第十四章-细胞分化与基因表达调控分析

第十四章细胞分化与基因表达调控细胞分化（celldifferentiation）(重点）癌细胞（cancercell）第一节细胞分化细胞分化的基本概念影响细胞分化的因素一.细胞分化的基本概念细胞分化(celldifferentiation)：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经过细胞分裂逐渐产生在形态、结构和功能上具有稳定性差异的不同细胞类群的过程。细胞分化细胞类型1细胞类型2细胞类型3……永生细胞（癌症）去分化增殖细胞分化是个体正常行使功能的基础鸡不同细胞中基因表达的检测结果细胞类型基因细胞总ＤＮＡ（ｓｏｕｔｈｅｒｎ杂交）细胞总ＲＮＡ（ｎｏｒｔｈｅｒｎ杂交）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+++--+分化的细胞虽然结构功能不同，但遗传信息相同。(一)细胞分化是基因选择性表达的结果不同类型的细胞在发育过程中表达一套特异的基因，并且表达产物决定细胞的形态结构和功能。（二）组织特异性基因与管家基因持家基因(house-keepinggenes)：又称管家基因，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。如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因与核糖体蛋白基因等。始终保持着低水平的甲基化并且一直处于活性转录状态。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的形态结构特征与特异的生理功能。如卵清蛋白基因、上皮细胞的角质蛋白基因和胰岛素基因等。调节基因:（regulatorygene）少量，组合调控（激活、阻遏）细胞分化实质：组织特异性基因在时间与空间上的差异表达。（三）组合调控引发组织特异性基因的表达多种调控蛋白共同调控完成分化调控蛋白n调控组合理论上启动分化的细胞类型2n主导基因（起决定作用的1-2种）+其他调控基因↓一种类型细胞分化↓启动诱导分化更多的细胞类型↓器官形成MyoD可使来自皮肤结缔组织的成纤维细胞表现出骨骼肌细胞的特征。组合调控，可将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，或诱发出整个器官的形成。例如在果蝇眼部器官的发育中，关键性的调控蛋白Ey，可诱导腿中形成眼。（四）单细胞有机体的细胞分化单细胞生物也存在细胞分化。较简单，可作为研究材料单细胞生物：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，更加复杂。（五）转分化与再生1、转分化一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分化细胞的现象。如：水母，其横纹肌细胞可转变成神经细胞。过程：去分化和再分化去分化：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。例植物愈伤组织，动物细胞核必须在卵细胞质中去分化重编程。再生(Regeneration)再生（Regeneration）：指生物体缺失一部分后发生重建的过程，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：水螅，从中部切断后能再生完整躯体；壁虎，尾巴断后能重新长出。不同生物再生能力规律：植物＞低等动物＞低龄高等动物＞高龄高等动物二、影响细胞分化的因素(一)细胞的全能性与干细胞1、全能性、多能性和单能性正常生物体内的细胞依据分化能力分为四种类型：全能细胞：受精卵多能细胞：骨髓中的多功能造血干细胞（红细胞、血小板、巨噬细胞）专能细胞：精原细胞、卵原细胞终末细胞：不能再分化的细胞例：神经细胞、肌肉细胞高等动物细胞随胚胎发育，先失去全能性→多能性→单能性→终末分化。干细胞：干细胞(stemcells,SC)是一类具有自我复制能力(self-renewing)的多潜能细胞，在一定条件下，它可以分化成多种功能细胞。是一种未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能，医学界称为“万用细胞”。