细胞分化与基因表达调控演示文稿

细胞分化与基因表达调控演示文稿1当前第1页\共有90页\编于星期四\7点细胞分化与基因表达调控当前第2页\共有90页\编于星期四\7点3细胞分化细胞类型1细胞类型2细胞类型3……细胞衰老细胞凋亡永生细胞（癌症）去分化增殖

细胞分化与机体的正常功能：细胞分化是个体行使正常功能的保证。本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞能行使不同的功能（分工）；核心：基因是如何有序表达的？（调控）。当前第3页\共有90页\编于星期四\7点414.1细胞分化

在个体发育中,细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化(differentiation)，其本质是基因选择性表达的结果，即基因表达调控的结果。

细胞分化的关键在于组织特异性基因在时间、空间上的选择性表达，导致特异性蛋白质的合成当前第4页\共有90页\编于星期四\7点5细胞分化当前第5页\共有90页\编于星期四\7点6当前第6页\共有90页\编于星期四\7点7

分化细胞的特点分化细胞具有以下四个特点：

个体中所有不同种类的细胞的遗传背景完全一样。

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。

细胞分化中最显著的特点是分化状态的稳定性。

虽然细胞分化是一种相对稳定和持久的过程,但是在一定的条件下,细胞分化又是可逆的。当前第7页\共有90页\编于星期四\7点一、细胞分化的基本概念细胞分化的本质是基因选择性表达的结果组织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也存在细胞分化转分化与再生8当前第8页\共有90页\编于星期四\7点实验：分子杂交技术检测基因及其表达材料：鸡在发育过程中产生的具有不同功能的细胞•输卵管细胞：合成卵清蛋白；•成红细胞：合成β珠蛋白；•胰岛细胞：合成胰岛素；通过Southern杂交检验三种细胞的DNA中是否都含有这三种基因通过Northern杂交检测三种基因在不同细胞中是否9一、细胞分化的基本概念1、细胞分化是基因选择性表达的结果当前第9页\共有90页\编于星期四\7点10分子杂交技术检测基因及其表达结果表明：三种细胞中都含有卵清蛋白基因、β珠蛋白基因和胰岛素基因；但卵清蛋白基因仅在输卵管细胞中表达，β珠蛋白基因只在成红细胞表达，胰岛素基因只在胰岛细胞表达当前第10页\共有90页\编于星期四\7点112、组织特异性基因与管家基因◆管家基因(house-keepinggenes)：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；◆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

当前第11页\共有90页\编于星期四\7点◆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细胞分化的实质是组织特异性基因在时间和空间上的差异表达（differentialexpression）12当前第12页\共有90页\编于星期四\7点鸡胚胎中四肢的分化13鸡胚胎发育中Tbx4基因表达（蓝色）诱导前肢产生，Tbx5基因表达（红色）诱导后肢产生当前第13页\共有90页\编于星期四\7点14当前第14页\共有90页\编于星期四\7点15当前第15页\共有90页\编于星期四\7点16当前第16页\共有90页\编于星期四\7点173、组合调控引发组织特异性基因的表达组合调控概念： 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。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。当前第17页\共有90页\编于星期四\7点18N种调控蛋白理论上可以启动产生2n种细胞类型当前第18页\共有90页\编于星期四\7点19当前第19页\共有90页\编于星期四\7点20触角腿(Antenna-leg)果蝇当前第20页\共有90页\编于星期四\7点21双胸(Bithorax)复合基因座当前第21页\共有90页\编于星期四\7点224、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。如：酵母单倍体细胞可分化形成a和α两种交配型，它们之间可以相互转换当前第22页\共有90页\编于星期四\7点235、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。当前第23页\共有90页\编于星期四\7点表皮细胞在过量维生素A的作用下可以转分化为粘液细胞

24海星具有极强的再生能力，把海星撕成几块抛入海中，每一碎块会很快重新长出失去的部分一些甲壳类动物可以再生失去的肢体当前第24页\共有90页\编于星期四\7点25二、影响细胞分化的因素细胞的全能性(totipotency)：是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。

