细胞分化与基因表达调控分解

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 细胞分化与基因表达调控,西北大学生命科学学院细胞生物学课题组,2011-5-18,提纲,（一） 细胞分化的基本概念：细胞分化的概念，细胞的全能性和细胞决定，细胞分化的标志物,；,（二） 细胞分化的分子基础：细胞分化的实质是基因的选择性表达,；,（三） 影响细胞分化的因素：细胞核和细胞质的相互作用对分化的影响，诱导和抑制对分化的影响，激素和细胞粘附分子对分化的影响，位置信息对分化的影响,；,（四）癌细胞：癌细胞的基本特征，癌基因和抑癌基因；,（五）真核基因表达调控：转录水平调控，加工水平调控，翻译水平调控。,第一节 细胞分化,1,细胞分化的基本概念；,2,影响细胞分化的因素；,3,细胞分化与胚胎发育。,细胞分裂：细胞数目增多的过程，分裂产生的子细胞与亲代细胞在形态结构和功能上往往一样；,细胞分化：细胞种类增多的过程，使细胞由非专一性（非特化性）状态向形态和功能的专一性（特化性）状态转变，成为具有不同表型结构的各种类型细胞。,细胞的分化,基本概念,：指多细胞生物个体发育中，内在机制作用下，由一种相同的经细胞分裂后逐渐想成在,结构,、,形态,、,生理功能,及,生化特征,等方面稳定性差异，产生多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统的过程。,P469,重点,细胞分化是基因选择性表达的结果,遗传物质选择性丢失,；,选择性表达,：在同一时间内不是所有的基因都具活性，而是有的有活性，有的无活性，有些细胞是这部分基因有活性，有些细胞则是另外一些基因有活性。,分子杂交技术,分子杂交技术检测基因及其表达表明：,细胞分化并不是由于在发育过程中遗传物质选择性丢失所致；,而是由于基因选择性的表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构和功能的差异。,组织特异性基因与管家基因,管家基因,(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；,如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因、核糖体蛋白基因等,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；,如卵清蛋白基因、胰岛素基因等,调节基因,(regulatory genes):,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。,细胞分化的实质是组织特异性基因在时间和空间上的差异表达（,differential express,）所致。,1.3,组合调控引发组织特异性基因的表达,组合调控（,combinational control,）,：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,。,主导基因,：在启动细胞分化的过程中，发挥决定作用的,1,到,2,种调控蛋白编码基因。,如,MyoD,基因就是调控成肌细胞分化形成骨骼肌细胞的主导基因。,MyoD,基因家族主要在骨骼肌肌肉细胞中表达,MyoD,基因与,Myf,一,5,基因参与骨骼肌肌肉细胞的决定过程,，但,两者在时间上有不同的生肌作用插入位点,(entry point),：一个由,Myf,一,5,基因引发，是建立,早期的生肌节,所必须的，另一个以,MyoD,基因,为标志，形成,后期的生肌节,细胞，在生肌节发育后期，两基因又同时表达。,Myogenin,基因与,MRF4,基因参与了骨骼肌肌肉细胞的终末分化过程。骨骼肌肌肉发生,(myogenesis),是一个复杂的连续的过程，,MyoD,基因家族以及其它的转录调节因子通过网络式的调节方式在分子水平上来决定骨骼肌肌肉细胞的发育命运。,重点,1.4,单细胞有机体的细胞分化,单细胞生物体,（甚至原核细胞）也存在,细胞分化,的现象。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,。,1.5,转分化和再生,转分化（,transdifferentiation,）,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。,转分化经历去分化（,dedifferentiation,）和再分化（,redifferentiation,）的过程。,去分化（,dedifferentiation,）,：指分化细胞失去其特有的结构和功能变成具有未分化细胞特征的过程。,重点,（二）再生,Regeneration,广义的再生：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。,再生,Regeneration,：指生物体缺失部分后重建的过程：生物体的的整体或器官受外力作用发生创伤而部分丢失，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态和功能上相同的结构。