细胞分化的调控

第三节　细胞分化的调控

一个有机体的绝大多数细胞，都有相同的遗传潜能。同一个体内已经彼此分化的那些细胞，是通过表达不同基因群来决定它们的蛋白质含量和合成的;而基因表达的调控，涉及DNA及其转录和翻译。因此，细胞分化的调控可以在不同的水平上进行:转录水平、翻译水平以及蛋白质形成后活性调节水平等，其中转录水平的调控是最重要的。

一、转录水平的调控

大量研究表明，细胞分化的基因表达的调节，主要是发生在转录水平上，即是否出现某种性状决定于是否存在有关的mRNA。

(一)奢侈基因和管家基因

根据基因和细胞分化的关系，可以把基因分为两类:一类称为管家基因(housekeeping gene)，是维持细胞最低限度的功能所不可缺少的基因，但对细胞分化一般只有协助作用。管家基因在各类细胞的任何时间内都可以得到表达，其产物管家蛋白(housekeeping protein)是维持细胞生命活动所必需的，如膜蛋白、核糖体蛋白、线粒体蛋白、细胞周期蛋白、糖酵解酶和核酸聚合酶等。另一类称为奢侈基因(luxury gene)，是指与各种分化细胞的特殊性状有直接关系的基因，丧失这类基因对细胞的生存并无直接影响。奢侈基因只在特定的分化细胞中表达并受时期的限制，其编码产物称为奢侈蛋白(luxury protein)，如红细胞中的血红蛋白、表皮细胞中的角蛋白、肌细胞中的肌动蛋白和肌球蛋白等。

(二)基因的顺序表达活性

基因的活性不仅由于细胞类型的不同有很大变化，即使在同一类型的细胞中，由于发育阶段不同，基因活性也不一样。例如，在人体发育的各个阶段中，血红蛋白(hemoglobin，Hb)的组成就各不相同。血红蛋白是人体红细胞中氧的载体，是由4条珠蛋白(haptoglobin，Hp)肽链组成的异四聚体，但在人体发育的各个阶段中，肽链四聚体的组成发生显著的变化。在胚胎早期，ε珠蛋白基因首先表达，血红蛋白含1对α链和1对ε链，因此早期胚胎的血红蛋白中多为α²ε²;随后，ε珠蛋白基因关闭，γ珠蛋白基因表达，四聚体为α²γ²;到胎儿出生前后，γ珠蛋白基因表达逐渐下降，β珠蛋白基因表达逐渐升高;到出生后12～18周，主要是β珠蛋白基因表达，四聚体为α²β²，并有少量γ和δ珠蛋白基因表达，而成人的血红蛋白珠蛋白肽链保持为α²β²。上述肽链的氨基酸序列基本相同，但稍有差别。胎儿的血红蛋白与成体的血红蛋白相比，对氧具有更高的亲和力，便于从母体血液中获得氧。不同的珠蛋白肽链分别由相应的结构基因所编码，用重组DNA技术已将珠蛋白基因定位在不同的染色体上。珠蛋白基因包括决定珠蛋白α、β、γ、δ、ε和ζ链的基因。其中α和ζ链基因各2份位于第16号染色体上(每个体细胞中有4个α链基因)，其余珠蛋白链基因均位于第11号染色体上，从5'端到3'端依次为ε-^Gγ-^Aγ-δ-β。在人体发育与生长的不同时期，上述基因依次表达，而合成相应的珠蛋白链，最后与血红素一起构成血红蛋白。各型珠蛋白的出现与其编码基因的活化顺序是一致的(图10-2)，不同类型的珠蛋白在发育过程中依次出现和消失是基因差别表达的结果，这就直接证明了不同类型血红蛋白合成的调节发生在转录水平上。

图10-2　珠蛋白基因的顺序表达

(三)非组蛋白与基因的选择性转录

染色质重组实验表明，非组蛋白与基因选择性表达有着密切关系。取兔的胸腺和骨髓细胞的染色质，用重组的染色质做模板，加入RNA聚合酶和各种前体核苷酸便可合成mRNA。结果发现，胸腺非组蛋白不但能与胸腺DNA重组染色质转录胸腺mRNA，也能与骨髓DNA重组染色转录胸腺mRNA;同样，骨髓非组蛋白不但能与骨髓DNA重组染色质转录骨髓mRNA，也能与胸腺DNA重组染色质转录骨髓mRNA。说明特异的非组蛋白可能决定着相应特定基因的转录，即调节细胞中基因转录的因素是非组蛋白。

