂交反应,而前体细胞中不发生杂交反应.
说明前体细胞的胚胎型珠蛋白基因处于休止状态,直至发育到原成红细胞时才被活化.表明 样珠蛋白基因具有严格的红系组织特异性和发育阶段专一性特点.
特异基因的阶段性表达
组织形成中的基因表达
一,动物及人体的基本组织类型
包括四类
1.上皮组织:来源于外胚层,如皮肤表层
2.结缔组织:由中胚层产生的,分布在表皮之内各 器官组织之间,如韧带,纤维,血浆
3.肌肉组织:来自中胚层,又有平滑肌,骨胳肌和 心肌,主要组分是肌原纤维
4.神经组织:来自外胚层,由神经元和神经胶质细 胞组成
二,哺乳动物骨骼肌发育中的基因调节
1.骨骼肌细胞发育包括3个阶段
1)由胚胎的体节细胞出现细胞决定(分化方向),
并分化为成肌细胞;
2)成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力;
3)成肌细胞停止分裂,彼此融合成多核体细胞(或
肌管),伴随细胞融合的出现,对骨骼肌发育
及其功能有关的各种肌细胞特异基因的表达使其
分化为成熟的骨骼肌细胞.
骨骼肌细胞发育程序包括3个阶段
已鉴定出4种控制骨骼肌细胞发育的基因:myoD,myf 5,myogenin及mrf4,分别表达相应的myoD,myf 5,myogenin及mrf 4蛋白,统称为myoD家族蛋白.
这些蛋白均具有碱性螺旋-环螺旋(bHLH)结构,属DNA结合蛋白并行使转录因子的功能.
myoD家族蛋白在形成同源及异源二聚体后可与基因调控区中的CANNTG序列(又称Ebox)相结合,通过DNA-protein相互作用, myoD构象改变从而诱导肌细胞特异性的基因转录.
myoD诱导肌细胞特异性基因转录
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基因 表型 myoD家族
敲除 存活 成肌细胞 肌细胞 蛋白功能
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myoD 能 + + 不详
myf 5 能 + + 不详
myoD,myf 5 否 - - 成肌细胞形成必须
myogenin 否 + - 成肌细胞向肌细胞分化所必须
表 1 myoD 家族基因敲除对小鼠
骨骼肌细胞分化发育的影响
从体节细胞分化为成肌细胞时需myoD和myf 5两种蛋白,
myogenin蛋白对成肌细胞融合并分化为成熟的骨骼肌细胞必不可少
细胞融合前只有myoD及myf5基因表达,myogenin基因只有在细胞融合发生后表达,且受myoD及myf 5表达的诱导. myoD及myf 5基因控制体节细胞分化为成肌细胞,而从成肌细胞发育为成熟的骨骼肌细胞则依赖于myogenin基因.
成肌细胞中,肌动蛋白,肌球蛋白,原肌球蛋白,肌钙蛋白(与肌肉收缩有关),磷酸肌酸激酶及乙酰胆碱受体(传递神经刺激)等特异性蛋白的基因活性处于休止状态.成肌细胞融合后,开始激活表达并使之最终分化为形态及功能成熟的骨骼肌细胞.
成肌细胞融合激活特异性蛋白基因
myoD
家族蛋白
总结:
Ebox
构象改变
二聚化
myoD
家族蛋白
特异蛋白表达
成肌细胞融合
三,神经发生的调节
神经系统:外胚层 神经管和神经嵴,神经管 脑,脊髓及视网膜在内的中枢神经系统;神经嵴 周围神经系统.
神经管及神经嵴细胞发育为神经母细胞后,其子细胞停止分裂时产生神经元细胞.神经元细胞两端生长出树突及轴突,轴突定向生长延伸至靶细胞部位,末端与靶细胞形成突触连接,最终从形态及功能上发育分化成熟.
神经元细胞分化
果蝇基因组中鉴定出一种约lOOkb的基因复合物 AS-complex (AS-c).AS—c对刚毛器官发育起调节作用.
