細胞生物學課件14 細胞分化與基因表達調(diào)控

第十四章

細胞分化與基因表達調(diào)控第一節(jié)細胞分化細胞分化是多細胞生物發(fā)育的基礎與核心不同生物具有不同的發(fā)育模式，但都涉及：①細胞增殖②細胞分化③細胞間的相互作用。細胞分化（differentiation）是指個體發(fā)育中，由一種相同的細胞類型經(jīng)細胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定型差異，產(chǎn)生不同的細胞類群的過程。細胞分化的實質(zhì)是不同類型細胞中特異性蛋白質(zhì)的合成。一、細胞分化的基本概念（一）細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果細胞分化的關鍵在于特異性蛋白質(zhì)合成；合成特異性蛋白質(zhì)實質(zhì)在于組織特異性基因在時間和空間上的差異性表達分子雜交技術檢測基因及其表達

組織特異性基因與管家基因◆管家基因(house-keepinggenes)：是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細胞基本生命活動所必需的；◆組織特異性基因(tissue-specificgenes)，或稱奢侈基因(luxurygenes)：是指不同的細胞類型進行特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能；◆調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物用于調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達，起激活或者起阻遏作用。組合調(diào)控作用機制組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達組合調(diào)控（combinationalcontrol）概念：有限的少量調(diào)控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化的調(diào)控機制。即每種類型的細胞分化是由多種調(diào)控蛋白共同調(diào)節(jié)完成的。

生物學作用：

借助于組合調(diào)控，一旦某種關鍵性基因調(diào)控蛋白與其它調(diào)控蛋白形成適當?shù)恼{(diào)控蛋白組合，不僅可以將一種類型的細胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細胞，而且遵循類似的機制，甚至可以誘發(fā)整個器官的形成（如眼的發(fā)育）。分化啟動機制：

靠一種關鍵性調(diào)節(jié)蛋白通過對其他調(diào)節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。

單細胞有機體的細胞分化●與多細胞有機體細胞分化的不同之處：單細胞生物多為適應不同的生活環(huán)境，而多細胞生物則通過細胞分化構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官?！穸嗉毎袡C體在其分化程序與調(diào)節(jié)機制方面顯得更為復雜。轉(zhuǎn)分化與再生●一種類型分化的細胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細胞現(xiàn)象稱轉(zhuǎn)分化（transdifferentiation）?！褶D(zhuǎn)分化經(jīng)歷去分化（dedifferentiation）和再分化的過程?！裆锝缙毡榇嬖谠偕F(xiàn)象（regeneration），再生是指生物體缺失部分后重建過程，廣義的再生可包括分子水平、細胞水平、組織與器官水平及整體水平的再生?！癫煌募毎袡C體，其再生能力有明顯的差異。二影響細胞分化的因素（一）細胞的全能性細胞全能性是指細胞經(jīng)分裂和分化后仍具有形成完整有機體的潛能或特性。細胞的分化潛能細胞分化能力的強弱稱為分化潛能。動物受精卵的分化潛能稱為全能性。干細胞：有分化潛能的動物細胞。分為：全能干細胞、多能干細胞、單能干細胞。單能干細胞只能分化為一種類型的細胞，也稱為祖細胞，自我更新能力有限。Fertilizedovumhastotipotency造血干細胞分化干細胞的特征：①終生保持未分化或低分化特征；②在機體的中的數(shù)目、位置相對恒定；③具有自我更新能力；④能無限制的分裂增殖；⑤具有多向分化潛能；⑥分裂的慢周期性，絕大多數(shù)處于G0期；⑦可行進不對稱分裂。根據(jù)個體發(fā)育過程中出現(xiàn)的次序，干細胞又可分為胚胎干細胞和成體干細胞。胚胎干細胞（ESC）是從胚胎內(nèi)細胞團或原始生殖細胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細胞。ESC的用途主要有：①動物克??；②動物轉(zhuǎn)基因；③組織工程。WelldifferentiatedplantcellskeeptheirtotipotencyEMBRYOCOLONING克隆羊制備原理iPS(誘導多能干細胞)

