細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控 癌細(xì)胞 腫瘤干細(xì)胞ppt課件

1、,細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控,本章內(nèi)容提要,第一節(jié) 細(xì)胞分化 一、細(xì)胞分化的基本概念 二、影響細(xì)胞分化的因素 三、細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育 第二節(jié) 癌細(xì)胞 一、癌細(xì)胞的基本特征 二、癌基因與抑癌基因 三、腫瘤的發(fā)生是基因突變逐漸積累的結(jié)果 四、腫瘤干細(xì)胞 第三節(jié) 真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控 一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 二、加工水平的調(diào)控,Cell differentiation occurs in multicellular organisms,幾種生物的細(xì)胞數(shù)目與類型:,一、細(xì)胞分化的基本概念 （一）細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果 細(xì)胞分化在個(gè)體發(fā)育中，由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成

2、穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生各不相同的細(xì)胞類群的過程。 細(xì)胞分化是多細(xì)胞生物發(fā)育的基礎(chǔ)與核心；細(xì)胞分化的關(guān)鍵在于特異性蛋白質(zhì)合成； 細(xì)胞癌變是正常細(xì)胞分化機(jī)制失控的表現(xiàn)。,第一節(jié) 細(xì)胞分化,細(xì)胞分化是由于細(xì)胞選擇性地表達(dá)各自特有的專一性蛋白質(zhì)，而導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能的差異。,表 分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達(dá),（二）組織特異性基因與管家基因,分化細(xì)胞基因組中所表達(dá)基因可分為2種類型： 管家基因（持家基因） 是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對(duì)維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的； 組織特異性基因（奢侈基因）是指不同類型細(xì)胞中特異性表達(dá)的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能； 調(diào)節(jié)基

3、因，其產(chǎn)物用于調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達(dá)，起激活或阻遏作用。 細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是組織特異性基因在時(shí)間和空間上的差異性表達(dá)。,（三）組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá),組合調(diào)控即每種類型的細(xì)胞分化是由多種調(diào)控蛋白共同調(diào)節(jié)完成的。,3種調(diào)控蛋白可啟動(dòng)8種不同細(xì)胞類型的分化。,借助于組合調(diào)控，一旦某種關(guān)鍵性基因調(diào)控蛋白與其它調(diào)控蛋白形成適當(dāng)?shù)恼{(diào)控蛋白組合，不僅可以將一種類型的細(xì)胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細(xì)胞，而且遵循類似的機(jī)制，甚至可以誘發(fā)整個(gè)器官的形成（如眼的發(fā)育）。 細(xì)胞分化啟動(dòng)機(jī)制 靠一種關(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白 （主導(dǎo)基因）通過對(duì)其 他調(diào)節(jié)蛋白的級(jí)聯(lián)啟動(dòng)。,眼發(fā)育的關(guān)鍵性調(diào)控蛋白稱Ey或 Pax-6,（四）單細(xì)胞

4、有機(jī)體的細(xì)胞分化,單細(xì)胞有機(jī)體細(xì)胞分化：多為適應(yīng)不同的生活環(huán)境； 多細(xì)胞有機(jī)體細(xì)胞分化：為構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官。多細(xì)胞有機(jī)體在其分化程序與調(diào)節(jié)機(jī)制方面顯得更為復(fù)雜。,Life history of Dictyostelium discoideum,盤形網(wǎng)柱黏菌,假原質(zhì)團(tuán),（五）轉(zhuǎn)分化與再生,轉(zhuǎn)分化一種分化類型的細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一種分化類型的細(xì)胞的現(xiàn)象。,水母橫紋肌細(xì)胞經(jīng)轉(zhuǎn)分化可形成神經(jīng)細(xì)胞、平滑肌細(xì)胞、上皮細(xì)胞、甚至形成刺細(xì)胞。,（五）轉(zhuǎn)分化與再生,轉(zhuǎn)分化經(jīng)歷去分化和再分化的過程。 去分化（脫分化）是指分化細(xì)胞失去其特有的結(jié)構(gòu)與功能變成具有未分化特征的細(xì)胞的過程。如：植物體細(xì)胞在一定條件下