应用：细胞治疗、再生医学（组织器官移植）根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞(embryonicstemcell，ES细胞)和成体干细胞(somaticstemcell)。胚胎干细胞(ESC)：从胚胎内细胞团或原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞。根据干细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞(totipotentstemcell,TSC)--ES细胞多能干细胞（pluripotentstemcell）--成体干细胞例：骨髓中造血干细胞单能干细胞（unipotentstemcell干细胞①终生保持未分化或低分化特征；②在机体的中的数目、位置相对恒定；③具有自我更新能力；④能无限制的分裂增殖；⑤具有多向分化潜能；⑥分裂的慢周期性，绝大多数干细胞处于G0期；⑦通过两种方式分裂，对称分裂和不对称分裂。(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(1)细胞旁分泌早期胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称为胚胎诱导。通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素来实现的。(2)激素调节动植物体内都有激素，植物激素有生长激素、赤霉素、细胞分裂素；动物激素，如甲状腺素，肾上腺素和5-羟色胺等等。性激素对性分化的影响。蛙的变态，必须要有激素的参与。昆虫的保幼激素和脱皮激素。(3)胞外基质调节细胞外基质对干细胞的增殖和分化具有诱导作用。干细胞：IV型胶原和层粘连蛋白——上皮细胞；I型胶原和纤粘连蛋白——纤维细胞；II型胶原及软骨粘连蛋白——软骨细胞。在发育与创伤组织中，透明质酸合成旺盛。2、细胞记忆与决定细胞决定：在发育过程中，细胞在出现可识别的形态、结构和功能差异之前，其分化方向已由内外因素确定的现象。例果蝇成虫盘连续移植1800代仍有记忆。细胞的决定与细胞的记忆有关，而细胞记忆可能通过二种方式实现：正反馈途径信号活化转录调节因子染色质结构变化信息传递到子代。3、受精卵细胞质分配不均卵母细胞多数mRNA与蛋白质结合失活成为隐蔽mRNA（决定子），在胞质中不均匀分布，不被核糖体识别。受精卵（记忆开始）胞质重新定位，少数mRNA激活，合成早期胚胎发育所需蛋白。子细胞（隐蔽mRNA不均一分配到不同子细胞）例：果蝇卵后端存在决定生殖细胞分化的决定子。信号分子相互影响，细胞间互作原始信息修饰组合分化卵细胞中的决定子上图：受精卵细胞的不均一性和不均等卵裂。决定子一般认为是隐蔽mRNA。下图：细胞分裂后环境的影响也可影响细胞性质。4、细胞间的相互作用与位置效应胚胎学研究中，把细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建的影响，称为胚胎诱导。位置效应：①细胞核内DNA提供的位置信息；②细胞胞质成分提供的位置信息；③细胞所在空间提供的位置信息；④细胞能感知的外部来源的位置信息等。5、环境对性别决定的影响环境对性别决定起着重要作用。温度对卵生动物孵化时性别的影响。这些影响因素又都是通过细胞自身的遗传机构发挥作用的。蜥蜴：低温（２４℃）发育为雌性，高温（３２℃）发育为雄性。蜗牛：个体间位置关系决定性别发育。群体中，位于下方的个体发育为雌性，上方的个体发育为雄性。6、染色质变换与基因重排主要包括：染色体丢失；缺失；断裂重排；DNA的甲基化与异染色质化。三、细胞分化与胚胎发育有限的基因如何选择性的进行时空的差异表达？Hoxgenes－在果蝇体节发育中起关键作用的基因群，其基因成员都含有一段高度保守的同源框序列，故称为同源异型基因。Hoxgenes按胚胎发育过程中活化时序依次排列。同源异型结构域编码60aa，与特异DNA片段中大沟互作启动基因表达。第二节癌细胞肿瘤细胞（tumorcell）：在致瘤因素作用下，基因发生了改变，细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。