（一）细胞的全能性当前第25页\共有90页\编于星期四\7点26植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常植株当前第26页\共有90页\编于星期四\7点27动物细胞的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干细胞(Stemcell)与细胞发育潜能当前第27页\共有90页\编于星期四\7点28

干细胞具有以下几个特点:①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);②干细胞能无限地分裂;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,仍作为干细胞,或不可逆地向终末分化。

当前第28页\共有90页\编于星期四\7点29当前第29页\共有90页\编于星期四\7点30当前第30页\共有90页\编于星期四\7点31（二）影响细胞分化的因素胎儿的发育当前第31页\共有90页\编于星期四\7点32影响细胞分化的因素胞外信号分子对细胞分化的影响,如眼的发生细胞记忆与决定果蝇成虫盘(imaginaldisc)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当前第32页\共有90页\编于星期四\7点1.胞外信号分子对细胞分化的影响在胚胎发育过程中，一部分细胞会影响周围细胞向一定方向分化，称为胚胎诱导；远距离细胞间的相互作用对细胞分化的影响主要通过激素来调节如：早期的视泡诱导与之接触的外胚层发育成晶状体，然后在视泡和晶状体的共同诱导下外面的表皮细胞形成角膜33当前第33页\共有90页\编于星期四\7点2.细胞记忆与决定果蝇的成虫盘(imaginaldisc)是一些初级分化的细胞群，不同的成虫盘发育为成虫的不同器官；这种细胞记忆作用的时间是长期的细胞的决定(determination):指细胞在发生可识别的形态变化之前，就已受到约束而向特定的方向分化，确定了未来的发育命运

“决定早于分化”34当前第34页\共有90页\编于星期四\7点35当前第35页\共有90页\编于星期四\7点36果蝇的体细胞决定当前第36页\共有90页\编于星期四\7点373.受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响

母体效应(maternal-effect)

卵母细胞中贮存的mRNA和蛋白质的分布是不均匀的,各种mRNA在细胞中都有定位分布,并随卵裂进入不同的子细胞中。当前第37页\共有90页\编于星期四\7点38卵细胞中的母体信息当前第38页\共有90页\编于星期四\7点39当前第39页\共有90页\编于星期四\7点404.细胞间的相互作用与位置效应位置效应positioneffect：改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变位置效应是由位置信息产生的，即在胚胎发育过程中，特定位置的细胞接受周围细胞分泌的信号，朝着某种分化方向发育当前第40页\共有90页\编于星期四\7点415.环境对性别决定的影响蜥蜴类的A.agama:在较低温度下全部发育成雌性，而温度提高全部发育成雄性龟类的T.graetta:相反6.染色质变化与基因重排对细胞分化的影响染色质变化：卵裂过程中的染色体丢失现象B淋巴细胞的DNA通过断裂丢失和重排，利用有限的免疫球蛋白基因，表达出数十亿种抗体总体讲，细胞分化的基础是建立在细胞内部，而环境因素只是条件当前第41页\共有90页\编于星期四\7点4214.2癌细胞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）。单一细胞癌变就会形成癌症。当前第42页\共有90页\编于星期四\7点43一．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◆具有扩散性

·恶性肿瘤细胞（癌细胞）的细胞间粘着性下降，具有侵润性和和扩散性，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◆蛋白表达谱系或蛋白活性改变◆

mRNA转录谱系的改变◆染色体非整倍性当前第43页\共有90页\编于星期四\7点44扩散性：染色体非整倍性当前第44页\共有90页\编于星期四\7点45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，往往会形成肿瘤当前第45页\共有90页\编于星期四\7点46体外培养的恶性转化细胞当前第46页\共有90页\编于星期四\7点47二、癌症产生是基因突变积累和自然选择的结果

