第13章(十四) 細(xì)胞分化

第十四章細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控細(xì)胞分化癌細(xì)胞真核基因表達(dá)調(diào)控細(xì)胞生長細(xì)胞代謝細(xì)胞增殖細(xì)胞分化細(xì)胞通訊細(xì)胞衰老細(xì)胞死亡……細(xì)胞類型形成組織器官形成個(gè)體發(fā)育基因表達(dá)調(diào)控

細(xì)胞的重大生命活動(dòng)：細(xì)胞分化（celldifferentiation）：在個(gè)體發(fā)育的過程中，由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)分裂形成在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上不同的穩(wěn)定的細(xì)胞類群的過程；是個(gè)體發(fā)育的基礎(chǔ)和核心。細(xì)胞分化細(xì)胞類型1細(xì)胞類型2細(xì)胞類型3……細(xì)胞衰老細(xì)胞凋亡永生細(xì)胞（癌癥）去分化增殖

細(xì)胞分化與機(jī)體的正常功能：細(xì)胞分化是個(gè)體行使正常功能的保證。本質(zhì)：細(xì)胞的基因組相同，但表達(dá)譜不同；使細(xì)胞能行使不同的功能（分工）；核心：基因是如何有序表達(dá)的？（調(diào)控）。第一節(jié)細(xì)胞分化一、基本概念

（一）基因的選擇性表達(dá)（主線）

實(shí)驗(yàn)證據(jù)（分子雜交）：不同的細(xì)胞類型（celltypes)中，DNA相同，mRNA種類不同，蛋白質(zhì)種類不同。結(jié)論：相同的基因組在不同細(xì)胞中的選擇性表達(dá)；

細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果。（二）管家基因和奢侈基因(分化基因組中所表達(dá)的基因)

管家基因（housekeepinggenes)：維持細(xì)胞基本功能所必需的基因，在所有細(xì)胞類型中均表達(dá)。e.g.,肌動(dòng)蛋白、微管蛋白、組蛋白、核糖體蛋白、TAC循環(huán)的關(guān)鍵酶，etc.

組織特異性基因（tissue-specificgenes):在不同的細(xì)胞類型中特異性地表達(dá)，使細(xì)胞形成特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)，行使特定的功能。e.g.,卵清蛋白、胰島素、血紅蛋白，etc.

調(diào)節(jié)基因（regulatorygenes):調(diào)節(jié)基因的表達(dá)。(?)

轉(zhuǎn)錄水平、轉(zhuǎn)錄后加工水平、染色質(zhì)、DNA水平、翻譯與翻譯后加工與修飾等復(fù)雜而精確的調(diào)控。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)（三）組織特異性基因調(diào)控的基本模式細(xì)胞分化過程是由一系列基因產(chǎn)物（regulatoryproteins）調(diào)控的。i.e.,每個(gè)基因的表達(dá)都必須：在正確的細(xì)胞中；在正確的時(shí)間；對(duì)正確的信號(hào)產(chǎn)生正確的反應(yīng)；產(chǎn)生正確的表達(dá)水平。問題：細(xì)胞是如何協(xié)調(diào)（coordinate）這一過程的？答案：一個(gè)關(guān)鍵的調(diào)控蛋白，可以調(diào)控一系列下游基因，完成細(xì)胞分化。組合調(diào)控：少數(shù)調(diào)控蛋白完成眾多細(xì)胞類型的分化

