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1、果蠅精子形成過(guò)程中基因調(diào)控的分子機(jī)制果蠅精子形成過(guò)程中基因調(diào)控的分子機(jī)制海倫.白-庫(kù)伯卡迪夫大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院 博物館大街 CF10 3AX,UK通訊作者 海倫.白-庫(kù)伯 電子郵件地址:white-coopercf.ac.uk摘要:從形態(tài)上普通的細(xì)胞分化成為高度專一、能夠獨(dú)立生活、具有活力的細(xì)胞,精子細(xì)胞的分化需要大量基因產(chǎn)物的協(xié)調(diào)作用。這類產(chǎn)物的表達(dá)必須是在發(fā)育環(huán)境下進(jìn)行調(diào)控,以確保正常的細(xì)胞分化。精子形成過(guò)程中的許多必要基因在動(dòng)物體內(nèi)是不發(fā)揮作用的,也許在其它地方表達(dá),但使用不同的轉(zhuǎn)錄調(diào)控模板。因此,精子的形成過(guò)程是一個(gè)非常好的闡明組織特異性基因表達(dá)原理的系統(tǒng)。同樣,對(duì)于它本身的正確性也變

2、得有趣起來(lái)。在這里,我討論了果蠅精子形成過(guò)程中基因表達(dá)的調(diào)控,重點(diǎn)論述了雄性生殖細(xì)胞系中睪丸特異性基因的表達(dá)過(guò)程。 果蠅睪丸的解剖學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)結(jié)構(gòu) 果蠅的睪丸是由肌肉和色素細(xì)胞組成的具有盲端的管狀結(jié)構(gòu)構(gòu)成的,管中充滿了雄性生殖細(xì)胞和支持細(xì)胞。詳見Fuller在1993年對(duì)果蠅精子形成的詳細(xì)描述。在管的一端有一個(gè)厚的基底層區(qū)域,覆蓋著由20個(gè)有絲分裂后hub細(xì)胞構(gòu)成的小集群,它們構(gòu)成了一個(gè)維護(hù)正常干細(xì)胞的信號(hào)中心。分布在hub細(xì)胞周圍的是兩種干細(xì)胞群,生殖細(xì)胞系細(xì)胞的每一次減數(shù)分裂都會(huì)再產(chǎn)生一個(gè)生殖細(xì)胞系細(xì)胞,并且還產(chǎn)生一個(gè)精原細(xì)胞。(體細(xì)胞)囊狀祖細(xì)胞的每一次減數(shù)分裂都會(huì)再產(chǎn)生一個(gè)囊狀祖細(xì)胞

3、,并且還產(chǎn)生一個(gè)囊狀細(xì)胞。盡管囊狀祖細(xì)胞的分裂同樣也會(huì)產(chǎn)生新的hub細(xì)胞。兩種囊細(xì)胞都包裹住精原細(xì)胞,并形成了囊狀結(jié)構(gòu),并且與哺乳動(dòng)物睪丸中的支持細(xì)胞有相似的功能?,F(xiàn)在,這些囊狀細(xì)胞處于后有絲分裂期,與此同時(shí),這些囊狀精原細(xì)胞經(jīng)過(guò)4次有絲分裂形成16個(gè)初級(jí)精母細(xì)胞。就像哺乳動(dòng)物精子的形成一樣,形成精子的分裂也是以不完全胞質(zhì)分裂、姐妹細(xì)胞間以穩(wěn)定的胞質(zhì)橋梁相連接為特征。初級(jí)精母細(xì)胞迅速通過(guò)減數(shù)分裂前s期并進(jìn)入持續(xù)超過(guò)3天的細(xì)胞循環(huán)G2期,在此期間,細(xì)胞體積明顯增大,經(jīng)過(guò)兩次減數(shù)分裂形成的64個(gè)圓的精子細(xì)胞仍然包在一個(gè)囊中。并且相互協(xié)調(diào)聯(lián)系產(chǎn)生極化,所以,這個(gè)囊狀結(jié)構(gòu)本身就是不對(duì)稱的。在精子細(xì)胞的

4、伸長(zhǎng)階段,兩種囊細(xì)胞的不同之處變得明顯起來(lái)。頭部的囊細(xì)胞覆蓋在精子細(xì)胞的尾部,而尾部的囊細(xì)胞壓縮正在伸長(zhǎng)的尾部。囊細(xì)胞調(diào)整精子的頭部朝向睪丸的底部,而尾部則朝向睪丸的頂端伸長(zhǎng)。最后,充分伸長(zhǎng)的精子細(xì)胞再進(jìn)行個(gè)體化發(fā)育,在此期間,將擠出多余的細(xì)胞質(zhì),個(gè)體發(fā)育完的精子細(xì)胞在睪丸的底部呈圓圈狀,直到被排入精囊中。果蠅睪丸中的基因表達(dá)原始的增值中心 在睪丸的頂端區(qū)域含有hub細(xì)胞,干細(xì)胞(生殖細(xì)胞系細(xì)胞和囊祖細(xì)胞)以及有絲分裂精原細(xì)胞囊,它們共同構(gòu)成了原始的生發(fā)中心。在這里,基因的特異性表達(dá)似乎涉及到干細(xì)胞的行為調(diào)節(jié)作用,促進(jìn)干細(xì)胞發(fā)育成與hub基因相關(guān)的細(xì)胞,并且促進(jìn)從hub中移走的細(xì)胞的分化。幾種