果蝇的刚毛器官是毛干细胞,神经元,鞘细胞和牙槽细胞等4种细胞构成的触觉器官.
刚毛器的发育始于第二胸部体节的翅成虫盘细胞,经神经原细胞至神经前体细胞的发育, 前体细胞经过两次分裂后的4个子细胞发育成上述4种特化细胞.
神经元细胞分化过程中的基因
AS—c含4种基因——achaete(ac),scute(sc),Lethal of scute(L-sc)及asense(a),产物均为HLH蛋白.
ac及sc两种基因在神经原细胞中表达,使其向神经前体细胞方向分化.发育至神经前体细胞时,ac及sc停止表达,a及其他有关基因开始表达并导致神经元分化.
神经元细胞分化过程中的基因表达
神经原细胞
神经前体细胞
ac
a
L-sc
sc
ac及sc的表达受另两种基因—daughterless(da)及 extramachrochaete(emc)的调节,da及emc产物亦为bHLH蛋白,均可与ac及sc蛋白结合成异二聚体,前者通过调节转录促进神经原细胞向神经前体细胞分化,而后者则起抑制作用.
Notch 和Delta蛋白抑制ac及sc基因的表达,并阻止向神经前体细胞方向分化.
神经元细胞分化过程中的基因表达调节
神经原细胞
神经前体细胞
ac
a
L-sc
sc
da(+)
emc(-)
Notch(-)
Delta(-)
特异性蛋白基因表达的发育阶段特征
红细胞中的血红蛋白,在发育中不同基因顺序地"开""闭",使珠蛋白四聚体的构成随时间发展相应发生变化.
哺乳动物早期胚胎中四聚体的组成为α2ε2,然后随着胚胎发育改变为α2γ2,出生后主要为α2 2.正常成人的血液中还含有少量珠蛋白α2δ2.
ε γG γA ψβ δ β
5'—— ——— — — — — — 3'
11p15
2 1
5'—— ——— — —— 3'
16p13
β珠蛋白基因簇
珠蛋白基因簇
HbGowerII (α2ε2) HbF (α2γ2)
Hb Portland (ξ2γ2) HbF(α2γ2) HbA2 (α2δ2)
Hb GowerI (ξ2ε2) HbA (α2β2) 95%
胚胎期 胎儿 成人
小儿血象特点
一, 类珠蛋白基因表达的调节
(一),α类珠蛋白基因簇的结构特点
在人16号染色体上的位置依次是:
端粒-ψIL9-未命名-Dist1-MPG-Prox1-ξ-
α珠蛋白基因特异的增强子序列HS-40位于
Prox1基因的第5内含子中.
2 1
5'—— ——— — —— 3'
16p13
珠蛋白基因簇
端粒-ψIL9-未命名-Dist1-MPG-Prox1-ξ- 2- 1-
(二),调控α类珠蛋白基因表达的上游顺式作用元件和反式作用因子
1.顺式作用元件: HS-40增强子
上游40kb的一个DNaseI高敏位点(HS-40)
HS-40序列长约300bp,是多种组织特异及许多基本反式作用因子的结合位点:
HS-40对α类珠蛋白基因有增强子活性,它的缺失对甲基嘌呤DNA糖基化酶(MPG)基因的表达没有影响,只引起α类珠蛋白表达的降低,造成严重的α-地中海贫血.
4个红系特异的GATA盒
两个调控蛋白NF-E2/AP1的结合位点
3个CACCC盒和一个AG盒
2.反式作用因子及其作用特点
NF-E2蛋白:一种重要的红系反式作用因子,是由分子量分别为45kD(p45)和18kD(p18)的两类亚基构成的异二聚体,都是属于AP-1基因超家族的含碱性亮氨酸拉链(bZIP)的蛋白.
bZIP
GATA-1和EKLF也是重要的红系反式作用因子,在红系细胞的分化和基因表达过程中起关键作用,GATA位点突变会使红系分化终止.(Erythroid krupple like factor)
GATA-1和EKLF都可以通过锌指结构与其它蛋白因子相互作用形成核酸-蛋白复合物. GATA-1尚须辅助蛋白FOG存在.
