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1、第十二章第十二章 細胞分化與細胞分化與真核基因表達調控真核基因表達調控人人受精卵受精卵各種細胞在直觀上表現(xiàn)出各種細胞在直觀上表現(xiàn)出大小大小、形狀形狀和和結構結構上的差別上的差別軟骨細胞軟骨細胞成纖維細胞成纖維細胞脂肪細胞脂肪細胞成骨細胞成骨細胞未分化間充質細胞未分化間充質細胞內皮細胞內皮細胞隨著分化程度提高，細胞的隨著分化程度提高，細胞的發(fā)生變化：發(fā)生變化：腫瘤細胞腫瘤細胞（對電離輻（對電離輻射敏感性高）射敏感性高）（對電離輻射（對電離輻射敏感性高）敏感性高）細胞在發(fā)生形態(tài)差異之前的一定時間，細胞分化命細胞在發(fā)生形態(tài)差異之前的一定時間，細胞分化命運已經(jīng)確定。運已經(jīng)確定。細胞決定即意味著細胞內部

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

3、胞基因表達的調控真核細胞基因表達的調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復制復制翻譯翻譯轉錄轉錄反轉錄反轉錄?復制復制TranscriptionTranslationProcessingProcessing 疏松染色質結構的形成 染色質的區(qū)間性 染色質模板的轉錄 +如，組蛋白的乙?；纱龠M基因的轉錄如，組蛋白的乙酰化可促進基因的轉錄轉錄因子（如糖皮質激素轉錄因子（如糖皮質激素受體，受體，GRGR）與）與DNADNA結合并捕結合并捕獲輔激活子（獲輔激活子（CBPCBP）；）；CBPCBP具有組蛋白乙酰基轉移酶具有組蛋白乙?；D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與去乙酰與去乙酰基組蛋白結合；基組蛋白結合；糖皮質激素受體（糖皮質激素受體（GRGR）和糖皮質激素應答元件和糖皮質激素應答元件（GREGRE）結合，輔激活物）結合，輔激活物CBPCBP同同GRGR結合，處于結合，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?；?；白被乙?；?；被乙?；慕M被乙酰基化的組蛋白與蛋白與DNADNA分離分離TFIIDTFIID與與DNADNA的開的開放區(qū)結合。放區(qū)結合。TAFII250TAFII250是是TFIIDTFIID的一個亞基，具有的一個亞

5、基，具有組蛋白乙?；D移組蛋白乙?；D移酶活性。同時，酶活性。同時，CBPCBP和和TAFII250TAFII250又又解離相鄰的核小體，解離相鄰的核小體，以便容許轉錄起始以便容許轉錄起始在啟動子區(qū)剩下的核小體也被乙?；?，在啟動子區(qū)剩下的核小體也被乙?；?，RNARNA聚合酶與啟聚合酶與啟動子結合，轉錄開始。動子結合，轉錄開始?；蚣せ畹鞍资购诵◇w從基因激活蛋白使核小體從啟動子移開，暴露出啟動啟動子移開，暴露出啟動子，從而可讓通用轉錄因子，從而可讓通用轉錄因子在啟動子上裝配子在啟動子上裝配 1.1.核小體相位的影核小體相位的影響響當調控蛋白與染色質DNA的特定位點結合時，染色質易被引發(fā)二級結

6、構的改變；進而引起其它的一些結合位點與調控蛋白的結合?；虻年P鍵調控元件被基因的關鍵調控元件被留在核心顆粒外面，從留在核心顆粒外面，從而有利于結合轉錄因子而有利于結合轉錄因子位于位于DNADNA上調控元件上調控元件被盤繞在核心組蛋白被盤繞在核心組蛋白上，因為組蛋白，使上，因為組蛋白，使DNADNA上的關鍵調控元上的關鍵調控元件靠得很近，它們可件靠得很近，它們可以通過轉錄因子而聯(lián)以通過轉錄因子而聯(lián)系。系。 核小體通常定位在DNA特殊位點而利于轉錄基因座控制區(qū)（locus control region,LCR）染色體DNA上一種順式作用元件，具有穩(wěn)定 染色質疏松結構的功能；與多種反式因子的結合序列

7、可保證DNA復制 時與啟動子結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)的染色質結構防止處于阻遏狀態(tài)與活化狀態(tài)的染色質結構 域之間的結構特點向兩側擴展的染色質域之間的結構特點向兩側擴展的染色質DNADNA 序列，稱為隔離子。序列，稱為隔離子。作用：作為異染色質定向形成的起始位點；作用：作為異染色質定向形成的起始位點； 提供拓撲隔離區(qū)提供拓撲隔離區(qū) 轉錄的“核小體犁”（nucleosome plow）假說 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（個（H2A-H2BH2A-H2B）, ,形成形成H3-H4H3-H4