5、信號(hào)通路解釋了這一過(guò)程。包括所有種類干細(xì)胞的中JAK-STAT信號(hào)的激活,并與hub的配體進(jìn)行反應(yīng),以及生殖系細(xì)胞的和精原細(xì)胞的中DPP通路的激活。最近,這幾種通路在其它領(lǐng)域也受到了重視。有這些信號(hào)事件決定靶細(xì)胞中發(fā)生轉(zhuǎn)錄改變的研究已經(jīng)取得了進(jìn)展。通過(guò)擴(kuò)配的生殖系干細(xì)胞和擴(kuò)配的精原細(xì)胞相比,發(fā)現(xiàn),在hub或干細(xì)胞中的特異性表達(dá)上存在很少的相關(guān)基因。但是發(fā)現(xiàn)了一個(gè)在干細(xì)胞JKA-STAT信號(hào)通路潛在靶基因。一個(gè)把基因、鋅指同源-1以及轉(zhuǎn)錄因子是必須且足以囊祖細(xì)胞的,通過(guò)抑制與囊祖細(xì)胞分化的相關(guān)基因的表達(dá),有趣的是,囊細(xì)胞中的鋅指同源-1的持續(xù)表達(dá)阻止了囊干細(xì)胞自身的表達(dá)以及生殖系細(xì)胞的非自主關(guān)閉

6、的分化。這表明,睪丸頂點(diǎn)區(qū)域的信號(hào)發(fā)生要比之前我們想的要復(fù)雜得多,并且,我們對(duì)兩種干細(xì)胞的行為上的協(xié)調(diào)作用的機(jī)制還不清楚。初級(jí)精母細(xì)胞的激活一個(gè)特異的轉(zhuǎn)錄程序?qū)τ谛坌陨诚导?xì)胞來(lái)說(shuō),有絲分裂的完成以及進(jìn)入精母細(xì)胞階段標(biāo)志著一個(gè)戲劇性的轉(zhuǎn)折點(diǎn)。我不知道在動(dòng)物的雄性生殖系干細(xì)胞和囊細(xì)胞中表示的任何一種基因是否在其它細(xì)胞中也表達(dá),睪丸特異性基因的表達(dá)在精母細(xì)胞中被激活。20世紀(jì)60年代和70年代進(jìn)行的將3H-尿苷整合到轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的實(shí)驗(yàn)表明,在哺乳動(dòng)物的精子中存在減數(shù)分裂后轉(zhuǎn)錄。相似的關(guān)于果蠅的影像研究表明,在成熟的初級(jí)精母細(xì)胞階段開始將3H-尿苷整合到轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物中沒(méi)有協(xié)調(diào)作用。因此,盡管減數(shù)分裂后轉(zhuǎn)錄被

7、認(rèn)為普遍存在于哺乳動(dòng)物圓形的精子細(xì)胞中,但直到最近它才被認(rèn)為在果蠅的精子形成過(guò)程中不存在。這表明,在精子形成過(guò)程中所需要的蛋白質(zhì)都是在初級(jí)精母細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄形成的,并且一直都被儲(chǔ)存著,直到被需要利用。這包括,例如精子尾部的蛋白質(zhì)Donjuan以及許多其它的蛋白質(zhì)都是在初級(jí)精母細(xì)胞核中合成的,并且都保持著翻譯抑制狀態(tài)并持續(xù)幾天,直到精子形成的后期階段。脊椎動(dòng)物中也是如此,盡管也存在減數(shù)分裂后轉(zhuǎn)錄,但都被染色質(zhì)的濃縮所抑制,并且在精子形成的后期需要依賴于儲(chǔ)存mRNA的翻譯。初級(jí)精母細(xì)胞中的基因表達(dá) 對(duì)成體的不同基因芯片分析表明,基因組織中大約50%的基因在睪丸中表達(dá),并且在成體中檢測(cè)到的8%的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物

8、是睪丸特異性的,而且還有5%是在睪丸中擴(kuò)增的。因此,與其它組織相比,睪丸中表達(dá)的全部基因中的25%是睪丸特異性的或者是在睪丸中擴(kuò)增的,相似的研究表明,這些基因在睪丸中表達(dá),但不是編碼蛋白質(zhì)的作用。精子中的全部蛋白質(zhì)被證實(shí)是由350種蛋白質(zhì)組成的,這些蛋白質(zhì)中的50%是睪丸中富含的或者是特異性轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物。令人欣慰的是,已知的精子特異性蛋白,例如B2-微管蛋白和胞質(zhì)動(dòng)力蛋白都在數(shù)據(jù)庫(kù)中可以查到。睪丸特異性或是睪丸中擴(kuò)增的基因大體上要分為兩類,一類是在其它組織(有時(shí)是睪丸)中表達(dá)的含有明顯的共源產(chǎn)物,另一類則是不含有共源產(chǎn)物。表1列出了這兩類基因的基因片段,表明了何種基因在果蠅的初級(jí)精母細(xì)胞中表達(dá)。這

