第13章(十四) 细胞分化

第十四章细胞分化与基因表达调控细胞分化癌细胞真核基因表达调控细胞生长细胞代谢细胞增殖细胞分化细胞通讯细胞衰老细胞死亡……细胞类型形成组织器官形成个体发育基因表达调控

细胞的重大生命活动：细胞分化（celldifferentiation）：在个体发育的过程中，由一种相同的细胞类型经分裂形成在形态、结构和功能上不同的稳定的细胞类群的过程；是个体发育的基础和核心。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）。第一节细胞分化一、基本概念

（一）基因的选择性表达（主线）

实验证据（分子杂交）：不同的细胞类型（celltypes)中，DNA相同，mRNA种类不同，蛋白质种类不同。结论：相同的基因组在不同细胞中的选择性表达；

细胞分化是基因选择性表达的结果。（二）管家基因和奢侈基因(分化基因组中所表达的基因)

管家基因（housekeepinggenes)：维持细胞基本功能所必需的基因，在所有细胞类型中均表达。e.g.,肌动蛋白、微管蛋白、组蛋白、核糖体蛋白、TAC循环的关键酶，etc.

组织特异性基因（tissue-specificgenes):在不同的细胞类型中特异性地表达，使细胞形成特定的形态结构，行使特定的功能。e.g.,卵清蛋白、胰岛素、血红蛋白，etc.

调节基因（regulatorygenes):调节基因的表达。(?)

转录水平、转录后加工水平、染色质、DNA水平、翻译与翻译后加工与修饰等复杂而精确的调控。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（三）组织特异性基因调控的基本模式细胞分化过程是由一系列基因产物（regulatoryproteins）调控的。i.e.,每个基因的表达都必须：在正确的细胞中；在正确的时间；对正确的信号产生正确的反应；产生正确的表达水平。问题：细胞是如何协调（coordinate）这一过程的？答案：一个关键的调控蛋白，可以调控一系列下游基因，完成细胞分化。组合调控：少数调控蛋白完成众多细胞类型的分化

借助于组合调控，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。MyoD，是骨骼生肌调节因子的重要组成成分，在骨骼肌细胞分化中的关键作用，单一的MyoD调控蛋白能够启动肌细胞分化调控蛋白组合，使肌干细胞分化为肌细胞。例子：眼形成的关键调控蛋白Ey（果蝇）ey基因早期细胞（发育成腿）腿中眼细胞分化眼形成（四）单细胞生物中的细胞分化细胞分化并非多细胞有机体独有的特征。单细胞生物甚至原核生物也存在细胞分化问题。如枯草杆菌芽孢的形成，啤酒酵母单倍体孢子的形成及萌发形成的α和a两种交配型。单细胞分化多为适应不同的生活环境，而多细胞通过分化构建不同的组织和器官。（五）转分化和再生转分化（trans-differentiation）：由一种分化的细胞类型转化为另一种细胞类型。水母横纹细胞转分化形成神经细胞等。转分化：去分化再分化

（dedifferentiation）（redifferentiation）

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细胞特征的过程。

例子：植物细胞愈伤组织根芽形成植株再生再生（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。动物：伤口愈合；低等生物的肢体再生；增殖二、影响细胞分化的因素

（一）细胞的全能性（totipotency）：单个细胞形成完整个体的能力。e.g.，受精卵、早期胚胎细胞；植物体细胞。（基础、内因）实验证据：植物体细胞胚胎发生（体细胞plantsomaticembryogenesis）;动物克隆（1997，多莉羊；……）高度分化的动植物体细胞，在遗传背景（基因组DNA)和功能上均是全能的。多莉羊的克隆干细胞（stemcells）具有部分的全能性（多潜能性，pluripotency）是一群尚未完全分化的细胞，同时具有分裂增殖成另一个与本身完全相同的细胞，以及分化成为多种特定功能的体细胞两种特性。多能干细胞：具有多向分化的潜能，可以分化形成除自身组织细胞外的其他组织细胞。胚胎干细胞：具有分化成各种细胞的潜能。成体干细胞：造血干细胞。单能干细胞：仅具有分化成某一中类型细胞能力的干细胞。用于维持某一特定组织细胞的自我更新，如肠上皮干细胞。造血干细胞的分化（hemopoiesis）淋巴骨髓（二）影响细胞分化的因素（外因）众多的内外因素，形成“网络”。1胞外信号

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由甲状腺分泌的甲状腺素和三碘甲状腺氨基酸的分泌增加所致。