α-珠蛋白基因簇的3'-下游区域内存在的GATA-1结合位点可能也影响α-珠蛋白基因表达,包含α1基因在内的α2基因下游20kb的缺失可使α2基因不能表达.
(三),α-类珠蛋白基因的表达
机体发育的整个过程中,α-类珠蛋白基因表达出现一次转换,即胚胎期ξ基因 胎儿/成人期α基因.基因簇5'-端的ξ基因在卵黄囊期首先开启表达.第五,六周造血功能从卵黄囊转移到胎肝后,ξ-基因表达基本关闭,α基因表达开始活跃.
HS-40和α-类基因启动子区与各种反式因子各自形成独立的DNA-蛋白复合物,然后通过它们之间的相互作用促进α-类珠蛋白基因表达.
α-类珠蛋白基因表达需要红系特异的上游增强子,且存在增强子和启动子区的相互作用.
ξmRNA的稳定性对ξ-基因表达的有效关闭作用重要:
α-类珠蛋白mRNA3'-非翻译区内有一段16个碱基的嘧啶富含区,α和ξmRNA的差异只是一个与C→G的突变,使ξ-mRNA与结合蛋白的结合大大降低,组装形成mRNA的能力较弱,且其poly(A)较短,所以ξmRNA容易降解.
转录后加工在ξmRNA的清除和关闭过程中起着关键作用,被认为是转录后调控的一个模式.
二,β类珠蛋白基因表达的调节
(一), -类珠蛋白基因簇的结构
ε γG γA ψβ δ β
5'——— ——— — — — — — 3'
(二),β类珠蛋白基因表达的调控
1.顺式作用元件
(1)启动子:转录起始点(+1) 5'端上游100～200bp区含TATA盒,CCAAT盒和CACCC盒.
若-30bpTATA盒点突变,将导致转录显著降低,引起 地中海贫血.若-90bp处CACCC盒发生突变,将破坏红系特异调控因子的结合,也引起 地中海贫血.
(2)增强子:2个增强子,分别位于人 珠蛋白基因内及3'端+2400bp处.
(3)沉默子:人 珠蛋白基因5'旁侧-610bp到-490bp及-338bp到-233bp处各有一个沉默子,与相应的反式阻抑因子直接或间接作用.
(4)座位控制区域(LCR):位于人ε珠蛋白基因5'上游远侧端6～21kb间的一段DNA序列,含4个DNaseI超敏位点.LCR为红系组织专一的,层次更高的顺式作用元件.LCR的突变或缺失会导致各种贫血症.
2.反式作用因子
与人 类珠蛋白基因转录有关的反式调控因子分为基本转录因子(如CPl,SPl)和红系组织特异转录因子(如GATA-1,NF-E2等)两类.
CPl: CCAAT
SP1:CACCC
3. 活性染色质结构与 -类珠蛋白基因的表达
染色质解旋结构变化依赖于5'上游远侧端的LCR.一些地中海贫血症病人珠蛋白基因所在的染色质部分或完全缺乏LCR,即使 珠蛋白基因及其近侧端调控区结构完整,也不能表达 珠蛋白. 红细胞在发育过程中失去染色质解螺旋能力,仍保持对DNasel的抗性,因而 珠蛋白结构基因处于非活性状态.
4.LCR与 -类珠蛋白基因发育中的顺序表达
不同珠蛋白基因在染色体上的排列位置,对保持发育阶段的顺序性表达至关重要;
珠蛋白基因的位置与LCR相对距离的差异,可能影响各珠蛋白基因同LCR相互作用的频率,使近距离珠蛋白基因优先表达,远距离的则在较后阶段被激活.
