细胞分化与基因表达调控 ,癌细胞 肿瘤干细胞.ppt

1、,细胞分化与基因表达调控,本章内容提要,第一节 细胞分化 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 第二节 癌细胞 一、癌细胞的基本特征 二、癌基因与抑癌基因 三、肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果 四、肿瘤干细胞 第三节 真核细胞基因表达的调控 一、转录水平的调控 二、加工水平的调控,Cell differentiation occurs in multicellular organisms,几种生物的细胞数目与类型:,一、细胞分化的基本概念 （一）细胞分化是基因选择性表达的结果 细胞分化在个体发育中，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

2、稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程。 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； 细胞癌变是正常细胞分化机制失控的表现。,第一节 细胞分化,细胞分化是由于细胞选择性地表达各自特有的专一性蛋白质，而导致细胞形态、结构与功能的差异。,表 分子杂交技术检测基因及其表达,（二）组织特异性基因与管家基因,分化细胞基因组中所表达基因可分为2种类型： 管家基因（持家基因） 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（奢侈基因）是指不同类型细胞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特征与特异的功能； 调节基

3、因，其产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或阻遏作用。 细胞分化的实质是组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达。,（三）组合调控引发组织特异性基因的表达,组合调控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。,3种调控蛋白可启动8种不同细胞类型的分化。,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）。 细胞分化启动机制 靠一种关键性调节蛋白 （主导基因）通过对其 他调节蛋白的级联启动。,眼发育的关键性调控蛋白称Ey或 Pax-6,（四）单细胞

4、有机体的细胞分化,单细胞有机体细胞分化：多为适应不同的生活环境； 多细胞有机体细胞分化：为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。,Life history of Dictyostelium discoideum,盘形网柱黏菌,假原质团,（五）转分化与再生,转分化一种分化类型的细胞转变成另一种分化类型的细胞的现象。,水母横纹肌细胞经转分化可形成神经细胞、平滑肌细胞、上皮细胞、甚至形成刺细胞。,（五）转分化与再生,转分化经历去分化和再分化的过程。 去分化（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特征的细胞的过程。如：植物体细胞在一定条件下

5、形成由未分化细胞群组成的愈伤组织。 重编程高等动物分化细胞的细胞核必须在卵细胞质中才能完成去分化过程，这个过程称之。 再生一般是指生物体缺失部分后的重建过程。,二、 影响细胞分化的因素,（一）细胞的全能性 细胞全能性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。,干细胞,细胞多能性细胞仅具有分化成多种 细胞类型及构建组织的潜能。 根据发育潜能，把干细胞分为： 全能干细胞 多能干细胞具有多种分化潜能的细胞。 单能干细胞（定向干细胞）仅具有分化形成某一种类型细胞能力的干细胞。 终末分化由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程。 根据来源与分化潜能，把干细胞分为： 胚胎干细胞：是全能干细胞，如

6、囊胚期的胚胎细胞团。 成体干细胞：是多能或单能干细胞，如造血干细胞。,在整个发育过程中，细胞分化潜能会逐渐受到限制而变窄，即由全能性细胞转化为多能和单能干细胞。,祖细胞,细胞核在细胞分化过程中仍保持全能性。,1988年，Thomson等首次建立人胚胎干细胞系。,在体外由胚胎干细胞诱导分化成的各种细胞,脂肪细胞,寡突神经胶细胞,Stem cells migrate to sites of organ damage and differentiate to cell types competent to participate in tissue regeneration,组织工程,2001年，H

7、aseltine提出了再生医学,（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 近端组织的相互作用（即胚胎诱导，如眼的发生）和通过细胞旁分泌的信号分子旁泌素来实现。 远距离细胞间相互作用通过激素 调节来影响细胞分化，如蝌蚪变态， 是甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸 增加所致。,早期视泡能诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育称晶状体,晶状体,角膜,视泡和晶状体共同诱导外面的表皮细胞形成角膜,视杯,2. 细胞记忆与决定 信号分子的有效作用时间是有限的，但细胞可将这种短暂作用储存起来并形成长时间的记忆。 果蝇成虫盘 细胞的决定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

8、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就已确定了细胞的分化命运。,3. 受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响 决定子指影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分。 生殖质决定生殖细胞分化的细胞质成分。,生殖质,隐蔽mRNA,4. 细胞间的相互作用与位置效应 胚胎诱导细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建的影响。 位置效应细胞所处位置改变可导致细胞分化方向变化的现象。,如鸡胚发育的原肠胚期，由Sonic hedgehog基因编码的信号蛋白作用下，靠近脊索的细胞分化成底板，而远离脊索的细胞分化成运动神经元。,A and D: the paws of a norm