2细胞记忆和决定

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。所谓决定是指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定的细胞类型，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。细胞将信号分子的作用储藏起来，以决定分化的能力。3，细胞质的影响受精卵的细胞质不均一性和不均等卵裂细胞增殖过程中产生不均等细胞的方式4细胞间的相互作用和位置效应细胞相互作用：信号分子的作用细胞位置效应（positioneffect）：“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，在由脊索细胞分泌的由sonichedgehog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，而远离脊索的细胞分化成运动神经元。5，环境对性别决定因素环境基因表达细胞分化性状（e.g.,性别决定，癌）例子：一种蜥蜴，24℃

全部发育为雌性，32℃

全部发育为雄性。6，染色质变化和基因重排例子：B淋巴细胞：DNA断裂和重排抗体的多样化三、细胞分化与胚胎发育

细胞分化是发育的基础；发育（个体形成）是细胞分化的结果。现代发育生物学（developmentalbiology）的核心问题：发育过程中基因组表达的时空性及其调控机制；……受精卵细胞分化组织形成器官形成个体如何调控？？第二节癌细胞

比喻：动物体（人）—一个特殊的“社会”（society）;细胞—“社会”中的个体（individuals）;原则—“个体”的自我牺牲（self-sacrifice）;癌细胞—“社会”中的“不轨分子”（违反上述原则，“疯狂增殖”）。相关事件：基因突变；DNA复制；DNA修复；细胞周期；细胞凋亡；细胞分化；基因调控；……

过程：致癌因子（carcinogens）：环境的，遗传的，内源的相关基因（cancer-criticalgenes）的突变基因突变的积累基因表达谱式的改变细胞活动的异常（周期，粘附性，凋亡，移动性，……）癌细胞的产生

本质：体细胞基因组的改变（突变的积累）；癌症是由众多因素引发的“基因病”（genedisorder）（体细胞）；有别于通过性细胞传递的“遗传病”（geneticdisorder）复杂性：美国“攻克癌症”的十年计划的失败，……一、癌细胞的特征

肿瘤（tumor）良性肿瘤（benign）：不转移（分裂失控）恶性肿瘤（malignancy）:转移、侵润上皮组织：癌（carcinoma）癌（cancer）结缔组织和肌肉：肉瘤（sarcoma）其他（血液）：白血病等（leukemia)肿瘤组织由实质和间质两部分构成，实质是肿瘤细胞，间质由结缔组织和血管组成。

特征：1，生长和分裂失控“永生”细胞（immortal）；细胞核增大；

分裂快；低分化，……宫颈癌细胞特征A:normal;B:precancerous;C:invasivecarcinoma正常和癌细胞的分裂增殖2侵润性和扩散性侵润性(invasive)；扩散性（diffusible）；转移性（metastasis）良性肿瘤（benign）和恶性肿瘤（malignant）恶性肿瘤的转移（metastasis）3，细胞相互作用的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．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(如用于水解基底膜成分的酶类)，而且要异常表达某些膜受体蛋白，以便与别处细胞粘着并生长。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。4mRNA表达谱系、蛋白质表达谱系和蛋白活性改变主要特征：•出现胚胎细胞中的蛋白（与低分化程度有关）；•端粒酶活性增高（与无限分裂增殖有关）；•异常表达与癌的发生发展相关的蛋白（e.g.,细胞周期调控、凋亡、粘附、细胞扩散和移动性等）；•癌蛋白和抑癌蛋白的表达及活性的变化。5遗传的不稳定性（geneticinstability）DNA损伤修复能力降低DNA复制中纠错能力降低异常高的突变率染色体畸变发生机率增加癌细胞的遗传不稳定性和肿瘤发生发展染色体-9和染色体-22之间的易位与骨髓性白血病有关6培养癌细胞的特性培养的癌细胞系：是研究癌的重要材料。恶性转化（malignanttransformation）：培养细胞能象在体内一样不断分裂生长；不断继代，建立癌细胞系。

