细胞的分化与基因表达调控

第十四章细胞分化与基因表达调控西北大学生命科学学院细胞生物学课题组2011-5-18提纲（一）细胞分化的基本概念：细胞分化的概念，细胞的全能性和细胞决定，细胞分化的标志物；（二）细胞分化的分子基础：细胞分化的实质是基因的选择性表达；（三）影响细胞分化的因素：细胞核和细胞质的相互作用对分化的影响，诱导和抑制对分化的影响，激素和细胞粘附分子对分化的影响，位置信息对分化的影响；（四）癌细胞：癌细胞的基本特征，癌基因和抑癌基因；（五）真核基因表达调控：转录水平调控，加工水平调控，翻译水平调控。第一节细胞分化1细胞分化的基本概念；2影响细胞分化的因素；3细胞分化与胚胎发育。细胞分裂：细胞数目增多的过程，分裂产生的子细胞与亲代细胞在形态结构和功能上往往一样；细胞分化：细胞种类增多的过程，使细胞由非专一性（非特化性）状态向形态和功能的专一性（特化性）状态转变，成为具有不同表型结构的各种类型细胞。细胞的分化基本概念：指多细胞生物个体发育中，内在机制作用下，由一种相同的经细胞分裂后逐渐想成在结构、形态、生理功能及生化特征等方面稳定性差异，产生多种不同的细胞类型，以形成个体不同的组织、器官和系统的过程。P469重点1.1细胞分化是基因选择性表达的结果遗传物质选择性丢失；选择性表达：在同一时间内不是所有的基因都具活性，而是有的有活性，有的无活性，有些细胞是这部分基因有活性，有些细胞则是另外一些基因有活性。分子杂交技术分子杂交技术检测基因及其表达表明：－细胞分化并不是由于在发育过程中遗传物质选择性丢失所致；－而是由于基因选择性的表达各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构和功能的差异。1.2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；－如微管蛋白基因、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、胰岛素基因等调节基因(regulatorygenes):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。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表达（differentialexpress）所致。1.3组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控（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。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。主导基因：在启动细胞分化的过程中，发挥决定作用的1到2种调控蛋白编码基因。如MyoD基因就是调控成肌细胞分化形成骨骼肌细胞的主导基因。MyoD基因家族主要在骨骼肌肌肉细胞中表达,MyoD基因与Myf一5基因参与骨骼肌肌肉细胞的决定过程，但两者在时间上有不同的生肌作用插入位点(entrypoint)：一个由Myf一5基因引发，是建立早期的生肌节所必须的，另一个以MyoD基因为标志，形成后期的生肌节细胞，在生肌节发育后期，两基因又同时表达。Myogenin基因与MRF4基因参与了骨骼肌肌肉细胞的终末分化过程。骨骼肌肌肉发生(myogenesis)是一个复杂的连续的过程，MyoD基因家族以及其它的转录调节因子通过网络式的调节方式在分子水平上来决定骨骼肌肌肉细胞的发育命运。重点1.4单细胞有机体的细胞分化单细胞生物体（甚至原核细胞）也存在细胞分化的现象。与多细胞有机体细胞分化的不同之处：前者多为适应不同的生活环境，而后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。1.5转分化和再生转分化（transdifferentiation）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。转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化（redifferentiation）的过程。去分化（dedifferentiation）：指分化细胞失去其特有的结构和功能变成具有未分化细胞特征的过程。重点（二）再生Regeneration广义的再生：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。再生Regeneration：指生物体缺失部分后重建的过程：生物体的的整体或器官受外力作用发生创伤而部分丢失，在剩余部分的基础上又生长出与丢失部分在形态和功能上相同的结构。不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异：一般情况下，植物强于动物，低等动物强于高等动物，幼体强于成体。重点2影响细胞分化的因素2.1细胞的全能性；2.2影响细胞分化的因素；细胞的全能性：指经细胞分裂和分化以后仍然具有形成完整有机体的潜能。在生物的个体发育中，由于基因在特定时间和空间下选择性地表达而形成不同器官，因此，要实现细胞的全能性，首先必须使生物体的细胞处于离体状态。细胞的全能性一般说来，越高等的生物，细胞的全能性越低，分化程度越高，细胞的全能性越低。重点受精卵发育按严格的模式和时间次序发展，发育初级的细胞并非包含成形的形体，而是具备发育为完整个体的潜力。这种潜力，来自一组称为干细胞的分化能力。在个体发育整个过程中，由于干细胞的存在使细胞分化不断进行。干细胞•根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞可分为两类：胚胎干细胞及成体干细胞。•胚胎干细胞，又称全能干细胞，存在于未发育成熟的胚胎，高水平表达端粒酶，可分化为除构成脐胎盘，脐带等之外的任何一种特定类型细胞。即能长成动物的任何组织和器官。•成体干细胞：特定组织中的非特异性细胞，能无限制地分裂和自我更新。所产生的子细胞有两种结果，一是保持亲代特性，仍作为干细胞；二是不可逆地向终末方向发展，成为一至几种类型的特定细胞。