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1、生物的调控 张方东,生物调控的重要性:,例子 细胞全能性 植物细胞的全能性(totipotancy)指植物的每一个细胞具有该植物的全部遗传信息和离体细胞在一定培养条件下具有发育成完整植株的潜在能力。,1.动物细胞克隆羊“多莉”,1997年2月23日，英国苏格兰罗斯林研究所的科学家宣布，他们的研究小组利用山羊的体细胞成功地“克隆”出一只基因结构与供体完全相同的小羊“多莉”（Dolly），世界舆论为之哗然。“多莉”的特别之处在于它的生命的诞生没有精子的参与。研究人员先将一个绵羊卵细胞中的遗传物质吸出去，使其变成空壳，然后从一只6岁的母羊身上取出一个乳腺细胞，将其中的遗传物质注入卵细胞空壳中。这样就
2、得到了一个含有新的遗传物质但却没有受过精的卵细胞。这一经过改造的卵细胞分裂、增殖形成胚胎，再被植入另一只母羊子宫内，随着母羊的成功分娩，“多莉”来到了世界。,克隆羊“多莉”,这是维尔穆特用他喜爱的乡村歌手多莉帕顿的名字命名的。,克隆羊“多莉”的研究者伊斯维姆.穆特,年月日，英国一个名叫多莉的克隆羊，因患严重肺病而接受“安乐死”。 宣布这一消息的正是成功克隆多莉而名震世界的英国爱丁堡罗斯林研究所，该研究所负责人哈里格里芬当天在其总部所在地苏格兰首府爱丁堡对媒体说，兽医证实多莉的确病魔缠身且无法治愈，研究人员才最终决定给这个“动物明星”实施“安乐死”。,典型的“高龄病症”对当时还年轻的多莉而言，意
3、味着目前的克隆技术尚不完善.,http:/ 中国新闻周刊：多莉早夭,http:/ 克隆羊多莉前世今生,绵羊寿命一般为或岁，所以科学家现在面临的问题是：为什么多莉岁就患老年疾病。,曾经在我国率先克隆出第一头克隆牛的中国农业大学教授陈永福说，“生命的长短取决于染色体分裂次数，多莉羊之所以岁多就出现早衰症状，那是因为它的遗传物质取自一头六七岁的绵羊。按普通绵羊十一二岁的寿命，这头绵羊体细胞中的染色体已经分裂了六七年，因此，它们在多莉羊体内当然也只能再持续分裂六七年，这说明克隆技术无法让细胞返老还童”。,美国广播公司28日报道，美国华盛顿州达令顿地区男孩塞斯库克尽管只有12岁，但他的模样看上去却像一名
4、头发掉光、满脸皱纹的八十老翁。据悉，库克患有一种罕见的儿童早衰症，尽管他的心仍是一颗孩子的心，但他的血管却都已硬化，并饱受关节炎的折磨。由于没有完整发育，他只有1米高，25磅重。12岁的库克目前最大的梦想，就是能活到“青少年时代”。全世界的早衰症患者目前约有42人，但科学家至今没找到治愈早衰症的方法。,12岁的早衰人塞斯库克,2.肿瘤的分子生物学研究,Brain Tumor Cells,细胞周期的不同阶段。在第一个阶段（G1）细胞生长。一旦细胞长大到一定程度细胞就进入DNA合成阶段（S） ，此时染色体复制。在下阶段（G2）细胞准备分裂。在有丝分裂（M）中染色体分隔到两个子细胞，子细胞从而 得到
5、完全相同的一副染色体。于是细胞返回G1阶段，细胞周期结束。,细胞周期蛋白依赖激酶 cdk分子的数量在细胞周期中是恒定的，但是它们的活性 由于细胞周期蛋白cyclin的调节功能而发生变化。细胞周期蛋白依赖激酶和细胞周期蛋白一起驱动细胞从细胞周期的一个阶 段到下一个阶段。cdk分子可以比作引擎，cyclin而可以比作齿轮箱以控制引擎处于空转状态或者驱动细胞 继续细胞周期。,肿瘤细胞之所以成为恶性细胞，其关键的生物学特征就是增殖与分化调控的失常，它们能持续地生长和分裂。 在高等生物体内，体细胞的生长分化是有限度的，它们受到了严密的控制，主要通过增殖因子(Proliferafive factor RF
6、)、抑制因子( Inhibiting factor IF)和分化因子(Differentiating factor, DF)的相互作用，彼此制约而维持一定的平衡，协调着细胞的分裂与成熟，使细胞生长分化处在一个网络系统的整体调控之下。,癌基因(Oncogenes)最早发现于逆转录病毒，在动物的正常细胞中也存在与病毒癌基因相似的DNA序列称为原癌基因(Proto-oncogenes)，它们具有正常功能，但又易受各种因素的影响，通过不同的途径被激活，导致细胞癌变。 在正常情况下，原癌基因是一大类与细胞分裂调控有关的基因群，涉及细胞信号传递系统的各个层次，其产物包括生长因子、生长因子受体、信号传递物、
