第二章--细胞分化的分子机制-转录和转录

X染色体失活的选择性和规律性
❖ 证据：常常是父源性的X染色体失活，对雌性小鼠的滋养 层细胞几乎只能检测到母源性X染色体的信号。
❖ 有袋类动物所有胚胎细胞父源的X染色体都失活。 ❖ X染色体失活并不是整条染色体发生异染色质化和失活，
而只是位于X染色体长臂上的所有基因失活，位于X染色 体短臂上的几个基因，如编码类固醇硫酸酯酶的基因并没 有这种剂量失活的过程。在这些未失活的基因中，可能存 在引起X染色体失活信号传导分子的编码基因。 ❖ 近年来对X染色体失活的分子机制的研究显示，xist基因在 X染色体失活时特异性表达，该基因具有调控小鼠发育中 X染色体失活的功能。
（一）X染色体失活
❖ 1949年，Barr和Bertram就发现雌猫细胞核的核膜旁有个 染色比较深的小颗粒，命名为Barr body，以后认识到它 是一个失活的X染色体。
❖ 体细胞：Barr body广泛地存在于雌性哺乳动物动物中， 每个细胞都有一个X染色体失活。
❖ 生殖细胞：这种现象也存在于雌性生殖细胞具有二倍体基 因组的前体细胞，但在进行减数分裂时，失活的染色体又 重新恢复活性，所以卵母细胞具有完整的遗传信息。
❖ T淋巴细胞受体基因也经历类似的基因重排产生。
❖ 酵母细胞分化过程中也存在基因重排，有些基因还因为转 座子（可以迁移的片段，插入到基因组中带来新的信息） 的插入而改变。
❖ 此外，在胚胎发育的某特定时期，有的特殊基因被选择性 复制出许多拷贝，产生基因扩增现象。
❖ 以上这些遗传信息的改变是细胞分化的结果而不是细胞分 化的原因（原因：内环境胞质和外环境胚胎诱导）。
❖ 根据细胞表型可将细胞分为3类：全能细胞、多潜能细胞 和分化细胞。
概述
❖ 全能细胞：指它能够产生有机体的全部细胞表型，或者说 可以产生一个完整的有机体，它的全套基因信息都可以表 达。如合子、海胆和有些动物的早期分裂球等。
概述
❖ 多潜能细胞：表现出发育潜能的一定局限性，仅能分化成 为特定范围内的细胞。
生活细胞的一切生命活动； ❖ ②同时，确定蛋白质的结构和蛋白质合成时间、空间次序
性的信息由特定的调控基因编码。
核小体
❖ DNA与蛋白质结合，构成以核小体为基本单位的染色质结 构。
染色质
❖ 染色质可根据在细胞分裂间期折叠压缩的状况分成异染色 质和常染色质。染色质结构发生变化是基因转录的前提。
异染色质
有60%的受体正常发育形成囊胚，其中80%-85%继续发育 形成正常二倍体蝌蚪。 ❖ ②采用原肠胚早期内胚层细胞核为供体进行核移植时只有 50%的胚胎能够进行正常发育为蝌蚪； ❖ ③若用神经胚内胚层细胞核为供体时仅有10%以下的胚胎能 够正常发育。 ❖ 由此可见，随着个体发育的进行，细胞核指导发育的潜能被 越来越限定，甚至丧失了指导全部发育的能力。
❖ ②细胞外环境的影响。⑴在胚胎发育早期不同的胚胎细胞 位于不同的区域，受到不同的外界环境的影响，接受不同 的位置信息。⑵特别是邻近细胞的相互关系，如胚胎诱导 对于胚胎细胞分化具有重要意义。⑶各种细胞外信号分子 (细胞因子、激素等信号分子)，通过细胞间的通讯，特别 是信号传导间接影响细胞核基因的表达。