9、個(gè)列表中顯示出了多種不同基因本質(zhì)上的分類,包括,代謝、胞質(zhì)骨架以及染色質(zhì)的組織等。然而或許是依據(jù)基因本質(zhì)上進(jìn)行的睪丸特異性基因和睪丸蛋白質(zhì)分類所得出的結(jié)論就是,最大的一類是“無(wú)功能預(yù)測(cè)”在果蠅基因組中,僅限于睪丸特異性精子蛋白組基因本質(zhì)上的分析是特別引人注意的。這些基因中得很小一部分有功能預(yù)測(cè),甚至在這些已經(jīng)進(jìn)行了功能預(yù)測(cè)基因中很少進(jìn)行過(guò)檢測(cè),大多數(shù)基因的功能是不明確的。X染色體上基因的表達(dá) 已有實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明,在雄性中,對(duì)于基因發(fā)揮主要作用而言,X染色體不是一個(gè)非常好的地方,并且有一個(gè)X染色體的雄性偏置和睪丸偏置影響基因以外的一般模式。通過(guò)復(fù)制會(huì)產(chǎn)生一對(duì)基因,常染色體副本要比與X染色體相關(guān)的副

10、本更加具有睪丸偏置影響表達(dá)。潛在的進(jìn)化力量推動(dòng)了這些事件的進(jìn)行,包括性antogonism,因?yàn)樾坌允荴單倍體,所以與X相關(guān)的等位基因的復(fù)制要比雌性花更多的時(shí)間,因此,變異對(duì)雄性有利而對(duì)雌性不利就被相應(yīng)的選擇出來(lái)了。精子形成過(guò)程中X染色體的失活將會(huì)給與X相關(guān)的精子形成基因的相對(duì)基因更強(qiáng)的選擇作用。這兩種力量共同推進(jìn)了X染色體失活的假說(shuō)。同樣,在脊椎動(dòng)物精原細(xì)胞的減數(shù)分裂中X染色體也會(huì)失活。并且對(duì)于X染色體是在果蠅的初級(jí)精母細(xì)胞中失活的說(shuō)法在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)存在爭(zhēng)議。這個(gè)觀測(cè)結(jié)果對(duì)一大類的睪丸中豐富的基因和一小類體細(xì)胞中豐富的基因都是正確的的。通過(guò)質(zhì)譜分析發(fā)現(xiàn),構(gòu)成精子的381種蛋白質(zhì)中只有43種是由

11、X染色體編碼的,這再一次證明了存在于X染色體上的鏡子基因的不足性。有趣的是,盡管如此,仍有大量的與X染色體相關(guān)的基因是在睪丸中特異性表達(dá)或擴(kuò)增的。這表明,在這里確實(shí)有一些激活子發(fā)揮了作用。與全部的成體樣本相比,在睪丸中最豐富的50種基因中,13種存在于X染色體上。對(duì)于結(jié)構(gòu)基因,如sdic基因和與X染色體相關(guān)的筑絲蛋白基因家族的擴(kuò)大串聯(lián)而言,X染色體的確是一個(gè)好的地方。最近一個(gè)將轉(zhuǎn)基因插入X染色體與插入常染色體在表達(dá)上的比較分析表明,至少有一種睪丸特異激活子要比插入常染色體中更高效的發(fā)揮了功能,盡管這個(gè)表達(dá)作用是在與X染色體相關(guān)的插入中檢測(cè)的。這表明,在X染色體上存在著一個(gè)較低水平的表達(dá),盡管對(duì)

12、其它激活子的大部分觀察結(jié)果還未進(jìn)行檢驗(yàn)。減數(shù)分裂阻滯位點(diǎn):初級(jí)精母細(xì)胞中基因表達(dá)的調(diào)控盡管在精子細(xì)胞分化的過(guò)程中有多種細(xì)胞內(nèi)事件的協(xié)調(diào)作用,遺傳分析表明,大多的形態(tài)上的事件都是獨(dú)立調(diào)節(jié)的。例如,精子細(xì)胞的伸長(zhǎng)涉及到鞭毛軸絲的合成、線粒體融合以及線粒體衍生物的伸長(zhǎng)和質(zhì)膜的極性生長(zhǎng)等。突變的精子細(xì)胞fws中,保守的低聚高爾基體亞基,或是syntaxin5,它們都對(duì)內(nèi)質(zhì)網(wǎng)-高爾基體物質(zhì)運(yùn)輸非常重要,它們可以啟動(dòng)軸絲和線粒體的伸長(zhǎng)等,但在這些男性體內(nèi)(xu et al.2002,Farkas et al.2003)細(xì)胞不能生長(zhǎng),囊細(xì)胞也不能伸長(zhǎng).在精子突變體fzo中,絲裂融蛋白以及線粒體融合不能發(fā)生,

