细胞生物学课件：第十四章 细胞分化与基因表达调控

第十四章细胞分化与基因表达调控第一节细胞分化细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心不同生物具有不同的发育模式，但都涉及：①细胞增殖②细胞分化③细胞间的相互作用。细胞分化（differentiation）是指细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。细胞分化的实质是不同类型细胞中特异性蛋白质的合成。一、细胞分化的基本概念（一）细胞分化是基因选择性表达的结果细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成；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分子杂交技术检测基因及其表达

组织特异性基因与管家基因◆管家基因(house-keepinggenes)：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是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，起激活或者起阻遏作用。组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控（combinationalcontrol）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：单细胞生物多为适应不同的生活环境，而多细胞生物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。●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，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。●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（一）细胞的全能性细胞全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。细胞的分化潜能细胞分化能力的强弱称为分化潜能。动物受精卵的分化潜能称为全能性。干细胞：有分化潜能的动物细胞。分为：全能干细胞、多能干细胞、单能干细胞。单能干细胞只能分化为一种类型的细胞，也称为祖细胞，自我更新能力有限。Fertilizedovumhastotipotency干细胞的特征：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，绝大多数处于G0期；⑦可行进不对称分裂。根据个体发育过程中出现的次序，干细胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞（ESC）是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。ESC的用途主要有：①动物克隆；②动物转基因；③组织工程。Welldifferentiatedplantcellskeeptheirtotipotency三、细胞分化的特点1.时空性细胞分化的实质是在细胞基质（信号系统）和细胞核（基因组）共同作用下，选择性地表达特定的基因，称为差别基因表达。细胞表达的基因分为：管家基因、组织特异性基因或奢侈基因。高度分化的动物细胞也具有完整的基因组。证明方法：原位杂交、核移植。Briggs和King（1952，1960），豹蛙（Ranapipiens）核移植。Gurdon等（1975），成蛙蹼上皮细胞核移植。童第周等20世纪60年代，鱼类核移植。IanWilmut（1997）克隆Do11ysheep。2.定向性随着细胞的分裂和分化，发育方向逐渐被限定，称为决定（determination）。决定意味着基因活动模式改变。例：哺乳动物桑椹胚的内细胞团和外围细胞，前者形成胚胎、后者形成滋养层。无脊椎动物早期的卵裂球已经决定，每个卵裂球只能形成身体的一部分。3.稳定性动物细胞发生分化之后，其遗传表型保持稳定，通常是不可逆的。例：果蝇幼虫的成虫盘移植到成虫体内不发生细胞分化，可继续增殖或移植。如将其再移植回变态期幼虫体内则又能按原来已决定的命运分化。4.条件可逆性在特定条件下，分化细胞的基因活动模式可发生可逆的变化，又回到未分化状态，称为去分化。例1：植物愈伤组织。例2：果蝇触角成虫盘经多次移植后，部分成虫盘可分化为成体的腿、翅或口器，这种现象称为转决定。5.普遍性个体一生中都进行着细胞分化。干细胞是细胞更新和组织修复的基础。一种组织的成体干细胞倾向于分化成该组织的各种细胞，但特定条件下，可分化成其它组织的功能细胞，称为转分化或横向分化。高度分化的细胞不再分裂，对电离辐射敏感性低，而各种干细胞则不然。四、细胞分化和增殖的关系增殖信号和分化信号同时作用于干细胞，表现为边分化边增殖（反之亦然）；增殖和分化分别独立进行，一些干细胞只增殖不分化，另一些同类干细胞进入终末分化；细胞分化与分裂平行进行，干细胞进行不对称分裂，产生的子细胞一个保持原有干细胞特性，一个则进入终末分化。五细胞分化的主要机制autonomousmechanism：胚胎发育的早期细胞分裂由受精卵中的细胞质控制，不涉及细胞通信。inductivemechanism：随着胚胎发育的进行细胞之间主要通过信号系统协调分裂、分化和细胞的行为，称为诱导机制。细胞的分化命运主要取决于：细胞的内部特性，外部环境。卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。卵细胞中贮存有大量mRNA，是母源基因的产物，维持卵细胞和早期胚胎代谢；呈非均匀分布，决定胚胎发育的图式（pattern）。合子基因在卵裂后期才发挥作用。（一）、细胞分裂的不对称性用放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育能进行至囊胚期；嘌呤霉素处理，受精卵停止发育。果蝇母源基因在滋养细胞中转录后，输入卵细胞，沿微管转运到特定部位。基因产物沿卵的前后和背腹轴形成浓度梯度，决定胚胎形态，称为成形素（morphogen）。卵裂后的细胞质特性决定了子细胞的分化命运。（二）、诱导机制诱导（induction）是一部分细胞诱导其它细胞向特定方向分化的现象，也叫胚胎诱导。对其它细胞起诱导作用的细胞称诱导者(inductor)，如脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板，神经沟和神经管。响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场。（三）、分化抑制分化成熟的细胞可以产生“抑素”，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。“抑素”是TGF-β家族的成员。如

