第十四章细胞分化与基因表达调控

1、细胞凋亡外源和内源信号途径凋亡诱导因子凋亡诱导因子(apoptosis inducing factor，AIF)限制性内切核酸酶限制性内切核酸酶G(endonuclease G，Endo G)caspase 全称为全称为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶 (三三) 细胞衰老的分子机制细胞衰老的分子机制 1. 端粒与衰老端粒与衰老 2. 胁迫诱导的早熟性衰老胁迫诱导的早熟性衰老, 即氧化性损伤学说即氧化性损伤学说. 3. 单细胞生物的衰老单细胞生物的衰老, 即即rDNA与衰老与衰老.第十四章第十四章 细胞分化与基因表达调空细胞分化与基因表达调空细胞分化（细胞分化

2、（cell differentiation）：在个体发育中由一种相同细胞类型经细胞分）：在个体发育中由一种相同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，产生不同细胞类群的过程。裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同细胞类群的过程。 从本质上讲，细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程，其特点：从本质上讲，细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程，其特点：（1）个体中所有不同种类的细胞都是来自共同的母细胞）个体中所有不同种类的细胞都是来自共同的母细胞受精卵，他们的受精卵，他们的遗传物质完全相同，也就是说它们的遗传背景完全一样。（基因组保持相同）遗传物质完全相同

3、，也就是说它们的遗传背景完全一样。（基因组保持相同）（2）分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的）分化细胞彼此之间在形态、结构、功能方面的不同是由于其拥有不同的蛋白质所致，即分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的蛋白质所致，即分化的关键在于特异性蛋白质的合成，而特异性蛋白质合成的实质在于基因选择性表达。如平滑肌细胞呈菱形，功能是收缩，其原因是肌细实质在于基因选择性表达。如平滑肌细胞呈菱形，功能是收缩，其原因是肌细胞合成了肌动蛋白、肌球蛋白。（红细胞，合成了血红蛋白，运输氧和胞合成了肌动蛋白、肌球蛋白。（红细胞，合成了血红蛋白，运输氧和CO2）（表达基因有

4、所不同）。（表达基因有所不同）。（3）稳定性。分化细胞最显著的特点是分化状态的稳定性。特别是高等真核）稳定性。分化细胞最显著的特点是分化状态的稳定性。特别是高等真核细胞生物中，分化状态一旦建立，其分化状态是十分稳定的。细胞分化不同于细胞生物中，分化状态一旦建立，其分化状态是十分稳定的。细胞分化不同于一般的细胞生理活动引起的变化，如激素所引起的变化，当激素作用消失后，一般的细胞生理活动引起的变化，如激素所引起的变化，当激素作用消失后，细胞又恢复到原来状态，细胞分化不同，它不会自动逆转。细胞又恢复到原来状态，细胞分化不同，它不会自动逆转。（4）可逆性。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程，但在一

5、定的条件）可逆性。虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程，但在一定的条件下，细胞分化又是可逆的，这是因为分化细胞保持有全部的基因，在适当的条下，细胞分化又是可逆的，这是因为分化细胞保持有全部的基因，在适当的条件下去分化，如植物的全能性。去分化的条件：件下去分化，如植物的全能性。去分化的条件：1）细胞核处在有利于分化细）细胞核处在有利于分化细胞逆转的特定环境。胞逆转的特定环境。2）只发生在具有增殖能力的组织中。）只发生在具有增殖能力的组织中。3）具备相应的遗传）具备相应的遗传基础。基础。P469表14-1第一节第一节 细胞分化细胞分化细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念(一一)细胞分化是基因选择

6、性表达的结果细胞分化是基因选择性表达的结果 细胞分化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，细胞分化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，结构与功能的差异。结构与功能的差异。Blotting(印迹印迹)：泛指通过毛细作用或电场作用，将蛋白、：泛指通过毛细作用或电场作用，将蛋白、RNA、DNA分子从一分子从一个相对厚的丙烯酰胺或琼脂糖凝胶转移到一个纸状膜（通常为尼龙或硝化纤维）个相对厚的丙烯酰胺或琼脂糖凝胶转移到一个纸状膜（通常为尼龙或硝化纤维）而保持分子原有构型的过程。一旦转移到膜上，分子便不能再移动（最典型的是而保持分子原有构型的过程。一旦转移到膜上

7、，分子便不能再移动（最典型的是通过烘烤或紫外线照射），随后通过高敏感性杂交（对于通过烘烤或紫外线照射），随后通过高敏感性杂交（对于RNA和和DNA）或抗体）或抗体标记（对于蛋白质），可对这些分子进行检验。（标记（对于蛋白质），可对这些分子进行检验。（1）RNA印迹称为印迹称为Northern印印迹；（迹；（2）DNA印迹称为印迹称为Southern印迹；（印迹；（3）蛋白质印迹称为）蛋白质印迹称为Western印迹。印迹。(二二)组织特异性基因与管家基因组织特异性基因与管家基因 细胞分化是通过严格而精密调控的基因表达实现的。分化细胞基因组中所细胞分化是通过严格而精密调控的基因表达实现的。分化细

8、胞基因组中所表达的基因大致可分为两种基本类型：表达的基因大致可分为两种基本类型：（1）管家基因）管家基因(house-keeping genes)：管家基因是指所有细胞中均要表达的一类：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。系基因与核糖体蛋白基因等。（2）组织特异性基因）组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因，或称奢侈基因(1uxury genes)：组织：组织特异性基因是指不同的细胞类型进行特异

