第20章生长因子、癌基因与抑癌基因.

1、 概概 述述第一节第一节 细胞增殖的分子基础细胞增殖的分子基础第二节第二节 细胞分化的分子机制细胞分化的分子机制第三节第三节 肿瘤细胞增殖机制肿瘤细胞增殖机制l重点：重点： 1. 细胞增殖与细胞周期；细胞增殖与细胞周期； 2. 生长因子；生长因子； 3. 细胞分化。细胞分化。 4. 癌基因及其功能；癌基因及其功能； 5. 抑癌基因及其功能。抑癌基因及其功能。l难点：难点： 1. 细胞周期的调控。细胞周期的调控。 2. 癌基因与抑癌基因在肿瘤发生中的作用。癌基因与抑癌基因在肿瘤发生中的作用。l进展：进展： 1. 生长因子的临床应用。生长因子的临床应用。 2. 肿瘤分子生物学。肿瘤分子生物学。 细

2、胞的增殖细胞的增殖(proliferation)与分化与分化(differentiation)是生物胚胎发育、生物个体生长以及生命活动是生物胚胎发育、生物个体生长以及生命活动的维持过程中的两个重要事件。的维持过程中的两个重要事件。 从一个简单的受精卵到一个独特的，具有不同从一个简单的受精卵到一个独特的，具有不同于其他个体的表型和基因型、能够完成复杂的于其他个体的表型和基因型、能够完成复杂的生命活动的生物体，是一个非常奇妙的过程。生命活动的生物体，是一个非常奇妙的过程。 细胞的增殖与分化在这个过程中是如何进行，细胞的增殖与分化在这个过程中是如何进行，又是如何被调控，一直是生命科学家为之探又是如何

3、被调控，一直是生命科学家为之探索的重要问题。索的重要问题。 此外，细胞的增殖与分化还是生物个体正常此外，细胞的增殖与分化还是生物个体正常生理活动的基础，并且和生物体的衰老、疾生理活动的基础，并且和生物体的衰老、疾病过程密切相关。病过程密切相关。一、一、细胞增殖是生长的主要因素之一细胞增殖是生长的主要因素之一二、二、细胞周期是细胞分裂过程中的有序事件细胞周期是细胞分裂过程中的有序事件三、三、细胞周期蛋白调节细胞周期中不同时相的细胞周期蛋白调节细胞周期中不同时相的正确转换正确转换四、四、不同时相转换的关卡是细胞周期调控的关不同时相转换的关卡是细胞周期调控的关键环节键环节五、五、生长因子具有调节细胞

4、生长与分化的作用生长因子具有调节细胞生长与分化的作用 细胞增殖细胞增殖 (cell proliferation) 是由于是由于细胞生长细胞生长 (cell growth) 和和细胞分裂细胞分裂 (cell division) 而导而导致的细胞数目的增加，是个体生长发育的重致的细胞数目的增加，是个体生长发育的重要过程之一，也是一种重要的生命现象。要过程之一，也是一种重要的生命现象。 这种现象不仅存在于胚胎时期，而且在出生这种现象不仅存在于胚胎时期，而且在出生后仍然存在；它不仅在正常的生理条件下发后仍然存在；它不仅在正常的生理条件下发生，而且也和某些疾病密切相关。生，而且也和某些疾病密切相关。 细

5、胞增殖主要受到细胞增殖主要受到生长因子生长因子的调控，涉及很的调控，涉及很多基因的表达变化和细胞信号传导途径的介多基因的表达变化和细胞信号传导途径的介入。任何一个环节失调都有可能导致疾病的入。任何一个环节失调都有可能导致疾病的发生。发生。 生物体的生长包括三个方面的含义：生物体的生长包括三个方面的含义： 细胞数目增多细胞数目增多 (cell proliferation) 细胞体积增大细胞体积增大 (cell enlargement) 细胞外基质的合成细胞外基质的合成 (cell accretion) 生物体生长的三种方式生物体生长的三种方式 真核细胞的分裂经历一系列具有固定发生顺序的事真核细胞

6、的分裂经历一系列具有固定发生顺序的事件，这一过程称为件，这一过程称为细胞周期细胞周期 (cell cycle)。细胞周期的时相细胞周期的时相间期间期 (interphase)分裂期分裂期 (metaphase, M期期)G1期期 (合成前期合成前期)S期期 (DNA合成期合成期)G2期期 (合成后期合成后期) 多数哺乳动物细胞的细胞周期在多数哺乳动物细胞的细胞周期在1030小时小时之间。迅速分裂的之间。迅速分裂的人源细胞人源细胞经过整个细胞周经过整个细胞周期需要期需要24小时，而迅速生长的酵母细胞只需小时，而迅速生长的酵母细胞只需90分钟就可以完成整个细胞周期。分钟就可以完成整个细胞周期。 多

7、细胞生物体中一些细胞可暂时离开细胞周多细胞生物体中一些细胞可暂时离开细胞周期，从期，从G2期进入静止期，即期进入静止期，即G0期。期。G0期的期的细胞处于静止状态，不分裂，也不生长。细胞处于静止状态，不分裂，也不生长。G0期持续的时间可以是几天、几周，甚至几年，期持续的时间可以是几天、几周，甚至几年，但这些细胞可以在某些生长因子的作用下被但这些细胞可以在某些生长因子的作用下被重新诱导进入重新诱导进入G1期。期。（一）细胞周期蛋白在模式生物早期胚胎发育（一）细胞周期蛋白在模式生物早期胚胎发育的研究中被发现的研究中被发现 细胞周期蛋白细胞周期蛋白 (cyclin) 是一类随着细胞周期是一类随着细胞

8、周期不同时相的转换，其浓度也随之发生变化的不同时相的转换，其浓度也随之发生变化的蛋白质，这些蛋白质通过与蛋白质，这些蛋白质通过与相应的蛋白激酶相应的蛋白激酶的结合对细胞周期进行调控。的结合对细胞周期进行调控。 在在20世纪世纪80年代初期，年代初期，T. Hunt 等在以海胆等在以海胆为模式生物进行早期胚胎发育的研究中发现，为模式生物进行早期胚胎发育的研究中发现，细胞内有一种蛋白的含量随着细胞周期的变细胞内有一种蛋白的含量随着细胞周期的变化而发生改变。化而发生改变。 现已发现细胞周期蛋白是一个现已发现细胞周期蛋白是一个大家族大家族，包含，包含有十几个成员。有十几个成员。 不同种属的细胞周期蛋白

