細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控

第十四章細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控

細(xì)胞分化癌細(xì)胞真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控第一頁(yè)，共49頁(yè)。細(xì)胞生長(zhǎng)細(xì)胞代謝細(xì)胞增殖細(xì)胞分化細(xì)胞通訊細(xì)胞衰老細(xì)胞死亡……細(xì)胞類型形成組織器官形成個(gè)體發(fā)育基因表達(dá)調(diào)控

細(xì)胞的重大生命活動(dòng)：細(xì)胞分化（celldifferentiation）：經(jīng)分裂形成在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上不同的穩(wěn)定的細(xì)胞類群的過(guò)程；是個(gè)體發(fā)育的基礎(chǔ)和核心。第二頁(yè)，共49頁(yè)。AnoverviewoncelldifferentiationSpeciesCellnumbersCellTypesVolvox(團(tuán)藻)1022Porifer(海綿)1035-10Hydra(水螅)10510-20Planaria(渦蟲(chóng))109100Human1015265Numberandtypeofcellsinseveralspecies第三頁(yè)，共49頁(yè)。多細(xì)胞生物中的細(xì)胞分化Human:1014cells,>200celltypes第四頁(yè)，共49頁(yè)。Celldifferentiationinmonocellularorganismse.g.CelldifferentiationinyeastMating:n+n2nSporeformation:2nn+n第五頁(yè)，共49頁(yè)。DifferencesofmonocellularorganismsfrommulticellularorganismsTheprocessandthemechanismaremuchlesscomplicatedintheformerthaninthelater.Theformerismostlytoadapttotheirlivingenvironment;andthelateristoconstructtissuesandorganstocarryoutvariousfunctions.第六頁(yè)，共49頁(yè)。細(xì)胞分化細(xì)胞類型1細(xì)胞類型2細(xì)胞類型3……細(xì)胞衰老細(xì)胞凋亡永生細(xì)胞（癌癥）去分化增殖

細(xì)胞分化與機(jī)體的正常功能：細(xì)胞分化是個(gè)體行使正常功能的保證。本質(zhì)：細(xì)胞的基因組相同，但表達(dá)譜不同；使細(xì)胞能行使不同的功能（分工）；核心：基因是如何有序表達(dá)的？（調(diào)控）。細(xì)胞增殖第七頁(yè)，共49頁(yè)。細(xì)胞分化的分子機(jī)制（一）基因的選擇性表達(dá)（主線）實(shí)驗(yàn)證據(jù)（分子雜交）：不同的細(xì)胞類型（celltypes)中，DNA相同，mRNA種類不同，蛋白質(zhì)種類不同。結(jié)論：相同的基因組在不同細(xì)胞中的選擇性表達(dá)；細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。第八頁(yè)，共49頁(yè)。分子雜交技術(shù)檢測(cè)基因及其表達(dá)第九頁(yè)，共49頁(yè)。（二）組織特異性的基因與管家基因

管家基因（housekeepinggenes)：維持細(xì)胞基本功能所必需的基因，在所有細(xì)胞類型中均表達(dá)。e.g.,肌動(dòng)蛋白、微管蛋白、組蛋白、核糖體蛋白、TCA循環(huán)的關(guān)鍵酶，etc.

組織特異性基因（tissue-specificgenes):在不同的細(xì)胞類型中特異性地表達(dá)，使細(xì)胞形成特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)，行使特定的功能。e.g.,卵清蛋白、胰島素、血紅蛋白，etc.

調(diào)節(jié)基因（regulatorygenes):調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達(dá)：激活或者阻遏。第十頁(yè)，共49頁(yè)。（三）組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá)細(xì)胞分化過(guò)程是由一系列基因產(chǎn)物（regulatoryproteins）調(diào)控的。

i.e.,每個(gè)基因的表達(dá)都必須：在正確的細(xì)胞中；在正確的時(shí)間；對(duì)正確的信號(hào)產(chǎn)生正確的反應(yīng)；產(chǎn)生正確的表達(dá)水平。問(wèn)題：細(xì)胞是如何協(xié)調(diào)（coordinate）這一過(guò)程的？答案：一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)控蛋白，可以調(diào)控一系列下游基因，完成細(xì)胞分化。