9、性表达的基因，其产物赋予各种类型细特异性基因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生理功能。如卵清蛋白基因、上皮细胞的角质蛋胞特异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。白基因和胰岛素基因等。 有人还进一步分出一类调节基因有人还进一步分出一类调节基因(regulatory gene)。（3）调节基因：其产物用于调节组织特异性基因的表达，或者起激活作用，或）调节基因：其产物用于调节组织特异性基因的表达，或者起激活作用，或者起阻抑作用。者起阻抑作用。 细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表

10、达。这种差异表细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达。这种差异表达不仅涉及：达不仅涉及：1）基因转录水平）基因转录水平 ；2）转录后加工水平；）转录后加工水平； 3）染色体和）染色体和DNA水平；水平； 4）翻译水平；）翻译水平； 5）翻译后加工与修饰水平。在不同水平上的复杂而严格的调控）翻译后加工与修饰水平。在不同水平上的复杂而严格的调控过程。过程。 应用生物芯片技术可在不同程度上分析分化细胞中的组织特异性基因及其相应用生物芯片技术可在不同程度上分析分化细胞中的组织特异性基因及其相关蛋白。这也是功能基因组学研究的主要手段与内容之一。关蛋白。这也是功能基因组学研究的主要手段与内

11、容之一。(三三)组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控引发组织特异性基因的表达 人体至少有人体至少有200种不同类型种不同类型(有的学者认为有有的学者认为有500种以上种以上)的细胞。如果每的细胞。如果每种类型的细胞分化都需要一种调控蛋白种类型的细胞分化都需要一种调控蛋白(调节基因的产物调节基因的产物)的话，那么至少需的话，那么至少需要要200种的调控蛋白，然而实际上启动为数众多的特异细胞类型分化程序的是种的调控蛋白，然而实际上启动为数众多的特异细胞类型分化程序的是有限的少量有限的少量调控蛋白调控蛋白，其机制就是，其机制就是组合调控组合调控(combinational control)，即每

12、种，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调控完成的。这样，如果调控蛋白的类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调控完成的。这样，如果调控蛋白的数目是数目是n，则其调控的组合在理论上可以启动分化的细胞类型为，则其调控的组合在理论上可以启动分化的细胞类型为2n(P471图图14-1)。当有当有3种调控蛋白存在时，则不同的组合就可能启动种调控蛋白存在时，则不同的组合就可能启动8种不同细胞类型的分化。种不同细胞类型的分化。在启动细胞分化的各类调节蛋白中，往往存在一两种起决定作用的调控蛋白，在启动细胞分化的各类调节蛋白中，往往存在一两种起决定作用的调控蛋白，编码这种蛋白的基因称为编码这种蛋白的基因称为主

13、导基因主导基因(master gene)。因此，有时单一调控蛋白。因此，有时单一调控蛋白表达就有可能启动整个细胞分化过程。例如表达就有可能启动整个细胞分化过程。例如MyoD是一种在成肌细胞分化为是一种在成肌细胞分化为骨骼肌细胞过程中的关键性调控蛋白。如将其转人体外培养的成纤维细胞中骨骼肌细胞过程中的关键性调控蛋白。如将其转人体外培养的成纤维细胞中表达，结果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，例表达，结果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，例如表达大量的肌球蛋白并形成收缩装置，在质膜上产生对神经刺激敏感的受如表达大量的肌球蛋白并形成收缩装置，在质膜上产生对神经

14、刺激敏感的受体蛋白和离子通道蛋白，并融合成肌细胞样的多核细胞等。显然，在成纤维体蛋白和离子通道蛋白，并融合成肌细胞样的多核细胞等。显然，在成纤维细胞中已经具备了肌细胞特异性基因表达所需要的其他必要调控蛋白，一旦细胞中已经具备了肌细胞特异性基因表达所需要的其他必要调控蛋白，一旦加入加入MyoD后，即形成了启动肌细胞分化的特异调控蛋白组合。后，即形成了启动肌细胞分化的特异调控蛋白组合。 在眼器官的发育中，有一种关键性调控蛋白称在眼器官的发育中，有一种关键性调控蛋白称Ey(Ey(果蝇果蝇) )或或Pax6(Pax6(脊椎动物脊椎动物) )。如把果蝇。如把果蝇eyey基因转入基因转入到将成腿的早期发育

15、细胞中表达，结果到将成腿的早期发育细胞中表达，结果eyey基因的异位基因的异位表达，诱导产生构成眼的不同类型细胞的有序三维组表达，诱导产生构成眼的不同类型细胞的有序三维组合，最终在腿的中部形成眼。显然合，最终在腿的中部形成眼。显然EyEy蛋白除了能启动蛋白除了能启动细胞某些特异基因的表达，诱导某种类型细胞分化外，细胞某些特异基因的表达，诱导某种类型细胞分化外，其启动的某些基因本身的表达产物可能又是另一些基其启动的某些基因本身的表达产物可能又是另一些基因的调节蛋白，它们进一步启动其他特异基因表达，因的调节蛋白，它们进一步启动其他特异基因表达，诱导分化更多的细胞类型，形成由多种不同类型细胞诱导分化

16、更多的细胞类型，形成由多种不同类型细胞组成的有序三维群体，即导致器官形成。组成的有序三维群体，即导致器官形成。 这类通过一种关键性调节蛋白对其他调节蛋白的这类通过一种关键性调节蛋白对其他调节蛋白的级联启动，是一种令人惊奇的高效而经济的细胞分化级联启动，是一种令人惊奇的高效而经济的细胞分化启动机制。复杂的有机体正是通过这一机制的重复运启动机制。复杂的有机体正是通过这一机制的重复运行逐渐完成形态建成的。行逐渐完成形态建成的。 1995年，瑞士科学家年，瑞士科学家Walter Gehring及其同事建及其同事建立了异位表达（立了异位表达（ectopic expression）果蝇的）果蝇的eyele