9、具有不同种属的细胞周期蛋白具有高度的保守性高度的保守性。蛋白激酶蛋白激酶（异二聚体）（异二聚体）调节亚单位（细胞周期蛋白，调节亚单位（细胞周期蛋白，cyclins ）催化亚单位（细胞周期蛋白依赖性激酶，催化亚单位（细胞周期蛋白依赖性激酶， cyclin dependent kinase，CDK） 20世纪世纪80年代初，年代初，L. Hartwell等利用遗传学等利用遗传学的方法在研究啤酒酵母时，发现了一群基因的方法在研究啤酒酵母时，发现了一群基因与细胞周期的调控相关，称为细胞分裂周期与细胞周期的调控相关，称为细胞分裂周期基因基因 (cell division cycle genes, CDC

10、 genes) ，其中的其中的Cdc 28又被称为又被称为“start”。 80年代中期，年代中期，P. Nurse等发现了等发现了Cdc 2基因，基因，Cdc 2基因不但控制基因不但控制G2期向期向M的转换，而且与的转换，而且与start基因一样也控制着基因一样也控制着G1期向期向S期的转换。后期的转换。后来来Cdc 2基因被命名为基因被命名为Cdk1。 现在已发现十余种人的现在已发现十余种人的CDK分子。分子。T. Hunt, L. Hartwell 和和 P. Nurse 等三人由于在细胞周等三人由于在细胞周期研究中的贡献，于期研究中的贡献，于2001年获得了诺贝尔生年获得了诺贝尔生理学

11、或医学奖。理学或医学奖。 CDKs单独存在时并不表现其激酶活性。当单独存在时并不表现其激酶活性。当细胞周期蛋白与其结合时才被激活。这些细胞周期蛋白与其结合时才被激活。这些蛋蛋白复合物白复合物控制了细胞周期中不同时相的转换，控制了细胞周期中不同时相的转换，以及在各个时相中的一些重要事件的发生，以及在各个时相中的一些重要事件的发生， 例如：在例如：在S期中期中DNA的合成和的合成和M期中有丝分期中有丝分裂的进行。裂的进行。细胞周期蛋白细胞周期蛋白激激 酶酶功功 能能 值得注意的是，有一些值得注意的是，有一些CDKs不仅仅与一种不仅仅与一种细胞周期蛋白结合；一些细胞周期蛋白也可细胞周期蛋白结合；一些

12、细胞周期蛋白也可以与一种以上的以与一种以上的CDK结合。结合。 此外，此外，CDK-细胞周期蛋白复合体细胞周期蛋白复合体的生物学的生物学功能并不仅仅局限于细胞周期的调节。功能并不仅仅局限于细胞周期的调节。 CDK5在有丝分裂期后的神经元中高度表达。在有丝分裂期后的神经元中高度表达。而而CDK8和和CDK9似乎主要在转录调节方面似乎主要在转录调节方面起作用。还有起作用。还有CDK2和和CDK5也在细胞凋亡也在细胞凋亡中起作用。中起作用。 细胞周期蛋白的含量在有丝分裂晚期急剧下细胞周期蛋白的含量在有丝分裂晚期急剧下降，说明细胞内存在着降解这些蛋白分子的降，说明细胞内存在着降解这些蛋白分子的机制。机

13、制。 目前已知，细胞周期蛋白合成后，在其目前已知，细胞周期蛋白合成后，在其N末末端可以发生多泛素化，即共价结合多个泛素。端可以发生多泛素化，即共价结合多个泛素。 泛素是由泛素是由76个氨基酸组成的蛋白分子，一些个氨基酸组成的蛋白分子，一些蛋白的多泛素化可导致其在细胞的蛋白酶体蛋白的多泛素化可导致其在细胞的蛋白酶体内迅速降解。内迅速降解。 在整个细胞周期中有在整个细胞周期中有三个关键的转折点或关三个关键的转折点或关卡卡(checkpoint)： G1- -S期转折点，在酵母中称为起点期转折点，在酵母中称为起点(start)，在哺乳动物中称为限制点在哺乳动物中称为限制点(restriction p

14、oint)； G2- -M期转折点，决定有丝分裂的开始；期转折点，决定有丝分裂的开始； M后期后期- -胞质分裂完成细胞分裂。胞质分裂完成细胞分裂。 这些过程都是不可逆的，因此也就决定了细这些过程都是不可逆的，因此也就决定了细胞周期进程的胞周期进程的单向性单向性。 细胞周期中由细胞周期中由G1向向S期的转折期的转折至关重要至关重要。 细胞周期一旦通过起点或限制点，就意味着细胞周期一旦通过起点或限制点，就意味着从静止状态进入了从静止状态进入了DNA合成期。合成期。 DNA合成完成后，细胞通过合成完成后，细胞通过G2期进入有丝期进入有丝分裂期。分裂期。 有丝分裂期的有丝分裂期的CDK复合体复合体是

15、在是在S期和期和G2期形期形成的，但在成的，但在DNA合成完成之前，此复合体处合成完成之前，此复合体处于无活性状态。于无活性状态。关卡关卡调控因子及其作用调控因子及其作用正性作用（复合体）正性作用（复合体）负性作用负性作用 (CKI)G1-S期期关卡关卡cyclinD+CDK4/6 cyclinE+CDK2/3转录因子转录因子E2F促进促进G1期进入期进入S期期INK4家族和家族和CIP/KIP家族家族与与cyclin竞争竞争结合结合CDK、或与或与CDK-cyclin复合物复合物相互作用，引相互作用，引起起G1期停滞期停滞cyclinA+CDK2促进早促进早S期期DNA合成的起始合成的起始G