9、al mouse embryo ; B and E: Mice lacking cholesterol-modified Sonic hedgehog have malformed digits; C and F: Mice expressing half the amount of Sonic hedgehog without cholesterol develop extra, ectopic digits.,5. 环境对性别决定的影响 蜥蜴类的A. agema和E. macularius，低温（24 C）发育成雌性，提高温度（32C）发育成雄性；龟类T. graetta，C. caret

10、ta 与之相反。 蜗牛类的软体动物Crepidula，上下叠压群体中，位于上方的发育为雄性，下方的为雌性。,Cluster of Crepidula snails,6. 染色质变化与基因重排对细胞分化的影响 马蛔虫在卵裂过程中染色体出现消减现象。 B淋巴细胞中的DNA经过断裂丢失与重排的复杂变化，在理论上可表达出数十亿种抗体。,细胞分化是胚胎发育的基础。 同源异型（选择者）基因 在染色体上的排列次序不仅 与这些基因在胚胎发育中 活化的时间顺序一致， 而且与果蝇沿躯体 前后轴的空间表达 顺序相符。,三、细胞分化与胚胎发育,肿瘤细胞动物体内因分裂调节失控而无限增殖的细胞。 恶性肿瘤具有转移能力的肿

11、瘤。 癌上皮组织的恶性肿瘤。 一、癌细胞的基本特征 1. 细胞生长与分裂失去控制 2. 具有浸润性和扩散性 良性肿瘤有些肿瘤细胞仅位于某些组织特定部位，周围通常有完整的结缔组织结构包裹，如疣、息肉。 恶性肿瘤与良性肿瘤的最主要区别：癌细胞的细胞间黏着性下降，具有浸润性和扩散性。癌细胞在分化程度上较低，失去了原组织细胞的某些结构和功能。 转移灶肿瘤细胞转移并在身体其他部位增殖产生的次级肿瘤。,第二节 癌细胞,3. 细胞间相互作用改变 癌细胞冲破细胞识别作用的束缚，在转移过程中，产生水解酶类、异常表达某些膜蛋白。,一、癌细胞的基本特征,4. mRNA的表达谱及蛋白表达谱或蛋白活性改变 癌细胞的蛋白

12、表达谱中，往往出现一些在胚胎细胞中表达的蛋白； 多数癌细胞中具有 较高的端粒酶活性。 5. 体外培养的恶性 转化细胞的特征 失去运动和分裂的 接触抑制。,一、癌细胞的基本特征,癌症主要是由携带遗传信息的DNA的病理变化而引起的疾病。主要是体细胞DNA突变。 癌基因是控制细胞生长和分裂的正常基因的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。 癌基因最早发现于劳氏肉瘤病毒，它携带src基因（v-src），鸡也携带src基因（c-src），该基因编码一种与细胞分裂调控相关的蛋白激酶，不致癌，但称之为细胞癌基因，或原癌基因。,二、癌基因与抑癌基因,Cancer can result from expressio

13、n of mutant forms of these proteins: I. growth factors II. growth factor receptors III. signal-transduction proteins IV. transcription factors V. apoptotic proteins VI. cellcycle control proteins VII. DNA repair proteins,信号转导通路中蛋白因子的突变是细胞癌变的主要原因。如Ras基因组成型激活突变。在视网膜母细胞瘤的细胞中，Rb基因突变失活，导致肿瘤发生。,E2F：转录因子，负

14、责转录细胞进入S期的一系列关键基因，如DNA修复所需酶类。,Cyclin D-CDK4,抑癌基因，实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，其编码的蛋白在细胞周期的检验点上起阻止周期进程的作用。,如果抑癌基因突变，丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞周期失控而过度增殖。,促进细胞增殖相关基因和抑制细胞增殖相关基因的协同作用，才能共同调控细胞的正常增殖进程。,DNA复制过程中的基因突变率：10-6，人的一生细胞分裂次数1016，因此，人的一生中，每个基因的可能的突变次数是1010次。加上环境诱变，肿瘤的发生率为什么这么低！ 原因1：绝大多数的基因突变位点不会致癌； 原因2：癌症的发生至少在一个细

15、胞中发生5-6个基因的突变。,三、肿瘤的发生是基因突变逐渐累积的结果,癌症涉及一系列原癌基因与肿瘤抑制基因的致癌突变的积累。,在人的二倍体细胞中，癌基因的突变是显性的；抑癌基因的突变是隐性的。 但在生殖细胞中，原癌基因或抑癌基因的突变都是显性的。如视网膜目细胞瘤（Rb基因突变所致）和Li-Fraumeni综合症（p53基因突变所致）。原因是：细胞分裂过程中，染色体的错误分离或有丝分裂重组，导致产生的子细胞中抑癌基因的两个拷贝均发生突变。,第三节 真核细胞基因表达的调控,多级调控体系： 1. 转录水平调控 2. 加工水平调控 3. 翻译水平调控 4. 翻译后水平调控,一、转录水平的调控,（一）转