17、ss基因或小鼠的基因或小鼠的Pax6基因的转基因果蝇。基因的转基因果蝇。 上述基因异位表达的结果导致在转基因果蝇眼睛上述基因异位表达的结果导致在转基因果蝇眼睛以外的组织中（如触角、腿上）诱导长出了完整的以外的组织中（如触角、腿上）诱导长出了完整的果蝇复眼。果蝇复眼。 上述结果证明了无脊椎和脊椎动物的眼形成基因上述结果证明了无脊椎和脊椎动物的眼形成基因在分子水平上是同源的。在分子水平上是同源的。发育调控基因在功能上的保守性发育调控基因在功能上的保守性eyelesseyeless and and Pax-6Pax-6Ectopic expression of eyeless or Pax6 (四四

18、)单细胞有机体的细胞分化单细胞有机体的细胞分化 单细胞生物分化多为适应不同的生活环境，而多细单细胞生物分化多为适应不同的生活环境，而多细胞有机体细胞是通过细胞分化构建执行不同功能的组织胞有机体细胞是通过细胞分化构建执行不同功能的组织与器官。与器官。(1)如枯草杆菌芽孢的形成；如枯草杆菌芽孢的形成；(2)啤酒酵母单倍体孢子的形成及萌发形成的啤酒酵母单倍体孢子的形成及萌发形成的和和a两种交两种交配型。配型。(3)黏菌黏菌(如盘形网柱黏菌如盘形网柱黏菌Dictyostelium discoideum)在孢在孢子形成过程中，由单细胞变形体形成的蛞蝓形假原质团子形成过程中，由单细胞变形体形成的蛞蝓形假原

19、质团(pseudoplasmodium)，并进一步分化成为柄和孢子的过，并进一步分化成为柄和孢子的过程，均涉及一系列特异基因的表达。这也是研究低等生程，均涉及一系列特异基因的表达。这也是研究低等生物体细胞分化很好的材料。物体细胞分化很好的材料。 去分化（去分化（dedifferentiation）：）：或脱分化，细胞改变原来的分化状态，失去原来的结构和功能，成为一个具有未分化细胞特性的细胞的过程。如植物的愈伤组织。 转分化（转分化（transdifferentiation）：）：一种类型的分化细胞转化成另一种类型的分化细胞的现象。转分化往往经历去分化和再分化（redifferentiation

20、）。 再生再生(regeneration):指生物体缺失部分后的重建部分。二、影响细胞分化的因素二、影响细胞分化的因素 通过组合调控的方式启动组织特异性基因的表达是细胞分化的基本机制。通过组合调控的方式启动组织特异性基因的表达是细胞分化的基本机制。(一一)细胞的全能性细胞的全能性细胞全能性细胞全能性(totipotency)：是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的：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，称为细胞的全能性。如受精卵及早期的胚胎细胞都是具有全能潜能或特性，称为细胞的全能性。如受精卵及早期的胚胎细胞都是具有全能性的细胞。植物的体细胞在适宜的条件下可培育成正常的

21、植株，这不仅是细性的细胞。植物的体细胞在适宜的条件下可培育成正常的植株，这不仅是细胞全能性的有力证据，而且也广泛地应用在植物基因工程的实践中。胞全能性的有力证据，而且也广泛地应用在植物基因工程的实践中。多潜能性多潜能性(pluripotency)：细胞随着胚胎的发育，细胞逐渐丧失了发育成个体：细胞随着胚胎的发育，细胞逐渐丧失了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性能性(pluripotency)。具有多潜能性的细胞称为干细胞。具有多潜能性的细胞称为干细胞(stem cell)，如小鼠胚胎

22、，如小鼠胚胎发育的囊胚期的原始内层细胞称为胚胎干细胞发育的囊胚期的原始内层细胞称为胚胎干细胞(embryostemcell)；成体中具有；成体中具有分化成多种血细胞能力的细胞称多能造血干细胞分化成多种血细胞能力的细胞称多能造血干细胞(图图)，它在造血器官骨髓中仅，它在造血器官骨髓中仅占细胞数的万分之一；占细胞数的万分之一；单能性单能性：仅具有分化形成某一种类型能力的细胞，称为单能干细胞：仅具有分化形成某一种类型能力的细胞，称为单能干细胞(monopotential cell)或称定向干细胞或称定向干细胞(directionalstem cell)。由定向干细胞最终。由定向干细胞最终形成特化细胞

23、类型的过程称为终末分化形成特化细胞类型的过程称为终末分化(terminaldifferentiation)。 一般情况下，在整个发育过程中，细胞分化潜能逐渐受到限制而变窄，即一般情况下，在整个发育过程中，细胞分化潜能逐渐受到限制而变窄，即有全能性有全能性多能性多能性单能干细胞单能干细胞终末分化。终末分化。 但对细胞核而言，始终保持分化的全能性。但对细胞核而言，始终保持分化的全能性。 克隆羊的诞生 1997年2月27日，Nature 385期发表了英国爱丁堡Roslin研究所Wilmut和Cambell小组的论文，称他们利用羊的乳腺细胞，成功克隆了一只名叫Dolly的羊。人ES细胞系的建立199

