细胞分化与基因表达调控

第1页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第一节细胞分化

(Celldifferentiation)一、细胞分化的基本概念二、影响细胞分化的因素三、细胞分化与胚胎发育—Hoxgenes第2页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三几种生物的细胞数目与类型第3页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三Human:1014cells,>200celltypes第4页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三细胞生长细胞代谢细胞增殖细胞分化细胞通讯细胞衰老细胞死亡……细胞类型形成组织器官形成个体发育基因表达调控

1.细胞的重大生命活动：细胞分化（celldifferentiation）：在个体发育中，由一种相同细胞类型，经分裂形成在形态、结构和功能上不同的稳定的细胞类群的过程；是个体发育的基础和核心。第5页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

2.细胞分化与机体的正常功能：细胞分化是个体行使正常功能的保证。

1)本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞能行使不同的功能（分工）；2)核心：基因是如何有序表达的？（调控）。细胞分化细胞类型1细胞类型2细胞类型3……细胞衰老细胞凋亡永生细胞（癌症）去分化增殖第6页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

一、基本概念（一）基因选择性表达的结果1.早期推测：细胞遗传物质的选择性丢失；2.现代分子生物学证据：基因的选择性表达。分子生物学的实验？

第7页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三分子杂交技术检测基因及其表达注：+阳性结果；-阴性结果结论：相同的基因组在不同细胞中的选择性表达；

细胞分化是基因选择性表达的结果。Whatkindofresultwasobtainedfromthisexperiment?第8页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（二）组织特异性基因与管家基因1.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。如，

肌动蛋白基因微管蛋白基因核糖体蛋白基因第9页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2.组织特异性基因(tissue-specificgenes)，或称奢侈基因(luxurygenes)：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。如，

卵清蛋白基因胰岛素蛋白基因上皮细胞表达的角蛋白基因第10页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三3.调节基因（Regulatorygene):基因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。

基因转录水平转录后加工水平染色质和DNA水平翻译和翻译后加工和修饰

生物芯片技术:分析手段(BIOchip)4.细胞分化的实质：组织特异性基因在时间和空间上的差异表达（differentialgeneexpress）。第11页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（三）组合调控引发组织特异性基因的表达1.细胞分化过程是由一系列基因产物（regulatoryproteins）调控的。

如，每个基因的表达都必须：在正确的细胞中；问题：细胞是如何协调（coordinate）这一过程的？在正确的时间；对正确的信号产生正确的反应；产生正确的表达水平。Howmanyregulatorygenesareneededduringcelldifferentiation?第12页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三3.主导基因（Mastergene）：在启动细胞分化的各类调节蛋白中，往往存在一两种起决定作用的调控蛋白，编码这种蛋白的基因称为主导基因。2.组合调控（combinationalcontrol）：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。答案：一个关键的调控蛋白，可以调控一系列下游基因，完成细胞分化。第13页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三组合调控：少数调控蛋白完成众多细胞类型的分化,细胞类型为2n组合调控的作用机制示意图2n(n=3,A,B,C)第14页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三基因差异表达及调节细胞分化的关键：细胞按照一定程序发生差别基因表达(differentialgeneexpression),

开放某些基因,关闭某些基因。分化细胞间的差异往往是一群基因表达的差异，而不仅仅是一个基因表达的差异。在基因的差异表达中，包括结构基因和调节基因的差异表达差异表达的结构基因受组织特异性表达的调控基因的调节。第15页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三例子：眼形成的关键调控蛋白Ey（果蝇）ey