13、但精子細(xì)胞可以伸長(zhǎng)。令人驚訝的是,精子細(xì)胞的分化并不完全依賴于減數(shù)分裂的完成,細(xì)胞周期激活因子交織引起精子細(xì)胞的突變,使細(xì)胞不能發(fā)生減數(shù)分裂而是使精子細(xì)胞發(fā)生分化成為4N,16個(gè)細(xì)胞構(gòu)成的囊狀過(guò)程。 盡管特別的形態(tài)事件發(fā)生具有獨(dú)立性,但遺傳學(xué)分析揭示了精子基因組程序是如何協(xié)調(diào)的。在精原細(xì)胞arrest發(fā)育過(guò)程中,發(fā)現(xiàn)了一類“減數(shù)分裂阻滯”突變體,它們不能進(jìn)行減數(shù)分裂或精子細(xì)胞的發(fā)生。雄性突變體睪丸中的減數(shù)分裂阻滯位點(diǎn)僅僅包括精子形成過(guò)程中直到成熟初級(jí)精母細(xì)胞的各個(gè)階段。這些睪丸中的初級(jí)精母細(xì)胞,它們既不進(jìn)行減數(shù)分裂也不促進(jìn)精子細(xì)胞的分化,在發(fā)生減數(shù)分裂阻滯突變的睪丸的底部區(qū)域明顯含有退化的細(xì)胞

14、。這些睪丸與患有成熟減數(shù)分裂精子細(xì)胞缺乏癥病人的睪丸相似。減數(shù)分裂阻滯位點(diǎn)分為兩種不同的表型對(duì)第一次減數(shù)分裂突變體的細(xì)胞核結(jié)構(gòu)檢測(cè)表明,can,mia,sa突變體中部分凝聚染色體的結(jié)構(gòu)與正常前期的結(jié)構(gòu)相似。相反的是,在aly基因突變的精母細(xì)胞中,染色體在形態(tài)上是非常分散的,并且染色體顯得非常模糊。為了弄明白減數(shù)分裂阻滯突變體是如何影響減數(shù)分裂和精子細(xì)胞分化的過(guò)程,我們檢測(cè)了幾種對(duì)這些過(guò)程十分重要的基因的表達(dá)情況。對(duì)初級(jí)精母細(xì)胞功能很重要的基因在突變的精母細(xì)胞中表達(dá)了,這表明,在初級(jí)精母細(xì)胞中,減數(shù)分裂阻滯基因不是轉(zhuǎn)錄的全部激活子。令人驚奇的是,我們發(fā)現(xiàn),精子形成過(guò)程中起重要作用的基因的mRNA

15、在can,mia,sa基因突變的初級(jí)精母細(xì)胞中表達(dá)量很低,并且在aly基因突變的初級(jí)精母細(xì)胞中檢測(cè)不到。aly基因突變體在細(xì)胞周期的轉(zhuǎn)錄方面與其它幾種突變體表現(xiàn)不同:aly基因突變體需要Twine基因的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,但是can,mia和sa突變體需要的是轉(zhuǎn)錄后的Twine蛋白產(chǎn)物,因此,我們推斷,在初級(jí)精母細(xì)胞中,減數(shù)分裂阻滯基因?qū)D(zhuǎn)錄是很重要的,在精子形成過(guò)程中,主要的基因產(chǎn)物發(fā)揮作用。我們進(jìn)一步推斷,減數(shù)分裂阻滯基因又可細(xì)分為aly基因類和can基因類兩類,且這種分類在最近關(guān)于減數(shù)分裂阻滯位點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)中應(yīng)用。aly類基因突變體影響睪丸中多于1000種基因的轉(zhuǎn)錄,然而can類基因突變體則有些局限于

16、靶基因。大約有150種基因可以在can類基因突變體中表達(dá),而在aly基因類突變體中則不能。而且,aly類基因的無(wú)效突變體明顯的削弱了靶基因的表達(dá),盡管靶基因的表達(dá)作用減弱了,但在發(fā)生can類基因突變的睪丸中可以檢測(cè)到它。aly類基因的產(chǎn)物形成了睪丸特異性TFD共源復(fù)合物多亞基轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物TFD是由TATA-結(jié)合蛋白和多達(dá)12個(gè)TATA-結(jié)合蛋白相關(guān)因子構(gòu)成的,它在促進(jìn)基因啟動(dòng)子區(qū)域與RNA核糖核苷酸聚合酶之間的相互作用方面發(fā)揮了關(guān)鍵的作用。can基因的克隆表明,它編碼了與無(wú)處不表達(dá)的TAF,dTAFS物質(zhì)共源的睪丸特異性物質(zhì)。mia,sa,rye基因的克隆表明,它們也編碼組織特異性物質(zhì)TAF