16、2-M期期关卡关卡cyclinB+CDK1促进促进G2期进入期进入M期期14-3-3G2期停滞时，期停滞时，使使MPF隐蔽隐蔽于细胞质于细胞质中后期中后期关卡关卡APC促进促进cyclinB的的降解，降解，CDK活活性下降性下降-细胞周期关卡及其调控细胞周期关卡及其调控MPF (mitosis-promoting factor)促有丝分裂因子促有丝分裂因子 (= CDK1-cyclin B复合物复合物)APC (anaphase promoting complex) 分裂后期促进复合体分裂后期促进复合体 在在20世纪世纪90年代初，科学家们分别发现了细年代初，科学家们分别发现了细胞周期的重要调

17、节因子胞周期的重要调节因子细胞周期蛋白激细胞周期蛋白激酶抑制因子酶抑制因子，又称为，又称为CDK抑制蛋白抑制蛋白(cyclin kinase inhibitor，CKI，or CDK inhibitory protein，CIP)。 根据这些因子与根据这些因子与CDK相互作用的特异性和序相互作用的特异性和序列同源性，可以分为列同源性，可以分为两大家族两大家族。一类是。一类是INK4 (inhibitors of kinase 4，激酶，激酶4抑制因抑制因子子) 家族，另一类是家族，另一类是CIPKIP家族。家族。 近年来，一种近年来，一种新的新的CKI引起了人们的注意，引起了人们的注意，这就是

18、这就是14-3-3。 14-3-3是是14-3-3家族成员家族成员之一，是人类乳腺上皮细胞的特异性标记，之一，是人类乳腺上皮细胞的特异性标记，参与参与DNA损伤后细胞周期损伤后细胞周期G2期的调控。期的调控。14-3-3INK4家族，包括家族，包括p15-19等等CIP/KIP家族家族, 包包括括p21,p27,p57等等 生长因子生长因子(growth factors)是一类由细胞分泌是一类由细胞分泌的、类似于激素的信号分子，多数为肽类的、类似于激素的信号分子，多数为肽类（含蛋白类）物质，具有调节细胞生长与分（含蛋白类）物质，具有调节细胞生长与分化的作用。化的作用。 生长因子的作用机制相当复

19、杂，与细胞生长、生长因子的作用机制相当复杂，与细胞生长、分化、免疫、肿瘤、创伤愈合等多种生理及分化、免疫、肿瘤、创伤愈合等多种生理及病理状态有关，因而受到科学家们极大的重病理状态有关，因而受到科学家们极大的重视。视。 目前已发现的肽类生长因子有数十种，而且目前已发现的肽类生长因子有数十种，而且还在不断增加。对大部分生长因子的结构与还在不断增加。对大部分生长因子的结构与功能了解得相当清楚。功能了解得相当清楚。 生长因子的生物学效应生长因子的生物学效应： 大多数生长因子具有促进靶细胞生长、大多数生长因子具有促进靶细胞生长、分化，促进个体发育的功能；少数生长因子分化，促进个体发育的功能；少数生长因子

20、具有负调节作用或双重调节作用。具有负调节作用或双重调节作用。 生长因子生长因子主要主要通过旁分泌形式作用于邻近细通过旁分泌形式作用于邻近细胞，通过自分泌作用于自身。甚至不分泌到胞，通过自分泌作用于自身。甚至不分泌到细胞外，即可作用于自身。细胞外，即可作用于自身。 生长因子可来源于多种不同组织，其靶细胞生长因子可来源于多种不同组织，其靶细胞亦各不相同。有的生长因子作用的细胞比较亦各不相同。有的生长因子作用的细胞比较单一，也有的生长因子作用的细胞谱型比较单一，也有的生长因子作用的细胞谱型比较广。广。名名 称称细胞来源细胞来源主要靶细胞主要靶细胞取决于细胞内信号系统取决于细胞内信号系统 生长因子的受

21、体多位于靶细胞膜，为一类跨生长因子的受体多位于靶细胞膜，为一类跨膜蛋白，多数具有蛋白激酶、特别是膜蛋白，多数具有蛋白激酶、特别是酪氨酸酪氨酸蛋白激酶蛋白激酶的功能，也有少数为丝氨酸苏氨的功能，也有少数为丝氨酸苏氨酸蛋白激酶受体。酸蛋白激酶受体。 最近发现细胞核也存在最近发现细胞核也存在EGF等生长因子的受等生长因子的受体样蛋白。有些生长因子受体体样蛋白。有些生长因子受体(如如EGF受体受体)与原癌基因产物有与原癌基因产物有高度同源性高度同源性。 对生长因子对生长因子受体的研究受体的研究不仅有助于了解细胞不仅有助于了解细胞的增殖分化，而且对了解肿瘤的发生、发展的增殖分化，而且对了解肿瘤的发生、发

22、展及治疗也具有重要意义。及治疗也具有重要意义。u生长因子受体生长因子受体(1) 酪氨酸蛋白激酶受体酪氨酸蛋白激酶受体 EGF受体受体 、FGF受体受体 、PDGF受体受体 、 HGF 受体受体 (Met) 、VEGF、胰岛素受体等、胰岛素受体等(2) 丝氨酸丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体苏氨酸蛋白激酶受体 TGFI型受体和型受体和II型受体型受体 、骨形成蛋白受体、骨形成蛋白受体(3) 与酪氨酸蛋白激酶与酪氨酸蛋白激酶(JAK)偶联的受体偶联的受体 多种白细胞介素多种白细胞介素 EGF表皮生长因子表皮生长因子 FGF成纤维细胞生长因子成纤维细胞生长因子 PDGF血小板衍生生长因子血小板衍生生长因子

23、 HGF肝细胞生长因子肝细胞生长因子 VEGF血管内皮生长因子血管内皮生长因子 IGF胰岛素样生长因子胰岛素样生长因子 TGF转化生长因子转化生长因子 经过多年研究，人们对已知生长因子的基因经过多年研究，人们对已知生长因子的基因结构及其基因产物已经有了明确的了解。结构及其基因产物已经有了明确的了解。 伴随着伴随着DNA重组技术的完善和广泛应用，以重组技术的完善和广泛应用，以工业化规模生产原本昂贵的肽类生长因子已工业化规模生产原本昂贵的肽类生长因子已成为现实。成为现实。 不少生长因子已经应用于临床治疗，其应用不少生长因子已经应用于临床治疗，其应用前景引起广大科研和医务工作者的高度重视。前景引起广

