細(xì)胞分化的分子機(jī)制

細(xì)胞分化的分子機(jī)制第1頁/共29頁成人的血紅蛋白由4個(gè)珠蛋白亞單位(2個(gè)α-

和2個(gè)β-)

和4個(gè)血紅素(亞鐵原卟啉)分子組成(圖)。在發(fā)育過程中血紅蛋白中的珠蛋白亞單位發(fā)生變化：胚胎血紅蛋白由2個(gè)ζ-珠蛋白鏈和2個(gè)ε-珠蛋白鏈組成;胎兒血紅蛋白由2個(gè)α-

珠蛋白鏈和2個(gè)γ-珠蛋白鏈組成;成人變?yōu)?個(gè)α-

珠蛋白鏈和2個(gè)β-

珠蛋白鏈，和少量α2δ2。(2個(gè)α-和2個(gè)β-)和4個(gè)血紅素(亞鐵原卟啉)分子組成。ζ=可塞γ=嘎嗎ε=衣不C錄

牛牛文庫文檔分享第2頁/共29頁在正常成人中α2β2占97%,α2δ2

占2-3%，α2γ2占1%。人的ζ和

α基因在16號染色體上，ε、

γ、δ和β基因在11號染色體上分別依次排列，反映了血紅蛋白從胚胎到胎兒再到成體轉(zhuǎn)變中基因開關(guān)的順序。

牛牛文庫文檔分享第3頁/共29頁在胚胎發(fā)育過程中，血紅蛋白的構(gòu)成發(fā)生系列變化的同時(shí)，紅細(xì)胞產(chǎn)生也發(fā)生系列變化：在胚齡4-6周由卵黃囊產(chǎn)生，6周到出生由肝臟產(chǎn)生，18周至出生脾臟也能產(chǎn)生紅細(xì)胞，18周直到成體均由骨髓產(chǎn)生（下圖).以上盡管時(shí)間上有重疊，但它們產(chǎn)生紅細(xì)胞的功能大小有差異。Percentageimportance:生理指數(shù)

牛牛文庫文檔分享第4頁/共29頁右圖示在11號染色體上由左至右ε-、

γ-、δ-和β-珠蛋白基因的排列順序。在ε-珠蛋白基因上方6-22kb處有一個(gè)特殊的紅色LCR

(locuscontrolregion)區(qū)，此區(qū)含有4個(gè)DNA酶I敏感位點(diǎn)(箭頭示)，第5個(gè)DNA酶I敏感位點(diǎn)位于β-珠蛋白基因下方(箭頭示),此區(qū)的缺失導(dǎo)致γ-珠蛋白基因轉(zhuǎn)錄的永存，成為遺傳性的胎兒血紅蛋白永存(persistence)。ε-珠蛋白(胚胎的)基因下方是2個(gè)幾乎相等的γ-珠蛋白(胎兒的)基因,它們后邊是成體的δ-和β-珠蛋白基因。由Felsenfeld(1992)提出的關(guān)于LCR活動的模型.圖

牛牛文庫文檔分享第5頁/共29頁2.DNA甲基化和基因活動人們經(jīng)常設(shè)想一個(gè)基因含有完全相同的核苷酸而它是有活性的或無活性的。在1948年Hotchkiss在DNA中發(fā)現(xiàn)“第5個(gè)堿基”，5-甲基胞嘧啶。在真核細(xì)胞中，這個(gè)堿基是在DNA復(fù)制后被酶促形成的，在哺乳動物DNA中有5%的胞嘧啶被轉(zhuǎn)變?yōu)?-甲基胞嘧啶。它只在胞嘧啶后邊跟隨一個(gè)鳥嘌呤(CpG)時(shí)產(chǎn)生。最近的研究顯示基因中胞嘧啶甲基化程度控制DNA的轉(zhuǎn)錄。低甲基化有助基因活動，人胚胎紅細(xì)胞珠蛋白基因活性與基因啟動子甲基化的逆轉(zhuǎn)相關(guān)(右上圖)。胎兒的肝細(xì)胞在發(fā)育早期產(chǎn)生血紅蛋白，其基因未甲基化，這些基因在成體組織中變?yōu)榧谆?。雞的卵清蛋白基因在輸卵管細(xì)胞中是未甲基化的，而在其它組織中這個(gè)基因是甲基化的。屬器官特異甲基化的模式。

