細胞分化凋亡與腫瘤課件

Welcome!細胞分化、細胞凋亡

與腫瘤

中南大學腫瘤研究所

盧建紅

jianhl@本節(jié)目標了解細胞的分化和凋亡的概念細胞分化和凋亡的調控機制細胞分化和凋亡異常與腫瘤細胞惡性增殖之間的聯(lián)系Cell細胞是生命的基本單位，細胞的特殊性決定了個體的特殊性腫瘤：細胞無限增殖對細胞的深入研究是揭開生命奧秘、改造生命和征服疾病的關鍵細胞生物學已經(jīng)成為當代生物科學中發(fā)展最快的一門尖端學科20世紀50年代以來諾貝爾生理與醫(yī)學獎大都授予了從事細胞生物學研究的科學家。G1andSPhasesoftheCellCycle

SIGMA-ALDRICHG2andMPhasesoftheCellCycle

SIGMA-ALDRICH細胞周期的三個歸宿分裂（division)分化(differentiation)死亡(death)細胞分化細胞后代在形態(tài)、結構和功能上發(fā)生差異的過程。每個人的一生中都在進行著細胞分化。細胞分裂的不對稱性和細胞間的相互作用是細胞分化的兩個基本機制。受精卵細胞分化的全能性植物細胞分化的全能性干細胞能分化為多種類型的細胞卵細胞具有極性，細胞核靠近北極。北極或動物極：極體釋放的部位；南極或植物極：相對北極而言，母體物質主要儲存在于植物極。

細胞分化的機理（一）細胞分裂的不對稱性動物卵細胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布；用轉錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍能進行至囊胚期用蛋白質翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止發(fā)育。卵裂后的細胞質的特性決定了子細胞核的分化命運。昆蟲以表面卵裂的方式形成胚層細胞的。遷入卵的后端極質部的細胞發(fā)育為原始生殖細胞，用紫外線照射這一區(qū)域，破壞極質，卵將發(fā)育為無生殖細胞的不育個體。

1、胚胎誘導(embryonicinduction)：胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞影響相鄰細胞向一定方向分化的作用。誘導者(inductor)：對其它細胞起誘導作用的細胞：脊索可誘導其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管；視胞可誘導其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導外胚層形成角膜。（二）細胞間的相互作用2、分化抑制：分化成熟的細胞可以產(chǎn)生抑素，抑制相鄰細胞發(fā)生同樣的分化。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。3、細胞數(shù)量效應小鼠胚胎胰腺原基在體外進行組織培養(yǎng)時，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但如果把胰原基切成8小塊分別培養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織，如果再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。4、細胞外基質的影響干細胞在IV型膠原和層粘連蛋白上分化為上皮細胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細胞。5、激素的作用如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。1、染色體結構的變化1）基因刪除：原生動物、昆蟲、甲殼動物。2）基因擴增：果蠅多線染色體。3）基因重排：免疫球蛋白基因（106~108種抗體）。4）DNA的甲基化與異染色質化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。（三）細胞核與細胞分化2、基因與細胞分化無論是母體mRNA的作用還是細胞間的相互作用，其結果是啟動特定基因的表達。根據(jù)對果蠅、家蠶等實驗動物的研究表明：卵受精后，首先表達的是母體基因；母體基因的產(chǎn)物是轉錄因子，沿胚的前后軸形成一個濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制其它基因的表達：母體基因→間隙基因→成對基因→體節(jié)極性基因→同源異形基因（homeoticgene，Hox）細胞分化與腫瘤一些細胞不能完成正常的細胞分化—異常的細胞分化不能逆轉。體外培養(yǎng)中：某些分化細胞能重新分化，且失去原來的結構和功能—“永生”細胞株(去分化，dediffrentiation)無限分裂（“嬰兒期”，喪失部分或全部原有功能）腫瘤細胞的分化異常腫瘤的分化程度也就是腫瘤組織的成熟程度。分化在腫瘤病理學中常指腫瘤細胞在形態(tài)、功能、代謝、行為等方面與其起源程序的成熟細胞（相應的正常細胞）的相似程度。腫瘤細胞越相似于相應的正常細胞，則為高分化。病理學家根據(jù)瘤細胞分化水平不同，常常將一些組織的惡性腫瘤分為三級或四級，即將高分化列為I級，中分化、低分化列為Ⅱ級，未分化列為Ⅲ級。瘤細胞分化程度與其來源組織的正常形態(tài)高分化腫瘤高接近中分化腫瘤較低明確保留起源組織的特點低分化腫瘤較低近似來源組織的不成熟形態(tài)未分化腫瘤極差能斷定來自上皮組織但又不能肯定是來自鱗狀上皮或柱狀上皮者稱未分化癌（undifferentiatedcarcinoma）能斷定間葉組織來源但又根據(jù)形態(tài)難于肯定是何種間葉組織，則稱之為未分化肉瘤良性與惡性腫瘤在分化程度上的差異程度核異型性與起源組織差異核分裂象良性腫瘤高小相似無或少惡性腫瘤低大差異明顯多細胞分化的調控問題：不同分化階段的細胞具有相同的遺傳物質（基因組），為何表現(xiàn)不同的生物學性狀？答案：基因的表達并不是同時發(fā)生的，而是按照一定的程序相繼活化和表達（差示表達）因此，必須擁有一套完整、準確和適時的基因調控機制基因表達調控的系列過程染色質的結構變化基因轉錄（主要）轉錄后加工轉錄產(chǎn)物（RNA）的穩(wěn)定、轉運和降解翻譯翻譯后加工轉錄水平的調控基因的活化順式作用元件（cis-actingelements)反式活化因子(anti-activatingfactors)即轉錄因子(transcriptionfactors)基因的活化：染色質松懈使RNA聚合酶和DNA接觸高度特異性涉及DNAaseI敏感區(qū)的產(chǎn)生、DNA甲基化和螺旋結構改變、組蛋白的乙?；腿ヒ阴；纫蚬蛥f(xié)調機制尚不清楚染色質由DNA、組蛋白、非組蛋白及少量RNA組成，比例為