7、蛋白激酶及转录激活因子等。他们的正常生理功能是调节细胞增殖活动，与细胞的生长分化密切相关，因而在细胞的发育中具有不可替代的重要作用。,抑癌基因(Tumer-suppressor gene, Antioncogenes)则是一类可阻止细胞分裂，抑制细胞生长并能潜在抑制癌变作用的基因，包括编码抑制细胞生长物质的结构基因、调控基因表达的调控序列及某些与基因组稳定性有关的基因等。抑癌基因的主要生理功能就是参与组织细胞的分化过程。,原癌基因与抑癌基因都是控制细胞生长分化的基因，是细胞生长分化一般调控途径的组成成分。它们通过所编码蛋白的相互作用而构成了细胞生长正负调节的两个方面，如果所原癌基因是正常细胞增
8、殖调控的正信号，促进细胞进入增殖周期，阻止其发生分化，那么抑癌基因就是细胞增殖调控的负信号，促进其发生分化成熟。,细胞癌变就是体细胞中本已关闭的与细胞增殖活动相关的基因群中某些基因又被重新打开，或是功能分化基因群中某些基因被不适当地关闭所造成的后果。,3“人类基因组计划”的困惑,20 世纪生物学最宏伟的计划是人类基因组的作图与测序(Mapping and Sequencing the Human genome), 该计划总的目标是以美国为主，通过国际合作，在15年内完成人基因组23条染色体上基因的作图和DNA全长(3109 bases)的测序。,在完成人类基因组DNA测序以后，更艰巨的任务是蛋
9、白质基因组及其基因的功能，人和生物是由细胞组成的多层次的复杂系统，其生长、发育和各种功能活动都是系统的行为，只能通过对系统的分析研究才能了解，因此，除需要进一步寻找在生物学上重要的个别基因并研究其结构和功能外，更重要地应了解整个基因组及其产物，如何协同调节细胞和生物体的功能活动。,仅了解基因并不能完全了解生物，如镰刀形贫血症： 珠蛋白基因。,艾滋病作为“超级癌症”，已有传染全球之势。它的病因明确、发病过程基本清楚、病原体的基因细维结构都已探明，但是找不到有效的治疗和预防办法。,冠状病毒科：SRAS,人类与黑猩猩差别仅有1%吗？,基因的3个层次 中国科学院北京基因研究所副所长于军研究员,定义基因
10、的第一个层次是界定其结构单元。基因的结构单元由3个基本部分组成：DNA部分，也就是基因在染色体上由碱基对组成的序列，物种间在DNA序列上 的差异，是基因在结构单元上差异的基础；RNA部分，通常被DNA部分所涵盖，不仅编码蛋白质，也编码行使功能的RNA；蛋白质部分，由信使RNA编码， 可以直接行使功能。,基因的第二个层次是它的功能单元，是由结构单元的后两个部分RNA和蛋白质组成。因为不是所有单个基因都有可定义的功能，所以基因的功能单元可以不是一个基因。比如核糖体是由若干RNA和蛋白质组成，构成一个功能单元，任何一个部分都是没有功能的 。,基因的第3个层次是基因的表型或表观单元，即基因表现出来的表
11、征，如肤色、骨骼结构和行为等。尽管它们是由基因所决定的，但大多不是由单个基因结构单元所 决定，有的是由若干个功能单元组成。如果从上述3个不同层次来描述物种的差异，我们可以看到，作为结构单元，DNA水平的差异不能完全体现在RNA和蛋白 质上，而RNA上的差异也不会完全体现在蛋白质上。三者并不等同，也就是说DNA、RNA和蛋白质都不同程度地代表着基因的结构单元。RNA和蛋白质有时可独立构成基因的功能单元，有时仅是功能单元的一部分。,调控的意义,人类的疾病 统计资料:第一位的是? 农业生产中的重要问题 杂种优势、抗逆性、产量等。,神经水平 激素水平 动物 细胞水平 植物 单细胞生物 酶水平,生物的调
12、控层次,细胞水平：,DNA 转录前调节 转录调节 转录初产物RNA 转录后加工的调节 转运调节 成熟RNA 降解调节 翻译调节 蛋白质前体 加工调节 定向运输调节 降解调节 成熟蛋白质(酶) 活性调节,第一节 基因表达的调控,一、转录前水平的调控 （一）染色体的丢失 某些低等真核生物，如原生动物、线虫、昆虫和甲壳类如剑水虱(Cyclops)在个体发育过程中，许多体细胞常常丢失掉整条或部分染色体，从而使染色质减少约一半，只有将来产生生殖细胞的那些细胞一直保留整套染色体。,线 虫,剑水虱Cyclops,（二）异染色体质化,凝缩状态的染色质称为异染色质，为非活跃转录区。真核生物可以通过异染色质化而关
13、闭某些基因的表达。例如：雌性哺乳动物细胞有两个X染色体，其中一个高度异染色质化而永久性地失去活性。,dsDNA 17 核小体 16 螺线管 140 超螺线管 15 染色单体,人细胞含有5.74109bp，总长约2米，压缩在46个配对的染色体中，总长只有200微米，压缩比达104。,基因的转录活性与基因组DNA和染色质的空间结构状态有关。DNA与染色质蛋白质和少量RNA结合，产生超螺旋化和折叠，并被高度凝缩。在比较疏松的区域即所谓常染色质上，能活跃地进行转录，而在高度凝缩的异染色质上则很少出现RNA的合成。 因此真核生物基因的活化可分为两个步骤：首先由某些调节分子结合在基因的特异部位并改变染色质
