细胞分化分子机制

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1、第四篇第四篇 细胞分化的分子机制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基因克隆和测序展现出其分子机理 n第十五章第十五章 基因组相同和基因差异表达基因组相同和基因差异表达n第十六章第十六章 染色质水平基因活性的调控染色质水平基因活性的调控n第十七章第十七章 转录水平的调控转录水平的调控n第十八章第十八章 RNA加工水平的调控加工水平的调控n第十九章第十九章 翻译和翻译后的调控翻译和翻译后的调控指多细胞生物成长发育中，在一些内在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、生理功能机制作用下，细胞

2、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。组织、器官和系统。 一、细胞分化一、细胞分化受精卵发育按严格的模式和时间次序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。体，而是具备发育为完整个体的潜力。这种潜力，来自一组称为这种潜力，来自一组称为干细胞干细胞的分的分化能力。在个体发育整个过程中，由于干化能力。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

3、进行。细胞的存在使细胞分化不断进行。 干细胞干细胞n干细胞有两方面区别于其它细胞的特征：干细胞有两方面区别于其它细胞的特征：n 1，可分化为与自身完全相同的细胞，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。可生产出特异性分化的细胞。 n根据个体发育过程中出现的先后次序不同，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：干细胞可分为两类：胚胎干细胞胚胎干细胞及及成体干细成体干细胞。胞。 胚胎干细胞胚胎干细胞，又称全能干细胞，又称全能干细胞，存存在于未发育成熟的胚胎在于未发育成熟的胚胎，高水平表，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐

4、带等之外的任何一种特定类型细脐带等之外的任何一种特定类型细胞。胞。即能长成动物的任何组织和器即能长成动物的任何组织和器官。官。成体干细胞：成体干细胞：特定组织中的非特异性特定组织中的非特异性细胞，能无限制地分裂和自我更新。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，成为一至几可逆地向终末方向发展，成为一至几种类型的特定细胞。种类型的特定细胞。干细胞命运各不相同，但分化机制相似：干细胞命运各不相同，但分化机制相似：调控基因调控基因指导特异性基因的转录及特定蛋白

5、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。能的特定细胞类型。同样，干细胞也对邻近细胞的生长信号同样，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，或与其它细胞合成，参与细胞分化，运动，或与其它细胞作用以形成组织。作用以形成组织。19701970年年Martin EvansMartin Evans首次从小鼠胚囊中分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

6、能力，一的干细胞后被证实具有自我复制能力，可分化为人体可分化为人体206206种组织器官的原始细胞；种组织器官的原始细胞；19981998年在人胚囊内层细胞分离出人的胚胎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，目前通过核移植技术获得人胚胎干细胞干细胞。 干细胞具有的干细胞具有的能够稳定生存增殖能够稳定生存增殖并保持多向分化潜能的特性并保持多向分化潜能的特性使其使其在遗传性疾病和组织器官移植领在遗传性疾病和组织器官移植领域有巨大的应用前景。域有巨大的应用前景。 二、二、细胞细胞分化分化的机的机理理n（一）细胞分裂的不对称性（一）细胞分裂的不对称性 n 卵细胞具

7、有极性，细胞核靠近北极。n北极或动物极：极体释放的部位；n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。n动动物物卵卵细细胞胞中中贮贮存存有有大大量量mRNA，呈呈非非均均匀匀分分布；布；n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n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。n卵卵裂裂后后的的细细胞胞质质的的特特性性决决定定了了子子细细胞胞核核的的分分化化命运。命运。n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母系基因产

8、物控制卵的不对称分裂 n细胞的不对称分裂细胞的不对称分裂使姐妹细胞产使姐妹细胞产生了差异生了差异n在细胞分裂时一些重要的分子被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不均等地分配到两个子细胞中 n进一步更复杂的模式由细胞间相进一步更复杂的模式由细胞间相互作用产生互作用产生n1、胚胚胎胎诱诱导导(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。n诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞：n脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；n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。n诱导

9、的相互作用可以在原本等同的细胞中建立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起有序的差异（二）细胞间的相互作用（二）细胞间的相互作用n2、分分化化抑抑制制：分分化化成成熟熟的的细细胞胞可可以以产产生生抑抑素素，抑制相邻细胞发生同样的分化。抑制相邻细胞发生同样的分化。n如如含含有有成成蛙蛙心心组组织织的的培培养养液液培培养养蛙蛙胚胚，则则蛙蛙胚胚不不能能发育出正常的心脏。发育出正常的心脏。n3、细胞数量效应、细胞数量效应n小小鼠鼠胚胚胎胎胰胰腺腺原原基基在在体体外外进进行行组组织织培培养养时时，可可发发育育成成具具有有功功能能的的胰胰腺腺组组织织，但但如如果果把把胰胰原原基基切切成成

