第十四章 細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控

第十四章細(xì)胞分化與基因表達(dá)調(diào)控Whyafertilizedeggcandevelopintodifferentcells？？？要點(diǎn)綜述：這一章的內(nèi)容與發(fā)育生物學(xué)以及分子生物學(xué)的很多內(nèi)容上有交叉。本章第一部分主要介紹了細(xì)胞分化的概念、意義、本質(zhì)以及影響到細(xì)胞分化的主要因素，并在此基礎(chǔ)上對(duì)分化過程出現(xiàn)異常的癌細(xì)胞的特性進(jìn)行了介紹。第二節(jié)主要是對(duì)真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控的相關(guān)知識(shí)的介紹。真核細(xì)胞基因表達(dá)調(diào)控是多級(jí)調(diào)控系統(tǒng)，主要發(fā)生在轉(zhuǎn)錄、加工和翻譯三個(gè)相對(duì)獨(dú)立的水平上，真核細(xì)胞在特定時(shí)間通過差別基因選擇性表達(dá)合成蛋白質(zhì)?！艏?xì)胞分化(celldifferentiation)：在個(gè)體發(fā)育中，由一種相同的細(xì)胞類型經(jīng)細(xì)胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異，產(chǎn)生各不相同的細(xì)胞類群的過程。◆細(xì)胞分化是多細(xì)胞生物發(fā)育的基礎(chǔ)與核心；細(xì)胞分化的關(guān)鍵在于特異性蛋白質(zhì)合成；合成特異性蛋白質(zhì)實(shí)質(zhì)在于組織特異性基因在時(shí)間和空間上的差異性表達(dá)；差異性表達(dá)的機(jī)制是由于基因表達(dá)的組合調(diào)控。

◆細(xì)胞癌變是正常細(xì)胞分化機(jī)制失控的表現(xiàn)?！窦?xì)胞分化(Celldifferentiation)●癌細(xì)胞(Cancercell)●真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控第一節(jié)細(xì)胞分化(Celldifferentiation)●細(xì)胞分化的基本概念●影響細(xì)胞分化的因素●細(xì)胞分化與胚胎發(fā)育—Hoxgenes同源異型基因

（homeoticselectorgene，Hoxgene）

果蠅體節(jié)發(fā)育中起關(guān)鍵作用的基因群。含有高度保守的180bp組成的DNA序列，稱同源框。編碼60個(gè)氨基酸，形成螺旋-轉(zhuǎn)角-螺旋結(jié)構(gòu)，與DNA序列大溝相互作用，啟動(dòng)基因表達(dá)。

同源異型基因在染色體上的排列與胚胎發(fā)育在時(shí)、空序列上是一致的。一、細(xì)胞分化的基本概念

●細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果●組織特異性基因與管家基因●組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá)

●單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化●轉(zhuǎn)分化與再生

細(xì)胞分化是基因選擇性表達(dá)的結(jié)果分子雜交技術(shù)檢測(cè)基因及其表達(dá)轉(zhuǎn)分化與再生●一種類型分化的細(xì)胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細(xì)胞現(xiàn)象稱轉(zhuǎn)分化（transdifferentiation）。●轉(zhuǎn)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(xì)胞水平、組織與器官水平及整體水平的再生。●不同的細(xì)胞有機(jī)體，其再生能力有明顯的差異。單細(xì)胞有機(jī)體的細(xì)胞分化

●與多細(xì)胞有機(jī)體細(xì)胞分化的不同之處：前者多為適應(yīng)不同的生活環(huán)境，而后者則通過細(xì)胞分化構(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官?！穸嗉?xì)胞有機(jī)體在其分化程序與調(diào)節(jié)機(jī)制方面顯得更為復(fù)雜。組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達(dá)

組合調(diào)控（combinationalcontrol）概念： 有限的少量調(diào)控蛋白啟動(dòng)為數(shù)眾多的特異細(xì)胞類型的分化的調(diào)控機(jī)制。即每種類型的細(xì)胞分化是由多種調(diào)控蛋白共同調(diào)節(jié)完成的。

生物學(xué)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(dāng)?shù)恼{(diào)控蛋白組合，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（如眼的發(fā)育）。

分化啟動(dòng)機(jī)制：靠一種關(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白通過對(duì)其他調(diào)節(jié)蛋白的級(jí)聯(lián)啟動(dòng)。