癌症主要是体细胞突变产生的遗传病，涉及到两大类与细胞增殖相关的基因的突变。●促进细胞增殖相关基因突变：原癌基因(proto-oncogene)突变形成癌基因(oncogene)●抑制细胞增殖相关基因突变：肿瘤抑制基因(tumor-suppressorgene)，抑癌基因●细胞癌变是基因突变累积和自然选择的结果，所以患者多为年长者。●原癌基因与肿瘤抑制基因产物协调作用，避免细胞癌变当前第47页\共有90页\编于星期四\7点48原癌基因：

存在于细胞基因组中(c-onc)，编码多种类型的蛋白质原癌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

当前第48页\共有90页\编于星期四\7点49抑癌基因：◆这类基因编码的蛋白抑制细胞增殖，使细胞停留于检验点◆发生功能丧失性突变(隐性突变)

◆Rb基因突变导致视网膜母细胞瘤形成。

◆P53基因突变将导致细胞癌变或凋亡当前第49页\共有90页\编于星期四\7点50抑癌基因的功能丧失性突变----阴性突变当前第50页\共有90页\编于星期四\7点51P53基因突变将导致细胞癌变或凋亡当前第51页\共有90页\编于星期四\7点52三、致癌因素●多种理化因子致癌 ●

DNA肿瘤病毒与RNA肿瘤病毒致癌

当前第52页\共有90页\编于星期四\7点53当前第53页\共有90页\编于星期四\7点54四、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

◆抑制肿瘤血管形成当前第54页\共有90页\编于星期四\7点55尿液萃取物对末期癌症具疗效运用人尿中的萃取物CDA2，用来治疗九种末期癌症，结果有一成其肿瘤面积可缩小一半以上。

“细胞毒性T淋巴细胞疗法”首先是从体内循环血液或癌细胞组织中提取细胞毒性T淋巴细胞，然后在试管中利用转基因技术培植出含有一种能分辨恶性癌细胞分子的淋巴细胞，使用这种新型细胞毒性T淋巴细胞可以提高酶体分泌能力，致使癌细胞膜脱落坏死。利用细胞疗法治疗肿瘤已成为治疗癌症的方法之一。迄今为止，这种疗法主要是从血液中提取免疫细胞。但“德国海德堡癌症研究中心”的科学家经试验发现，利用从骨髓中提取的免疫细胞进行细胞疗法，效果更加明显。健康细胞上的telomerase基因一般都处于关闭状态，而80%以上的癌细胞上的这种基因都处于开启状态以保证癌细胞的生存，因此通过调整这种基因的开关状态，科学家可以欺骗癌细胞杀死自己的同类。当前第55页\共有90页\编于星期四\7点56

癌干细胞——在肿瘤中的一小部分具有无限增值能力，并形成肿瘤能力的细胞，也称肿瘤干细胞。癌干细胞

癌干细胞在癌组织中所占的比例很少，具有形成能力是癌干细胞的本质特征。目前已经在乳腺癌，脑瘤等实体瘤以及血液系统肿瘤中发现了癌干细胞。鉴定癌干细胞的方法通常是首先通过分子标志将肿瘤细胞悬液用流式细胞仪分选为若干亚群，然后将不同的细胞亚群移值到裸鼠的体内观察其成瘤性，癌干细胞就存在于具有成瘤性的细胞亚群中。当前第56页\共有90页\编于星期四\7点57传统理论指导下癌症的治疗有放疗法，化疗法，外科切除等方法。这些方法是不加区分的消灭增殖细胞来达到一定的治疗。有杀错，无放过。不根治，仍复发。当前第57页\共有90页\编于星期四\7点58

恶性肿瘤具有无限增殖和侵袭性生长的特点，传统的观念认为肿瘤行成是所有肿瘤细胞共同增殖的结果。然而，在白血病的研究中发现，白血病的形成和发展与正常造血系统有极大的相似之处（1997年JohnDick等定义了第一个肿瘤干细胞，急性髓细胞性白血病（AML)的白血病干细胞），由此提出了肿瘤形成的新模式——癌干细胞学说。为肿瘤发生机制的认识提供了一条新思路。当前第58页\共有90页\编于星期四\7点59