10、8小小块块分分别别培培养养，则则都都不不能能形形成成胰胰腺腺组组织织，如如果果再再把把分分开的小块合起来，又可形成胰腺组织开的小块合起来，又可形成胰腺组织。n4、细胞外基质的影响、细胞外基质的影响n干干细细胞胞在在IV型型胶胶原原和和层层粘粘连连蛋蛋白白上上分分化化为为上上皮皮细胞；细胞；n在在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；n在在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。n5、激素的作用、激素的作用n如昆虫的保幼激素和脱皮激素如昆虫的保幼激素和脱皮激素。（三）细胞核与细胞分化（三）细胞核与细胞分化n1、染色体、染色体

11、结结构的构的变变化化n1）基因）基因删除：原生除：原生动物、昆虫、甲壳物、昆虫、甲壳动物。物。n2）基因扩增：）基因扩增：果果蝇多多线染色体。染色体。n3）基因重排：）基因重排：免疫球蛋白基因（免疫球蛋白基因（106108种抗体）。种抗体）。n4）DNA的的甲甲基基化化与与异异染染色色质质化化：胞胞嘧啶的的甲甲基基化化使使基因失活基因失活。n2、基因与细胞分化、基因与细胞分化n无无论论是是母母体体mRNA的的作作用用还还是是细细胞胞间间的的相相互互作作用用，其结果是启动特定基因的表达其结果是启动特定基因的表达。n根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：n卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的

12、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：n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奢侈基因与管家基因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：将这些基因分为两大类：奢侈基因奢侈基因和和管家管家基因基因 n奢侈基因奢侈基因(luxury gene)，编码细胞特异

13、性，编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相蛋白，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。关，这类基因对细胞自身生存无直接影响。 n如编码红细胞血红蛋白，肌细胞的肌球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蛋白和肌动蛋白等的基因属此类。 n管家基因管家基因(house keeping gene)，这类，这类基因的表达产物为细胞生命活动持续需要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。细胞分化中只起协助作用。如如tRNAtRNA，rRNArRNA基

14、因，基因，催化能量代谢的催化能量代谢的各种酶系，各种酶系，三羧酸循环中各种酶系等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。而产生特定的分化细胞类型。 分化细胞的基因表达特征分化细胞的基因表达特征n一一 基因组基因组n成熟分化的细胞保留着全部核基因组。成熟分化的细胞保留着全部核基因组。 n相关实验：相关实验：n 1964年年Gurdon

15、等进行的非洲爪蟾实验等进行的非洲爪蟾实验n 1970年年Steward等用悬浮培养的胡萝卜等用悬浮培养的胡萝卜单个单个n 细胞培养成可育的胡萝卜植株。细胞培养成可育的胡萝卜植株。 n 1997年英国学者克隆出年英国学者克隆出 “多莉多莉”羊羊 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，即具同样也包含全部的遗传信息，即具有发育为完整个体的有发育为完整个体的“全能性全能性”。细胞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指已分化的细胞仍具有发育成完整个体的能力的能力.当精子及卵子结合，来自父代及母代的基因即发生组合

16、，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选择地启动某些基因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，合成肌球蛋白白，但原肠期以后，合成肌球蛋白的细胞仅局限于心区的细胞仅局限于心区 ，而其他部位，而其他部位的细胞则被抑制的细胞则被抑制。 分化中为何出现动物细胞表型的差异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

17、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）及组织特异性基因表达的阶段特异性（时）及组织特异性指特定基因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。 在在胚胚胎胎发发育育过过程程中中，细细胞胞基基因因组组严严格格按按时时空空顺顺序序相相继继活活化化这这一一现现象象称称为为基基因因的的差差异异表表达达（differential differential expressionexpression）或或顺顺序序表表达（达（sequential exp

18、ressionsequential expression）。）。从从一一个个受受精精卵卵开开始始，在在个个体体发发育育的的过过程程中中逐逐步步分分化化产产生生各各种种细细胞胞类类型型和和组组织织，这这种种分化就是不同特异性基因相继表达的结分化就是不同特异性基因相继表达的结果。果。 二、二、特异蛋白的特异蛋白的选择性基因表达选择性基因表达主要主要在转录水平在转录水平 进行进行DNARNA多肽多肽转录转录翻译翻译如如果蝇和其他双翅目昆虫唾腺染色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。膨松区的因的活化区，即正转录区域。

