《细胞生物学》教学课件：14 细胞分化与基因表达调控

1、第十四章 细胞分化与基因表达调控,细胞分化(cell differentiation)：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。 细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心; 细胞分化(Cell differentiation) 癌细胞(Cancer cell) 真核细胞基因表达的调控,第一节 细胞分化(Cell differentiation),细胞分化的基本知识 影响细胞分化的因素 细胞分化与胚胎发育Hox genes,细胞分化与胚胎发育-同源异型基因（homeotic selector gene，Hox gene）,细胞分

2、化是胚胎发育的基础。一类含有同源框的基因，在胚胎发育中的表达水平对于组织和器官的形成具有重要的调控作用。 Hox gene是果蝇体节发育中起关键作用的基因群。 含有高度保守的180bp组成的DNA序列，称同源框。编码60个氨基酸，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。已发现的 Hox基因的产物基本上都是转录因子。 同源异型基因在染色体上的排列次序与胚胎发育过程中的先后时间、空间（果蝇体节前后轴）表达顺序相一致的。 不仅在果蝇中,在小鼠,人等哺乳动物中也存在有同源异型基因,称Hox基因家族.分为四组:HoxA,HoxB,HoxC,HoxD . 每组有13个基因 ,在

3、人类中,它们分布在四条染色体上,分别是7号,17号,12号,2号.,一、细胞分化基本知识,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, 细胞分化的基础是基因选择性表达合成特异性蛋白质；合成特异性蛋白质实质是组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达。即具有相同基因组成的细胞由于基因选择性表达，各类群细胞表现出了不同的结构功能。,转分化与再生,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）。例水母

4、横纹肌细胞转分化为神经细胞、上皮细胞、平滑肌细胞。 转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。 去分化又称脱分化：指分化的细胞失去原来特有结构、功能变成未分化细胞特征的过程。幼叶 愈伤组织 生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生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。 不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。植物比动物强，低等动物比高等动物强。,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： 单细胞多为适应不同的生活环境，如枯草杆菌芽孢、真菌单倍体孢子的形成均涉及特异基因的表达

5、；而多细胞则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。 多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。,组合调控引发组织特异性基因的表达,组合调控（combinational control）指有限的少量调控蛋白启动为数众多的细胞类型的分化（人体200种类型细胞 ）。 即特异性基因表达的机制就是调控蛋白组合调控，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。组合调控引发组织特异性基因的表达。（当有调控蛋白数n，就能启动分化的细胞类型数2n，见P471图 ） 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

6、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：研究果蝇眼的发育证实，眼器官发育中的一种关键性调控蛋白Ey在成腿细胞早期发育中表达或存在，可以诱导产生眼器官的不同类型细胞有序三维组合，在成腿细胞发育的中部形成眼）。 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。,组织特异性基因与当家基因,组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因(luxury genes)：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； 当家基因(house-keeping genes)： 是指所有细胞中

7、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； 比较基因产物：微管蛋白 肌动蛋白 膜蛋白 r蛋白 细胞色素C 组蛋白 血红蛋白 胰岛素 卵清蛋白 调节基因 (regulatory gene)其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。,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：细胞全能性是指细胞在适宜的条件下，经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。 全能性细胞：受精卵早期胚胎细胞植物体细胞 动物干细胞动物终末分化的细胞核(保持完整基因组) 植物细胞具有全能性，在适宜的

8、条件下可培育成正常的植株：大花蕙兰、金边瑞香、龙牙百合等等 动物细胞核移植(Nuclear transfer)实验证明细胞核具有 发育全能性，同时说明卵细胞质对细胞分化的重要作用 干细胞(Stem cell)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(imaginal disc):为初级分化的细胞群. 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 （27-37雌龟，高或低该区雄龟） 染色质变化与基因重排对细胞分化的影响,如蛙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

9、物体细胞核也具有发育全能性,干细胞(G0期细胞)：是一类成熟较慢，能自我维持增殖的未分化的细胞，一旦需要，它们便按发育途径先行细胞分裂，再分化产生分化细胞。这种细胞存在于机体许多组织的特定位置. 成体干细胞分化模式（规律）： 全能性细胞多能干细胞单能干细胞 胚胎干细胞(embryo stem cell)：具有分化成多种细胞类型及构建组织机体的潜能（全能细胞） 造血干细胞（多能细胞） 单能干细胞（monopotential cell）,第二节 癌细胞(Cancer cell),癌细胞的基本特征 致癌因素 原癌基因与抑癌基因 癌症产生是基因突变逐渐积累的结果 癌症能治疗吗？ 细胞癌变是正常细胞分化

