细胞分化与基因表达调控PPT学习教案

1、会计学1第九章第九章核糖体核糖体第第 十十 章章细胞骨架细胞骨架第十一章第十一章细胞增殖及其细胞增殖及其调控调控第十二章第十二章细胞分化与基细胞分化与基因表达调控因表达调控第十三章第十三章细胞衰老与凋细胞衰老与凋亡亡第1页/共95页细胞分化与基因表达调控第2页/共95页l细胞分化细胞分化(cell differentiation)：在个体发育（ontogeny）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。l每个人的一生中都在进行着细胞分化。l细胞分裂的不对称性细胞分裂的不对称性和细胞间的相互作用细胞间的相互作用是细胞分化的两个

2、基本机制。l细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心；l细胞分化的关键关键在于特异性蛋白质合成；l合成特异性蛋白质实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l差异性表达的机制机制是由于基因表达的组合调控。l细胞癌变是正常细胞分化机制失控失控的表现 第3页/共95页第4页/共95页分子杂交技术检测基因及其表达 细 胞 总D N A 细 胞 总R N A 输 卵 管 细 胞 成 红 细 胞 胰 岛 细 胞 输 卵 管 细 胞 成 红 细 胞 胰 岛 细 胞 卵 清 蛋 白 基 因 + + + + - - - - -珠 蛋 白 基 因 + + + - - + - - 胰 岛 素 基 因 + +

3、 + - - - - + 实 验 方 法 Southern杂 交 N orthern杂 交 所以细胞分化的实质是基因的差别表达（differential expression）。第5页/共95页第6页/共95页管家基因管家基因(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。组织特异性基因组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因奢侈基因(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；调节基因调节基因（regu

4、latory gene）：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：细胞分化的实质：是组织特异性基因在时间和空间上的差别表达（differential expression）。第7页/共95页第8页/共95页第9页/共95页第10页/共95页第11页/共95页第12页/共95页1、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第13页/共95页植物细胞的全能性植物细胞的全能性植物的枝、叶、根都有可能长成一株完整的植株，细胞培养的结果也证植物的枝、叶、根都有可能长成一株完整的植株，细胞培养的结果也证明即使高度分化的植物细胞也可以培养成一个完整的植株，因此可以

5、说明即使高度分化的植物细胞也可以培养成一个完整的植株，因此可以说绝多数植物细胞具有全能性。绝多数植物细胞具有全能性。第14页/共95页Transplantation of frog red cell nucleus indicated the nucleus of animal is totipotency（全能性）（全能性）如蛙红细胞核移植后发育成蝌蚪第15页/共95页Dolly: A lamb with no father The sheep star: DollyDolly 羊的诞生说明高羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性胞核也具有发育全能性第16

6、页/共95页干细胞：干细胞：是一类具有分裂和分化能力的细胞。干细胞具有以下生物学特点：干细胞具有以下生物学特点：终生保持未分化或低分化特征；在机体的中的数目、位置相对恒定；具有自我更新能力；能无限制的分裂增殖；具有多向分化潜能，能分化成不同类型的组织细胞，造血干细胞、骨 髓间充质干细胞、神经干细胞等成体干细胞具有一定的跨系、甚至跨 胚层分化的潜能；分裂的慢周期性，绝大多数干细胞处于G0期；通过两种方式分裂，对成分裂和不对称分裂前者形成两个相同的干细胞， 后者形成一个干细胞和一个祖细胞(是能成长为具有专门功能的细胞的未成熟细胞)。第17页/共95页根据干细胞的分化能力根据干细胞的分化能力，可分为

7、全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。-全能干细胞全能干细胞（totipotential stell cell）：可以分化为机体内的任何一种细 胞，直至形成一个复杂的有机体。-多能干细胞多能干细胞（pluripotential stem cell） ：可以分化为多种类型的细胞， 但它不可能分化出足以构成完整个体的所有细胞，所以多能干细胞的 分化潜能称为多能性。如造血干细胞可以分化为12种血细胞。-单能干细胞单能干细胞（monopotential stem cell） ：只能分化为一种类型的细胞， 而且自我更新能力有限。来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分化的 能力，也称为祖细胞祖细胞（proge

