细胞分化与癌细胞（医学）

细胞分化与癌细胞,细胞生物学,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，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化（cell differentiation）。 细胞分化是多细胞有机体发育的基础与核心，细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。 细胞分化过程常常伴随着细胞增殖与细胞凋亡，分化细胞的最终归宿往往是细胞的衰老和死亡。 癌细胞可以看做是正常细胞分化机制失控的细胞。,第一节 细胞分化,卵裂过程,21_1,（一）细胞分化的基本概念,Cell differentiation occurs in multicellular organisms,Human: 1014 cells, 200 cell types,1. 细胞分化是基因选择性表达的结果,分子杂交技术检测基因及其表达,The different cell types of a multicellular organism contain the same DNA. A cell can change the expression of its genes in response to external外部的 signals. Differences in mRNA expression patterns among different cell types. Different cell types synthesize different sets of proteins. Gene expression can be regulated at many of the steps in the pathway from DNA to RNA to protein.,2. 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。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）或奢侈基因（luxury genes）是指不同的细胞类型进行特异表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态特征与特异的生理功能。卵清蛋白基因、上皮细胞的角质蛋白、胰岛素基因等。 调节基因（regulatory gene），其产物用于调节组织特异性基因的表达，或者起激活作用、或者起阻抑作用。,3 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。,组合调控的作用机制示意图,一种关键性调控蛋白MyoD在体外培养的成纤维细胞中表达，结果使来自皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌的特征，如表达大量的肌动蛋白和肌球蛋白构成收缩器，在质膜上产生对神经刺激敏感的受体蛋白和离子通道蛋白，并融合成肌细胞样的多核细胞等。显然在成纤维细胞中已经具备了肌细胞特异性表达所需要的其他必要调控蛋白，一旦加入MyoD后，即形成了起动肌细胞分化的特异的调控蛋白组合。,在眼器官的发育中，有一种关键性的调控蛋白Ey(果蝇)或Pax(脊椎动物)。如果将ey基因转入到早期发育中将发育成腿的细胞中表达，结果ey基因的异常表达最终诱导产生构成眼的不同类型细胞的组合，在腿的中部形成眼。显然Ey蛋白除了能启动细胞某些特异基因的表达，诱导某类细胞分化外，其启动的某些基因表达产物本身又是另一些基因的调控蛋白，他们进一步启动其他特异基因的表达，诱导分化更多的细胞类型，形成由多种不同类型细胞组成的有序三维细胞群体即器官的形成。,4. 转分化与再生,一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象称转分化（trans-differentiation）。 转分化往往经历去分化（dedifferentiation）和再分化（redifferentiation）的过程。去分化又称脱分化，是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化细胞特征的过程。 再生现象（regeneration），广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织和器官水平及整体水平的再生。但一般再生是指生物缺失一部分后发生重建的过程。,（二)影响细胞分化的因素,细胞全能性（Totipotency）: 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，称为细胞的全能性。 细胞中组织特异性基因的选择性表达主要是由调控蛋白所启动。调控蛋白的组合是影响细胞分化的直接因素。,1. Cell totipotency (细胞全能性),The ability of a cell develops into a complete organism Plant cells 植物细胞具有全能性，在适宜条件下可培育成完整植株，已广泛应用.,Animal cloning A new organism created by the process of nuclear transplantation,Transplantation of frog red cell nucleus indicated the nucleus of animal is Totipotency。A new organism created by the process of nuclear Transplantation（核移植）,Dolly: A lamb with no father,The sheep star: Dolly,Totipotency 受精卵和早期的胚胎细胞是具有全能性的细胞。植物体细胞大多具有全能性。 Pluripotency 细胞丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型或构建组织的潜能，这种潜能成为多潜能性（pluripotency）。