,不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异：一般情况下，植物强于动物，低等动物强于高等动物，幼体强于成体。,重点,2,影响细胞分化的因素,2.1,细胞的全能性；,2.2,影响细胞分化的因素；,细胞的全能性：,指经细胞分裂和分化以后仍然具有形成完整有机体的潜能。,在生物的个体发育中，由于基因在特定时间和空间下选择性地表达而形成不同器官，因此，要实现细胞的全能性，首先必须使生物体的细胞处于离体状态。,细胞的全能性,一般说来，越高等的生物，细胞的全能性越低，分化程度越高，细胞的全能性越低。,重点,受精卵发育按严格的模式和时间次序发展，发育初级的细胞并非包含成形的形体，而是具备发育为完整个体的潜力。,这种潜力，来自一组称为,干细胞,的分化能力。在个体发育整个过程中，由于干细胞的存在使细胞分化不断进行。,干细胞,根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞可分为两类：,胚胎干细胞,及,成体干细胞。,胚胎干细胞，又称全能干细胞，,存在于未发育成熟的胚胎，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带等之外的任何一种特定类型细胞。即能长成动物的任何组织和器官。,成体干细胞,：,特定组织中的非特异性细胞，能无限制地分裂和自我更新。所产生的子细胞有两种结果，一是保持亲代特性，仍作为干细胞；二是不可逆地向终末方向发展，成为一至几种类型的特定细胞。,根据分化潜能分类： （,1,）全能干细胞：具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，如胚胎干细胞； （,2,）多能干细胞：具有产生多种类型细胞的能力，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到 一定的限制； （,3),单能干细胞（也称专能、偏能干细胞）：只能分化为成体组织、器官中的细胞。,重点,细胞内因素,受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，因不同基因表达，产物不断加入,细胞质,，改变细胞质成分，使基因表达环境发生改变，细胞质反作用于,细胞核,，又使核内基因表达状态不断受到调节，细胞不断分化，发育，成熟，直至产生各种不同类型的细胞。,2.2,影响细胞分化的因素,细胞内因素,调节蛋白的作用，使细胞分化形成多种类型细胞。,（,1,）基因调控；,（,2,）染色质变化与基因重排；,（,3,）细胞记忆与决定；,（,4,）受精卵细胞质的不均一性。,（2）染色质变化与基因重排,1,）染色体消减,马副蛔虫受精后的第,1,次卵裂是中纬裂,也就是把卵子分成上下两个裂球，在进行第,2,次卵裂的时候，上方裂球中的染色体发生断裂，只有中部的碎片排列在纺锤体上，将来分配到两个子细胞，两端的加粗的染色体部分则脱落在细胞质中，以后退化。下方的裂球以通常的方式进行分裂，每一子细胞都分配到完整的染色体。第,3,次卵裂的时候,下方裂球之一重复进行染色体消减的过程，而另一个则不消减。后者分裂形成的两个细胞仍然有一个发生消减,（体细胞），,其结果只有一个细胞含有完整的染色体,（生殖细胞）,。,2,）基因扩增：,果蝇多线染色体。,3,）基因重排：,免疫球蛋白基因（,10,6,10,8,种抗体）。,4,）,DNA,的甲基化与异染色质化：,胞嘧啶的甲基化使基因失活。,（3）细胞记忆与决定,美国亚利桑那大学心理学家加里,施瓦茨把器官移植后的改变现象称为“细胞记忆”。他的理论是，由于细胞囊括了人体整套基因“材料”，因而接受器官移植的患者必将从器官捐献者身体上“继承”某些基因。其中一些基因决定了人的思维方式、行为方式甚至是口味的偏好。但这种想法在临床上无法证明。,决定早于分化；,细胞的决定与细胞记忆有关。,细胞决定,鸡胚：,移植前，肢芽（长出大腿）和翼芽（长出翅膀）两处细胞形态相同，均未分化。,肢芽组织块移植至翼芽部位，,结果,翼尖为脚趾,。,肢芽,翼芽,长出翅膀,（4）受精卵细胞质的不均一性,细胞质在细胞分化中的决定作用,胚胎正常发育是起始于卵母细胞贮存信息,（因源于母本又称母本信息）表达，此信息在细胞中定位分布，通过各种途径调节蛋白质合成并进一步调节晚期基因表达。,母本信息又称决定子，决定细胞分化方向,，其本质是,mRNA,卵母细胞阶段已合成大量,mRNA,。动物的卵母细胞中约含有,2,5,万种不同核苷酸序列的,mRNA,，每种有,600,拷贝之多，且定位分布，并随卵裂进入不同子细胞，指导细胞分化方向。,细胞外因素,影响细胞分化的细胞外因素，包括,环境因素,，,胞外物质,（细胞的基质，黏附分子，细胞因子，激素等），以及,细胞之间的相互作用。,环境多种因素对机体的发育有一定的影响，如温度，光线等，这些因素可能是造成第一次不等卵裂，从而影响细胞分化的原因之一。,如豚鼠的孕期为,68d,，如果在妊娠,1828d,给母鼠增温度,341,小时，胎鼠脑重可减轻,10,。