第十四章细胞分化与基因表达调控

1、第十二章第十二章 细胞分化与基因表达调控细胞分化与基因表达调控v 细胞分化（细胞分化（cell differentiation ）(重点）重点）v 癌细胞（癌细胞（cancer cell）v 真核细胞基因表达的调控真核细胞基因表达的调控 第一节第一节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念 影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素1. 细胞分化的概念细胞分化的概念 细胞分化细胞分化(cell differentiation)：在在个体发育个体发育中，由中，由一种相一种相同的细胞类型同的细胞类型经过细胞分裂逐渐产生在经过细胞分裂逐渐产生在形态、结构和功能形态、结构

2、和功能上具有上具有稳定性差异稳定性差异的的不同细胞类群不同细胞类群的过程。的过程。细胞分化是个体正常行使功能的基础细胞分化是个体正常行使功能的基础1. 细胞分化的概念细胞分化的概念 细胞分化细胞分化(cell differentiation)：在个体发育中，由一种相在个体发育中，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。上具有稳定性差异的不同细胞类群的过程。 细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化是基因选择性表达的结果：不同类型的细胞在发：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

3、达产物决定细胞的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。形态结构和功能。不同细胞中基因表达的检测结果不同细胞中基因表达的检测结果细胞类型细胞类型基因基因细胞总（杂交）细胞总（杂交）细胞总（杂交）细胞总（杂交）输卵管细胞输卵管细胞成红细胞成红细胞胰岛细胞胰岛细胞输卵管细胞输卵管细胞成红细胞成红细胞胰岛细胞胰岛细胞卵清蛋白基因卵清蛋白基因+-珠蛋白基因珠蛋白基因+-+-胰岛素基因胰岛素基因+-+分化的细胞虽然结构功能不同，但遗传信息相同。分化的细胞虽然结构功能不同，但遗传信息相同。.细胞的全能性细胞的全能性 细胞的全能性：细胞（包括分化细胞和未分化细胞）都细胞的全能性：细

4、胞（包括分化细胞和未分化细胞）都具有产生完整有机体的潜能和特性。具有产生完整有机体的潜能和特性。 植物细胞的全能性植物细胞的全能性 动物细胞的全能性（核移植）动物细胞的全能性（核移植）蛙红细胞移植后发育成蝌蚪蛙红细胞移植后发育成蝌蚪.影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素 细胞分化是基因选择性表达的结果，每个基因的细胞分化是基因选择性表达的结果，每个基因的表达都必须：表达都必须： 在正确的时间、在正确的细胞中、产生正确的表达水平。在正确的时间、在正确的细胞中、产生正确的表达水平。 问题：细胞是如何协调问题：细胞是如何协调（coordinate）这一过程？这一过程？.影响细胞分化的因素影响细胞分化

5、的因素 细胞的全能性细胞的全能性 核质互作核质互作 细胞间的互作细胞间的互作 环境的影响环境的影响、细胞的全能性、细胞的全能性 正常生物体内的细胞依据分化能力分为四种类型：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、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）巨噬细胞） 专能细胞：精原细胞、卵原细胞专能细胞：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、肌肉细胞终末细胞：不能再分化的细胞例：神经细胞、肌肉细胞骨髓干细胞的分化转分化与再生转分化与再生 转分化（转分化（Trans

6、differentiation）：）：一种类型的分化细胞一种类型的分化细胞转化为另一种分化类型的细胞的现象。如：水母，其横转化为另一种分化类型的细胞的现象。如：水母，其横纹肌细胞可转变成神经细胞。纹肌细胞可转变成神经细胞。 再生（再生（Regeneration）：）：指生物体缺失一部分后发生重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。断后能再生完整躯体；壁虎，尾巴断后能重新长

7、出。、细胞核与细胞质的相互作用、细胞核与细胞质的相互作用 （1）细胞核对细胞质的作用：主导作用）细胞核对细胞质的作用：主导作用 特例：染色质变化与基因重排特例：染色质变化与基因重排 染色质变化：草履虫（大、小两个核），小核为生殖核，染色质变化：草履虫（大、小两个核），小核为生殖核，大核为营养核，但小核基因完整，大核发生了基因丢失。大核为营养核，但小核基因完整，大核发生了基因丢失。马蛔虫早期卵裂阶段，如发生染色质丢失就发育为生殖马蛔虫早期卵裂阶段，如发生染色质丢失就发育为生殖细胞，不丢失发育为体细胞。细胞，不丢失发育为体细胞。 基因重排：浆细胞（抗体）基因重排：浆细胞（抗体）（2）细胞质对细胞分