牛牛文庫文檔分享第6頁/共29頁correlatewith:把...與...聯(lián)系起來Promoter:促進(jìn)者

牛牛文庫文檔分享第7頁/共29頁3.哺乳動物X-染色體的劑量補(bǔ)償(dosagecompensation)在動物中雌性每個(gè)細(xì)胞具有2個(gè)X-染色體,而雄性只有一個(gè)X-染色體。X-染色體上有數(shù)千個(gè)基因是細(xì)胞活動所必須的。在哺乳動物發(fā)現(xiàn)雌性細(xì)胞中只有一個(gè)X-染色體是有活性的，另一個(gè)轉(zhuǎn)變?yōu)楫惾旧|(zhì)的，常常附著在雌性細(xì)胞核的核膜上，被稱為巴氏小體。這樣在雌雄細(xì)胞中都只有一個(gè)X-染色體具有活性，是相等的，稱為劑量補(bǔ)償。MarryLyon(1963)首先研究這一現(xiàn)象,并提出①在雌性哺乳動物發(fā)育早期2個(gè)X-染色體都有活性;②隨發(fā)育每個(gè)細(xì)胞中1個(gè)X染色體失活;③失活是隨機(jī)的,或父本的,或母本的;④此過程是不可逆的,一旦1個(gè)X-染色體失活,其后代都是失活的。這個(gè)假說提供了在轉(zhuǎn)錄水平不同基因失活的極好說明.

牛牛文庫文檔分享第8頁/共29頁P(yáng)aternal：父親的Maternal：母性的Galactosidase：牛乳糖

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牛牛文庫文檔分享第10頁/共29頁二、通過RNA加工控制發(fā)育在細(xì)菌中不同基因的表達(dá)能在轉(zhuǎn)錄、翻譯和蛋白質(zhì)降解的水平調(diào)節(jié)。在真核細(xì)胞中存在另一種調(diào)節(jié)水平，即在RNA加工水平控制。1.不均一的核RNA

(heterogeneousnuclearRNA,hnRNA)實(shí)驗(yàn)證明mRNA并不是真核細(xì)胞的初級產(chǎn)物,存在一種核RNA(nuclearRNA,nRNA)，它比mRNA大得多，半衰期更短，大小變化廣泛，稱為不均一的核RNA。其分子具有大約5-19×103個(gè)核苷酸，mRNA只有2×103個(gè)核苷酸。海膽胚胎中mRNA的半衰期為5小時(shí)，而nRNA僅為20分鐘。nRNA的復(fù)雜性比相同細(xì)胞mRNA大得多.

牛牛文庫文檔分享第11頁/共29頁2.nRNA加工控制早期發(fā)育染色體組轉(zhuǎn)錄出比mRNA多得多的序列。因此大量分化控制是在轉(zhuǎn)錄后特異的mRNA前體加工中。通過分離海膽囊胚的DNA，制備單拷貝DNA。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)囊胚細(xì)胞核的nRNA只結(jié)合15%單拷貝DNA，長腕幼蟲的nRNA也結(jié)合15%的DNA.將以上兩種nRNA混合后與DNA雜交，仍只與15%的DNA結(jié)合。結(jié)果表明囊胚和長腕幼蟲的nRNA結(jié)合相同的DNA，二者是相等的。Hybridization：雜交Radioactive：放射性的Pluteus：長腕幼蟲Blastula：囊胚Incubate：孵卵

牛牛文庫文檔分享第12頁/共29頁3.RNA加工控制發(fā)育的證據(jù)海膽mRNA的復(fù)雜性隨著發(fā)育逐漸降低:卵母細(xì)胞的mRNA結(jié)合4.5%的DNA;囊胚的mRNA結(jié)合3.1%DNA;原腸胚mRNA結(jié)合2%DNA;組織分化細(xì)胞的mRNA只結(jié)合0.7%DNA。這種變化是否由于染色體組轉(zhuǎn)錄的變化？nRNA是否有類似的變化？通過分離囊胚的mRNA制備cDNA，它識別囊胚的mRNA。發(fā)現(xiàn)78%的cDNA結(jié)合囊胚的mRNA；而少于10%的cDNA結(jié)合成體腸的mRNA。此后用這種cDNA分別與原腸胚、腸和體腔細(xì)胞的nRNA雜交，結(jié)果發(fā)現(xiàn)大約80%的cDNA與三種細(xì)胞的nRNA結(jié)合。顯然所有囊胚mRNA以nRNA的形式存在于所有腸、體腔和原腸胚細(xì)胞的核中。

牛牛文庫文檔分享第13頁/共29頁即使已分化的細(xì)胞的核都在轉(zhuǎn)錄囊胚特異的序列。顯然海膽基因表達(dá)的控制主要發(fā)生在RNA加工的水平。

