第十四章細胞分化

第十四章細胞分化與基因表達調(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●細胞分化的基本概念

◆細胞分化(celldifferentiation)：在個體發(fā)育中，由一種相同的細胞類型經(jīng)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(chǎn)生各不相同的細胞類群的過程?！艏毎只嵌嗉毎锇l(fā)育的基礎與核心；細胞分化的關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)●細胞分化是基因選擇性表達的結果

組織特異性基因與當家基因◆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；◆組織特異性基因(tissue-specificgenes)，或稱奢侈基因(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)結構特征與特異的功能；◆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。組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達組合調(diào)控（combinationalcontrol）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。生物學作用： 借助于組合調(diào)控，一旦某種關鍵性基因調(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（如眼的發(fā)育）。分化啟動機制：靠一種關鍵性調(diào)節(jié)蛋白通過對其他調(diào)節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。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(xiàn)象稱轉分化（transdifferentiation）?！褶D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?！癫煌募毎袡C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?！穸嗉毎袡C體在其分化程序與調(diào)節(jié)機制方面顯得更為復雜。細胞的全能性(totipotency)◆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(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)育潛能動物細胞核移植(Nucleartransfer)實驗證明細胞核具有發(fā)育全能性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)與細胞發(fā)育潛能

干細胞(StemCell)是一種未充分分化，尚不成熟的細胞，具有再生各種組織器官和人體的潛在功能。分類干細胞有兩種分類方法，一是根據(jù)干細胞所處的發(fā)育階段分為胚胎干細胞(embryonicstemcell，ES細胞)和成體干細胞(somaticstemcell)。第二種分類方法是根據(jù)干細胞的發(fā)育潛能分為三類：全能干細胞(totipotentstemcell,TSC)、多能干細胞（pluripotentstemcell）和單能干細胞（unipotentstemcell）。胚胎干細胞的發(fā)育等級較高，是全能干細胞，而成體干細胞的發(fā)育等級較低，是多能或單能干細胞。胚胎干細胞胚胎干細胞當受精卵分裂發(fā)育成囊胚時，內(nèi)層細胞團（InnerCellMass）的細胞即為胚胎干細胞。胚胎干細胞具有全能性，可以自我更新并具有分化為體內(nèi)所有組織的能力。成體干細胞成年動物的許多組織和器官，比如表皮和造血系統(tǒng)，具有修復和再生的能力。成體干細胞在其中起著關鍵的作用。在特定條件下，成體干細胞或者產(chǎn)生新的干細胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能細胞，從而使組織和器官保持生長和衰退的動態(tài)平衡。過去認為成體干細胞主要包括上皮干細胞和造血干細胞。最近研究表明，以往認為不能再生的神經(jīng)組織仍然包含神經(jīng)干細胞,說明成體干細胞普遍存在，問題是如何尋找和分離各種組織特異性干細胞。成體干細胞經(jīng)常位于特定的微環(huán)境中。微環(huán)境中的間質(zhì)細胞能夠產(chǎn)生一系列生長因子或配體，與干細胞相互作用，控制干細胞的更新和分化。造血干細胞造血干細胞是體內(nèi)各種血細胞的唯一來源，它主要存在于骨髓、外周血、臍帶血中。今年年初，協(xié)和醫(yī)大血液學研究所的龐文新又在肌肉組織中發(fā)現(xiàn)了具有造血潛能的干細胞。造血干細胞的移植是治療血液系統(tǒng)疾病、先天性遺傳疾病以及多發(fā)性和轉移性惡性腫瘤疾病的最有效方法。單能干細胞干細胞的可塑性干細胞的應用干細胞的用途非常廣泛，涉及到醫(yī)學的多個領域。目前，科學家已經(jīng)能夠在體外鑒別、分離、純化、擴增和培養(yǎng)人體胚胎干細胞，并以這樣的干細胞為“種子”，培育出一些人的組織器官。干細胞及其衍生組織器官的廣泛臨床應用，將產(chǎn)生一種全新的醫(yī)療技術，也就是再造人體正常的甚至年輕的組織器官，從而使人能夠用上自己的或他人的干細胞或由干細胞所衍生出的新的組織器官，來替換自身病變的或衰老的組織器官。假如某位老年人能夠使用上自己或他人嬰幼兒時期或者青年時期保存起來的干細胞及其衍生組織器官，那么，這位老年人的壽命就可以得到明顯的延長。美國《科學》雜志于1999年將干細胞研究列為世界十大科學成就的第一，排在人類基因組測序和克隆技術之前。

