【正文】 第二章 細(xì)胞分化的分子機(jī)制－轉(zhuǎn)錄和轉(zhuǎn)錄前的調(diào)控 第一篇 發(fā)育生物學(xué)基本原理 概述 ?個(gè)體發(fā)育的中心問(wèn)題是細(xì)胞分化 ，研究細(xì)胞分化的分子機(jī)制是探索發(fā)育機(jī)制的基礎(chǔ)。 ?細(xì)胞分化 是指多細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞從 簡(jiǎn)單 、 原始 的狀態(tài)到復(fù)雜 和 異樣化 的方向發(fā)展的過(guò)程，是 通過(guò)細(xì)胞分裂產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和功能有穩(wěn)定差異的過(guò)程 。 細(xì)胞分化 概述 ?在多細(xì)胞生物體內(nèi)，每個(gè)細(xì)胞都有一定的性狀，即細(xì)胞特定基因型在一定的環(huán)境條件下的表現(xiàn)，也稱為 細(xì)胞表型 。 ?根據(jù)細(xì)胞表型可將細(xì)胞分為 3類： 全能細(xì)胞 、 多潛能細(xì)胞和 分化細(xì)胞 。 概述 ?全能細(xì)胞 ：指它能夠產(chǎn)生有機(jī)體的全部細(xì)胞表型，或者說(shuō)可以產(chǎn)生一個(gè)完整的有機(jī)體，它的全套基因信息都可以表達(dá)。如 合子 、 海膽和有些動(dòng)物的早期分裂球 等。 概述 ?多潛能細(xì)胞 ：表現(xiàn)出發(fā)育潛能的一定局限性，僅能分化成為特定范圍內(nèi)的細(xì)胞。 ?如 多潛能生血干細(xì)胞 僅能分化成為 淋巴細(xì)胞 、 單核細(xì)胞 、粒細(xì)胞 等。 ?① 多潛能細(xì)胞后代的 發(fā)育命運(yùn)在一定的程度上已被限定 ； ?② 在 不同的環(huán)境條件下也能表現(xiàn)出某些相同的細(xì)胞表型 ，而且這種決定 不能通過(guò)形態(tài)或生物化學(xué)的標(biāo)準(zhǔn) （無(wú)特殊的亞顯微結(jié)構(gòu)變化，不含特異性蛋白質(zhì)） 來(lái)識(shí)別 ； ?③ 多潛能細(xì)胞的基因表達(dá)受到一定的限制 。 概述 ?分化細(xì)胞 ：由多潛能細(xì)胞通過(guò)一系列分裂和分化發(fā)育成的特殊細(xì)胞表型。 ?① 合成特異性蛋白 或 具有特殊功能性的細(xì)胞器 ； ?② 有絲分裂的頻率 明顯 降低 ，有的甚至 完全停止 細(xì)胞分型。 ?細(xì)胞分化的過(guò)程是從 全能性細(xì)胞 → 多潛能性細(xì)胞 → 分化細(xì)胞 的發(fā)展過(guò)程，也是 基因選擇性表達(dá)的結(jié)果 。 ?分化細(xì)胞一般僅有 5％ 10％ 的基因表達(dá)，除了 合成細(xì)胞生長(zhǎng)、代謝必需的產(chǎn)物 之外，主要是 特異性產(chǎn)物的合成 。 概述 ?細(xì)胞分化是 基因差異性表達(dá)的結(jié)果 ，差異性基因表達(dá)產(chǎn)生的原因主要來(lái)自于 兩方面 。 ?①細(xì)胞內(nèi)環(huán)境的差異影響核基因的表達(dá) 。在早期胚胎發(fā)育的卵裂階段，由于 卵質(zhì)的不均勻分布 ，卵裂的結(jié)果所產(chǎn)生的分裂球 (細(xì)胞 )存在不同的細(xì)胞內(nèi)環(huán)境，引起胚胎細(xì)胞核基因的差異表達(dá)。 ?②細(xì)胞外環(huán)境的影響 。 ? 在胚胎發(fā)育早期 不同的 胚胎細(xì)胞位于 不同的 區(qū)域 ，受到不同的外界環(huán)境的影響，接受不同的位置信息。 ? 特別是 鄰近細(xì)胞的相互關(guān)系 ，如 胚胎誘導(dǎo)對(duì)于胚胎細(xì)胞分化具有重要意義。 ? 各種細(xì)胞外信號(hào)分子 (細(xì)胞因子、激素等信號(hào)分子 )，通過(guò)細(xì)胞間的通訊，特別是 信號(hào)傳導(dǎo)間接影響細(xì)胞核基因的表達(dá) 。 概述 ?差異基因表達(dá)的調(diào)控機(jī)制 主要是在以下幾個(gè)水平完成： ?