細胞分化與基因表達調控

細胞分化與基因表達調控第一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三機體結構細胞增殖細胞分化細胞凋亡細胞信號轉導染色體（DNA與蛋白質的相互作用）衰老基因表達調控第二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三細胞分化(celldifferentiation)：在個體發(fā)育中，由一種相同的細胞類型經細胞分裂后逐漸在形態(tài)、結構和功能上形成穩(wěn)定性差異，產生各不相同的細胞類群的過程。幾種生物的細胞數(shù)目與類型物種細胞數(shù)細胞類型團藻1022海綿1035-10水螅10510-20渦蟲109100人1014>200第三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三神經細胞紅細胞平滑肌細胞脂肪細胞腸表皮細胞橫紋肌細胞骨細胞成纖維細胞分化為不同細胞類型第四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三第五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三第一節(jié)細胞分化(Celldifferentiation)一、細胞分化的基本概念—基因的選擇性表達二、影響細胞分化的因素三、細胞分化與胚胎發(fā)育—Hoxgenes

第六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（一）細胞分化是基因選擇性表達的結果

細胞分化是由于在發(fā)育過程中，細胞選擇性的表達各自特有的專一性蛋白質，而導致細胞形態(tài)、結構和功能的差異。實驗證據（分子雜交）：不同的細胞類型（celltypes)中，DNA相同，mRNA種類不同，蛋白質種類不同。

細胞總DNA細胞總RNA輸卵管成紅

胰島輸卵管成紅

胰島

卵清蛋白基因Β珠蛋白基因胰島素基因實驗方法southern雜交

Northern雜交第七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（二）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，其產物是對維持細胞基本生命活動所必需的；如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因與核糖體蛋白基因等?！艚M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，其產物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結構特征與特異的功能；如卵清蛋白基因、上皮細胞的角質蛋白基因和胰島素基因等。第八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（二）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，其產物是對維持細胞基本生命活動所必需的；如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因與核糖體蛋白基因等?！艚M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，其產物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結構特征與特異的功能；如卵清蛋白基因、上皮細胞的角質蛋白基因和胰島素基因等?！粽{節(jié)基因（regulatorygene）產物用于調節(jié)組織特異性基因的表達，或者起激活或者起阻遏作用。

細胞分化的實質是組織特異性基因在時間與空間上的差異表達(differentialexpress)。這種差異表達不僅涉及到基因轉錄水平和轉錄后加工水平上的精確調控，而且還涉及染色體和DNA水平，翻譯和翻譯后加工與修飾水平上的復雜而嚴格的調控過程。

第九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（三）組合調控（combinationalcontrol）引發(fā)組織特異性基因的表達細胞分化過程是由一系列基因產物調控的。每個基因的表達都必須：在正確的細胞中；在正確的時間；對正確的信號產生正確的反應；產生正確的表達水平。問題：細胞是如何協(xié)調（coordinate）這一過程？Mastergene:一個關鍵的調控蛋白，可以調控一系列下游基因，完成細胞分化。

第十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

組合調控（combinationalcontrol）概念：

有限的少量調控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化的調控機制。即每種類型的細胞分化是由多種調控蛋白共同調節(jié)完成的。第十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三主導基因（mastergene）：在啟動細胞分化的各類調節(jié)蛋白中，往往存在一兩種起決定作用的調控蛋白，編碼這種蛋白的基因稱為主導基因。借助于組合調控，一旦某種關鍵性基因調控蛋白與其它調控蛋白形成適當?shù)恼{控蛋白組合，不僅可以將一種類型的細胞轉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。第十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（四）單細胞有機體的細胞分化