新加坡國立大學醫(yī)院和中央醫(yī)院通過臍帶血干細胞移植手術，根治了一名因家族遺傳而患上嚴重的地中海貧血癥的男童，這是世界上第一例移植非親屬的臍帶血干細胞而使患者痊愈的手術。醫(yī)生們認為，臍帶血干細胞移植手術并不復雜，就像給患者輸血一樣。由于臍帶血自身固有的特性，使得用臍帶血干細胞進行移植比用骨髓進行移植更加有效?，F(xiàn)在，利用造血干細胞移植技術已經(jīng)逐漸成為治療白血病、各種惡性腫瘤放化療后引起的造血系統(tǒng)和免疫系統(tǒng)功能障礙等疾病的一種重要手段?？茖W家預言，用神經(jīng)干細胞替代已被破壞的神經(jīng)細胞，有望使因脊髓損傷而癱瘓的病人重新站立起來；不久的將來，失明、帕金森氏綜合癥、艾滋病、老年性癡呆、心肌梗塞和糖尿病等絕大多數(shù)疾病的患者，都可望借助干細胞移植手術獲得康復。

影響細胞分化的因素◆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(imaginaldisc)◆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◆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第二節(jié)癌細胞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)。具有轉移能力的腫瘤稱為惡性腫瘤（malignancy）。上皮組織的惡性腫瘤稱癌?；旧飳W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(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）◆染色體非整倍性圖16-1腫瘤的遷移

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◆培養(yǎng)時對血清依賴性降低◆當將惡性轉化細胞注入易感動物體內(nèi)，往往會形成腫瘤圖16-2腫瘤細胞失去接觸抑制現(xiàn)象

二、癌基因和抑癌基因1.原癌基因：與細胞周期調(diào)控有關的一種基因，表達生長因子，生長因子受體、信號轉到的分子、基因轉錄調(diào)節(jié)因子和中期調(diào)控蛋白。2.癌基因：原癌基因發(fā)生突變的基因或異常表達3.抑癌基因：正常細胞增殖過程中的負調(diào)控因子，它編碼的蛋白往往在細胞周期的監(jiān)測點上起阻止周期進行的作用。如：RB；P53三、腫瘤形成的內(nèi)因腫瘤形成的過程：始發(fā)突變、潛伏、促癌和演進的形成往往涉及多個基因的改變，與原癌基因、抑癌基因突變的逐漸積累有關。（一）原癌基因當原癌基因的結構或調(diào)控區(qū)發(fā)生變異，基因產(chǎn)物增多或活性增強時，使細胞過度增殖，從而形成腫瘤。★原癌基因的產(chǎn)物主要包括：①生長因子，如sis，②生長因子受體，如fms、erbB，③蛋白激酶及其它信號轉導組分，如src、ras、raf，④細胞周期蛋白，如bcl-1，⑤調(diào)控因子，如bcl-2，⑥轉錄因子，如myc、fos、jun。

原癌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

（二）抑癌基因1.抑癌基因也稱為抗癌基因，正常染色體內(nèi)可能存在某些抑制腫瘤發(fā)生的基因，它們的丟失、突變或失去功能，使激活的癌基因發(fā)揮作用而致癌。2.抑癌基因的產(chǎn)物作用：抑制細胞增殖，促進細胞分化，和抑制細胞遷移，因此起負調(diào)控作用，通常認為抑癌基因的突變是隱性的。3.抑癌基因的產(chǎn)物：①轉錄調(diào)節(jié)因子，如Rb、p53；②負調(diào)控轉錄因子，如WT；③周期蛋白依賴性激酶抑制因子（CKI），如p15、p16、p21；④信號通路的抑制因子，如rasGTP酶活化蛋白（NF-1），磷脂酶（PTEN）；⑤DNA修復因子，如BRCA1、BRCA2。⑥與發(fā)育和干細胞增殖相關的信號途徑組分，如：APC、Axin等。癌基因（oncogenes）：v-onc

andc-onc

抑癌基因（tumor-suppressorgene）Rbp53

特點原癌基因抑癌基因

基因?qū)傩约毎鲋潮匦杓毎只匦?/p>

致癌方式基因突變激活、異常表達基因缺失或失活Rous(1910)發(fā)現(xiàn)雞的致癌RNA病毒；1963年發(fā)現(xiàn)RSV突變株：tsRSV