5、形成由未分化細(xì)胞群組成的愈傷組織。 重編程高等動(dòng)物分化細(xì)胞的細(xì)胞核必須在卵細(xì)胞質(zhì)中才能完成去分化過程，這個(gè)過程稱之。 再生一般是指生物體缺失部分后的重建過程。,二、 影響細(xì)胞分化的因素,（一）細(xì)胞的全能性 細(xì)胞全能性指細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機(jī)體的潛能或特性。,干細(xì)胞,細(xì)胞多能性細(xì)胞僅具有分化成多種 細(xì)胞類型及構(gòu)建組織的潛能。 根據(jù)發(fā)育潛能，把干細(xì)胞分為： 全能干細(xì)胞 多能干細(xì)胞具有多種分化潛能的細(xì)胞。 單能干細(xì)胞（定向干細(xì)胞）僅具有分化形成某一種類型細(xì)胞能力的干細(xì)胞。 終末分化由定向干細(xì)胞最終形成特化細(xì)胞類型的過程。 根據(jù)來源與分化潛能，把干細(xì)胞分為： 胚胎干細(xì)胞：是全能干細(xì)胞，如

6、囊胚期的胚胎細(xì)胞團(tuán)。 成體干細(xì)胞：是多能或單能干細(xì)胞，如造血干細(xì)胞。,在整個(gè)發(fā)育過程中，細(xì)胞分化潛能會(huì)逐漸受到限制而變窄，即由全能性細(xì)胞轉(zhuǎn)化為多能和單能干細(xì)胞。,祖細(xì)胞,細(xì)胞核在細(xì)胞分化過程中仍保持全能性。,1988年，Thomson等首次建立人胚胎干細(xì)胞系。,在體外由胚胎干細(xì)胞誘導(dǎo)分化成的各種細(xì)胞,脂肪細(xì)胞,寡突神經(jīng)膠細(xì)胞,Stem cells migrate to sites of organ damage and differentiate to cell types competent to participate in tissue regeneration,組織工程,2001年，H

7、aseltine提出了再生醫(yī)學(xué),（二） 影響細(xì)胞分化的因素,1. 胞外信號(hào)分子對(duì)細(xì)胞分化的影響 近端組織的相互作用（即胚胎誘導(dǎo)，如眼的發(fā)生）和通過細(xì)胞旁分泌的信號(hào)分子旁泌素來實(shí)現(xiàn)。 遠(yuǎn)距離細(xì)胞間相互作用通過激素 調(diào)節(jié)來影響細(xì)胞分化，如蝌蚪變態(tài)， 是甲狀腺素和三碘甲狀腺原氨酸 增加所致。,早期視泡能誘導(dǎo)與之接觸的外胚層上皮細(xì)胞發(fā)育稱晶狀體,晶狀體,角膜,視泡和晶狀體共同誘導(dǎo)外面的表皮細(xì)胞形成角膜,視杯,2. 細(xì)胞記憶與決定 信號(hào)分子的有效作用時(shí)間是有限的，但細(xì)胞可將這種短暫作用儲(chǔ)存起來并形成長時(shí)間的記憶。 果蠅成蟲盤 細(xì)胞的決定是指一個(gè)細(xì)胞接受了某種指令，在發(fā)育中這一細(xì)胞及其子代細(xì)胞將區(qū)別于其他

8、細(xì)胞而分化成某種特定的細(xì)胞類型，或者說在形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能等分化特征尚未顯現(xiàn)之前就已確定了細(xì)胞的分化命運(yùn)。,3. 受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對(duì)細(xì)胞分化的影響 決定子指影響卵裂細(xì)胞向不同方向分化的細(xì)胞質(zhì)成分。 生殖質(zhì)決定生殖細(xì)胞分化的細(xì)胞質(zhì)成分。,生殖質(zhì),隱蔽mRNA,4. 細(xì)胞間的相互作用與位置效應(yīng) 胚胎誘導(dǎo)細(xì)胞間的相互作用對(duì)細(xì)胞分化與器官構(gòu)建的影響。 位置效應(yīng)細(xì)胞所處位置改變可導(dǎo)致細(xì)胞分化方向變化的現(xiàn)象。,如雞胚發(fā)育的原腸胚期，由Sonic hedgehog基因編碼的信號(hào)蛋白作用下，靠近脊索的細(xì)胞分化成底板，而遠(yuǎn)離脊索的細(xì)胞分化成運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。,A and D: the paws of a norm

9、al mouse embryo ; B and E: Mice lacking cholesterol-modified Sonic hedgehog have malformed digits; C and F: Mice expressing half the amount of Sonic hedgehog without cholesterol develop extra, ectopic digits.,5. 環(huán)境對(duì)性別決定的影響 蜥蜴類的A. agema和E. macularius，低溫（24 C）發(fā)育成雌性，提高溫度（32C）發(fā)育成雄性；龜類T. graetta，C. caret