借助于組合調(diào)控，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。MyoD，是骨骼生肌調(diào)節(jié)因子的重要組成成分，在骨骼肌細(xì)胞分化中的關(guān)鍵作用，單一的MyoD調(diào)控蛋白能夠啟動(dòng)肌細(xì)胞分化調(diào)控蛋白組合，使肌干細(xì)胞分化為肌細(xì)胞。例子：眼形成的關(guān)鍵調(diào)控蛋白Ey（果蠅）ey基因早期細(xì)胞（發(fā)育成腿）腿中眼細(xì)胞分化眼形成（四）單細(xì)胞生物中的細(xì)胞分化細(xì)胞分化并非多細(xì)胞有機(jī)體獨(dú)有的特征。單細(xì)胞生物甚至原核生物也存在細(xì)胞分化問題。如枯草桿菌芽孢的形成，啤酒酵母單倍體孢子的形成及萌發(fā)形成的α和a兩種交配型。單細(xì)胞分化多為適應(yīng)不同的生活環(huán)境，而多細(xì)胞通過分化構(gòu)建不同的組織和器官。（五）轉(zhuǎn)分化和再生轉(zhuǎn)分化（trans-differentiation）：由一種分化的細(xì)胞類型轉(zhuǎn)化為另一種細(xì)胞類型。水母橫紋細(xì)胞轉(zhuǎn)分化形成神經(jīng)細(xì)胞等。轉(zhuǎn)分化：去分化再分化

（dedifferentiation）（redifferentiation）

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細(xì)胞特征的過程。

例子：植物細(xì)胞愈傷組織根芽形成植株再生再生（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(xì)胞水平、組織與器官水平及整體水平的再生。動(dòng)物：傷口愈合；低等生物的肢體再生；增殖二、影響細(xì)胞分化的因素

（一）細(xì)胞的全能性（totipotency）：單個(gè)細(xì)胞形成完整個(gè)體的能力。e.g.，受精卵、早期胚胎細(xì)胞；植物體細(xì)胞。（基礎(chǔ)、內(nèi)因）實(shí)驗(yàn)證據(jù)：植物體細(xì)胞胚胎發(fā)生（體細(xì)胞plantsomaticembryogenesis）;動(dòng)物克隆（1997，多莉羊；……）高度分化的動(dòng)植物體細(xì)胞，在遺傳背景（基因組DNA)和功能上均是全能的。多莉羊的克隆干細(xì)胞（stemcells）具有部分的全能性（多潛能性，pluripotency）是一群尚未完全分化的細(xì)胞，同時(shí)具有分裂增殖成另一個(gè)與本身完全相同的細(xì)胞，以及分化成為多種特定功能的體細(xì)胞兩種特性。多能干細(xì)胞：具有多向分化的潛能，可以分化形成除自身組織細(xì)胞外的其他組織細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞：具有分化成各種細(xì)胞的潛能。成體干細(xì)胞：造血干細(xì)胞。單能干細(xì)胞：僅具有分化成某一中類型細(xì)胞能力的干細(xì)胞。用于維持某一特定組織細(xì)胞的自我更新，如腸上皮干細(xì)胞。造血干細(xì)胞的分化（hemopoiesis）淋巴骨髓（二）影響細(xì)胞分化的因素（外因）眾多的內(nèi)外因素，形成“網(wǎng)絡(luò)”。1胞外信號(hào)

如無尾兩棲類的蝌蚪變態(tài)過程中，尾部退化及前后肢形成等變化是由甲狀腺分泌的甲狀腺素和三碘甲狀腺氨基酸的分泌增加所致。

2細(xì)胞記憶和決定

信號(hào)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(chǔ)存起來并形成長時(shí)間的記憶，逐漸向特定方向分化。所謂決定是指一個(gè)細(xì)胞接受了某種指令，在發(fā)育中這一細(xì)胞及其子代細(xì)胞將區(qū)別于其他細(xì)胞而分化成某種特定的細(xì)胞類型，或者說在形態(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(xì)胞的分化命運(yùn)。細(xì)胞將信號(hào)分子的作用儲(chǔ)藏起來，以決定分化的能力。3，細(xì)胞質(zhì)的影響受精卵的細(xì)胞質(zhì)不均一性和不均等卵裂細(xì)胞增殖過程中產(chǎn)生不均等細(xì)胞的方式4細(xì)胞間的相互作用和位置效應(yīng)細(xì)胞相互作用：信號(hào)分子的作用細(xì)胞位置效應(yīng)（positioneffect）：“位置信息”位置信息是產(chǎn)生效應(yīng)的主要原因。如在雞胚發(fā)育的原腸胚期，在由脊索細(xì)胞分泌的由sonichedgehog的基因編碼的信號(hào)蛋白的作用下，靠近脊索的細(xì)胞分化形成底板，而遠(yuǎn)離脊索的細(xì)胞分化成運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元。5，環(huán)境對(duì)性別決定因素環(huán)境基因表達(dá)細(xì)胞分化性狀（e.g.,性別決定，癌）例子：一種蜥蜴，24℃

