细胞分化与肿瘤

细胞分化与肿瘤2016-4-14个体发育并不是简单地由细胞增生产生相同的细胞群体，而必须通过有序的细胞分化增加细胞类型。多细胞生物个体是通过细胞分裂和细胞分化形成。主要内容细胞分化的基本概念

什么是细胞分化？细胞分化的特点调控细胞分化的关键因素

主要成分、理论基础干细胞与肿瘤干细胞细胞分化与肿瘤发生、治疗

主要策略、对肿瘤治疗的影响3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。通过分化，细胞在形态、功能、代谢、行为等方面各具特色，从而形成不同的组织器官。细胞分化（differentiation）通过分化，细胞形成不同的组织器官4细胞分化的特点－普遍性细胞分化贯穿于高等生物个体发育的全过程，尤以胚胎发生期最明显；成体也存在细胞分化。成体中细胞分化的三种形式：部分未分化的干细胞，可分裂和分化为新的子代细胞。如：多能造血干细胞。已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失,eg：免疫细胞。已有的分化细胞分裂产生两个功能相同的细胞。如：血管内皮细胞5细胞分化是一个相对稳定和持久的过程：细胞向某一方向分化后，即使引起分化的因素不再存在，分化仍然继续进行，不会自发逆转到未分化状态。稳定性是细胞分化最显著的特点。如：神经元细胞和骨骼肌细胞某些已分化细胞可将其分化特征遗传给子代细胞。如：黑色素细胞细胞分化的特点－稳定性与遗传性67细胞分化的特点---空间性和时间性

空间性是指同一来源的细胞，由于所处的空间位置不同，使其产生形态、结构和功能上的差异；如：单核/巨噬细胞分化为：肝脏中的枯否氏细胞(kupffercell)肺脏中的尘细胞（dustcells)结缔组织中的组织细胞（histocytes)神经组织中的小胶质细胞（microglialcells)脾和淋巴结中的固定和游走巨噬细胞

时间性指在不同时间内细胞所处的状态不同，如胸腺。

分化过程一般是不可逆，但在一定条件下，具有增生能力的组织中已分化的细胞可以发生改变：去分化(dedifferentiation)：回复到胚性状态，失去其特有的结构与功能，变成具有未分化细胞的特征转分化(transdifferentiation)：转变成另一种类型的分化细胞。转分化往往经历去分化和再分化过程细胞分化的特点－可逆性89影响细胞分化的因素胞内因素胞外因素10影响细胞分化的因素---胞内因素1.卵细胞质对细胞分化的影响:

受精卵在分裂时，核内的遗传物质是平均分配到子细胞内的，但细胞质分配是不均匀的，导致子代干细胞的胞质组分不同，使子细胞向不同方向分化。2.核质的相互作用

在细胞分化过程中，基因选择性开启表达，合成各种不同类型的蛋白质，形成细胞质的异质性。

而细胞核内基因的活性也会受核所在的胞质环境的控制，细胞质反作用于细胞核。1.位置效应胚胎发育和器官形成过程中，细胞的发育分化还取决于细胞所处的位置。

e.g.畸胎瘤---受精卵在子宫之外的器官进行异位发育，导致增生、分化失控，形成由已分化的上皮、骨胳、毛发等以及未分化的干细胞组成的肿块，为畸胎瘤环境因素影响胚胎细胞分化，环境异常干扰了细胞正常的增生和分化程序，使之转化为癌细胞影响细胞分化的因素---胞外因素112.细胞外基质细胞间可以通过细胞外基质（ECM）发生通讯联系，调控细胞分化。干细胞在IV型胶原、层黏连蛋白上分化为上皮细胞；在I型胶原、在II型胶原、纤黏连蛋白上则演变成为纤维细胞。影响细胞分化的因素---胞外因素1213影响细胞分化的因素---胞外因素3.细胞-细胞间相互作用分化诱导：通过邻近细胞的相互作用，各胚层间能够相互促进细胞分化与器官发生。如脊索诱导其顶部的外胚层发育成神经板、神经沟、神经管分化抑制：分化成熟的细胞可产生某种物质，抑制相邻细胞发生同样的分化。如含成蛙心组织的培养液可抑制蛙胚发育出正常的心脏4.胞外信号分子生长和分化因子，如：粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子(GM-CSF)、促红细胞生成素(EPO)、转化生长因子(TGF-β)、成纤维生长因子(FGF)激素，在发育后期产生作用，引发靶细胞进行分化。如甲状腺素促进：a.细胞增多，体积增大；b.软骨骨化和牙齿发育；c.大脑成熟