10、ta 與之相反。 蝸牛類的軟體動(dòng)物Crepidula，上下疊壓群體中，位于上方的發(fā)育為雄性，下方的為雌性。,Cluster of Crepidula snails,6. 染色質(zhì)變化與基因重排對(duì)細(xì)胞分化的影響 馬蛔蟲在卵裂過程中染色體出現(xiàn)消減現(xiàn)象。 B淋巴細(xì)胞中的DNA經(jīng)過斷裂丟失與重排的復(fù)雜變化，在理論上可表達(dá)出數(shù)十億種抗體。,細(xì)胞分化是胚胎發(fā)育的基礎(chǔ)。 同源異型（選擇者）基因 在染色體上的排列次序不僅 與這些基因在胚胎發(fā)育中 活化的時(shí)間順序一致， 而且與果蠅沿軀體 前后軸的空間表達(dá) 順序相符。,三、細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育,腫瘤細(xì)胞動(dòng)物體內(nèi)因分裂調(diào)節(jié)失控而無限增殖的細(xì)胞。 惡性腫瘤具有轉(zhuǎn)移能力的腫

11、瘤。 癌上皮組織的惡性腫瘤。 一、癌細(xì)胞的基本特征 1. 細(xì)胞生長與分裂失去控制 2. 具有浸潤性和擴(kuò)散性 良性腫瘤有些腫瘤細(xì)胞僅位于某些組織特定部位，周圍通常有完整的結(jié)締組織結(jié)構(gòu)包裹，如疣、息肉。 惡性腫瘤與良性腫瘤的最主要區(qū)別：癌細(xì)胞的細(xì)胞間黏著性下降，具有浸潤性和擴(kuò)散性。癌細(xì)胞在分化程度上較低，失去了原組織細(xì)胞的某些結(jié)構(gòu)和功能。 轉(zhuǎn)移灶腫瘤細(xì)胞轉(zhuǎn)移并在身體其他部位增殖產(chǎn)生的次級(jí)腫瘤。,第二節(jié) 癌細(xì)胞,3. 細(xì)胞間相互作用改變 癌細(xì)胞沖破細(xì)胞識(shí)別作用的束縛，在轉(zhuǎn)移過程中，產(chǎn)生水解酶類、異常表達(dá)某些膜蛋白。,一、癌細(xì)胞的基本特征,4. mRNA的表達(dá)譜及蛋白表達(dá)譜或蛋白活性改變 癌細(xì)胞的蛋白

12、表達(dá)譜中，往往出現(xiàn)一些在胚胎細(xì)胞中表達(dá)的蛋白； 多數(shù)癌細(xì)胞中具有 較高的端粒酶活性。 5. 體外培養(yǎng)的惡性 轉(zhuǎn)化細(xì)胞的特征 失去運(yùn)動(dòng)和分裂的 接觸抑制。,一、癌細(xì)胞的基本特征,癌癥主要是由攜帶遺傳信息的DNA的病理變化而引起的疾病。主要是體細(xì)胞DNA突變。 癌基因是控制細(xì)胞生長和分裂的正?；虻囊环N突變形式，能引起正常細(xì)胞癌變。 癌基因最早發(fā)現(xiàn)于勞氏肉瘤病毒，它攜帶src基因（v-src），雞也攜帶src基因（c-src），該基因編碼一種與細(xì)胞分裂調(diào)控相關(guān)的蛋白激酶，不致癌，但稱之為細(xì)胞癌基因，或原癌基因。,二、癌基因與抑癌基因,Cancer can result from expressio

13、n of mutant forms of these proteins: I. growth factors II. growth factor receptors III. signal-transduction proteins IV. transcription factors V. apoptotic proteins VI. cellcycle control proteins VII. DNA repair proteins,信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中蛋白因子的突變是細(xì)胞癌變的主要原因。如Ras基因組成型激活突變。在視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤的細(xì)胞中，Rb基因突變失活，導(dǎo)致腫瘤發(fā)生。,E2F：轉(zhuǎn)錄因子，負(fù)

