细胞分化2021全面课件

细胞分化第一节第一节 细胞分化细胞分化(Cell differentiation)细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素细胞分化与胚胎发育细胞分化与胚胎发育Hox genes Hox genes 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念细胞分化(cell differentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心；细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成；合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达；差异性表达的机制是由于基因表达的组合调控。细胞癌变是正常细胞分化机制失控的表现细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化是基因选择性表达的结果组织特异性基因与当家基因组织特异性基因与当家基因当家基因(house-keeping genes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢 侈基因(luxury genes)：是指不同的细胞类型进 行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细 胞特异的形态结构特征与特异的功能；调节基因产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻遏作用。组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控（combinational control）概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化 的调控机制。即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。生物学作用：借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它 调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的 细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至 可以诱发整个器官的形成（如眼的发育）。分化启动机制：靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。转分化与再生转分化与再生一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象 称转分化（transdifferentiation）。转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物 体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细 胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。二、二、影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素细胞的全能性细胞的全能性(totipotency)(totipotency)影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素单细胞有机体的细胞分化单细胞有机体的细胞分化与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。细胞的全能性(totipotency)概念：细胞全能性是指细胞经分裂和分化后 仍具有产生完整有机体的潜能或特性。植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株 动物细胞核移植(Nuclear transfer)实验证明细 胞核具有发育全能性 干细胞(Stem cell)与细胞发育潜能动物细胞核移植(Nuclear transfer)实验证明细胞核具有发育全能性Dolly羊羊的的诞诞生生说说明明高高度度分分化化的的哺哺乳乳动动物物体体细细胞胞核核也也具具有有发发育育全全能能性性干细胞(Stem cell)与细胞发育潜能n干细胞干细胞(Stem Cell)是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能。