据有多潜能性的细胞成为干细胞（stem cell）。 Monopotential cell 仅具有分化形成某一种类型能力的细胞，称为单能干细胞（monopotential cell）或定向干细胞（directional stem cell）。 Terminal differentiation 由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程称为终末分化（terminal differentiation）。,Stem cell and its differentiation potential,A stem cell has two abilities: (1) Self-renewing (2) Differentiating,多能干细胞 定向干细胞 正在分化的干细胞 分化的细胞,胚胎干细胞,Why do researchers study stem cells ?,For repairing tissue damage caused by disease or injury, including:修复组织损伤 Diseases that impair brain function, such as Alzheimers disease and Parkinsons disease Spinal cord injuries Blood diseases, including leukemias Burns,2. 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,（1）胞外信号分子对细胞分化的影响,在胚胎的早期发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用（promixate tissue interaction），也称为胚胎诱导。 近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）来实现的。已知包括成纤维细胞生长因子、转化因子以及hedgehog家族、Wnt家族和Juxtacrine家族等五大家族因子。 另一类远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过激素来调节的。,眼的发生 早期的视泡诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，随后在视泡和晶状体的共同诱导下外面的表皮细胞形成角膜。 如果把早期的视泡移植在头部的其他部位，同样可诱导与之接触的外胚层发育成晶状体。,（2）细胞记忆与决定,细胞决定（determination） 是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前已确定了细胞分化的命运。,（3）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响,卵裂过程中不同的细胞质分配到不同的子细胞中，从而将决定未来细胞分化的命运，产生分化方向的差异。 细胞质中储存营养物质，蛋白质，还有不均匀分布的mRNA.,卵细胞受精过程中形成的细胞质分布决定动物体的体轴,卵细胞中诱导分化的物质有分区现象,（4）细胞间的相互作用与位置效应,胚胎诱导（embryonic induction）：细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建的影响。 位置效应（position effect）：改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变。,22-4,细胞分化的位置效应,预期的腿组织嫁接到鸡翅的端部，结果形成脚趾,三、细胞分化与胚胎发育,WT,A homeotic mutation,The fly shown here is an Antennapedia mutant. Its antennae are converted into leg structures by a mutation in the regulatory region of the Antennapedia gene that causes it to be expressed in the head.,A whole set of homeotic selector genes determines the anteroposterior character of the segments of the fly. The genes of this seteight of them in the flyare all related to one another as members of a multigene family, and they all lie in one or the other of two tight gene clusters known as the Bithorax complex and the Antennapedia complex. The genes in the Bithorax complex control the differences among the abdominal and thoracic segments of the body, while those in the Antennapedia complex control the differences among thoracic and head segments. Comparisons with other species show that the same genes are present in essentially all animals, including humans. These comparisons also reveal that the Antennapedia and Bithorax complexes are the two halves of a single entity, called the Hox complex, that has become split in the course of the