影响细胞分化的因素---胞外因素14细胞分化的调节机制细胞分化意味着各种细胞内合成不同的专一蛋白质(红细胞、肌细胞),

细胞分化是通过严格而精密调控的基因表达来实现的，分化细胞中表达的基因可分为两种类型：看家基因(house-keepinggenes)

组织特异性基因(tissue-specificgenes)1516看家基因与组织特异性基因看家基因：指所有细胞中均表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必需的，如细胞骨架蛋白、组蛋白、二氢叶酸还原酶（与分化关系不密切）组织特异性基因：指不同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功能，如血红蛋白、胰岛素、免疫球蛋白等（与细胞分化关系密切）17细胞分化相关基因表达的调控转录水平的调控转录后调控18细胞分化相关基因---转录水平的调控1.基因活化：基因所处的结构条件有两种：活性状态、非活性状态，只有处于活性状态的基因才能表达。组蛋白乙酰化调控：组蛋白乙酰化可以激活基因转录甲基化调控

甲基化调控表观遗传学上甲基化调控有两种：一是DNA甲基化；另外一种是

蛋白质（如组蛋白）甲基化。DNA甲基化一般是在CpG位点发生。CpG位点在基因组中往往是密集于接近基因启动子的位置，称为CpG岛。C的甲基化可加强阻遏蛋白或降低激活蛋白与DNA的结合；或因mCpG的甲基伸入DNA双螺旋结构的大沟，影响DNA与结合蛋白的相互作用。CpG岛的高甲基化与基因的表达抑制密切相关。

甲基化调控蛋白质甲基化一般都是指精氨酸或赖氨酸的甲基化。赖氨酸可以由赖氨酸甲基转移酶催化一次、两次或三次的甲基化。甲基化的组蛋白可以在表观遗传上抑制或激活基因表达，但具体机制还不完全明确。如：组蛋白3第9位赖氨酸的3甲基化（H3K9me3）可抑制基因表达，组蛋白3第4位赖氨酸的3甲基化（H3K4me3）可激活基因表达。2.顺式作用元件启动子:决定基因转录起始，启动子元件：TATAbox、CAATbox增强子:增强启动子活性，可能具有很强的组织特异性

如：胰岛素基因增强子、免疫球蛋白µ基因增强子沉默子：负调控元件，调控基因特异的选择性表达

如：T淋巴细胞分化过程中的沉默子3.反式作用因子（转录因子）:

通用转录因子、细胞组织特异因子；具有配体结合位点（结合激素、分化因子等）、核定位信号、DNA结合位点、转录激活位点。细胞分化相关基因---转录水平的调控21血细胞分化涉及一系列转录因子，如c-Myb、SCL、GATA-2、GATA-1、PU.1，以及由血细胞或骨髓基质细胞分泌的生长因子。22血细胞分化的调节造血干细胞共同髓系粒系单核系祖细胞红系巨核系23原肌球蛋白mRNA选择性剪接细胞分化相关基因---转录后调控mRNA前体剪接、mRNA稳定性、RNA编辑、翻译效率等---影响蛋白质结构域、表达水平等mRNA寿命的调控