8、化的影响）细胞质对细胞分化的影响 卵细胞卵细胞中存在中存在决定细胞分化的原始信息决定细胞分化的原始信息，随卵裂分配到子，随卵裂分配到子细胞中，决定细胞的分化方向。例：果蝇卵细胞中存在生细胞中，决定细胞的分化方向。例：果蝇卵细胞中存在生殖质，决定生殖细胞的分化，由此提出了决定子概念。殖质，决定生殖细胞的分化，由此提出了决定子概念。 决定子：影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分。决定子：影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分。 动物卵细胞中贮存有动物卵细胞中贮存有大量大量mRNA，呈非均匀分布。昆虫以，呈非均匀分布。昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞，卵的后端极质部的细胞发表面卵裂的方式形成胚层细

9、胞，卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。卵将发育为无生殖细胞的不育个体。(遗传，母性影响）遗传，母性影响）卵细胞中的决定子上图：受精卵细胞的不均一性上图：受精卵细胞的不均一性和不均等卵裂。决定子一般认和不均等卵裂。决定子一般认为是为是下图：细胞分裂后环境的影响下图：细胞分裂后环境的影响也可影响细胞性质。也可影响细胞性质。（2）细胞质对细胞分化的影响）细胞质对细胞分化的影响 由细胞器基因组引起或非细胞器引起。由细胞器基因组引起或非细胞器引起。 例例:叶绿体遗传，紫茉莉的花斑植株叶

10、绿体遗传，紫茉莉的花斑植株 线粒体遗传：酿酒酵母小菌落突变型，胞质不育基因线粒体遗传：酿酒酵母小菌落突变型，胞质不育基因（2）细胞质对细胞分化的影响）细胞质对细胞分化的影响 细胞质可影响遗传性状：童第周细胞质注射实细胞质可影响遗传性状：童第周细胞质注射实验验 将单尾旁皮鱼细胞质注射到双尾金鱼的卵细胞中，将单尾旁皮鱼细胞质注射到双尾金鱼的卵细胞中，金鱼（单尾）金鱼（单尾） 将双尾金鱼细胞核取出转移到单尾旁皮鱼卵细胞将双尾金鱼细胞核取出转移到单尾旁皮鱼卵细胞中，金鱼（单尾）中，金鱼（单尾）、细胞间的相互作用、细胞间的相互作用短距离相互作用：只作用短距离相互作用：只作用于周围细胞于周围细胞 通过旁分

11、泌、自分泌、细胞通过旁分泌、自分泌、细胞接触、间隙连接等起作用接触、间隙连接等起作用长距离相互作用：作用于长距离相互作用：作用于不同部位的细胞不同部位的细胞 通过内分泌即激素起作用通过内分泌即激素起作用、细胞间的相互作用、细胞间的相互作用 （1）短距离相互作用包括诱导、抑制和识别。）短距离相互作用包括诱导、抑制和识别。 诱导：诱导：眼睛的发育眼睛的发育：早期视泡会诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，：早期视泡会诱导与之接触的外胚层上皮细胞发育成晶状体，然后二者共同诱导外面的表皮形成角膜，即分化中的逐级诱导现象。然后二者共同诱导外面的表皮形成角膜，即分化中的逐级诱导现象。囊胚腔期出现背腹分

12、化：囊胚腔期出现背腹分化：背部形成神经管，但把背部细胞移到腹部后，背部形成神经管，但把背部细胞移到腹部后，腹部也会形成神经管，从而出现双头怪物。腹部也会形成神经管，从而出现双头怪物。 抑制抑制：在蛙胚中移入成体蛙的心脏细胞，则胚胎其他部位正常发育，在蛙胚中移入成体蛙的心脏细胞，则胚胎其他部位正常发育，但心脏细胞不能正常发育。但心脏细胞不能正常发育。 识别：识别：将鸡胚细胞分散后放在一起，则细胞按分化方向聚合。将鸡胚细胞分散后放在一起，则细胞按分化方向聚合。、细胞间的相互作用、细胞间的相互作用 长距离相互作用：长距离相互作用： 蝌蚪变态发育是由蝌蚪变态发育是由甲状腺素甲状腺素的的升高升高调控的。