InducedPluripotentStemCells通過采用導入外源基因的方法使體細胞去分化為多能干細胞，對于這類干細胞我們稱之為誘導多能干細胞。2010年來自美國，日本的三個研究小組分別實現(xiàn)了將人體血細胞轉(zhuǎn)化為iPS細胞的重要研究突破。我科學家在世界上首次利用iPS細胞培育出健康小鼠（2009年）人胚胎干細胞建系人類治療性克隆與再生醫(yī)學人胚胎干細胞誘導分化胰島b細胞三、細胞分化的特點1.時空性細胞分化的實質(zhì)是在細胞質(zhì)（信號系統(tǒng)）和細胞核（基因組）共同作用下，選擇性地表達特定的基因，稱為差別基因表達。細胞表達的基因分為：管家基因、組織特異性基因或奢侈基因。高度分化的動物細胞也具有完整的基因組。證明方法：原位雜交、核移植。Briggs和King（1952，1960），豹蛙（Ranapipiens）核移植。Gurdon等（1975），成蛙蹼上皮細胞核移植。童第周等20世紀60年代，魚類核移植。IanWilmut（1997）克隆Do11ysheeep。2.定向性隨著細胞的分裂和分化，發(fā)育方向逐漸被限定，稱為決定（determination）。決定意味著基因活動模式改變。例：哺乳動物桑椹胚的內(nèi)細胞團和外圍細胞，前者形成胚胎、后者形成滋養(yǎng)層。無脊椎動物早期的卵裂球已經(jīng)決定，每個卵裂球只能形成身體的一部分。3.穩(wěn)定性動物細胞發(fā)生分化之后，其遺傳表型保持穩(wěn)定，通常是不可逆的。例：果蠅幼蟲的成蟲盤移植到成蟲體內(nèi)不發(fā)生細胞分化，可繼續(xù)增殖或移植。如將其再移植回變態(tài)期幼蟲體內(nèi)則又能按原來已決定的命運分化。4.條件可逆性在特定條件下，分化細胞的基因活動模式可發(fā)生可逆的變化，又回到未分化狀態(tài)，稱為去分化。例1：植物愈傷組織。例2：果蠅觸角成蟲盤經(jīng)多次移植后，部分成蟲盤可分化為成體的腿、翅或口器，這種現(xiàn)象稱為轉(zhuǎn)決定。5.普遍性個體一生中都進行著細胞分化。干細胞是細胞更新和組織修復的基礎。一種組織的成體干細胞傾向于分化成該組織的各種細胞，但特定條件下，可分化成其它組織的功能細胞，稱為轉(zhuǎn)分化或橫向分化。高度分化的細胞不再分裂，對電離輻射敏感性低，而各種干細胞則不然。四、細胞分化和增殖的關系增殖信號和分化信號同時作用于干細胞，表現(xiàn)為邊分化邊增殖（反之亦然）；增殖和分化分別獨立進行，一些干細胞只增殖不分化，另一些同類干細胞進入終末分化；細胞分化與分裂平行進行，干細胞進行不對稱分裂，產(chǎn)生的子細胞一個保持原有干細胞特性，一個則進入終末分化。五細胞分化的主要機制autonomousmechanism：胚胎發(fā)育的早期細胞分裂由受精卵中的細胞質(zhì)控制，不涉及細胞通信。inductivemechanism：隨著胚胎發(fā)育的進行細胞之間主要通過信號系統(tǒng)協(xié)調(diào)分裂、分化和細胞的行為，稱為誘導機制。細胞的分化命運主要取決于：細胞的內(nèi)部特性，外部環(huán)境。卵細胞具有極性，細胞核靠近北極。卵細胞中貯存有大量mRNA，是母源基因的產(chǎn)物，維持卵細胞和早期胚胎代謝；呈非均勻分布，決定胚胎發(fā)育的圖式（pattern）。合子基因在卵裂后期才發(fā)揮作用。（一）細胞分裂的不對稱性用放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育能進行至囊胚期；嘌呤霉素處理，受精卵停止發(fā)育。果蠅母源基因在滋養(yǎng)細胞中轉(zhuǎn)錄后，輸入卵細胞，沿微管轉(zhuǎn)運到特定部位?；虍a(chǎn)物沿卵的前后和背腹軸形成濃度梯度，決定胚胎形態(tài)，稱為成形素（morphogen）。卵裂后的細胞質(zhì)特性決定了子細胞的分化命運。（二）誘導機制誘導（induction）是一部分細胞誘導其它細胞向特定方向分化的現(xiàn)象，也叫胚胎誘導。對其它細胞起誘導作用的細胞稱誘導者(inductor)，如脊索可誘導其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管。