细胞分化凋亡与肿瘤课件

Welcome!细胞分化、细胞凋亡

与肿瘤

中南大学肿瘤研究所

卢建红

jianhl@本节目标了解细胞的分化和凋亡的概念细胞分化和凋亡的调控机制细胞分化和凋亡异常与肿瘤细胞恶性增殖之间的联系Cell细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了个体的特殊性肿瘤：细胞无限增殖对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键细胞生物学已经成为当代生物科学中发展最快的一门尖端学科20世纪50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家。G1andSPhasesoftheCellCycle

SIGMA-ALDRICHG2andMPhasesoftheCellCycle

SIGMA-ALDRICH细胞周期的三个归宿分裂（division)分化(differentiation)死亡(death)细胞分化细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。每个人的一生中都在进行着细胞分化。细胞分裂的不对称性和细胞间的相互作用是细胞分化的两个基本机制。受精卵细胞分化的全能性植物细胞分化的全能性干细胞能分化为多种类型的细胞卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。北极或动物极：极体释放的部位；南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。

细胞分化的机理（一）细胞分裂的不对称性动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布；用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入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，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。

1、胚胎诱导(embryonicinduction)：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。诱导者(inductor)：对其它细胞起诱导作用的细胞：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；视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。（二）细胞间的相互作用2、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。3、细胞数量效应小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。4、细胞外基质的影响干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。5、激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素。1、染色体结构的变化1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。2）基因扩增：果蝇多线染色体。3）基因重排：免疫球蛋白基因（106~108种抗体）。4）DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。（三）细胞核与细胞分化2、基因与细胞分化无论是母体mRNA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。根据对果蝇、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；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，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达：母体基因→间隙基因→成对基因→体节极性基因→同源异形基因（homeoticgene，Hox）细胞分化与肿瘤一些细胞不能完成正常的细胞分化—异常的细胞分化不能逆转。体外培养中：某些分化细胞能重新分化，且失去原来的结构和功能—“永生”细胞株(去分化，dediffrentiation)无限分裂（“婴儿期”，丧失部分或全部原有功能）肿瘤细胞的分化异常肿瘤的分化程度也就是肿瘤组织的成熟程度。分化在肿瘤病理学中常指肿瘤细胞在形态、功能、代谢、行为等方面与其起源程序的成熟细胞（相应的正常细胞）的相似程度。肿瘤细胞越相似于相应的正常细胞，则为高分化。病理学家根据瘤细胞分化水平不同，常常将一些组织的恶性肿瘤分为三级或四级，即将高分化列为I级，中分化、低分化列为Ⅱ级，未分化列为Ⅲ级。瘤细胞分化程度与其来源组织的正常形态高分化肿瘤高接近中分化肿瘤较低明确保留起源组织的特点低分化肿瘤较低近似来源组织的不成熟形态未分化肿瘤极差能断定来自上皮组织但又不能肯定是来自鳞状上皮或柱状上皮者称未分化癌（undifferentiatedcarcinoma）能断定间叶组织来源但又根据形态难于肯定是何种间叶组织，则称之为未分化肉瘤良性与恶性肿瘤在分化程度上的差异程度核异型性与起源组织差异核分裂象良性肿瘤高小相似无或少恶性肿瘤低大差异明显多细胞分化的调控问题：不同分化阶段的细胞具有相同的遗传物质（基因组），为何表现不同的生物学性状？答案：基因的表达并不是同时发生的，而是按照一定的程序相继活化和表达（差示表达）因此，必须拥有一套完整、准确和适时的基因调控机制基因表达调控的系列过程染色质的结构变化基因转录（主要）转录后加工转录产物（RNA）的稳定、转运和降解翻译翻译后加工转录水平的调控基因的活化顺式作用元件（cis-actingelements)反式活化因子(anti-activatingfactors)即转录因子(transcriptionfactors)基因的活化：染色质松懈使RNA聚合酶和DNA接触高度特异性涉及DNAaseI敏感区的产生、DNA甲基化和螺旋结构改变、组蛋白的乙酰化和去乙酰化等因果和协调机制尚不清楚染色质由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成，比例为

1：1：（1-1.5）：0.05。cis-actingelements定义：与被转录基因在距离上比较接近，调控转录的特殊DNA序列启动子（promoter），启动子上游近侧的高度保守短序列（TATA、CAAT和GC盒）调节转录起始增强子（enhancer），某些增强子在不同的细胞分化阶段针对不同的基因沉寂子（silencer），近年在酵母中发现，负性调控作用哺乳类RNA聚合酶Ⅱ启动子中常见的元件Transcriptionfactors是一类细胞核内蛋白因子，通过识别和结合基因近端或远端的cis-acting元件，实现正/负性调控具有DNA结合位点、活化位点、细胞核固定位点、配体结合位点（使转录因子被激素、生长因子等激活）RNA聚合酶Ⅱ的基本转录因子