牛牛文庫文檔分享第14頁/共29頁三、發(fā)育過程的翻譯和翻譯后調(diào)節(jié)在信使被轉(zhuǎn)錄、加工和運(yùn)出細(xì)胞核后，它仍許翻譯形成基因編碼的蛋白質(zhì)。在翻譯和翻譯后水平仍存在對基因表達(dá)的調(diào)控。1.真核細(xì)胞翻譯的機(jī)制通過翻譯包含在mRNA核苷酸序列的信息指導(dǎo)一種特定多肽的合成。翻譯大致分為三個(gè)階段：起始(initiation)、延長(elongation)和終止(termination;下圖)，它們分別被起始因子、延長因子和終止因子的可溶性蛋白質(zhì)調(diào)節(jié)。起始階段包括起始因子tRNAi與40S核糖體和mRNA結(jié)合形成起始復(fù)合體，tRNA到核糖體和在氨基酸之間形成肽鏈，并放棄它們的tRNA攜帶者。由于氨基酸連在一起，核糖體沿信使向下移動，暴露新的密碼以便tRNA結(jié)合。終止發(fā)生在核糖體遇到mRNA的UAG,UAA和UGA密碼時(shí)。它們不被tRNA識別，也不編碼蛋白質(zhì).

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牛牛文庫文檔分享第16頁/共29頁2.協(xié)調(diào)蛋白質(zhì)合成的翻譯控制:血紅蛋白的產(chǎn)生血紅蛋白是由染色體組不同區(qū)域協(xié)調(diào)產(chǎn)生的，它必須保證α-珠蛋白鏈、β-珠蛋白鏈和血紅素分子呈2:2:4的比率。合適的比率是由血紅素調(diào)節(jié)的:①過量的血紅素將關(guān)掉它自己的合成;②過量的血紅素刺激珠蛋白的產(chǎn)生:當(dāng)缺少血紅素時(shí)特異的蛋白激酶磷酸化起始因子，翻譯終止;過多的血紅素結(jié)合蛋白激酶，使之失活,翻譯繼續(xù)進(jìn)行,從而調(diào)節(jié)珠蛋白合成。另外，每個(gè)二倍體細(xì)胞中有4個(gè)活性α-珠蛋白基因和只2個(gè)β-珠蛋白基因。如果每個(gè)基因以相同的速度被轉(zhuǎn)錄和翻譯，那么α-珠蛋白比β-珠蛋白分子多一倍.但結(jié)果是α:β-珠蛋白mRNA為1.4:1;而蛋白質(zhì)比為1:1。因此蛋白質(zhì)的相等說明包含了翻譯的調(diào)節(jié)。因?yàn)棣?珠蛋白信使可更好地競爭翻譯起始因子，5’帽狀序列的次級結(jié)構(gòu)影響翻譯的效率。

牛牛文庫文檔分享第17頁/共29頁Eukaryotic：真核的Reticulocyte：網(wǎng)狀細(xì)胞Inclusion：包含,內(nèi)含物Dramatic：戲劇性的,生動的

牛牛文庫文檔分享第18頁/共29頁3.基因表達(dá)的翻譯后調(diào)節(jié)

⑴通過翻譯后機(jī)制激活蛋白質(zhì)：許多新合成的多肽是沒有活性的，必須經(jīng)過修飾才行，肽激素就是如此。如胰島素前體是一個(gè)帶有3個(gè)二硫鍵的長肽(下圖)，此前體必須在中間和開頭處斷開，兩個(gè)剩余的片斷被二硫鍵連在一起才有活性。基因表達(dá)的翻譯后(posttranslation)調(diào)控證據(jù)：①蛋白質(zhì)合成后不修飾沒有活性;②有的蛋白質(zhì)合成后被選擇地失活;③蛋白質(zhì)必須“標(biāo)明地址”以便到達(dá)靶區(qū)；④蛋白質(zhì)組裝成大的功能結(jié)構(gòu)。

牛牛文庫文檔分享第19頁/共29頁哺乳動物的原-ACTH內(nèi)啡肽是由幾個(gè)小的肽激素形成的一個(gè)長的前體，它斷開形成促腎上腺皮質(zhì)激素、γ-促脂解激素和β-內(nèi)啡肽。它們進(jìn)一步加工依賴細(xì)胞所處的特異環(huán)境。在垂體前葉ACTHA是一個(gè)終產(chǎn)物,它分泌后刺激腎上腺皮質(zhì)產(chǎn)生甾類激素；在垂體的中間葉細(xì)胞中，ACTH被斷開形成α-促黑素細(xì)胞激素。⑵不同蛋白質(zhì)的失活有些蛋白質(zhì)在細(xì)胞內(nèi)保存是危險(xiǎn)的。那些與細(xì)胞分裂時(shí)間選擇相關(guān)的蛋白質(zhì)在DNA合成與細(xì)胞生長協(xié)調(diào)時(shí)必須迅速降解。已證明這些迅速被降解的蛋白質(zhì)(半衰期小于2小時(shí))具有1個(gè)或多個(gè)區(qū)域富含脯氨酸、谷氨酸、絲氨酸和蘇氨酸。長壽命的蛋白質(zhì)很少這樣的基團(tuán)，如果有也被深深埋在蛋白質(zhì)的構(gòu)型中。

