醫(yī)學(xué)細胞生物學(xué)第14章細胞分化與基因表達調(diào)控

1、細胞分化(cell differentiation)：由受精卵開始在胚胎發(fā)育中演變出各種類型的組織細胞，細胞之間的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能都發(fā)生了穩(wěn)定的差異變化，這種差異形成的過程稱為細胞分化。 細胞分化是多細胞生物發(fā)育的基礎(chǔ)與核心；細胞分化的關(guān)鍵在于特異性蛋白質(zhì)合成；合成特異性蛋白質(zhì)實質(zhì)在于組織特異性基因在時間和空間上的差異性表達；差異性表達的機制是由于基因表達的組合調(diào)控。 細胞癌變是正常細胞分化機制失控的表現(xiàn) 細胞分化細胞分化(Cell differentiation) 癌細胞癌細胞(Cancer cell) 真核細胞基因表達的調(diào)控真核細胞基因表達的調(diào)控細胞分化的基本概念細胞分化的基本概念影響細胞

2、分化的因素影響細胞分化的因素細胞分化與胚胎發(fā)育細胞分化與胚胎發(fā)育Hox genes Hox genes 果蠅體節(jié)發(fā)育中起關(guān)鍵作用的基因群。 含有高度保守的180bp組成的DNA序列，稱同源框。編碼60個氨基酸，形成螺旋-轉(zhuǎn)角- 螺旋結(jié)構(gòu)，與DNA序列大溝相互作用，啟動基因表達。同源異型基因在染色體上的排列與胚胎發(fā)育在時、空序列上是一致的。細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果組織特異性基因與當(dāng)家基因組織特異性基因與當(dāng)家基因組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達 單細胞有機體的細胞分化單細胞有機體的細胞分化轉(zhuǎn)分化與再生轉(zhuǎn)分化與再生 細胞總 DNA細

3、胞總 RNA輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞卵清蛋白基因 +- - -珠蛋白基因 +- -+- -胰島素基因 +- - -+實驗方法 Southern 雜交 Northern 雜交分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達一種類型分化的細胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細胞現(xiàn)象 稱轉(zhuǎn)分化（transdifferentiation）。 轉(zhuǎn)分化經(jīng)歷去分化（dedifferentiation）和再分化的過程。 生物界普遍存在再生現(xiàn)象（regeneration），再生是指生物 體缺失部分后重建過程，廣義的再生可包括分子水平、細 胞水平、組織與器官水平及整體水平的再生。 不同的細胞有機體，其再生能力有明顯

4、的差異。與多細胞有機體細胞分化的不同之處： 前者多為適應(yīng)不同的生活環(huán)境，而后者則通過細胞分化構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官。多細胞有機體在其分化程序與調(diào)節(jié)機制方面顯得更為復(fù)雜。 組合調(diào)控（combinational control）概念： 有限的少量調(diào)控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化 的調(diào)控機制。即每種類型的細胞分化是由多種調(diào)控蛋白共同調(diào)節(jié)完成的。 生物學(xué)作用：借助于組合調(diào)控，一旦某種關(guān)鍵性基因調(diào)控蛋白與其它 調(diào)控蛋白形成適當(dāng)?shù)恼{(diào)控蛋白組合，不僅可以將一種類型的 細胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細胞，而且遵循類似的機制，甚至 可以誘發(fā)整個器官的形成（如眼的發(fā)育）。分化啟動機制： 靠一種關(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白

5、通過對其他調(diào)節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。 當(dāng)家基因(house-keeping genes)： 是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細胞基本生命活動所必需的；組織特異性基因(tissue-specific genes)，或稱奢 侈基因(luxury genes)：是指不同的細胞類型進 行特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細 胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與特異的功能； 調(diào)節(jié)基因產(chǎn)物用于調(diào)節(jié)組織特異性基因的表達， 起激活或者起阻遏作用。細胞的全能性細胞的全能性(totipotency)(totipotency)影響細胞分化的因素影響細胞分化的因素概念：細胞全能性是指細胞經(jīng)分裂和分化后 仍具有產(chǎn)生完整有

6、機體的潛能或特性。 植物細胞具有全能性，在適宜的條件下可培育成正常的植株 動物細胞核移植(Nuclear transfer)實驗證明細 胞核具有發(fā)育全能性 干細胞(Stem cell)與細胞發(fā)育潛能胞外信號分子對細胞分化的影響, 如眼的發(fā)生 細胞記憶與決定 果蠅成蟲盤(imaginal disc)受精卵細胞質(zhì)的不均一性對細胞分化的影響細胞間的相互作用與位置效應(yīng)環(huán)境對性別決定的影響染色質(zhì)變化與基因重排對細胞分化的影響如蛙紅細胞核移植后發(fā)育成蝌蚪Dolly羊的誕生說明高度分化的哺乳動物體細胞核也具有發(fā)育全能性干細胞分化模式胚胎干細胞(embryo stem cell)：具有分化成多種細胞類型及構(gòu)建

7、組織的潛能造血干細胞單能干細胞（monopotential cell）癌細胞的基本特征癌細胞的基本特征致癌因素致癌因素癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果癌癥能治療嗎？癌癥能治療嗎？癌癥是一種嚴重威脅人類生命安全的疾病。動物體內(nèi) 細胞分裂調(diào)節(jié)失控而無限增殖的細胞稱為腫瘤細胞(tumor cell)。具有轉(zhuǎn)移能力的腫瘤稱為惡性腫瘤（malignancy）。上皮組織的惡性腫瘤稱癌。 基本生物學(xué)特征基本生物學(xué)特征體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細胞的特征體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細胞的特征細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖能力，成為“永生”細胞。具有擴散性 癌細胞的細胞間粘著性下