分类n干细胞有两种分类方法，一是根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞(embryonic stem cell，ES细胞)和成体干细胞(somatic stem cell)。第二种分类方法是根据干细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞(totipotent stem cell,TSC)、多能干细胞（pluripotent stem cell）和单能干细胞（unipotent stem cell）。胚胎干细胞的发育等级较高，是全能干细胞，而成体干细胞的发育等级较低，是多能或单能干细胞。胚胎干细胞n胚胎干细胞当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（Inner Cell Mass）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织的能力。成体干细胞n成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞,说明成体干细胞普遍存在，问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体，与干细胞相互作用，控制干细胞的更新和分化。2 癌细胞有哪些主要特征？基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响。细胞分化是基因选择性表达的结果具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤（malignancy）。有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化 的调控机制。抑癌基因也称为抗癌基因，正常染色体内可能存在某些抑制肿瘤发生的基因，它们的丢失、突变或失去功能，使激活的癌基因发挥作用而致癌。按化学结构可分为：亚硝胺类，在变质的蔬菜及食品中含量较高，能引起消化系统、肾脏等多种器官的肿瘤；组合调控引发组织特异性基因的表达成体干细胞经常位于特定的微环境中。mRNA的寿命与它的多聚(A)尾巴长度有关单细胞有机体的细胞分化 生长因子，如sis，生长因子受体，如fms、erbB，蛋白激酶及其它信号转导组分，如src、ras、raf，细胞周期蛋白，如bcl-1，调控因子，如bcl-2，转录因子，如myc、fos、jun。例如：PEPCK酶（磷酸稀醇丙酮酸羧基酶）生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物2、发现的30种c-onc是依靠病毒的v-onc探针找到的；成体干细胞在其中起着关键的作用。组合调控引发组织特异性基因的表达在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组造血干细胞n造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。今年年初，协和医大血液学研究所的庞文新又在肌肉组织中发现了具有造血潜能的干细胞。造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的最有效方法。单能干细胞干细胞的可塑性干细胞的应用n干细胞的用途非常广泛，涉及到医学的多个领域。目前，科学家已经能够在体外鉴别、分离、纯化、扩增和培养人体胚胎干细胞，并以这样的干细胞为“种子”，培育出一些人的组织器官。干细胞及其衍生组织器官的广泛临床应用，将产生一种全新的医疗技术，也就是再造人体正常的甚至年轻的组织器官，从而使人能够用上自己的或他人的干细胞或由干细胞所衍生出的新的组织器官，来替换自身病变的或衰老的组织器官。假如某位老年人能够使用上自己或他人婴幼儿时期或者青年时期保存起来的干细胞及其衍生组织器官，那么，这位老年人的寿命就可以得到明显的延长。美国科学杂志于1999年将干细胞研究列为世界十大科学成就的第一，排在人类基因组测序和克隆技术之前。n新加坡国立大学医院和中央医院通过脐带血干细胞移植手术，根治了一名因家族遗传而患上严重的地中海贫血症的男童，这是世界上第一例移植非亲属的脐带血干细胞而使患者痊愈的手术。医生们认为，脐带血干细胞移植手术并不复杂，就像给患者输血一样。由于脐带血自身固有的特性，使得用脐带血干细胞进行移植比用骨髓进行移植更加有效。现在，利用造血干细胞移植技术已经逐渐成为治疗白血病、各种恶性肿瘤放化疗后引起的造血系统和免疫系统功能障碍等疾病的一种重要手段。科学家预言，用神经干细胞替代已被破坏的神经细胞，有望使因脊髓损伤而瘫痪的病人重新站立起来；不久的将来，失明、帕金森氏综合症、艾滋病、老年性痴呆、心肌梗塞和糖尿病等绝大多数疾病的患者，都可望借助干细胞移植手术获得康复。