11 第十一章 细胞分化与基因表达调控

第十一章细胞分化与基因表达调控◆细胞分化（celldifferentiation）：个体发育中同型细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异的过程◆细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成组织特异性基因在时间和空间上差异表达差异性表达的机制是基因表达的组合调控◆细胞癌变是正常细胞分化机制失控的表现●细胞分化（celldifferentiation）●癌细胞（cancercell）●真核细胞基因表达的调控第一节细胞分化（celldifferentiation）●细胞分化的基本概念●影响细胞分化的因素●细胞分化与胚胎发育——Hoxgene同源异型基因（homeoticselectorgene，Hoxgene）同源异型基因（Hoxgene）在染色体上的排列与胚胎发育的时空序列一致Hoxgene是果蝇体节发育中起关键作用的基因群含高度保守180bp组成的DNA序列，称同源框编码60个氨基酸，形成同源异型结构域，与DNA的大沟相互作用，启动基因表达一、细胞分化的基本概念●细胞分化是基因选择性表达的结果●管家基因与组织特异性基因●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●转分化与再生细胞总DNA细胞总RNA输卵管细胞成红细胞胰岛细胞输卵管细胞成红细胞胰岛细胞卵清蛋白基因++++--β-珠蛋白基因+++-+-胰岛素基因+++--+实验方法Southern杂交Northern杂交分子杂交技术检测基因及其表达转分化与再生●转分化（transdifferentiation）：一种类型的分化细胞转变成另一种类型分化细胞的现象●转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化过程●再生（regeneration）：指生物体缺失部分重建的过程广义的再生包括分子水平、细胞水平、组织器官水平及整体水平的再生●不同细胞有机体，其再生能力有明显差异单细胞有机体的细胞分化●单细胞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；后者则通过细胞分化构建执行不同功能的组织和器官●多细胞有机体分化程序与调节机制更为复杂组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控（combinationalcontrol）每种类型的细胞分化由多种调控蛋白共同调节完成，几种调控蛋白的不同组合启动众多特异细胞类型分化调控生物学作用靠一种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当组合启动几种细胞类型改变，形成有序三维细胞群（器官）管家基因与组织特异性基因◆管家基因（house-keepinggenes）：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物对维持细胞基本生命活动所必需的◆组织特异性基因（tissue-specificgenes）或称奢侈基因（luxurygenes）：是指不同类型细胞中特异表达的基因，其产物赋予细胞特异形态结构功能◆调节基因：调节组织特异性基因的表达，起激活或者阻遏作用二、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）◆细胞的全能性：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◆植物细胞具有全能性：适宜条件下培育成正常的植株◆动物细胞核移植（nucleartransfer）证明动物细胞核具有发育全能性◆干细胞（stemcell）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◆细胞记忆与决定果蝇成虫盘（imaginaldisc）◆受精卵细胞质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◆青蛙皮肤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物体细胞核也具有发育全能性◆多能干细胞·胚胎干细胞（embryostemcell）：具有分化成多种细胞类型及构建组织的潜能·造血干细胞◆单能干细胞（monopotentialcell）第二节癌细胞（cancercell）●癌细胞的基本特征●致癌因素●癌症产生是基因突变累积的结果●癌症的治疗一、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。动物体内细胞分裂失控而无限增殖的细胞称肿瘤细胞（tumorcell）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●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◆生长与分裂失去控制：具有无限增殖能力，成为永生细胞◆具有扩散性·细胞间粘着性下降，具有浸润性和扩散性（癌细胞基本特征）·癌细胞分化程度低于良性肿瘤细胞，且失去许多原组织细胞的结构和功能◆细胞间相互作用改变（识别改变；表达水解酶；产生新抗原）◆蛋白表达谱系或蛋白活性改变（扩散相关蛋白、端粒酶活性高）◆mRNA转录谱系的改变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潜能◆在体外培养时贴壁性下降◆失去接触抑制◆恶性转化细胞注入易感动物体内，会形成肿瘤二、致癌因素●多种理化因子致癌●DNA与RNA肿瘤病毒致癌三、癌症产生是基因突变累积的结果●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：抑癌基因●细胞癌变是基因突变累积的结果●原癌基因与抑癌基因产物协调作用：防细胞癌变◆原癌基因是正常基因，控制细胞生长分裂编码多种蛋白——一般起促进作用癌基因是原癌基因的一种显性突变形式◆癌基因过量表达调控因子，促进细胞癌变◆抑癌基因是正常细胞增殖中的负调控因子抑癌基因编码蛋白抑制细胞增殖，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的隐性突变导致细胞周期失控而过度增殖◆P53基因突变与细胞癌变或凋亡四、癌症的治疗●传统思路：手术、放疗、化疗●癌症治疗新方案◆免疫治疗（immunotherapy）◆基因治疗（genetherapy）◆抑制癌症促进蛋白的活性第三节真核细胞基因表达的调控◆真核细胞基因表达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●翻译水平的调控一、转录水平的调控●真核生物的转录激活●基因表达的阻遏真核生物的转录激活◆转录因子结构◆启动子元件：启动子元件位置TATA盒、CAAT盒、GC盒◆增强子与转录因子基因表达的阻遏◆负调控蛋白的作用◆DNA甲基化（DNAmethylation）与基因表达阻遏有关◆DNA甲基化抑制转录的方式二、加工水平的调控●组成型剪接（constitutivesplicing）：一种hnRNA只产生一种成熟mRNA，一般只表达一种蛋白质●选择性剪接：产生不同的成熟mRNA，表达不同的蛋白质，如纤粘连蛋白（fibronectin）的合成选择性剪接是一种广泛存在的RNA加工机制●剪接位点的强弱：某一外显子是否被包括在成熟mRNA内，主要取决于它的3’和5’端剪接位点是否形成弱剪接位点三、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◆3’-UTR与mRNA的定位◆微管和微丝与细胞特定部位mRNA聚集有一定关系mRNA翻译的调控◆“隐蔽”mRNA（maskedmRNA）的激活◆编码铁蛋白（ferritin）的mRNA翻译速率的调节机制mRNA稳定性的调控◆mRNA的寿命与它的多聚（A）尾巴长度有关◆哺乳动物细胞内mRNA降解途径说明：多聚（A）尾巴减少到一定长度，mRNA迅速降解◆3’-UTR上核苷酸特异序列与mRNA的稳定性