13、调控的。 细胞记忆细胞记忆：信号分子作用时间短暂，但细胞可形：信号分子作用时间短暂，但细胞可形成对这种作用的记忆，影响并决定以后的分化，成对这种作用的记忆，影响并决定以后的分化，即即细胞分化中的决定早于分化概念细胞分化中的决定早于分化概念。、细胞外基质的影响、细胞外基质的影响 干细胞干细胞 在在IV型型胶原和层粘连蛋白上分化为胶原和层粘连蛋白上分化为上皮上皮细胞；细胞； 在在I型胶原和纤粘连蛋白上形型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞成纤维细胞； 在在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨软骨细胞。细胞。、环境对细胞分化的影响、环境对细胞分化的影响 环境对环境对性别分化性

14、别分化的影响：的影响： 蜥蜴：低温（蜥蜴：低温（）发育为雌性，高温（）发育为雌性，高温（）发育为）发育为雄性。雄性。 蜗牛：个体间位置关系决定性别发育。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。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。.细胞分化与基因表达细胞分化与基因表达 细胞分化是细胞分化是基因差异（选择性）表达基因差异（选择性）表达的结果。的结果。 根据基因与细胞分化的关系根据基因与细胞分化的关系 管家基因管家基因：所有细胞中都表达的一类基因，其产物是维：所有细胞中都表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必需的。持细胞

15、基本生命活动所必需的。 奢侈基因奢侈基因（组织特异性基因、（组织特异性基因、tissue-specific genes）：）：不同的细胞类型特异性表达的基因，其产物赋予各种类不同的细胞类型特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构和功能。型细胞特异的形态结构和功能。.细胞分化与基因表达细胞分化与基因表达 无论是母体无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，的作用还是细胞间的相互作用，其结果是启动特定基因的表达。其结果是启动特定基因的表达。 对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明： 卵受精后，首先表达的是母体基因卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因

16、的产物是转；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域，控制其它基因的表达。后位置和头尾区域，控制其它基因的表达。.细胞分化的特点细胞分化的特点 分化的细胞都来自同一个母细胞分化的细胞都来自同一个母细胞受精卵细胞。受精卵细胞。 细胞分化过程中决定早于分化。即化学物质的分化早与形态细胞分化过程中决定早于分化。即化学物质的分化早与形态的分化，形态的分化先于功能的分化。的分化，形态的分化先于功能的分化。 分化程度越高的细胞，其分裂能力越差，再生能力越弱。分化程度越高的细胞，其分裂能力越差，再生能力越弱。 细胞

17、分化是多因素调控的结果，存在级联调控和组合调控。细胞分化是多因素调控的结果，存在级联调控和组合调控。 分化细胞虽然结构、功能不同，但都保持了全套的基因组。分化细胞虽然结构、功能不同，但都保持了全套的基因组。第二节第二节 癌细胞（癌细胞（cancer cell） 比喻：比喻： 动物体（人）动物体（人） 一个特殊的一个特殊的“社会社会”（society）; 细胞细胞 “社会社会”中的个体（中的个体（individuals）; 癌细胞癌细胞 “社会社会”中的中的“不轨分子。不轨分子。第二节第二节 癌细胞（癌细胞（cancer cell）v 癌细胞（癌细胞（cancer cell）的基本特征的基本特征

18、v 癌基因（癌基因（oncogenes）和抑癌基因和抑癌基因v 肿瘤（肿瘤（tumor）的发生的发生、癌细胞的基本特征、癌细胞的基本特征肿瘤细胞（肿瘤细胞（tumor cell）：）：在致瘤因素作用下，基因发生在致瘤因素作用下，基因发生了改变，细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。了改变，细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。良性肿瘤良性肿瘤：生长速度缓慢，和周围的组织边界清晰。：生长速度缓慢，和周围的组织边界清晰。恶性肿瘤（癌症）恶性肿瘤（癌症）：生长速度快，具有转移能力。：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，肿瘤组织由实质和间质两部分组成，实质是肿瘤细胞，间质