響應誘導信號的同類細胞叫做形態(tài)發(fā)生場。與胚胎干細胞維持相關信號通路（三）分化抑制分化成熟的細胞可以產(chǎn)生“抑素”，抑制相鄰細胞發(fā)生同樣的分化。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。“抑素”是TGF-β家族的成員。如myostatin是肌肉生長的負調(diào)控因子，GDF11（Wu等2003）通過上調(diào)細胞周期抑制因子p27抑制神經(jīng)組織生長。Mousemyostatinmutant(right)Double-muscledmouseFunctionofthemyostainThesocalledchaloneistheproteinbelongingtoTGF-βfamily,suchasmyostainBelgianBluebull——Double-muscledcattle（四）細胞數(shù)量效應例1.小鼠胚胎胰腺原基在體外培養(yǎng)，可發(fā)育成胰腺組織，如切成8小塊分別培養(yǎng)，則不能。再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。例2.Fisher（1967）將大量腫瘤細胞注射到小鼠肝臟門靜脈，小鼠很快死于腫瘤。只注射50個腫瘤細胞時，小鼠正常生存，手術檢查未發(fā)現(xiàn)任何腫瘤。術后關腹飼養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)小鼠很快死于肝腫瘤。（五）細胞外基質(zhì)的影響ECM能與細胞表面的整合素相互作用，激活粘著斑激酶（FAK），F(xiàn)AK可以通過接頭蛋白Grb2啟動Ras信號途徑，引起細胞增殖。干細胞在IV型膠原和層粘連蛋白上形成上皮細胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上分化為成纖維細胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細胞。（六）激素的作用例1.哺乳動物雄性激素促進烏爾夫氏管，抑制繆勒氏管的發(fā)育，摘除胚胎睪丸，則促進謬勒氏管的發(fā)育，形成雌性生殖管道。例2.昆蟲的保幼激素和脫皮激素，兩者保持一定的比例時，幼蟲脫皮而長大；當保幼激素含量減少時，幼蟲化蛹，成蟲器官發(fā)育。成蟲期又開始合成保幼激素，促進性腺發(fā)育。（七）細胞核與細胞分化染色體結(jié)構(gòu)的變化1.基因刪除：原生動物、節(jié)肢動物。2.基因擴增：多線染色體、爪蟾卵母細胞rDNA。3.基因重排：如Ig基因(106~108種抗體)。4.DNA甲基化與異染色質(zhì)化：基因失活。5.基因印跡Genomicimprinting，特點：①性別特異，同一等位基因僅表達父或母本基因；②印跡發(fā)生于配子形成過程中；③在胚胎的有絲分裂中能穩(wěn)定傳遞給子細胞；④遺傳給下一代時消除上一代遺傳的印跡，建立新的與性別有關的印跡。印跡基因的形成可能與差別修飾有關，如染色體特異性CpG島的甲基化作用。甲基轉(zhuǎn)移酶純和缺失的小鼠H19、IGF2及IGF2R印跡基因表達異常。父源表達和母源表達的印跡基因?qū)ε咛グl(fā)育的影響不同。例.葡萄胎（hydatidiformmole）——父本印跡；卵巢畸胎瘤（ovarianteratoma）——母本印跡。（八）、同工結(jié)構(gòu)的變化同工置換：在某一特定時期，一種細胞或分子被另一種相似、而能更好適應環(huán)境的同工型取代。例，哺乳動物個體發(fā)育中：有核紅細胞——無核紅細胞透明軟骨——長骨恒齒——乳齒血紅蛋白從胚胎型、胎兒型到成年型過渡。（九）成體中的細胞分化①已存在的細胞功能由弱、強、減退到喪失。經(jīng)歷新生→成熟→衰老→死亡的過程，如表皮細胞。②已有的分化細胞通過分裂產(chǎn)生兩個功能相同的細胞，如血管內(nèi)皮細胞。③干細胞的分裂與分化，如多能造血干細胞。（十）再生廣義來看再生是生命的普遍現(xiàn)象，從分子、細胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。1.