17、s,這就產(chǎn)生了一個(gè)假說(shuō),即存在一個(gè)無(wú)處不需要TAFs物質(zhì)的睪丸特異性區(qū)域。睪丸TFD物質(zhì)包含由can基因減數(shù)分裂阻滯位點(diǎn)編碼的TAFs,由TAF1和TAF2混雜而成。一個(gè)TAF1與同型的TAF1相連,并且在睪丸中大量擴(kuò)增。假設(shè)這個(gè)啟動(dòng)子與靶基因相互作用,則復(fù)合物中也會(huì)含有TBP(或幾種TBP相關(guān)蛋白的一種),盡管通常DNA連接活性是TBP賦予的,但也有可能由TAF1或2中的兩種AT-hook motifs所提供的。盡管睪丸TFD復(fù)合物的postulated與現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫(kù)相一致,但值得注意的是,TAFs不僅是TFD的組成成分,而且還與組蛋白乙酰轉(zhuǎn)移酶和PCG復(fù)合物相關(guān),這使得功能預(yù)測(cè)變得更加困難。

18、tTAFs的發(fā)現(xiàn)導(dǎo)致產(chǎn)生了一個(gè)功能模型,其中它們僅僅是替代了通常表達(dá)的TFD復(fù)合物,并且具有轉(zhuǎn)錄激活因子的作用,特別是作為精子形成基因的激活子。tTAF亞基可作為一般TFD復(fù)合物的一個(gè)簡(jiǎn)單替代物表明,tTAF蛋白質(zhì)首先是與大量的染色質(zhì)共聚集在初級(jí)精母細(xì)胞的細(xì)胞核中,但是大部分tTAF蛋白質(zhì)與TAF1-2不是集中在常染色質(zhì)上,而是在細(xì)胞核的亞區(qū)室中。這些人發(fā)現(xiàn)在初級(jí)精母細(xì)胞中,一小部分的tTAF染色與染色體聚集有關(guān)。一般表達(dá)的TFD的組成成分既不能在初級(jí)精母細(xì)胞中被檢測(cè)到而且與染色質(zhì)也沒(méi)有關(guān)系,且在細(xì)胞核中也不存在。令人驚奇的是,pc,polyhomeotic和dRing抑制復(fù)合物的所有成分首先

19、是聚集在初級(jí)精母細(xì)胞的細(xì)胞核中,這與tTAFS模式是一致的。PRC1的細(xì)胞核聚集依賴于tTAFS的正常激活,在tTAFS突變的初級(jí)精母細(xì)胞中,PRC1的成分聚集在染色質(zhì)上,而不是細(xì)胞核中。這些發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生了一個(gè)假說(shuō):tTAFS激活睪丸特異性基因表達(dá)的功能可能歸因于自己被抑制劑的抑制作用。在這種情況下tTAFS會(huì)使PRC1免于睪丸特異性靶激活子的激活作用,這樣就使其去抑制了。在睪丸樣品中中進(jìn)行的免疫沉淀法檢測(cè)顯示,tTAFS應(yīng)該是初級(jí)精母細(xì)胞中的靶激活子(這是樣品中唯一表達(dá)沉淀蛋白的細(xì)胞)然而,在野生型的睪丸中,pc受tTAF靶激活子的作用,與受非靶基因或基因間區(qū)域的激活子作用相比,pc沒(méi)有擴(kuò)增,相

20、反,卻與“抑制劑的抑制劑”假說(shuō)相一致。在tTAFS突變的睪丸中,pc在tTAF靶激活子的作用下擴(kuò)增,“tTAFS作為一個(gè)激活因子”和“抑制劑的抑制劑”兩種假說(shuō)不是互相排斥的。tTAFS可能既能除掉抑制劑(pc)又能作為激活子發(fā)揮作用。例如,募集Trithorax group復(fù)合物。Aly類基因產(chǎn)物形成睪丸特異性Myb-MUVB共源復(fù)合物當(dāng)aly基因被克隆出來(lái)時(shí),我們知道它從植物體到動(dòng)物體都是很保守的(真菌中不是),aly基因唯一的同源基因已經(jīng)在其它系統(tǒng)中被研究了,這個(gè)系統(tǒng)就是線蟲的lin-9基因,這個(gè)基因涉及到synMUVB遺傳通路,該遺傳通路對(duì)線蟲的外陰感應(yīng)起著負(fù)調(diào)控的作用,那時(shí),lin-9

21、基因調(diào)控C.線蟲中細(xì)胞命運(yùn)的機(jī)制還不清楚?;驕y(cè)序和系統(tǒng)發(fā)育分析表明,aly基因是果蠅中兩種lin-9基因共源的基因中的一種,另一種則是mip130基因。aly基因潛在功能的線索來(lái)自最近對(duì)其同源基因的分析。從卵巢提取物中純化得到的mip130蛋白,與果蠅Myb,CAF1以及之前不知道的兩種Mip120和Mip40構(gòu)成了一種復(fù)合物。這種復(fù)合物在細(xì)微的不同條件下再次被純化,并揭示了其含有更復(fù)雜的亞基,現(xiàn)在被稱作MMB或dREAM復(fù)合物。另外的一些亞基,包括果蠅Rbf,E2F2,DP和dlin-52,其中Myb,E2F2,DP以及Mip120是DNA的結(jié)合蛋白。dREAMMMB復(fù)合物主要功能似乎是抑