①差異基因轉(zhuǎn)錄 ：調(diào)節(jié)哪些核基因轉(zhuǎn)錄成 RNA。 ?②核 RNA的選擇性加工 ：調(diào)節(jié)哪些核 RNA進(jìn)入細(xì)胞質(zhì)并加工成為 mRNA，構(gòu)成特殊的轉(zhuǎn)錄子組。 ?③ mRNA的選擇性翻譯 ：調(diào)節(jié)哪些 mRNA翻譯成蛋白質(zhì)。 ?④差別蛋白質(zhì)加工 ：選擇哪些蛋白質(zhì)加工成為功能性蛋白質(zhì)，即基因功能的實(shí)施者。 第一節(jié) 基因組相同和基因差異表達(dá) ?多細(xì)胞有機(jī)體具有許多形態(tài)、功能和生物化學(xué)組成不同的細(xì)胞。這些不同的細(xì)胞都來(lái)自于一個(gè)共同的始祖細(xì)胞 ——受精卵 。 ?這些 不同的組織細(xì)胞 雖然具有 相同的基因結(jié)構(gòu) ，但由于 基因表達(dá)受到復(fù)雜的調(diào)控 ， 發(fā)生差別基因轉(zhuǎn)錄 ，繼而 合成組織專一性蛋白質(zhì) ， 出現(xiàn)細(xì)胞形態(tài)和功能的分化 。 ?換句話說(shuō)就是這些細(xì)胞的基因組相同，只是在發(fā)育過(guò)程中不同的細(xì)胞利用了基因組中不同的基因 ，結(jié)果導(dǎo)致各類細(xì)胞合成其特有的蛋白質(zhì)。 一、有機(jī)體不同組織細(xì)胞基因組相同的證據(jù) ? (一 )遺傳學(xué)的證據(jù) ?遺傳學(xué)的研究早就顯示， 果繩幼蟲 的許多細(xì)胞具有 多線染色體 。這種多線染色體 DNA可經(jīng)歷多次復(fù)制而不進(jìn)行有絲分裂 。形成 512條， 1024條，甚至更多條平行的 DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)。 ?人們發(fā)現(xiàn)這些染色體上有許多特征性的條帶，果蠅的單倍體基因組約有 5150個(gè)不同的條帶。在 整個(gè)幼蟲期和成體的不同組織細(xì)胞中染色體的 數(shù)目 是 相同 的，染色體上條帶的圖型也保持不變 。 ?以后大量的實(shí)驗(yàn)證據(jù)表明 從同一個(gè)體不同組織細(xì)胞提取的DNA是相同的 ，進(jìn)一步說(shuō)明不同組織細(xì)胞的基因組相同。 多線染色體 一、有機(jī)體不同組織細(xì)胞基因組相同的證據(jù) ? (二 )胚胎學(xué)的證據(jù) ?① Driesch(1892)用無(wú)鈣海水分離 2細(xì)胞 、 4細(xì)胞 、 8細(xì)胞 和16細(xì)胞 期的 海膽胚胎 ，發(fā)現(xiàn)每個(gè)單獨(dú)的卵裂球都可以發(fā)育成為正常的胚胎。表明 海膽的早期分裂球是全能性的， 細(xì)胞核內(nèi)具有分化產(chǎn)生其他各種細(xì)胞類型的基因 。 ?② 蠑螈眼再生 ?? 正常的蠑螈胚胎發(fā)育中，晶狀體由 神經(jīng)外胚層誘導(dǎo) 其表面的 表皮細(xì)胞 產(chǎn)生。如果將晶狀體原基移掉，其 腹側(cè)虹膜細(xì)胞可再生新的晶狀體 。 ?? 將蠑螈胚胎 視網(wǎng)膜原基移掉 ， 色素視網(wǎng)膜細(xì)胞可再生新的視網(wǎng)膜 。 ?由已分化的細(xì)胞轉(zhuǎn)分化為其他細(xì)胞類型的現(xiàn)象稱為 轉(zhuǎn)化 。 (三 )分子生物學(xué)的證據(jù) ?分子生物學(xué)的研究結(jié)果為基因組相同提供了更準(zhǔn)確的證據(jù)。 ?核酸分子雜交 ：表明有機(jī)體的不同組織細(xì)胞都擁有序列完全相同的核基因組 DNA。 ?例 ： 各種不同小鼠細(xì)胞的單鏈 DNA可同樣有效地抑制具有放射性標(biāo)記的小鼠單鏈 DNA探針與小鼠胚胎基因組的雜交 。 ?原位雜交技術(shù) ：果蠅 唾液腺細(xì)胞并不合成卵黃蛋白 ，但在果繩唾液腺細(xì)胞的 基因組中卻同樣具有編碼卵黃蛋白的基因 ，而且該基因在 體外一定條件下仍然可以合成卵黃蛋白 。 二、核潛能的限定 ?（一）在發(fā)育中核潛能被限定 ?