Receptor

factoradifferentialexpression適應環(huán)境因素第十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（五）轉分化與再生第十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三轉分化（trans-differentiation）：一種類型的分化細胞轉變成另一種類型的分化細胞的現(xiàn)象稱為轉分化。轉分化往往經歷去分化(dedifferentiation)和再分化(redifferentiation)的過程去分化（dedifferentiation）：分化細胞失去其特有的結構與功能變成具有未分化特征的細胞的過程：高等動物的克隆去分化細胞的細胞核必須在卵細胞質中才能完成其去分化的過程。轉分化（trans-differentiation）與去分化（dedifferentiation）分化程度低的CNSstemcell第十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三第十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三再生（regeneration）：再生是指生物體缺失一部分后發(fā)生重建的過程。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。

蟾蜍肢體切除后，傷口處部分細胞凋亡，多數(shù)細胞(包括皮膚、肌肉、軟骨和其他結締組織的細胞)經去分化形成間充質或纖維細胞樣的細胞團——再生芽基(regenerationblastema)，芽基細胞再分化形成以有序方式排列的從肱骨直至指骨的完整肢體，這一過程顯然由同源異型基因的表達模式所調控。第十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三二、影響細胞分化的因素通過組合調控的方式啟動組織特異性基因的表達是細胞分化的基本機制，因此有必要從細胞的基因組入手了解與分析影響細胞分化的因素。（一）細胞的全能性(totipotency)（二）影響細胞分化的因素（三）細胞分化與胚胎發(fā)育第十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（一）細胞的全能性（totipotency）

全能性指細胞經分裂和分化后仍具有產生完整有機體的潛能或特性。e.g.，受精卵、早期胚胎細胞；現(xiàn)已證實高度分化的細胞也具有全能性。實驗證據：植物體細胞胚胎發(fā)生（plantsomaticembryogenesis）;動物克?。?997，多莉羊；……）高度分化的動植物體細胞，在遺傳背景（基因組DNA)和功能上均是全能的。高等動物細胞，隨著胚胎的發(fā)育，細胞逐漸喪失發(fā)育成個體的能力，僅具有分化成多種細胞類型及構建組織的潛能，稱為多能性(pluripotency）。第十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三第二十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三胚胎干細胞多能干細胞成體干細胞單能干細胞（定向干細胞）終末分化第二十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三Dolly羊的誕生說明即使是終末分化細胞,其細胞核同樣也具有整套的遺傳信息,高度分化的哺乳動物體細胞核也具有發(fā)育全能性.乳腺細胞核第二十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三重編程的機制？epigeneticsDNA的甲基化，組蛋白的甲基化，組蛋白的乙?；嚷鸭毎募毎|成分第二十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三（二）影響細胞分化的因素細胞中組織特異性基因的選擇性表達主要由調控蛋白所啟動，調控蛋白的組合是影響細胞分化的主要的直接因素（內因）。1.胞外信號分子對細胞分化的影響2.細胞記憶與決定3.受精卵細胞質的不均一性對細胞分化的影響4.細胞間的相互作用與位置效應5.環(huán)境對性別決定的影響6.染色質變化與基因重排對細胞分化的影響第二十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

1.胞外信號分子對細胞分化的影響

近端因子：細胞接觸；旁分泌；自分泌；縫隙連接遠端因子：內分泌（激素）Agapjunction環(huán)境胞外信號第二十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三2.細胞記憶與決定

信號分子的有效作用時間是短暫的，然而細胞可以將這種短暫的作用儲存起來并形成長時間的記憶，逐漸向特定方向分化。果蠅的成蟲盤(imaginaldisc)是一些初級分化的細胞群，而在幼蟲變態(tài)過程中，不同的成蟲盤發(fā)育為成蟲不同的器官，如腿、翅和觸角等。人們曾把果蠅的變態(tài)前幼蟲的成蟲盤細胞植入成蟲體內，連續(xù)移植9年，細胞增殖多達1800代，然后將這種成蟲盤細胞再移植回幼蟲體內則依然沒有失去記億，照例發(fā)育成為相應的器官。細胞記憶保證細胞決定的穩(wěn)定性和遺傳性。第二十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三成蟲盤(imaginaldisc)第二十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三幼蟲成蟲盤變態(tài)部分成蟲盤移入另一幼蟲體內成蟲盤分化為成蟲體內的相應器官從相應的成蟲盤發(fā)育成相應的成體結構取出成蟲盤細胞植入幼蟲體內成蟲盤細胞在成蟲體內增殖，可被多次移植部分成蟲盤移入成蟲腹腔