1：1：（1-1.5）：0.05。cis-actingelements定義：與被轉錄基因在距離上比較接近，調控轉錄的特殊DNA序列啟動子（promoter），啟動子上游近側的高度保守短序列（TATA、CAAT和GC盒）調節(jié)轉錄起始增強子（enhancer），某些增強子在不同的細胞分化階段針對不同的基因沉寂子（silencer），近年在酵母中發(fā)現(xiàn)，負性調控作用哺乳類RNA聚合酶Ⅱ啟動子中常見的元件Transcriptionfactors是一類細胞核內蛋白因子，通過識別和結合基因近端或遠端的cis-acting元件，實現(xiàn)正/負性調控具有DNA結合位點、活化位點、細胞核固定位點、配體結合位點（使轉錄因子被激素、生長因子等激活）RNA聚合酶Ⅱ的基本轉錄因子

轉錄因子結構分類鋅指結構（zincfinger），亮氨酸拉鏈（leucinezipper）螺旋-環(huán)-螺旋（helix-loop-helix，HLH）與細胞分化有關的轉錄因子AP-1/FOS/Jun結合SV40病毒MyoD肌肉細胞分化相關肝細胞分化相關6種以上POU結構域蛋白哺乳動物細胞分化相關紅細胞系分化相關如GATA-1結合珠蛋白的promoter和enhancer轉錄后調控mRNA的翻譯：剪接、加工、編輯、轉運（由細胞核至胞漿）；翻譯的起始、翻譯后肽鏈的折疊和加工mRNA的剪接在不同的細胞及細胞分化階段因剪接因子表達的不同而不同加工過程與轉錄同時進行

在轉錄過程中肽的絲氨酸殘基2和5上CTD（多聚酶II的羧基末端區(qū)域）的動態(tài)的磷酸化和去磷酸化人類CTD的氨基酸末端支持加帽而不支持剪接或3’端加工，而其羧基末端支持所有加工步驟mRNA的核轉運。

轉運前有序加工。這些成熟化事件對于糾正mRNA包裝是重要的。一個關鍵的步驟就是把EJC加到mRNA上。外外接合復合物（EJC）是由接合處上游大約20核苷形成的接合小體沉積而成，包含RNA連接蛋白復合物，

EJC是動力的一些成分甚至在轉運到細胞質中仍與mRNA保持聯(lián)系。因此，EJC與mRNA加工和mRNA轉運到細胞質事件有關。

細胞微環(huán)境對分化的影響細胞外基質，如膠原纖維、血栓敏感素等生長和分化因子，如造血生長因子調節(jié)造血干細胞的生長和分化細胞-細胞間相互作用，信息傳遞細胞內鈣離子和pH值造血微環(huán)境模式Patternofmicroenvironment細胞分化異常與腫瘤發(fā)生典型：白血病多能造血干細胞發(fā)育分化的某一階段受阻特異性細胞的染色體缺失、倒位、易位等，導致癌基因活化或抑癌基因的失活血細胞的生成腫瘤的誘導分化治療20世紀70年代后期，Sachs研究鼠白血病，最早提出differentiationtherapy80年代中期，上海血液研究所率先使用全反式維甲酸（ATRA）治療APL（急性早幼粒細胞白血?。┏晒?。調控癌基因、轉錄、細胞增殖因子及其受體基因、酶、細胞結構蛋白的表達在實體瘤治療方面也有探索和效果細胞死亡的方式

