第十四章細(xì)胞分化與基因表達(dá)的調(diào)控——翟中和細(xì)胞生物學(xué)課件

1、第十四章 細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控概述細(xì)胞分化癌細(xì)胞真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控.概 述細(xì)胞分化(cell differentiation)：在個(gè)體發(fā)育中，由一 種相同的細(xì)胞類型經(jīng)細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生各不相同的細(xì)胞類群的過程。細(xì)胞分化是多細(xì)胞生物發(fā)育的基礎(chǔ)與核心； 細(xì)胞分化的關(guān)鍵在于不同類型細(xì)胞中特異性蛋白質(zhì)的合成，而合成特異性蛋白質(zhì)實(shí)質(zhì)在于組織特異性基因在時(shí)間和空間上的差異性表達(dá)； 差異性表達(dá)的機(jī)制是由于基因表達(dá)的組合調(diào)控。.第一節(jié) 細(xì)胞分化細(xì)胞分化的基本概念影響細(xì)胞分化的因素細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育同源異型基因 .一、細(xì)胞分化的基本概念細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果組織

2、特異性基因與管家基因組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá) 單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化轉(zhuǎn)分化與再生 .細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達(dá) 現(xiàn)代分子生物學(xué)證據(jù)表明，細(xì)胞分化是由于細(xì)胞選擇性地表達(dá)各自特有的專一性蛋白質(zhì)，而導(dǎo)致細(xì)胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能的差異。.組織特異性基因與管家基因 分化細(xì)胞基因組中所表達(dá)的基因大致可分為兩種基本類型：管家基因(house-keeping genes)： 是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)所必需的；組織特異性基因(tissue-specific genes)，或稱奢侈基因(luxury genes)：是指不同類型細(xì)胞中特異性

3、表達(dá)的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征與功能； 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(dá)，起 激活或阻遏作用。 因此，細(xì)胞分化的實(shí)質(zhì)是組織特異性基因在時(shí)間與空間上的差異表達(dá)。.組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá)組合調(diào)控（combinational control）概念： 有限的少量調(diào)控蛋白啟動(dòng)為數(shù)眾多的特異細(xì)胞類型的分化 的調(diào)控機(jī)制。即每種類型的細(xì)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(xì)胞轉(zhuǎn)化成另一種類型的細(xì)胞，而且遵循類似的機(jī)制，甚至 可以誘發(fā)整個(gè)器官的形成（如眼

4、的發(fā)育）。分化啟動(dòng)機(jī)制： 靠一種關(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白通過對其他調(diào)節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動(dòng)。 .單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化與多細(xì)胞有機(jī)體細(xì)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(xì)胞分化構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官。多細(xì)胞有機(jī)體在其分化程序與調(diào)節(jié)機(jī)制方面顯得更為復(fù)雜。 .轉(zhuǎn)分化與再生一種類型分化的細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細(xì)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。去分化又稱脫分化，是指分化細(xì)胞失去其特有的結(jié)構(gòu)與功能變成具有未分化特征的細(xì)胞的過程。（植物體細(xì)胞在一定條件下形成未分化細(xì)胞群組成的細(xì)胞團(tuán)愈傷

5、組織）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。 不同的細(xì)胞有機(jī)體，其再生能力有明顯的差異。.二、 影響細(xì)胞分化的因素細(xì)胞的全能性(totipotency)影響細(xì)胞分化的因素.細(xì)胞的全能性(totipotency)概念：細(xì)胞全能性是指細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后 仍具有產(chǎn)生完整有機(jī)體的潛能或特性。 植物細(xì)胞具有全能性，在適宜的條件下可培育成正常的植株 動(dòng)物細(xì)胞核移植(Nuclear transfer)實(shí)驗(yàn)證明細(xì) 胞核具有發(fā)育全能性.如蛙紅細(xì)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(dòng)物體細(xì)胞核也具有發(fā)育全能性細(xì)胞的全能性(totipotency

6、).影響細(xì)胞分化的因素胞外信號分子對細(xì)胞分化的影響： 在研究早期胚胎發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)，一部分會(huì)影響周圍細(xì)胞使其向一定方向分化，這種作用稱近端組織的相互作用，也稱為胚胎誘導(dǎo)。（如眼的發(fā)生：如果把早期的視泡移植在頭部的其他部位，也可誘導(dǎo)與之接觸的外胚體發(fā)育成晶狀體）細(xì)胞記憶與決定 果蠅成蟲盤(imaginal disc)受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對細(xì)胞分化的影響細(xì)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(xì)胞分化的影響.細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育同源異型基因（homeotic selector gene，Hox gene）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