14、结构，此时其疏松化，然后才能由激活蛋白和阻遏蛋白或其他调节物进一步影响基因活性。,（三）基因扩增,基因扩增指细胞内某些特定基因的拷贝数大量增加的现象，它是细胞在短期内为满足某种需要而产生足够的基因产物的一种调控手段。,（四）染色体DNA序列的重排,1.啤酒酵母结合型互变 (mating-type interconversion) 单倍体酵母有a 和 两种结合型，分别由MATa 和MAT 控制。这两个位点互为等位。一个特定的单倍体细胞或是a 结合型或是 结合型。两个不同结合型的细胞可以结合，而相同的结合型不能结合。对不同结合型的识别是由于分泌激素的不同，MAT细胞产生因子，MATa细胞产生a因子
15、。 型可以转变为a 型，a 型也可以转变为 型。解释结合型互变的模型叫做匣子模型(cassette model)。,2高等动物和人体淋巴细胞抗体基因的重排,抗体(免疫球蛋白)包括两条轻链(L链)和两条重链(H链)所组成，它们分别由三个独立的基因族(gene family)所编码，其中两个编码轻链(K和)，一个编码重链。小鼠的K、和重链分别位于第6，16和12号染色体上。决定轻链的基因族上分别有L、V、J、C四类基因片段。L代表前导片段(leader segment),V代表可变片段(variable segment), J代表连接片段(joining), 决定重链的基因族上共有L、V、D、J、
16、C五类基因片段,其中D代表多样性片段(diversity segment)。在J和C片段之间还有增强子(enhancer)。,（五）染色质DNA的修饰 (DNA甲基化和去甲基化),DNA的碱基在DNA甲基化转移酶的作用下可被甲基化，主要形成5-甲基胞嘧啶(m5C)和少量6-甲基腺嘌呤 (m6A)。绝大多数甲基化发生在CG核苷酸对，而且通常两个C都发生甲基化。,采用5-氮胞苷(5-azacytidine)可以人为地造成去甲基。5-氮胞苷可以在DNA中取代胞苷，它没有游离的5-H， 因而不能接受甲基。用5-氮胞苷处理细胞，可以改变基因的表达和细胞分化的状态。 比如，使非肌肉细胞的前体分化成肌肉细胞
17、、诱导整合在染色体中的原病毒表达、激活哺乳动物雌性动物失活的X染色体上某些基因的表达。 后一发现似乎表明X染色体似乎表明X染色体的失活与DNA甲基化状态有关。,近年来，对DNA甲基化与去甲基化作为基因表达调节的控制环节这一概念已经得到了愈来愈多的实验的支持。在生物发育和分化过程中，DNA甲基化能关闭某些基因的表达，去甲基化能诱导基因的重新活化。研究表明，DNA甲基化作用能引起染色质结构、DNA构象、DNA稳定性以及DNA与蛋白质相互作用方式的改变，从而控制着基因的表达。,基因沉默：,很大部分都是由于甲基化引起，特别是启动子的甲基化。 1992年Kilby等发现转NptII基因的拟南芥植株，其后
18、代有两个植株对Km敏感，经研究发现，NptII启动子区的SstI的酶切位点已被甲基化。,表观遗传学(Epigenetics ),表观遗传学是与遗传学(genetic)相对应的概念。遗传学是指基于基因序列改变所致基因表达水平变化，如基因突变、基因杂合丢失和微卫星不稳定等；,而表观遗传学则是指基于非基因序列改变所致基因表达水平变化，如DNA甲基化和染色质构象变化，组蛋白因被乙酰化(此外还有甲基化、磷酸化等修饰)导致复合体的结构发生变化，诱发DNA的甲基化。,表观遗传学有如下三层含义：,(1)可遗传的，即这类改变通过有丝分裂或减数分裂，能在细胞或个体世代问遗传； (2)是基因表达的改变； (3)没有
19、DNA序列的变化或不能用序列变化来解释。,甲基化检测,(C),(T),(U),正常情况下，人类基因组“垃圾”序列的CpG二核苷酸相对稀少，并且总是处于甲基化状态，与之相反，人类基因组中大小为100-1000 bp左右且富含CpG二核苷酸的CpG岛则总是处于未甲基化状态，并且与56的人类基因组编码基因相关。人类基因组序列草图分析结果表明，人类基因组CpG岛约为28890个，大部分染色体每1 Mb就有5-15个CpG岛，平均值为每Mb含105个CpG岛，CpG岛的数目与基因密度有良好的对应关系。,双胞胎表观遗传学,海南诞生一对双胞胎虎狮兽,因为单卵双生（同卵双生；onozygotic twin）的
