細(xì)胞生物學(xué)：第12章 細(xì)胞分化

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1、第十二章第十二章 細(xì)胞分化與細(xì)胞分化與真核基因表達(dá)調(diào)控真核基因表達(dá)調(diào)控人人受精卵受精卵各種細(xì)胞在直觀上表現(xiàn)出各種細(xì)胞在直觀上表現(xiàn)出大小大小、形狀形狀和和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)上的差別上的差別軟骨細(xì)胞軟骨細(xì)胞成纖維細(xì)胞成纖維細(xì)胞脂肪細(xì)胞脂肪細(xì)胞成骨細(xì)胞成骨細(xì)胞未分化間充質(zhì)細(xì)胞未分化間充質(zhì)細(xì)胞內(nèi)皮細(xì)胞內(nèi)皮細(xì)胞隨著分化程度提高，細(xì)胞的隨著分化程度提高，細(xì)胞的發(fā)生變化：發(fā)生變化：腫瘤細(xì)胞腫瘤細(xì)胞（對(duì)電離輻（對(duì)電離輻射敏感性高）射敏感性高）（對(duì)電離輻射（對(duì)電離輻射敏感性高）敏感性高）細(xì)胞在發(fā)生形態(tài)差異之前的一定時(shí)間，細(xì)胞分化命細(xì)胞在發(fā)生形態(tài)差異之前的一定時(shí)間，細(xì)胞分化命運(yùn)已經(jīng)確定。運(yùn)已經(jīng)確定。細(xì)胞決定即意味著細(xì)胞內(nèi)部

2、已發(fā)生了穩(wěn)定的變化，細(xì)胞決定即意味著細(xì)胞內(nèi)部已發(fā)生了穩(wěn)定的變化，基因表達(dá)模式已開(kāi)始發(fā)生改變?；虮磉_(dá)模式已開(kāi)始發(fā)生改變。用紅蘿卜根細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)生完整植株示意圖用紅蘿卜根細(xì)胞培養(yǎng)產(chǎn)生完整植株示意圖紅蘿卜根紅蘿卜根培養(yǎng)的培養(yǎng)的根細(xì)胞根細(xì)胞 完整完整植株植株培養(yǎng)細(xì)胞分裂培養(yǎng)細(xì)胞分裂幼苗幼苗模殖羊（克隆羊）模殖羊（克隆羊）DollyDolly 細(xì)胞總 DNA細(xì)胞總 RNA輸卵管細(xì)胞成紅細(xì)胞胰島細(xì)胞輸卵管細(xì)胞成紅細(xì)胞胰島細(xì)胞卵清蛋白基因 +- - -珠蛋白基因 +- -+- -胰島素基因 +- - -+實(shí)驗(yàn)方法 Southern 雜交 Northern 雜交分子雜交技術(shù)檢測(cè)基因及其表達(dá)第二節(jié)第二節(jié) 真核細(xì)

3、胞基因表達(dá)的調(diào)控真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控遺傳信息傳遞的中心法則遺傳信息傳遞的中心法則 (central dogma)：Crick, 1958復(fù)制復(fù)制翻譯翻譯轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)錄反轉(zhuǎn)錄?復(fù)制復(fù)制TranscriptionTranslationProcessingProcessing 疏松染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的形成 染色質(zhì)的區(qū)間性 染色質(zhì)模板的轉(zhuǎn)錄 +如，組蛋白的乙?；纱龠M(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄如，組蛋白的乙酰化可促進(jìn)基因的轉(zhuǎn)錄轉(zhuǎn)錄因子（如糖皮質(zhì)激素轉(zhuǎn)錄因子（如糖皮質(zhì)激素受體，受體，GRGR）與）與DNADNA結(jié)合并捕結(jié)合并捕獲輔激活子（獲輔激活子（CBPCBP）；）；CBPCBP具有組蛋白乙酰基轉(zhuǎn)移酶具有組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶

4、活性?；钚浴１硎疽欢巫瓒魻顟B(tài)的染表示一段阻遏狀態(tài)的染色體區(qū)域，其色體區(qū)域，其DNADNA與去乙酰與去乙?；M蛋白結(jié)合；基組蛋白結(jié)合；糖皮質(zhì)激素受體（糖皮質(zhì)激素受體（GRGR）和糖皮質(zhì)激素應(yīng)答元件和糖皮質(zhì)激素應(yīng)答元件（GREGRE）結(jié)合，輔激活物）結(jié)合，輔激活物CBPCBP同同GRGR結(jié)合，處于結(jié)合，處于TATATATA盒盒的上游和下游的核心組蛋的上游和下游的核心組蛋白被乙?；话妆灰阴；槐灰阴；慕M被乙酰基化的組蛋白與蛋白與DNADNA分離分離TFIIDTFIID與與DNADNA的開(kāi)的開(kāi)放區(qū)結(jié)合。放區(qū)結(jié)合。TAFII250TAFII250是是TFIIDTFIID的一個(gè)亞基，具有的一個(gè)亞

5、基，具有組蛋白乙?；D(zhuǎn)移組蛋白乙?；D(zhuǎn)移酶活性。同時(shí)，酶活性。同時(shí)，CBPCBP和和TAFII250TAFII250又又解離相鄰的核小體，解離相鄰的核小體，以便容許轉(zhuǎn)錄起始以便容許轉(zhuǎn)錄起始在啟動(dòng)子區(qū)剩下的核小體也被乙酰基化，在啟動(dòng)子區(qū)剩下的核小體也被乙?；琑NARNA聚合酶與啟聚合酶與啟動(dòng)子結(jié)合，轉(zhuǎn)錄開(kāi)始。動(dòng)子結(jié)合，轉(zhuǎn)錄開(kāi)始?；蚣せ畹鞍资购诵◇w從基因激活蛋白使核小體從啟動(dòng)子移開(kāi)，暴露出啟動(dòng)啟動(dòng)子移開(kāi)，暴露出啟動(dòng)子，從而可讓通用轉(zhuǎn)錄因子，從而可讓通用轉(zhuǎn)錄因子在啟動(dòng)子上裝配子在啟動(dòng)子上裝配 1.1.核小體相位的影核小體相位的影響響當(dāng)調(diào)控蛋白與染色質(zhì)DNA的特定位點(diǎn)結(jié)合時(shí)，染色質(zhì)易被引發(fā)二級(jí)結(jié)

6、構(gòu)的改變；進(jìn)而引起其它的一些結(jié)合位點(diǎn)與調(diào)控蛋白的結(jié)合。基因的關(guān)鍵調(diào)控元件被基因的關(guān)鍵調(diào)控元件被留在核心顆粒外面，從留在核心顆粒外面，從而有利于結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子而有利于結(jié)合轉(zhuǎn)錄因子位于位于DNADNA上調(diào)控元件上調(diào)控元件被盤(pán)繞在核心組蛋白被盤(pán)繞在核心組蛋白上，因?yàn)榻M蛋白，使上，因?yàn)榻M蛋白，使DNADNA上的關(guān)鍵調(diào)控元上的關(guān)鍵調(diào)控元件靠得很近，它們可件靠得很近，它們可以通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子而聯(lián)以通過(guò)轉(zhuǎn)錄因子而聯(lián)系。系。 核小體通常定位在DNA特殊位點(diǎn)而利于轉(zhuǎn)錄基因座控制區(qū)（locus control region,LCR）染色體DNA上一種順式作用元件，具有穩(wěn)定 染色質(zhì)疏松結(jié)構(gòu)的功能；與多種反式因子的結(jié)合序列