根据分化潜能分类：（1）全能干细胞：具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，如胚胎干细胞；（2）多能干细胞：具有产生多种类型细胞的能力，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制；（3)单能干细胞（也称专能、偏能干细胞）：只能分化为成体组织、器官中的细胞。重点细胞内因素受精卵或动物早期胚胎细胞在分化过程中，因不同基因表达，产物不断加入细胞质，改变细胞质成分，使基因表达环境发生改变，细胞质反作用于细胞核，又使核内基因表达状态不断受到调节，细胞不断分化，发育，成熟，直至产生各种不同类型的细胞。2.2影响细胞分化的因素细胞内因素调节蛋白的作用，使细胞分化形成多种类型细胞。（1）基因调控；（2）染色质变化与基因重排；（3）细胞记忆与决定；（4）受精卵细胞质的不均一性。（2）染色质变化与基因重排1）染色体消减马副蛔虫受精后的第1次卵裂是中纬裂,也就是把卵子分成上下两个裂球，在进行第2次卵裂的时候，上方裂球中的染色体发生断裂，只有中部的碎片排列在纺锤体上，将来分配到两个子细胞，两端的加粗的染色体部分则脱落在细胞质中，以后退化。下方的裂球以通常的方式进行分裂，每一子细胞都分配到完整的染色体。第3次卵裂的时候,下方裂球之一重复进行染色体消减的过程，而另一个则不消减。后者分裂形成的两个细胞仍然有一个发生消减（体细胞），其结果只有一个细胞含有完整的染色体（生殖细胞）。2）基因扩增：果蝇多线染色体。3）基因重排：免疫球蛋白基因（106~108种抗体）。4）DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。（3）细胞记忆与决定美国亚利桑那大学心理学家加里·施瓦茨把器官移植后的改变现象称为“细胞记忆”。他的理论是，由于细胞囊括了人体整套基因“材料”，因而接受器官移植的患者必将从器官捐献者身体上“继承”某些基因。其中一些基因决定了人的思维方式、行为方式甚至是口味的偏好。但这种想法在临床上无法证明。决定早于分化；细胞的决定与细胞记忆有关。细胞决定鸡胚：移植前，肢芽（长出大腿）和翼芽（长出翅膀）两处细胞形态相同，均未分化。肢芽组织块移植至翼芽部位，结果翼尖为脚趾。肢芽翼芽长出翅膀（4）受精卵细胞质的不均一性细胞质在细胞分化中的决定作用胚胎正常发育是起始于卵母细胞贮存信息（因源于母本又称母本信息）表达，此信息在细胞中定位分布，通过各种途径调节蛋白质合成并进一步调节晚期基因表达。母本信息又称决定子，决定细胞分化方向，其本质是mRNA卵母细胞阶段已合成大量mRNA。动物的卵母细胞中约含有2～5万种不同核苷酸序列的mRNA，每种有600拷贝之多，且定位分布，并随卵裂进入不同子细胞，指导细胞分化方向。细胞外因素影响细胞分化的细胞外因素，包括环境因素，胞外物质（细胞的基质，黏附分子，细胞因子，激素等），以及细胞之间的相互作用。环境多种因素对机体的发育有一定的影响，如温度，光线等，这些因素可能是造成第一次不等卵裂，从而影响细胞分化的原因之一。如豚鼠的孕期为68d，如果在妊娠18—28d给母鼠增温度3—4℃1小时，胎鼠脑重可减轻10％。环境因素胚胎诱导(embryonicinduction)：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。诱导者(inductor)：对其它细胞起诱导作用的细胞：脊索可诱导其顶部外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；视泡可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。诱导的相互作用可以在原本等同的细胞中建立起有序的差异胞外物质细胞之间的相互作用分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。侧缘抑制细胞数量效应小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。细胞外基质的影响干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。3细胞分化与胚胎发育(1)多细胞生物有许许多多特化的细胞。(2)分化后的细胞效率更高。(3)同一生物的细胞基因型一致，尽管它们的表型可能不一致。水螅有七种细胞类型(淡水种)人类有大约五十亿细胞，超过400种细胞类型。第二节癌细胞1癌和肿瘤一样吗？2癌细胞与正常细胞有何不同？3癌是怎么发生的？4癌能治愈吗？5我们能不能/什么时候能攻克癌症？------------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累积的结果；四肿瘤干细胞。1基本概念（1）肿瘤细胞（tumorcell）:指动物体内因分裂调节失控而无限增殖的细胞。良性肿瘤：生长缓慢，与周围组织边界明显。恶性肿瘤：生长快、具有转移能力。（2）癌：上皮组织的恶性肿瘤统称为癌。重点良性肿瘤和恶性肿瘤良性肿瘤恶性肿瘤（癌和肉瘤）生长速度慢快生长方式膨胀性生长浸润性生长与周围组织关系有包膜、不侵犯周围组织、界限清楚、活动度大破坏周围组织、界限不清、活动受限血液供应血液供应充分、肿瘤完整、体积有时很大血液供应不足、常在中间区形成坏死,发生溃烂转移无有全身影响一般不影响全身情况，如体积巨大或发生在重要器官，亦可威胁生命晚期严重影响全身，可出现极度衰弱、贫血（恶病质）治疗后不容易复发容易复发重点4癌基因与抑癌基因癌基因（原癌基因）抑癌基因原癌基因概念：是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必须的，在进化上高等保守。当原癌基因的结构或调控区发生变异，基因产物增多或活性增强时，使细胞过度增殖，从而形成肿瘤。表达产物：①生长因子，如sis，②生长因子受体，如fms、erbB，③蛋白激酶及其它信号转导组分，如src、ras、raf，④细胞周期蛋白，如bcl-1，⑤细胞凋亡调控因子，如bcl-2，⑥转录因子，如myc、fos