生理性再生：即細胞更新，如人的紅細胞。2.

修復性再生：如壁虎、蠑螈、螃蟹、海參。3.

無性繁殖。第二節(jié)癌細胞

癌細胞的定義：

正常細胞在受到致癌因子的作用下，細胞中的遺傳物質(zhì)發(fā)生變化，形成不受機體控制的、連續(xù)進行分裂的惡性增殖細胞。一．癌細胞的基本定義癌癥是一種嚴重威脅人類生命安全的疾病。動物體內(nèi)細胞分裂調(diào)節(jié)失控而無限增殖的細胞稱為腫瘤細胞(tumorcell)。具有轉(zhuǎn)移能力的腫瘤稱為惡性腫瘤（malignancy）。上皮組織的惡性腫瘤稱癌。目前，癌細胞已經(jīng)成為惡性腫瘤的通用名稱。死亡原因死亡率（/10萬人）癌癥240.95腦血管疾病223.61呼吸系統(tǒng)疾病206.06心臟病173.49損傷與中毒95.61消化系統(tǒng)疾病41.2泌尿生殖系統(tǒng)疾病17.642002年我國人口死亡原因統(tǒng)計（前七位）每個人在體內(nèi)都有癌細胞，這些癌細胞在他們大量繁殖倍增之前，檢查時無法察覺。當醫(yī)生告訴癌癥病人，經(jīng)過治療，在他體內(nèi)已經(jīng)找不到癌細胞時，只是意味著用一般檢察，無法發(fā)現(xiàn)癌細胞。人類的免疫系統(tǒng)如果能夠正常工作，癌細胞通常會被摧毀，根本不會形成腫瘤。二癌細胞的基本特征細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖能力，成為“永生”細胞?！羧菀自隗w內(nèi)分散和轉(zhuǎn)移

·癌細胞的細胞間粘著性下降，具有侵潤性和擴散性，這是癌細胞的基本特征。

·在分化程度上癌細胞低于良性腫瘤細胞，且失去了許多原組織細胞的結(jié)構(gòu)和功能◆細胞間相互作用改變（識別改變；表達水解酶類；產(chǎn)生新的表面抗原）◆蛋白表達譜系或蛋白活性改變（胚胎細胞蛋白、端粒酶活性升高）◆

mRNA轉(zhuǎn)錄譜系的改變（少數(shù)基因表達不同；突變位點不同，表型多變）◆染色體非整倍性“癌細胞與正常細胞的不同”正常細胞癌細胞增殖次數(shù)細胞形態(tài)能否轉(zhuǎn)移50-60次無限增殖扁平梭形球形一般不能能體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細胞的特征

◆惡性轉(zhuǎn)化細胞同癌細胞一樣具有無限增殖的潛能

◆在體外培養(yǎng)時貼壁性下降◆失去接觸抑制◆培養(yǎng)時對血清依賴性降低◆當將惡性轉(zhuǎn)化細胞注入易感動物體內(nèi)，往往會形成腫瘤二、致癌因素物理致癌因子輻射(紫外線,X射線)化學致癌因子無機物，有機物（農(nóng)藥、化肥、甲醛、苯、煤焦油等化學物質(zhì)）病毒致癌因子病毒（DNA腫瘤病毒與RNA腫瘤病毒致癌）氧層破壞導致皮膚癌患者增多切爾諾貝利核電站核物質(zhì)外泄，誘發(fā)了眾多白血病患者。居里夫人在研究工作中長期被放射線損傷，導致白血病。人乳頭瘤狀病毒侵染人的生殖道，使人患子宮癌。近幾年肺癌的發(fā)生率日趨增加，可能與吸入煙草燃燒的煙霧、工廠的煤煙、汽車尾氣等有關。物理物理物理病毒化學日常誘癌20例感染乙肝病毒的可誘發(fā)肝癌；感染人乳頭狀病毒可誘發(fā)宮頸癌；感染螺桿菌可誘發(fā)胃癌；吸煙（每日超過2包，10年以上）可誘發(fā)肺癌；被動吸煙（22年以上）可誘發(fā)肺癌與喉癌；經(jīng)常接觸瀝青者，易誘發(fā)皮膚癌；經(jīng)常接觸煤焦油者，易患皮膚癌；經(jīng)常接觸放射線者，易誘發(fā)肺癌與白血病；長期使用化學性染發(fā)劑可誘發(fā)淋巴癌；經(jīng)常在太陽下曝曬，可誘發(fā)皮膚癌。酗酒可誘發(fā)咽喉癌；紅肉（即牛肉、羊肉）攝入量過大，可誘發(fā)結(jié)腸癌；新鮮水果及蔬菜攝入不足可誘發(fā)肺癌；高鹽咸食者，易患胃癌；報紙包食物可得各種癌癥；吃熱燙食物易引起食道癌；纖維素攝入不足可誘發(fā)結(jié)腸癌和直腸癌；過度肥胖可誘發(fā)結(jié)腸癌與乳腺癌；缺少鍛煉（每周熱量消耗少于1000卡）可誘發(fā)結(jié)腸癌和直腸癌；長期精神壓力可誘發(fā)各種癌癥；