24、大科研和医务工作者的高度重视。生长因子在疾病治疗中的应用生长因子在疾病治疗中的应用NGFEGF, PDGF, TGF, bFGF 等等VEGFHGFNGFIGF2一、一、细胞分化是一渐进过程并受到一系列细胞细胞分化是一渐进过程并受到一系列细胞信号分子的调控信号分子的调控二、二、胚胎干细胞分化具有全能性胚胎干细胞分化具有全能性三、三、成体细胞的横向分化成体细胞的横向分化四、四、再生医学是再生医学是21世纪医学研究的热点世纪医学研究的热点 在胚胎发育过程中，一个受精卵经历多次细在胚胎发育过程中，一个受精卵经历多次细胞分裂不仅导致细胞数量增加，同时也诱发胞分裂不仅导致细胞数量增加，同时也诱发了各种类

25、型细胞的出现。了各种类型细胞的出现。 细胞分化细胞分化 (cell differentiation) 便是指胚胎细便是指胚胎细胞获得不同形态、结构和功能特征的过程。胞获得不同形态、结构和功能特征的过程。 人的受精卵细胞同样如此，通过限制、定向人的受精卵细胞同样如此，通过限制、定向与分化等各种事件，最后产生构成人体各种与分化等各种事件，最后产生构成人体各种组织、器官的组织、器官的200多种不同类型的细胞。多种不同类型的细胞。 细胞分化过程中的细胞分化过程中的核心核心是基因的选择性表达，是基因的选择性表达，通过不同基因表达的开启或关闭，最终产生通过不同基因表达的开启或关闭，最终产生分化细胞所特有的

26、蛋白质。分化细胞所特有的蛋白质。 细胞分化受到一系列的信号分子调控。这些细胞分化受到一系列的信号分子调控。这些信号分子通过不同的途径决定了细胞特异性信号分子通过不同的途径决定了细胞特异性的基因表达方式。的基因表达方式。 细胞分化细胞分化基因的表达调控基因的表达调控可以发生在转录、可以发生在转录、翻译以及翻译后蛋白质修饰等不同环节，其翻译以及翻译后蛋白质修饰等不同环节，其中，发生在中，发生在转录水平转录水平的调节是的调节是最重要最重要的。的。 在通常情况下，多数与分化发育相关的基因在通常情况下，多数与分化发育相关的基因处于抑制状态，需要在特定的发育阶段激活。处于抑制状态，需要在特定的发育阶段激活

27、。基因调节蛋白或转录因子便充当了这种激活基因调节蛋白或转录因子便充当了这种激活物。物。 转录调节的一个转录调节的一个重要特点重要特点是不同调节蛋白或是不同调节蛋白或转录因子之间以及它们与其他蛋白或某些小转录因子之间以及它们与其他蛋白或某些小分子之间的相互作用。分子之间的相互作用。 细胞分化通常是一个渐进的过程，不仅发生细胞分化通常是一个渐进的过程，不仅发生在胚胎时期，而且贯穿于生命的全过程。在胚胎时期，而且贯穿于生命的全过程。 对大多数细胞来说，当其发育过程通过某一对大多数细胞来说，当其发育过程通过某一或某些关键时刻或阶段时，这个细胞的发育或某些关键时刻或阶段时，这个细胞的发育选择就被限定了。

28、选择就被限定了。 已经被定向的细胞最终转变为成熟细胞仍需已经被定向的细胞最终转变为成熟细胞仍需要经历一定的发育阶段。但是，通常情况下要经历一定的发育阶段。但是，通常情况下它不能从一种细胞发育轨道跳跃至另一细胞它不能从一种细胞发育轨道跳跃至另一细胞发育轨道，例如已被定向决定了的骨骼肌细发育轨道，例如已被定向决定了的骨骼肌细胞一般不会转化为神经细胞。胞一般不会转化为神经细胞。 分化分化 (differentiation)：细胞经过定向再转化细胞经过定向再转化为结构与功能上特异的细胞的过程。为结构与功能上特异的细胞的过程。 伴随细胞分化过程的是伴随细胞分化过程的是特异性基因的阶段性特异性基因的阶段性

29、表达表达： 特异性基因的阶段性表达受到这些基因在特异性基因的阶段性表达受到这些基因在染色体上排列位置的影响。改变它们在染色染色体上排列位置的影响。改变它们在染色体上的排列顺序，就可以丧失其发育阶段性体上的排列顺序，就可以丧失其发育阶段性特征。特征。 特异性基因的阶段性表达还受到组合调控特异性基因的阶段性表达还受到组合调控(combinational control)的影响，即多个基因的影响，即多个基因表达调节蛋白共同协调的对某一特定基因进表达调节蛋白共同协调的对某一特定基因进行调控，以及多种细胞信号分子的网络式调行调控，以及多种细胞信号分子的网络式调节。节。 细胞分化是一个非常复杂的过程，需要

30、多种细胞分化是一个非常复杂的过程，需要多种细胞信号分子的精细协调，涉及极其复杂的细胞信号分子的精细协调，涉及极其复杂的信号转导过程，而且不同信号通路之间又互信号转导过程，而且不同信号通路之间又互相互作用。相互作用。 细胞外信号网络细胞外信号网络：细胞所处微环境中的各种：细胞所处微环境中的各种细胞生长因子及邻近细胞表面分子。细胞生长因子及邻近细胞表面分子。 细胞内信号网络细胞内信号网络：细胞接受细胞外信号的受：细胞接受细胞外信号的受体及信号转导分子体及信号转导分子（一）胚胎干细胞具有分化为体内大多数细胞（一）胚胎干细胞具有分化为体内大多数细胞 类型的能力类型的能力 受精卵能够分化形成生物个体内全

