第十四章细胞分化与基因表达的调控——翟中和细胞生物学课件

1、第十四章 细胞分化与基因表达调控概述细胞分化癌细胞真核细胞基因表达的调控.概 述细胞分化(cell differentiation)：在个体发育中，由一 种相同的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，产生各不相同的细胞类群的过程。细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心； 细胞分化的关键在于不同类型细胞中特异性蛋白质的合成，而合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达； 差异性表达的机制是由于基因表达的组合调控。.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细胞分化与胚胎发育同源异型基因 .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组织

2、特异性基因与管家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 .细胞分化是基因选择性表达的结果分子杂交技术检测基因及其表达 现代分子生物学证据表明，细胞分化是由于细胞选择性地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。.组织特异性基因与管家基因 分化细胞基因组中所表达的基因大致可分为两种基本类型：管家基因(house-keeping genes)： 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；组织特异性基因(tissue-specific genes)，或称奢侈基因(luxury genes)：是指不同类型细胞中特异性

3、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功能； 调节基因产物用于调节组织特异性基因的表达，起 激活或阻遏作用。 因此，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。.组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控（combinational control）概念： 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

4、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。 .单细胞有机体的细胞分化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。多细胞有机体在其分化程序与调节机制方面显得更为复杂。 .转分化与再生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（transdifferentiation）。 转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。去分化又称脱分化，是指分化细胞失去其特有的结构与功能变成具有未分化特征的细胞的过程。（植物体细胞在一定条件下形成未分化细胞群组成的细胞团愈伤

5、组织）生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物 体缺失部分后重建过程。 不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。.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)概念：细胞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，在适宜的条件下可培育成正常的植株 动物细胞核移植(Nuclear transfer)实验证明细 胞核具有发育全能性.如蛙红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细胞的全能性(totipotency

6、).影响细胞分化的因素胞外信号分子对细胞分化的影响： 在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分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，也称为胚胎诱导。（如眼的发生：如果把早期的视泡移植在头部的其他部位，也可诱导与之接触的外胚体发育成晶状体）细胞记忆与决定 果蝇成虫盘(imaginal disc)受精卵细胞质的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.细胞分化与胚胎发育同源异型基因（homeotic selector gene，Hox gene）果蝇体节发育中起关键作用的基因群。 含有高度保守的180bp组成的

7、DNA序列，称同源框。编码60个氨基酸，形成螺旋-转角- 螺旋结构，与DNA序列大沟相互作用，启动基因表达。同源异型基因在染色体上的排列与胚胎发育在时、空序列上是一致的。.第二节 癌细胞(Cancer cell)癌细胞的基本特征癌基因与抑癌基因癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果癌症能治疗吗？.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 细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞(tumor cell)。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.基本生物学特征细胞生长与分裂失去控制，

8、具有无限增殖能力，成为“永生”细胞。具有扩散性 癌细胞的细胞间粘着性下降，具有侵润性和扩散性，这是癌细胞的基本特征。 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。细胞间相互作用改变（识别改变；表达水解酶类；产生新的表面抗原）蛋白表达谱系或蛋白活性改变（胚胎细胞蛋白、端粒酶活性升高） mRNA转录谱系的改变（少数基因表达不同；突变位点不同，表型多变） 染色体非整倍性.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的潜能在体外培养时贴壁性下降失去接触抑制： 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。培养时对血清依赖性降低

9、当将恶性转化细胞注入易感动物体内，往往会形成肿瘤.二、癌基因与抑癌基因 癌症主要是由携带遗传信息的DNA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DNA突变，而不是生殖细胞DNA突变。然而由于癌症涉及多个基因位点的突变，因此生殖细胞某些位点的突变无疑也会加大致癌的可能性。 癌基因：控制细胞生长和分裂的正常基因的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。 抑癌基因实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码的蛋白往往在细胞周期的检验点上起阻止周期进程的作用。（p53） 促进细胞增殖相关基因和抑制细胞增殖相关基因的协同作用，共同调控细胞的正常增殖进程。.三、癌症的发生是基因突变积累和自然选择

10、的结果肿瘤发生频率低的原因：1、绝大多数基因突变位点不会致癌。2、癌症的发生一般不是单一基因的突变，而至少在一个细胞中发生5-6个基因突变，才能赋予细胞所有的特征，即癌细胞不仅增殖速度快，而且其子代细胞能够逃脱细胞衰老的命运，取代相邻正常细胞的位置，不断从血液中获取营养，进而穿越基膜与血管壁，在新的组织部位定着、存活与生长。.四、癌症能治疗吗？传统思路是手术、放疗、化疗癌症治疗新方案 免疫治疗(Immunotherapy) 基因治疗(Gene therapy) 抑制癌症促进蛋白的活性 抑制肿瘤血管形成.第三节 真核细胞基因表达的调控真核细胞基因表达的调控是多级调控系统，主要发生在四个彼此相对独