10、机制失控的表现,基因组发生了改变,成为不衰老的“永生”细胞 基因突变的结果可能致某些分化细胞的生长与分裂失控，脱离了衰老和死亡的正常途径而成为癌,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(tumor cell)。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。目前癌细胞已作为恶性肿瘤通用名了。 癌细胞(三个主要特征)：具有恶性增殖并具有浸润性和扩散转移能力的肿瘤。 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,1.细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力，成为“永生”细胞。 2

11、.具有浸润性扩散性 癌细胞的细胞间粘着性下降，具有浸润性和扩散性，这是癌细胞的基本特征。 在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组 织细胞的结构(间隙连接)和功能 3. 细胞间相互作用改变（识别改变；表达水解酶类；产生新的表面抗原） 4.蛋白表达谱系或蛋白活性改变（胚胎细胞蛋白、端粒酶活性升高） 5. 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） 6. 染色体非整倍性,体外培养的恶性转化细胞的特征,恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能 在体外培养时贴壁性下降 失去接触抑制 培养时对血清依赖性降低 当将恶性转化细胞注入易感动物体内，往往会形成肿瘤,二、致癌

12、因素,多种理化因子致癌(各种致癌化学物,辐射) 病毒癌基因:DNA肿瘤病毒与RNA肿瘤病毒致癌 遗传信息突变(细胞癌基因表达)大多是内源DNA损伤,二、原癌基因与抑癌基因,癌症主要是体细胞突变产生的基因性疾病，癌症发生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-suppressor gene)突变 原癌基因与肿瘤抑制基因产物协调作用，避免细胞癌变,正常的结肠细胞,结肠癌发生过程中可能涉及的基因突变及顺序 APC：adenomatous poly

13、posis coli 腺瘤状息肉发生DCC：deleted in colorectal cancer 结直肠肿瘤,早期腺瘤,中期腺瘤,晚期腺瘤,APC抑癌基因丢失,DNA去甲基团,Ras原癌基因突变,DCC抑癌基因突变 P53抑癌基因突变,癌,转移,细胞加速生长,其他基因突变,细胞的恶性转化需要发生多个遗传基因突变,涉及多级反应和突变积累,并非某一原癌基因突变马上形成癌,而是直至新的偶发突变不断产生积累,才形成癌细胞特征的恶性肿瘤,所以患者多为年长者。例结肠癌的发生：,三、细胞癌变是基因突变逐渐累积的结果,原癌基因是存在于细胞基因组中(c- onc)的正常基因，它编码的蛋白质控制正常的细胞生长

14、和分裂。原癌基因突变后成为癌基因. 癌基因是控制细胞生长和分裂的正常基因(原癌基因)的一种突变形式。 这些基因编码多种类型的蛋白质是细胞生长和分裂的调控因子。 这类基因功能获得性突变(显性突变)， 其产物量增加或活性升高，促进细胞癌变。,抑癌基因是正常细胞增殖过程中的负调控因子。抑癌基因 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基因突变导致视网膜母细胞瘤形成。 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(杀死癌细胞)是手术、放疗、化疗 癌症治疗新方案

15、(保护机体,针对发生机制阻断癌细胞恶性增殖) 免疫治疗(Immunotherapy) 基因治疗(Gene therapy) 抑制癌细胞促进蛋白的活性 抑制肿瘤血管形成 肿瘤干细胞与肿瘤发生机制（新） 凋亡蛋白靶向药物研究等,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 总之，尽管许多水平上存在调控机制，然而主要的调控方式是在转录水平上。,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 1.启动子(顺式作用元件):TAT

16、A盒、CAAT盒和GC盒.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。这三种普遍的启动子元件的位置见图第1行。 2.增强子(顺式作用元件):与特异转录子结合的DNA序列. 缺失作图法（deletion mapping）与DNA足纹技术 （DNA footprinting）鉴定启动子区域特殊位点的功能 转录因子结构 (反式作用元件) (1)通用转录子与启动位点结合,包括RNA聚合酶形成转录起始复合物；(2)特异转录子与增强子结合 具有完整启动子的大部分DNA都能起始基础水平的转录,且由结合在DNA其他位点上的转录因子所调控(促进或阻抑)。转录因子与DNA序列相

17、互作用最常见的几种结构模式,基因表达阻遏,DNA甲基化（DNA methylation）与基因表达阻遏有关 基因组印记（genomic imprinting）某些基因的DNA甲基化按照亲本来源带上了记号. 它是说明甲基化作用在基因表达中具有重要意义的最好例证，也是哺乳动物所特有的现象P493,所以DNA甲基化被认为是基因组印记的机制之一。,二加工水平的调控,组成型剪接(constitutive splicing)剪除内含子，规范连接外显子为成熟mRNA，结果一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般也只产生一种蛋白质产物 可调控的选择性剪接：对外显子剪切后，以不同方式连接，产生不同的成熟mRNA，

