第十二章細胞分化與基因表達調(diào)控

第十二章細胞分化與基因表達調(diào)控●細胞分化(Celldifferentiation) ●癌細胞(Cancercell) ●真核細胞基因表達的調(diào)控(×)第一節(jié)細胞分化(Celldifferentiation)●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—Hoxgenes一、細胞分化的基本概念●細胞分化●細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果●奢侈基因與管家基因●組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達

●單細胞有機體的細胞分化●轉(zhuǎn)分化與再生

◆細胞分化(celldifferentiation)：在個體發(fā)育中，由相同細胞類型經(jīng)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)生不同細胞類群的過程。 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；

特異性蛋白合成的實質(zhì)在于組織特異性基因在時空上的差異表達；

差異性表達的機制是由于基因表達的組合調(diào)控。細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果分子雜交技術(shù)檢測基因及其表達奢侈基因與管家基因◆管/當家基因(house-keepinggenes)：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；◆奢侈基因/組織特異性基因(tissue-specificgenes/luxurygenes)：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；

組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達組合調(diào)控（combinationalcontrol）： 利用少量調(diào)控蛋白啟動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。組合基因的控制模式組合調(diào)控的生物學作用借助于組合調(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?shù)恼{(diào)控組合，即可啟動細胞分化，表達特異蛋白，再由其參與進一步的組合調(diào)控，最終誘發(fā)整個器官形成（如眼的發(fā)育）。分化啟動機制：通過關(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白級聯(lián)其他調(diào)節(jié)蛋白而啟動。

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：單細胞有機體通過分化適應(yīng)不同的生活環(huán)境（形成芽孢，單倍體孢子），而多細胞有機體則通過細胞分化構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官?！穸嗉毎袡C體具有更為復雜的分化程序與調(diào)節(jié)機制。單細胞生物不存在細胞分化

×轉(zhuǎn)分化與再生●轉(zhuǎn)分化（transdifferentiation）：一種類型的分化細胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細胞的現(xiàn)象；轉(zhuǎn)分化經(jīng)歷去分化（dedifferentiation）和再分化過程?！裨偕╮egeneration）：指生物體缺失部分后進行重建得過程，在生物界普遍存在；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?！癫煌募毎袡C體，其再生能力有明顯差異植物＞動物；低等動物＞高等動物；年幼＞年長再生過程大多涉及細胞的轉(zhuǎn)分化二、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：指細胞經(jīng)分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機體的潛能或特性，受精卵、早期胚胎細胞和植物細胞都具有全能性，在適宜的條件下可發(fā)育成正常的個體。 ◆動物細胞核移植(Nucleartransfer)實驗證明細胞核具有發(fā)育全能性 ◆干細胞(Stemcell)與細胞發(fā)育潛能影響細胞分化的因素受精卵細胞質(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)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細胞記憶

◆信號分子的有效作用時間是短暫的，但細胞可將其儲存,并形成長期的記憶，逐漸向特定方向分化。

◆“決定早于分化”：決定是指一個細胞接受了某種指令，其本身及后代在發(fā)育中將分化成某種特定類型細胞，即在形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能等分化特征尚未顯現(xiàn)之前就已確定了細胞的分化命運。

◆細胞記憶的實現(xiàn)方式：1)正反饋:細胞接受信號刺激后，活化轉(zhuǎn)錄調(diào)節(jié)因子，誘導自身基因及其他組織特異性基因表達；

2)通過將染色體結(jié)構(gòu)變化(DNA與蛋白相互作用)的信息傳到子代細胞中實現(xiàn);

◆卵細胞的胞質(zhì)中含有決定細胞向不同方向分化的信息，如多種蛋白和隱蔽mRNA(與蛋白結(jié)合，不能被核糖體識別）;◆受精后胞質(zhì)重新定位，少數(shù)隱蔽mRNA被激活，合成早期胚胎發(fā)育所需蛋白；受精卵細胞質(zhì)的不均一性對細胞分化的影響早期卵裂時，分配到子細胞中的胞質(zhì)組分（特別是隱蔽mRNA）不同，從而決定了未來細胞分化的命運，產(chǎn)生分化方向的差異。細胞間的相互作用與位置效應(yīng)