全部發(fā)育為雌性，32℃

全部發(fā)育為雄性。6，染色質(zhì)變化和基因重排例子：B淋巴細(xì)胞：DNA斷裂和重排抗體的多樣化三、細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育

細(xì)胞分化是發(fā)育的基礎(chǔ)；發(fā)育（個(gè)體形成）是細(xì)胞分化的結(jié)果?，F(xiàn)代發(fā)育生物學(xué)（developmentalbiology）的核心問題：發(fā)育過程中基因組表達(dá)的時(shí)空性及其調(diào)控機(jī)制；……受精卵細(xì)胞分化組織形成器官形成個(gè)體如何調(diào)控？？第二節(jié)癌細(xì)胞

比喻：動(dòng)物體（人）—一個(gè)特殊的“社會(huì)”（society）;細(xì)胞—“社會(huì)”中的個(gè)體（individuals）;原則—“個(gè)體”的自我犧牲（self-sacrifice）;癌細(xì)胞—“社會(huì)”中的“不軌分子”（違反上述原則，“瘋狂增殖”）。相關(guān)事件：基因突變；DNA復(fù)制；DNA修復(fù)；細(xì)胞周期；細(xì)胞凋亡；細(xì)胞分化；基因調(diào)控；……

過程：致癌因子（carcinogens）：環(huán)境的，遺傳的，內(nèi)源的相關(guān)基因（cancer-criticalgenes）的突變基因突變的積累基因表達(dá)譜式的改變細(xì)胞活動(dòng)的異常（周期，粘附性，凋亡，移動(dòng)性，……）癌細(xì)胞的產(chǎn)生

本質(zhì)：體細(xì)胞基因組的改變（突變的積累）；癌癥是由眾多因素引發(fā)的“基因病”（genedisorder）（體細(xì)胞）；有別于通過性細(xì)胞傳遞的“遺傳病”（geneticdisorder）復(fù)雜性：美國“攻克癌癥”的十年計(jì)劃的失敗，……一、癌細(xì)胞的特征

腫瘤（tumor）良性腫瘤（benign）：不轉(zhuǎn)移（分裂失控）惡性腫瘤（malignancy）:轉(zhuǎn)移、侵潤上皮組織：癌（carcinoma）癌（cancer）結(jié)締組織和肌肉：肉瘤（sarcoma）其他（血液）：白血病等（leukemia)腫瘤組織由實(shí)質(zhì)和間質(zhì)兩部分構(gòu)成，實(shí)質(zhì)是腫瘤細(xì)胞，間質(zhì)由結(jié)締組織和血管組成。