31、部的不同类型细受精卵能够分化形成生物个体内全部的不同类型细胞的能力称为胞的能力称为全能性全能性 (totipotency)。 胚胎干细胞胚胎干细胞 (embryonic stem cell)是最早期的未分化是最早期的未分化细胞，从理论上讲，它具有细胞，从理论上讲，它具有“全能性全能性”。 当受精卯分裂发育成囊胚时，将内细胞团分离出来当受精卯分裂发育成囊胚时，将内细胞团分离出来进行培养，在一定条件下，这些细胞既可在体外进行培养，在一定条件下，这些细胞既可在体外“无限期无限期”地增殖传代，同时还保持其全能性。地增殖传代，同时还保持其全能性。 干细胞可以分化为三个胚层的不同细胞。干细胞可以分化为三个

32、胚层的不同细胞。 人的胚胎干细胞的体外培养直到人的胚胎干细胞的体外培养直到1998年才获年才获得成功。然而，从胚胎干细胞向不同组织细得成功。然而，从胚胎干细胞向不同组织细胞胞“定向分化定向分化”的条件至今还不清楚，胚胎的条件至今还不清楚，胚胎干细胞分化发育的调控机制一直是干细胞研干细胞分化发育的调控机制一直是干细胞研究领域的主要课题之一。究领域的主要课题之一。 细胞发育分化的细胞发育分化的多能性多能性 (pluripotency) 可定可定义为细胞分化为体内大多数细胞类型的能力义为细胞分化为体内大多数细胞类型的能力。 有的科学家认为，即便是来源于内细胞团的有的科学家认为，即便是来源于内细胞团的

33、胚胎干细胞，也已经在某种程度上具有了一胚胎干细胞，也已经在某种程度上具有了一定的定向。这些细胞所具有的多能性，也足定的定向。这些细胞所具有的多能性，也足以使它们能够作为体外研究哺乳类动物发育以使它们能够作为体外研究哺乳类动物发育的模型。的模型。 细胞的增殖与分化是矛盾的两个方面。处于细胞的增殖与分化是矛盾的两个方面。处于未分化状态的细胞可以有很强的增殖能力，未分化状态的细胞可以有很强的增殖能力，一旦分化为成熟细胞通常就失去了增殖能力。一旦分化为成熟细胞通常就失去了增殖能力。干细胞也是如此。干细胞也是如此。 在长期体外培养中如何保持胚胎干细胞处于在长期体外培养中如何保持胚胎干细胞处于未分化状态，

34、并进行不断地自我增殖是一个未分化状态，并进行不断地自我增殖是一个关键的问题。关键的问题。 胚胎干细胞可以进行不对称分裂胚胎干细胞可以进行不对称分裂(asymmetric division)和对称分裂和对称分裂(symmetric division)。 不对称分裂不对称分裂是指细胞在分裂过程中，子细胞是指细胞在分裂过程中，子细胞有差异的继承亲代细胞的物质和特征，一个有差异的继承亲代细胞的物质和特征，一个细胞保持亲代细胞的特征，而另外一个细胞细胞保持亲代细胞的特征，而另外一个细胞则被定向分化。则被定向分化。 对称分裂对称分裂是指子细胞平等的继承亲代细胞的是指子细胞平等的继承亲代细胞的物质和特征，在

35、条件合适的情况下进行快速物质和特征，在条件合适的情况下进行快速的无限扩增。的无限扩增。全能性及多能性的维持全能性及多能性的维持 横向分化横向分化又称为又称为转分化转分化 (transdifferentiation)： 通常是指一种已经分化的细胞类型不可逆地转通常是指一种已经分化的细胞类型不可逆地转化为另外一种正常分化的细胞类型。化为另外一种正常分化的细胞类型。 转分化前后的细胞在形态上和分子水平上都有明确转分化前后的细胞在形态上和分子水平上都有明确的特征以示区别。在一些情况下，转分化伴有细胞的特征以示区别。在一些情况下，转分化伴有细胞分裂，而在另外一些情况下，不伴有细胞分裂。分裂，而在另外一些

36、情况下，不伴有细胞分裂。 转分化不可避免地伴有不同基因的关闭或启动，也转分化不可避免地伴有不同基因的关闭或启动，也就是基因组活动的重新编程就是基因组活动的重新编程 (reprogramming)。 成体干细胞成体干细胞 (adult stem cell) 是指存在于已是指存在于已经分化的组织中但自身尚未完全分化，且具经分化的组织中但自身尚未完全分化，且具有自我更新、在特定条件下能够进一步分化有自我更新、在特定条件下能够进一步分化的细胞。的细胞。 人体几乎所有组织都存在成体干细胞。成体人体几乎所有组织都存在成体干细胞。成体干细胞已经有相当程度的分化，如果不受外干细胞已经有相当程度的分化，如果不受

37、外加条件的影响，一种组织的成体干细胞倾向加条件的影响，一种组织的成体干细胞倾向于分化成该组织的各种细胞，比如造血干细于分化成该组织的各种细胞，比如造血干细胞在体内自动分化成各种血细胞。胞在体内自动分化成各种血细胞。 近几年的研究结果证实：在特定的条件下，近几年的研究结果证实：在特定的条件下，一种组织的成体干细胞可以转分化成其他组一种组织的成体干细胞可以转分化成其他组织的功能细胞。例如造血干细胞可以分化成织的功能细胞。例如造血干细胞可以分化成神经细胞和肝细胞；间充质干细胞可以分化神经细胞和肝细胞；间充质干细胞可以分化成神经、肌、软骨和骨等多种细胞；脂肪组成神经、肌、软骨和骨等多种细胞；脂肪组织的

38、干细胞，在一定条件下可以分化成神经织的干细胞，在一定条件下可以分化成神经细胞。细胞。 转分化现象的发现促使人们重新认识细胞发转分化现象的发现促使人们重新认识细胞发育分化的机制，也使得利用病人自身健康组育分化的机制，也使得利用病人自身健康组织的干细胞来修复病损组织成为可能。织的干细胞来修复病损组织成为可能。 细胞的细胞的终末分化状态终末分化状态往往被认为是固定的。往往被认为是固定的。而细胞的这种特定状态是由一些转录因子的而细胞的这种特定状态是由一些转录因子的共同作用决定的。共同作用决定的。 某些某些主控制基因主控制基因可以决定细胞的分化或未分可以决定细胞的分化或未分化状态，而它们的作用在一定程度