7、可保證DNA復(fù)制 時(shí)與啟動(dòng)子結(jié)合的因子仍保持在原位。隔離子（insulator）防止處于阻遏狀態(tài)與活化狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu)防止處于阻遏狀態(tài)與活化狀態(tài)的染色質(zhì)結(jié)構(gòu) 域之間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)向兩側(cè)擴(kuò)展的染色質(zhì)域之間的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)向兩側(cè)擴(kuò)展的染色質(zhì)DNADNA 序列，稱為隔離子。序列，稱為隔離子。作用：作為異染色質(zhì)定向形成的起始位點(diǎn)；作用：作為異染色質(zhì)定向形成的起始位點(diǎn)； 提供拓?fù)涓綦x區(qū)提供拓?fù)涓綦x區(qū) 轉(zhuǎn)錄的“核小體犁”（nucleosome plow）假說(shuō) 第一步：第一步：RNARNA聚合酶使聚合酶使核小體不穩(wěn)定，撤掉核小體不穩(wěn)定，撤掉2 2個(gè)（個(gè)（H2A-H2BH2A-H2B）, ,形成形成H3-H4H3-H4

8、四聚體復(fù)合物四聚體復(fù)合物第二步：組蛋白核心的第二步：組蛋白核心的另一半（另一半（H3-H4H3-H4四聚體）四聚體）被移開(kāi)并轉(zhuǎn)到聚合酶后被移開(kāi)并轉(zhuǎn)到聚合酶后面自由面自由DNADNA上上； 第三步：第三步：2 2個(gè)個(gè)H2A-H2BH2A-H2B二聚體二聚體重新結(jié)合到重新結(jié)合到DNADNA上，又形成上，又形成一個(gè)完整的核小體核心結(jié)構(gòu)一個(gè)完整的核小體核心結(jié)構(gòu)。 TATA box 轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)轉(zhuǎn)錄起始點(diǎn)TFIID(A) TFIIA,TFIIB(B)RNA聚合酶聚合酶IITFIIFTFIIETFIIHTBP (C)蛋白激酶蛋白激酶(TFIIH)活性活性ATP(D)UTP,ATPCTP,GTP(E)DNA形

9、成帽狀彎曲形成帽狀彎曲其中其中3個(gè)主要的功能域是：個(gè)主要的功能域是： 螺旋螺旋-轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角- 螺旋結(jié)構(gòu)域螺旋結(jié)構(gòu)域 (helix-turn-helix motif) 鋅指結(jié)構(gòu)鋅指結(jié)構(gòu) (zinc finger motif) 亮氨酸拉鏈型結(jié)構(gòu)域亮氨酸拉鏈型結(jié)構(gòu)域 (Leucine zipper motif) 螺旋螺旋-袢環(huán)袢環(huán)- 螺旋結(jié)構(gòu)域螺旋結(jié)構(gòu)域 (helix-loop-helix motif) 這種形式的這種形式的DNA結(jié)合結(jié)結(jié)合結(jié)構(gòu)域有兩個(gè)構(gòu)域有兩個(gè) 螺旋，其螺旋，其間有間有 轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)角的氨基酸殘基的氨基酸殘基直接同靶直接同靶DNA大溝的特大溝的特定堿基結(jié)合；定堿基結(jié)合；的氨基酸和的氨基酸和

10、DNA中的磷酸戊糖骨架中的磷酸戊糖骨架接觸。接觸。具有這種結(jié)構(gòu)域的蛋白具有這種結(jié)構(gòu)域的蛋白質(zhì)與質(zhì)與DNA結(jié)合時(shí)，常以結(jié)合時(shí)，常以發(fā)揮作用發(fā)揮作用 由一小群氨基酸由一小群氨基酸和一個(gè)鋅原子結(jié)和一個(gè)鋅原子結(jié)合，在蛋白質(zhì)中合，在蛋白質(zhì)中形成相對(duì)獨(dú)立的形成相對(duì)獨(dú)立的一個(gè)結(jié)構(gòu)域一個(gè)結(jié)構(gòu)域 通過(guò)通過(guò) 螺旋結(jié)合到螺旋結(jié)合到DNA大溝中，鋅大溝中，鋅指環(huán)上突出的賴指環(huán)上突出的賴氨酸、精氨酸參氨酸、精氨酸參與同與同DNA的結(jié)合的結(jié)合 肽鏈羧基端約肽鏈羧基端約35個(gè)氨基酸個(gè)氨基酸殘基可形成殘基可形成，且其，且其中每相隔中每相隔6-7個(gè)氨基酸就含個(gè)氨基酸就含有有1個(gè)個(gè)，因此，當(dāng)，因此，當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)形成蛋白質(zhì)形成 螺旋時(shí)