組織特異性基因與管家基因◆管家基因(house-keepinggenes)：是指所有細(xì)胞中均要表達(dá)的一類基因，其產(chǎn)物是對(duì)維持細(xì)胞基本生命活動(dòng)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(xì)胞類型進(jìn)行特異性表達(dá)的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細(xì)胞特異的形態(tài)結(jié)構(gòu)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(dá)，起激活或者起阻遏作用。二、影響細(xì)胞分化的因素●細(xì)胞的全能性(totipotency)●影響細(xì)胞分化的因素細(xì)胞的全能性(totipotency)◆概念：細(xì)胞全能性是指細(xì)胞經(jīng)分裂和分化后仍具有產(chǎn)生完整有機(jī)體的潛能或特性?！糁参锛?xì)胞具有全能性，在適宜的條件下可培育成正常的植株 ◆動(dòng)物細(xì)胞核移植(Nucleartransfer)實(shí)驗(yàn)證明細(xì)胞核具有發(fā)育全能性 ◆干細(xì)胞(Stemcell)與細(xì)胞發(fā)育潛能影響細(xì)胞分化的因素◆胞外信號(hào)分子對(duì)細(xì)胞分化的影響,如眼的發(fā)生

◆細(xì)胞記憶與決定

果蠅成蟲盤(imaginaldisc)◆受精卵細(xì)胞質(zhì)的不均一性對(duì)細(xì)胞分化的影響◆細(xì)胞間的相互作用與位置效應(yīng)◆環(huán)境對(duì)性別決定的影響◆染色質(zhì)變化與基因重排對(duì)細(xì)胞分化的影響·如蛙紅細(xì)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(dòng)物體細(xì)胞核也具有發(fā)育全能性·干細(xì)胞分化模式·胚胎干細(xì)胞(embryostemcell)：具有分化成多種細(xì)胞類型及構(gòu)建組織的潛能·造血干細(xì)胞·單能干細(xì)胞（monopotentialcell）第二節(jié)癌細(xì)胞(Cancercell)

●癌細(xì)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(xì)胞的基本特征

癌癥是一種嚴(yán)重威脅人類生命安全的疾病。動(dòng)物體內(nèi)細(xì)胞分裂調(diào)節(jié)失控而無限增殖的細(xì)胞稱為腫瘤細(xì)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(xué)特征●體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞的特征基本生物學(xué)特征◆細(xì)胞生長(zhǎng)與分裂失去控制，具有無限增殖能力，成為“永生”細(xì)胞?！艟哂星譂?rùn)性和擴(kuò)散性

·癌細(xì)胞的細(xì)胞間粘著性下降，具有侵潤(rùn)性和擴(kuò)散性，這是癌細(xì)胞的基本特征。·在分化程度上癌細(xì)胞低于良性腫瘤細(xì)胞，且失去了許多原組織細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能◆細(xì)胞間相互作用改變（識(shí)別改變；表達(dá)水解酶類；產(chǎn)生新的表面抗原）◆蛋白表達(dá)譜系或蛋白活性改變（胚胎細(xì)胞蛋白、端粒酶活性升高）mRNA轉(zhuǎn)錄譜系的改變（少數(shù)基因表達(dá)不同；突變位點(diǎn)不同，表型多變）◆染色體非整倍性體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞的特征

◆惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞同癌細(xì)胞一樣具有無限增殖的潛能

◆在體外培養(yǎng)時(shí)貼壁性下降◆失去接觸抑制◆培養(yǎng)時(shí)對(duì)血清依賴性降低◆當(dāng)將惡性轉(zhuǎn)化細(xì)胞注入易感動(dòng)物體內(nèi)，往往會(huì)形成腫瘤二、致癌因素●多種理化因子致癌 ●DNA腫瘤病毒與RNA腫瘤病毒致癌

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(xì)胞突變產(chǎn)生的遺傳病，涉及到兩大類與細(xì)胞增殖相關(guān)的基因的突變。●促進(jìn)細(xì)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(xì)胞增殖相關(guān)基因突變：腫瘤抑制基因(tumor-suppressorgene)●細(xì)胞癌變是基因突變累積和自然選擇的結(jié)果，所以患者多為年長(zhǎng)者?！裨┗蚺c腫瘤抑制基因產(chǎn)物協(xié)調(diào)作用,避免細(xì)胞癌變?！粼┗虼嬖谟诩?xì)胞基因組中(c-onc)，是控制細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂的基因。