8、降，具有侵潤性和擴散性，這是癌細胞的基本特征。 在分化程度上癌細胞低于良性腫瘤細胞，且失去了許多原組 織細胞的結(jié)構(gòu)和功能細胞間相互作用改變（識別改變；表達水解酶類；產(chǎn)生新的表面抗原）蛋白表達譜系或蛋白活性改變（胚胎細胞蛋白、端粒酶活性升高） mRNA轉(zhuǎn)錄譜系的改變（少數(shù)基因表達不同；突變位點不同，表型多變） 染色體非整倍性 惡性轉(zhuǎn)化細胞同癌細胞一樣具有無限增殖的潛能 在體外培養(yǎng)時貼壁性下降失去接觸抑制培養(yǎng)時對血清依賴性降低當(dāng)將惡性轉(zhuǎn)化細胞注入易感動物體內(nèi)，往往會形成腫瘤多種理化因子致癌多種理化因子致癌 DNA腫瘤病毒與腫瘤病毒與RNA腫瘤病毒致癌腫瘤病毒致癌 癌癥主要是體細胞突變產(chǎn)生的遺傳病，

9、涉及 到兩大類與細胞增殖相關(guān)的基因的突變。促進細胞增殖相關(guān)基因突變：原癌基因 (proto-oncogene)突變形成癌基因(oncogene)抑制細胞增殖相關(guān)基因突變：腫瘤 抑制基因(tumor-suppressor gene)細胞癌變是基因突變累積和自然選擇的 結(jié)果，所以患者多為年長者。原癌基因與腫瘤抑制基因產(chǎn)物協(xié)調(diào)作用， 避免細胞癌變原癌基因存在于細胞基因組中(c-onc)，是控制細胞生長和分裂的基因。 編碼多種類型的蛋白質(zhì)-細胞生長和分裂的調(diào)控因子。 癌基因是控制細胞生長和分裂的原癌基因的一種突變形式。 這類基因功能獲得性突變(顯性突變)， 其產(chǎn)物量增加或活性升高，促進細胞癌變。抑癌基

10、因是正常細胞增殖過程中的負調(diào)控因子。抑癌基因 編碼的蛋白抑制細胞增殖，使細胞停留于檢驗點上阻止周 期進程。 抑癌基因發(fā)生功能喪失性突變(隱性突變)，則導(dǎo)致細胞周期 失控而過度增殖。Rb基因突變導(dǎo)致視網(wǎng)膜母細胞瘤形成。 pRb對細胞周期運轉(zhuǎn)作用 P53基因突變將導(dǎo)致細胞癌變或凋亡傳統(tǒng)思路是手術(shù)、放療、化療癌癥治療新方案 免疫治療(Immunotherapy) 基因治療(Gene therapy) 抑制癌癥促進蛋白的活性 抑制腫瘤血管形成真核細胞基因表達的調(diào)控是多級調(diào)控系統(tǒng)，主要發(fā)生在三個彼此相對獨立的水平上轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控加工水平的調(diào)控加工水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控翻譯水平的調(diào)控 附附

11、: : 真核細胞基因表達過程真核細胞基因表達過程真核生物的轉(zhuǎn)錄激活真核生物的轉(zhuǎn)錄激活基因表達阻遏基因表達阻遏 基因轉(zhuǎn)錄水平的控制錯綜復(fù)雜，受多種因素影響 TATA盒、CAAT盒和GC盒，TATA盒決定轉(zhuǎn)錄起始的 位點，CAAT盒和GC盒決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄基因的效 率。這三種普遍的啟動子元件的位置見圖第1行。 缺失作圖法（deletion mapping）與DNA足紋技術(shù)（DNA footprinting）鑒定啟動子區(qū)域特殊位點的功能 轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列相互作用最常見的幾種結(jié)構(gòu)模式DNA甲基化（DNA methylation）與基因表達阻遏有關(guān) 基因組印記（genomic imp

12、rinting） 是說明甲基化作用在基因表達中具有 重要意義的最好例證，也是哺乳動物 所特有的現(xiàn)象選擇性拼接是一種廣泛存在的RNA加工機制， 通過這種方式，一個基因能編碼兩個或多個 相關(guān)的蛋白質(zhì)組成型拼接(constitutive splicing), 一個基因只產(chǎn)生一種成熟的mRNA，一般 也只產(chǎn)生一種蛋白質(zhì)產(chǎn)物可調(diào)控的選擇性拼接產(chǎn)生不同的成熟mRNA， 翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì),如纖粘蛋白 (fibronectin）的合成某一特定的外顯子是否被包括在成熟mRNA 內(nèi)，主要取決于它的3和5端拼接位點是 否被拼接機器選擇為切割位點mRNA的細胞質(zhì)定位的細胞質(zhì)定位mRNA翻譯的調(diào)控翻譯的調(diào)控mRNA穩(wěn)定性的調(diào)控穩(wěn)定性的調(diào)控 啟動一個動物受精卵形成胚胎所需要 的信息預(yù)存在卵子發(fā)生期的卵母細胞里 微管和微絲對細胞中特定部位的mRNA的 聚集有一定關(guān)系“隱蔽”mRNA（masked mRNA）的激活 調(diào)