19、膨松区的位置和数目在相同发育阶段的同一类型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。别，在不同的发育阶段也有明显变化。果蝇多线染色体果蝇多线染色体 用用32P32P磷酸盐磷酸盐分别掺入分别掺入前体细胞前体细胞和和原成红细胞原成红细胞，若珠蛋白基因有表达，则若珠蛋白基因有表达，则DNADNA可转录有可转录有3232P P标记的标记的RNARNA。当用克隆的胚胎型当用克隆的胚胎型 样珠蛋白基因样珠蛋白基因DNADNA探针与探针与之杂交，发现在原成红细胞中有之杂交，发现在原成红细胞中有DNA-RNADNA-

20、RNA杂交反应，杂交反应，而前体细胞中不发生杂交反应。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阶段专一性特点。特异基因的阶段性表达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一、动物及人体的基本组织类型 包括四类包括四类 1 1上皮组织上皮组织: :来源于外胚层，如皮肤表层来源于外胚层，如皮肤表层 2 2结缔组织结缔组织: :

21、由中胚层产生的，分布在表皮之内各由中胚层产生的，分布在表皮之内各 器官组织之间，如韧带、纤维、血浆器官组织之间，如韧带、纤维、血浆 3 3肌肉组织肌肉组织: :来自中胚层，又有平滑肌、骨胳肌和来自中胚层，又有平滑肌、骨胳肌和 心肌，主要组分是肌原纤维心肌，主要组分是肌原纤维 4 4神经组织神经组织: :来自外胚层，由神经元和神经胶质细来自外胚层，由神经元和神经胶质细 胞组成胞组成 二、二、哺乳动物哺乳动物骨骼肌发育中的基因调节骨骼肌发育中的基因调节 1 1骨骼肌细胞发育包括骨骼肌细胞发育包括3 3个阶段个阶段1 1）由胚胎的体节细胞出现细胞决定（分化方向），由胚胎的体节细胞出现细胞决定（分化方

22、向）， 并分化为成肌细胞并分化为成肌细胞；2 2）成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力；成肌细胞向胚胎肢芽迁移并保持增殖能力；3 3）成肌细胞停止分裂，彼此融合成多核体细胞（或成肌细胞停止分裂，彼此融合成多核体细胞（或 肌管肌管），），伴随细胞融合的出现，对骨骼肌发育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。分化为成熟的骨骼肌细胞。骨骼肌细胞发育程序包括骨骼肌细胞发育程序包括3 3个阶段个阶段已鉴定出已鉴定出4 4种控制骨骼肌细胞发育的基因种控制骨骼肌细胞发育的基因：myoD、myf 5、my

23、ogenin及及mrf4，分分别表达相应的别表达相应的myoD、myf 5、myogenin及及mrf 4蛋白，统称为蛋白，统称为myoDmyoD家族蛋白家族蛋白。这些蛋白均具有碱性螺旋这些蛋白均具有碱性螺旋-环螺旋（环螺旋（bHLH）结构，属结构，属DNA结合蛋白并行使转录因子结合蛋白并行使转录因子的功的功能。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诱导肌细胞特异性基因转录基因基因 表型表型 myoD家族家族敲

24、除敲除 存活存活 成肌细胞成肌细胞 肌细胞肌细胞 蛋白功能蛋白功能myoD 能能 + + 不详不详myf 5 能能 + + 不详不详myoD、myf 5 否否 - -成肌细胞形成必须成肌细胞形成必须myogenin否否 + - 成肌细胞向肌细胞分化所必须成肌细胞向肌细胞分化所必须 表表 1 1 myoDmyoD 家族基因敲除对小鼠家族基因敲除对小鼠 骨骼肌细胞分化发育的影骨骼肌细胞分化发育的影响响从体节细胞分化为成肌细胞时需从体节细胞分化为成肌细胞时需myoD和和myf 5两种蛋白，两种蛋白， myogenin蛋白对成肌细胞融合并分化为成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熟的骨

25、骼肌细胞必不可少 细胞融合前只有细胞融合前只有myoD及及myf5基因表达，基因表达，myogenin基因只有在细胞融合发生后表达，基因只有在细胞融合发生后表达，且受且受myoD及及myf 5表达的诱导。表达的诱导。myoD及及myfmyf 5 5基因控制体节细胞分化为成肌细胞，而从成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肌细胞发育为成熟的骨骼肌细胞则依赖于myogenin基因基因成肌细胞中，成肌细胞中，肌动蛋白、肌球蛋白、原肌球肌动蛋白、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