转录因子结构分类锌指结构（zincfinger），亮氨酸拉链（leucinezipper）螺旋-环-螺旋（helix-loop-helix，HLH）与细胞分化有关的转录因子AP-1/FOS/Jun结合SV40病毒MyoD肌肉细胞分化相关肝细胞分化相关6种以上POU结构域蛋白哺乳动物细胞分化相关红细胞系分化相关如GATA-1结合珠蛋白的promoter和enhancer转录后调控mRNA的翻译：剪接、加工、编辑、转运（由细胞核至胞浆）；翻译的起始、翻译后肽链的折叠和加工mRNA的剪接在不同的细胞及细胞分化阶段因剪接因子表达的不同而不同加工过程与转录同时进行

在转录过程中肽的丝氨酸残基2和5上CTD（多聚酶II的羧基末端区域）的动态的磷酸化和去磷酸化人类CTD的氨基酸末端支持加帽而不支持剪接或3’端加工，而其羧基末端支持所有加工步骤mRNA的核转运。

转运前有序加工。这些成熟化事件对于纠正mRNA包装是重要的。一个关键的步骤就是把EJC加到mRNA上。外外接合复合物（EJC）是由接合处上游大约20核苷形成的接合小体沉积而成，包含RNA连接蛋白复合物，

EJC是动力的一些成分甚至在转运到细胞质中仍与mRNA保持联系。因此，EJC与mRNA加工和mRNA转运到细胞质事件有关。

细胞微环境对分化的影响细胞外基质，如胶原纤维、血栓敏感素等生长和分化因子，如造血生长因子调节造血干细胞的生长和分化细胞-细胞间相互作用，信息传递细胞内钙离子和pH值造血微环境模式Patternofmicroenvironment细胞分化异常与肿瘤发生典型：白血病多能造血干细胞发育分化的某一阶段受阻特异性细胞的染色体缺失、倒位、易位等，导致癌基因活化或抑癌基因的失活血细胞的生成肿瘤的诱导分化治疗20世纪70年代后期，Sachs研究鼠白血病，最早提出differentiationtherapy80年代中期，上海血液研究所率先使用全反式维甲酸（ATRA）治疗APL（急性早幼粒细胞白血病）成功。调控癌基因、转录、细胞增殖因子及其受体基因、酶、细胞结构蛋白的表达在实体瘤治疗方面也有探索和效果细胞死亡的方式

坏死（necrosis），killedbyinjuriousagents凋亡（apoptosis），inducedtocommitsuicide借用古希腊语Kerr（1972）提出。直到20世纪90年代初，由于分子肿瘤学研究发现细胞凋亡与肿瘤的发生、发展，以及与肿瘤治疗中的细胞死亡有密切关系，才引起极大重视，通过研究发现了一系列控制凋亡发生的基因和蛋白分子。

程序性死亡（programmedcelldeath，PCD），一种基因指导的细胞自我消亡方式ApoptosisPCD形态学概念，指与细胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形式；

并非都是程序化的。功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的、受到严格控制的正常组成部分最终结果是apoptosis2002年10月7日英国人悉尼·布雷诺尔、美国人罗伯特·霍维茨和英国人约翰·苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理与医学奖

细胞凋亡cellapoptosis

与细胞坏死的区别是：①细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；②凋亡小体内有结构完整的细胞器；③不引起炎症；④线粒体无变化，溶酶体活性不增加；⑤内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；⑥凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。

分为诱导、效应和降解3个时期Apoptosis的生物学意义apoptosis的生物学意义（续）保持细胞类型和数量的相对恒定，尤其胚胎发育期DNA损伤，p53表达使细胞停滞于G1期与衰老有关，不能清除损伤或无功能细胞并代之以新细胞ProcedureandMorphology

ofAPO正常胸腺细胞

凋亡胸腺细胞

Caspasecysteinyl

aspartate-specificproteinases

天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（家族）Apaf-1:apoptoticproteaseactivatingfactor-1

ActivationandInhibitionofApoptosis

SIGMA-ALDRICHApoptosistriggeredbyintersignals:theintrinsicormitochondrialpathwayApoptosistriggeredbyexternalsignals:theextrinsicordeathreceptorpathway细胞凋亡相关基因与肿瘤与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋亡的调控大多数恶性肿瘤的发病有细胞凋亡异常bcl-2c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等

两大家族bcl-2,caspase对细胞凋亡的调控起着举足轻重的作用

myc在凋亡细胞中c-myc高表达激活控制细胞增殖的基因，当生长因子存在，bcl-2基因表达时，促进细胞增殖激活促进细胞凋亡的基因促进细胞增殖、抑制分化在许多人类恶性肿瘤细胞中都发现有c-myc的过度表达Bcl-2（家族）1985，B细胞淋巴瘤/白血病-2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)抑制细胞凋亡通常以二聚体的形式发挥作用

Bcl-2相关蛋白的磷酸化也决定其凋亡调控效应Fas，又称APO-1，1993年统一命名为CD95

Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统，二者的结合导致靶细胞走向凋亡fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白，分布于胸腺细胞、T淋巴细胞、B淋巴细胞、NK细胞、内皮细胞、上皮细胞以及皮肤角质形成细胞等等FasSignalingPathway

SIGMA-ALDRICHFAS与CD95LCaspase

蛋白酶家族选择性地切割蛋白质使其失活或激活

p53在G期监视DNA的完整性Thep53SignalingPathway

SIGMA-ALDRICHApoptosis与恶性肿瘤凋亡异常几乎涉及到细胞凋亡信号途径的所有方面e.g凋亡