14、責(zé)轉(zhuǎn)錄細(xì)胞進(jìn)入S期的一系列關(guān)鍵基因，如DNA修復(fù)所需酶類。,Cyclin D-CDK4,抑癌基因，實(shí)際上是正常細(xì)胞增殖過程中的負(fù)調(diào)控因子，其編碼的蛋白在細(xì)胞周期的檢驗(yàn)點(diǎn)上起阻止周期進(jìn)程的作用。,如果抑癌基因突變，喪失其細(xì)胞增殖的負(fù)調(diào)控作用，則導(dǎo)致細(xì)胞周期失控而過度增殖。,促進(jìn)細(xì)胞增殖相關(guān)基因和抑制細(xì)胞增殖相關(guān)基因的協(xié)同作用，才能共同調(diào)控細(xì)胞的正常增殖進(jìn)程。,DNA復(fù)制過程中的基因突變率：10-6，人的一生細(xì)胞分裂次數(shù)1016，因此，人的一生中，每個(gè)基因的可能的突變次數(shù)是1010次。加上環(huán)境誘變，腫瘤的發(fā)生率為什么這么低！ 原因1：絕大多數(shù)的基因突變位點(diǎn)不會(huì)致癌； 原因2：癌癥的發(fā)生至少在一個(gè)細(xì)

15、胞中發(fā)生5-6個(gè)基因的突變。,三、腫瘤的發(fā)生是基因突變逐漸累積的結(jié)果,癌癥涉及一系列原癌基因與腫瘤抑制基因的致癌突變的積累。,在人的二倍體細(xì)胞中，癌基因的突變是顯性的；抑癌基因的突變是隱性的。 但在生殖細(xì)胞中，原癌基因或抑癌基因的突變都是顯性的。如視網(wǎng)膜目細(xì)胞瘤（Rb基因突變所致）和Li-Fraumeni綜合癥（p53基因突變所致）。原因是：細(xì)胞分裂過程中，染色體的錯(cuò)誤分離或有絲分裂重組，導(dǎo)致產(chǎn)生的子細(xì)胞中抑癌基因的兩個(gè)拷貝均發(fā)生突變。,第三節(jié) 真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控,多級(jí)調(diào)控體系： 1. 轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控 2. 加工水平調(diào)控 3. 翻譯水平調(diào)控 4. 翻譯后水平調(diào)控,一、轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控,（一）轉(zhuǎn)

16、錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄 RNA合成的起始，依賴于DNA上的啟動(dòng)子。 轉(zhuǎn)錄因子調(diào)控著DNA對(duì)轉(zhuǎn)錄的調(diào)節(jié)。包括： 通用轉(zhuǎn)錄因子：與結(jié)合RNA聚合酶的核心啟動(dòng)子位點(diǎn)結(jié)合； 特異轉(zhuǎn)錄因子：與特異基因的各種調(diào)控位點(diǎn)結(jié)合。 基因轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控錯(cuò)綜復(fù)雜，受到多種因素的影響，包括轉(zhuǎn)錄因子與特異DNA序列的親和力，及其與臨近DNA位點(diǎn)上結(jié)合的其他轉(zhuǎn)錄因子之間協(xié)同作用的能力。,如：磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）的mRNA轉(zhuǎn)錄受多種轉(zhuǎn)錄因子的共同調(diào)控。 PEPCK基因： TATA框：啟動(dòng)子的主要元件，決定轉(zhuǎn)錄起始的位點(diǎn)； CAAT框，GC框：啟動(dòng)子元件，決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄基因的效率。,基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄所必需的啟

17、動(dòng)子序列的鑒定。啟動(dòng)子不同特定區(qū)域缺失后PEPCK基因基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄水平結(jié)果。,糖皮質(zhì)激素激活特異轉(zhuǎn)錄因子GR，影響PEPCK的基因轉(zhuǎn)錄。,轉(zhuǎn)錄因子,糖皮質(zhì)激素反應(yīng)元件,基礎(chǔ)水平轉(zhuǎn)錄受到結(jié)合在起調(diào)節(jié)作用的DNA 序列上的其他特異轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控，導(dǎo)致轉(zhuǎn)錄水平改變。,真核生物的基因轉(zhuǎn)錄除需要通用轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶外，還需要其他蛋白因子的參與。,增強(qiáng)子顯著加強(qiáng)目的基因的轉(zhuǎn)錄。 增強(qiáng)子為什么能夠遠(yuǎn)距離發(fā)揮作用呢？DNA的袢環(huán)模型：啟動(dòng)子和增強(qiáng)子之間的DNA鏈形成袢環(huán)，使原本遠(yuǎn)離的兩個(gè)結(jié)構(gòu)相互靠近，兩種元件上的結(jié)合蛋白相互作用，從而加強(qiáng)基因轉(zhuǎn)錄。,轉(zhuǎn)錄因子通過下列方式促進(jìn)轉(zhuǎn)錄： 誘導(dǎo)染色質(zhì)變化，促進(jìn)基礎(chǔ)轉(zhuǎn)