24、8年年Thomson 建立人胚胎干细胞系建立人胚胎干细胞系（hES细胞）开启了干细胞研究细胞）开启了干细胞研究新的一页新的一页 组织工程与修复医学组织工程与修复医学2001年年Haseltine提出了再生医学提出了再生医学(regenerative medicine)的概念，的概念，这一旨在利用体外构建的自身组这一旨在利用体外构建的自身组织与器官来使患者得以康复的新织与器官来使患者得以康复的新的治疗理念，将会进一步促进细的治疗理念，将会进一步促进细胞分化及其相关领域的研究。胞分化及其相关领域的研究。 高等动物体细胞，根据其分化程度和高等动物体细胞，根据其分化程度和增殖潜能，大体上可分为两类：增

25、殖潜能，大体上可分为两类： (1)干细胞干细胞(stem cells)：处于相对未分化状：处于相对未分化状态，一直保持着分裂能力的细胞，它通过态，一直保持着分裂能力的细胞，它通过分裂不断补充消耗的细胞。如造血干细胞、分裂不断补充消耗的细胞。如造血干细胞、小肠隐窝干细胞。小肠隐窝干细胞。 (2)功能细胞：高度特化不再分裂的细胞，功能细胞：高度特化不再分裂的细胞，执行一定时间的功能之后即被清除，如成执行一定时间的功能之后即被清除，如成熟的红细胞、肠绒毛上皮细胞。熟的红细胞、肠绒毛上皮细胞。干细胞干细胞(stem cell)(stem cell)：成体的许多组织中都保留一些未分化的细胞，当机体需：成

26、体的许多组织中都保留一些未分化的细胞，当机体需要时这些细胞便可按发育的途径分裂分化产生特定的细胞，机体组织中这种要时这些细胞便可按发育的途径分裂分化产生特定的细胞，机体组织中这种未分化细胞称为干细胞。未分化细胞称为干细胞。干细胞有两种分类方法：干细胞有两种分类方法：第一种分类方法是根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。第一种分类方法是根据干细胞所处的发育阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞包括胚胎干细胞包括ESES细胞（细胞（Embryonic Stem CellEmbryonic Stem Cell）、）、EG EG 细胞（细胞（Embryonic Embryonic G

27、erm CellGerm Cell）；成体干细胞包括神经干细胞（）；成体干细胞包括神经干细胞（Neural Stem Ce11Neural Stem Ce11， NSCNSC）、血）、血液干细胞（液干细胞（Hematopoietic Stem CellHematopoietic Stem Cell，HSCHSC）、骨髓间充质干细胞（）、骨髓间充质干细胞（Mesen Mesen chymal Stem Cellchymal Stem Cell，MSCMSC），表皮干细胞（），表皮干细胞（EPidexmis Stem CellEPidexmis Stem Cell）等。）等。第二种分类方法是根据干

28、细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞第二种分类方法是根据干细胞的发育潜能分为三类：全能干细胞 、多能干细、多能干细胞和单能干细胞。胞和单能干细胞。干细胞具有几个显著的特点：干细胞具有几个显著的特点：(1)(1)干细胞本身不是终末分化细胞干细胞本身不是终末分化细胞( (即干细胞不是处于分化途径的终端即干细胞不是处于分化途径的终端) )；(2)(2)干细胞能无限地分裂；干细胞能无限地分裂；(3)(3)干细胞分裂产生的子细胞只能在两种途径中选择其一，或保持亲代特征，干细胞分裂产生的子细胞只能在两种途径中选择其一，或保持亲代特征，仍作为干细胞，或不可逆地向终末分化。从功能上来讲，干细胞不是执行已仍作为干

29、细胞，或不可逆地向终末分化。从功能上来讲，干细胞不是执行已分化细胞的功能，而是产生具有分化功能的细胞。分化细胞的功能，而是产生具有分化功能的细胞。 影响细胞分化的因素：影响细胞分化的因素： 细胞外信号分子对细胞分化的影响细胞外信号分子对细胞分化的影响胚胎诱导（胚胎诱导（embryonic inductionembryonic induction）: :在胚胎发育过程中，一部分细胞会影响在胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称近端组织的相互作用(promixate (promixate tissue inte

30、raction)tissue interaction)，也称为胚胎诱导，也称为胚胎诱导(embryonic induction)(embryonic induction)。 近端组织的相互作用主要通过细胞（近端组织的相互作用主要通过细胞（1 1）旁分泌产生的信号分子旁分泌产生的信号分子旁泌素旁泌素( (又称细胞生长分化因子又称细胞生长分化因子) )来实现的。已知的这类因子包括成纤维细胞生长因来实现的。已知的这类因子包括成纤维细胞生长因子子(fibroblast growthfactor(fibroblast growthfactor，FGF)FGF)、转化生长因子、转化生长因子(transfo

31、rming growth (transforming growth factorfactor，TGF)TGF)以及以及hedgehoghedgehog家族、家族、WntWnt家族和家族和JuxtacrineJuxtacrine等五大家族因子。与等五大家族因子。与激素一样，它们都是影响细胞分化的重要的信号分子。激素一样，它们都是影响细胞分化的重要的信号分子。 另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过（另一种远距离细胞间相互作用对细胞分化的影响主要是通过（2 2）激素激素来来调节的。如无尾两栖类的蝌蚪变态过程中，尾部退化及前后肢形成等变化是调节的。如无尾两栖类的蝌蚪变态过程中，尾部退化