,环境因素,胚胎诱导,(embryonic induction),：,胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。,诱导者,(inductor),：对其它细胞起诱导作用的细胞：,脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；,视泡可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。,诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异,胞外物质,细胞之间的相互作用,分化抑制：,分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。,如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。,侧缘抑制,细胞数量效应,小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成,8,小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。,细胞外基质的影响,干细胞在,IV,型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；,在,I,型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；,在,II,型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。,3,细胞分化与胚胎发育,多细胞生物有许许多多特化的细胞。,(2),分化后的细胞效率更高。,(3),同一生物的细胞基因型一致，尽管它们的表型可能不一致。,水螅 有七种细胞类型,(,淡水种,),人类有大约五十亿细胞，超过,400,种细胞类型。,第二节 癌 细 胞,1,癌和肿瘤一样吗？,2,癌细胞与正常细胞有何不同？,3,癌是怎么发生的？,4,癌能治愈吗？,5,我们能不能,/,什么时候能攻克癌症？,-,第二节 癌 细 胞,一 癌细胞的基本特征；,二 癌基因与抑癌基因；,三 肿瘤的发生是基因突变逐渐累积的结果；,四 肿瘤干细胞。,1,基本概念,（,1,）肿瘤细胞（,tumor cell,）,:,指动物体内因分裂调节失控而无限增殖的细胞。,良性肿瘤,：生长缓慢，与周围组织边界明显。,恶性肿瘤,：生长快、具有转移能力。,（,2,）癌：上皮组织的恶性肿瘤统称为癌。,重点,良性肿瘤和恶性肿瘤,良性肿瘤,恶性肿瘤（癌和肉瘤）,生长速度,慢,快,生长方式,膨胀性生长,浸润性生长,与周围组 织关系,有包膜、不侵犯周围组织、界限清楚、活动度大,破坏周围组织、界限不清、活动受限,血液供应,血液供应充分、肿瘤完整、体积有时很大,血液供应不足、常在中间区形成坏死,发生溃烂,转移,无,有,全身影响,一般不影响全身情况，如体积巨大或发生在重要器官，亦可威胁生命,晚期严重影响全身，可出现极度衰弱、贫血（恶病质）,治疗后,不容易复发,容易复发,重点,4 癌基因与抑癌基因,癌基因（原癌基因）,抑癌基因,原癌基因,概念,：,是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必须的，在进化上高等保守。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。,表达产物,：,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,，,细胞凋亡调控因子，如,bcl-2,，,转录因子，如,myc,、,fos,、,jun,。,抑癌基因,抑癌基因,起负调控作用，,主要是,抑制细胞增殖，促进细胞分化和抑制细胞迁移。,抑癌基因的产物,：转录调节因子，如,Rb,、,p53,，,负调控转录因子，如,WT,，,周期蛋白依赖性激酶抑制因子（,CKI,），,如,p15,、,p16,、,p21,，,信号通路的抑制因子，如,ras GTP,酶活化蛋白（,NF-1,），,磷脂酶（,PTEN,）；,DNA,修复因子，如,BRCA1,、,BRCA2,，,内因：,细胞染色体上普遍存在的原癌基因被激活与抑癌基因失活。,外因：,致癌因子（物理致癌因子、化学致癌因子、病毒致癌因子）,癌变的原因,5,肿瘤发生与发展,行为生活方式,吸烟、饮酒,饮食,不良生活方式和习惯,环境因素,化学因素,物理因素,生物因素,机体因素,1.,多基因参与,，通常,2,个,/2,个以上癌,/,抑制基因（除,Rb,例外）,按一定方式组合,例如： 结肠癌 脑胶质瘤 肺癌,APC P53 RAS,RAS Interferons c-myc,P53 MTS,1,erb,2,(EGFR),DCC MTS,2,Rb,EGFR P53,3P,基因改变：,缺失（等位基因杂合子、纯合子缺失）,重排,断裂,突变（误义、无义、丢失、插入、接驳）,改变结果：,原癌基因激活,抑癌基因失活,一次性严重,DNA,损伤 细胞死亡,多次性突变 细胞转化,恶性细胞克隆,*肿瘤是一种多基因、经历多步骤突变所起的细胞克隆性,进化性疾病,5. 