特征：1，生長和分裂失控“永生”細(xì)胞（immortal）；細(xì)胞核增大；

分裂快；低分化，……宮頸癌細(xì)胞特征A:normal;B:precancerous;C:invasivecarcinoma正常和癌細(xì)胞的分裂增殖2侵潤性和擴(kuò)散性侵潤性(invasive)；擴(kuò)散性（diffusible）；轉(zhuǎn)移性（metastasis）良性腫瘤（benign）和惡性腫瘤（malignant）惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移（metastasis）3，細(xì)胞相互作用的改變正常細(xì)胞之間的識(shí)別主要是通過細(xì)胞表面特異性蛋白的相互作用實(shí)現(xiàn)的．進(jìn)而形成特定的組織與器官。癌細(xì)胞沖破了細(xì)胞識(shí)別作用的束縛，在轉(zhuǎn)移過程中，除了要產(chǎn)生水解酶類(如用于水解基底膜成分的酶類)，而且要異常表達(dá)某些膜受體蛋白，以便與別處細(xì)胞粘著并生長。同時(shí)借此逃避免疫監(jiān)視作用，防止天然殺傷細(xì)胞等的識(shí)別和攻擊。4mRNA表達(dá)譜系、蛋白質(zhì)表達(dá)譜系和蛋白活性改變主要特征：?出現(xiàn)胚胎細(xì)胞中的蛋白（與低分化程度有關(guān)）；?端粒酶活性增高（與無限分裂增殖有關(guān)）；?異常表達(dá)與癌的發(fā)生發(fā)展相關(guān)的蛋白（e.g.,細(xì)胞周期調(diào)控、凋亡、粘附、細(xì)胞擴(kuò)散和移動(dòng)性等）；?癌蛋白和抑癌蛋白的表達(dá)及活性的變化。5遺傳的不穩(wěn)定性（geneticinstability）DNA損傷修復(fù)能力降低DNA復(fù)制中糾錯(cuò)能力降低異常高的突變率染色體畸變發(fā)生機(jī)率增加癌細(xì)胞的遺傳不穩(wěn)定性和腫瘤發(fā)生發(fā)展染色體-9和染色體-22之間的易位與骨髓性白血病有關(guān)6培養(yǎng)癌細(xì)胞的特性培養(yǎng)的癌細(xì)胞系：是研究癌的重要材料。惡性轉(zhuǎn)化（malignanttransformation）：培養(yǎng)細(xì)胞能象在體內(nèi)一樣不斷分裂生長；不斷繼代，建立癌細(xì)胞系。

特征：?無限增殖，永生化；?貼壁性下降或不貼壁（懸浮）；?接觸抑制性（contactinhibition）喪失。培養(yǎng)的癌細(xì)胞接觸抑制性的喪失二、癌基因和抑癌基因（cancer-criticalgenes）1，原癌基因（proto-oncogenes）和癌基因（oncogenes）?原癌基因：為細(xì)胞的正常基因，多編碼控制細(xì)胞周期、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞增殖的各種調(diào)控因子和活性蛋白，是細(xì)胞正常功能所必需；?癌基因：為原癌基因的突變形式，或改變了表達(dá)方式（過量、產(chǎn)物活性的改變，等），其結(jié)果是引起正常細(xì)胞的癌變。發(fā)現(xiàn)：最早發(fā)現(xiàn)于勞式肉瘤病毒Roussarcomavirus(攜帶Src基因），能引起雞癌變；雞的細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)也有Src的同源基因，編碼一種調(diào)控細(xì)胞分裂的蛋白激酶。以后發(fā)現(xiàn)眾多的逆轉(zhuǎn)錄病毒中均有細(xì)胞中相應(yīng)的癌基因；分別稱為：病毒癌基因（v-oncogenes）和細(xì)胞癌基因（c-oncogenes）現(xiàn)已知v-oncogenes是逆轉(zhuǎn)錄病毒從宿主細(xì)胞中拷貝過來的。種類：生長因子及其受體；信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)通路中的蛋白；轉(zhuǎn)錄因子；細(xì)胞周期調(diào)控蛋白；細(xì)胞凋亡相關(guān)蛋白，etc.原癌基因轉(zhuǎn)變?yōu)榘┗?，抑癌基因（tumor-suppressorgenes）

發(fā)現(xiàn)：有一類基因的失活也能引起癌變。e.g.,a.視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤是由于Rb基因突變失活而引起的；b.p53基因：50％的腫瘤中發(fā)現(xiàn)p53的突變；作用：細(xì)胞周期調(diào)控；促進(jìn)細(xì)胞凋亡；維持遺傳穩(wěn)定性（p53突變使細(xì)胞逃脫DNA損傷的監(jiān)控系統(tǒng)而進(jìn)入分裂）3，小結(jié)癌基因和抑癌基因的對(duì)比：________________________________________________癌基因抑癌基因————————————————————————細(xì)胞增殖的正調(diào)控因子細(xì)胞增殖的負(fù)調(diào)控因子