特征：•无限增殖，永生化；•贴壁性下降或不贴壁（悬浮）；•接触抑制性（contactinhibition）丧失。培养的癌细胞接触抑制性的丧失二、癌基因和抑癌基因（cancer-criticalgenes）1，原癌基因（proto-oncogenes）和癌基因（oncogenes）•原癌基因：为细胞的正常基因，多编码控制细胞周期、细胞凋亡、细胞增殖的各种调控因子和活性蛋白，是细胞正常功能所必需；•癌基因：为原癌基因的突变形式，或改变了表达方式（过量、产物活性的改变，等），其结果是引起正常细胞的癌变。发现：最早发现于劳式肉瘤病毒Roussarcomavirus(携带Src基因），能引起鸡癌变；鸡的细胞中发现也有Src的同源基因，编码一种调控细胞分裂的蛋白激酶。以后发现众多的逆转录病毒中均有细胞中相应的癌基因；分别称为：病毒癌基因（v-oncogenes）和细胞癌基因（c-oncogenes）现已知v-oncogenes是逆转录病毒从宿主细胞中拷贝过来的。种类：生长因子及其受体；信号转导通路中的蛋白；转录因子；细胞周期调控蛋白；细胞凋亡相关蛋白，etc.原癌基因转变为癌基因2，抑癌基因（tumor-suppressorgenes）

发现：有一类基因的失活也能引起癌变。e.g.,a.视网膜母细胞瘤是由于Rb基因突变失活而引起的；b.p53基因：50％的肿瘤中发现p53的突变；作用：细胞周期调控；促进细胞凋亡；维持遗传稳定性（p53突变使细胞逃脱DNA损伤的监控系统而进入分裂）3，小结癌基因和抑癌基因的对比：________________________________________________癌基因抑癌基因————————————————————————细胞增殖的正调控因子细胞增殖的负调控因子

gain-of-functionloss-of-function

显性（dominant）隐性（recessive）________________________________________________癌基因（gain-of-function）和抑癌基因（loss-of-function）癌发生中癌基因和抑癌基因产物作用的途径三、基因突变积累—癌的发生癌的发生是由多个相关基因(cancer-criticalgenes)突变的共同作用引起的；并不是基因组的每一次突变都被积累下来，细胞中有DNA损伤修复机制，及复制纠错机制，阻止突变细胞继续分裂；当细胞逃脱了纠错机制的监控进入分裂，就有可能转变为癌细胞；而癌细胞的快速增殖助长了有害突变的积累；环境中的各种诱变因素（辐射、化学诱变剂、病毒……）增加突变几率，诱发癌症。这种作用也是可积累的。结肠癌的发生过程（基因突变的积累）事实：移民群体中（各种）癌的发生率接近居住国的平均水平，而不是其本民族的水平。暗示癌症发生中，环境因素的作用大于遗传因素。据认为，80－90％的癌症是可以避免的，至少是可以延迟的！建议：始终注意避免环境中能够诱发，或促进癌症发生的因素。（积累！）肿瘤诱发因子（tumorinitiator）：DNA诱变（mutagenic）肿瘤促进因子（tumorpromoter）：非DNA诱变（non-mutagenic）（增加诱变剂活性、促进突变积累、伤口长期不愈、接触刺激，etc.）肿瘤形成的外因根据其性质分为：化学、生物和物理致癌物三大类根据它们在致癌过程中的作用，可分为；启动剂：可直接改变DNA的成分或结构。促进剂：本身不能诱发肿瘤，但有促进作用。如糖精可促进膀胱癌的发生，苯巴比妥促进肝癌的发生。完全致癌物：兼具启动和促进两种作用。一、化学致癌物①亚硝胺类，能引起消化系统肿瘤；②多环芳香烃类，如苯并芘。③芳香胺类，如乙萘胺、诱发泌尿系统的癌症；④烷化剂类，如芥子气、环磷酰胺等；⑤氨基偶氮类，如奶油黄，可引起肝癌；⑥碱基类似物，如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶；⑦氯乙烯，与塑料工人的肝血管肉瘤有关。⑧元素，如铬、镍、砷。化学致癌物的作用机理：可与DNA、RNA、蛋白质等生物大分子中的亲核基团发生作用，引起碱基颠换、缺失，DNA交联、断裂，染色体畸变等。引起细胞中胞嘧啶的甲基化水平降低。二、生物性致癌因素（一）、肿瘤病毒①逆转录病毒，如：人T淋巴细胞白血病病毒（HTLV）、HIV等病毒；②乙型肝炎病毒（HBV）：原发性肝癌（PLC）。

③人乳头瘤状病毒（HPV）：生殖道肿瘤。④Epstein－Bars病毒（EBV）；与儿童的Burkitt淋巴瘤和成人的鼻咽癌发生有关。后三类都是DNA病毒。（二）、霉菌目前已知有数十种霉菌毒素对动物有致癌性。黄曲霉菌广泛存在于污染的食品中，尤以霉变的花生、玉米及谷类含量最多。黄曲霉毒素（aflatoxin）有许多种，是一类杂环化合物，其中黄曲霉毒素B1是已知最强的化学致癌物之一，可引起肝癌。三、物理因素（一）