7、DNA序列，稱同源框。編碼60個(gè)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(dòng)基因表達(dá)。同源異型基因在染色體上的排列與胚胎發(fā)育在時(shí)、空序列上是一致的。.第二節(jié) 癌細(xì)胞(Cancer cell)癌細(xì)胞的基本特征癌基因與抑癌基因癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果癌癥能治療嗎？.一癌細(xì)胞的基本特征癌癥是一種嚴(yán)重威脅人類生命安全的疾病。動(dòng)物體內(nèi) 細(xì)胞分裂調(diào)節(jié)失控而無限增殖的細(xì)胞稱為腫瘤細(xì)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 體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞的特征.基本生物學(xué)特征細(xì)胞生長與分裂失去控制，

8、具有無限增殖能力，成為“永生”細(xì)胞。具有擴(kuò)散性 癌細(xì)胞的細(xì)胞間粘著性下降，具有侵潤性和擴(kuò)散性，這是癌細(xì)胞的基本特征。 在分化程度上癌細(xì)胞低于良性腫瘤細(xì)胞，且失去了許多原組 織細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能。細(xì)胞間相互作用改變（識別改變；表達(dá)水解酶類；產(chǎn)生新的表面抗原）蛋白表達(dá)譜系或蛋白活性改變（胚胎細(xì)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(dá)不同；突變位點(diǎn)不同，表型多變） 染色體非整倍性.體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞的特征惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞同癌細(xì)胞一樣具有無限增殖的潛能在體外培養(yǎng)時(shí)貼壁性下降失去接觸抑制： 正常細(xì)胞生長到彼此相互接觸時(shí)，其運(yùn)動(dòng)和分裂活動(dòng)將會(huì)停止，即所謂接觸抑制。培養(yǎng)時(shí)對血清依賴性降低

9、當(dāng)將惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞注入易感動(dòng)物體內(nèi)，往往會(huì)形成腫瘤.二、癌基因與抑癌基因 癌癥主要是由攜帶遺傳信息的DNA的病理變化而引起的疾病。與遺傳病不同，癌癥主要是體細(xì)胞DNA突變，而不是生殖細(xì)胞DNA突變。然而由于癌癥涉及多個(gè)基因位點(diǎn)的突變，因此生殖細(xì)胞某些位點(diǎn)的突變無疑也會(huì)加大致癌的可能性。 癌基因：控制細(xì)胞生長和分裂的正?；虻囊环N突變形式，能引起正常細(xì)胞癌變。 抑癌基因?qū)嶋H上是正常細(xì)胞增殖過程中的負(fù)調(diào)控因子，它編碼的蛋白往往在細(xì)胞周期的檢驗(yàn)點(diǎn)上起阻止周期進(jìn)程的作用。（p53） 促進(jìn)細(xì)胞增殖相關(guān)基因和抑制細(xì)胞增殖相關(guān)基因的協(xié)同作用，共同調(diào)控細(xì)胞的正常增殖進(jìn)程。.三、癌癥的發(fā)生是基因突變積累和自然選擇

10、的結(jié)果腫瘤發(fā)生頻率低的原因：1、絕大多數(shù)基因突變位點(diǎn)不會(huì)致癌。2、癌癥的發(fā)生一般不是單一基因的突變，而至少在一個(gè)細(xì)胞中發(fā)生5-6個(gè)基因突變，才能賦予細(xì)胞所有的特征，即癌細(xì)胞不僅增殖速度快，而且其子代細(xì)胞能夠逃脫細(xì)胞衰老的命運(yùn)，取代相鄰正常細(xì)胞的位置，不斷從血液中獲取營養(yǎng)，進(jìn)而穿越基膜與血管壁，在新的組織部位定著、存活與生長。.四、癌癥能治療嗎？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(jìn)蛋白的活性 抑制腫瘤血管形成.第三節(jié) 真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控是多級調(diào)控系統(tǒng)，主要發(fā)生在四個(gè)彼此相對獨(dú)

11、立的水平上轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控加工水平的調(diào)控.一轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄DNA的甲基化對真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控核小體與真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控.轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄 基因轉(zhuǎn)錄水平的控制錯(cuò)綜復(fù)雜，受多種因素影響 TATA盒：位于基因轉(zhuǎn)錄起始位點(diǎn)上游-30bp附近。 CAAT盒和GC盒：位于TATA盒上游。 TATA盒決定轉(zhuǎn)錄起始的位點(diǎn)，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(dòng)子元件的位置見圖第1行。 一般情況下，真核生物基因轉(zhuǎn)錄，除了需要轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶，還需要其他蛋白質(zhì)因子的參與，以幫助通用轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶在染色質(zhì)上組裝。這些輔助因子在D