第十一頁(yè)，共49頁(yè)。例子：眼形成的關(guān)鍵調(diào)控蛋白Ey（果蠅）ey

基因早期細(xì)胞（發(fā)育成腿）腿中眼細(xì)胞分化眼形成第十二頁(yè)，共49頁(yè)。組合調(diào)控：少數(shù)調(diào)控蛋白完成眾多細(xì)胞類型的分化比喻：調(diào)控蛋白，如同單詞和文章。Limitedwordsunlimitedmeaning第十三頁(yè)，共49頁(yè)。

二、影響細(xì)胞分化的因素

（一）細(xì)胞的全能性（totipotency）：?jiǎn)蝹€(gè)細(xì)胞經(jīng)過(guò)分裂和分化形成完整個(gè)體的潛能。e.g.，受精卵、早期胚胎細(xì)胞?，F(xiàn)已證實(shí)高度分化的細(xì)胞也具有全能性。實(shí)驗(yàn)證據(jù)：植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生（plantsomaticembryogenesis）;

動(dòng)物克隆（1997，多莉羊；……）高度分化的動(dòng)植物體細(xì)胞，在遺傳背景（基因組DNA)和功能上均是全能的。第十四頁(yè)，共49頁(yè)。真核細(xì)胞基因組全能性的實(shí)驗(yàn)證據(jù)第十五頁(yè)，共49頁(yè)。多莉羊的克隆第十六頁(yè)，共49頁(yè)。干細(xì)胞來(lái)源胚胎干細(xì)胞（embryonicstemcells,ESC）成體干細(xì)胞：造血（骨髓）干細(xì)胞神經(jīng)干細(xì)胞肝臟干細(xì)胞

……功能多（潛）能干細(xì)胞（pluripotentstemcells）單能/定向干細(xì)胞（directionalstemcells）干細(xì)胞（stemcells）具有部分的全能性（多潛能性，pluripotency）第十七頁(yè)，共49頁(yè)。由胚胎干細(xì)胞（ESC）制造嵌合鼠第十八頁(yè)，共49頁(yè)。（二）影響細(xì)胞分化的因素（外因）眾多的內(nèi)外因素，形成“網(wǎng)絡(luò)”。

1，胞外信號(hào)分子對(duì)細(xì)胞分化的影響

近端因子：細(xì)胞接觸；旁分泌；自分泌；縫隙連接環(huán)境胞外信號(hào)遠(yuǎn)端因子：內(nèi)分泌（激素）2，受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對(duì)于細(xì)胞分化的影響第十九頁(yè)，共49頁(yè)。2，受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對(duì)于細(xì)胞分化的影響

受精卵的細(xì)胞質(zhì)不均一性和不均等卵裂細(xì)胞增殖過(guò)程中產(chǎn)生不均等細(xì)胞的方式第二十頁(yè)，共49頁(yè)。細(xì)胞質(zhì)不均一性的分子基礎(chǔ)“決定子”(determinant)：影響卵裂細(xì)胞向不同方向分化的細(xì)胞質(zhì)成分。細(xì)胞質(zhì)成分：mRNA；隱藏mRNA；生殖質(zhì)(germplasm)第二十一頁(yè)，共49頁(yè)。第二節(jié)癌細(xì)胞

比喻：動(dòng)物體（人）—一個(gè)特殊的“社會(huì)”（society）;

細(xì)胞—“社會(huì)”中的個(gè)體（individuals）;

癌細(xì)胞—“社會(huì)”中的“不軌分子”（違反上述原則，“瘋狂增殖”）。相關(guān)事件：基因突變；DNA復(fù)制；DNA修復(fù)；細(xì)胞周期；細(xì)胞凋亡；細(xì)胞分化；基因調(diào)控；……本質(zhì)：體細(xì)胞基因組的改變（突變的積累）；第二十二頁(yè)，共49頁(yè)。

過(guò)程：致癌因子（carcinogens）：環(huán)境的，遺傳的，內(nèi)源的，……相關(guān)基因（cancer-criticalgenes）的突變基因突變的積累基因表達(dá)譜式的改變細(xì)胞活動(dòng)的異常（周期，粘附性，凋亡，移動(dòng)性，……）癌細(xì)胞的產(chǎn)生第二十三頁(yè)，共49頁(yè)。