11、螺旋時(shí)亮氨亮氨酸酸可排成一行，出現(xiàn)于螺可排成一行，出現(xiàn)于螺旋的同一方向旋的同一方向 這類蛋白質(zhì)常以二聚體形這類蛋白質(zhì)常以二聚體形式同式同DNA上靶位點(diǎn)結(jié)合，上靶位點(diǎn)結(jié)合，兩個(gè)分子相應(yīng)的兩個(gè)分子相應(yīng)的 螺旋之螺旋之間，靠亮氨酸殘基的疏水間，靠亮氨酸殘基的疏水作用力，形成形似拉鏈的作用力，形成形似拉鏈的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) HLH與與DNA的這種結(jié)合的這種結(jié)合方式與亮氨酸拉鏈相似方式與亮氨酸拉鏈相似 不同的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)具有共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：不同的轉(zhuǎn)錄激活區(qū)具有共同的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：可識(shí)別可識(shí)別DNA專一調(diào)節(jié)序列，專一調(diào)節(jié)序列，同基因調(diào)控區(qū)結(jié)合同基因調(diào)控區(qū)結(jié)合可同轉(zhuǎn)錄裝置接觸，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始可同轉(zhuǎn)錄裝置接觸，促進(jìn)轉(zhuǎn)錄起始如

12、酵母如酵母GAL4因子因子：激活功能域激活功能域(activation domain)：DNA結(jié)合功能域結(jié)合功能域(DNA-binding domain)：酵母酵母GAL4因子的結(jié)構(gòu)圖解因子的結(jié)構(gòu)圖解GAL4作為一種基因激活蛋白，它可同啟動(dòng)子附近部位結(jié)作為一種基因激活蛋白，它可同啟動(dòng)子附近部位結(jié)合，促進(jìn)合，促進(jìn)TFIID結(jié)合到剛形成的通用轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物上?；蚪Y(jié)合到剛形成的通用轉(zhuǎn)錄因子復(fù)合物上?；蚣せ畹鞍椎慕Y(jié)合可使基因的轉(zhuǎn)錄效率提高激活蛋白的結(jié)合可使基因的轉(zhuǎn)錄效率提高1000倍倍 ! 選擇性拼接是一種廣泛存在的選擇性拼接是一種廣泛存在的RNARNA加工機(jī)加工機(jī)制，制， 通過(guò)這種方式，一個(gè)基因

13、能編碼兩個(gè)通過(guò)這種方式，一個(gè)基因能編碼兩個(gè)或多個(gè)或多個(gè) 相關(guān)的蛋白質(zhì)相關(guān)的蛋白質(zhì)交替性剪接交替性剪接(alternative splicing)組成性剪接組成性剪接(constitutive splicing)前體前體mRNA含有多個(gè)內(nèi)含子，并依次準(zhǔn)含有多個(gè)內(nèi)含子，并依次準(zhǔn)確地逐一切除確地逐一切除 一個(gè)前體一個(gè)前體mRNA因不同剪接方式可產(chǎn)生因不同剪接方式可產(chǎn)生多種成熟多種成熟mRNA的剪接方式的剪接方式在真核生物中，在真核生物中， 母體母體mRNA常同蛋白質(zhì)結(jié)合以核糖核蛋常同蛋白質(zhì)結(jié)合以核糖核蛋白顆粒白顆粒(ribonucleoprotein particle)的形式隱蔽下來(lái)。受精后的形式隱