影响细胞分化的因素胞外信号分子对细胞分化的影响,如眼的发生 细胞记忆与决定 果蝇成虫盘(imaginal disc)受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响细胞间的相互作用与位置效应环境对性别决定的影响染色质变化与基因重排对细胞分化的影响第二节第二节 癌细胞癌细胞癌症是一种严重威胁人类生命安全的疾病。动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞(tumor cell)。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤（malignancy）。上皮组织的恶性肿瘤称癌。基本生物学特征细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力，成为“永生”细胞。具有扩散性 癌细胞的细胞间粘着性下降，具有侵润性和扩散性，这是癌细胞的基本特征。在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组 织细胞的结构和功能细胞间相互作用改变（识别改变；表达水解酶类；产生新的表面抗原）蛋白表达谱系或蛋白活性改变（胚胎细胞蛋白、端粒酶活性升高）mRNA转录谱系的改变（少数基因表达不同；突变位点不同，表型多变）染色体非整倍性图图图图16-1 16-1 肿瘤的迁移肿瘤的迁移肿瘤的迁移肿瘤的迁移 体外培养的恶性转化细胞的特征 恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能 在体外培养时贴壁性下降失去接触抑制培养时对血清依赖性降低当将恶性转化细胞注入易感动物体内，往往会形成肿瘤图图图图16-2 16-2 肿瘤细胞失去接触抑制现象肿瘤细胞失去接触抑制现象肿瘤细胞失去接触抑制现象肿瘤细胞失去接触抑制现象 二、癌基因和抑癌基因二、癌基因和抑癌基因1.1.原癌基因：原癌基因：与细胞周期调控有关的一种基因，表达生长因子，与细胞周期调控有关的一种基因，表达生长因子，生长因子受体、信号转到的分子、基因转录调节因子生长因子受体、信号转到的分子、基因转录调节因子和中期调控蛋白。和中期调控蛋白。2.2.癌基因：癌基因：原癌基因发生突变的基因或异常表达原癌基因发生突变的基因或异常表达3.3.抑癌基因：抑癌基因：正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码的蛋白往往在细胞周期的监测点上起阻止周期进的蛋白往往在细胞周期的监测点上起阻止周期进行的作用。如：行的作用。如：RBRB；P53P53三、肿瘤形成的内因三、肿瘤形成的内因肿瘤形成的过程：始发突变、潜伏、促癌和演进肿瘤形成的过程：始发突变、潜伏、促癌和演进的形成往往涉及多个基因的改变，与原癌基因、的形成往往涉及多个基因的改变，与原癌基因、抑癌基因突变的逐渐积累有关。抑癌基因突变的逐渐积累有关。（一）原癌基因（一）原癌基因 当原癌基因的结构或调控区发生变异，基因产物当原癌基因的结构或调控区发生变异，基因产物增多或活性增强时，使细胞过度增殖，从而形成肿瘤。增多或活性增强时，使细胞过度增殖，从而形成肿瘤。原癌基因的产物主要包括：原癌基因的产物主要包括：生长因子，如生长因子，如sissis，生长因子受体，如生长因子受体，如fmsfms、erbBerbB，蛋白激酶及其它信号转导组分，如蛋白激酶及其它信号转导组分，如srcsrc、rasras、rafraf，细胞周期蛋白，如细胞周期蛋白，如bcl-1bcl-1，调控因子，如调控因子，如bcl-2bcl-2，转录因子，如转录因子，如mycmyc、fosfos、junjun。原癌基因功能获得性突变原癌基因功能获得性突变(显性突变显性突变)，其产物量增加，其产物量增加或活性升高，促进细胞癌变或活性升高，促进细胞癌变（二）抑癌基因（二）抑癌基因1.1.抑癌基因也称为抗癌基因，正常染色体内可能存在抑癌基因也称为抗癌基因，正常染色体内可能存在某些抑制肿瘤发生的基因，它们的丢失、突变或失去某些抑制肿瘤发生的基因，它们的丢失、突变或失去功能，使激活的癌基因发挥作用而致癌。功能，使激活的癌基因发挥作用而致癌。2.2.抑癌基因的产物作用：抑制细胞增殖，促进细胞分抑癌基因的产物作用：抑制细胞增殖，促进细胞分化，和抑制细胞迁移，因此起负调控作用，通常认为化，和抑制细胞迁移，因此起负调控作用，通常认为抑癌基因的突变是隐性的。抑癌基因的突变是隐性的。3.3.抑癌基因的产物抑癌基因的产物 ：转录调节因子，如转录调节因子，如RbRb、p53p53；负调控转录因子，如负调控转录因子，如WTWT；周期蛋白依赖性周期蛋白依赖性激酶抑制因子（激酶抑制因子（CKICKI），如），如p15p15、p16p16、p21p21；信号信号通路的抑制因子，如通路的抑制因子，如ras GTPras GTP酶活化蛋白（酶活化蛋白（NF-1NF-1），），磷脂酶（磷脂酶（PTENPTEN）；）；DNADNA修复因子，如修复因子，如BRCA1BRCA1、BRCA2BRCA2。