myostatin是肌肉生长的负调控因子，

GDF11（Wu等2003）通过上调细胞周期抑制因子p27抑制神经组织生长。Mousemyostatinmutant(right)Double-muscledmouseFunctionofthemyostainThesocalledchaloneistheproteinbelongingtoTGF-βfamily,suchasmyostainBelgianBluebull——Double-muscledcattle（四）、细胞数量效应例1.小鼠胚胎胰腺原基在体外培养，可发育成胰腺组织，如切成8小块分别培养，则不能。再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。例2.Fisher（1967）将大量肿瘤细胞注射到小鼠肝脏门静脉，小鼠很快死于肿瘤。只注射50个肿瘤细胞时，小鼠正常生存，手术检查未发现任何肿瘤。术后关腹饲养，发现小鼠很快死于肝肿瘤。（五）、细胞外基质的影响ECM能与细胞表面的整合素相互作用，激活粘着斑激酶（FAK），FAK可以通过接头蛋白Grb2启动Ras信号途径，引起细胞增殖。干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上形成上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上分化为成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。（六）、激素的作用例1.哺乳动物雄性激素促进乌尔夫氏管，抑制缪勒氏管的发育，摘除胚胎睾丸，则促进谬勒氏管的发育，形成雌性生殖管道。例2.昆虫的保幼激素和脱皮激素，两者保持一定的比例时，幼虫脱皮而长大；当保幼激素含量减少时，幼虫化蛹，成虫器官发育。成虫期又开始合成保幼激素，促进性腺发育。（七）、细胞核与细胞分化染色体结构的变化1.基因删除：原生动物、节肢动物。2.基因扩增：多线染色体、爪蟾卵母细胞rDNA。3.基因重排：如Ig基因(106~108种抗体)。4.DNA甲基化与异染色质化：基因失活。5.基因印迹Genomicimprinting，特点：①性别特异，同一等位基因仅表达父或母本基因；②印迹发生于配子形成过程中；③在胚胎的有丝分裂中能稳定传递给子细胞；④遗传给下一代时消除上一代遗传的印迹，建立新的与性别有关的印迹。印迹基因的形成可能与差别修饰有关，如染色体特异性CpG岛的甲基化作用。甲基转移酶纯和缺失的小鼠H19、IGF2及IGF2R印迹基因表达异常。父源表达和母源表达的印迹基因对胚胎发育的影响不同。例.葡萄胎（hydatidiformmole）——父本印迹；卵巢畸胎瘤（ovarianteratoma）——母本印迹。（八）、同工结构的变化同工置换：在某一特定时期，一种细胞或分子被另一种相似、而能更好适应环境的同工型取代。例，哺乳动物个体发育中：有核红细胞——无核红细胞透明软骨——长骨恒齿——乳齿血红蛋白从胚胎型、胎儿型到成年型过渡。（九）、成体中的细胞分化①已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。经历新生→成熟→衰老→死亡的过程，如表皮细胞。②已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的细胞，如血管内皮细胞。③干细胞的分裂与分化，如多能造血干细胞。（十）、再生广义来看再生是生命的普遍现象，从分子、细胞到组织器官都具有再生现象。1.

生理性再生：即细胞更新，如人的红细胞。2.

修复性再生：如壁虎、蝾螈、螃蟹、海参。3.