gain-of-functionloss-of-function

顯性（dominant）隱性（recessive）________________________________________________癌基因（gain-of-function）和抑癌基因（loss-of-function）癌發(fā)生中癌基因和抑癌基因產(chǎn)物作用的途徑三、基因突變積累—癌的發(fā)生癌的發(fā)生是由多個(gè)相關(guān)基因(cancer-criticalgenes)突變的共同作用引起的；并不是基因組的每一次突變都被積累下來，細(xì)胞中有DNA損傷修復(fù)機(jī)制，及復(fù)制糾錯(cuò)機(jī)制，阻止突變細(xì)胞繼續(xù)分裂；當(dāng)細(xì)胞逃脫了糾錯(cuò)機(jī)制的監(jiān)控進(jìn)入分裂，就有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘?xì)胞；而癌細(xì)胞的快速增殖助長了有害突變的積累；環(huán)境中的各種誘變因素（輻射、化學(xué)誘變劑、病毒……）增加突變幾率，誘發(fā)癌癥。這種作用也是可積累的。結(jié)腸癌的發(fā)生過程（基因突變的積累）事實(shí)：移民群體中（各種）癌的發(fā)生率接近居住國的平均水平，而不是其本民族的水平。暗示癌癥發(fā)生中，環(huán)境因素的作用大于遺傳因素。據(jù)認(rèn)為，80－90％的癌癥是可以避免的，至少是可以延遲的！建議：始終注意避免環(huán)境中能夠誘發(fā)，或促進(jìn)癌癥發(fā)生的因素。（積累?。┠[瘤誘發(fā)因子（tumorinitiator）：DNA誘變（mutagenic）腫瘤促進(jìn)因子（tumorpromoter）：非DNA誘變（non-mutagenic）（增加誘變劑活性、促進(jìn)突變積累、傷口長期不愈、接觸刺激，etc.）腫瘤形成的外因根據(jù)其性質(zhì)分為：化學(xué)、生物和物理致癌物三大類根據(jù)它們?cè)谥掳┻^程中的作用，可分為；啟動(dòng)劑：可直接改變DNA的成分或結(jié)構(gòu)。促進(jìn)劑：本身不能誘發(fā)腫瘤，但有促進(jìn)作用。如糖精可促進(jìn)膀胱癌的發(fā)生，苯巴比妥促進(jìn)肝癌的發(fā)生。完全致癌物：兼具啟動(dòng)和促進(jìn)兩種作用。一、化學(xué)致癌物①亞硝胺類，能引起消化系統(tǒng)腫瘤；②多環(huán)芳香烴類，如苯并芘。③芳香胺類，如乙萘胺、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；⑤氨基偶氮類，如奶油黃，可引起肝癌；⑥堿基類似物，如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶；⑦氯乙烯，與塑料工人的肝血管肉瘤有關(guān)。⑧元素，如鉻、鎳、砷。化學(xué)致癌物的作用機(jī)理：可與DNA、RNA、蛋白質(zhì)等生物大分子中的親核基團(tuán)發(fā)生作用，引起堿基顛換、缺失，DNA交聯(lián)、斷裂，染色體畸變等。引起細(xì)胞中胞嘧啶的甲基化水平降低。二、生物性致癌因素（一）、腫瘤病毒①逆轉(zhuǎn)錄病毒，如：人T淋巴細(xì)胞白血病病毒（HTLV）、HIV等病毒；②乙型肝炎病毒（HBV）：原發(fā)性肝癌（PLC）。

③人乳頭瘤狀病毒（HPV）：生殖道腫瘤。④Epstein－Bars病毒（EBV）；與兒童的Burkitt淋巴瘤和成人的鼻咽癌發(fā)生有關(guān)。后三類都是DNA病毒。（二）、霉菌目前已知有數(shù)十種霉菌毒素對(duì)動(dòng)物有致癌性。黃曲霉菌廣泛存在于污染的食品中，尤以霉變的花生、玉米及谷類含量最多。黃曲霉毒素（aflatoxin）有許多種，是一類雜環(huán)化合物，其中黃曲霉毒素B1是已知最強(qiáng)的化學(xué)致癌物之一，可引起肝癌。三、物理因素（一）