11、立的水平上转录水平的调控加工水平的调控.一转录水平的调控转录因子与真核生物的基因转录DNA的甲基化对真核生物基因转录的调控核小体与真核生物基因转录的调控.转录因子与真核生物的基因转录 基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响 TATA盒：位于基因转录起始位点上游-30bp附近。 CAAT盒和GC盒：位于TATA盒上游。 TATA盒决定转录起始的位点，CAAT盒和GC盒决定RNA聚合酶转录基因的效率。这三种普遍的启动子元件的位置见图第1行。 一般情况下，真核生物基因转录，除了需要转录因子和RNA聚合酶，还需要其他蛋白质因子的参与，以帮助通用转录因子和RNA聚合酶在染色质上组装。这些辅助因子在D

12、NA上的结合元件，通常称为增强子，它们的存在能够显著加强目的基因的转录。.转录因子与真核生物的基因转录典型的转录因子至少包括两个结构域：DNA 结合结构域:结合特异DNA序列激活结构域：激活转录 此外，许多转录因子还含有一个促进核蛋白形成二聚体的表面，二聚体的形成是许多不同类型转录因子的共同特征，在基因表达调控中起重要作用。.转录因子与真核生物的基因转录除了激活转录的转录因子之外，还有一些转录因子起抑制基因转录的作用。转录抑制因子也是有两部分组成：DNA结合结构域抑制结构域.DNA的甲基化对真核生物基因转录的调控DNA甲基化（DNA methylation）与基因表达阻遏有关 基因组印记（ge

13、nomic imprinting）是说明甲基化作用在基因表达中具有重要意义的最好例证，也是哺乳动物所特有的现象。 例如：小鼠早期发育中，编码类胰岛素生长因子2的基因只在由父亲传递下来的染色体上有活性，编码这种蛋白受体的基因，只在母亲传递下来的染色体上有活性。.二加工水平的调控大部分基因的主要调控过程发生在转录水平上，但也有相当一部分基因表达的调控，不但发生在转录水平上，转录后调控也起到了非常重要的作用。转录后水平的调控或称加工水平的调控，包括以下几个方面：初始的RNA转录产物的加工翻译水平的调控.初始的RNA转录产物的加工在细胞内mRNA的前体有两种基本剪接方式：编码蛋白质的不连续基因通过RN

14、A剪接将内含子从mRNA前体中去除，然后规范地将外显子剪接成成熟的mRNA,这种剪接方式称为组成型剪接，通过组成型剪接，一个基因只产生一种成熟的mRNA，一般也只产生一种蛋白质产物。可调控的选择性剪接。外显子按照不同的方式剪接在一起，因而可以由同一个基因产生不同的成熟mRNA，翻译产生不同的蛋白质。.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 .本章小结细胞分化细胞分化的基本概念影响细胞分化的因素全能性:植物、动物因素：胞外信号分子对细胞分化的影响、细胞记忆与决定、受精卵细胞质的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

15、与基因重排对细胞分化的影响细胞分化与胚胎发育同源异型基因.本章小结癌细胞癌细胞的基本特征癌基因与抑癌基因癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果癌症能治疗吗？.本章小结真核细胞基因表达的调控转录水平的调控转录因子与真核生物的基因转录DNA的甲基化对真核生物基因转录的调控核小体与真核生物基因转录的调控加工水平的调控初始的RNA转录产物的加工翻译水平的调控.信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。果蝇的成虫盘是一些初级分化的细胞群，在幼虫变态过程中，不同的成虫盘发育为成虫不同的器官，如腿、翅和触角等。.真核细胞基因表达的调控，主要发生在四个彼此相对独立的水平上：转录水平调控：决定某个基因是否会被转录，什么时候转录、并决定转录的频率。加工水平调控：决定初始的RNA转录产物如何剪接和加工为成熟的mRNA。翻译水平调控：决定某种mRNA是否会真正得到翻译，如能得到翻译，还决定翻译的频率和时间长短。翻译后水平调控：在蛋白被翻译后，选择性激活蛋白或使蛋白失活。.基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响转录水平的基因表达，对真核生物而言是最重要的调控机制。基因转录的调控，关键在于调控RNA合成的起始。RNA合成的起始：依赖于DNA上一段称为启动子的区域。 启动子：RNA聚合酶在DNA上的结合元