基因早期细胞（发育成腿）腿中眼细胞分化眼形成细胞分化启动机制：通过一种关键性调节蛋白对其他调节蛋白级联启动。第16页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三与多细胞有机体细胞分化的不同之处：单细胞生物：多为适应不同的生活环境，多细胞生物：构建执行不同功能的组织与器官。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。（四）单细胞生物中的细胞分化(进化的中间类型)第17页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（五）转分化和再生一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化(transdifferentiation)。如：水母横肌细胞神经细胞、平滑细胞、上皮细胞神经干细胞骨髓细胞和淋巴细胞转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。如：植物动物，细胞核必须在卵母细胞质中。第18页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三再生(regeneration)，是指生物体缺失部分后重建过程。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。如：蟾蜍，沃尔夫晶体的再生植物的再生能力人和其他高等植物的再生能力不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。第19页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三科学研究动向：日本再生眼角膜取得成功韩国科学家开发成功脑神经细胞再生技术脊髓受伤再生的新发现英科学家发现使受损脊髓神经再生的酶脑细胞可再生形成神经细胞再生能力超强的“奇迹老鼠”-再生基因科学家首次实现鸡胚胎断翅再生-信号系统第20页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（六）细胞的全能性（totipotency实验证据：1)植物体细胞胚胎发生（plantsomaticembryogenesis2)动物克隆（1997，多莉羊；……）3)高度分化的动植物体细胞，在遗传背景(基因组DNA)

和功能上均是全能的。单个细胞形成完整个体的能力。如，受精卵、早期胚胎细胞；现已证实高度分化的细胞也具有全能性。第21页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三1)Plantcells植物细胞具有全能性，在适宜条件下可培育成完整植株，已广泛应用第22页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2)动物克隆如蛙红细胞核移植后发育成蝌蚪(全能性)Aneworganismcreatedbytheprocessofnucleartransplantation第23页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三Dolly:AlambwithnofatherThesheepstar:Dolly说明高度分化的哺乳动物体细胞核也具有发育全能性第24页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三克隆能给人类带来什么？克隆动物是未来的制药厂克隆的爱因斯坦会懂“相对论”吗第25页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三3）干细胞与分化潜能Whatisastemcell?干细胞（stemcells）：分化程度相对较低、具有不断增殖和分化能力的细胞Hastwoabilities:(1)Self-renewing(2)Differentiating第26页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三Wheretogetthestemcells?a)Embryonicstemcells第27页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三b)成体肝细胞第28页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三干细胞来源胚胎干细胞（embryonicstemcells,ESC）成体干细胞：造血（骨髓）干细胞神经干细胞肝脏干细胞

……功能多潜能干细胞(pluripotentstemcells)单能干细胞（directionalstemcells）干细胞的种类?第29页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三基因差异表达及调节细胞分化的关键：细胞按照一定程序发生差别基因表达(differentialgeneexpression),