牛牛文庫文檔分享第20頁/共29頁β-半乳糖苷酶通過改變其第一個(gè)密碼(AUG)為其它15個(gè)氨基酸密碼時(shí)，其穩(wěn)定性大大改變：半衰期由20小時(shí)以上(絲氨酸、丙氨酸和蘇氨酸等）到最少2分鐘(精氨酸)不等(下左圖).在活體內(nèi)當(dāng)細(xì)胞死亡時(shí)蛋白質(zhì)的氨基酸末端也被翻譯后的修飾，一些不穩(wěn)定的氨基酸(精氨酸、賴氨酸和酪氨酸）從氨?；膖RNA轉(zhuǎn)移到這些氨基酸的氨基末端。乳酸脫氫酶(LDH)催化丙酮酸和乳酸可逆地相互轉(zhuǎn)化。LDH被兩個(gè)基因編碼(LDH-A,LDH-B)的四聚體，可能有5種形式的組合:4A(1):3A1B(4):2A2B(6):1A3B(4):4B(1)。

牛牛文庫文檔分享第21頁/共29頁一種酶可被選擇的形式稱為同功酶(isozymes)。但在不同的器官中同功酶的比率變化很大：肌肉LDH主要由A亞單位形成，而精巢、心臟和腎臟同功酶主要由B亞單位形成。LDH-A合成在組織間沒有大不同，它降解的速率存在巨大不同(右下圖左至右:胃、腎臟、舌、肌肉、肺、腦和心臟；上為B-亞單位、下為A-亞單位)

牛牛文庫文檔分享第22頁/共29頁⑶翻譯后修飾蛋白質(zhì)的亞細(xì)胞定位蛋白質(zhì)合成后必須合適的定位：一種蛋白質(zhì)可能同時(shí)定位于可溶性蛋白質(zhì)中、線粒體中、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中或細(xì)胞核中；甚至從細(xì)胞中分泌出去。那些預(yù)定成為溶酶體、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)或分泌的蛋白質(zhì)被送入粗面內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的腔中,此時(shí)它們?nèi)匀槐环g著(右下圖)。這樣的蛋白質(zhì)含有一個(gè)大約30-50個(gè)氨基酸的信號序列(signalsequence)，它被一個(gè)懸浮于細(xì)胞質(zhì)中的信號受體復(fù)合物識別。這個(gè)復(fù)合物結(jié)合于細(xì)胞質(zhì)正在形成肽的核糖體時(shí)，翻譯停止。而當(dāng)這個(gè)復(fù)合物結(jié)合于內(nèi)質(zhì)網(wǎng)上的對接蛋白(dockingprotein)時(shí)，翻譯又恢復(fù)。生長中的多肽可穿過內(nèi)質(zhì)網(wǎng)的膜，一旦進(jìn)入腔內(nèi)信號序列就被除去，保留的蛋白質(zhì)被修飾。如果此蛋白質(zhì)含有一個(gè)疏水區(qū)，它可能變?yōu)閮?nèi)質(zhì)網(wǎng)部分，此后變?yōu)榧?xì)胞膜。

牛牛文庫文檔分享第23頁/共29頁一些特殊的氨基酸序列決定它定位的細(xì)胞膜特定區(qū)域。內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中一些肽可共價(jià)地結(jié)合6-磷酸甘露糖而修飾蛋白質(zhì)，此糖起地址標(biāo)記的作用，它被內(nèi)質(zhì)網(wǎng)特殊區(qū)域的受體識別和結(jié)合，結(jié)合后此處向外突出形成溶酶體。當(dāng)不被識別和結(jié)合時(shí)，蛋白質(zhì)就從細(xì)胞中分泌出去。Carbohydrate：碳水化合物

牛牛文庫文檔分享第24頁/共29頁⑷超分子的裝配(Supramolecularassembly)翻譯后調(diào)節(jié)的另外一種形式涉及新合成的蛋白質(zhì)裝配成一個(gè)功能單位。例如血紅蛋白和乳酸脫氫酶二者都含有4個(gè)多肽鏈，它們共價(jià)鍵地連接形成有功能的蛋白質(zhì)。稍高水平肌動蛋白由球狀的單體聚合成微絲，它是受精時(shí)頂體