19、由结缔组织和血管组成。间质由结缔组织和血管组成。（1）、癌细胞的形态特征）、癌细胞的形态特征q 体积和核质比明显高于正常细胞；体积和核质比明显高于正常细胞； 出现巨核、双核和多核，染色体非整倍性；出现巨核、双核和多核，染色体非整倍性； 线粒体表现为线粒体表现为多型性、肿胀、增生多型性、肿胀、增生 ； 细胞骨架紊乱，某些成分减少，骨架组装不正常；细胞骨架紊乱，某些成分减少，骨架组装不正常；、癌细胞的生理特征 细胞周期失控：细胞周期失控：“永生永生”细胞细胞 接触抑制丧失，定着依赖性丧失（具有迁移性）接触抑制丧失，定着依赖性丧失（具有迁移性） 对生长因子需要量低，代谢旺盛对生长因子需要量低，代谢旺

20、盛 具去分化现象具去分化现象 具可移植性（人的癌细胞移植到鼠体可形成移植瘤）具可移植性（人的癌细胞移植到鼠体可形成移植瘤）、癌细胞的生理特征 细胞表面特性的改变：细胞表面膜蛋白（e.g., 受体蛋白）改变，引起细胞间相互作用的改变（如：粘附性改变，易于附着生长，逃避免疫系统的监视和杀伤，etc.）。 蛋白质表达谱系和蛋白活性改变：如出现胚胎细胞中的蛋白（与低分化程度有关）；端粒酶活性增高（与无限分裂增殖有关）；异常表达与癌的发生发展相关的蛋白（e.g., 细胞周期调控、凋亡、粘附、细胞扩散和移动性等）、癌基因和抑癌基因、癌基因和抑癌基因 癌基因（原癌基因）癌基因（原癌基因） 抑癌基因抑癌基因、

21、原癌基因、原癌基因q 概念：概念：是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生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，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。从而形成肿瘤。q 表达产物：表达产物：生长因子，如生长因子，如sis，生长因子受体，如生长因子受体，如fms、erbB，蛋白激酶及其它信号转导组分，如蛋白激酶及其它信号转导组分，如src、ras、raf，细胞周期蛋白，如细胞周期蛋白，如bc

22、l-1，细胞凋亡调控因子，如细胞凋亡调控因子，如bcl-2，转转录因子，如录因子，如myc、fos、jun。原癌基因的发现 Rous sarcoma virus (携带携带Src 基因）能引起鸡基因）能引起鸡癌变；鸡的细胞中发现也有癌变；鸡的细胞中发现也有Src 的同源基因，编的同源基因，编码一种调控细胞分裂的蛋白激酶。码一种调控细胞分裂的蛋白激酶。 以后发现众多的逆转录病毒中均有细胞中相应的以后发现众多的逆转录病毒中均有细胞中相应的癌基因；癌基因； 分别称为病毒癌基因（分别称为病毒癌基因（v-oncogenes）和细胞癌）和细胞癌基因（基因（c-oncogenes）。）。原癌基因的激活基因本

23、身或其调控区发生变异，导致基因的过度表达或产物蛋白的活性增强，引起细胞过度增殖形成肿瘤。原癌基因的激活点突变：基因家族，在膀胱癌中基因仅有一个核苷酸变异。基因重排：存在于造血系统恶性肿瘤中，如前髓细胞性白血病中扩增倍。基因重排：染色体易位使原癌基因处于活跃转录基因启动子的下游而过度表达。如淋巴瘤细胞中染色体易位使与重链基因的调控区为邻。插入激活：某些逆转录病毒含启动子、增强子，插入基因组后引起下游基因过度表达。染色体-9和染色体-22之间的易位与骨髓性白血病有关.抑癌基因抑癌基因抑癌基因起负调控作用，主要是抑制细胞增殖，促进细胞分化和抑制细胞迁移。抑癌基因的产物：转录调节因子，如Rb、p53，