2.,多步骤发生学说,许多原癌,/,抑制基因直接,/,间接参与细胞,周期调控,原癌,/,抑制基因突变 细胞周期失控 增生过多,凋亡过少,肿瘤形成,*肿瘤是一类细胞周期疾病,5.,3.,细胞周期失控,5.4 种子土壤学说,癌细胞是生长和分裂,失去控制,的细胞。这些细胞可以暂停分裂，侵袭到其它位点，然后继续增殖，这个过程被称为,转移,。,尽管组成肿瘤的癌症干细胞和癌症细胞形态相似，但它们功能不同。,综上所述：,肿瘤是多基因经历多步骤变化导致细胞周期紊乱，使细胞失控性生长而形成的新生物（新生长物）,不同致癌（促癌）因素,不同部位,不同基因改变 不同器官 的肿瘤,不同组织类型,（具有不同的生物学特性）,失控性增生,恶性肿瘤的共同生物学特性,浸润,转移,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是多级调控系统，主要发生在三个彼此相对独立的水平上：,转录水平的调控,加工水平的调控,翻译水平的调控,加工水平的调控,选择性拼接是一种广泛存在的,RNA,加工机制，,通过这种方式，一个基因能编码两个或多个,相关的蛋白质,组成型拼接,(constitutive splicing),一个基因只产生一种成熟的,mRNA,，一般也只产生一种蛋白质产物,可调控的选择性拼接产生不同的成熟,mRNA,，翻译产生不同的蛋白质如纤粘蛋白,(fibronectin,）的合成,DNA,RNA,多肽,转录,翻译,小鼠成纤维细胞 （,5-,氮胞苷）,培养，,处于休止状态的基因被重新激活而进行表达，甚至可观察到一部分细胞中与肌肉细胞发育有关的激活而表达，细胞彼此发生融合而发育成肌肉细胞。,5-,氮胞苷进入细胞内转变为三磷酸,5-,氮胞苷，这种,5-,氮胞苷化的,DNA,由于不能被甲基化，结果使相关基因被重新激活,RNA,多肽,转录,翻译,DNA,（去甲基化）,（,5-,氮胞苷）,甲基化,例如：,DNA,甲基化,在,DNA,复制后，,由甲基化酶将,S-,腺苷甲硫氨酸的甲基转移到胞嘧啶的,5-C,上完成对碱基的修饰，甲基化位置上可阻止转录因子与,DNA,结合。,越是活跃的基因其甲基化程度越低，越不活跃的基因甲基化程度越高。,在发育过程中，当某些基因表达完成后，,DNA,的甲基化可能参与了基因的关闭过程。,加工水平的调控,1,核内,RNA,的选择加工,如用海胆囊胚的,mRNA,制成的,cDNA,探针，分别与原肠胚、肠和体腔细胞,nRNA,杂交，结合率高达,80,，而与囊胚和肠细胞,mRNA,结合率则不同，前者为,28,，后者仅为,10,，说明不同组织中转录的,nRNA,可以一致，但,mRNA,却不相同。,加工水平的调控,2,转录后初级产物,RNA,的加工,如从大鼠甲状腺和脑下垂体细胞分离得到的同一初级转录物，通过不同的剪切与加工，可产生,2,种不同的成熟,mRNA,。在甲状腺,C,细胞中编码,降钙素,，而在脑下垂体和多种神经细胞中，则编码,降钙素基因相关蛋白,。,加工水平的调控,3,专一,mRNA,的降解,如哺乳动物成红细胞（,erythroblast,）的分化过程中，早期细胞合成若干种,mRNA,，其中少量的珠蛋白,mRNA,被保留，但到后期最后几次细胞分裂时，只有珠蛋白,mRNA,保留下来，其他种类的,mRNA,均被降解。,在黏菌发育过程中，如果黏菌在某一阶段停止发育，则会把准备用于下阶段的新,mRNA,降解。,翻译水平的调控,真核细胞翻译水平的调控包括,:,mRNA,的细胞质定位,mRNA,翻译的调控,mRNA,稳定性的调控,mRNA,的细胞质定位,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,微管和微丝对细胞中特定部位的,mRNA,的聚集有一定关系微管主要涉及转运,mRNA,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,mRNA.,mRNA,翻译的调控,铁蛋白的翻译是细胞在,mRNA,水平控制基因表达的一个很好的例子。铁蛋白在细胞内的作用是螯合细胞质中的游离铁原子，保护细胞免受游离金属的毒性。铁蛋白的翻译受细胞内游离铁的浓度调节的，铁离子的浓度影响一种阻遏蛋白的活性。,mRNA,稳定性的调控,mRNA,的寿命与它的多聚,(A),尾巴长度有关,哺乳动物细胞内,mRNA,的降解途径说明一旦多聚,(A),尾巴减少到一定长度，,mRNA,会迅速降解,3,UTR,的核苷酸顺序的不同似乎在多聚,(A),尾巴变短,时扮演一个与降解速率有关的角色,翻译后加工的调控,在真核生物中许多激素的合成都是以一个共同的前体合成的，称为聚蛋白，然后切割成不同的蛋白质。但是在不同的组织中，切割的方式是不同的，因此相同的基因在不同的组织中合成不同的激素蛋白。例如多肽蛋白阿黑皮素原,(POMC),的合成就是一例。,基因表达过程中，一条合成的多肽链经翻译后加工产生多种不同活性的蛋白质或多肽。,如鸦片促黑皮质素,(POMC),：,结构上为,ACTH,，促黑素细胞激素,(MSH),，内啡肽,脂酸动员激素,(LPH),的前体。,翻译水平的调控,真核细胞基因表达调节的多重性,