良性肿瘤：生长速度缓慢，和周围的组织边界清晰。恶性肿瘤（癌症）：生长速度快，具有转移能力。肿瘤组织由实质和间质两部分组成，实质是肿瘤细胞，间质由结缔组织和血管组成。良性肿瘤（benign）和恶性肿瘤（malignant）体细胞DNA病理变化引起的典型的老年性疾病。恶性肿瘤细胞又称癌细胞，它是具有转移能力的肿瘤细胞。研究证明癌症是由于体细胞DNA突变引起的。增殖失控第二节癌细胞一、癌细胞的基本特征(一)癌细胞的形态特征(二)癌细胞的生理特征二、肿瘤的形成(一)肿瘤形成的内因(二)肿瘤形成的外因三、肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果一、癌细胞的基本特征(一)癌细胞的形态特征癌细胞大小形态不一。核形态不一，并可出现巨核、双核或多核现象。核内染色体呈非整倍态。线粒体表现为不同的多型性、肿胀、增生。细胞骨架紊乱，某些成分减少，骨架组装不正常。细胞表面特征改变，产生肿瘤相关抗原。一、癌细胞的基本特征(二)癌细胞的生理特征1、细胞生长与分裂失去控制在正常机体中细胞或处于生长与分裂状态，或处于静止状态，执行其特定的生理功能。癌细胞的细胞周期失控，不受正常生长调控系统的控制，能持续的分裂与增殖，结果破坏了正常组织的结构与功能。一、癌细胞的基本特征(二)癌细胞的生理特征2、具有浸润性和扩散性恶性肿瘤细胞的细胞间粘着性下降，具有浸润性和扩散性，易于浸润周围健康组织。癌细胞间的粘着性下降，失去了与细胞间和细胞外基质间的联结。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和功能。一、癌细胞的基本特征(二)癌细胞的生理特征3、细胞间相互作用改变移植过程中，癌细胞可产生一些水解酶类和膜蛋白受体，这些成分有助于癌细胞与别处细胞粘着生长，并有效逃避自然杀伤细胞的识别与攻击。一、癌细胞的基本特征(二)癌细胞的生理特征4、mRNA转录谱系、蛋白表达谱系或蛋白活性改变癌细胞的代谢旺盛。癌细胞发生mRNA转录谱系的改变的几率不高。癌细胞常会表达一些胚胎蛋白。例：胚胎甲球蛋白可作为肝癌早期检测的标志特征。蛋白质合成及分解都增强，但合成代谢超过分解代谢。一、癌细胞的基本特征(二)癌细胞的生理特征5、体外培养的恶性转化细胞的特征①同癌细胞一样具有无限增殖的潜能；②在体外培养时贴壁性下降：③失去接触抑制(contactinhibition)④培养时对血清依赖性降低⑤可移植性肿瘤细胞失去接触抑制现象二、肿瘤的形成肿瘤形成包括：始发突变是指细胞在致癌物的作用下发生了基因突变。潜伏是突变发生后如果没有适当的环境不会发展为肿瘤。促癌是指在促癌剂作用下开始增殖的过程。演进是指肿瘤在生长过程中越来越变得具有侵袭力的过程，是不可逆的。二、肿瘤的形成(一)肿瘤形成的内因1、原癌基因原癌基因：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。原癌基因的产物主要包括：生长因子、生长因子受体、蛋白激酶及其它信号转导组分、细胞周期蛋白、细胞凋亡调控因子、转录因子。原癌基因产物：1.生长因子2.生长因子受体3.信号转导组分4.细胞周期蛋白5.细胞凋亡调节蛋白6.转录因子(一)肿瘤形成的内因1、原癌基因1966年Rous因发现鸡肉瘤的病原体——RSV，获诺贝尔奖。1970年Temin和Batimore证实RSV是反转录病毒，获1975年诺贝尔奖。1970sVarmus和Bishop发现RSV中的致瘤基因是src。c-src：正常细胞中的癌基因；有内含子。编码一种与细胞分裂调控相关的蛋白激酶。v-src：病毒中的癌基因碱基序列突变（显性，1个拷贝突变即可）→细胞分裂调控相关的蛋白激酶超活化或失控→不分化→肿瘤原癌基因功能相关肿瘤sis生长因子Erwing网瘤erb-B受体酪氨酸激酶，EGF受体星形细胞瘤、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌fms受体酪氨酸激酶，CSF-1受体髓性白血病rasG-蛋白肺癌、结肠癌、膀胱癌、直肠癌src非受体酪氨酸激酶鲁斯氏肉瘤Abl-1非受体酪氨酸激酶慢性髓性白血病rafMAPKKK，丝氨酸/苏氨酸激酶腮腺肿瘤vav信号转导连接蛋白白血病myc转录因子Burkitt淋巴瘤、肺癌、早幼粒白血病myb转录因子结肠