一、癌細(xì)胞的特征

腫瘤（tumor）良性腫瘤（benign）：不轉(zhuǎn)移（分裂失控）惡性腫瘤（malignant）:轉(zhuǎn)移、侵潤(rùn)上皮組織：癌（carcinoma）癌（cancer）結(jié)締組織和肌肉：肉瘤（sarcoma）其他（血液）：白血病等（leukemia)第二十四頁(yè)，共49頁(yè)。

特征：1，細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂失控“永生”細(xì)胞（immortal）；細(xì)胞核增大；

分裂快；低分化，……宮頸癌細(xì)胞特征A:normal;B:precancerous;C:invasivecarcinoma第二十五頁(yè)，共49頁(yè)。正常和癌細(xì)胞的分裂增殖第二十六頁(yè)，共49頁(yè)。2，具有浸潤(rùn)性和擴(kuò)散性浸潤(rùn)性(invasive)；擴(kuò)散性（diffusible）；轉(zhuǎn)移性（metastasis）良性腫瘤（benign）和惡性腫瘤（malignant）第二十七頁(yè)，共49頁(yè)。惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移（metastasis）第二十八頁(yè)，共49頁(yè)。

3，細(xì)胞表面特性的改變細(xì)胞表面膜蛋白（e.g.,受體蛋白）改變，引起細(xì)胞間相互作用的改變（如：粘附性改變，易于附著生長(zhǎng)，逃避免疫系統(tǒng)的監(jiān)視和殺傷，etc.）。第二十九頁(yè)，共49頁(yè)。

4，蛋白質(zhì)表達(dá)譜系和蛋白活性改變

主要特征：

?出現(xiàn)胚胎細(xì)胞中的蛋白（與低分化程度有關(guān)）；

?端粒酶活性增高（與無(wú)限分裂增殖有關(guān)）；

?異常表達(dá)與癌的發(fā)生發(fā)展相關(guān)的蛋白（e.g.,細(xì)胞周期調(diào)控、凋亡、粘附、細(xì)胞擴(kuò)散和移動(dòng)性等）；

?癌蛋白和抑癌蛋白的表達(dá)及活性的變化（見(jiàn)下）。第三十頁(yè)，共49頁(yè)。

5，mRNA表達(dá)譜系的改變

目的：比較分析癌細(xì)胞和正常細(xì)胞中mRNA表達(dá)譜系的不同（種類、豐度等），體現(xiàn)其基因表達(dá)的差異。采用的手段：SAGE（serialanalysisofgeneexpression）；microarray,subtractivehybridization,differentialdisplay,etc.第三十一頁(yè)，共49頁(yè)。

6，體外培養(yǎng)的癌細(xì)胞的特性培養(yǎng)的癌細(xì)胞系：是研究癌的重要材料。惡性轉(zhuǎn)化（malignanttransformation）：培養(yǎng)細(xì)胞能象在體內(nèi)一樣不斷分裂生長(zhǎng)；不斷繼代，建立癌細(xì)胞系。

特征：?無(wú)限增殖，永生化；

?貼壁性下降或不貼壁（懸浮）；

?接觸抑制性（contactinhibition）喪失。第三十二頁(yè)，共49頁(yè)。培養(yǎng)的癌細(xì)胞接觸抑制性的喪失第三十三頁(yè)，共49頁(yè)。二、癌基因和抑癌基因（cancer-criticalgenes）1，原癌基因（proto-oncogenes）和癌基因（oncogenes）

?原癌基因：為細(xì)胞的正常基因，多編碼控制細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞增殖的各種調(diào)控因子和活性蛋白，是細(xì)胞正常功能所必需；

?癌基因：為原癌基因的突變形式，或改變了表達(dá)方式（過(guò)量、產(chǎn)物活性的改變，等），其結(jié)果是引起正常細(xì)胞的癌變。第三十四頁(yè)，共49頁(yè)。發(fā)現(xiàn)：

Roussarcomavirus(攜帶Src基因），能引起雞癌變（肉瘤）；雞的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)也有Src的同源基因，編碼一種調(diào)控細(xì)胞分裂的蛋白激酶。以后發(fā)現(xiàn)眾多的逆轉(zhuǎn)錄病毒中均有細(xì)胞中相應(yīng)的癌基因；分別稱為：病毒癌基因（v-oncogenes）和細(xì)胞癌基因（c-oncogenes）現(xiàn)已知v-oncogenes是逆轉(zhuǎn)錄病毒從宿主細(xì)胞中拷貝過(guò)來(lái)的。癌基因編碼的蛋白種類：生長(zhǎng)因子及其受體；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的蛋白；轉(zhuǎn)錄因子；細(xì)胞周期調(diào)控蛋白；細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白，etc.第三十五頁(yè)，共49頁(yè)。原癌基因轉(zhuǎn)變?yōu)榘┗虻谌?yè)，共49頁(yè)。2，抑癌基因（tumor-suppressorgenes）