成蟲盤細胞決定狀態(tài)的移植實驗第二十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三細胞記憶的機制：正反饋途徑染色質結構變化信息遺傳到子代決定：determination第二十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三3.受精卵細胞質的不均一性對細胞分化的影響

在卵母細胞的細胞質中除了儲存有營養(yǎng)物質和多種蛋白外，還含有多種mRNA，其中多數(shù)mRNA與蛋白質結合處于非活性狀態(tài)，成為隱蔽mRNA，不能被核糖體識別。然而它們在卵細胞質中呈不均勻地分布，在受精后卵細胞質重新定位，少數(shù)母體mRNA被激活，合成早期胚胎發(fā)育所需要的蛋白質。隨著受精卵早期細胞分裂，隱蔽mRNA不均一地分配到子細胞中。受精卵的細胞質不均一性和不均等卵裂細胞增殖過程中產生不均等細胞的方式第三十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三4.細胞間的相互作用與位置效應

在胚胎學研究中，人們已注意到細胞間的相互作用對細胞分化與器官構建的影響，并稱這種作用為胚胎誘導(embryonicinduction)。胚胎誘導作用不斷強化并可分成不同的層次，雖然對胚胎誘導作用的機制還不清楚，但包括旁泌素等信號分子的作用顯然是其重要原因之一。

細胞所處的位置不同對細胞分化的命運也有明顯的影響。實驗證明，改變細胞所處的位置可導致細胞分化方向的改變，這種現(xiàn)象稱位置效應(positioneffect)。“位置信息”是產生效應的主要原因。第三十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三5.環(huán)境對性別決定的影響

蜥蜴類的它們在較低溫度條件下(24℃)全部發(fā)育為雌性，而溫度提高(32℃)則全部發(fā)育為雄性。龜類在較低溫度條件下全部發(fā)育為雄性，而溫度提高則全部發(fā)育為雌性。另外，有一種蝸牛類的軟體動物的性別決定取決于個體間的相互位置關系，在它們形成的上下相互疊壓的群體中，位于下方的個體發(fā)育為雌性，而位于上方的個體發(fā)育為雄性?？偟膩碚f，個體發(fā)育中的細胞分化的基礎是建立在細胞的內部，而環(huán)境因素只是條件。第三十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三6.染色質變化與基因重排對細胞分化的影響

原生動物纖毛蟲類(如草履蟲、四膜蟲)的細胞內存在二個細胞核，小核稱為生殖核，包含完整的基因組；大核稱為營養(yǎng)核，丟失10%—90%的DNA，剩余的DNA經重排與擴增后形成多倍體，其基因活躍地轉錄并決定一切表型特征。大核是在有性生殖過程中，由小核發(fā)育而來，細胞雖未分化但細胞核“分化”成二種不同的類型?；蛑嘏攀羌毎只牧硪环N特殊方式?？贵w是由漿細胞分泌的，而漿細胞是由B淋巴細胞分化而來。在這一過程中，B淋巴細胞中的DNA經過斷裂丟失與重排的復雜變化從而利用有限的免疫球蛋白基因，在理論上可表達出數(shù)百億種抗體。第三十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

三、細胞分化與胚胎發(fā)育Hoxgenes

細胞分化是發(fā)育的基礎；發(fā)育是細胞分化的結果。現(xiàn)代發(fā)育生物學（developmentalbiology）的核心問題：發(fā)育過程中基因組表達的時空性及其調控機制；……受精卵細胞分化組織形成器官形成個體如何調控？？

