细胞分化与癌细胞（医学ppt）.ppt

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 celldifferentiation 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 Celldifferentiationoccursinmulticellularorganisms Human 1014cells 200celltypes 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 ThedifferentcelltypesofamulticellularorganismcontainthesameDNA Acellcanchangetheexpressionofitsgenesinresponsetoexternal外部的signals DifferencesinmRNAexpressionpatternsamongdifferentcelltypes Differentcelltypessynthesizedifferentsetsofproteins GeneexpressioncanberegulatedatmanyofthestepsinthepathwayfromDNAtoRNAtoprotein 2 组织特异性基因与管家基因 管家基因 house keepinggenes 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 specificgenes 或奢侈基因 luxurygenes 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 regulatorygene 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 combinationalcontrol 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 Celltotipotency 细胞全能性 TheabilityofacelldevelopsintoacompleteorganismPlantcells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 Animalcloning Aneworganismcreatedbytheprocessofnucleartransplantation TransplantationoffrogredcellnucleusindicatedthenucleusofanimalisTotipotency AneworganismcreatedbytheprocessofnuclearTransplantation 核移植 Dolly Alambwithnofather Thesheepstar 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 stemcell Monopotentialcell仅具有分化形成某一种类型能力的细胞 称为单能干细胞 monopotentialcell 或定向干细胞 directionalstemcell Terminaldifferentiation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 terminaldifferentiation Stemcellanditsdifferentiationpotential Astemcellhastwoabilities 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 Whydoresearchersstudystemcells Forrepairingtissuedamagecausedbydiseaseorinjury including 修复组织损伤Diseasesthatimpairbrainfunction suchasAlzheimer sdiseaseandParkinson sdiseaseSpinalcordinjuriesBlooddiseases includingleukemiasBurns 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 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 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 promixatetissueinteraction 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 embryonicinduction 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 positioneffect 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 Ahomeoticmutation TheflyshownhereisanAntennapediamutant ItsantennaeareconvertedintolegstructuresbyamutationintheregulatoryregionoftheAntennapediagenethatcausesittobeexpressedinthehead Awholesetofhomeoticselectorgenesdeterminestheanteroposteriorcharacterofthesegmentsofthefly Thegenesofthisset eightoftheminthefly areallrelatedtooneanotherasmembersofamultigenefamily andtheyalllieinoneortheotheroftwotightgeneclustersknownastheBithoraxcomplexandtheAntennapediacomplex ThegenesintheBithoraxcomplexcontrolthedifferencesamongtheabdominalandthoracicsegmentsofthebody whilethoseintheAntennapediacomplexcontrolthedifferencesamongthoracicandheadsegments Comparisonswithotherspeciesshowthatthesamegenesarepresentinessentiallyallanimals includinghumans ThesecomparisonsalsorevealthattheAntennapediaandBithoraxcomplexesarethetwohalvesofasingleentity calledtheHoxcomplex thathasbecomesplitinthecourseofthefly sevolution andwhosemembersoperateinacoordinatedwaytoexerttheircontroloverthehead to tailpatternofthebody ThepatternsofexpressioncomparedtothechromosomallocationsofthegenesoftheHoxcomplex Thediagramshowsthesequenceofgenesineachofthetwosubdivisionsofthechromosomalcomplex Thiscorresponds withminordeviations tothespatialsequenceinwhichthegenesareexpressed showninthephotographofanembryoattheextendedgermbandstage about5hoursafterfertilization TheembryohasbeenstainedbyinsituhybridizationwithdifferentlylabeledprobestodetectthemRNAproductsofdifferentHoxgenesindifferentcolors PhotographcourtesyofWilliamMcGinnis adaptedfromD Kosmanetal Science305 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 papsmear 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 GrowthpropertiesofnormalandcancerouscellsNormalcellstypicallygrowinaculturedishuntiltheycoverthesurfaceasamonolayer aandb Incontrast cellsthathavebeentransformedbyvirusesorcarcinogenicchemicalstypicallygrowinmultilayeredclumps 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 Benigntumors 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 Malignanttumors 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 togiverisetoacolony ormetastasis inanewsite thecellsofaprimarytumorinanepitheliummusttypicallycrossthebasallamina migratethroughconnectivetissue andgetintothebloodorlymphaticvessels B Metastasesinahumanliver originatingfromaprimarytumorinthecolon 结肠 C Highermagnificationviewofoneofthemetastases staineddifferentlytoshowthecontrastbetweenthenormallivercellsandthetumorcells Cancersspreadbymetastasis MetastasisMalignanttumorstypicallygiverisetometastases makingthecancerhardtoeradicate Showninthisfusionimageisawhole bodyscanofapatientwithmetastaticnon Hodgkinslymphoma NHL Thebackgroundimageofthebody stissueswasobtainedbyCT computedX raytomography scanning Overlaidonthisimage aPET positionemissiontomography scanthatdetectstheuptakeofradioactivelylabeledfluorodeoxyglucose FDG uptakeindicatescellswithunusuallyactiveglucoseuptakeandmetabolism acharacteristicoftumors TheyellowspotsintheabdominalregionrevealmultipleNHLmetastases 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Allofthetheseagentshaveonepropertyincommon theyalterthegenome 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 Tumorviruses DNAtumorvirusSV40 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 Cancerincidenceisrelatedtoenvironmentalinfluences Thismapoftheworldshowstheratesofcancerincreasingordecreasingwhenspecificpopulationsmovefromonelocationtoanother 三 Oncogeneandtumor suppressorgene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 suppressorgene 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 cyclinD 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 DNAdamagecheckpoint Cell cycleprogressionisblockedbyDNAdamageandp53 DNA损伤是如何使细胞周期中止在G1期 Twosuchcheckpoints 1 OneinlateG1 preventsentryintoSphase 2 OneinlateG2 preventsentryintomitosis p53 generegulatoryprotein DNAdamageactivatesp53byanindirectmechanism Mdm2actsasaubiquitinligasethattargetsp53fordestructionbyproteasomes Phosphorylatedp53reduceitsbindingtoMdm2 p21 CDKIprotein bindstoG1 SCdkandS Cdkandinhibitstheiractivities therebyhelpingtoblockentryintoSphase 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