改變細胞所處的位置可導致細胞分化方向的改變，這種現(xiàn)象稱位置效應(yīng)(positioneffectt)。“位置信息”是產(chǎn)生效應(yīng)的主要原因。

環(huán)境對性別決定的影響◆蜥蜴類的A．a(chǎn)gama，E.macularius，在低溫度下(240C)發(fā)育為雌性，而在高溫(320C)則全部發(fā)育為雄性?！酏旑惖腡．graetta，C．Caretta則相反，在低溫下全部發(fā)育為雄性，而高溫則發(fā)育為雌性?！粑伵ｎ惖能涹w動物Crepidula的性別決定則取決于個體間的相互位置關(guān)系，在其形成相互疊壓的群體中，下方個體發(fā)育為雌性，上方個體發(fā)育為雄性?！酎S鱔環(huán)境影響性別的機制還不清楚太平洋珊瑚礁中生活著一種裂唇魚，以取食別種魚體表寄生蟲為生(互利共生),受清潔的魚主動游到“清潔站”接受清除體外寄生物。裂唇魚社群（socialgroup）通常由一條雄魚和若干條雌魚組成。如果雄魚不幸死去，又沒有鄰近雄魚來占領(lǐng)“閨室”時，群中最大雌魚就發(fā)生性轉(zhuǎn)變，迅速變成雄魚。若人工取走雄魚，同樣又有一條雌魚變成雄魚。某些海洋無脊椎動物，有雄性附著在雌體體上生活的現(xiàn)象。它們產(chǎn)生中性的自由游泳的幼體，當其單獨固著在某一基底物上時發(fā)育成雌體，而當固著在雌體上時則發(fā)育成雄體。蘭科的Cycnochus和Catasetum，當生長在陽光照著的地方發(fā)育成雌株，長在遮蔭處則發(fā)育成雄株?！と缤芗t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(stemcell)

：隨胚胎的發(fā)育，動物細胞特別是高等動物細胞逐漸喪失了發(fā)育成個體的能力，僅具分化成有限細胞類型及構(gòu)建組織的潛能，這種潛能稱為多潛能性

(pluripotency)，具多潛能性的細胞稱為干細胞

?！づ咛ジ杉毎?embryostemcell)

·造血干細胞：成體中具有分化成多種血細胞能力的細胞，僅占骨髓細胞數(shù)的萬分之一。（臍帶血）·單能干細胞（monopotentialcell）：也叫定向干細胞，僅具有分化形成某一種類型能力的細胞。臍血中含有大量未成熟的造血干細胞，將臍血干細胞移植，一方面可以抵制白血病等惡性血液病治療過程中放療、化療產(chǎn)生的副作用，另一方面也可加快病人造血功能恢復的時間，因此目前均用于對兒童患者的移植治療?！吧y行”：把孩子出生時的臍血保留寄存，一旦孩子長大成人時患病，可備今后之需。置疑：血液保存時間？細胞分化與胚胎發(fā)育細胞分化是胚胎發(fā)育的基礎(chǔ)；然而有限的基因如何分化出形態(tài)、功能多樣的細胞，最終構(gòu)建多姿多彩的生命體一直以來都是科學家們關(guān)注的重點（發(fā)育生物學）；線蟲、果蠅、擬南芥、水稻等生物則是研究細胞分化和發(fā)育的好材料（模式生物）；細胞分化與胚胎發(fā)育◆同源異型基因

（homeoticselectorgene，Hoxgene）首先在果蠅中發(fā)現(xiàn)，能夠時空特異性地調(diào)節(jié)果蠅的體節(jié)發(fā)生，其基因在染色體上的排列順序與果蠅體節(jié)發(fā)生的順序完全一致。后經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在無脊椎動物和高等脊椎動物中也含有大量的Hoxgene，且其同源性非常高（60%-80%），功能也十分相似，能夠時空特異性地調(diào)節(jié)動物的胚胎發(fā)生，且基因的排列與發(fā)育的順序相同。第二節(jié)癌細胞(Cancercell)●癌細胞的基本特征●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(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(tumorcell)。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。