18、錄裝置的組裝； 結(jié)合增強(qiáng)子的轉(zhuǎn)錄因子與基礎(chǔ)裝置的各種組分相互作用，激活基礎(chǔ)轉(zhuǎn)錄裝置的活性。,轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)： DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域； 激活結(jié)構(gòu)域。 此外，許多轉(zhuǎn)錄因子還含有促進(jìn)與其他蛋白形成二聚體的表面。 轉(zhuǎn)錄抑制因子 功能：抑制基因轉(zhuǎn)錄。 結(jié)構(gòu)： DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域，抑制結(jié)構(gòu)域。,DNA的結(jié)合基序：蛋白質(zhì)上形成某些特殊空間結(jié)構(gòu)，以結(jié)合DNA雙螺旋的大溝。 “鋅指” “螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋” “亮氨酸拉鏈” 同源異型結(jié)構(gòu)域：由3段a螺旋組成， 屬“螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋”家族。,轉(zhuǎn)錄因子如何結(jié)合DNA？,（二）DNA的甲基化對(duì)真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,DNA甲基化與基因表達(dá)的阻遏有關(guān)。 甲基化位點(diǎn)：在GC富含“島

19、”對(duì)稱序列的5-GC-3二核苷酸的胞嘧啶的5-C上。 甲基化是使DNA轉(zhuǎn)入持久遏制狀態(tài)的重要條件。,（二）DNA的甲基化對(duì)真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,甲基化作用通過2種方式抑制轉(zhuǎn)錄： 干擾轉(zhuǎn)錄因子對(duì)DNA結(jié)合位點(diǎn)的識(shí)別； 將轉(zhuǎn)錄激活因子識(shí)別的DNA序列轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)錄抑制因子的結(jié)合位點(diǎn)。 基因組印記 在哺乳動(dòng)物發(fā)育早期，某些特定基因是活化還是失活僅僅依賴于它們是被精子還是被卵子帶入受精卵。 印記基因的轉(zhuǎn)錄活性不受在早期胚胎中出現(xiàn)的去甲基化和復(fù)甲基化的影響。,（三）核小體與真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控,轉(zhuǎn)錄激活因子利于組蛋白乙?；傅刃揎椇诵◇w，使染色質(zhì)或組蛋白結(jié)構(gòu)松散，利于轉(zhuǎn)錄。 轉(zhuǎn)錄抑制因子促進(jìn)組蛋白脫乙酰

20、酶等的作用，使染色質(zhì)結(jié)構(gòu)緊密，難以轉(zhuǎn)錄。,螺線體,三、加工水平的調(diào)控,（一）初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工 mRNA前體的2種基本剪接方式： 組成型剪接：去除內(nèi)含子，拼接外顯子； 可調(diào)控的選擇性剪接：外顯子按不同方式剪接在一起。,mRNA前體,a-原肌球蛋白基因轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物在不同細(xì)胞中的不同剪接方式：,果蠅DSCAM（神經(jīng)元表面的受體）轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的可變剪接：,成熟的mRNA只包含每個(gè)區(qū)域各1各外顯子和19個(gè)不參與可變剪接的外顯子,大多數(shù)情況下，某一特定基因經(jīng)過選擇性剪接產(chǎn)生的蛋白組在長度上是相等的，只是在關(guān)鍵區(qū)域有所不同，從而影響蛋白質(zhì)的一些重要性質(zhì)，如胞內(nèi)定位、結(jié)合的配體類型或催化活性動(dòng)力學(xué)性質(zhì)等。 RNA的可變剪接有時(shí)可產(chǎn)生功能完全不同的蛋白質(zhì)，如人類的甲狀腺和下丘腦中相同基因產(chǎn)生的不同翻譯產(chǎn)物。,甲狀腺,下丘腦,降鈣素,神經(jīng)激素,選擇性剪接的機(jī)制：剪接增強(qiáng)子導(dǎo)致外顯子附近的剪接位點(diǎn)被識(shí)別，并被包含在mRNA中。,調(diào)節(jié)蛋白,5剪接位點(diǎn),3剪接位點(diǎn),5剪接位點(diǎn),U1,snRNP,snRNP,AF,剪接增強(qiáng)