不同基因的mRNA的半衰期不同，主要受其3’UTR控制。短寿命mRNA的3’UTR通常含有一个或多个AU富集区，其作用是促进Poly(A)降解。降解集聚细胞分化相关基因---转录后调控2425细胞分化潜能的决定

细胞决定（celldetermination）：胚胎细胞在形态上尚未出现可识别的分化特征，已由细胞内部的变化及周围环境的影响决定了其分化的方向，胚胎的这种发育选择称为细胞决定。决定先于分化，并制约分化的方向。干细胞与肿瘤干细胞2627干细胞(stemcell)干细胞是指一群没有分化的细胞，它们具有自我更新（自我复制）并向一系或多系列分化的能力（产生有功能的成熟细胞）。干细胞的特点终生保持未分化或低分化特征。具有自我更新能力：一方面指干细胞能通过对称分裂生成两个完全相同的子代干细胞，另一方面也可通过“不对称分裂”生成一个保持自我特性的干细胞和一个分化了的子代细胞。具有多向分化潜能，能分化成不同类型的组织细胞。2829干细胞的分类按照干细胞所处的发育阶段分：胚胎干细胞

成体干细胞按照干细胞的发育潜能分：全能干细胞

多潜能干细胞

多能干细胞

单能干细胞30

全能干细胞(totipotentstemcell)：受精卵具有分化成各种组织的潜能并建成完整的个体。细胞含有使后代细胞形成完整个体的潜能。全能多潜能多能

多潜能干细胞(pluripotentstemcell)：干细胞具有分化出多种组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力。31

多能干细胞(multipotentstemcell)：有些干细胞虽能分化出几种细胞，如多能造血干细胞可分化出红细胞、白细胞等，却不能分化出造血系统以外的其他细胞.32

单能干细胞(monopotentstemcell)：来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分化的能力，也称为祖细胞（progenitor）。如肝脏中的卵圆细胞（ovalcells）分化为肝细胞及胆管细胞。

33体细胞核移植的开创者——约翰•格登细胞分化是个可逆转的过程，克隆羊、克隆牛……JohnB.Gurdon1962上皮细胞——发育成为完整的个体普通细胞——分化成特定组织细胞?