三, 组合调控对特异性蛋白基因表达的调节
组合调控(combinatorial control)是指一组基因调节蛋白共同协调地决定对某一基因表达的调节方式.
组合调控可使细胞分化成特定的细胞类型:
若将MyoD基因引入,取自鸡胚皮肤的体外培养的成纤维细胞 出现成肌细胞的特征,并融合成多核肌肉样细胞,表达肌动蛋白,肌球蛋白并组成收缩装置,质膜产生受体蛋白及离子通道蛋白,接受来自神经的刺激.
但若将MyoD基因引入非成纤维细胞, 细胞不转变为肌肉样细胞,说明成纤维细胞中已积累了其他必需的基因调节蛋白,在加入MyoD蛋白后,能完成特异的基因调节蛋白的组合,从而启动肌肉细胞的分化.
组合调控在特定器官的发育中也起调节作用.
眼发育中,一种关键性基因调节蛋白(果蝇称为Ey)能决定眼的发育. 若将Ey基因人为引入将要发育成腿的果蝇细胞,在腿部表达Ey蛋白的细胞发育成果蝇眼. 提示Ey蛋白与一些基因调控区的结合位点结合后,通过组合调控直接调节这些基因的表达.
ey> UAS-eyg-2
ey> UAS-eyg-2 EP C02-022
ey>UAS-eyg-2 EP C02-022
ey> UAS-eyg-2 EP C02-022
29OC
因而,通过一组基因调节蛋白的组合调控,共同协调地决定对某一基因表达.
细胞分化中基因表达的调控
一,DNA水平的调控
1.基因扩增
在生活史的某一段时间临时出现.如非洲爪蟾在成熟过程中产生18S,28SrRNA的rDNA的选择性复制,使成熟卵细胞具有2 106个DNA拷贝,与二倍体细胞(含有900个拷贝)相比,扩增1000倍.由于大量合成核糖体,在一个细胞核中甚至可出现1000个以上的核仁.
2.DNA序列重排在人类基因组中,所有抗体的重链和轻链都不是由一个完整的抗体基因编码的,而是由不同基因片段经重组后形成的.
3.非组蛋白质特异的非组蛋白质可能决定相应的特定基因的转录, 调节细胞中转录过程的因素是非组蛋白质.
恒定区
可变区
重链
轻链
兔子胸腺和骨髓细胞的染色质重组实验 :
① 未分离的胸腺染色质合成胸腺mRNA.
② 未分离的骨髓染色质合成骨髓mRNA.
③ 骨髓染色质的DNA,组蛋白和非组蛋白在试
管中重组后合成骨髓mRNA.
④ 胸腺染色质的DNA,组蛋白和非组蛋白重组
后合成胸腺mRNA.
⑤ 骨髓DNA和组蛋白与胸腺DNA和组蛋白混合
在一起,加入胸腺非组蛋白时,重组后合
成胸腺mRNA.若加入骨髓非组蛋白,则重
组后合成骨髓mRNA.
4.DNA甲基化
在DNA复制后,由甲基化酶将S-腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶的5-C上完成对碱基的修饰,甲基化位置上可阻止转录因子与DNA结合. 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.在发育过程中,当某些基因表达完成后,DNA的甲基化可能参与了基因的关闭过程.
小鼠成纤维细胞 (5-氮胞苷) 培养,
处于休止状态的基因被重新激活而进行表达,甚至可观察到一部分细胞中与肌肉细胞发育有关的激活而表达,细胞彼此发生融合而发育成肌肉细胞.
5-氮胞苷进入细胞内转变为三磷酸5-氮胞苷,这种5-氮胞苷化的DNA由于不能被甲基化,结果使相关基因被重新激活
RNA
多肽
转录
翻译
DNA
(去甲基化)
(5-氮胞苷)
甲基化
(三),转录后水平的调控
1.核内RNA的选择加工
如用海胆囊胚的mRNA制成的cDNA探针,分别与原肠胚,肠和体腔细胞nRNA杂交,结合率高达80%,而与囊胚和肠细胞mRNA结合率则不同,前者为28%,后者仅为10%,说明不同组织中转录的nRNA可以一致,但mRNA却不相同.