❖ Dolly：1996.7.5.世界上第一只克隆羊Dolly由英国爱丁堡 大学的伊恩博士研制成功，2003.2.14.由于肺结核而被安乐 死，它的标本于2003年4月9日陈列于苏格兰首都爱丁堡国 家博物馆。
三、基因组相同的例外——基因组的改变
❖ 有些特殊的细胞中基因组会发生改变。 ❖ 马蛔虫体细胞的前体细胞在很早的卵裂阶段中经历染色质
(三)分子生物学的证据
❖ 分子生物学的研究结果为基因组相同提供了更准确的证据。 ❖ 核酸分子杂交：表明有机体的不同组织细胞都拥有序列完
全相同的核基因组DNA。 ❖ 例：各种不同小鼠细胞的单链DNA可同样有效地抑制具有
放射性标记的小鼠单链DNA探针与小鼠胚胎基因组的杂交。 ❖ 原位杂交技术：果蝇唾液腺细胞并不合成卵黄蛋白，但在
果绳唾液腺细胞的基因组中却同样具有编码卵黄蛋白的基 因，而且该基因在体外一定条件下仍然可以合成卵黄蛋白。
二、核潜能的限定
❖ （一）在发育中核潜能被限定 ❖ 大量的证据表明，随着细胞的分化，核的潜能逐渐被限定。 ❖ Briggs和King（1952，1960）用豹蛙成功进行核移植实验。 ❖ ①他们将未分化的囊胚期细胞核移植进激活的去核卵，结果
（二）水蜡虫的染色体失活
❖ 最引人注目的染色体失活现象见于水蜡虫。 ❖ 雌性个体：细胞中不具有机动型异染色质； ❖ 雄性个体：细胞的一整套单倍体父源性染色体经历异染色
质化而失去转录活性。结果在雄性动物的细胞核中存在一 套单倍体母源性的常染色质和一套单倍体父源性异染色质。 ❖ 精子：精子细胞核中仅具有一套单倍体母源性的遗传信息 （异染色质不进入精子核）。受精后如果产生雄性后代， 精子携带来的染色体再次经历异染色质化而失去转录活性。 ❖ 结果：在雄性个体中除了少数组织中出现异染色质化逆转 的情况之外，进行表达的基因几乎全部是母源性的。
（二）细胞核具有潜在全能性的研究
❖ 关于分化细胞核潜能限定的观点长期以来存在着争议。 ❖ 有些学者认为用已分化细胞核进行的移植实验在很多情况
下不能获得正常发育胚胎的原因，主要是由于核移植的方 法使已分化细胞核突然进入了一个高频率分裂的陌生胞质 环境，容易引起染色体断裂。 ❖ 为真正评价细胞核的潜能，人们采用核克隆技术（连续克 隆），使移植的供体核逐渐地适应这种环境，结果也可以 获得发育正常的蝌蚪。
消减，80%以上的DNA丢失，不再具备完整的基因组，仅 有生殖系的细胞具有一套完整的基因组结构。 ❖ 瘿[yǐng]蝇在细胞核分裂至16个时，其中14个核中有32条 染色体消失，仅保留8条染色体。拥有这些核的细胞不具 有完整的基因组DNA，将分化产生瘿蝇成体的体细胞，而 拥有其余两个核的细胞发育成为生殖细胞。
第二章--细胞分化的分子机制-转录和转录
概述
❖ 个体发育的中心问题是细胞分化，研究细胞分化的分子机 制是探索发育机制的基础。
❖ 细胞分化是指多细胞有机体的细胞从简单、原始的状态到 复杂和异样化的方向发展的过程，是通过细胞分裂产生结 构和功能有稳定差异的过程。
细胞分化
概述
❖ 在多细胞生物体内，每个细胞都有一定的性状，即细胞特 定基因型在一定的环境条件下的表现，也称为细胞表型。
❖ 换句话说就是这些细胞的基因组相同，只是在发育过程中 不同的细胞利用了基因组中不同的基因，结果导致各类细 胞合成其特有的蛋一)遗传学的证据 ❖ 遗传学的研究早就显示，果绳幼虫的许多细胞具有多线染