26、神经刺激）肌酸激酶及乙酰胆碱受体（传递神经刺激）等等特异性蛋白的基因活性处于休止状态。成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。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成肌细胞融合激活特异性蛋白基因 myoD家族蛋白家族蛋白总结：Ebox构象改变构象改变二聚化二聚化 myoD家族蛋白家族蛋白特异蛋白表达特异蛋白表达成肌细胞融合成肌细胞融合三、神经发生的调节三、神经发生的调节 神经系统：外胚层神经系统：外胚层神经管神经管和和神经嵴神经嵴，神经神经管管脑、脊髓及视网膜在内的

27、中枢神经系统脑、脊髓及视网膜在内的中枢神经系统;神经嵴神经嵴周围神经系统。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。 神经元细胞分化神经元细胞分化果蝇基因组中鉴定出一种约果蝇基因组中鉴定出一种约lOOlOOkbkb的基因复合的基因复合物物 AS-complexAS-complex （AS-cAS-c）。）。ASASc c对刚毛器官对刚毛器官发育起调节作用。发育起调节作用。果蝇的刚毛器官是果蝇的刚毛器官是毛干细胞、神经元、鞘细毛干细胞

28、、神经元、鞘细胞和牙槽细胞胞和牙槽细胞等等4 4种细胞构成的触觉器官。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前体细胞经过两次分裂后的4 4个子细胞发育成个子细胞发育成上述上述4 4种特化细胞。种特化细胞。 神经元细胞分化过程中的基因神经元细胞分化过程中的基因ASASc c含含4 4种基因种基因achaete（ac）、）、scute（sc）、）、Lethal of scute（Lsc）及及asense（a），产物均为产物均为HLH

29、蛋白。蛋白。ac及及sc两种基因在神经原细胞中表达，使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。发育至神经前其向神经前体细胞方向分化。发育至神经前体细胞时，体细胞时，ac及及sc停止表达，停止表达，a及其他有关及其他有关基因开始表达并导致神经元分化。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神经元细胞分化过程中的基因表达达神经原细胞神经原细胞神经前体细胞神经前体细胞acaL-scscac及及sc的表达受另两种基因的表达受另两种基因daughterless（da）及及 extramachrochaete（emc）的调节，的调节，da及及emc产物亦为产物亦为bHL

30、H蛋蛋白，均可与白，均可与ac及及sc蛋白结合成异二聚体，前者通过调节转录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。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 和和Delta蛋白蛋白抑制抑制ac及及sc基因的表达，并阻止向神经前体基因的表达，并阻止向神经前体细胞方向分化。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元细胞分化过程中的基因表达调节神经原细胞神经原细胞神经前体细胞神经前体细胞acaL-scscda(+)emc(-)Notch(-)Delta(-)特异性蛋白基因表达的发育阶段特征特异性蛋白基因表达的发育阶

31、段特征 红细胞中的血红蛋白，在发育中不同红细胞中的血红蛋白，在发育中不同基因顺序地基因顺序地“开开”“闭闭”，使珠蛋白四聚，使珠蛋白四聚体的构成随时间发展相应发生变化。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哺乳动物早期胚胎中四聚体的组成为2222，然后随着胚胎发育改变为然后随着胚胎发育改变为2222，出生后主要为出生后主要为22 2 2。正常成人的血液正常成人的血液中还含有少量珠蛋白中还含有少量珠蛋白2222。 G A 5 3 11p15 2 1 5 3 16p13珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇HbGowerII (22) HbF (22)Hb

32、Portland (22） HbF(22) HbA2 (22)Hb GowerI (22) HbA (22) 95 胚胎期胚胎期 胎儿胎儿 成人成人 小儿血象特点小儿血象特点 一、一、 类珠蛋白基因表达的调节类珠蛋白基因表达的调节（一）、（一）、类珠蛋白基因簇的结构特点类珠蛋白基因簇的结构特点 在人在人1616号染色体上的位置依次是：号染色体上的位置依次是：端粒端粒-IL9-IL9-未命名未命名-Dist1-MPG-Prox1-Dist1-MPG-Prox1-珠蛋白基因特异的增强子序列珠蛋白基因特异的增强子序列HS-40位于位于 Prox1基因的第基因的第5内含子中。内含子中。 2 1 5 3