22、制基因的表達(dá)。令人興奮的是,C.線蟲synMUVB通路基因的克隆揭示了一個(gè)類似的基因序列,其產(chǎn)物形成DRM復(fù)合物,核心DRM復(fù)合物包括lin-35基因,Efl-1基因,DPL-1基因,lin-53基因,lin-37基因lin52和lin54基因,除此之外,還含有alymip130的同源基因lin-9基因。從人體細(xì)胞已經(jīng)提取純化的一種被叫做linc或DREAM的相似復(fù)合物。表3給出了這幾種相關(guān)復(fù)合物的成分。Mip40基因是一種在果蠅睪丸中高度表達(dá)的dREAMMMB亞基基因,利用它進(jìn)行免疫親和純化方法證明了睪丸特異復(fù)合物的存在,這種復(fù)合物被稱作是睪丸減數(shù)分裂阻滯復(fù)合物。一些tMAC成分在dREAM

23、復(fù)合物種被發(fā)現(xiàn),一些則是dREAM復(fù)合物亞基的共源物質(zhì),一些則只存在于tMAC中。通過(guò)對(duì)aly類基因減數(shù)分裂阻滯基因的遺傳分析,tMAC亞基中的三種成分已被確定。Comr基因編碼一種耐性蛋白,這種基因在果蠅基因組中很保守,但在更遠(yuǎn)的親緣物種中則找不到這種基因。當(dāng)我們第一次克隆comr基因時(shí),從數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找其序列,卻找不到與之相匹配的。但最近研究表明,它包含一個(gè)被公認(rèn)是DNA結(jié)構(gòu)域的翼狀螺旋結(jié)構(gòu)。Topic基因是在與其直接作用的comr蛋白的基礎(chǔ)上克隆的,這種基因至少在昆蟲中是保守的,它包含有多鋅指模型,被公認(rèn)具有約束DNA的作用。我們通過(guò)aly基因蛋白的配體的結(jié)構(gòu)克隆了tomb基因,tomb基

24、因含有被預(yù)言為DNA連接域,并與dREAM成分Mip120共源的CXC基因。最后的aly減數(shù)分裂阻滯點(diǎn)已經(jīng)通過(guò)遺傳學(xué)方法確定為achi和vis基因的重復(fù)點(diǎn)。編碼achi和vis蛋白,這與人類中的相互作用因子蛋白類似。Achivis蛋白與睪丸提取物中的aly和comr基因發(fā)生共免疫沉淀反應(yīng),但與Mip140基因不發(fā)生共純化作用。這表明aly和comr至少存在于兩種不同的復(fù)合物種,一種復(fù)合物含有Mip140,缺乏Achivis,另一種則含有Achivis。 組織特異性基因dREAM與tMAC亞基被公認(rèn)是DNA連接蛋白,核心復(fù)合物成分,睪丸中表達(dá)的共源物與睪丸或組織中的不同的DNA連接蛋白的作用就是

25、確保睪丸中精子形成基因被特異的激活。dREAM和DRM復(fù)合物主要是在轉(zhuǎn)錄抑制方面發(fā)揮作用,而不是激活作用。盡管激活作用是由人類中復(fù)合物L(fēng)INC來(lái)發(fā)揮。這就引出了一個(gè)問(wèn)題,aly類減數(shù)分裂阻滯基因是直接作為轉(zhuǎn)錄激活子發(fā)揮作用,還是作為抑制因子對(duì)抑制因子發(fā)揮作用?支持潛在激活作用的一個(gè)證據(jù):觀測(cè)結(jié)果表明,在初級(jí)精母細(xì)胞中,所有aly類蛋白質(zhì)與常染色質(zhì)發(fā)生共聚集作用,并且,這種聚集作用對(duì)其功能是必要的。Achivis。作為轉(zhuǎn)錄激活子的直接證據(jù)已經(jīng)通過(guò)對(duì)Achivis的強(qiáng)激活和強(qiáng)抑制發(fā)生的表達(dá)融合證實(shí)了。Achi-VP16融合蛋白的表達(dá)避免突變形狀的發(fā)生,而Achi-ERR基因的表達(dá)不能起到這個(gè)作用。

26、tTAFS和tMAC的交互調(diào)節(jié)利用原位雜交技術(shù)診斷RNA,將其分成aly類和can類減數(shù)分裂阻滯突變,這些有關(guān)蛋白編碼aly類基因成為tMAC亞基,使can類基因變?yōu)閠TAFS,然而mip40不符合這種分類,但顯然mip40突變體使can類的。這可能表明,mip40在平衡兩種復(fù)合物的相互作用中發(fā)揮關(guān)鍵的作用,這需要做進(jìn)一步的研究。睪丸特異性激活子 睪丸特異性基因只在睪丸中被激活,在果蠅的其它組追中則保持“沉默”,有點(diǎn)讓人吃驚的是,激活子成分與睪丸特異性存在很小的相關(guān)性。首先被研究的其中之一就是-微觀蛋白的同型物2微觀蛋白。令人驚訝的是,僅由啟動(dòng)子區(qū)域的一個(gè)長(zhǎng)53bp的片段,加上5UTR的第一個(gè)