8、nitor）。根据个体发育过程中出现的先后次序不同根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞又可分为胚胎干细胞和 成体干细胞。-胚胎干细胞胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESC）：是指从胚胎内细胞团或原 始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞，此外也可以通过 体细胞核移植技术获得。第18页/共95页干细胞的分化潜能干细胞的分化潜能定型细胞第19页/共95页第20页/共95页 Embryonic stem cells 胎儿原（始）生殖细胞第21页/共95页多能干细胞（多能干细胞（造血干细胞）造血干细胞）第22页/共95页 单能干细胞（monopotential c

9、ell）第23页/共95页1 1、胞外信号分子对、胞外信号分子对 细胞分化的影响细胞分化的影响, , 如眼的发生如眼的发生近端组织的相互作用 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。远距离细胞间的相互作用外层视杯视泡晶状体泡发育的角膜第24页/共95页2 2、细胞记忆与决定：、细胞记忆与决定： 果蝇成虫盘(imaginal disc)： 初级分化的细胞群。在幼虫的变态过过程中，不同的成虫盘发育成不同的器官。决定决定（determination）：随着细胞的分裂和分化，细胞的发育方向逐渐被限定，当尚未定向的细胞不可逆地转变为某种定向细胞的时刻，细胞的命运就被固定了。如

10、哺乳动物桑椹胚的内细胞团和外围细胞，前者形成胚胎、后者形成滋养层。第25页/共95页克隆能给人类带来什么？克隆能给人类带来什么？克隆动物是未来的制药厂克隆动物是未来的制药厂克隆的爱因斯坦会懂克隆的爱因斯坦会懂“相对论相对论”吗吗第26页/共95页1）基因删除：当个体发育到一定阶段时在将要分化为体细胞的那些细胞中， 染色体破裂为碎片，有些含有着丝粒，在细胞分裂中保留，有的不具有着丝粒，而在分裂中丢失，但是将形成生殖细胞的那些细胞中不发生染色体的断裂和丢失现象。 原生动物、昆虫、马蛔虫、甲壳动物。2）基因扩增：基因扩增是指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量 增加的现象，如果蝇多线染色体。3）基

11、因重排：基因重排是基因区别表达的一种调控方式。免疫球蛋白基因 （106108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。外因通过影响细胞的遗传结构发挥作用，外因是分化的条件，内因是分化的基础。第27页/共95页第28页/共95页第29页/共95页第30页/共95页第31页/共95页 同源异型基因同源异型基因（homeotic selector gene，Hox gene）： 在发育中起关键作用的基因群。 果蝇体节发育中起关键作用的基因群。 含有高度保守的 180 bp 组成的 DNA 序列，称同源框。编码 60 个氨基酸，形成 螺旋-转角- 螺旋结构，与 DNA 序列大

12、沟相互作用，启动基因表达。 同源异型基因在染色体上的排列与胚胎发育在时、空序列上是一致的。第32页/共95页HOX mutant Antennaleg左、正常果蝇的触角为具芒触角，右、突变果蝇的触角发育为足左、正常果蝇的触角为具芒触角，右、突变果蝇的触角发育为足第33页/共95页Bithorax mutant果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）第34页/共95页THE CANCER CELLBreast Epithelial Tumor Cell第35页/共95页第36页/共95页Benign tumor（良性肿瘤）（良性肿瘤

13、）Malignant tumor（恶性肿瘤）（恶性肿瘤）第37页/共95页第38页/共95页第39页/共95页第40页/共95页侵润性和扩散性（侵润性和扩散性（Invade and metastasize）第41页/共95页转移（转移（Metastasis）毛细血管第42页/共95页Have highly aberrant（异常）（异常） chromosome complements Aneuploidy（非（非正倍）正倍）Pancreas cancer（胰腺癌）（胰腺癌）第43页/共95页Lose Contact inhibition in vitro第44页/共95页第45页/共95页 恶

14、性肿瘤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。第46页/共95页生长因子生长因子生长因子受体生长因子受体信号转导组分信号转导组分细胞周期蛋白细胞周期蛋白细胞凋亡调节蛋细胞凋亡调节蛋白白1.转录因子转录因子第47页/共95页原癌基因 功能 相关肿瘤 sis 生长因子 Erwing 网瘤 erb-B 受体酪氨酸激酶，EGF 受体 星形细胞瘤、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌、唾腺癌 fms 受体酪氨酸激酶，CSF-1 受体 髓性白血病 ras G-蛋白 肺癌，结肠癌，膀胱癌，直肠癌 src 非受体酪氨酸激酶 鲁斯氏肉瘤 Abl-1 非受体酪氨酸激酶 慢性髓性白血病 raf