雞成纖維細胞40C37C細胞正常

病毒正常繁殖細胞癌變

病毒正常繁殖tdRSV

雞成纖維細胞40C37C細胞正常

細胞正常

病毒正常繁殖病毒正常繁殖

v-oncogenetdRSV3’端缺失1500－2000bp;不影響病毒復制，但影響細胞轉化1976年發(fā)現(xiàn)，正常雞細胞核DNA中，具有與V-onc的同源序列，稱正常細胞中的同源序列為原癌基因（protooncogene）,或C-oncogene.v-onc和c-onc的關系：c-onc來自v-onc.理由如下:1、v-onc對病毒復制和生存都是不必要的；而c-onc對細胞重要功能和活動不可缺少；提示c-onc是進化中保存下來的細胞重要結構元件。2、發(fā)現(xiàn)的30種c-onc是依靠病毒的v-onc探針找到的；并不是所有c-onc都有對應的同源v-onc。3、v-src缺失3/4不能致癌的RSV,注入雞體內(nèi)，發(fā)現(xiàn)缺失的v-src與c-src發(fā)生重組，v-src回復并致癌。抑癌基因（tumorsuppressorgene）Harris(1968):癌細胞系與同組織正常細胞融合雜交細胞無惡性表型，也不致癌；隨著染色體丟失則可能恢復致癌（Rb）.圖16-5Rb基因的作用

P53基因突變將導致細胞癌變或凋亡抑癌基因的功能喪失性突變----隱性突變（三）原癌基因的激活1.點突變：ras基因家族2.DNA重排3．插入激活4．基因擴增5、原癌基因的低甲基化四、腫瘤形成的外因根據(jù)致癌物的性質(zhì)可將其分為化學、生物和物理致癌物三大類。如多環(huán)芳香烴、芳香胺、亞硝胺、致癌病毒等。（一）化學致癌物1.按化學結構可分為：①亞硝胺類，在變質(zhì)的蔬菜及食品中含量較高，能引起消化系統(tǒng)、腎臟等多種器官的腫瘤；②多環(huán)芳香烴類，這類致癌物以苯并芘為代表，這類物質(zhì)廣泛存在于瀝青、汽車廢氣、煤煙、香煙及熏制食品中；③芳香胺類，如乙萘胺、聯(lián)苯胺、4-氨基聯(lián)苯等，可誘發(fā)泌尿系統(tǒng)的癌癥；④烷化劑類，如芥子氣、環(huán)磷酰胺等，可引起白血病、肺癌、乳腺癌等；⑤氨基偶氮類，如用二甲基氨基偶氮苯；⑥堿基類似物，如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶、2-氨基腺嘌呤等；⑦氯乙烯，目前應用最廣的一種塑料聚氯乙烯，是由氯乙烯單體聚合而成；⑧某些金屬，如鉻、鎳、砷等也可致癌。生物性致癌因素包括病毒（圖16-10）、細菌、霉菌等。其中以病毒與人體腫瘤的關系最為重要，研究也最深入。（二）生物性致癌因素（三）物理因素1．電離輻射2．紫外線◆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：●轉錄水平的調(diào)控 ●加工水平的調(diào)控 ●翻譯水平的調(diào)控

第三節(jié)真核細胞基因表達的調(diào)控（一）轉錄激活

1.基因轉錄水平的控制錯綜復雜，受多種因素影響。

2.TATA盒、CAAT盒和GC盒，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。

3.轉錄因子結構域：

例如：PEPCK酶（磷酸稀醇丙酮酸羧基酶）

通用轉錄因子、特異轉錄因子

4.轉錄因子與DNA序列相互作用結構模式：一、轉錄水平的調(diào)控真核生物的RNA聚合酶RNA聚合酶I：rRNA前體的合成RNA聚合酶Ⅱ：mRNA前體和一些小RNARNA聚合酶III：tRNA、5srRNA及一些小RNA順式作用原件與反式作用因子順式作用原件（cis-actingelements)DNA調(diào)控序列，包括啟動子，增強子，沉默子等。反式作用因子（trans-actingfactors)與DNA調(diào)控序列結合的轉錄因子。通用轉錄因子與特異轉錄因子通用轉錄因子與結合RNA聚合酶的核心啟動子位點結合的轉錄因子。特異轉錄因子與特異基因的各種調(diào)控位點結合，促進或阻抑這些基因的表達。啟動子元件的位置缺失作圖法對PEPCK啟動子序列的鑒定轉錄因子結構轉錄因子與DNA序列相互作用最常見的幾種結構模式活性染色質(zhì)與基因轉錄活性染色質(zhì)具有DNaseⅠ超敏感位點核心組蛋白的乙酰化和H1的磷酸化（二）轉錄阻遏1.DNA甲基化（DNAmethylation）與基因表達阻遏有關5’-GC*-3’

甲基化酶構建型甲基化酶維持性甲基化酶

2.基因組印記（