无性繁殖。第二节癌细胞

癌细胞的定义：

正常细胞在受到致癌因子的作用下，细胞中的遗传物质发生变化，形成不受机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖细胞。一．癌细胞的基本定义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(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。目前，癌细胞已经成为恶性肿瘤的通用名称。我国人口死亡原因统计每个人在体内都有癌细胞，这些癌细胞在他们大量繁殖倍增之前，检查时无法察觉。当医生告诉癌症病人，经过治疗，在他体内已经找不到癌细胞时，只是意味着用一般检察，无法发现癌细胞。人类的免疫系统如果能够正常工作，癌细胞通常会被摧毁，根本不会形成肿瘤。二癌细胞的基本特征细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力，成为“永生”细胞。◆容易在体内分散和转移

·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“癌细胞与正常细胞的不同”正常细胞癌细胞增殖次数细胞形态能否转移50-60次无限增殖扁平梭形球形一般不能能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◆培养时对血清依赖性降低◆当将恶性转化细胞注入易感动物体内，往往会形成肿瘤二、致癌因素物理致癌因子辐射(紫外线,X射线)化学致癌因子无机物，有机物（农药、化肥、甲醛、苯、煤焦油等化学物质）病毒致癌因子病毒（DNA肿瘤病毒与RNA肿瘤病毒致癌）氧层破坏导致皮肤癌患者增多切尔诺贝利核电站核物质外泄，诱发了众多白血病患者。居里夫人在研究工作中长期被放射线损伤，导致白血病。人乳头瘤状病毒侵染人的生殖道，使人患子宫癌。近几年肺癌的发生率日趋增加，可能与吸入烟草燃烧的烟雾、工厂的煤烟、汽车尾气等有关。物理物理物理病毒化学感染乙肝病毒的可诱发肝癌；感染人乳头状病毒可诱发宫颈癌；感染螺杆菌可诱发胃癌；吸烟（每日超过2包，10年以上）可诱发肺癌；被动吸烟（22年以上）可诱发肺癌与喉癌；经常接触沥青者，易诱发皮肤癌；经常接触煤焦油者，易患皮肤癌；经常接触放射线者，易诱发肺癌与白血病；长期使用化学性染发剂可诱发淋巴癌；经常在太阳下曝晒，可诱发皮肤癌。酗酒可诱发咽喉癌；红肉（即牛肉、羊肉）摄入量过大，可诱发结肠癌；新鲜水果及蔬菜摄入不足可诱发肺癌；高盐咸食者，易患胃癌；报纸包食物可得各种癌症；吃热烫食物易引起食道癌；纤维素摄入不足可诱发结肠癌和直肠癌；过度肥胖可诱发结肠癌与乳腺癌；缺少锻炼（每周热量消耗少于1000卡）可诱发结肠癌和直肠癌；长期精神压力可诱发各种癌症；

人和动物的染色体上本来就存在和癌有关的基因它们都是细胞中正常的固有的基因：。

原癌基因：其很多的产物都负责调节细胞周期，控制细胞生长和分裂的进程。

抑癌基因：主要是阻止组织细胞不正常的增殖。癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果三.细胞癌变的内因分析原癌基因：抑癌基因：负责调节细胞周期，控制细胞生长和分裂的过程防止细胞不正常增殖致癌因子

基因突变（原癌、抑癌基因）导致◆原癌基因存在于细胞基因组中(c-onc)，是控制细胞生长和分裂的基因。编码多种类型的蛋白质---细胞生长和分裂的调控因子。癌基因是控制细胞生长和分裂的原癌基因的一种突变形式。

◆这类基因功能获得性突变(显性突变)，其产物量增加或活性升高，促进细胞癌变。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、唾腺癌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转录因子淋巴瘤、肺癌、早幼粒白血病myb转录因子结肠癌fos转录因子骨肉瘤

erb-A转录因子急性非淋巴细胞白血病bcl-1cyclinD1B细胞淋巴瘤◆抑癌基因是正常细胞增殖过程中的负调控因子。抑癌基因编码的蛋白抑制细胞增殖，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突变(隐性突变)，则导致细胞周期失控而过度增殖。。1986~1987年国际上有3个实验室成功地分离到第一个抑癌基因-RB基因.RB位于人类细胞第13号染色体长臂13q14区域,RB基因的缺失或失活，是导致肿瘤发生的主要原因。RB基因的两个等位基因同时缺失，或一个等位基因缺失而另一个因突变而失活，才能导致RB基因功能的丧失。

pRb对细胞周期运转作用P53基因突变将导致细胞癌变或凋亡原癌基因与肿瘤抑制基因产物协调作用，避免细胞癌变

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(Genetherapy)

◆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●基因表达阻遏真核生物的转录激活

◆基因转录水平的控制错综复杂，受多种因素影响

◆TATA盒、CAAT盒和GC盒，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。

◆缺失作图法（deletionmapping）与DNA足纹技术（DNAf