开放某些基因,关闭某些基因。分化细胞间的差异往往是一群基因表达的差异，而不仅仅是一个基因表达的差异。在基因的差异表达中，包括结构基因和调节基因的差异表达差异表达的结构基因受组织特异性表达的调控基因的调节。第30页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三1）胚胎干细胞(embryonicstemcell，ES)胚胎干细胞是一种经人工操作能够发育成一个新个体的全能性二倍体细胞。它是从早期胚胎内细胞团(1nnercellmass，ICM)或原始胚胎生殖细胞(embryonicgermcell,EG细胞)经体外分化抑制培养分离克隆的。二者的形态、标志、体内分化潜能及种系传递功能都相似。胚胎干细胞的发育等级较高，属全能干细胞。第31页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2）成体干细胞(somaticstemcell)成体干细胞是一类成熟较慢但能自我维持增殖的未分化的细胞，这种细胞存在于各种组织的特定位置上，一旦需要,这些细胞便可按发育途径,先进行细胞分裂,然后经过分化产生出另外一群具有有限分裂能力的细胞群。成体干细胞的发育等级较低，是多能或单能干细胞。第32页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三成体干细胞(somaticstemcell)造血干细胞(hematopoieticstemcell，HSC)骨髓间质干细胞(mesenhymalstemcell)神经干细胞(neuralstemcell，NSCs)肌肉干细胞(musclestemcell)成骨干细胞(osteogenicstemcell)内胚层干细胞(endodermalstemcell)视网膜干细胞(retinalstemcell)第33页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三造血干细胞在适当的条件下，骨髓中的造血干细胞能够分裂形成两种类型的细胞：一种,仍然作为干细胞，但另一种成为祖细胞(progenitorcell),即次一级的干细胞，又称为爆发集落形成单位（burstformingunits,BFUs）和集落形成单位（colony-formingunits,CFUs）,因为它们可分裂形成多种类型的细胞群。第34页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第35页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三a)单能干细胞（Monopotentialstemcell）单能干细胞也称专能、偏能干细胞，这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞。单能干细胞是发育等级最低的干细胞。第36页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三多能干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。b)多潜能干细胞(pluripotentstemcells)第37页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三b)多潜能干细胞(pluripotentstemcells)第38页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三Whydoresearchersstudystemcells?Forrepairingtissuedamagecausedbydiseaseorinjury,including:Diseasesthatimpairbrainfunction,suchasAlzheimer'sdiseaseandParkinson'sdiseaseSpinalcordinjuriesBlooddiseases,includingleukemiasBurns第39页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（二）影响细胞分化的因素1）胞外信号分子对细胞分化的影响,2）细胞记忆与决定果蝇成虫盘(imaginaldisc)3）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响4）细胞间的相互作用与位置效应5）环境对性别决定的影响6）染色质变化与基因重排对细胞分化的影响第40页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三1）胞外信号分子对细胞分化的影响近端组织的相互作用：一部分细胞会影响周围细胞使其向一定的方向分化，这种作用称～。旁分泌产生的信号分子旁泌素来实现；例证：视泡远端因子：内分泌（激素）第41页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2)细胞记忆和决定

(1)细胞记忆：细胞将信号分子的作用储藏起来，以决定分化的能力。（memoryfate）（2）细胞记忆方式：

正反馈途径（positivefeedbackloop）

染色质结构变化（e.g.,常染色质和异染色质）第42页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第43页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三(2)细胞决定（Determination）：是指细胞在发生可识别的分化特征之前，就已确定了未来的发育命运，并向着特定方向分化，称为细胞决定。3）受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响4）细胞间的相互作用与位置效应5）环境对性别决定的影响6）染色质变化与基因重排对细胞分化的影响第44页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第二节癌细胞(Cancercell)一、癌细胞的基本特征二、癌基因与抑癌基因三、癌症产生是基因突变积累的结果四、肿瘤干细胞第45页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三比喻：动物体（人）—一个特殊的“社会”（society）;

细胞—“社会”中的个体（individuals）;

原则—“个体”的自我牺牲（self-sacrifice）;

癌细胞—“社会”中的“不轨分子”（违反上述原则，“疯狂增殖”）。相关事件：基因突变；DNA复制；DNA修复；细胞周期；细胞凋亡；细胞分化；基因调控；……第46页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三