人和動物的染色體上本來就存在和癌有關的基因它們都是細胞中正常的固有的基因：。

癌基因：其很多的產(chǎn)物都負責調(diào)節(jié)細胞周期，控制細胞生長和分裂的進程，其突變能引起癌變。

抑癌基因：主要是阻止組織細胞不正常的增殖。癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果三.細胞癌變的內(nèi)因分析原癌基因：抑癌基因：負責調(diào)節(jié)細胞周期，控制細胞生長和分裂的過程防止細胞不正常增殖致癌因子

基因突變（原癌、抑癌基因）導致◆原癌基因存在于細胞基因組中(c-onc)，是控制細胞生長和分裂的基因。編碼多種類型的蛋白質(zhì)---細胞生長和分裂的調(diào)控因子。癌基因是控制細胞生長和分裂的原癌基因的一種突變形式。

◆這類基因功能獲得性突變(顯性突變)，其產(chǎn)物量增加或活性升高，促進細胞癌變。原癌基因功能相關腫瘤sis生長因子Erwing網(wǎng)瘤erb-B受體酪氨酸激酶，EGF受體星形細胞瘤、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌、唾腺癌fms受體酪氨酸激酶，CSF-1受體髓性白血病rasG-蛋白肺癌、結(jié)腸癌、膀胱癌、直腸src非受體酪氨酸激酶魯斯氏肉瘤Abl-1非受體酪氨酸激酶慢性髓性白血病rafMAPKKK，絲氨酸/蘇氨酸激酶腮腺腫瘤vav信號轉(zhuǎn)導連接蛋白白血病myc轉(zhuǎn)錄因子淋巴瘤、肺癌、早幼粒白血病myb轉(zhuǎn)錄因子結(jié)腸癌fos轉(zhuǎn)錄因子骨肉瘤

erb-A轉(zhuǎn)錄因子急性非淋巴細胞白血病bcl-1cyclinD1B細胞淋巴瘤◆抑癌基因是正常細胞增殖過程中的負調(diào)控因子。抑癌基因編碼的蛋白抑制細胞增殖，使細胞停留于檢驗點上阻止周期進程。◆抑癌基因發(fā)生功能喪失性突變(隱性突變)，則導致細胞周期失控而過度增殖。。1986~1987年國際上有3個實驗室成功地分離到第一個抑癌基因-RB基因.RB位于人類細胞第13號染色體長臂13q14區(qū)域,RB基因的缺失或失活，是導致腫瘤發(fā)生的主要原因。RB基因的兩個等位基因同時缺失，或一個等位基因缺失而另一個因突變而失活，才能導致RB基因功能的喪失。pRb對細胞周期運轉(zhuǎn)作用P53基因突變將導致細胞癌變或凋亡原癌基因與腫瘤抑制基因產(chǎn)物協(xié)調(diào)作用，避免細胞癌變

四、癌癥能治療嗎●傳統(tǒng)思路是手術、放療、化療●癌癥治療新方案

◆免疫治療(Immunotherapy)

◆基因治療(Genetherapy)

◆抑制癌癥促進蛋白的活性

◆抑制腫瘤血管形成第三節(jié)真核細胞基因表達的調(diào)控

◆真核細胞基因表達的調(diào)控是多級調(diào)控系統(tǒng)， 主要發(fā)生在三個彼此相對獨立的水平上 ●轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控 ●加工水平的調(diào)控 ●翻譯水平的調(diào)控

一．轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控●真核生物的轉(zhuǎn)錄激活●基因表達阻遏真核生物的轉(zhuǎn)錄激活◆基因轉(zhuǎn)錄水平的控制錯綜復雜，受多種因素影響

◆TATA盒、CAAT盒和GC盒，TATA盒決定轉(zhuǎn)錄起始的位點，CAAT盒和GC盒決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄基因的效率。這三種普遍的啟動子元件的位置見圖第1