32、及前后肢形成等变化是由甲状腺分泌的甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸增加所致，昆虫变态过程主要由甲状腺分泌的甲状腺素和三碘甲状腺原氨酸增加所致，昆虫变态过程主要是由是由2020羟蜕皮素和保幼素共同调控的。人体血细胞定向分化也受到多种细羟蜕皮素和保幼素共同调控的。人体血细胞定向分化也受到多种细胞因子的调控。胞因子的调控。2. 细胞的记忆与决定细胞的记忆与决定细胞决定细胞决定(cell determination):细胞分化具有严格的方向性，细胞在未出现分化细胞分化具有严格的方向性，细胞在未出现分化 细胞的特征之前，分化的方向就已由细胞内部的变化及受周围环境细胞的特征之前，分化的方向就已由细胞内部的变化及

33、受周围环境 的影响而决定，这一现象称为细胞决定。的影响而决定，这一现象称为细胞决定。 细胞决定在发生可识别的形态变化之前，就已受到约束而向特定方细胞决定在发生可识别的形态变化之前，就已受到约束而向特定方 向分化。这时细胞内部已发生变化，确定了未来的发育命运，这就向分化。这时细胞内部已发生变化，确定了未来的发育命运，这就 是决定。细胞在这种决定状态下，沿特定类型分化的能力已经稳定是决定。细胞在这种决定状态下，沿特定类型分化的能力已经稳定 下来，一般不会中途改变。下来，一般不会中途改变。 细胞的决定与细胞的记忆有关，而细胞记忆可能通过两种方式实现：一是细胞的决定与细胞的记忆有关，而细胞记忆可能通过

34、两种方式实现：一是正反馈途径正反馈途径(positivefeedback loop)，即细胞接受信号刺激后，活化转录调节因，即细胞接受信号刺激后，活化转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其他组织特异性基因的表达；子，该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其他组织特异性基因的表达；二是二是染色质结构变化染色质结构变化(DNA与蛋白相互作用及其修饰与蛋白相互作用及其修饰)的信息传到子代细胞，的信息传到子代细胞，如如同两条同两条X染色体中，其中一条始终保持凝集失活状态并可在细胞世代间稳定遗染色体中，其中一条始终保持凝集失活状态并可在细胞世代间稳定遗传一样。上述细胞记忆的机制也可以用来解释

35、某些能够继续增殖的终末分化传一样。上述细胞记忆的机制也可以用来解释某些能够继续增殖的终末分化细胞，如平滑肌细胞和肝细胞，分裂后只能产生与亲代相同的细胞类型。细胞，如平滑肌细胞和肝细胞，分裂后只能产生与亲代相同的细胞类型。3受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响 由于细胞具有记忆能力，随着分化信息不断地积累使之成为已由于细胞具有记忆能力，随着分化信息不断地积累使之成为已“决定决定”的的细胞，这种与细胞分化相关的信息在很多动物中可以上溯至受精卵。在卵母细胞，这种与细胞分化相关的信息在很多动物中可以上溯至受精卵。在卵母细胞的细胞质中除了储存有营养物质和多种蛋白外

36、，还含有多种细胞的细胞质中除了储存有营养物质和多种蛋白外，还含有多种mRNA，其中，其中多数多数mRNA与蛋白质结合处于非活性状态，成为与蛋白质结合处于非活性状态，成为隐蔽隐蔽mRNA，不能被核糖体识，不能被核糖体识别。然而它们在卵细胞质中呈不均匀分布，特别是某些动物如柄海鞘、两栖别。然而它们在卵细胞质中呈不均匀分布，特别是某些动物如柄海鞘、两栖动物等动物等，在受精后卵细胞质重新定位，少数母体，在受精后卵细胞质重新定位，少数母体mRNA被激活，合成早期胚被激活，合成早期胚胎发育所需要的蛋白质。随着受精卵早期细胞分裂，隐蔽胎发育所需要的蛋白质。随着受精卵早期细胞分裂，隐蔽mRNA不均一地分配不均

37、一地分配到子细胞中。通过对角贝和海胆受精卵发育的研究证明，在卵裂过程中不同到子细胞中。通过对角贝和海胆受精卵发育的研究证明，在卵裂过程中不同的细胞质分配到不同的子细胞中，从而决定未来细胞分化的命运，产生分化的细胞质分配到不同的子细胞中，从而决定未来细胞分化的命运，产生分化方向的差异。根据这一现象，人们提出了方向的差异。根据这一现象，人们提出了决定子决定子(determinant)的概念，即指影的概念，即指影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分。通过对果蝇生殖细胞和体细胞分。通过对果蝇生殖细胞和体细胞分化过程的比较研究，证明了果蝇卵细胞后端存在决定生殖细胞分化

38、的细胞质化过程的比较研究，证明了果蝇卵细胞后端存在决定生殖细胞分化的细胞质成分即生殖质成分即生殖质(germ plasm)，它是种质细胞的决定子，这一现象普遍存在于动，它是种质细胞的决定子，这一现象普遍存在于动物界。物界。 显然决定细胞向某一方向分化的初始信息储存于卵细胞中，在很多物种中，显然决定细胞向某一方向分化的初始信息储存于卵细胞中，在很多物种中，卵裂后的细胞所携带的信息已开始有所不同，这种区别又通过信号分子影响卵裂后的细胞所携带的信息已开始有所不同，这种区别又通过信号分子影响其他细胞产生级联效应。这样最初储存的信息不断被修饰并逐渐形成更为精其他细胞产生级联效应。这样最初储存的信息不断被

39、修饰并逐渐形成更为精细更为复杂的指令，最终产生分化各异的细胞类型。细更为复杂的指令，最终产生分化各异的细胞类型。4. 细胞间的相互作用与位置效应细胞间的相互作用与位置效应 在胚胎学研究中，人们已注意到细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建在胚胎学研究中，人们已注意到细胞间的相互作用对细胞分化与器官构建的影响，并称这种作用为的影响，并称这种作用为胚胎诱导胚胎诱导。胚胎诱导作用不断强化并可分成不同的。胚胎诱导作用不断强化并可分成不同的层次。虽然人们对胚胎诱导作用的机制还不清楚，但包括旁泌素等信号分子层次。虽然人们对胚胎诱导作用的机制还不清楚，但包括旁泌素等信号分子的作用显然是其重要原因之一。的作用显