flys evolution, and whose members operate in a coordinated way to exert their control over the head-to-tail pattern of the body,The patterns of expression compared to the chromosomal locations of the genes of the Hox complex. The diagram shows the sequence of genes in each of the two subdivisions of the chromosomal complex. This corresponds, with minor deviations, to the spatial sequence in which the genes are expressed, shown in the photograph of an embryo at the extended germ band stage, about 5 hours after fertilization. The embryo has been stained by in situ hybridization with differently labeled probes to detect the mRNA products of different Hox genes in different colors. (Photograph courtesy of William McGinnis, adapted from D. Kosman et al., Science 305:846, 2004.),第二节 癌细胞,细胞由于受到某种因素的作用（致癌因子）而发生转化（transformation），不再进行终末分化，而变成了不受调节的恶性增殖细胞，这种细胞即称为癌细胞。 癌细胞虽然具有胚胎细胞的某些属性，但却不发生正常的分化和衰亡。因此，可把癌细胞看着是分化程序异常的细胞。 癌细胞的基因组发生不同形式的突变。,一、癌细胞的基本特征 二、致癌因素 三、癌基因和抑癌基因 四、肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果 五、肿瘤干细胞 六、癌症的治疗,一、癌细胞的基本特征,细胞生长与分裂失去控制 具有侵润性和扩散性 细胞间相互作用改变 蛋白表达谱系或蛋白活性改变 mRNA转录谱系的改变,软涂片(pap smear)中异常（前恶性）细胞的监测 子宫颈正常的鳞状上皮细胞。细胞形态一致，中央具有小的细胞核 来自一原位癌病例的异常细胞，这是子宫颈侵润前的癌。细胞形态各异，具大的细胞核。,癌细胞形态各异，核质比例增大,Growth properties of normal and cancerous cells Normal cells typically grow in a culture dish until they cover the surface as a monolayer (a and b). In contrast, cells that have been transformed by viruses or carcinogenic chemicals typically grow in multilayered clumps.,癌细胞的细胞骨架减少或无序,细胞中微管的排列通过用抗微管蛋白抗体的免疫荧光显示 (a)这些成纤维细胞已被一种温度敏感的肿瘤病毒感染，并在较高的限制温度下培养，在此温度下，使这些细胞转化的蛋白是无功能的。微管的生长特性和排列正常。 (b)与a中相同的培养细胞，在较低的允许温度下，表达出转化的表型，细胞骨架装置高度无序。,乳腺癌细胞的核型，显示高度异常的染色体成分,两种白血病的基因表达分布图 ALL: 急性淋巴母细胞白血病 AML: 急性骨髓性白血病 蓝色：表达水平低 红色：表达水平高 行: 单个基因的表达水平 列：来自不同样本的数据,正在生长的肿瘤侵袭正常组织 人类肝脏的横切，一个转移了的黑色素肉瘤（red)正在侵袭正常的肝细胞,良性肿瘤(Benign tumors):生长缓慢，与周围组织界限清楚，不发生转移，对人体健康危害不大 恶性肿瘤(Malignant tumors):生长迅速，可转移到身体其它部位，还会产生有害物质，破坏正常器官结构，使机体功能失调，威胁生命。,(A) to give rise to a colony, or metastasis, in a new site, the cells of a primary tumor in an epithelium must typically cross the basal lamina, migrate through connective tissue, and get into the blood or lymphatic vessels. (B) Metastases in a human liver, originating from a primary tumor in the colon (结肠). (C) Higher magnification view of one of the metastases, stained differently to show the contrast between the normal liver cells and the tumor cells.,Cancers spread by metastasis,Metastasis Malignant tumors typically give rise to metastases, making the cancer hard to eradicate. Shown in this fusion image is a whole-body scan of a patient with metastatic non-Hodgkins lymphoma (NHL). The background image of the bodys tissues was obtained by CT (computed X-ray