12、NA上的結(jié)合元件，通常稱為增強(qiáng)子，它們的存在能夠顯著加強(qiáng)目的基因的轉(zhuǎn)錄。.轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄典型的轉(zhuǎn)錄因子至少包括兩個(gè)結(jié)構(gòu)域：DNA 結(jié)合結(jié)構(gòu)域:結(jié)合特異DNA序列激活結(jié)構(gòu)域：激活轉(zhuǎn)錄 此外，許多轉(zhuǎn)錄因子還含有一個(gè)促進(jìn)核蛋白形成二聚體的表面，二聚體的形成是許多不同類型轉(zhuǎn)錄因子的共同特征，在基因表達(dá)調(diào)控中起重要作用。.轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄除了激活轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子之外，還有一些轉(zhuǎn)錄因子起抑制基因轉(zhuǎn)錄的作用。轉(zhuǎn)錄抑制因子也是有兩部分組成：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域抑制結(jié)構(gòu)域.DNA的甲基化對真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控DNA甲基化（DNA methylation）與基因表達(dá)阻遏有關(guān) 基因組印記（ge

13、nomic imprinting）是說明甲基化作用在基因表達(dá)中具有重要意義的最好例證，也是哺乳動(dòng)物所特有的現(xiàn)象。 例如：小鼠早期發(fā)育中，編碼類胰島素生長因子2的基因只在由父親傳遞下來的染色體上有活性，編碼這種蛋白受體的基因，只在母親傳遞下來的染色體上有活性。.二加工水平的調(diào)控大部分基因的主要調(diào)控過程發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，但也有相當(dāng)一部分基因表達(dá)的調(diào)控，不但發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，轉(zhuǎn)錄后調(diào)控也起到了非常重要的作用。轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控或稱加工水平的調(diào)控，包括以下幾個(gè)方面：初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工翻譯水平的調(diào)控.初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工在細(xì)胞內(nèi)mRNA的前體有兩種基本剪接方式：編碼蛋白質(zhì)的不連續(xù)基因通過RN

14、A剪接將內(nèi)含子從mRNA前體中去除，然后規(guī)范地將外顯子剪接成成熟的mRNA,這種剪接方式稱為組成型剪接，通過組成型剪接，一個(gè)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?？烧{(diào)控的選擇性剪接。外顯子按照不同的方式剪接在一起，因而可以由同一個(gè)基因產(chǎn)生不同的成熟mRNA，翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì)。.翻譯水平的調(diào)控mRNA的細(xì)胞質(zhì)定位mRNA翻譯的調(diào)控mRNA穩(wěn)定性的調(diào)控 .本章小結(jié)細(xì)胞分化細(xì)胞分化的基本概念影響細(xì)胞分化的因素全能性:植物、動(dòng)物因素：胞外信號分子對細(xì)胞分化的影響、細(xì)胞記憶與決定、受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對細(xì)胞分化的影響、細(xì)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

15、與基因重排對細(xì)胞分化的影響細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育同源異型基因.本章小結(jié)癌細(xì)胞癌細(xì)胞的基本特征癌基因與抑癌基因癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果癌癥能治療嗎？.本章小結(jié)真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄DNA的甲基化對真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控核小體與真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控加工水平的調(diào)控初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工翻譯水平的調(diào)控.信號分子的有效作用時(shí)間是短暫的，然而細(xì)胞可以將這種短暫的作用儲存起來并形成長時(shí)間的記憶，逐漸向特定方向分化。果蠅的成蟲盤是一些初級分化的細(xì)胞群，在幼蟲變態(tài)過程中，不同的成蟲盤發(fā)育為成蟲不同的器官，如腿、翅和觸角等。.真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控，主要發(fā)生在四個(gè)彼此相對獨(dú)立的水平上：轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控：決定某個(gè)基因是否會(huì)被轉(zhuǎn)錄，什么時(shí)候轉(zhuǎn)錄、并決定轉(zhuǎn)錄的頻率。加工水平調(diào)控：決定初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物如何剪接和加工為成熟的mRNA。翻譯水平調(diào)控：決定某種mRNA是否會(huì)真正得到翻譯，如能得到翻譯，還決定翻譯的頻率和時(shí)間長短。翻譯后水平調(diào)控：在蛋白被翻譯后，選擇性激活蛋白或使蛋白失活。.基因轉(zhuǎn)錄水平的控制錯(cuò)綜復(fù)雜，受多種因素影響轉(zhuǎn)錄水平的基因表達(dá)，對真核生物而言是最重要的調(diào)控機(jī)制?；蜣D(zhuǎn)錄的調(diào)控，關(guān)鍵在于調(diào)控RNA合成的起始。RNA合成的起始：依賴于DNA上一段稱為啟動(dòng)子的區(qū)域。 啟動(dòng)子：RNA聚合酶在DNA上的結(jié)合元