第十四章細胞分化與基因表達的調控——翟中和細胞生物學課件

1、第十四章 細胞分化與基因表達調控概述細胞分化癌細胞真核細胞基因表達的調控.概 述細胞分化(cell differentiation)：在個體發(fā)育中，由一 種相同的細胞類型經細胞分裂后逐漸在形態(tài)、結構和功能上形成穩(wěn)定性差異，產生各不相同的細胞類群的過程。細胞分化是多細胞生物發(fā)育的基礎與核心； 細胞分化的關鍵在于不同類型細胞中特異性蛋白質的合成，而合成特異性蛋白質實質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控。.第一節(jié) 細胞分化細胞分化的基本概念影響細胞分化的因素細胞分化與胚胎發(fā)育同源異型基因 .一、細胞分化的基本概念細胞分化是基因選擇性表達的結果組織

2、特異性基因與管家基因組合調控引發(fā)組織特異性基因的表達 單細胞有機體的細胞分化轉分化與再生 .細胞分化是基因選擇性表達的結果分子雜交技術檢測基因及其表達 現代分子生物學證據表明，細胞分化是由于細胞選擇性地表達各自特有的專一性蛋白質，而導致細胞形態(tài)、結構與功能的差異。.組織特異性基因與管家基因 分化細胞基因組中所表達的基因大致可分為兩種基本類型：管家基因(house-keeping genes)： 是指所有細胞中均要表達的一類基因，其產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)：是指不同類型細胞中特異性

3、表達的基因，其產物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結構特征與功能； 調節(jié)基因產物用于調節(jié)組織特異性基因的表達，起 激活或阻遏作用。 因此，細胞分化的實質是組織特異性基因在時間與空間上的差異表達。.組合調控引發(fā)組織特異性基因的表達組合調控（combinational control）概念： 有限的少量調控蛋白啟動為數眾多的特異細胞類型的分化 的調控機制。即每種類型的細胞分化是由多種調控蛋白共同調節(jié)完成的。 生物學作用：借助于組合調控，一旦某種關鍵性基因調控蛋白與其它 調控蛋白形成適當的調控蛋白組合，不僅可以將一種類型的 細胞轉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

4、的發(fā)育）。分化啟動機制： 靠一種關鍵性調節(jié)蛋白通過對其他調節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。 .單細胞有機體的細胞分化與多細胞有機體細胞分化的不同之處： 前者多為適應不同的生活環(huán)境，而后者則通過細胞分化構建執(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節(jié)機制方面顯得更為復雜。 .轉分化與再生一種類型分化的細胞轉變成另一種類型的分化細胞現象 稱轉分化（transdifferentiation）。 轉分化經歷去分化（dedifferentiation）和再分化的過程。去分化又稱脫分化，是指分化細胞失去其特有的結構與功能變成具有未分化特征的細胞的過程。（植物體細胞在一定條件下形成未分化細胞群組成的細胞團愈傷

5、組織）生物界普遍存在再生現象（regeneration），再生是指生物 體缺失部分后重建過程。 不同的細胞有機體，其再生能力有明顯的差異。.二、 影響細胞分化的因素細胞的全能性(totipotency)影響細胞分化的因素.細胞的全能性(totipotency)概念：細胞全能性是指細胞經分裂和分化后 仍具有產生完整有機體的潛能或特性。 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.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)育全能性細胞的全能性(totipotency

6、).影響細胞分化的因素胞外信號分子對細胞分化的影響： 在研究早期胚胎發(fā)育過程中發(fā)現，一部分會影響周圍細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。（如眼的發(fā)生：如果把早期的視泡移植在頭部的其他部位，也可誘導與之接觸的外胚體發(fā)育成晶狀體）細胞記憶與決定 果蠅成蟲盤(imaginal disc)受精卵細胞質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環(huán)境對性別決定的影響染色質變化與基因重排對細胞分化的影響.細胞分化與胚胎發(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個氨基酸，形成螺旋-轉角- 螺旋結構，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。.第二節(jié) 癌細胞(Cancer cell)癌細胞的基本特征癌基因與抑癌基因癌癥產生是基因突變積累和自然選擇的結果癌癥能治療嗎？.一癌細胞的基本特征癌癥是一種嚴重威脅人類生命安全的疾病。動物體內 細胞分裂調節(jié)失控而無限增殖的細胞稱為腫瘤細胞(tumor cell)。具有轉移能力的腫瘤稱為惡性腫瘤（malignancy）。上皮組織的惡性腫瘤稱癌。 基本生物學特征 體外培養(yǎng)的惡性轉化細胞的特征.基本生物學特征細胞生長與分裂失去控制，

8、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 織細胞的結構和功能。細胞間相互作用改變（識別改變；表達水解酶類；產生新的表面抗原）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轉錄譜系的改變（少數基因表達不同；突變位點不同，表型多變） 染色體非整倍性.體外培養(yǎng)的惡性轉化細胞的特征惡性轉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： 正常細胞生長到彼此相互接觸時，其運動和分裂活動將會停止，即所謂接觸抑制。培養(yǎng)時對血清依賴性降低