(四)同源框基因

影响转录水平上的基因调控因素很多，比较重要的还有同源框基因(homeobox gene，Hox)。

同源框基因是最初发现于果蝇、爪蟾形态发生调节蛋白的一种DNA结合区。从酵母到人类，都含有这一高度保守的同源异型基因(homeotic gene)序列，表明所有生物物种中所含有的同源框基因都是由同一原始基因以串联重复的方式演化而来的。因此，凡是含有同源异型基因序列的基因，均称为同源框基因。同源框基因表达产生的蛋白质则称为同源域蛋白(homeodomain protein)。目前已克隆了约170个不同脊椎动物的同源框基因。脊椎动物的同源框基因一般用Hox符号表示，其中人类的基因是以大写斜体表示，如HOX A4;小鼠的基因则以第1个字母H大写表示，如Hox-a4。脊椎动物的同源框基因可分为2类:①连锁群同源框基因。人类的4个连锁群同源框基因分别位于第7、17、12及2号染色体上的同源框基因连锁群HOX A、HOX B、HOX C及HOX D，至少包含了39个同源框基因，每一个连锁群同源框基因由9～11个基因组成。②非连锁群同源框基因或散在的同源框基因(unlinkage homeobox genes;dispersed homeobox genes):散布存在于整个基因组中。

同源框基因的3'端外显子有约180bp的同源序列，在从无脊椎动物到脊椎动物的形态发生中与前后体轴结构的发育有密切的关系。小鼠同源框基因Hox-a1和Hox-a3控制胚胎前部的发育，若Hox-a3发生突变，将导致头颈部骨骼畸形和胸腺缺乏，类似人类的先天性Di-George综合征。DNA甲基化是指DNA分子上的胞苷上加上甲基形成甲基胞嘧啶的现象，特别多见于CG序列中。

(五) DNA甲基化

DNA的甲基化(DNA methylation)位点阻碍转录因子结合。因此，甲基化程度越高，DNA转录活性越低。哺乳动物的DNA甲基化现象较为普遍，大约70％的CG序列有甲基化发生，而持续表达的管家基因多为非甲基化状态。

二、翻译水平的调控

翻译水平的调控与转录水平的调控不同，很少有选择性翻译，即在分化细胞内并无专门翻译某种mRNA而不翻译其他mRNA的调节机制。相反，翻译调控通常是通过调节细胞的整体翻译水平来实现的。热休克(heat shock)反应就是一个例子。热休克不但影响转录的起始，也使大部分翻译停止;与此同时，热休克蛋白mRNA加紧翻译。一段时间后，蛋白质合成恢复正常。

为了检验细胞对基因表达是否在翻译水平进行调节，分别把兔、小鼠和鸭编码珠蛋白的mRNA注入爪蟾的受精卵，发现这些mRNA是稳定的，并且在受精卵发育的第8天中，都发现兔、鼠或鸭的珠蛋白合成。这说明爪蟾受精卵对外来的不同mRNA一律翻译，没有选择性。类似的实验也证明，无论是未分化的卵母细胞，还是已分化的肌肉、神经细胞，都没有对不同的mRNA进行选择性翻译的机制，异源mRNA功能甚至还能遗传给下一代。

还有的实验观察到，海胆未受精卵存在着未活化的mRNA(母体mRNA)，不能翻译，称为蒙面信使。只有在受精后，这些mRNA才可能翻译。因而，对于能否通过这一机制实现翻译水平的调节，从而导致细胞分化的设想还有待进一步研究。

三、果蝇早期发育的基因调控

果蝇(Drosophila)体长2mm，仅有4对染色体。整个生命周期很短，只有9～10d，从受精卵发育为幼虫约4d。果蝇易于饲养和繁殖，因此可以用来进行无法在高等动物身上完成的实验。经典的遗传学研究几乎将果蝇所有性状的基因定位于染色体，为探索个体发育的基因调控奠定了基础。

对果蝇早期发育的研究发现，母体的基因产物分布在卵细胞的一定位置，受精后这些物质活化，开始进行级联式的早期发育。目前采用原位分子杂交和抗体染色法等技术，已经发现果蝇的胚胎在不同发育阶段其基因产物的分布位置，以及早期发育中不同基因的顺序表达。在果蝇早期胚胎发育时，主要是由两大类基因群来负责调控的:一类是分节基因(segmentation gene)，主要负责果蝇体节的产生;另一类是同源异型基因，主要是促使各个体节表现专一性的形态，也就是前后轴向的定位。目前发现负责分节的基因共分成4类:①母体基因(maternal gene)，主要是由亲代雌性果蝇本身的基因影响胚胎轴向发育。②缺口基因(gap gene)，当此类基因发生突变时，会使得果蝇的部分体节消失。③成对交配基因，包括8个基因。当其发生突变时，将促使单数或双数体节的一部分消失。④区段极性基因(segment-polarity gene)，包括17个基因，其突变会造成2个相邻体节的中间部分消失。至于同源异型基因，目前已经在果蝇身上发现了8个，分别属于2个连锁群(linkage group):胸腹复合物(bithora complex，BX-C)和触角足复合物(antennapedia complex，ANT-C)。这2个连锁群都位于果蝇的第3号染色体上。BX-C包含了3个基因，主要是控制身体后端的发育;而ANT-C包含了5个基因，主要控制前端的发生。当连锁群中的某个同源异型基因发生缺失时，该基因控制的果蝇身体部位将会出现异常。例如，当bx基因发生突变时，果蝇的第3胸节(T3)将发育成第2胸节(T2)。

果蝇早期突变出现可识别的基因突变，是研究发育机制极有价值的工具。从果蝇研究所获得的结果已被证实普遍适用于所有高等动物，甚至人类的早期胚胎发育过程。