33、 16p13 珠蛋白基因簇珠蛋白基因簇端粒端粒-IL9-IL9-未命名未命名-Dist1-MPG-Prox1- -Dist1-MPG-Prox1- 2-1-（二二）、调调控控类类珠珠蛋蛋白白基基因因表表达达的的上上游游顺顺式式作作用元件和反式作用因子用元件和反式作用因子 1 1顺式作用元件：顺式作用元件： HS-40增强子增强子上游上游40kb40kb的一个的一个DNaseIDNaseI高敏位点（高敏位点（HS-40HS-40） HS-40HS-40序列长约序列长约300bp300bp，是多种组织特异及许多基是多种组织特异及许多基本反式作用因子的结合位点：本反式作用因子的结合位点： HS-40

34、HS-40对对 类珠蛋白基因有增强子活性，它类珠蛋白基因有增强子活性，它的缺失对甲基嘌呤的缺失对甲基嘌呤DNADNA糖基化酶（糖基化酶（MPGMPG）基因基因的表达没有影响，只引起的表达没有影响，只引起 类珠蛋白表达的降低，类珠蛋白表达的降低，造成严重的造成严重的-地中海贫血。地中海贫血。 4 4个红系特异的个红系特异的GATA盒盒两个调控蛋白两个调控蛋白NF-E2/AP1的结合位点的结合位点 3 3个个CACCC盒盒和一个和一个AGAG盒盒 2 2反式作用因子及其作用特点反式作用因子及其作用特点NF-E2NF-E2蛋白蛋白：一种重要的红系反式作用因子，是由分：一种重要的红系反式作用因子，是由

35、分子量分别为子量分别为45kD45kD（p45p45）和和18kD18kD（p18p18）的两类亚基构成的的两类亚基构成的异二聚体，都是属于异二聚体，都是属于AP-1AP-1基因超家族的含基因超家族的含碱性亮氨酸拉链碱性亮氨酸拉链（bZIPbZIP) )的蛋白。的蛋白。 bZIPGATA-1GATA-1和和EKLFEKLF也是重要的红系反式作用因子，在红系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，细胞的分化和基因表达过程中起关键作用，GATAGATA位点位点突变会使红系分化终止。突变会使红系分化终止。( (Erythroid krupple like factor

36、)GATA-1GATA-1和和EKLFEKLF都可以通过都可以通过锌指结构锌指结构与其它蛋白因子相与其它蛋白因子相互作用形成核酸互作用形成核酸- -蛋白复合物。蛋白复合物。 GATA-1GATA-1尚须尚须辅助蛋白辅助蛋白FOGFOG存在。存在。 -珠蛋白基因簇的珠蛋白基因簇的3 3- -下游区域内存在下游区域内存在的的GATA-1GATA-1结合位点可能也影响结合位点可能也影响-珠蛋白珠蛋白基因表达，基因表达，包含包含11基因在内的基因在内的22基因下基因下游游20kb20kb的缺失可使的缺失可使22基因不能表达。基因不能表达。 （三）、（三）、-类珠蛋白基因的表达类珠蛋白基因的表达机机体体

37、发发育育的的整整个个过过程程中中，-类类珠珠蛋蛋白白基基因因表表达达出出现现一一次次转转换换，即即胚胚胎胎期期 基基因因胎胎儿儿/ /成成人人期期 基基因因。基基因因簇簇5 5- -端端的的 基基因因在在卵卵黄黄囊囊期期首首先先开开启启表表达达。第第五五、六六周周造造血血功功能能从从卵卵黄黄囊囊转转移移到到胎胎肝肝后后，- -基基因因表表达达基基本本关关闭闭， 基基因因表表达开始活跃。达开始活跃。 HS-40和-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-类珠蛋白基因表达。-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

38、作用。mRNAmRNA的稳定性对的稳定性对-基因表达的有效关闭基因表达的有效关闭作用重要：作用重要： -类珠蛋白mRNA3-非翻译区内有一段16个碱基的嘧啶富含区，和mRNA的差异只是一个与CG的突变，使-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mRNA容易降解。转录后加工在转录后加工在mRNAmRNA的清除和关闭过程中起着关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。键作用，被认为是转录后调控的一个模式。 二、二、类珠蛋白基因表达的调节类珠蛋白基因表达的调节 （一）、-类珠蛋白基因簇的结构 G A 5 3 （二）、二）、类珠