壞死（necrosis），killedbyinjuriousagents凋亡（apoptosis），inducedtocommitsuicide借用古希臘語Kerr（1972）提出。直到20世紀90年代初，由于分子腫瘤學研究發(fā)現(xiàn)細胞凋亡與腫瘤的發(fā)生、發(fā)展，以及與腫瘤治療中的細胞死亡有密切關系，才引起極大重視，通過研究發(fā)現(xiàn)了一系列控制凋亡發(fā)生的基因和蛋白分子。

程序性死亡（programmedcelldeath，PCD），一種基因指導的細胞自我消亡方式ApoptosisPCD形態(tài)學概念，指與細胞壞死不同的受到基因控制的細胞死亡形式；

并非都是程序化的。功能性概念，描述在一個多細胞生物體中，某些細胞的死亡是個體發(fā)育中一個預定的、受到嚴格控制的正常組成部分最終結果是apoptosis2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維茨和英國人約翰·蘇爾斯頓，因在器官發(fā)育的遺傳調控和細胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾生理與醫(yī)學獎

細胞凋亡cellapoptosis

與細胞壞死的區(qū)別是：①細胞通過出芽的方式形成許多凋亡小體；②凋亡小體內有結構完整的細胞器；③不引起炎癥；④線粒體無變化，溶酶體活性不增加；⑤內切酶活化，DNA有控降解，凝膠電泳圖譜呈梯狀；⑥凋亡通常是生理性變化，而細胞壞死是病理性變化。

分為誘導、效應和降解3個時期Apoptosis的生物學意義apoptosis的生物學意義（續(xù)）保持細胞類型和數(shù)量的相對恒定，尤其胚胎發(fā)育期DNA損傷，p53表達使細胞停滯于G1期與衰老有關，不能清除損傷或無功能細胞并代之以新細胞ProcedureandMorphology

ofAPO正常胸腺細胞

凋亡胸腺細胞

Caspasecysteinyl

aspartate-specificproteinases

天冬氨酸特異性半胱氨酸蛋白酶（家族）Apaf-1:apoptoticproteaseactivatingfactor-1

ActivationandInhibitionofApoptosis

SIGMA-ALDRICHApoptosistriggeredbyintersignals:theintrinsicormitochondrialpathwayApoptosistriggeredbyexternalsignals:theextrinsicordeathreceptorpathway細胞凋亡相關基因與腫瘤與細胞增殖有關的原癌基因和抑癌基都參于對細胞凋亡的調控大多數(shù)惡性腫瘤的發(fā)病有細胞凋亡異常bcl-2c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等

兩大家族bcl-2,caspase對細胞凋亡的調控起著舉足輕重的作用

myc在凋亡細胞中c-myc高表達激活控制細胞增殖的基因，當生長因子存在，bcl-2基因表達時，促進細胞增殖激活促進細胞凋亡的基因促進細胞增殖、抑制分化在許多人類惡性腫瘤細胞中都發(fā)現(xiàn)有c-myc的過度表達Bcl-2（家族）1985，B細胞淋巴瘤/白血病-2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)抑制細胞凋亡通常以二聚體的形式發(fā)揮作用

Bcl-2相關蛋白的磷酸化也決定其凋亡調控效應Fas，又稱APO-1，1993年統(tǒng)一命名為CD95

Fas蛋白與Fas配體組成Fas系統(tǒng)，二者的結合導致靶細胞走向凋亡fas基因編碼產(chǎn)物為分子量45KD的跨膜蛋白，分布于胸腺細胞、T淋巴細胞、B淋巴細胞、NK細胞、內皮細胞、上皮細胞以及皮膚角質形成細胞等等FasSignalingPathway

SIGMA-ALDRICHFAS與CD95LCaspase

蛋白酶家族選擇性地切割蛋白質使其失活或激活

p53在G期監(jiān)視DNA的完整性Thep53SignalingPathway

SIGMA-ALDRICHApoptosis與惡性腫瘤凋亡異常幾乎涉及到細胞凋亡信號途徑的所有方面e.g凋亡