40、然是其重要原因之一。 细胞所处的位置不同对细胞分化的命运有明显的影响。实验证明，改变细细胞所处的位置不同对细胞分化的命运有明显的影响。实验证明，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称位置效应位置效应(position effect)。“位置信息位置信息”是产生效应的主要原因。如在鸡胚发育的原肠胚期，是产生效应的主要原因。如在鸡胚发育的原肠胚期，在由脊索细胞分泌的由在由脊索细胞分泌的由Sonichedgehog(Shh)的基因编码的信号蛋白的作的基因编码的信号蛋白的作用下，靠近脊索的细胞分化形成底板用下，靠近脊索的细胞分化形成底板(

41、floorplate)，而远离脊索的细胞分化成，而远离脊索的细胞分化成运动神经元，如将另一个脊索植入鸡胚中线一侧，则会以同样方式诱导底板运动神经元，如将另一个脊索植入鸡胚中线一侧，则会以同样方式诱导底板和运动神经元的发育。和运动神经元的发育。 如果如果Sonic hedgehog的基因发生突变，则会导致中枢神经系统发育异常，的基因发生突变，则会导致中枢神经系统发育异常，甚至可出现面部仅有一眼和一个鼻孔的畸胎。同样，甚至可出现面部仅有一眼和一个鼻孔的畸胎。同样，Sonichedgehog蛋白也蛋白也通过位置效应调节肢体的发育。趾的长度、形态和内部结构，均受控于细胞通过位置效应调节肢体的发育。趾的

42、长度、形态和内部结构，均受控于细胞与这一蛋白信号分子源的距离。与这一蛋白信号分子源的距离。Sonic hedgehog蛋白的浓度或某些由它调控的其他因子的浓度，赋予肢芽分蛋白的浓度或某些由它调控的其他因子的浓度，赋予肢芽分化的位置信息，最终发育形成由骨、软骨和皮肤等构成的不同的趾。化的位置信息，最终发育形成由骨、软骨和皮肤等构成的不同的趾。 5环境对性别决定的影响环境对性别决定的影响性别决定是细胞分化和生物个体发育研究领域的重要课题之一。环境对性别决定是细胞分化和生物个体发育研究领域的重要课题之一。环境对性别决定的影响早已被人们发现和研究，其中典型的例子是许多爬行动物，性别决定的影响早已被人们

43、发现和研究，其中典型的例子是许多爬行动物，如如蜥蜴类蜥蜴类的的agama和和Emacularius，它们在较低温度条件下，它们在较低温度条件下(24)全部全部发育为雌性，而温度提高发育为雌性，而温度提高(32 )则全部发育为雄性。则全部发育为雄性。龟类龟类的的T. graetta, C. caretta又出现相反的情况，即在较低温度条件下全部发育为雄性，而温度提又出现相反的情况，即在较低温度条件下全部发育为雄性，而温度提高则全部发育为雌性。另外，有一种高则全部发育为雌性。另外，有一种蜗牛类蜗牛类的软体动物的软体动物Crepidula，它们的性，它们的性别决定取决于个体间的相互位置关系，在它们形

44、成的上下相互叠压的群体中，别决定取决于个体间的相互位置关系，在它们形成的上下相互叠压的群体中，位于下方的个体发育为雌性，而位于上方的个体发育为雄性。人们对于环境位于下方的个体发育为雌性，而位于上方的个体发育为雄性。人们对于环境影响性别的机制还不清楚，但是它无疑表明，环境因素对细胞分化可产生影影响性别的机制还不清楚，但是它无疑表明，环境因素对细胞分化可产生影响，并进而影响到生物的个体发育。但是，这些影响因素又都是通过细胞自响，并进而影响到生物的个体发育。但是，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。因此总的来说，个体发育中细胞分化的基础是建身的遗传机构发挥作用的。因此总的来说，个体发

45、育中细胞分化的基础是建立在细胞的内部，而环境因素只是条件。立在细胞的内部，而环境因素只是条件。6染色质变化与基因重排对细胞分化的影响染色质变化与基因重排对细胞分化的影响 100多年前人们就发现多年前人们就发现马蛔虫马蛔虫在卵裂过程中，染色体出现消减现象，追踪至在卵裂过程中，染色体出现消减现象，追踪至32个细胞的分裂球阶段，发现除一个细胞保留正常的染色体外个细胞的分裂球阶段，发现除一个细胞保留正常的染色体外(将分化成生殖将分化成生殖细胞细胞)，其余将分化成体细胞的细胞中，全部出现染色体丢失，显然这是细胞，其余将分化成体细胞的细胞中，全部出现染色体丢失，显然这是细胞分化的一个特例。但在当时成为分化

46、的一个特例。但在当时成为种质学说种质学说的重要依据。的重要依据。 人们还发现原生动物人们还发现原生动物纤毛虫纤毛虫营养核中染色体营养核中染色体DNA大量缺失的现象。纤毛大量缺失的现象。纤毛虫类虫类(如草履虫、四膜虫如草履虫、四膜虫)的细胞内存在两个细胞核，小核称为生殖核，包含的细胞内存在两个细胞核，小核称为生殖核，包含完整的基因组；大核称为营养核，丢失完整的基因组；大核称为营养核，丢失1090的的DNA，剩余的，剩余的DNA经重经重排与扩增后形成多倍体，其基因活跃地转录并决定一切表型特征。大核是在排与扩增后形成多倍体，其基因活跃地转录并决定一切表型特征。大核是在有性生殖过程中，由小核发育而来，