18、翻译产生不同的蛋白质（称蛋白质异形体：结构相关功能相似）,选择性剪接是一种广泛存在的RNA加工机制，通过这种方式，一个基因能编码两个或多个相关的蛋白质,这是加工水平上基因表达调控的重要方式。如纤粘蛋白(fibronectin）的合成 选择性剪接抗体分子、转录因子的变异体，是由于关键区域不同，决定某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

19、的mRNA的 聚集有一定关系,mRNA翻译的调控,“隐蔽”mRNA（masked mRNA）的激活 调节编码铁蛋白（ferritin）的 mRNA翻译速率的机制,mRNA稳定性的调控,mRNA的寿命与它的多聚(A)尾巴长度有关(大于30个稳定) 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(非翻译区)的核苷酸顺序的不同,AUUUA重复序列似乎在多聚(A)尾巴变短时扮演一个与降解速率有关的角色,而3UTR(非翻译区) CCUCC重复序列为稳定。,几种生物的细胞数目与类型,Fig.21-19,分离肝细胞质中mRNA,分离脑细胞质中mRNA,选

20、择性制得肝细胞质中的特异（）mRNA,反转录合成标记cDNA作探针,用探针分别与肝细胞、脑细胞质中转录物杂交，表明肝细胞与脑细胞中mRNA种类转录表达差异，,肝细胞中mRNA与DNA探针发生原位杂交,脑细胞的mRNA与探针DNA无互补杂交片段。,囊胚,蝌蚪,多能干细胞,骨髓细胞,淋巴细胞,B淋巴细胞,T淋巴细胞,红细胞,嗜碱性粒细胞,嗜酸性粒细胞,嗜中性粒细胞,单核细胞,血细胞分化,淋巴细胞分化,破骨细胞,巨噬细胞,血小板,巨核细胞,图,表皮基底细胞增生补充死亡脱落皮肤表皮细胞,小肠单能干细胞分化单层柱状上皮,小肠绒毛,小肠隐窝表面.,精原细胞分化精子,增生,脱落,隐窝,不分裂的细胞,快速分裂

21、的分化细胞,分裂慢的的干细胞,不分裂的分化细胞,眼发生的逐级诱导:视泡（旁泌素）诱导近端上皮细胞发育成晶状体,随后诱导外表皮细胞形成角膜.,前脑（神经管上皮细胞）,视泡腔,视杯,显象角膜,晶体泡,连接组织,头部外层细胞,视网膜色素上皮细胞,视网膜神经上皮细胞,细胞决定：cell分化是严格的方向性，cell在未出现分化特征之前，分化的方向就已由cell内部的变化及受环境影响而决定，这一现象称cell决定。细胞记忆可将信号分子的作用以某种特定基因的激活或抑制持久不变的稳定方式印记在基因组中.因此具备细胞记忆才能保证细胞决定的稳定性和遗传性. 果蝇的成虫盘细胞决定移植实验(稳定分化遗传),幼虫,成虫

22、盘,变态,部分成虫盘移入幼虫体内,部分成虫盘移入成虫体腹腔,成虫盘分化为入成虫体内的相应器官,取出成虫盘细胞移入幼虫体内,成虫盘细胞在成虫体内代增殖并不断被移植到新的宿主体内,成虫盘仍然分化为它原来应该形成的成虫体内的相应器官,前列腺,乳腺,肺,结肠,淋巴腺,膀胱,黑瘤,直肠,肾,白血病,胰腺,卵巢,脑,原癌基因的基本类型: 1.生长因子 2.生长因子受体 3.蛋白激酶或胞内信号转导通路分子 4.细胞周期调控蛋白 5.影响细胞凋亡的蛋白 6.转录因子 .DNA修复蛋白,原癌基因突变,细胞正常生长,细胞正常生长,失去生长控制,肿瘤抑制基因两个拷贝突变,肿瘤抑制基因突变,失去生长控制,肿瘤抑癌基因产物Rb,译码蛋白,Cdk激酶作用,G1期向S期运转,DNA损伤修复后正常分裂,P53突变,DNA损伤不修复失控分裂转化成肿瘤细胞,没修复的DNA肿瘤细胞产生,启动程序性死亡,避免缺陷细胞增殖,阻抑细胞周期运行,修复成功,修复失败,转录水平