分化诱导：斯佩曼发现，一种细胞要转化为另外一种细胞，需要的是周围细胞的诱导。视杯细胞神经外胚层细胞周围组织器官晶状体胚胎细胞肾脏视杯细胞362007年第一次利用病毒载体将四个转录因子（Oct4、Sox2、Klf4、c-Myc）转入分化的小鼠成纤维细胞(fibroblasts)使其重编程为类似胚胎干细胞的细胞类型,称为诱导多能干细胞iPS(inducedpluripotentstem)2007年利用人体皮肤成纤维细成功诱导生成人的iPS诱导多能干细胞——iPS2012诺贝尔生理医学奖山中伸弥(ShinyaYamanaka)约翰·戈登(JohnGurdon)38肿瘤干细胞（cancerstemcell）传统理论认为：癌症是一种细胞异常增殖的疾病，细胞增殖和抑制细胞凋亡促进了肿瘤细胞的异常生长；所有肿瘤细胞都可以形成新的肿瘤即成瘤性是一致的；肿瘤干细胞理论：肿瘤来源于肿瘤干细胞；肿瘤干细胞指肿瘤组织中少数具有自我更新和无限增殖潜能的细胞肿瘤干细胞肿瘤肿瘤干细胞（cancerstemcell）39为什么是肿瘤干细胞?干细胞具有自我更新的能力存活时间长，可以积累足够多的突变而发生恶性转化持续存在于肿瘤组织中，与肿瘤耐药、转移和复发密切相关40肿瘤治疗策略41细胞分化与肿瘤发生、治疗4243细胞分化和肿瘤发生细胞分化异常是肿瘤的基本特征之一，表现为去分化、逆分化或转分化等。去分化、逆分化：恶性肿瘤细胞通常停留在细胞发育的某个幼稚阶段，其形态和功能均类似于未分化的胚胎细胞。缺乏成熟的形态与完整的功能；具有胚胎性抗原：如癌胚抗原（CEA）、甲胎蛋白（AFP）还可表达其他正常组织的分化抗原：如胃癌细胞可表达ABO血型抗原。出现新特征，如乳腺癌细胞可以分泌雌二醇、睾酮等。肿瘤分化的定义肿瘤分化程度:肿瘤细胞与相同来源的正常组织细胞的相似性。恶性肿瘤根据分化程度可分为：高分化，肿瘤细胞看上去像其对应部位的正常细胞。中分化、低分化，肿瘤细胞与正常细胞的差别很大。未分化，间变性，在显微镜下无法判断其组织来源。如从breast,kidney,anduterus等组织来源的未分化肿瘤细胞看上去很相似。45细胞分化和肿瘤发生肿瘤细胞的异质性：指同一种组织细胞的肿瘤，其瘤细胞的分化程度和分化方向存在着差异性。肿瘤细胞分化、成熟程度均高，异质性小。反之，异质性大。异质性的大小是区别良、恶性肿瘤的主要组织学依据。46良、恶性肿瘤的异质性良性肿瘤的异质性：肿瘤细胞与其起源的正常细胞相似，实质和间质在排列及组合上存在一定的差异。恶性肿瘤的异质性：除组织结构的异型性更明显外，突出的是瘤细胞的异质性。正常粘膜上皮高分化恶性增生低分化恶性增生粘膜良性增生组织结构：肿瘤细胞排列紊乱，无极性和数目增多。癌旁低分化腺癌胃癌恶性肿瘤的异形性表现47高分化腺癌恶性肿瘤细胞的异质性表现细胞异质性：细胞大小、形态不一致，核大深染，核浆比大。48核的多形性：瘤细胞的核肥大，染色深，形态不一（巨核、双核、多核或奇异核），可出现病理性核分裂象。恶性肿瘤细胞的异形性表现49分化的临床意义分化可以反映恶性程度高分化的肿瘤生长缓慢，恶性程度低；低分化的肿瘤生长迅速，播散快而广泛，恶性程度高。分化与肿瘤治疗分化程度指导治疗方案的制定:

高分化，无转移肿瘤---手术治疗低分化病人---手术辅以放化疗分化与预后高分化的肿瘤，患者术后生存时间较长，治疗效果显著；低分化的肿瘤，患者术后生存时间较短，治疗效果不明显。肿瘤的诱导分化治疗细胞毒性化疗的缺点大多数化疗药物缺乏细胞特异性；损伤造血系统,导致严重并发症:如血小板减少、重症感染分化诱导的可能性1960年Pierce等发现小鼠睾丸及畸胎瘤细胞可自发地分化成良性或正常细胞；1971年Friend等报告小鼠红白血病能被DMSO诱导分化；80年代，Breitman等发现维甲酸能诱导HL-60等白血病细胞分化，提出分化治疗的概念。51分化诱导的特点肿瘤细胞分化诱导疗法的基本特点为不杀伤肿瘤细胞，诱导肿瘤细胞分化为正常或者接近正常细胞，出现类似正常细胞的表型，或者恢复正常细胞的某些功能诱导肿瘤干细胞可使肿瘤走向衰退并增强化疗敏感性，因此诱导分化治疗是靶向肿瘤干细胞的一种治疗方法5253分化治疗成功模型APL

属于急性髓系白血病（AML);主要病变为骨髓中的早幼粒细胞失去进一步分化成熟的能力而停滞在早幼粒阶段。95%以上的APL患者存在特异的染色体易位t(15;17)(q22;q21)，使得位于15号染色体上的早幼粒细胞白血病(PML)基因和17号染色体上的维甲酸受体α(RARα)产生异常的PML-RARα融合蛋白。---全反式维甲酸(ATRA)治疗急性早幼粒细胞白血病(APL)

正常情