47、细胞虽未分化但细胞核有性生殖过程中，由小核发育而来，细胞虽未分化但细胞核“分化分化”成两种成两种不同的类型。不同的类型。 基因重排是细胞分化的另一种特殊方式。抗体是由浆细胞分泌的，而浆细基因重排是细胞分化的另一种特殊方式。抗体是由浆细胞分泌的，而浆细胞是由胞是由B淋巴细胞分化而来。在这一过程中，淋巴细胞分化而来。在这一过程中，B淋巴细胞中的淋巴细胞中的DNA经过断裂丢经过断裂丢失与重排的复杂变化，从而利用有限的免疫球蛋白基因，在理论上可表达出失与重排的复杂变化，从而利用有限的免疫球蛋白基因，在理论上可表达出数十亿种抗体。数十亿种抗体。T淋巴细胞在分化过程中也存在类似的基因重排现象。淋巴细胞在分

48、化过程中也存在类似的基因重排现象。种质学说种质学说 germ plasm theory(1892)的提出者德国动物学家魏斯曼Weismann，August第二节第二节 癌癌 细细 胞胞 细胞分化的过程往往伴随细胞的分裂，即使细胞分化的过程往往伴随细胞的分裂，即使DNA精确地复制与修复，其精确地复制与修复，其基因的碱基突变率也仅能达到基因的碱基突变率也仅能达到10-6，从进化的角度看突变是选择的源泉，具有，从进化的角度看突变是选择的源泉，具有积极的意义。但如果在人的一生中，体细胞要分裂积极的意义。但如果在人的一生中，体细胞要分裂1016次，那么推断在基因组次，那么推断在基因组中每个基因都可能发生

49、突变。基因突变的结果有可能招致某些分化细胞的生长中每个基因都可能发生突变。基因突变的结果有可能招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细胞与分裂失控，脱离了衰老和死亡的正常途径而成为癌细胞(cancer cell)。细胞通。细胞通过分裂与分化过程，形成不同的细胞类型并由此构建有机体的组织和器官。而过分裂与分化过程，形成不同的细胞类型并由此构建有机体的组织和器官。而癌细胞的细胞类型趋于一致，破坏有机体的组织器官。癌细胞与正常分化细胞癌细胞的细胞类型趋于一致，破坏有机体的组织器官。癌细胞与正常分化细胞不同的一点是，不同类型的分化细胞都具有相同的基因组；而癌细胞的细胞类不

50、同的一点是，不同类型的分化细胞都具有相同的基因组；而癌细胞的细胞类型与特征相近，但基因组却发生不同形式的突变。随着环境因素的影响，基因型与特征相近，但基因组却发生不同形式的突变。随着环境因素的影响，基因突变率提高，细胞癌变的几率也随之增加。因此，对癌细胞形成与特征的了解突变率提高，细胞癌变的几率也随之增加。因此，对癌细胞形成与特征的了解不仅有助于了解细胞增殖、分化与死亡的调节机制的细节，而且也为彻底治疗不仅有助于了解细胞增殖、分化与死亡的调节机制的细节，而且也为彻底治疗癌症癌症这一维护人类健康所面临的十分严峻的问题提供线索和希望。这一维护人类健康所面临的十分严峻的问题提供线索和希望。癌细胞癌细

51、胞：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，成：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，成为转化细胞，或无限增殖细胞，而非接触抑制。为转化细胞，或无限增殖细胞，而非接触抑制。肿瘤细胞肿瘤细胞（tumor cell）：动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。）：动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。恶性肿瘤恶性肿瘤（malignancy）：具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤，上皮组织的恶）：具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤，上皮组织的恶性肿瘤称为癌。目前癌细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。性肿瘤称为癌。目前癌细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。 。P481一、癌

52、细胞的基本特征一、癌细胞的基本特征 1细胞生长与分裂失去控制，无限增殖细胞生长与分裂失去控制，无限增殖 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的生理功能(如肝细胞和神经细胞如肝细胞和神经细胞)。在成体的一些组织中，会有新生细胞的增。在成体的一些组织中，会有新生细胞的增殖，衰老细胞的死亡，在动态平衡中维持组织与器官的稳定，这是一种严格殖，衰老细胞的死亡，在动态平衡中维持组织与器官的稳定，这是一种严格受控的过程。而癌细胞失去控制，成为受控的过程。而癌细胞失去控制，成为“不死不死”的永生细胞，核质比例

53、增大的永生细胞，核质比例增大,分裂速度加快，结果破坏了正常组织的结构与功能。分裂速度加快，结果破坏了正常组织的结构与功能。 2具有侵润性和扩散性具有侵润性和扩散性 动物体内特别是衰老的动物体内常常出现肿瘤，这些肿瘤细胞仅位于某些动物体内特别是衰老的动物体内常常出现肿瘤，这些肿瘤细胞仅位于某些组织特定部位，称之为良性肿瘤，如疣和息肉。如果肿瘤细胞具有浸润性和组织特定部位，称之为良性肿瘤，如疣和息肉。如果肿瘤细胞具有浸润性和扩散性，则称之为恶性肿瘤，即癌症发生。扩散性，则称之为恶性肿瘤，即癌症发生。 良性肿瘤与恶性肿瘤细胞的最主要区别是：良性肿瘤与恶性肿瘤细胞的最主要区别是：（1）恶性肿瘤细胞）恶