39、蛋白基因表达的调控类珠蛋白基因表达的调控 1 1顺式作用元件顺式作用元件 （1 1）启动子）启动子：转录起始点转录起始点(+1)(+1) 5 5端上游端上游100200bp区含区含TATA盒、盒、CCAAT盒和盒和CACCC盒。盒。 若若- -30bpTATATATA盒点突变，将导致转录显著降低，盒点突变，将导致转录显著降低，引起引起地中海贫血。若地中海贫血。若- -90bp处处CACCC盒发生突变，盒发生突变，将破坏红系特异调控因子的结合，也引起将破坏红系特异调控因子的结合，也引起 地中海贫地中海贫血。血。 （2 2）增强子）增强子：2 2个增强子，分别位于人个增强子，分别位于人 珠蛋白基珠

40、蛋白基因内及因内及3 3端端+ +2400bp处。处。 （3 3）沉默子）沉默子：人人 珠蛋白基因珠蛋白基因5 5旁侧旁侧-610bp到到- -490bp及及-338bp到到-233bp处各有一个沉默子，与相应处各有一个沉默子，与相应的的反式阻抑因子反式阻抑因子直接或间接作用。直接或间接作用。 （4 4）座位控制区域）座位控制区域（LCRLCR）：位于人位于人珠蛋白基因珠蛋白基因5上游远侧端上游远侧端621kb间的一段间的一段DNA序列，含序列，含4 4个个DNaseI超敏位点。超敏位点。LCR为红系组织专一的、层次更为红系组织专一的、层次更高的顺式作用元件。高的顺式作用元件。LCR的突变或缺

41、失会导致各种的突变或缺失会导致各种贫血症。贫血症。 2 2反式作用因子反式作用因子 与人与人 类珠蛋白基因转录有关的反式调控类珠蛋白基因转录有关的反式调控因子分为因子分为基本转录因子基本转录因子（如（如CPlCPl，SPlSPl）和和红系红系组织特异转录因子组织特异转录因子（如（如GATA-1GATA-1，NF-E2NF-E2等）两等）两类。类。 CPl： CCAATSP1：CACCC 3. 3. 活性染色质结构与活性染色质结构与 - -类珠蛋白基因的表达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LCRLCR。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LCRLCR，

42、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DNaselDNasel的抗性，因而珠蛋白结构基因处于非活性状态。 4 4LCRLCR与与 - -类珠蛋白基因发育中的顺序表达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，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珠蛋白基因的位置与LCR相对距离的差相对距离的差异，可能影响各珠蛋白基因同异，可能影响各珠蛋白基因同LCR相互作用的相互作用的频率，使近距离珠蛋白基因优先表达，远距离频率，使近距

43、离珠蛋白基因优先表达，远距离的则在较后阶段被激活。的则在较后阶段被激活。 三、三、 组合调控对特异性蛋白基因表达的调节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：组合调控可使细胞分化成特定的细胞类型： 若将若将MyoDMyoD基因引入，取自鸡胚皮肤的体外培基因引入，取自鸡胚皮肤的体外培养的养的成纤维细胞成纤维细胞出现成肌细胞的特征，并融合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

44、、肌球蛋白并成多核肌肉样细胞，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。白，接受来自神经的刺激。但若将但若将MyoDMyoD基因引入基因引入非成纤维细胞非成纤维细胞， 细细胞不转变为肌肉样细胞，说明成纤维细胞中已积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，在加入累了其他必需的基因调节蛋白，在加入MyoDMyoD蛋白蛋白后，能完成特异的基因调节蛋白的组合，从而启后，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。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组

45、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。能决定眼的发育。若将若将Ey基因人为引入将要发基因人为引入将要发育成腿的果蝇细胞，在腿部表达育成腿的果蝇细胞，在腿部表达Ey蛋白的细胞发育成蛋白的细胞发育成果蝇眼。果蝇眼。提示提示Ey蛋白与一些基因调控区的结合位点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。结合后，通过组合调控直接调节这些基因的表达。 ey UAS-eyg-2ey UAS-eyg-2 EP C02-022eyUAS-eyg-2EPC02-022ey UAS

46、-eyg-2 EP C02-02229OC因而，通过一组基因调节蛋白的组因而，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合调控，共同协调地决定对某一基因表达。因表达。细胞分化中基因表达的调控一、一、DNADNA水平的调控水平的调控1 1基因扩增基因扩增在在生生活活史史的的某某一一段段时时间间临临时时出出现现。如如非非洲洲爪爪蟾蟾在在成成熟熟过过程程中中产产生生18S18S、28SrRNA28SrRNA的的rDNArDNA的的选选择择性性复复制制，使使成成熟熟卵卵细细胞胞具具有有2 2 10106 6个个DNADNA拷拷贝贝，与与二二倍倍体体细细胞胞（含含有有900900个个拷拷贝贝