14、蔽下來(lái)。受精后才有步驟地才有步驟地“顯露顯露”出來(lái)，并利用卵母細(xì)胞中已裝配的核糖出來(lái)，并利用卵母細(xì)胞中已裝配的核糖體進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，供早期胚胎發(fā)育之用。體進(jìn)行蛋白質(zhì)合成，供早期胚胎發(fā)育之用。(1) mRNA的穩(wěn)定性的穩(wěn)定性mRNA屏蔽狀態(tài)的解除與否屏蔽狀態(tài)的解除與否、mRNA的壽命長(zhǎng)短的壽命長(zhǎng)短都直接影響都直接影響mRNA作為合成蛋白質(zhì)模板的功能。作為合成蛋白質(zhì)模板的功能。微管和微絲對(duì)細(xì)胞中特定部位的微管和微絲對(duì)細(xì)胞中特定部位的mRNAmRNA的聚集有一定關(guān)系的聚集有一定關(guān)系調(diào)節(jié)編碼鐵蛋白調(diào)節(jié)編碼鐵蛋白（ferritinferritin）的）的mRNAmRNA翻譯速率的機(jī)制翻譯速率的機(jī)制(2)

15、 mRNA非翻譯區(qū)的結(jié)構(gòu)與翻譯調(diào)控非翻譯區(qū)的結(jié)構(gòu)與翻譯調(diào)控真核真核mRNA分子的非翻譯區(qū)分子的非翻譯區(qū)(untranslated region, UTR)在在mRNA的翻的翻譯過(guò)程中也有譯過(guò)程中也有調(diào)控作用調(diào)控作用在在3端存在著一段含端存在著一段含A、U核苷酸豐富的長(zhǎng)序列，在翻核苷酸豐富的長(zhǎng)序列，在翻譯過(guò)程中不參加蛋白質(zhì)的翻譯譯過(guò)程中不參加蛋白質(zhì)的翻譯(UTR)，包括，包括終止密碼終止密碼、多多(A)尾尾以及以及兩者之間的非編碼序列兩者之間的非編碼序列，在翻譯過(guò)程中有，在翻譯過(guò)程中有促進(jìn)自身促進(jìn)自身mRNA降解的作用。降解的作用。真核生物中真核生物中調(diào)節(jié)蛋白調(diào)節(jié)蛋白（如生長(zhǎng)因子、基因調(diào)節(jié)蛋白等

16、）（如生長(zhǎng)因子、基因調(diào)節(jié)蛋白等）在細(xì)胞中的產(chǎn)量水平要受到快速調(diào)節(jié)，其編碼的在細(xì)胞中的產(chǎn)量水平要受到快速調(diào)節(jié)，其編碼的mRNA往往往不穩(wěn)定。往不穩(wěn)定。u 在在mRNA由核向細(xì)胞質(zhì)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有保護(hù)作用由核向細(xì)胞質(zhì)中運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)具有保護(hù)作用u 對(duì)對(duì)mRNA的穩(wěn)定性和翻譯效率都有調(diào)控作用。的穩(wěn)定性和翻譯效率都有調(diào)控作用。 UTR序列可刺激切除多序列可刺激切除多(A)尾；尾；有的有的mRNA的的UTR區(qū)對(duì)專一性核酸內(nèi)切酶有識(shí)別作用，通過(guò)酶區(qū)對(duì)專一性核酸內(nèi)切酶有識(shí)別作用，通過(guò)酶切，使切，使mRNA降解。降解。3UTR 區(qū)中的區(qū)中的AU序列（指序列（指UTR區(qū)區(qū)3端的一段端的一段A、U核苷酸豐富核苷酸豐富序列）是對(duì)翻譯起抑制作用的元件（如在一些細(xì)胞因子序列）是對(duì)翻譯起抑制作用的元件（如在一些細(xì)胞因子mRNA的的3-UTR中常有的中常有的UUAUUUAU八核苷酸序列）。八核苷酸序列）。765432chromatinStructurecontrol1