过程：致癌因子（carcinogens）：环境的，遗传的，内源的，……相关基因（cancer-criticalgenes）的突变基因突变的积累基因表达谱式的改变细胞活动的异常（周期，粘附性，凋亡，移动性，……）癌细胞的产生第47页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三癌症是细胞正常分化机制失控而而成为不衰老的永生的细胞。体细胞基因组的改变（突变的积累）；癌症是由众多因素引发的“基因病”（genedisorder）（体细胞）；有别于通过性细胞传递的“遗传病”（geneticdisorder）复杂性：美国“攻克癌症”的十年计划的失败第48页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三一、癌细胞的特征良性肿瘤（benign）：不转移肿瘤（tumor）（分裂失控）恶性肿瘤（malignant）:转移、侵润上皮组织：癌（carcinoma）结缔组织和肌肉：肉瘤（sarcoma）其他（血液）：白血病等（leukemia)癌（cancer）第49页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第50页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三二、癌细胞的主要特点（一）形态1.细胞外形改变微绒毛、丝足和片足缩回，细胞表面圆泡增加，细胞外形变圆。第51页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2.细胞骨架结构紊乱微管变短、排列紊乱，微丝也发生异常结构3.核异常核的大小和形态发生改变，参差不齐；核型明显异常、发生基因扩增或缺失染色体发生丢失、重复、易位。第52页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三4.质膜结构发生变化间隙连接减少或消失，细胞通讯受阻；细胞表面受体活性发生改变、信号转导途径收到影响。第53页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（二）生理变化1、无限分裂:Hela细胞2、接触抑制现象丧失第54页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三3、细胞粘着性减弱分泌纤粘连蛋白能力减弱或缺失4、贴壁性下降癌细胞的细胞外基质中的葡糖胺聚糖合成减少。5、易于被凝聚素凝聚细胞膜结构发生改变受体在膜上的运动性增强第55页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（三）生物化学变化1、质膜的化学成分发生改变2、高尔基体成分发生变化3、纤连蛋白分子减少4、产生新的抗原5、生长因子的需求降低。第56页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三二、癌基因与抑癌基因（cancer-criticalgenes）1.原癌基因（proto-oncogenes）和癌基因（oncogenes）原癌基因：可促进细胞增殖的正常基因,其功能获得性突变形式为癌基因,具有促使细胞发生癌变的能力。癌基因：通常表示为原癌基因的突变体,这些基因编码的蛋白使细胞的生长失去控制,并转变成癌细胞,故称癌细胞。第57页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三癌基因的发现Roussarcomavirus(携带Src基因），能引起鸡癌变；鸡的细胞中发现也有Src的同源基因，编码一种调控细胞分裂的蛋白激酶。众多的逆转录病毒中均有细胞中相应的癌基因；分别称为：病毒癌基因（v-oncogenes）细胞癌基因（c-oncogenes）。种类：生长因子及其受体；信号转导通路中的蛋白；转录因子；细胞周期调控蛋白；细胞凋亡相关蛋白，etc.第58页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三癌基因的种类I>蛋白激酶

c-oncogenes

II>生长因子与生长因子受体癌基因的蛋白产物与生长因子或生长因子受体很相似-----促进细胞增殖。III>核癌蛋白直接与DNA结合……第59页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三2.抑癌基因（tumor-suppressorgenes）抑癌基因：细胞中一类基因与遏制细胞增殖有关，这类基因的缺失或失活，也可引起细胞癌变，这类基因称为抑癌基因。发现：(1)瘤细胞杂交的实验启示癌细胞的恶性生长与某染色体上的的特定基因丢失有关。(2)RB基因的发现RB基因在几乎所有的细胞中表达，细胞分裂中起作用；第60页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三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、肝母细胞瘤NF-1GAP，rasGTP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

第61页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三Rb基因的调控机理Rb基因对肿瘤的抑制作用与转录因子（E-2F）有关。E-2F是一类激活转录作用的活性蛋白，在

G0、G1期，低磷酸化型的

Rb蛋白与

E-2F结合成复合物，使

E-2F处于非活化状态；在S期，Rb蛋白被磷酸化而与E-2F解离，结合状态的E-2F变成游离状态，细胞立即进人增殖阶段。当Rb基因发生缺失或突变，丧失结合、抑制E-2F的能力，于是细胞增殖活跃，导致肿瘤发生。

第62页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第63页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第64页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三视网膜母细胞瘤（retinoblastoma）：视网膜中神经前体细胞癌变产生；视网膜母细胞瘤（retinoblastoma）是由于RB

基因突变失活而引起的；第65页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三视网膜体细胞纯合子细胞发生成视网膜瘤视网膜体细胞纯合子细胞发生成视网膜瘤第66页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第67页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三（3）p53基因50％的肿瘤中发现p53的突变；作用：细胞周期调控；促进细胞凋亡；维持遗传稳定性（p53突变使细胞逃脱DNA损伤的监控系统而进入分裂）第68页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三控制细胞生长和增殖并与肿瘤发生有关7类蛋白第69页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三第70页，讲稿共78页，2023年5月2日，星期三3