27、長(zhǎng)71bp的片段就足以引起報(bào)告基因組的睪丸特異性表達(dá)。啟動(dòng)子上一個(gè)長(zhǎng)為14bp的片段2UE1,被證明對(duì)睪丸的特異性表達(dá)起著關(guān)鍵的作用。這個(gè)睪丸特異性的報(bào)道基因的表達(dá)依賴于減數(shù)分裂阻滯基因功能的正常發(fā)揮,例如,內(nèi)源性基因的表達(dá)。2UE1的相關(guān)序列被發(fā)現(xiàn)是其他幾種睪丸特異性轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)的上游,但這個(gè)序列在其他睪丸激活子中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn),所以,它不能被認(rèn)定是睪丸特異性表達(dá)的標(biāo)志序列。表3給出了其它幾種基因進(jìn)行睪丸特異性表達(dá)所需的最短序列。這些短的啟動(dòng)子大概含有睪丸特異性表達(dá)控制裝置的起始位點(diǎn),tTAFS和tMAC,如上文所述。事實(shí)上,睪丸中的睪丸特異性控制元件非常小,并且可能對(duì)新基因的復(fù)制表達(dá)來(lái)說(shuō)很重要

28、。例如,睪丸特異性基因sdic是Annx基因和cdic基因的復(fù)制與融合進(jìn)化而來(lái)的Annx基因和cdic基因分別負(fù)責(zé)編碼膜蛋白和胞質(zhì)動(dòng)力蛋白連接鏈。新生成的sdic基因編碼啟動(dòng)子是由Annx的編碼區(qū)和cdic基因的內(nèi)含子序列編碼產(chǎn)生的。 對(duì)基因組組織的觀察發(fā)現(xiàn),睪丸特異性基因顯然聚集在基因組中。睪丸特異性基因的聚集很有可能與初級(jí)精母細(xì)胞或其他類型細(xì)胞中高度有序的染色質(zhì)有關(guān)。聚集的基因組區(qū)域在體細(xì)胞中保持“沉默”并且具有緊湊的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。但是,如果將轉(zhuǎn)基因隨即插入基因組中,這在表達(dá)上也存在一些較小的差異。所以,盡管染色質(zhì)組織區(qū)域會(huì)促進(jìn)睪丸特異性基因的表達(dá),但它對(duì)于確定正?;虻谋磉_(dá)水平并不重要???/p>

29、以很公平地說(shuō),基因組環(huán)境與啟動(dòng)子序列對(duì)睪丸的特異性表達(dá)的相關(guān)重要性是復(fù)雜的,但這種復(fù)雜的無(wú)問(wèn)題至今未被解決。精子細(xì)胞伸長(zhǎng)時(shí)的轉(zhuǎn)錄活動(dòng) 正如以上所論述的,在果蠅的睪丸中不存在減數(shù)分裂后轉(zhuǎn)錄的觀念已被廣泛接受。在初級(jí)精母細(xì)胞中,精子形成過(guò)程中產(chǎn)生的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物將會(huì)被進(jìn)行一個(gè)綜合處理并儲(chǔ)存起來(lái),直到被利用時(shí)。精子形成過(guò)程中,一旦發(fā)生翻譯活動(dòng),這些轉(zhuǎn)錄物質(zhì)就會(huì)活躍起來(lái),這些轉(zhuǎn)錄物質(zhì)的消失同時(shí)伴隨著蛋白質(zhì)的形成。這種現(xiàn)象在分析睪丸中普通基因的功能時(shí)非常有用。通過(guò)簡(jiǎn)單分析轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的積累與消失可以大致推測(cè)出蛋白質(zhì)的產(chǎn)生處于什么階段。在我的實(shí)驗(yàn)室中,我們針對(duì)這個(gè)目的做了許多的RNA原位雜交實(shí)驗(yàn)。我們?cè)诰蛹?xì)胞中檢

30、測(cè)到的大多數(shù)基因的產(chǎn)物的表達(dá)量與在初級(jí)精母細(xì)胞中檢測(cè)到的大致相同,這正如我們所預(yù)料的。然而,我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與這個(gè)規(guī)律極不相符的一類很例外的基因,這個(gè)基因的染色結(jié)構(gòu)與精子形成過(guò)程中某個(gè)特殊時(shí)期的轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物一致。這些轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,整體上是指在初級(jí)精母細(xì)胞中檢測(cè)到的表達(dá)量很低的“comets”和“cups”這些物質(zhì)在精子細(xì)胞伸長(zhǎng)階段的末尾時(shí)期表達(dá)水平很高。我們使用了單一囊定量RT-PCR模式,我們發(fā)現(xiàn),在單一孤立的由初級(jí)精母細(xì)胞形成的囊中含有可檢測(cè)到的comet或cup轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物,并且,這些轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在處于伸長(zhǎng)后期的精子細(xì)胞構(gòu)成的囊中由很高的水平。這些數(shù)據(jù)證實(shí)了我們?cè)赗NA原位雜交中看到的模式。具有高轉(zhuǎn)錄活性

