细胞分化与基因表达调控.ppt

细胞分化与基因表达调控,细胞分化(Celldifferentiation)癌细胞(Cancercell)真核细胞基因表达的调控,第一节细胞分化(Celldifferentiation),细胞分化的基本概念影响细胞分化的因素细胞分化与胚胎发育Hoxgenes,一、细胞分化的基本概念,细胞分化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合调控引发组织特异性基因的表达单细胞有机体的细胞分化转分化与再生,细胞分化(celldifferentiation)：在个体发育中，由相同类型细胞经分裂后逐渐在形态、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；特异性蛋白合成的实质在于组织特异性基因在时空上的差异表达；差异性表达的机制是由于基因表达的组合调控。,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,组织特异性基因与当家基因,管/当家基因(house-keepinggenes)：在所有细胞中均表达的基因，其产物为维持细胞基本生命活动所必需；组织特异性基因/奢侈基因(tissue-specificgenes/luxurygenes)：在不同的细胞类型中特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构和功能；调节基因：其产物用于调节（激活或阻遏）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（combinationalcontrol）：利用少量调控蛋白启动众多特异细胞类型分化的调控机制,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。组合调控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组合，即可启动细胞分化，表达特异蛋白，再由其参与进一步的组合调控，最终诱发整个器官形成（如眼的发育）。分化启动机制：通过关键性调节蛋白级联其他调节蛋白而启动。,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：单细胞有机体通过分化适应不同的生活环境（形成芽孢，单倍体孢子），而多细胞有机体则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体具有更为复杂的分化程序与调节机制。,单细胞生物不存在细胞分化,转分化与再生,转分化（transdifferentiation）：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；转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化过程。再生（regeneration）：指生物体部分缺失后进行重建的过程，在生物界普遍存在；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，其再生能力有明显差异植物动物；低等动物高等动物；年幼年长,再生过程大多涉及细胞的转分化,二、影响细胞分化的因素,细胞的全能性(totipotency)影响细胞分化的因素,细胞的全能性(totipotency),概念：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，受精卵、早期胚胎细胞和植物细胞都具有全能性，在适宜的条件下可发育成正常的个体。动物细胞核移植(Nucleartransfer)实验证明细胞核具有发育全能性干细胞(Stemcell)与细胞发育潜能,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(imaginaldisc)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,细胞记忆,信号分子的有效作用时间是短暂的，但细胞可将其储存,并形成长期的记忆，逐渐向特定方向分化。“决定早于分化”：决定是指一个细胞接受了某种指令，其本身及后代在发育中将分化成某种特定类型细胞，即在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。细胞记忆的实现方式：1)正反馈:细胞接受信号刺激后，活化转录调节因子，诱导自身基因及其他组织特异性基因表达；2)通过将染色体结构变化(DNA与蛋白相互作用)的信息传到子代细胞中实现;,卵细胞的胞质中含有决定细胞向不同方向分化的信息，如多种蛋白和隐蔽mRNA(与蛋白结合，不能被核糖体识别）;受精后胞质重新定位，少数隐蔽mRNA被激活，合成早期胚胎发育所需蛋白；,受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响,早期卵裂时，分配到子细胞中的胞质组分（特别是隐蔽mRNA）不同，从而决定了未来细胞分化的命运，产生分化方向的差异。,细胞间的相互作用与位置效应,改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应(positioneffectt)。“位置信息”是产生效应的主要原因。,环境对性别决定的影响,蜥蜴类的Aagama，E.macularius，在低温度下(240C)发育为雌性，而在高温(320C)则全部发育为雄性。龟类的Tgraetta，CCaretta则相反，在低温下全部发育为雄性，而高温则发育为雌性。蜗牛类的软体动物Crepidula的性别决定则取决于个体间的相互位置关系，在其形成相互叠压的群体中，下方个体发育为雌性，上方个体发育为雄性。黄鳝环境影响性别的机制还不清楚,太平洋珊瑚礁中生活着一种裂唇鱼，以取食别种鱼体表寄生虫为生(互利共生),受清洁的鱼主动游到“清洁站”接受清除体外寄生物。裂唇鱼社群（socialgroup）通常由一条雄鱼和若干条雌鱼组成。如果雄鱼不幸死去，又没有邻近雄鱼来占领“闺室”时，群中最大雌鱼就发生性转变，迅速变成雄鱼。若人工取走雄鱼，同样又有一条雌鱼变成雄鱼。某些海洋无脊椎动物，有雄性附着在雌体体上生活的现象。它们产生中性的自由游泳的幼体，当其单独固着在某一基底物上时发育成雌体，而当固着在雌体上时则发育成雄体。兰科的Cycnochus和Catasetum，当生长在阳光照着的地方发育成雌株，长在遮荫处则发育成雄株。可能与对种子和花粉的投入不同有关。,如蛙红细胞核移植后发育成蝌蚪Dolly羊的诞生说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性,干细胞(stemcell)：随胚胎的发育，动物细胞特别是高等动物细胞逐渐丧失了发育成个体的能力，仅具分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性(pluripotency)，具多潜能性的细胞称为干细胞。