20、遗传物质组成是相同的，使得学者们在研究环境对遗传物质的效应研究时，乐于将他们作为考察对象。但是，最近的一项研究却是将单卵双生他们内在的差别作为引人入胜的考察对象：发现在单卵双生中存在大量的表观遗传差异（epigenetic difference），表明了岁月和环境在不断影响着人类健康的一个重要途径。,双胞胎姐妹琳达和特里-杰米森,Manel Esteller和同事们检测了40对单卵双生双生子基因组中两种主要的表观遗传修饰-DNA甲基化和组蛋白乙酰化。其中有65%的单卵双生双生子的表观遗传学特性基本保持一致，但仍然有着35%的单卵双生双生子存在显著的区别。同时，他们的年纪和差异程度之间有着明显的
21、联系。而且，表观遗传差别大小与双生子间的分开时间长短及不同的医疗经历之间也有着联系。所以，随着时间的推移，环境的因素似乎对表观基因组(epigenome)有着重要的影响。 一个重要的特征是，双生子的差异性甲基化在启动子的CpG岛上也有发生，表明可能会对基因的表达有影响。这个结果用芯片分析得到了证实：但是在3岁年纪的双生子中，基因表达的特征基本保持一致，但在50岁的双生子中差别就很大了。,Epigenetic differences arise during the lifetime of monozygotic twins PNAS July 26, 2005 vol. 102 no. 30
22、0604-10609 We found that, although twins are epigenetically indistinguishable during the early years of life, older monozygous twins exhibited remarkable differences in their overall content and genomic distribution of 5-methylcytosine DNA and histone acetylation, affecting their gene-expression por
23、trait. These findings indicate how an appreciation of epigenetics is missing from our understanding of how different phenotypes can be originated from the same genotype.,表观遗传学和人类疾病,胃癌表观遗传学研究 免疫系统和表观遗传学调控：一个新的前沿领域 系统性红斑狼疮(SLE)的表观遗传学发病机制研究进展,植物的开花,FLOWERING LOCUS C (FLC),The Plant Journal Volume 44, I
24、ssue 3, Pages 420-432，2005 The downregulation of FLOWERING LOCUS C (FLC) expression in plants with low levels of DNA methylation and by vernalization occurs by distinct mechanisms,Model for the Dual Control of Parental Genomic Imprinting by DNA Methylation in Plants,The Plant Cell, Vol. 18, 13601372
25、, June 2006,Small RNAs: How Seeds Remember To Obey Their Mother,Maternal effects in maize,Imprinting in Endosperm Development,(A) Model for the Imprinting of FWA and FIS2.,(B) Model for the Imprinting of MEA and PHE1.,Cell 132, March 7, 2008,Establishment and maintenance of DNA methylation in Arabidopsis thaliana.,NATURE GENETICS REVIEWS, VOLUME 6, MAY 2005: 351-360,