24、负调控转录因子，如WT，周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI），如p15、p16、p21，信号通路的抑制因子，如ras GTP酶活化蛋白（NF-1），磷脂酶（PTEN）； DNA修复因子，如BRCA1、BRCA2基因突变积累 癌的发生 癌的发生是由多个相关基因(cancer-critical genes)突变的共同作用引起的； 并不是基因组的每一次突变都被积累下来，细胞中有DNA损伤修复机制，及复制纠错机制，阻止突变细胞继续分裂； 当细胞逃脱了纠错机制的监控进入分裂，就有可能转变为癌细胞；而癌细胞的快速增殖助长了有害突变的积累； 环境中的各种诱变因素（辐射、化学诱变剂、病毒）增加突变几率，诱发癌

25、症。这种作用也是可积累的。结肠癌的发生过程（基因突变的积累）基因突变积累 癌的发生 内因：原癌基因的激活 外因：包括物理、化学、生物致癌物三类，根据它们在致癌中的作用可分为启动剂、促进剂和完全致癌物。启动剂：可直接改变的成分和结构。促进剂：本身不能诱发肿瘤，但可促进肿瘤的形成。如糖精促进膀胱癌的发生，苯巴比妥促进肝癌的发生。完全致癌物：兼具启动和促进双重作用。、物理因素 电离辐射：机制：引起基因突变；基因表达改变；激活潜伏的致癌病毒。 紫外线：机制：引起断裂、交联和染色体畸变，抑制皮肤的免疫功能，诱发皮肤癌、基底细胞癌和黑色素瘤。、化学因素 亚硝胺类：引起消化系统肿瘤 芳香胺类：引起泌尿系统肿

26、瘤 氨基偶氮类：如奶油黄引起肝癌 氯乙烯：肝血管肉瘤（塑料工作人员） 烷化剂类：-氟/溴尿嘧啶 化学元素：铬、镍、砷、生物致癌因素 肿瘤病毒： 逆转录病毒：如爱滋病病毒 乙型肝炎病毒： 霉菌：其中的霉菌毒素具致癌性。 黄曲霉素：是一种杂环化合物，其中黄曲霉素可引起肝癌。黄曲霉菌广泛分布于霉变的食物中，霉变的花生、玉米、谷物类含量多。第三节 真核基因表达调控 关键问题：细胞分化和个体发育中基因组选择性表达的时空性？ 真核细胞基因组的复杂性： human genome: 约30亿 bp DNA；包含约3万个基因；95的非编码DNA序列。 一生合成总蛋白质的种类约10万种，但在一个典型的分化细胞中合

27、成约5000种蛋白质；如何调控？ 人类基因组计划（HGP） 功能基因组学：基因及其产物（蛋白质）的功能。真核基因表达的多级控制从从DNADNA到蛋白质的可能的调控步骤到蛋白质的可能的调控步骤真核基因表达的多级控制 主要调控水平： 转录水平调控（transcriptional control） 转录后水平调控（post-transcriptional control） RNA加工水平调控（RNA processing control） 翻译水平调控（translational control） 蛋白质的翻译后修饰（post-translational modification）1、转录水平的调控

28、基本概念：（转录事件：DNA/protein, protein/protein 相互作用）顺式作用元件（cis-acting element）：与转录调控蛋白特异结合的DNA序列；反式作用因子（trans-acting factor）：与特定DNA序列结合的调控蛋白因子；“模体”结构（motif）：蛋白质中的小结构域，由一小段保守的氨基酸构成，用以识别特定的DNA序列或其他蛋白质；e.g., helix-turn-helix, zinc-finger, -sheet, leucin-zip, etc.共有序列（consensus sequence）：DNA中一小段保守序列（有时也指蛋白质中的氨

29、基酸序列），能够被特定的蛋白结构域所识别，在转录起始调控中起重要作用；e.g., TATA-box, CAAT-box, GC-box, etc.通用转录因子（general transcription factor）：与核心启动子元件相结合（如TATA-box），启动转录； 特异转录因子（specific transcription factor ）：与基因的特异调控元件相结合，起调节作用（促进或阻抑）。1、转录水平的调控真核基因的结构1、转录水平的调控 激活因子（activator）和辅激活因子（co-activator） 转录因子：能在DNA序列上形成复合体，激活转录。转录因子的功能结构域： DNA结合结构域（DNA-binding domain）：与基因的调控区域的特定DNA序列识别并结合。激活结构域（activation domain）：招募其