47、）相相比比，扩扩增增10001000倍倍。由由于于大大量量合合成成核核糖糖体体，在在一一个个细细胞胞核核中中甚至可出现甚至可出现10001000个以上的核仁。个以上的核仁。2 2DNADNA序列重排序列重排在人类基因组中，所有抗体的在人类基因组中，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。的，而是由不同基因片段经重组后形成的。 3 3非组蛋白质非组蛋白质特异的非组蛋白质可能决定相特异的非组蛋白质可能决定相应的特定基因的转录，应的特定基因的转录，调节细胞中转录过程调节细胞中转录过程的因素是非组蛋白质。的因素是非

48、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兔子胸腺和骨髓细胞的染色质重组实验 ： 未分离的胸腺染色质合成胸腺未分离的胸腺染色质合成胸腺mRNAmRNA。 未分离的骨髓染色质合成骨髓未分离的骨髓染色质合成骨髓mRNAmRNA。 骨髓染色质的骨髓染色质的DNADNA、组蛋白和非组蛋白在试组蛋白和非组蛋白在试 管中重组后合成骨髓管中重组后合成骨髓mRNAmRNA。 胸腺染色质的胸腺染色质的DNADNA、组蛋白和非组蛋白重组组蛋白和非组蛋白重组 后合成胸腺后合成胸腺mRNAmRNA。 骨髓骨髓DNADNA和组蛋白与胸腺和组蛋白与胸腺DNADNA和组蛋白混合和组蛋白混合 在一起，

49、加入在一起，加入胸腺非组蛋白时胸腺非组蛋白时，重组后合，重组后合 成成胸腺胸腺mRNAmRNA。若加入若加入骨髓非组蛋白，骨髓非组蛋白，则重则重 组后合成组后合成骨髓骨髓mRNAmRNA。4 4DNADNA甲基化甲基化在在DNADNA复制后，复制后，由甲基化酶将由甲基化酶将S-S-腺苷甲硫腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶的氨酸的甲基转移到胞嘧啶的5-C5-C上完成对碱基的上完成对碱基的修饰，甲基化位置上可阻止转录因子与修饰，甲基化位置上可阻止转录因子与DNADNA结合。结合。 越是活跃的基因其甲基化程度越低，越不活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跃的基因甲基化程度越高

50、。在发育过程中，当在发育过程中，当某些基因表达完成后，某些基因表达完成后，DNADNA的甲基化可能参与了的甲基化可能参与了基因的关闭过程。基因的关闭过程。小鼠成纤维细胞小鼠成纤维细胞 （5-5-氮胞苷）氮胞苷）培养，培养，处于休止状态的基因被重新激活而进行表达，甚至可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。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氮胞苷进入细胞内转变为三磷酸5-氮胞苷，这种氮胞苷，这种5-氮胞苷化的氮胞苷化的DNA

51、由于不能被甲基化，结果使相关基因由于不能被甲基化，结果使相关基因被重新激活被重新激活RNA多肽多肽转录转录翻译翻译DNA（去甲基化）（去甲基化）（5-5-氮胞苷）氮胞苷）甲基化甲基化（三）、转录后水平的调控（三）、转录后水平的调控1 1核内核内RNARNA的选择加工的选择加工如用海胆囊胚的如用海胆囊胚的mRNAmRNA制成的制成的cDNAcDNA探针，分别与原探针，分别与原肠胚、肠和体腔细胞肠胚、肠和体腔细胞nRNAnRNA杂交，结合率高达杂交，结合率高达8080，而与，而与囊胚和肠细胞囊胚和肠细胞mRNAmRNA结合率则不同，前者为结合率则不同，前者为2828，后者仅，后者仅为为1010，说

52、明不同组织中转录的，说明不同组织中转录的nRNAnRNA可以一致，但可以一致，但mRNAmRNA却不相同。却不相同。 2 2转录后初级产物转录后初级产物RNARNA的加工的加工如如从从大大鼠鼠甲甲状状腺腺和和脑脑下下垂垂体体细细胞胞分分离离得得到到的的同同一一初初级级转转录录物物，通通过过不不同同的的剪剪切切与与加加工工，可可产产生生2 2种种不不同同的的成成熟熟mRNAmRNA。在在甲甲状状腺腺C C细细胞胞中中编编码码降降钙钙素素，而而在在脑脑下下垂垂体体和和多多种种神神经经细细胞胞中中，则编码则编码降钙素基因相关蛋白降钙素基因相关蛋白。 3 3专一专一mRNAmRNA的降解的降解如如哺哺