16、录因子与真核生物的基因转录 RNA合成的起始，依赖于DNA上的启动子。 转录因子调控着DNA对转录的调节。包括： 通用转录因子：与结合RNA聚合酶的核心启动子位点结合； 特异转录因子：与特异基因的各种调控位点结合。 基因转录水平的调控错综复杂，受到多种因素的影响，包括转录因子与特异DNA序列的亲和力，及其与临近DNA位点上结合的其他转录因子之间协同作用的能力。,如：磷酸烯醇式丙酮酸羧激酶（PEPCK）的mRNA转录受多种转录因子的共同调控。 PEPCK基因： TATA框：启动子的主要元件，决定转录起始的位点； CAAT框，GC框：启动子元件，决定RNA聚合酶转录基因的效率。,基础转录所必需的启

17、动子序列的鉴定。启动子不同特定区域缺失后PEPCK基因基础转录水平结果。,糖皮质激素激活特异转录因子GR，影响PEPCK的基因转录。,转录因子,糖皮质激素反应元件,基础水平转录受到结合在起调节作用的DNA 序列上的其他特异转录因子的调控，导致转录水平改变。,真核生物的基因转录除需要通用转录因子和RNA聚合酶外，还需要其他蛋白因子的参与。,增强子显著加强目的基因的转录。 增强子为什么能够远距离发挥作用呢？DNA的袢环模型：启动子和增强子之间的DNA链形成袢环，使原本远离的两个结构相互靠近，两种元件上的结合蛋白相互作用，从而加强基因转录。,转录因子通过下列方式促进转录： 诱导染色质变化，促进基础转

18、录装置的组装； 结合增强子的转录因子与基础装置的各种组分相互作用，激活基础转录装置的活性。,转录因子结构： DNA结合结构域； 激活结构域。 此外，许多转录因子还含有促进与其他蛋白形成二聚体的表面。 转录抑制因子 功能：抑制基因转录。 结构： DNA结合结构域，抑制结构域。,DNA的结合基序：蛋白质上形成某些特殊空间结构，以结合DNA双螺旋的大沟。 “锌指” “螺旋-转角-螺旋” “亮氨酸拉链” 同源异型结构域：由3段a螺旋组成， 属“螺旋-转角-螺旋”家族。,转录因子如何结合DNA？,（二）DNA的甲基化对真核生物基因转录的调控,DNA甲基化与基因表达的阻遏有关。 甲基化位点：在GC富含“岛

19、”对称序列的5-GC-3二核苷酸的胞嘧啶的5-C上。 甲基化是使DNA转入持久遏制状态的重要条件。,（二）DNA的甲基化对真核生物基因转录的调控,甲基化作用通过2种方式抑制转录： 干扰转录因子对DNA结合位点的识别； 将转录激活因子识别的DNA序列转换为转录抑制因子的结合位点。 基因组印记 在哺乳动物发育早期，某些特定基因是活化还是失活仅仅依赖于它们是被精子还是被卵子带入受精卵。 印记基因的转录活性不受在早期胚胎中出现的去甲基化和复甲基化的影响。,（三）核小体与真核生物基因转录的调控,转录激活因子利于组蛋白乙酰化酶等修饰核小体，使染色质或组蛋白结构松散，利于转录。 转录抑制因子促进组蛋白脱乙酰

20、酶等的作用，使染色质结构紧密，难以转录。,螺线体,三、加工水平的调控,（一）初始的RNA转录产物的加工 mRNA前体的2种基本剪接方式： 组成型剪接：去除内含子，拼接外显子； 可调控的选择性剪接：外显子按不同方式剪接在一起。,mRNA前体,a-原肌球蛋白基因转录产物在不同细胞中的不同剪接方式：,果蝇DSCAM（神经元表面的受体）转录产物的可变剪接：,成熟的mRNA只包含每个区域各1各外显子和19个不参与可变剪接的外显子,大多数情况下，某一特定基因经过选择性剪接产生的蛋白组在长度上是相等的，只是在关键区域有所不同，从而影响蛋白质的一些重要性质，如胞内定位、结合的配体类型或催化活性动力学性质等。 RNA的可变剪接有时可产生功能完全不同的蛋白质，如人类的甲状腺和下丘脑中相同基因产生的不同翻译产物。,甲状腺,下丘脑,降钙素,神经激素,选择性剪接的机制：剪接增强子导致外显子附近的剪接位点被识别，并被包含在mRNA中。,调节蛋白,5剪接位点,3剪接位点,5剪接位点,U1,snRNP,snRNP,AF,剪接增强