大量的證據(jù)表明，隨著細(xì)胞的分化，核的潛能逐漸被限定 。 ? Briggs和 King（ 1952， 1960）用 豹蛙 成功進(jìn)行 核移植實(shí)驗(yàn) 。 ?① 他們將未分化的 囊胚期細(xì)胞核 移植進(jìn)激活的去核卵，結(jié)果有 60%的受體正常發(fā)育形成囊胚，其中 80%85%繼續(xù)發(fā)育形成正常二倍體蝌蚪。 ?② 采用 原腸胚早期內(nèi)胚層細(xì)胞核 為供體進(jìn)行核移植時(shí)只有50%的胚胎能夠進(jìn)行正常發(fā)育為蝌蚪； ?③ 若用 神經(jīng)胚內(nèi)胚層細(xì)胞核 為供體時(shí)僅有 10%以下 的胚胎能夠正常發(fā)育。 ?由此可見， 隨著個(gè)體發(fā)育的進(jìn)行，細(xì)胞核指導(dǎo)發(fā)育的潛能被越來(lái)越限定，甚至喪失了指導(dǎo)全部發(fā)育的能力 。 豹蛙核移植實(shí)驗(yàn) （一）在發(fā)育中核潛能被限定 ?細(xì)胞核潛能的限定 是穩(wěn)定的且 具有一定的組織特異性 。 ?三胚層細(xì)胞核移植實(shí)驗(yàn)： ?① 采用具有組織特異性的 原腸胚后期 內(nèi)胚層細(xì)胞核 為供體時(shí)，易于形成內(nèi)胚層細(xì)胞，指導(dǎo)發(fā)育成為 外胚層和中胚層細(xì)胞的能力已受到限制 。 ?② 外胚層細(xì)胞核 為供體進(jìn)行移核實(shí)驗(yàn)，產(chǎn)生發(fā)育異常的蝌蚪，可具有正常的神經(jīng)分化但是 缺乏內(nèi)胚層 結(jié)構(gòu)。 ?在發(fā)育過(guò)程中體細(xì)胞核潛能的限定是一個(gè)普遍的規(guī)律。 （二）細(xì)胞核具有潛在全能性的研究 ?關(guān)于 分化細(xì)胞核潛能限定 的觀點(diǎn)長(zhǎng)期以來(lái)存在著爭(zhēng)議。 ?有些學(xué)者認(rèn)為用 已分化細(xì)胞核 進(jìn)行的移植實(shí)驗(yàn)在很多情況下 不能獲得正常發(fā)育胚胎 的原因，主要是由于核移植的方法使已 分化細(xì)胞核突然進(jìn)入了一個(gè)高頻率分裂的陌生胞質(zhì)環(huán)境 ，容易引起 染色體斷裂 。 ?為真正評(píng)價(jià)細(xì)胞核的潛能，人們采用 核克隆技術(shù)（ 連續(xù)克隆 ） ，使移植的供體核逐漸地適應(yīng)這種環(huán)境，結(jié)果也可以獲得發(fā)育正常的蝌蚪。 核克隆技術(shù) ?將供體細(xì)胞核先移植進(jìn)激活的去核卵中，再將發(fā)育產(chǎn)生的大量卵裂期或囊胚期細(xì)胞核為供體， 再次進(jìn)行移植 ，移植到更多的去核卵中，通過(guò)多次核移植可制備出原來(lái)供體核的許多拷貝。 ?已分化細(xì)胞的核經(jīng)歷這一系列的移植后，其中 有些細(xì)胞核變得可以指導(dǎo)整個(gè)有機(jī)體的發(fā)育 。 ?如 原腸胚后期內(nèi)胚層細(xì)胞核 可以指導(dǎo)胚胎發(fā)育成為正常的蝌蚪。甚至將已分化的 小腸上皮細(xì)胞核 或 紅細(xì)胞的細(xì)胞核作為供體移植到去核卵中，也可以獲得少數(shù)發(fā)育正常的蝌蚪或成體。 一般核移植過(guò)程 核克隆過(guò)程 Dolly的誕生 ?克隆羊 Dolly的誕生（ 1997）對(duì)于說(shuō)明體細(xì)胞核發(fā)育的全能性具有特別重要的意義。 ?這是人類首次成功的用哺乳動(dòng)物體細(xì)胞 成年母羊乳腺上皮細(xì)胞核為供體 ，經(jīng)過(guò) 多次核移植 而獲得的后代。 ?隨后，克隆猴、克隆牛等一系列動(dòng)物的研究獲得了成功。 Dolly的標(biāo)本和伊恩博士 ? Dolly： Dolly由英國(guó)愛(ài)丁堡大學(xué)的伊恩博士研制成功， 樂(lè)死，它的標(biāo)本于 2022年 4月 9日陳列于蘇格蘭首都愛(ài)丁堡國(guó)家博物館。 三、基因組相同的例外 ——基因組的改變 ?有些特殊的細(xì)胞中基因組會(huì)發(fā)生改變。 ?馬蛔蟲體細(xì)胞的前體細(xì)胞