与发育和干细胞增殖相关的信号途径组与发育和干细胞增殖相关的信号途径组分，如：分，如：APCAPC、AxinAxin等。等。癌基因（癌基因（oncogenesoncogenes）：）：v-v-onc onc and c-and c-onconc 抑抑癌癌基基因因（tumor-suppressor tumor-suppressor genegene）Rb Rb p53p53 特特 点点 原癌基因原癌基因 抑癌基因抑癌基因 基因属性基因属性 细胞增殖必需 细胞分化必需 致癌方式致癌方式 基因突变激活、异常表达 基因缺失或失活Rous(1910)发现鸡的致癌RNA病毒；1963年发现RSV突变株：tsRSV 鸡成纤维细胞40C37C细胞正常 病毒正常繁殖细胞癌变 病毒正常繁殖tdRSV 鸡成纤维细胞40C37C细胞正常 细胞正常 病毒正常繁殖病毒正常繁殖 v-oncogenetdRSV3端缺失15002000bp;不影响病毒复制，但影响细胞转化1976年发现，正常鸡细胞核DNA中，具有与V-onc的同源序列，称正常细胞中的同源序列为原癌基因（protooncogene）,或C-oncogene.v-onc和和c-onc的关系的关系：c-onc来自来自v-onc.理由如下:1、v-onc对病毒复制和生存都是不必要的；而c-onc对细胞重要功能和活动不可缺少；提示c-onc是进化中保存下来的细胞重要结构元件。2、发现的30种c-onc是依靠病毒的v-onc探针找到的；并不是所有c-onc都有对应的同源v-onc。3、v-src缺失3/4不能致癌的RSV,注入鸡体内，发现缺失的v-src与c-src发生重组，v-src回复并致癌。抑癌基因（tumor suppressor gene）Harris(1968):癌细胞系与同组织正常细胞融合杂交细胞无恶性表型，也不致癌；随着染色体丢失则可能恢复致癌（Rb）.图图图图16-5 Rb16-5 Rb基因的作用基因的作用基因的作用基因的作用 P53基因突变将导致细胞癌变或凋亡基因突变将导致细胞癌变或凋亡抑癌基因的功能丧失性突变抑癌基因的功能丧失性突变-隐性突变隐性突变（三）原癌基因的激活（三）原癌基因的激活1.1.点突变：点突变：ras基因家族基因家族2.DNA2.DNA重排重排3 3插入激活插入激活4 4基因扩增基因扩增5 5、原癌基因的低甲基化、原癌基因的低甲基化四、肿瘤形成的外因四、肿瘤形成的外因根据致癌物的性质可将其分为根据致癌物的性质可将其分为化学、生物和物理化学、生物和物理致癌物致癌物三大类。三大类。如多环芳香烃、芳香胺、亚硝胺、致癌病毒等。如多环芳香烃、芳香胺、亚硝胺、致癌病毒等。（一）化学致癌物（一）化学致癌物1.1.按化学结构可分为：按化学结构可分为：亚硝胺类，在变质的蔬菜及亚硝胺类，在变质的蔬菜及食品中含量较高，能引起消化系统、肾脏等多种器官的食品中含量较高，能引起消化系统、肾脏等多种器官的肿瘤；肿瘤；多环芳香烃类，这类致癌物以苯并芘为代表，多环芳香烃类，这类致癌物以苯并芘为代表，这类物质广泛存在于沥青、汽车废气、煤烟、香烟及熏这类物质广泛存在于沥青、汽车废气、煤烟、香烟及熏制食品中；制食品中；芳香胺类，如乙萘胺、联苯胺、芳香胺类，如乙萘胺、联苯胺、4-4-氨基氨基联苯等，可诱发泌尿系统的癌症；联苯等，可诱发泌尿系统的癌症；烷化剂类，如芥烷化剂类，如芥子气、环磷酰胺等，可引起白血病、肺癌、乳腺癌等；子气、环磷酰胺等，可引起白血病、肺癌、乳腺癌等；氨基偶氮类，如用二甲基氨基偶氮苯；氨基偶氮类，如用二甲基氨基偶氮苯；碱基类似碱基类似物，如物，如5-5-溴尿嘧啶、溴尿嘧啶、5-5-氟尿嘧啶、氟尿嘧啶、2-2-氨基腺嘌呤等；氨基腺嘌呤等；氯乙烯，目前应用最广的一种塑料聚氯乙烯，是由氯乙氯乙烯，目前应用最广的一种塑料聚氯乙烯，是由氯乙烯单体聚合而成；烯单体聚合而成；某些金属，如铬、镍、砷等也可某些金属，如铬、镍、砷等也可致癌。致癌。生物性致癌因素包括病毒（图生物性致癌因素包括病毒（图16-1016-10）、细菌、霉菌）、细菌、霉菌等。其中以病毒与人体肿瘤的关系最为重要，研究等。其中以病毒与人体肿瘤的关系最为重要，研究也最深入。也最深入。（二）生物性致癌因素（二）生物性致癌因素（三）物理因素（三）物理因素1 1电离辐射电离辐射2 2紫外线紫外线真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，主要主要发发生在三个彼此相对独立的水平上：生在三个彼此相对独立的水平上：转录水平的调控转录水平的调控加工水平的调控加工水平的调控翻译水平的调控翻译水平的调控 第三节第三节 真核细胞基因表达的调控真核细胞基因表达的调控（一）转录激活（一）转录激活 1.1.基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响。