39、上还要依化状态，而它们的作用在一定程度上还要依赖于其他转录因子的活性。赖于其他转录因子的活性。 组织再生组织再生是生物界普遍存在的现象。不同种属动物是生物界普遍存在的现象。不同种属动物的再生的再生潜能潜能差异很大，与无脊椎动物相比，脊椎动差异很大，与无脊椎动物相比，脊椎动物特别是高等哺乳动物的再生能力非常有限。物特别是高等哺乳动物的再生能力非常有限。 此外，同一种属动物不同组织的再生能力也同样具此外，同一种属动物不同组织的再生能力也同样具有相当大的差异。例如，人的上皮组织、骨组织和有相当大的差异。例如，人的上皮组织、骨组织和肝组织等具有较强的再生能力；而神经组织、心肌肝组织等具有较强的再生能力

40、；而神经组织、心肌组织等则一直被认为是不能再生的组织。组织等则一直被认为是不能再生的组织。 具有多种分化潜能的干细胞便引起人们广泛具有多种分化潜能的干细胞便引起人们广泛的关注。人们期待着利用干细胞的这种特性的关注。人们期待着利用干细胞的这种特性进行组织再生，实现对机体组织损伤的修复，进行组织再生，实现对机体组织损伤的修复，再生医学再生医学 (regenerative medicine) 应运而生。应运而生。 再生医学再生医学是一门通过研究机体正常组织特征是一门通过研究机体正常组织特征与功能、损伤修复与再生机制，进而寻找有与功能、损伤修复与再生机制，进而寻找有效的生物治疗方法，促进机体自我修复与

41、再效的生物治疗方法，促进机体自我修复与再生，或构建新的组织与器官，以改善或恢复生，或构建新的组织与器官，以改善或恢复损伤组织和器官之功能的科学。损伤组织和器官之功能的科学。 再生医学是一门新兴的多学科再生医学是一门新兴的多学科交叉学科交叉学科，涉，涉及医学与生命科学、材料科学、力学、数学、及医学与生命科学、材料科学、力学、数学、计算机科学和工程学等不同学科。计算机科学和工程学等不同学科。 利用这些学科的原理与方法，人们已经研发利用这些学科的原理与方法，人们已经研发出各种产品，用于修复、改善或替代人体组出各种产品，用于修复、改善或替代人体组织器官的产品，并应用于临床治疗某些因疾织器官的产品，并应

42、用于临床治疗某些因疾病、创伤所造成的组织器官缺损或功能障碍，病、创伤所造成的组织器官缺损或功能障碍，并显示出并显示出良好的发展前景良好的发展前景。 正常细胞的增殖受到细胞内外多种信号分子正常细胞的增殖受到细胞内外多种信号分子的调控。的调控。 一类属正调控信号分子，促进细胞的生长与一类属正调控信号分子，促进细胞的生长与增殖，并阻碍细胞的终末分化；增殖，并阻碍细胞的终末分化； 另一类属负调控信号分子，抑制细胞增殖，另一类属负调控信号分子，抑制细胞增殖，促进细胞分化、衰老或凋亡。促进细胞分化、衰老或凋亡。 这些信号分子的这些信号分子的调控失衡调控失衡将引起异常的增殖将引起异常的增殖和持续的分裂。和持

43、续的分裂。 肿瘤肿瘤是人类主要致死疾病。是人类主要致死疾病。 目前认为，肿瘤的发生发展是一些编码细胞目前认为，肿瘤的发生发展是一些编码细胞增殖、分化、凋亡调控信号以及增殖、分化、凋亡调控信号以及DNA损伤修损伤修复蛋白的复蛋白的基因发生改变基因发生改变，导致细胞增殖调控，导致细胞增殖调控失衡的结果。失衡的结果。 这些基因的改变有的来自于遗传，有的是基这些基因的改变有的来自于遗传，有的是基因与环境相互作用所致。因与环境相互作用所致。 其编码产物能够促进肿瘤发生与发展的基因其编码产物能够促进肿瘤发生与发展的基因被称为被称为癌基因癌基因(oncogene)； 其编码产物能够抑制肿瘤发生与发展的基因其

44、编码产物能够抑制肿瘤发生与发展的基因被称为被称为抑癌基因抑癌基因(tumor suppressor gene)。 肿瘤细胞增生的肿瘤细胞增生的核心问题核心问题是基因突变。是基因突变。 在基因水平上促使细胞增生及凋亡失去平衡，在基因水平上促使细胞增生及凋亡失去平衡，导致细胞恶性变的原因导致细胞恶性变的原因有：有： 控制细胞增殖的原癌基因活化或抑癌基因控制细胞增殖的原癌基因活化或抑癌基因失活；失活； 促细胞凋亡的基因失活或抑制凋亡的基因促细胞凋亡的基因失活或抑制凋亡的基因功能增强；功能增强； DNA修复基因失活，使突变在细胞内积累，修复基因失活，使突变在细胞内积累，并且累及到调节细胞增生及细胞凋亡

45、的基因。并且累及到调节细胞增生及细胞凋亡的基因。 这些基因中某一基因的单一突变所致肿瘤发这些基因中某一基因的单一突变所致肿瘤发生的几率较小，数种相关基突变的生的几率较小，数种相关基突变的积累积累最终最终将导致肿瘤发生、发展与转移。将导致肿瘤发生、发展与转移。肿瘤：肿瘤： 癌基因癌基因 (oncogene) 是指细胞内或病毒内存在的、是指细胞内或病毒内存在的、编码产物能促使正常细胞恶性转化编码产物能促使正常细胞恶性转化 (transformation)，即发生恶性变的基因。，即发生恶性变的基因。 存在于反转录病毒中的称为存在于反转录病毒中的称为病毒癌基因病毒癌基因 (virus oncogene

46、, v-onc)； 存在于细胞中的称存在于细胞中的称细胞癌基因细胞癌基因 (cellular oncogene, c-onc) 或或原癌基因原癌基因 (proto-oncogene)。 病毒癌基因病毒癌基因 (virus oncogene, v-onc) ： 由病毒携带并传播的，可以引起宿主正由病毒携带并传播的，可以引起宿主正常细胞发生恶性转化的基因。常细胞发生恶性转化的基因。 癌基因最早发现于反转录病毒中。癌基因最早发现于反转录病毒中。 1911年，美国洛克菲勒研究所的年，美国洛克菲勒研究所的F. Rous医生医生将鸡肉瘤组织匀浆后的无细胞滤液皮下注射将鸡肉瘤组织匀浆后的无细胞滤液皮下注射于