發(fā)現(xiàn)：有一類基因的失活也能引起癌變。

a.視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤是由于Rb

基因突變失活而引起的；

b.p53基因：50％的腫瘤中發(fā)現(xiàn)p53的突變；

本質(zhì)：正常細(xì)胞增殖過(guò)程中的負(fù)調(diào)控因子。

作用：細(xì)胞周期調(diào)控；促進(jìn)細(xì)胞凋亡；維持遺傳穩(wěn)定性（p53突變使細(xì)胞逃脫DNA損傷的監(jiān)控系統(tǒng)而進(jìn)入分裂）第三十七頁(yè)，共49頁(yè)。3，小結(jié)癌基因和抑癌基因的對(duì)比：

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癌基因抑癌基因

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細(xì)胞增殖的正調(diào)控因子細(xì)胞增殖的負(fù)調(diào)控因子

gain-of-functionloss-of-function

顯性（dominant）隱性（recessive）

________________________________________________第三十八頁(yè)，共49頁(yè)。癌基因（gain-of-function）和抑癌基因（loss-of-function）第三十九頁(yè)，共49頁(yè)。癌發(fā)生中癌基因和抑癌基因產(chǎn)物作用的途徑第四十頁(yè)，共49頁(yè)。三、基因突變積累—癌的發(fā)生癌的發(fā)生是由多個(gè)相關(guān)基因(cancer-criticalgenes)突變的共同作用引起的；并不是基因組的每一次突變都被積累下來(lái)，細(xì)胞中有DNA損傷修復(fù)機(jī)制，及復(fù)制糾錯(cuò)機(jī)制，阻止突變細(xì)胞繼續(xù)分裂；當(dāng)細(xì)胞逃脫了糾錯(cuò)機(jī)制的監(jiān)控進(jìn)入分裂，就有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘?xì)胞；而癌細(xì)胞的快速增殖助長(zhǎng)了有害突變的積累；環(huán)境中的各種誘變因素（輻射、化學(xué)誘變劑、病毒……）增加突變幾率，誘發(fā)癌癥。這種作用也是可積累的。第四十一頁(yè)，共49頁(yè)。第三節(jié)真核基因表達(dá)調(diào)控

背景情況（overview）：關(guān)鍵問(wèn)題：細(xì)胞分化和個(gè)體發(fā)育中基因組選擇性表達(dá)的時(shí)空性；分子事件？機(jī)制？如何協(xié)調(diào)？環(huán)境因子的作用？

……

基因組的全能性細(xì)胞的多潛能性

(totipotency)(pluripotency)第四十二頁(yè)，共49頁(yè)。

真核細(xì)胞基因組的復(fù)雜性：

e.g.,humangenome:約30億bpDNA；包含約3萬(wàn)個(gè)基因；95％的非編碼DNA序列（功能？）；一生合成總蛋白質(zhì)的種類約10萬(wàn)種，但在一個(gè)典型的分化細(xì)胞中合成約5000種蛋白質(zhì)；如何調(diào)控？人類基因組計(jì)劃（HGP）功能基因組學(xué)：基因及其產(chǎn)物（蛋白質(zhì)）的功能。不同組織器官中表達(dá)不同的蛋白質(zhì)組（2D-gel）第四十三頁(yè)，共49頁(yè)。真核細(xì)胞基因表達(dá)的不同調(diào)控水平主要調(diào)控水平：－轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控－轉(zhuǎn)錄后水平調(diào)控

RNA加工水平調(diào)控翻譯水平調(diào)控－蛋白質(zhì)的翻譯后修飾第四十四頁(yè)，共49頁(yè)。從DNA到蛋白質(zhì)的可能的調(diào)控步驟

真核基因表達(dá)的多級(jí)控制第四十五頁(yè)，共49頁(yè)。RNA干擾(RNAinterferece,RNAi)將與靶基因的mRNA同源互補(bǔ)的體外合成的或體內(nèi)的雙鏈RNA(ds