色体。这种多线染色体DNA可经历多次复制而不进行有丝 分裂。形成512条，1024条，甚至更多条平行的DNA双螺 旋结构。 ❖ 人们发现这些染色体上有许多特征性的条带，果蝇的单倍 体基因组约有5150个不同的条带。在整个幼虫期和成体的 不同组织细胞中染色体的数目是相同的，染色体上条带的 图型也保持不变。 ❖ 以后大量的实验证据表明从同一个体不同组织细胞提取的 DNA是相同的，进一步说明不同组织细胞的基因组相同。
质，即基因功能的实施者。
第一节 基因组相同和基因差异表达
❖ 多细胞有机体具有许多形态、功能和生物化学组成不同的 细胞。这些不同的细胞都来自于一个共同的始祖细胞—— 受精卵。
❖ 这些不同的组织细胞虽然具有相同的基因结构，但由于基 因表达受到复杂的调控，发生差别基因转录，继而合成组 织专一性蛋白质，出现细胞形态和功能的分化。
概述
❖ 分化细胞：由多潜能细胞通过一系列分裂和分化发育成的 特殊细胞表型。
❖ ①合成特异性蛋白或具有特殊功能性的细胞器； ❖ ②有丝分裂的频率明显降低，有的甚至完全停止细胞分型。 ❖ 细胞分化的过程是从全能性细胞→多潜能性细胞→分化细
胞的发展过程，也是基因选择性表达的结果。 ❖ 分化细胞一般仅有5％-10％的基因表达，除了合成细胞生
多线染色体
一、有机体不同组织细胞基因组相同的证据
❖ (二)胚胎学的证据 ❖ ①Driesch(1892)用无钙海水分离2细胞、4细胞、8细胞和
16细胞期的海胆胚胎，发现每个单独的卵裂球都可以发育 成为正常的胚胎。表明海胆的早期分裂球是全能性的，细 胞核内具有分化产生其他各种细胞类型的基因。 ❖ ②蝾螈眼再生 ❖ ⑴正常的蝾螈胚胎发育中，晶状体由神经外胚层诱导其表 面的表皮细胞产生。如果将晶状体原基移掉，其腹侧虹膜 细胞可再生新的晶状体。 ❖ ⑵将蝾螈胚胎视网膜原基移掉，色素视网膜细胞可再生新 的视网膜。 ❖ 由已分化的细胞转分化为其他细胞类型的现象称为转化。
❖ 如多潜能生血干细胞仅能分化成为淋巴细胞、单核细胞、 粒细胞等。
❖ ①多潜能细胞后代的发育命运在一定的程度上已被限定； ❖ ②在不同的环境条件下也能表现出某些相同的细胞表型，
而且这种决定不能通过形态或生物化学的标准（无特殊的 亚显微结构变化，不含特异性蛋白质）来识别； ❖ ③多潜能细胞的基因表达受到一定的限制。
核克隆技术
❖ 将供体细胞核先移植进激活的去核卵中，再将发育产生的 大量卵裂期或囊胚期细胞核为供体，再次进行移植，移植 到更多的去核卵中，通过多次核移植可制备出原来供体核 的许多拷贝。
❖ 已分化细胞的核经历这一系列的移植后，其中有些细胞核 变得可以指导整个有机体的发育。
❖ 如原肠胚后期内胚层细胞核可以指导胚胎发育成为正常的 蝌蚪。甚至将已分化的小肠上皮细胞核或红细胞的细胞核 作为供体移植到去核卵中，也可以获得少数发育正常的蝌 蚪或成体。
三、基因组相同的例外——基因组的改变
❖ B淋巴细胞：分化过程中发生免疫球蛋白基因重排使基因 组发生改变。原来胚胎细胞基因组中不相连的DNA片段通 过切接去掉一些DNA片段，重新装配形成抗体轻链可变区 基因和重链可变区基因。此外，在B淋巴细胞分化过程中 恒定区基因发生类型转换，这两种因素使得每个B淋巴细 胞都具有独特的基因组，能够合成特异性抗体。
概述