47、健康鸡，发现可以引起肉瘤。于健康鸡，发现可以引起肉瘤。 20世纪世纪50年代确定了引起该种肉瘤的是一种年代确定了引起该种肉瘤的是一种病毒，命名为罗氏肉瘤病毒病毒，命名为罗氏肉瘤病毒 (Rous Sarcoma Virus，RSV)。 从鸡肉瘤中分离得到的从鸡肉瘤中分离得到的RSV在体外在体外能使鸡胚能使鸡胚成纤维细胞转化，成纤维细胞转化，在体内在体内能使鸡患肉瘤。能使鸡患肉瘤。 1975年，年，M. Bishop等比较了具备转化和不等比较了具备转化和不具备转化特性的具备转化特性的RSV的基因组，发现野生型的基因组，发现野生型RSV中存在着一个与病毒生活史无关，但是中存在着一个与病毒生活史无关，

48、但是能够转化鸡胚成纤维细胞，并使鸡患肉瘤的能够转化鸡胚成纤维细胞，并使鸡患肉瘤的基因基因SRC。 以后又在其他反转录病毒中陆续发现了一些以后又在其他反转录病毒中陆续发现了一些具有在体外转化细胞，在体内使宿主患肿瘤具有在体外转化细胞，在体内使宿主患肿瘤的基因，将这一类基因称为的基因，将这一类基因称为病毒癌基因病毒癌基因，目，目前已发现的反转录病毒中的癌基因有前已发现的反转录病毒中的癌基因有30多种。多种。 细胞癌基因细胞癌基因 (cellular oncogene, c-onc) ： 正常的宿主细胞中与病毒癌基因同源的正常的宿主细胞中与病毒癌基因同源的基因，又称为基因，又称为原癌基因原癌基因 (

49、proto-oncogene)。 缺失了癌基因的反转录病毒仍然能够正常地缺失了癌基因的反转录病毒仍然能够正常地完成其生命周期，说明癌基因并不是它固有完成其生命周期，说明癌基因并不是它固有的必需基因。的必需基因。 病毒中的癌基因从何而来病毒中的癌基因从何而来? 考虑到反转录病毒的生活史中的病毒基因组考虑到反转录病毒的生活史中的病毒基因组整合整合在宿主细胞基因组中的环节，人们推测在宿主细胞基因组中的环节，人们推测病毒中的癌基因可能起源于宿主细胞。病毒中的癌基因可能起源于宿主细胞。 用核酸分子杂交的方法果然在正常的宿主细用核酸分子杂交的方法果然在正常的宿主细胞中找到了与病毒中的癌基因的同源基因，胞中

50、找到了与病毒中的癌基因的同源基因，称为称为原癌基因原癌基因或或细胞癌基因细胞癌基因。 它们是病毒癌基因的源头。如猴肉瘤病毒中它们是病毒癌基因的源头。如猴肉瘤病毒中癌基因用癌基因用 v-SIS (simian sarcoma) 表示，相表示，相应的细胞癌基因是应的细胞癌基因是 c-SIS表示。表示。 目前认为，病毒癌基因可能来源于宿主细胞目前认为，病毒癌基因可能来源于宿主细胞癌基因，是前病毒整合在宿主细胞基因组后癌基因，是前病毒整合在宿主细胞基因组后获得的。获得的。 细胞癌基因是断裂基因，有内含子，而相应细胞癌基因是断裂基因，有内含子，而相应的病毒癌基因均无内含子。的病毒癌基因均无内含子。 推测

51、其原因，是由于整合在宿主细胞基因组推测其原因，是由于整合在宿主细胞基因组中的前病毒获得细胞癌基因后，在基因表达中的前病毒获得细胞癌基因后，在基因表达的的RNA水平经过水平经过RNA转录后加工将内含子转录后加工将内含子切除，因此包装在病毒颗粒中的病毒切除，因此包装在病毒颗粒中的病毒RNA基基因组的病毒癌基因不再含有内含子。因组的病毒癌基因不再含有内含子。 可以说，病毒癌基因原本不是病毒的基因，可以说，病毒癌基因原本不是病毒的基因，而是动物细胞正常基因组中的一个复本。当而是动物细胞正常基因组中的一个复本。当病毒在宿主细胞内复制时，由于病毒在宿主细胞内复制时，由于DNA重组而重组而将宿主细胞基因组中

52、将宿主细胞基因组中相当于病毒癌基因的序相当于病毒癌基因的序列列重组到病毒的基因组内。重组到病毒的基因组内。 所以说细胞癌基因是病毒癌基因的原型，又所以说细胞癌基因是病毒癌基因的原型，又称为原癌基因。病毒癌基因对病毒本身无关称为原癌基因。病毒癌基因对病毒本身无关紧要，却可使宿主细胞转化，引起肿瘤。紧要，却可使宿主细胞转化，引起肿瘤。 除此之外，病毒癌基因与相应的细胞癌基因除此之外，病毒癌基因与相应的细胞癌基因比较，还存在着编码序列的比较，还存在着编码序列的点突变点突变或或缺失突缺失突变变，因此表达的蛋白质功能有差别。，因此表达的蛋白质功能有差别。 病毒癌基因表达的蛋白质往往有较强的细胞病毒癌基因

53、表达的蛋白质往往有较强的细胞转化活性。转化活性。细胞癌基因细胞癌基因病毒癌基因病毒癌基因 迄今发现的细胞癌基因都是一些具有重要功迄今发现的细胞癌基因都是一些具有重要功能的能的“看家基因看家基因”，在进化过程中高度保守。，在进化过程中高度保守。 细胞癌基因编码产物的生理功能是调节细胞细胞癌基因编码产物的生理功能是调节细胞的生长和分化。的生长和分化。 生理条件下，细胞癌基因表达产物的活性和生理条件下，细胞癌基因表达产物的活性和含量受到内外环境各种生长信号的严格控制，含量受到内外环境各种生长信号的严格控制，并不会导致细胞异常增殖。并不会导致细胞异常增殖。 只有在突变后导致活性或含量过高时才会导只有在