胚胎干细胞(embryostemcell)造血干细胞：成体中具有分化成多种血细胞能力的细胞，仅占骨髓细胞数的万分之一。（脐带血）单能干细胞（monopotentialcell）：也叫定向干细胞，仅具有分化形成某一种类型能力的细胞。,脐血中含有大量未成熟的造血干细胞，将脐血干细胞移植，一方面可以抵制白血病等恶性血液病治疗过程中放疗、化疗产生的副作用，另一方面也可加快病人造血功能恢复的时间，目前常用于对儿童患者的移植治疗。“生命银行”：把孩子出生时的脐血保留寄存，一旦孩子长大成人时患病，可备今后之需。置疑：血液保存时间？,细胞分化与胚胎发育,细胞分化是胚胎发育的基础；线虫是研究细胞分化和发育的好材料。同源异型基因（homeoticselectorgene，Hoxgene）果蝇体节发育中起关键作用的基因群。含有一段高度保守的180bp组成的DNA序列，称同源框。编码的60个氨基酸（同源异型结构域）形成螺旋-转角-螺旋结构，与DNA序列大沟相互作用，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。,第二节癌细胞(Cancercell),癌细胞的基本特征致癌因素癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果癌症能治疗吗？,一癌细胞的基本特征,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(tumorcell)。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。基本生物学特征体外培养的恶性转化细胞的特征,基本生物学特征,生长与分裂失控，可无限增殖，是“永生”细胞。具扩散性1)细胞间粘着性下降，具侵润性和扩散性；2)在分化程度上低于良性肿瘤细胞（如疣子和息肉），失去许多原组织细胞的结构和功能。细胞间相互作用改变（产生新的膜受体蛋白，冲破细胞识别作用的限制；表达水解酶类以水解基底膜）蛋白表达谱系/蛋白活性改变（表达胚胎细胞蛋白、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,体外培养的恶性转化细胞的特征,具有无限增殖的潜能贴壁性下降失去接触抑制对血清依赖性降低恶性转化细胞注入易感动物体内，会诱发肿瘤,二、致癌因素,多种理化因子致癌DNA肿瘤病毒与RNA肿瘤病毒,三、癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果,癌症主要是体细胞DNA的病理变化而引起的疾病，涉及到两大类与细胞增殖相关的基因的突变。促进细胞增殖相关基因突变：原癌基因(proto-oncogene)突变形成癌基因(oncogene)抑制细胞增殖相关基因突变：肿瘤抑制基因(tumor-suppressorgene)细胞癌变是多个原癌基因突变累积的结果，所以患者多为年长者。原癌基因与抑癌制基因产物协调作用，避免细胞癌变,原癌基因存在于细胞基因组中(c-onc)，是控制细胞生长和分裂的基因;主要编码多种类型的蛋白质-细胞生长和分裂的调控因子;癌基因是控制细胞生长和分裂的原癌基因的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。原癌基因中的两个拷贝只要有一个发生突变，其产物量就增加或活性升高，促进细胞癌变。(显性突变),抑癌基因是正常细胞增殖过程中的负调控因子,其编码的蛋白抑制细胞增殖，使细胞停留于检验点上，阻止周期进程。抑癌基因发生功能丧失性突变(隐性突变)，则导致细胞周期失控而过度增殖。Rb基因突变导致细胞无限生长和增殖,最后导致肿瘤形成.Rb基因表达产物pRb对细胞周期运转作用P53基因突变将导致细胞癌变或凋亡,四、癌症能治疗吗,传统思路是手术、放疗、化疗癌症治疗新方案免疫治疗(Immunotherapy)基因治疗(Genetherapy)抑制肿瘤血管形成的“饿死肿瘤疗法”,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,附:真核细胞基因表达过程,一转录水平的调控,真核生物的转录激活基因表达阻遏,真核生物的转录激活,基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响三种普遍的启动子元件：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。缺失作图法（deletionmapping）与DNA足纹技术（DNAfootprinting）鉴定启动子区域特殊位点的功能转录因子结构转录因子与DNA序列相互作用激活转录最常见的几种结构模式,基因表达阻抑,阻抑物和DNA结合，阻止附近基因转录；DNA甲基化（DNAmethylation）与基因表达阻遏有关甲基化作用通过两种方式抑制转录：1）干扰转录因子对DNA结合位点的识别；2）将转录因子识别的DNA序列转换为转录阻抑物的结合位点。,二加工水平的调控,组成型拼接：将内含子从mRNA前体中去除，将外显子剪接连接起来，一个基因只产生一种成熟的mRNA；可调控的选择性拼接：是一种广泛存在的RNA加工机制，通过选择性剪接，导致的外显子改变，产生不同的成熟mRNA，翻译成不同蛋白；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端拼接位点是否被拼接机器选择为切割位点,三翻译水平的调控,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转运mRNA到细胞质特定部位；微丝锚定mRNA。,mRNA翻译的调控,“隐蔽”mRNA（maskedmRNA）的激活结合的抑制蛋白被释放;卵细胞质中一种酶使mRNApolyA尾巴加长。翻译起始因子eIP2磷酸化调节：磷酸化的eIF2将起始子tRNA引渡到“mRNA-核糖体”复合物上的活性将显著降低，使翻译变慢；通过阻抑物调节mRNA翻译速率,mRNA稳定性的调控,mRNA的寿命与它的多聚(A)尾巴长度正相关；每个polyA结合蛋白PABP结合大约30个A残基；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3UTR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,几种生物的细胞数目与类型,Fig.21-19,乳腺细胞,具有分化成多种细胞类型及构建组织的潜能。,小肠上皮隐窝细胞,细胞通过旁分泌产生信号分子旁泌素(细胞生长分化因子)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(promixatetissueinteraction)/胚胎诱导。远距离细胞间则主要通过内分泌产生的激素来调节细胞分化。,神经系统上皮,头外胚层,视网膜神经上皮,视泡腔,晶状体,角膜,细胞通讯，信号传导,视杯,发育中的晶状体,部分移入一成虫腹腔,成虫盘,成虫盘：初级分化的细胞团，可分化成为不同的器官。,果蝇幼虫成虫盘细胞