54、性肿瘤细胞(癌细胞癌细胞)的细胞间粘着性下降，具有浸润性和扩散性，易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，或通过血液循环或通过淋巴途径转移并在其他部位粘于浸润周围健康组织，或通过血液循环或通过淋巴途径转移并在其他部位粘着和增殖。经转移并在身体其他部位增殖产生的次级肿瘤称为转移灶着和增殖。经转移并在身体其他部位增殖产生的次级肿瘤称为转移灶(metastasis)。这是癌细胞的基本特征。这是癌细胞的基本特征。（2）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）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。构和功能。 3细胞间相互作

55、用改变细胞间相互作用改变 正常细胞之间的识别主要是通过细胞表面特异性蛋白的相互作用实现的，正常细胞之间的识别主要是通过细胞表面特异性蛋白的相互作用实现的，进而形成特定的组织与器官。癌细胞冲破了细胞识别作用的束缚，在转移过程进而形成特定的组织与器官。癌细胞冲破了细胞识别作用的束缚，在转移过程中，除了要产生水解酶类中，除了要产生水解酶类(如用于水解基底膜成分的酶类如用于水解基底膜成分的酶类)，而且要异常表达某，而且要异常表达某些膜受体蛋白，以便与别处的细胞粘着并生长。同时借此逃避免疫监视作用，些膜受体蛋白，以便与别处的细胞粘着并生长。同时借此逃避免疫监视作用，防止天然杀伤细胞等的识别和攻击。防止天

56、然杀伤细胞等的识别和攻击。 4mRNA蛋白表达谱系或蛋白活性改变蛋白表达谱系或蛋白活性改变 癌细胞的蛋白表达谱系中，往往出现一些在胚胎细胞中所表达的蛋白，如癌细胞的蛋白表达谱系中，往往出现一些在胚胎细胞中所表达的蛋白，如在肝癌细胞中表达胚肝细胞中的多种蛋白。多数癌细胞中具有较高的端粒酶活在肝癌细胞中表达胚肝细胞中的多种蛋白。多数癌细胞中具有较高的端粒酶活性。此外癌细胞还异常表达与其恶性增殖、扩散等过程相关的蛋白成分，如纤性。此外癌细胞还异常表达与其恶性增殖、扩散等过程相关的蛋白成分，如纤连蛋白减少，某些癌蛋白过度表达。连蛋白减少，某些癌蛋白过度表达。 5mRNA转录谱系的改变转录谱系的改变 癌

57、细胞的种种生物学特征主要归结于其基因表达及调控方向的改变。人们癌细胞的种种生物学特征主要归结于其基因表达及调控方向的改变。人们曾用基因表达谱分析技术曾用基因表达谱分析技术(serial analysis of gene expression，SAGE)对乳腺癌和对乳腺癌和直肠癌细胞与正常细胞中基因表达谱进行了比较。在检测的直肠癌细胞与正常细胞中基因表达谱进行了比较。在检测的30万个转录片段万个转录片段(transeripts)，至少相当于，至少相当于45万个所表达的基因中约有万个所表达的基因中约有500个转录片段个转录片段(相当于相当于75个基因个基因)有明显不同，仅占整个基因表达谱中的很少一

58、部分。有明显不同，仅占整个基因表达谱中的很少一部分。 此外，由于癌细胞突变位点不同，同一种癌甚至同一癌灶中的不同癌细胞此外，由于癌细胞突变位点不同，同一种癌甚至同一癌灶中的不同癌细胞之间也可能具有不同的表型，而且其表型不稳定，特别是具有高转移潜能的癌之间也可能具有不同的表型，而且其表型不稳定，特别是具有高转移潜能的癌细胞其表型更不稳定，这就决定了癌细胞异质性的特征。细胞其表型更不稳定，这就决定了癌细胞异质性的特征。6体外培养的恶性转化细胞的特征体外培养的恶性转化细胞的特征（1）恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖）恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能。的潜能。（2）在体外培养时贴壁性下降

59、，可不依附在培）在体外培养时贴壁性下降，可不依附在培养器皿壁上生长，有些还可进行悬浮式培养；养器皿壁上生长，有些还可进行悬浮式培养；（3）正常细胞生长到彼此相互接触时，其运动）正常细胞生长到彼此相互接触时，其运动和分裂活动将会停止，即所谓接触抑制和分裂活动将会停止，即所谓接触抑制(contact inhibition)。癌细胞失去运动和分裂的接触抑制，。癌细胞失去运动和分裂的接触抑制，在琼脂培养基中可形成细胞克隆，这也是细胞恶在琼脂培养基中可形成细胞克隆，这也是细胞恶性程度的标志之一。性程度的标志之一。二、癌基因与抑癌基因二、癌基因与抑癌基因 癌症是由携带遗传信息的癌症是由携带遗传信息的DNA

60、的病理变化而引起的疾病。与遗传病不同，的病理变化而引起的疾病。与遗传病不同，癌症主要是体细胞癌症主要是体细胞DNA突变，而不是生殖细胞突变，而不是生殖细胞DNA突变。突变。癌基因癌基因(oncogenes)：是控制细胞生长和分裂的正常基因（又称原癌基因或细胞：是控制细胞生长和分裂的正常基因（又称原癌基因或细胞癌基因）的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。癌基因）的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。 对多种致癌的逆转录病毒中存在的癌基因对多种致癌的逆转录病毒中存在的癌基因(voncogene)的研究，均导致正的研究，均导致正常细胞中原癌基因的发现，其中很多原癌基因的产物都是细胞生长分裂的调常细胞中