8、四聚體復合物四聚體復合物第二步：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）被移開并轉到聚合酶后被移開并轉到聚合酶后面自由面自由DNADNA上上； 第三步：第三步：2 2個個H2A-H2BH2A-H2B二聚體二聚體重新結合到重新結合到DNADNA上，又形成上，又形成一個完整的核小體核心結構一個完整的核小體核心結構。 TATA box 轉錄起始點轉錄起始點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個主要的功能域是：個主要的功能域是： 螺旋螺旋-轉角轉角- 螺旋結構域螺旋結構域 (helix-turn-helix motif) 鋅指結構鋅指結構 (zinc finger motif) 亮氨酸拉鏈型結構域亮氨酸拉鏈型結構域 (Leucine zipper motif) 螺旋螺旋-袢環(huán)袢環(huán)- 螺旋結構域螺旋結構域 (helix-loop-helix motif) 這種形式的這種形式的DNA結合結結合結構域有兩個構域有兩個 螺旋，其螺旋，其間有間有 轉角轉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合；定堿基結合；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。具有這種結構域的蛋白具有這種結構域的蛋白質與質與DNA結合時，常以結合時，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鋅原子結和一個鋅原子結合，在蛋白質中合，在蛋白質中形成相對獨立的形成相對獨立的一個結構域一個結構域 通過通過 螺旋結合到螺旋結合到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的結合的結合 肽鏈羧基端約肽鏈羧基端約35個氨基酸個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個氨基酸就含個氨基酸就含有有1個個，因此，當，因此，當?shù)鞍踪|形成蛋白質形成 螺旋時

11、螺旋時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 這類蛋白質常以二聚體形這類蛋白質常以二聚體形式同式同DNA上靶位點結合，上靶位點結合，兩個分子相應的兩個分子相應的 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，形成形似拉鏈的結構結構 HLH與與DNA的這種結合的這種結合方式與亮氨酸拉鏈相似方式與亮氨酸拉鏈相似 不同的轉錄激活區(qū)具有共同的結構特點：不同的轉錄激活區(qū)具有共同的結構特點：可識別可識別DNA專一調節(jié)序列，專一調節(jié)序列，同基因調控區(qū)結合同基因調控區(qū)結合可同轉錄裝置接觸，促進轉錄起始可同轉錄裝置接觸，促進轉錄起始如

12、酵母如酵母GAL4因子因子：激活功能域激活功能域(activation domain)：DNA結合功能域結合功能域(DNA-binding domain)：酵母酵母GAL4因子的結構圖解因子的結構圖解GAL4作為一種基因激活蛋白，它可同啟動子附近部位結作為一種基因激活蛋白，它可同啟動子附近部位結合，促進合，促進TFIID結合到剛形成的通用轉錄因子復合物上?；蚪Y合到剛形成的通用轉錄因子復合物上?；蚣せ畹鞍椎慕Y合可使基因的轉錄效率提高激活蛋白的結合可使基因的轉錄效率提高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加工機加工機制，制， 通過這種方式，一個基因

13、能編碼兩個通過這種方式，一個基因能編碼兩個或多個或多個 相關的蛋白質相關的蛋白質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含有多個內含子，并依次準含有多個內含子，并依次準確地逐一切除確地逐一切除 一個前體一個前體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常同蛋白質結合以核糖核蛋常同蛋白質結合以核糖核蛋白顆粒白顆粒(ribonucleoprotein particle)的形式隱蔽下來。受精后的形式隱

14、蔽下來。受精后才有步驟地才有步驟地“顯露顯露”出來，并利用卵母細胞中已裝配的核糖出來，并利用卵母細胞中已裝配的核糖體進行蛋白質合成，供早期胚胎發(fā)育之用。體進行蛋白質合成，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的壽命長短的壽命長短都直接影響都直接影響mRNA作為合成蛋白質模板的功能。作為合成蛋白質模板的功能。微管和微絲對細胞中特定部位的微管和微絲對細胞中特定部位的mRNAmRNA的聚集有一定關系的聚集有一定關系調節(jié)編碼鐵蛋白調節(jié)編碼鐵蛋白（ferritinferritin）的）的mRNAmRNA翻譯速率的機制翻譯速率的機制(2)

15、 mRNA非翻譯區(qū)的結構與翻譯調控非翻譯區(qū)的結構與翻譯調控真核真核mRNA分子的非翻譯區(qū)分子的非翻譯區(qū)(untranslated region, UTR)在在mRNA的翻的翻譯過程中也有譯過程中也有調控作用調控作用在在3端存在著一段含端存在著一段含A、U核苷酸豐富的長序列，在翻核苷酸豐富的長序列，在翻譯過程中不參加蛋白質的翻譯譯過程中不參加蛋白質的翻譯(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，在翻譯過程中有，在翻譯過程中有促進自身促進自身mRNA降解的作用。降解的作用。真核生物中真核生物中調節(jié)蛋白調節(jié)蛋白（如生長因子、基因調節(jié)蛋白等

16、）（如生長因子、基因調節(jié)蛋白等）在細胞中的產(chǎn)量水平要受到快速調節(jié)，其編碼的在細胞中的產(chǎn)量水平要受到快速調節(jié)，其編碼的mRNA往往往不穩(wěn)定。往不穩(wěn)定。u 在在mRNA由核向細胞質中運轉時具有保護作用由核向細胞質中運轉時具有保護作用u 對對mRNA的穩(wěn)定性和翻譯效率都有調控作用。的穩(wěn)定性和翻譯效率都有調控作用。 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)對專一性核酸內切酶有識別作用，通過酶區(qū)對專一性核酸內切酶有識別作用，通過酶切，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）是對翻譯起抑制作用的元件（如在一些細胞因子序列）是對翻譯起抑制作用的元件（如在一些細胞因子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