癌干细胞的特点1自我更新性

是指一个细胞分裂为两个细胞，但其中一个子代细胞仍然保持与亲代细胞完全相同的未分化状态；而另一个细胞则定向分化，这种分裂称为不对称分裂。癌干细胞通过自我更新维持着肿瘤的持续生长。癌干细胞积累了所在肿瘤的基因突变，正是这些基因突变导致了肿瘤细胞的过度增殖，乃至转移播散。当前第59页\共有90页\编于星期四\7点60当前第60页\共有90页\编于星期四\7点61

2.高致瘤性

癌干细胞的致瘤性因肿瘤种类不同差别较大，主要从两个方面进行评价：一是癌干细胞在体外克隆形成的能力;二是癌干细胞在免疫缺陷细胞动物体内的肿瘤形成。当前第61页\共有90页\编于星期四\7点62

3.分化潜能具有多向分化潜能，能够重建相应组织所有的细胞成分。肿瘤干细胞能够形成缺乏自我更新能力但具有分裂能力的子代细胞，生理状态下称为“分化”。肿瘤缺乏分化为表型正常的成熟细胞的能力，但能发生不同程度的有限的分化，从而形成组织病变学各异的肿瘤。当前第62页\共有90页\编于星期四\7点63

耐药性是癌干细胞的特征之一，因而不少报道认为癌干细胞的存在是导致肿瘤化疗失败的主要原因。4.耐药性

当前第63页\共有90页\编于星期四\7点64新治疗策略当前第64页\共有90页\编于星期四\7点65治疗新思路1.削弱增殖能力2.促进分化3.破坏微环境4.诱导凋亡5.增加对放疗和化疗的敏感性当前第65页\共有90页\编于星期四\7点66抑制癌干细胞信号通路和相关酶的活性，削弱增殖能力。当前第66页\共有90页\编于星期四\7点67诱导癌干细胞分化，消耗其分裂潜能，达到抑制肿瘤发展的目的。当前第67页\共有90页\编于星期四\7点68破坏为癌干细胞提供养分和保护的微环境，抑制增殖和成瘤的能力。当前第68页\共有90页\编于星期四\7点69用靶向性病毒载体携带促凋亡基因诱导癌干细胞进入凋亡程序，达到清除目的。当前第69页\共有90页\编于星期四\7点70抑制抗性相关蛋白的表达，增加对放疗和化疗的敏感性，提高放化疗的有效率。当前第70页\共有90页\编于星期四\7点711.癌干细胞的来源？肿瘤干细胞是正常的成体干细胞甚至体细胞基因突变所致。

肿瘤干细胞主要来源于细胞融合。肿瘤干细胞起源与病毒有关。肿瘤干细胞起源于残留的静止的胚胎干细胞。

尚未解决的科学问题当前第71页\共有90页\编于星期四\7点72当前第72页\共有90页\编于星期四\7点73当前第73页\共有90页\编于星期四\7点74癌干细胞的分离培养技术

癌干细胞分离分选，培养扩增是进行癌干细胞特性研究的首要步骤。现有不少实验室主要应用：流式分选，磁式分选这两种手段，报道了癌干细胞的分离成功，但这并不意味着这些技术已经成为经典。当前第74页\共有90页\编于星期四\7点7514.3真核细胞基因表达的调控管家基因(House-keepinggene)

组织特异性(Tissue-specificgene)表达基因或称为奢侈基因(luxyrygene)细胞分化主要是奢侈基因中某种(或某些)特定基因的选择性表达的结果。当前第75页\共有90页\编于星期四\7点76基因的选择性表达当前第76页\共有90页\编于星期四\7点77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 当前第77页\共有90页\编于星期四\7点78一．转录水平的调控◆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 当前第78页\共有90页\编于星期四\7点79

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。

◆转录因子结构◆转录因子与DNA序列相互作用最常见的几种结构模式当前第79页\共有90页\编于星期四\7点80启动子元件的位置当前第80页\共有90页\编于星期四\7点81转录因子结构当前第8