9、當將惡性轉化細胞注入易感動物體內，往往會形成腫瘤.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，癌癥主要是體細胞DNA突變，而不是生殖細胞DNA突變。然而由于癌癥涉及多個基因位點的突變，因此生殖細胞某些位點的突變無疑也會加大致癌的可能性。 癌基因：控制細胞生長和分裂的正常基因的一種突變形式，能引起正常細胞癌變。 抑癌基因實際上是正常細胞增殖過程中的負調控因子，它編碼的蛋白往往在細胞周期的檢驗點上起阻止周期進程的作用。（p53） 促進細胞增殖相關基因和抑制細胞增殖相關基因的協(xié)同作用，共同調控細胞的正常增殖進程。.三、癌癥的發(fā)生是基因突變積累和自然選擇

10、的結果腫瘤發(fā)生頻率低的原因：1、絕大多數基因突變位點不會致癌。2、癌癥的發(fā)生一般不是單一基因的突變，而至少在一個細胞中發(fā)生5-6個基因突變，才能賦予細胞所有的特征，即癌細胞不僅增殖速度快，而且其子代細胞能夠逃脫細胞衰老的命運，取代相鄰正常細胞的位置，不斷從血液中獲取營養(yǎng)，進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、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.第三節(jié) 真核細胞基因表達的調控真核細胞基因表達的調控是多級調控系統(tǒng)，主要發(fā)生在四個彼此相對獨

11、立的水平上轉錄水平的調控加工水平的調控.一轉錄水平的調控轉錄因子與真核生物的基因轉錄DNA的甲基化對真核生物基因轉錄的調控核小體與真核生物基因轉錄的調控.轉錄因子與真核生物的基因轉錄 基因轉錄水平的控制錯綜復雜，受多種因素影響 TATA盒：位于基因轉錄起始位點上游-30bp附近。 CAAT盒和GC盒：位于TATA盒上游。 TATA盒決定轉錄起始的位點，CAAT盒和GC盒決定RNA聚合酶轉錄基因的效率。這三種普遍的啟動子元件的位置見圖第1行。 一般情況下，真核生物基因轉錄，除了需要轉錄因子和RNA聚合酶，還需要其他蛋白質因子的參與，以幫助通用轉錄因子和RNA聚合酶在染色質上組裝。這些輔助因子在D

12、NA上的結合元件，通常稱為增強子，它們的存在能夠顯著加強目的基因的轉錄。.轉錄因子與真核生物的基因轉錄典型的轉錄因子至少包括兩個結構域：DNA 結合結構域:結合特異DNA序列激活結構域：激活轉錄 此外，許多轉錄因子還含有一個促進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錄因子的共同特征，在基因表達調控中起重要作用。.轉錄因子與真核生物的基因轉錄除了激活轉錄的轉錄因子之外，還有一些轉錄因子起抑制基因轉錄的作用。轉錄抑制因子也是有兩部分組成：DNA結合結構域抑制結構域.DNA的甲基化對真核生物基因轉錄的調控DNA甲基化（DNA methylation）與基因表達阻遏有關 基因組印記（ge

13、nomic imprinting）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。.二加工水平的調控大部分基因的主要調控過程發(fā)生在轉錄水平上，但也有相當一部分基因表達的調控，不但發(fā)生在轉錄水平上，轉錄后調控也起到了非常重要的作用。轉錄后水平的調控或稱加工水平的調控，包括以下幾個方面：初始的RNA轉錄產物的加工翻譯水平的調控.初始的RNA轉錄產物的加工在細胞內mRNA的前體有兩種基本剪接方式：編碼蛋白質的不連續(xù)基因通過RN

14、A剪接將內含子從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，一個基因只產生一種成熟的mRNA，一般也只產生一種蛋白質產物?？烧{控的選擇性剪接。外顯子按照不同的方式剪接在一起，因而可以由同一個基因產生不同的成熟mRNA，翻譯產生不同的蛋白質。.翻譯水平的調控mRNA的細胞質定位mRNA翻譯的調控mRNA穩(wěn)定性的調控 .本章小結細胞分化細胞分化的基本概念影響細胞分化的因素全能性:植物、動物因素：胞外信號分子對細胞分化的影響、細胞記憶與決定、受精卵細胞質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、環(huán)境對性別決定的影響、染色質變化

15、與基因重排對細胞分化的影響細胞分化與胚胎發(fā)育同源異型基因.本章小結癌細胞癌細胞的基本特征癌基因與抑癌基因癌癥產生是基因突變積累和自然選擇的結果癌癥能治療嗎？.本章小結真核細胞基因表達的調控轉錄水平的調控轉錄因子與真核生物的基因轉錄DNA的甲基化對真核生物基因轉錄的調控核小體與真核生物基因轉錄的調控加工水平的調控初始的RNA轉錄產物的加工翻譯水平的調控.信號分子的有效作用時間是短暫的，然而細胞可以將這種短暫的作用儲存起來并形成長時間的記憶，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。.真核細胞基因表達的調控，主要發(fā)生在四個彼此相對獨立的水平上：轉錄水平調控：決定某個基因是否會被轉錄，什么時候轉錄、并決定轉錄的頻率。加工水平調控：決定初始的RNA轉錄產物如何剪接和加工為成熟的mRNA。翻譯水平調控：決定某種mRNA是否會真正得到翻譯，如能得到翻譯，還決定翻譯的頻率和時間長短。翻譯后水平調控：在蛋白被翻譯后，選擇性激活蛋白或使蛋白失活。.基因轉錄水平的控制錯綜復雜，受多種因素影響轉錄水平的基因表達，對真核生物而言是最重要的調控機制。基因轉錄的調控，關鍵在于調控RNA合成的起始。RNA合成的起始：依賴于DNA上一段稱為啟動子的區(qū)域。 啟動子：RNA聚合酶在DNA上的結合元