31、的初級(jí)精母細(xì)胞的細(xì)胞核的直徑約為17um,細(xì)胞核在精子頭部為球形時(shí)時(shí)直徑大約為6um,然而成熟精子細(xì)胞中的針形細(xì)胞核長(zhǎng)約9um,最大直徑約為0.3um,相比之下,胎盤合胞體的中期細(xì)胞核直徑大約為10um。因此在精子形成過(guò)程中涉及到其細(xì)胞核成200倍的減少,而在減數(shù)分裂和核的更新中體積僅減少20倍。精子細(xì)胞核開始伸長(zhǎng)并稍微變細(xì),這涉及到體積的成5倍減少,并且在早期的canoe階段呈現(xiàn)一個(gè)不對(duì)稱的U形,在canoe階段的晚些時(shí)候,其又呈現(xiàn)為腎形。果蠅精子中的DNA是由細(xì)胞核中小的基礎(chǔ)蛋白,包括H1組蛋白,學(xué)術(shù)上稱為似魚精蛋白包裝起來(lái)的。這些賴氨酸豐富的蛋白質(zhì)在功能上與脊椎動(dòng)物中精氨酸豐富的魚精蛋白

32、相似。D.果蠅中的三種魚精蛋白都已被描述出來(lái),即Mst35Ba蛋白(魚精蛋白A),Mst35Bb(魚精蛋白B)和Mst77F蛋白。這三種全部的蛋白存在于成熟的精子細(xì)胞的核中。在脊椎動(dòng)物體中,從核小體包裝到魚精蛋白的轉(zhuǎn)換是在轉(zhuǎn)移蛋白,包括TpI94D蛋白的促進(jìn)下進(jìn)行的。組蛋白-轉(zhuǎn)換蛋白-魚精蛋白的轉(zhuǎn)換發(fā)生在canoe階段的晚期,并且,細(xì)胞核體積的大量減少也是從這個(gè)階段開始的。對(duì)睪丸中表達(dá)的熒光標(biāo)記組蛋白,魚精蛋白和轉(zhuǎn)換蛋白進(jìn)行單一囊RT-PCR檢測(cè),我們發(fā)現(xiàn)comet和cup轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物恰恰在開關(guān)之前出現(xiàn),此時(shí),大部分的細(xì)胞核DNA仍然不是在高度濃縮的狀態(tài)。在精子形成過(guò)程的canoe階段的晚期,可以

33、特異的檢測(cè)出活化的poly酶。盡管沒(méi)有直接檢測(cè),但我們推測(cè)轉(zhuǎn)錄僅發(fā)生在充滿染色質(zhì)的核中。脊椎動(dòng)物精子細(xì)胞中轉(zhuǎn)錄的終止和脊椎動(dòng)物中組蛋白-轉(zhuǎn)換蛋白-魚精蛋白的開關(guān)時(shí)間關(guān)系并沒(méi)有被確定下來(lái)?,F(xiàn)在還不清楚的是轉(zhuǎn)錄的停止依賴于染色質(zhì)濃縮的啟動(dòng),還是染色質(zhì)的濃縮依賴于轉(zhuǎn)錄的終止,或者是兩者在機(jī)制上是相互獨(dú)立的。減數(shù)分裂后轉(zhuǎn)錄在哺乳動(dòng)物與果蠅中有一個(gè)明顯的不同,在哺乳動(dòng)物精子分化的早期階段,轉(zhuǎn)錄活動(dòng)是相對(duì)較高的,并且在染色質(zhì)濃縮時(shí)停止。在果蠅中,我們發(fā)現(xiàn),在初級(jí)精母細(xì)胞階段的末期,轉(zhuǎn)錄大體上停止了,在精子形成的早期階段,我們并沒(méi)有檢測(cè)到轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的積累,而是在精子細(xì)胞伸長(zhǎng)的中期階段,我們發(fā)現(xiàn)了轉(zhuǎn)錄能力突然被再次激活。 至少一種comet基因,soti對(duì)雄性的生育能力是必要的,因?yàn)槲覀儼l(fā)現(xiàn),在soti基因純合的個(gè)體中是不能形成精子的。有趣的是,soti基因的雜合體是可育的,并且可以遺傳soti基因突變的染色體。因此,果蠅及哺乳動(dòng)物中的精子囊都是功能二倍體,32個(gè)單倍soti基因突變的精細(xì)胞可由囊中另外的32個(gè)精細(xì)胞的soti基因“拯救” 我們從大約1200個(gè)基因的原位雜交中確定了24個(gè)comet和cup基因。鑒于我們?nèi)狈ο到y(tǒng)的搜索方法,我們可能不能確定全部的減數(shù)分裂

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