15、MAPKKK，丝氨酸/苏氨酸激酶 腮腺肿瘤 vav 信号转导连接蛋白 白血病 myc 转录因子 Burkitt 淋巴瘤、肺癌、早幼粒白血病 myb 转录因子 结肠癌 fos 转录因子 骨肉瘤 jun 转录因子 erb-A 转录因子 急性非淋巴细胞白血病 bcl-1 cyclinD1 B 细胞淋巴瘤 第48页/共95页第49页/共95页抑癌基因 功能 相关肿瘤 Rb 转录调节因子 RB、成骨肉瘤、胃癌、SCLC、乳癌、结肠癌 p53 转录调节因子 星状细胞瘤、胶质母细胞瘤、结肠癌、 乳癌、 成骨肉瘤、 SCLC、 胃癌、磷状细胞肺癌 WT 负调控转录因子 WT、横纹肌肉瘤、肺癌、膀胱癌、乳癌、肝

16、母细胞瘤 NF-1 GAP，ras GTP 酶激活因子 神经纤维瘤、嗜铬细胞瘤、雪旺氏细胞瘤、神经纤维瘤 DCC 细胞粘附分子 直肠癌 p21 CDK 抑制因子 前列腺癌 p15 CDK4、CDK6 抑制因子 成胶质细胞瘤 BRCA1 DNA 修复因子，与 RAD51 作用 乳腺癌、卵巢癌 BRCA2 DNA 修复因子，与 RAD51 作用 乳腺癌、胰腺癌 PTEN 磷酯酶 成胶质细胞瘤 第50页/共95页Rb bind with E2F transcription factorRb基因的作用基因的作用第51页/共95页散发性和遗传性散发性和遗传性Rb功能丧失的机理功能丧失的机理视网膜第52页

17、/共95页第53页/共95页第54页/共95页1 1、原癌基因、原癌基因与肿瘤抑制与肿瘤抑制基因产物协基因产物协调作用，避调作用，避免细胞癌变免细胞癌变DNA修复因子修复因子第55页/共95页第56页/共95页第57页/共95页原癌基因激活的可能途径原癌基因激活的可能途径第58页/共95页Chart of the major signaling pathways relevant to cancer in human cells, indicating the cellular locations of some of the proteins modified by mutation in

18、cancers.第59页/共95页Ras oncogene: Retain bind GTPBcl-2 oncogene: Prevent apoptosis显性突变显性突变第60页/共95页第61页/共95页第62页/共95页第63页/共95页第64页/共95页第65页/共95页HIVHerpes VirusAdenovirusMouse Leukemia Virus爱滋病毒爱滋病毒疱疹病毒疱疹病毒腺病毒腺病毒白血病毒白血病毒第66页/共95页第67页/共95页脱氨基作用第68页/共95页第69页/共95页第70页/共95页Angiogenesis:Cancer cells growth f

19、actors endothelial （内皮）内皮）cells form new vessels生长因子是一种蛋白质，主要作用是与细胞表面的接受器结合后，刺激细胞产生一连串的细胞增殖与分化第71页/共95页第72页/共95页基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响 TATA盒、CAAT盒和GC盒，TATA盒决定转录起始的位点，CAAT 盒和GC盒决定RNA聚合酶转录基因的效率。这三种普遍的启动子元 件的位置见图第1行。缺失作图法（deletion mapping）与DNA足迹技术（DNA footprinting） 是鉴定启动子区域特殊位点功能的普遍采用的方法。转录因子结构转录因子与DNA序

20、列相互作用最常见的几种结构模式第73页/共95页皮质醇糖皮质激素第74页/共95页启动子元件启动子元件第75页/共95页转录因子结构转录因子结构第76页/共95页结构模式结构模式第77页/共95页DNA甲基化（DNA methylation）与基因表达阻遏有关。 基因组印记（genomic imprinting） 是指来自父方和母方的等位基因在通过精子和卵子传递给子代时发生了修饰，使带有亲代印记的等位基因具有不同的表达特性，这种修饰常为DNA甲基化修饰，也包括组蛋白乙酰化、甲基化等修饰。在生殖细胞形成早期，来自父方和母方的印记将全部被消除，父方等位基因在精母细胞形成精子时产生新的甲基化模式，但