在果蠅體節(jié)發(fā)育中起關鍵作用的一套基因群稱為同源異形基因（homeoticgenes,脊椎動物中稱為Hoxgenes）含有保守的180bp同源框（homeobox）DNA序列;編碼60個氨基酸稱為同源異形結構域（homeodomain）;同源異型結構域形成“helix-turn-helix”與特異DNA結合。第三十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三同源異型基因的表達特征順序表達（sequentialexpression）（時間）沿軀干縱軸在體節(jié)中高表達的次序與這些基因在染色體上的排列順序相符合（空間）Hox基因的homologues在低等和高等脊椎動物中均有發(fā)現(xiàn)，其homeobox的保守性非常強，可能在這些生物的發(fā)育中起著相似的作用。第三十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三第二節(jié)癌細胞致癌因子（carcinogens）：環(huán)境的，遺傳的，內源的，……相關基因（cancer-criticalgenes）的突變基因突變的積累基因表達譜系的改變細胞活動的異常（周期，粘附性，凋亡，移動性，……）癌細胞的產生表觀遺傳的改變（Epigeneticchange）第三十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三一、癌細胞的基本特征

腫瘤（tumor）良性腫瘤（benign）：不轉移（分裂失控）惡性腫瘤（malignant）:轉移、侵潤上皮組織：癌（carcinoma）癌（cancer）結締組織和肌肉：肉瘤（sarcoma）其他（血液）：白血病等（leukemia)第三十七頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

癌細胞特征1，生長和分裂失控“永生”細胞（immortal）：細胞核增大；

分裂快；低分化：結果是破壞了正常組織的結構與功能宮頸癌細胞特征A:normal;B:precancerous;C:invasivecarcinoma第三十八頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

癌細胞特征

第三十九頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三2.具有侵潤性和擴散性侵潤性(invasive)；擴散性（diffusible）；轉移性（metastasis）

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構和功能.第四十頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三惡性腫瘤的轉移（metastasis）第四十一頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

3.細胞間相互作用改變細胞表面膜蛋白（e.g.,受體蛋白）異常表達，引起細胞間相互作用的改變（如：粘附性改變，易于附著生長，逃避免疫系統(tǒng)的監(jiān)視和殺傷，etc.）。第四十二頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

4.mRNA表達譜、蛋白質表達譜系和蛋白活性改變

主要特征：

?出現(xiàn)胚胎細胞中的蛋白（如甲胎蛋白，與低分化程度有關）；

?端粒酶活性增高（與無限分裂增殖有關）；

?異常表達與癌的發(fā)生發(fā)展相關的蛋白（e.g.,細胞周期調控、凋亡、粘附、細胞擴散和移動性等）；

?癌蛋白和抑癌蛋白的表達及活性的變化（詳見下節(jié)）?；蛐酒–HIP）方法可比較分析癌細胞和正常細胞中mRNA表達譜系的不同（種類、豐度等），體現(xiàn)其基因表達的差異。第四十三頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三5.體外培養(yǎng)的惡性轉化細胞的特征

應用人工誘導技術可培養(yǎng)出惡性程度不同的轉化細胞◆惡性轉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◆當將惡性轉化細胞注入易感動物體內，往往會形成腫瘤

第四十四頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三?原癌基因：為細胞的正?；颍嗑幋a控制細胞周期、細胞凋亡、細胞增殖的各種調控因子和活性蛋白，是細胞正常功能所必需；?癌基因：為原癌基因的突變形式，或改變了表達方式（過量、產物活性的改變，等），其結果是引起正常細胞的癌變。二、癌基因與抑癌基因1.原癌基因(proto-oncogenes)和癌基因(oncogenes)第四十五頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三

本質：體細胞基因組的改變（突變的積累）；癌癥是由眾多因素引發(fā)的“基因病”（genedisorder）（體細胞）；有別于通過性細胞傳遞的“遺傳病”（geneticdisorder）復雜性：美國“攻克癌癥”的十年計劃失敗，……第四十六頁，共五十二頁，編輯于2023年，星期三2.抑癌基因（tumor-suppressorgenes）

發(fā)現(xiàn)：有一類基因的失活也能引起癌變。如,

a.視網膜母細胞瘤是由于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；