基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响。2.TATA2.TATA盒、盒、CAATCAAT盒和盒和GCGC盒，盒，TATATATA盒决定转录起始的盒决定转录起始的 位点，位点，CAATCAAT盒和盒和GCGC盒决定盒决定RNARNA聚合酶转录基因的聚合酶转录基因的 效率。效率。3.3.转录因子结构域：转录因子结构域：例如：例如：PEPCKPEPCK酶（磷酸稀醇丙酮酸羧基酶）酶（磷酸稀醇丙酮酸羧基酶）通用转录因子、通用转录因子、特异转录因子特异转录因子 4.4.转录因子与转录因子与DNADNA序列相互作用结构模式：序列相互作用结构模式：一、转录水平的调控一、转录水平的调控真核生物的RNA聚合酶nRNA聚合酶I：rRNA前体的合成nRNA聚合酶：mRNA前体和一些小RNAnRNA聚合酶I I I：tRNA、5srRNA及一些小RNA顺式作用原件与反式作用因子顺式作用原件（cis-acting elements)DNA调控序列，包括启动子，增强子，沉默子等。反式作用因子（trans-acting factors)与DNA调控序列结合的转录因子。通用转录因子与特异转录因子通用转录因子与特异转录因子通用转录因子通用转录因子 与结合与结合RNARNA聚合酶的核心启动子位点结合聚合酶的核心启动子位点结合的转录因子。的转录因子。特异转录因子特异转录因子与特异基因的各种调控位点结合，促进或与特异基因的各种调控位点结合，促进或阻抑这些基因的表达。阻抑这些基因的表达。启动子元件的位置启动子元件的位置缺失作图法对缺失作图法对PEPCK启动子序列的鉴定启动子序列的鉴定转录因子结构转录因子结构转录因子与转录因子与DNADNA序列相互作用最常见的几种结构模式序列相互作用最常见的几种结构模式活性染色质与基因转录n活性染色质具有DNase超敏感位点n核心组蛋白的乙酰化和H1的磷酸化（二）转录阻遏（二）转录阻遏1.DNA1.DNA甲甲基基化化（DNA DNA methylationmethylation）与与基基因因表表达达阻阻遏遏有有关关 5-GC5-GC*-3-3 甲基化酶甲基化酶 构建型甲基化酶构建型甲基化酶 维持性甲基化酶维持性甲基化酶 2.2.基基因因组组印印记记（genomic genomic imprintingimprinting）是是说说明明甲甲基基化化作作用用在在基基因因表表达达中中具具有有重重要要意意义义的的最最好好例例证证，也也是是哺乳动物所特有的现象哺乳动物所特有的现象甲甲基基化化作作用用与与基基因因活活性性调调节节二、加工水平调控加工水平调控 选择性拼接是一种广泛存在的选择性拼接是一种广泛存在的RNA加工机制，加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个通过这种方式，一个基因能编码两个或多个 相关的蛋白质相关的蛋白质组成型拼接组成型拼接(constitutive splicing),一个基因一个基因只产生一种成熟的只产生一种成熟的mRNA，一般也只产生一种蛋，一般也只产生一种蛋白质产物白质产物可调控的选择性拼接产生不同的成熟可调控的选择性拼接产生不同的成熟mRNA，翻，翻译产生不同的蛋白质如纤粘蛋白译产生不同的蛋白质如纤粘蛋白(fibronectin）的合成的合成转录后加工的调节转录后加工的调节三、三、翻译水平的调控翻译水平的调控 1.mRNA 1.mRNA的定位的定位 2.mRNA2.mRNA翻译的调控翻译的调控 3.mRNA3.mRNA的寿命的寿命 细胞质中进行的转译水平的调控包括细胞质中进行的转译水平的调控包括:mRNAmRNA的定位的定位启动一个动物受精卵形成胚胎所需要的信息预存在启动一个动物受精卵形成胚胎所需要的信息预存在卵子发生期的卵母细胞里卵子发生期的卵母细胞里微管和微丝对细胞中特定部位的微管和微丝对细胞中特定部位的mRNA的聚集有一的聚集有一定关系微管主要涉及转运定关系微管主要涉及转运mRNA到细胞质的特到细胞质的特定部位；微丝的作用被用来锚定已到达目的地的定部位；微丝的作用被用来锚定已到达目的地的mRNA.mRNAmRNA翻译的调控翻译的调控 铁铁蛋蛋白白的的翻翻译译是是细细胞胞在在mRNAmRNA水水平平控控制基因表达的一个很好的例子。制基因表达的一个很好的例子。mRNAmRNA的寿命的寿命 mRNA的寿命与它的多聚的寿命与它的多聚(A)尾巴长度有关尾巴长度有关 哺乳动物细胞内哺乳动物细胞内mRNA的降解途径说明一旦多聚的降解途径说明一旦多聚(A)尾巴减少到一定长度，尾巴减少到一定长度，mRNA会迅速降解会迅速降解 3UTR的核苷酸顺序的不同，似乎在多聚的核苷酸顺序的不同，似乎在多聚(A)尾尾巴变短时扮演一个与降解速率有关的角色巴变短时扮演一个与降解速率有关的角色四、四、翻译加工后的调控翻译加工后的调控n思考题：1 影响细胞分化的因素有哪些？2 癌细胞有哪些主要特征？3 细胞癌变的机制是什么？