tomography) scanning. Overlaid on this image, a PET (position emission tomography) scan that detects the uptake of radioactively labeled fluorodeoxyglucose (FDG) uptake indicates cells with unusually active glucose uptake and metabolism, a characteristic of tumors. The yellow spots in the abdominal region reveal multiple NHL metastases.,二、致癌因素,物理因素：辐射 化学因素：化学诱变剂 生物因素：肿瘤病毒 All of the these agents have one property in common: they alter the genome.,图中是p53基因的7个串联密码子的核苷酸序列，在人类约50%的癌中发生缺失或突变。 已发现几种不同类型的化学物引起这部分基因的改变，包括在烟中发现的苯并芘、由生长在坚果或谷物上的霉菌产生的黄曲霉素B1和阳光中的紫外线。 这些致癌因子的每一种都致使不同的氨基酸置换，内源性的代谢（脱氨基作用）引起的胞嘧啶残基上氨基的丢失也导致不同的C-T突变。,Tumor viruses,DNA tumor virus SV40 （猿猴空泡病毒40） 20面立体对称型，直径45nm，5224个碱基对组成的双链DNA，编码5种蛋白质基因。,肿瘤病毒可以转化细胞，因为它们携带某些基因，这些基因的产物干扰细胞正常的生长调控活动,Cancer incidence is related to environmental influences. This map of the world shows the rates of cancer increasing or decreasing when specific populations move from one location to another.,三、Oncogene and tumor-suppressor gene 致癌基因和抑癌基因,癌基因（oncogene）简写为onc，每个癌基因用3个斜体英文字母命名。 把存在于细胞基因组中的癌基因称为细胞癌基因或原癌基因。表示为c-onc。 把存在于病毒基因组中的癌基因称为病毒癌基因。表示为v-onc。 凡是由于其存在和表达而细胞不能癌变和机体不生癌的基因称为抑癌基因（tumor-suppressor gene ）。,肿瘤抑制基因(a)和癌基因(b)中突变的效应对比： 一个癌基因的两个拷贝(等位基因)之一发生突变可能足以引起细胞失去生长控制，而为了诱导同样的效应，一个肿瘤抑制基因的两个拷贝都必须敲除。,原癌基因的激活和细胞癌变,原癌基因的突变 LTR插入（强启动子） 基因重排 基因扩增 负调控序列的缺失,基因的突变改变了编码蛋白的结构和功能 上游调控序列中的突变改变了基因的表达水平 DNA 重排将新的DNA片断带到基因的附近，改变了基因的表达和编码蛋白的结构。,原癌基因到癌基因的激活,控制细胞生长和增殖并与肿瘤发生相关的蛋白,动物细胞中启动S期的机制,G1-Cdk（cyclin D-cdc4）启动Rb的磷酸化，使Rb失活，释放E2F，活化S期基因的转录，包括G1/S-cyclin和S-cyclin。 G1/S-cyclin和S-cyclin的活性进一步促进Rb的磷酸化，形成正反馈环。E2F又刺激自身基因的转录，形成又一个正反馈环。,导致视网膜母细胞瘤的RB基因的突变 (a)在偶发性（非家族性）视网膜母细胞瘤的病例中，一个个体在受精卵中含有RB基因的两个正常拷贝而开始生命，而视网膜母细胞瘤只发生在稀有个体中，他们中特定的视网膜细胞都积累了RB基因的两个等位基因的独立突变。 (b)在家族性（遗传性）视网膜母细胞瘤病例中，一个个体以RB基因的一个不正常（通常为缺失）等位基因而开始声明，于是，视网膜的所有细胞的两个RB基因至少一个是没有功能的。如果视网膜细胞中另一个RB基因失活（一般是点突变的结果），那个细胞将引起视网膜瘤。第二个RB等位基因遭遇这种突变的机会约为90%。,p53的作用：基因组的卫士,DNA 损伤起始由肿瘤抑制基因和原癌基因编码的许多蛋白质的活性,DNA damage checkpoint: Cell-cycle progression is blocked by DNA damage and p53,DNA损伤是如何使细胞周期中止在G1期,Two such checkpoints: 1.One in late G1: prevents entry into S phase; 2.One in late G2: prevents entry into mitosis; p53: gene regulatory protein. DNA damage activates p53 by an indirect mechanism. Mdm2 acts as a ubiquitin ligase that targets p53 for destruction by proteasomes. Phosphorylated p53 reduce its binding to Mdm2. p21(CDKI protein) binds to G1/SCdk and S-Cdk and inhibits their activities, thereby helping to block entry into S phase.,抑癌基因与原癌基因的差异主要有3点： 在功能上，抑癌基因表达在细胞生长中起着调节作用，抑制增殖，促进分化，成熟和衰老，或引导多余的细胞进入程序化死亡途径，原癌基因则相反。 在遗传方式上，原癌基因是显性的，激活后即是参与促进细胞增殖和癌变过程，而抑癌基因在细胞水平上则是隐性的，因为抑癌基因的两个等位基因中失去任何一个都不影响其抑癌功能，只有两个等位基因全部失活才能失去抑癌功能，故也有人把抑癌基因称为稳性癌基因。 在突变发生的细胞类型上，抑癌基因不仅可以在体细胞中发生突变，也可在生殖细胞中发生突变，并且可以通过生殖细胞遗传突变，而原癌基因