2.转录后初级产物RNA的加工
如从大鼠甲状腺和脑下垂体细胞分离得到的同一初级转录物,通过不同的剪切与加工,可产生2种不同的成熟mRNA.在甲状腺C细胞中编码降钙素,而在脑下垂体和多种神经细胞中,则编码降钙素基因相关蛋白.
3.专一mRNA的降解
如哺乳动物成红细胞(erythroblast)的分化过程中,早期细胞合成若干种mRNA,其中少量的珠蛋白mRNA被保留,但到后期最后几次细胞分裂时,只有珠蛋白mRNA保留下来,其他种类的mRNA均被降解.
在黏菌发育过程中,如果黏菌在某一阶段停止发育,则会把准备用于下阶段的新mRNA降解.
(四),翻译水平的调控
基因表达过程中,一条合成的多肽链经翻译后加工产生多种不同活性的蛋白质或多肽.
如鸦片促黑皮质素(POMC):
结构上为ACTH,促黑素细胞激素(MSH),内啡肽,
脂酸动员激素(LPH)的前体.
影响细胞分化的因素
一 细胞内因素
受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中,因不同基因表达,产物不断加入细胞质,改变细胞质成分,使基因表达环境发生改变,细胞质反作用于细胞核,又使核内基因表达状态不断受到调节,细胞不断分化,发育,成熟,直至产生各种不同类型的细胞.
二 细胞外因素
影响细胞分化的细胞外因素,包括环境因素,胞外物质(细胞的基质,黏附分子,细胞因子,激素等),以及细胞之间的相互作用.
(一),环境因素
环境多种因素对机体的发育有一定的影响,如温度,光线等,这些因素可能是造成第一次不等卵裂,从而影响细胞分化的原因之一.
如豚鼠的孕期为68d,如果在妊娠18—28d给母鼠增温度3—4℃1小时,胎鼠脑重可减轻10%.
(二),细胞间的相互作用
1.诱导(induction):一部分细胞对邻近细胞产生影响,并决定邻近细胞分化方向及形态发生的过程.
2.抑制 (inhibition)指在胚胎发育中,已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节作用.
如发育中的蛙胚置于含成体蛙心组织碎片的培养液中,胚胎不能产生正常的心脏;用含成体蛙脑组织碎片的培养液培养蛙胚,也不产生正常的脑,说明已分化的细胞可产生某种物质,抑制邻近细胞向相同方向分化.
3.细胞识别与黏合 从受精,胚泡植入,形态发生,器官形成都与细胞识别与黏合息息相关.
如将蝾螈的原肠胚三个胚层的游离细胞体外混合培养,各胚层细胞又将自我挑选,相互黏着,依然形成外胚层在外,内胚层在内,中胚层介于二者之间的胚胎.
细胞识别作用主要由位于细胞表面或嵌于质膜之中或结合于质膜上的糖复合物(糖蛋白,蛋白聚糖及糖脂)担任.
细胞间识别并黏合后,质膜各部分就紧密结合成细胞间传递离子,电荷及分子的通道.
(三),激素
激素由血液循环输送到不同部位决定靶细胞的分化,属远距离调节.
如在昆虫变态中,幼虫的蜕变和化蛹受激素影响.脑激素是脑部产生的神经内分泌物质.若从已经成熟的幼虫中将脑取出,就不能化蛹.若将脑回植到体内,则此幼虫又恢复化蛹能力,推断脑激素实际是一种促蜕皮激素.而保幼激素则由咽侧体产生,能促进幼虫发育,但阻止变态.若将幼龄虫的咽侧体切除,则提前化蛹,变为成虫