●基本生物學特征●體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細胞的特征基本生物學特征◆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）◆細胞間相互作用改變（產(chǎn)生新的膜受體蛋白，沖破細胞識別作用的限制；表達水解酶類以水解基底）◆具有擴散性1)細胞間粘著性下降，具侵潤性和擴散性；2)在分化程度上低于良性腫瘤細胞（如疣子和息肉），失去許多原組織細胞的結(jié)構(gòu)和功能?！舻鞍妆磉_譜系或蛋白活性改變（表達胚胎細胞蛋白、端粒酶活性升高）◆生長與分裂失控，具無限增殖能力，是“永生”細胞?！羧旧w非整倍性體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細胞的特征

◆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◆惡性轉(zhuǎn)化細胞注入易感動物體內(nèi)，常會形成腫瘤二、致癌因素●多種理化因子致癌 ●DNA腫瘤病毒與RNA腫瘤病毒

三、癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)果

癌癥主要是體細胞DNA的病理變化而引起的疾病，涉及到兩大類與細胞增殖相關(guān)的基因的突變?！翊龠M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-suppressorgene)●細胞癌變是多個原癌基因突變累積的結(jié)果，所以患者多為年長者?！裨┗蚺c抑癌制基因產(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;主要編碼細胞生長和分裂的調(diào)控因子（6種類型的蛋白質(zhì)）;◆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，能引起正常細胞癌變?！粼┗蛑械膬蓚€拷貝只要有一個發(fā)生突變，其產(chǎn)物量就增加或活性升高，促進細胞癌變。(顯性突變)◆抑癌基因是正常細胞增殖過程中的負調(diào)控因子,其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?！粢职┗虬l(fā)生功能喪失性突變(隱性突變)，則導致細胞周期失控而過度增殖。例如：Rb基因突變導致細胞無限制生長和增殖,最后

導致腫瘤形成（Rb基因表達產(chǎn)物pRb對細胞周期運轉(zhuǎn)作用）；P53基因突變將導致細胞癌變或凋亡。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(Genetherapy)

◆抑制腫瘤血管形成的“餓死腫瘤療法”幾種生物的細胞數(shù)目與類型乳腺細胞具有分化成多種細胞類型及構(gòu)建組織的潛能。細胞通過旁分泌產(chǎn)生信號分子旁泌素(細胞生長分化因子)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

(promixatetissueinteraction)/胚胎誘導。遠距離細胞間則主要通過內(nèi)分泌產(chǎn)生的激素來調(diào)節(jié)細胞分化。神經(jīng)系統(tǒng)上皮頭外胚層視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮視泡腔晶狀體角膜細胞通訊，信號傳導視杯發(fā)育中的晶狀體圖：人肝細胞光學切片。示腫瘤細胞（染紅色）正在入侵正常組織。正常細胞：生長到彼此接觸會停止運動和分裂活動癌細胞：生長到彼此接觸仍然繼續(xù)生長，可以形成細胞克隆。原癌基因編碼的6類蛋白pRB與轉(zhuǎn)錄因

子E2F結(jié)合,而使細胞停滯在G1期。突變和非整倍化療易使細胞產(chǎn)生抗藥性血管生成抑制素Endostatin治療癌較有效缺失作圖法鑒定啟動子區(qū)域特殊位點缺失區(qū)域成纖維細胞肝細胞不同細胞中纖粘蛋白的mRNA編碼鐵蛋白mRNA的翻譯的調(diào)節(jié)polyA核苷酸酶降解3‘polyA的長度<30時，5’帽子結(jié)構(gòu)被摘掉，也逐漸被降解圖:(A)要在新的部位產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)移灶,上皮中的原發(fā)腫瘤細胞必須特地穿過基板,穿過結(jié)締組織,遷移進入血流。(B)肝臟中的轉(zhuǎn)移灶,由結(jié)腸中原發(fā)腫瘤轉(zhuǎn)移而來。這里染色較淺的細胞團是轉(zhuǎn)移灶。(C)高倍放大。用另一種染色方法來顯示正常與腫瘤細胞之間明顯的差別。苯并芘黃曲霉毒素去氨基化UVA（320-400）：PA、IPD、PPD、PFA、INDICEUVA、UVA-Fak