细胞分化的分子机制

真核生物基因表达过程：

• DNA → nRNA（核内）→ mRNA（细胞质）
• 异质性核RNA（hnRNA）：长度、性质和复杂性存在差异
• 海胆发育研究：囊胚期与长腕幼虫期转录激活DNA序列一致，但细胞质mRNA复杂性随发育减小

• α-原肌球蛋白基因：同一nRNA经选择性拼接产生7种不同组织特异性蛋白
• 免疫球蛋白基因：重链恒定区通过RNA选择性加工完成分子转换（IgM→IgD）
• 降钙素/神经多肽CGRP：
  • 甲状腺细胞：外显子1-4 → 降钙素mRNA
  • 脑细胞：外显子1-3,5-6 → CGRP mRNA
• 果蝇性别决定：Sex-lethal、Transformer和Doublesex基因通过性别特异性剪接决定表型

• 顺式作用元件：
  • AAUAAA序列：位于3'末端，对裂解至关重要
  • GU/U富积序列：位于AAUAAA下游，调控裂解效率
• 反式作用元件：
  • 特异性核蛋白因子：识别顺式因子
  • poly(A)聚合酶：合成多聚腺苷酸尾
  • 裂解因子I和II：mRNA前体裂解酶
  • 裂解刺激因子：提高裂解效率

• RNA在核基质内完成转录和加工后，通过核膜孔运出核外
• 细胞核通过选择性处理mRNA前体调控基因表达
• 特殊病毒蛋白对mRNA运输是必需的
• 果蝇实验表明：mRNA 3'UTR区域包含定位信息（如oskar基因）

早期发育中母体效应因子的影响：

• 卵母细胞贮藏20,000-50,000种不同mRNA，每种约1,600拷贝
• 贮藏信息在卵细胞中梯度或均匀分布
• 受精后翻译的关键mRNA包括：细胞周期蛋白、肌动蛋白、组蛋白、形态发生素等

• mRNA掩蔽（masking）：与蛋白结合形成RNP复合物，阻止核糖体结合
• Gap调控：5'-鸟苷酸在受精后甲基化启动翻译
• mRNA隐蔽（sequester）：如海胆组蛋白mRNA定位于卵原核，受精后释放
• pH调控：海胆卵母细胞pH从6.9升至7.4，蛋白质合成急剧增加
• Poly(A)调控：polyA长度变化调控翻译活性
  • 小鼠：未成熟卵母细胞中可翻译mRNA具有长poly(A)
  • 减数分裂后：翻译终止mRNA降解poly(A)，翻译起始mRNA加长poly(A)

• tra-2 mRNA调控：卵子发育必需，3'UTR结合抑制蛋白
• fem-3 mRNA调控：精子发育必需，幼虫四龄时3'UTR结合TRA-2
• 精卵发生转换：通过tra-2和fem-3 mRNA的翻译抑制实现

• 不同mRNA半衰期受3'UTR控制
• 短寿命mRNA的3'UTR含AU富集区，促进poly(A)降解
• β-珠蛋白mRNA：3'UTR含3个C富集区，稳定（半衰期17小时）
• 生长因子mRNA：半衰期<30分钟
• c-fos mRNA：AU富集区调控降解，影响细胞分裂

催乳素使酪蛋白mRNA寿命提高25倍，远超其转录水平提高（仅2倍）

• 铁蛋白和运铁蛋白mRNA含IRE-BP识别序列
• 低铁浓度：
  • 铁蛋白mRNA：IRE-BP结合抑制翻译
  • 运铁蛋白mRNA：IRE-BP结合抑制降解
• 高铁浓度：
  • 铁蛋白mRNA：翻译激活
  • 运铁蛋白mRNA：降解加速

基因转录产生的mRNA分子中，由于核苷酸的缺失、插入或置换，使翻译生成的蛋白质氨基酸组成不同于基因编码序列

• 载脂蛋白B（Apo-B）编辑：C→U转换产生终止密码子
• 编辑机制：胞嘧啶脱氨酶催化特定胞嘧啶脱氨变成尿嘧啶
• 调控区域：两个必需区域，一个保守，一个形成茎环结构
• 结果：产生组织特异性蛋白亚型（如肝脏中的Apo-B100和肠道中的Apo-B48）

• 多肽链断裂：如胰岛素原→胰岛素
• 磷酸化：通过激酶/磷酸酶调控蛋白质活性
• 与离子结合：如钙调蛋白与Ca²⁺结合后激活
• 亚细胞定位：膜蛋白正确定位后获得功能
• 蛋白质装配：如血红蛋白亚基组装为功能四聚体

• 自身降解：泛素-蛋白酶体途径
• 与抑制性配体结合：如DORSAL蛋白
• 构象变化：变构效应导致功能丧失