53、乳乳动动物物成成红红细细胞胞（erythroblasterythroblast）的的分分化化过过程程中中，早早期期细细胞胞合合成成若若干干种种mRNAmRNA，其其中中少少量量的的珠珠蛋蛋白白mRNAmRNA被被保保留留，但但到到后后期期最最后后几几次次细细胞胞分分裂裂时时，只只有有珠蛋白珠蛋白mRNAmRNA保留下来，其他种保留下来，其他种类类的的mRNAmRNA均被降解。均被降解。在在黏黏菌菌发发育育过过程程中中，如如果果黏黏菌菌在在某某一一阶阶段段停停止止发育，则会把准备用于下阶段的新发育，则会把准备用于下阶段的新mRNAmRNA降解。降解。 （四）、翻译水平的调控（四）、翻译水平的调控

54、基因表达过程中，一条合成的多肽链经翻译基因表达过程中，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。后加工产生多种不同活性的蛋白质或多肽。 如鸦片促黑皮质素如鸦片促黑皮质素(POMC)(POMC)：结构上为结构上为ACTH，促黑素细胞激素促黑素细胞激素(MSH)，内啡肽内啡肽, 脂酸动员激素脂酸动员激素(LPH)的前体。的前体。 影响细胞分化的因素 一一 细胞内因素细胞内因素受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，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，产物不断加入因不同基因表达，产物不断加入细胞质细胞质，改变，改变细胞质成分，使基因表达环境发生改变，细胞细胞质成分，

55、使基因表达环境发生改变，细胞质反作用于质反作用于细胞核细胞核，又使核内基因表达状态不，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。至产生各种不同类型的细胞。 二二 细胞外因素细胞外因素影响细胞分化的细胞外因素，包括影响细胞分化的细胞外因素，包括环境因环境因素素，胞外物质胞外物质（细胞的基质，黏附分子，细胞（细胞的基质，黏附分子，细胞因子，激素等），以及因子，激素等），以及细胞之间的相互作用。细胞之间的相互作用。 （一）、环境因素（一）、环境因素 环境多种因素对机体的发育有一定的影响，如环境多种因素对机体的发育有

56、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。裂，从而影响细胞分化的原因之一。 如豚鼠的孕期为如豚鼠的孕期为68d，如果在妊娠如果在妊娠1828d给母鼠增温度给母鼠增温度341小时，胎鼠脑重可减轻小时，胎鼠脑重可减轻10。 （二）细胞间的相互作用（二）细胞间的相互作用 1 1诱导诱导（inductioninduction）：）：一部分细胞对邻近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。发生的过程。 2 2抑制抑制 （inhibitioni

57、nhibition）指在胚胎发育指在胚胎发育中，已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分中，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。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。邻近细胞向相同方向分化。 3 3细胞识别与黏合细胞识别与黏合 从受精、胚泡植

58、入、从受精、胚泡植入、形态发生、器官形成都与细胞识别与黏合形态发生、器官形成都与细胞识别与黏合息息相关。息息相关。如将蝾螈的原肠胚三个胚层的游离细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胞体外混合培养，各胚层细胞又将自我挑选选，相互黏着，依然形成外胚层在外，内相互黏着，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。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于质膜之中或结合于质膜上的糖复合物糖复合物（糖蛋白，蛋白聚糖及糖脂）担任。（糖蛋白，蛋白聚糖及糖脂）担任。细胞间识

59、别并黏合后，质膜各部分就紧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、电荷及分子密结合成细胞间传递离子、电荷及分子的通道。的通道。（三）（三） 激激 素素 激素由血液循环输送到不同部位决定靶细胞的分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。化，属远距离调节。如如在昆虫变态中，幼虫的蜕变和化蛹受激素影在昆虫变态中，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，推断脑激素实际是体内，则此幼虫又恢复化蛹能力，推断脑激素实际是一种一种促蜕皮激素促蜕皮激素。而。而保幼激素保幼激素则由咽侧体产生，能促则由咽侧体产生，能促进幼虫发育，但阻止变态。若将幼龄虫的咽侧体切除，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。则提前化蛹，变为成虫。