21、在受精时这种甲基化模式还将发生改变；母方等位基因甲基化模式在卵子发生时形成，因此在受精前来自父方和母方的等位基因具有不同的甲基化模式。 基因组印记是说明甲基化作用在基因表达中具有重要意义的最好例证，也是哺乳动物所特有的现象。第78页/共95页二氢叶酸次黄嘌呤核苷第79页/共95页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。有两种类型： 1、组成型剪接组成型剪接(constitutive splicing)：大多数前体mRNA都含有多 个内含子， 他们常被有序的逐一切除，形成一个由各外显子连 接而成的成熟mRNA，这种剪接方式称。一个基因只产生一

22、 种成熟的 mRNA，一般也只产生一种蛋白质产物。 第80页/共95页 2、选择性剪接、选择性剪接（alternative splicing)：来自同一个基因的前体mRNA 中某个内含子5端供点又可在特定条件下与另一个内含子的3端受 点进行剪接，从而删除这两个内含子及其中间的全部外显子和内含 子。这样，一个前体mRNA就可因剪接方式不同产生多种mRNA， 转译出多个不同蛋白质，这样的剪接方式称之。 但这些蛋白质但这些蛋白质是一套结构相关、功能相似的蛋白质异形体， 如纤粘蛋白 的合成。某一特定的外显子是否被包括在成熟 mRNA 内，主要取决于它 的3和5 端剪接位点是否被拼接机器选择为切割位点。

23、第81页/共95页纤粘蛋白纤粘蛋白（fibronectin）第82页/共95页第83页/共95页拼接位点拼接位点第84页/共95页第85页/共95页Drosophila 卵细胞细胞质中mRNA的定位第86页/共95页第87页/共95页“隐蔽隐蔽”mRNA（masked mRNA）： 未受精卵细胞质中贮存许多m RNA，它们在卵细胞质中与抑制蛋白结合而失去活性，这些贮存在卵细胞中没有翻译活性的 m RNA 称之。未受精海胆卵细胞放射性标记的氨基酸掺入到蛋白质中的放射性活性很少。受精的海胆卵细胞放射性标记的氨基酸掺入到蛋白质中放射性活性逐渐增加。 “隐蔽”m RNA从无活性到有活性状态的转变发生得

24、相当快，受精后蛋白质的合成不能依靠新 m RNA 的合成。表明在受精之后，马上就被翻译的m RNA，在和精子接触之前就已经存在于卵细胞中。用 RNA 合成抑制剂放线菌素D（actinomycin D）存在的情况下受精并培养，则受精后的蛋白质合成的活性与对照培养的活性相同。因为在有放线菌素D存在的情况下不能产生新的 RNAs，所以蛋白质必然是依赖预存的m RNA模板合成的，这些m RNA是在受精后被激活的。这些预存m RNA的激活与两个不同的事件有关：一是结合的抑制蛋白被释放，二是通过卵细胞质中一种酶作用使m RNA多聚（A）尾巴长度增加。第88页/共95页海胆卵受精后海胆卵受精后“隐蔽隐蔽”m

25、RNA（masked mRNA）的激活）的激活A：海胆未受精卵和受精卵对14C-亮氨酸的累积掺入实验：0时间表示受精的时刻；经短暂拖延之后，很快Pro合成速率呈现显著提高。B：在有和没有放线菌素D存在的情况下，海胆卵受精对14C-亮氨酸的累积掺入实验：，在受精之后Pro的合成起始增加不被放线菌素D所抑制，结果表明，受精后一段时间Pro合成并不倚赖新合成的mRNA摸板；相反，在受精之后10h，Pro合成的第二次增加却需要新的mRNA摸板，因为它已被放线菌素D所抑制。第89页/共95页 现已发现几种调节mRNA翻译速率的机制，以响应细胞需求的变化。其中研究最好的一个例子是编码铁蛋白的mRNA。铁蛋白是一种在细胞质内查封铁原