54、突变后导致活性或含量过高时才会导致肿瘤发生，即发生癌基因的激活。致肿瘤发生，即发生癌基因的激活。 细胞癌基因细胞癌基因按照结构特点有按照结构特点有SRC、RAS、SIS、MYC、MYB、FOS、ERBA等基因家族，其等基因家族，其表达产物表达产物属于各种生长因子及其受体、属于各种生长因子及其受体、Cyclin 及及 CDK（蛋白激酶）、低分子量（蛋白激酶）、低分子量G蛋蛋白（信号转导分子）、转录因子等。白（信号转导分子）、转录因子等。 细胞癌基因在物理、化学及生物因素的作用细胞癌基因在物理、化学及生物因素的作用下发生突变，表达产物的质和量的变化，表下发生突变，表达产物的质和量的变化，表达方式在

55、时间及空间上的改变，都有可能使达方式在时间及空间上的改变，都有可能使细胞转化。细胞转化。 从正常的原癌基因转变为具有使细胞转化功从正常的原癌基因转变为具有使细胞转化功能的癌基因的过程称为能的癌基因的过程称为原癌基因的活化原癌基因的活化，是，是功能获得的过程功能获得的过程 (gain of function)。 细胞癌基因活化的细胞癌基因活化的主要机制主要机制： 基因自身突变（点突变）基因自身突变（点突变） 基因扩增基因扩增 DNA重排重排 染色体易位染色体易位 病毒基因启动子及增强子的插入病毒基因启动子及增强子的插入 不同的癌基因有不同的激活方式，一种癌基不同的癌基因有不同的激活方式，一种癌基

56、因也可有几种激活方式。例如因也可有几种激活方式。例如 c-MYC 的激的激活就有基因扩增和基因重排两种方式，很少活就有基因扩增和基因重排两种方式，很少见到见到 c-MYC 的突变；而的突变；而 c-RAS 的激活方式的激活方式则主要是突变。则主要是突变。 上述各种细胞癌基因活化机制并未表明哪一上述各种细胞癌基因活化机制并未表明哪一种活化机制是使细胞转化的足够条件。种活化机制是使细胞转化的足够条件。 事实上在肿瘤细胞中常发现两种或多种细胞事实上在肿瘤细胞中常发现两种或多种细胞癌基因的活化。癌基因的活化。 两种或更多的细胞癌基因活化可有两种或更多的细胞癌基因活化可有协同作用协同作用，细胞癌基因的活

57、化与抑癌基因的失活也产生细胞癌基因的活化与抑癌基因的失活也产生协同作用协同作用。 抑癌基因抑癌基因 (tumor suppressor gene) ： 是一类可抑制细胞生长并有潜在抑癌作是一类可抑制细胞生长并有潜在抑癌作用的基因，当其受阻抑、失活、丢失、或其用的基因，当其受阻抑、失活、丢失、或其表达产物丧失功能可导致细胞恶性转化；反表达产物丧失功能可导致细胞恶性转化；反之，若导入或激活它则可抑制细胞的恶性表之，若导入或激活它则可抑制细胞的恶性表型。型。 对于一个特定组织或细胞恶性肿瘤的抑癌基对于一个特定组织或细胞恶性肿瘤的抑癌基因，需满足以下因，需满足以下三个条件三个条件： 在癌的相应正常组织

58、中必须有正常的表达；在癌的相应正常组织中必须有正常的表达； 恶性肿瘤细胞中相应基因应有所改变，包恶性肿瘤细胞中相应基因应有所改变，包括点突变，片段缺失或表达缺陷；括点突变，片段缺失或表达缺陷； 在该基因缺陷的恶性肿瘤细胞中导入在该基因缺陷的恶性肿瘤细胞中导入野生野生型型（正常）基因将部分或全部抑制恶性表型。（正常）基因将部分或全部抑制恶性表型。 抑癌基因的发现较癌基因晚。抑癌基因的发现较癌基因晚。20世纪世纪60年代年代开始的杂合细胞致癌性研究中将肿瘤与正常开始的杂合细胞致癌性研究中将肿瘤与正常细胞融合，或在肿瘤细胞中导入正常细胞的细胞融合，或在肿瘤细胞中导入正常细胞的染色体，都可获得无致癌性

59、的染色体，都可获得无致癌性的杂合细胞杂合细胞，提，提示正常的细胞中有抑制肿瘤的基因，即抑癌示正常的细胞中有抑制肿瘤的基因，即抑癌基因。基因。 AKnudson 在研究视网膜母细胞瘤在研究视网膜母细胞瘤(retinoblastoma, RB) 的流行病学中发现婴幼的流行病学中发现婴幼儿所患的肿瘤常常是双侧多发性，并有家族儿所患的肿瘤常常是双侧多发性，并有家族史；而没有家族史的幼儿往往发病年龄较大，史；而没有家族史的幼儿往往发病年龄较大，而且是单侧性肿瘤。而且是单侧性肿瘤。 他假定遗传性和散发性的肿瘤都只与一个基他假定遗传性和散发性的肿瘤都只与一个基因（即后来命名为因（即后来命名为RB的基因）有关

60、。的基因）有关。 DNA限制性内切酶片段长度多态性限制性内切酶片段长度多态性 (restriction fragment length polymorphism, RFLP) 研究表明，研究表明，双侧双侧视网膜母细胞瘤患者视网膜母细胞瘤患者的正常视网膜母细胞中的一对的正常视网膜母细胞中的一对RB基因中，基因中，一个是野生型的，另一个是突变型的；而一个是野生型的，另一个是突变型的；而单单侧侧肿瘤患者的正常视网膜母细胞中有一对野肿瘤患者的正常视网膜母细胞中有一对野生型生型RB基因，视网膜母细胞瘤中的一对基因，视网膜母细胞瘤中的一对RB基因都是突变的。基因都是突变的。 如果将野生型如果将野生型RB基