編碼多種類型的蛋白質(zhì)---細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂的調(diào)控因子。癌基因是控制細(xì)胞生長(zhǎng)和分裂的原癌基因的一種突變形式。

◆這類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(jìn)細(xì)胞癌變?！粢职┗蚴钦＜?xì)胞增殖過程中的負(fù)調(diào)控因子。抑癌基因編碼的蛋白抑制細(xì)胞增殖，使細(xì)胞停留于檢驗(yàn)點(diǎn)上阻止周期進(jìn)程?！粢职┗虬l(fā)生功能喪失性突變(隱性突變)，則導(dǎo)致細(xì)胞周期失控而過度增殖?！鬜b基因突變導(dǎo)致視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤形成。

pRb對(duì)細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)作用

◆P53基因突變將導(dǎo)致細(xì)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)

◆抑制癌癥促進(jìn)蛋白的活性

◆抑制腫瘤血管形成第三節(jié)真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控

◆真核細(xì)胞基因表達(dá)的調(diào)控是多級(jí)調(diào)控系統(tǒng)，主要發(fā)生在三個(gè)彼此相對(duì)獨(dú)立的水平上 ●轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控（調(diào)控中最關(guān)鍵環(huán)節(jié)） ●加工水平的調(diào)控 ●翻譯水平的調(diào)控

一．轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控●真核生物的轉(zhuǎn)錄激活●基因表達(dá)阻遏真核生物的轉(zhuǎn)錄激活◆基因轉(zhuǎn)錄水平的控制錯(cuò)綜復(fù)雜，受多種因素影響

◆TATA盒、CAAT盒和GC盒，TATA盒決定轉(zhuǎn)錄起始的位點(diǎn)，CAAT盒和GC盒決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄基因的效率。這三種普遍的啟動(dòng)子元件的位置見圖第1行。◆缺失作圖法（deletionmapping）與DNA足紋技術(shù)（DNAfootprinting）鑒定啟動(dòng)子區(qū)域特殊位點(diǎn)的功能(例題）◆轉(zhuǎn)錄因子結(jié)構(gòu)◆轉(zhuǎn)錄因子與DNA序列相互作用最常見的幾種結(jié)構(gòu)模式基因表達(dá)阻遏◆DNA甲基化（DNAmethylation）與基因表達(dá)阻遏有關(guān)◆基因組印記（genomicimprinting）是說明甲基化作用在基因表達(dá)中具有重要意義的最好例證，也是哺乳動(dòng)物所特有的現(xiàn)象.二．加工水平的調(diào)控●選擇性拼接是一種廣泛存在的RNA加工機(jī)制,通過這種方式，一個(gè)基因能編碼兩個(gè)或多個(gè)相關(guān)的蛋白質(zhì)◆組成型拼接(constitutivesplicing),一個(gè)基因只產(chǎn)生一種成熟的mRNA，一般也只產(chǎn)生一種蛋白質(zhì)產(chǎn)物◆可調(diào)控的選擇性拼接產(chǎn)生不同的成熟mRNA，翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質(zhì),如纖粘蛋白(fibronectin）的合成 ◆某一特定的外顯子是否被包括在成熟mRNA內(nèi)，主要取決于它的3′和5′端拼接位點(diǎn)是否被拼接機(jī)器選擇為切割位點(diǎn)三．翻譯水平的調(diào)控●mRNA的細(xì)胞質(zhì)定位●mRNA翻譯的調(diào)控●mRNA穩(wěn)定性的調(diào)控

mRNA的細(xì)胞質(zhì)定位◆啟動(dòng)一個(gè)動(dòng)物受精卵形成胚胎所需要的信息預(yù)存在卵子發(fā)生期的卵母細(xì)胞里 ◆微管和微絲對(duì)細(xì)胞中特定部位的mRNA的 聚集有一定關(guān)系mRNA翻譯的調(diào)控◆“隱蔽”mRNA（maskedmRNA）的激活 ◆調(diào)節(jié)編碼鐵蛋白（ferritin）的mRNA翻譯速率的機(jī)制mRNA穩(wěn)定性的調(diào)控◆mRNA的壽命與它的多聚(A)尾巴長(zhǎng)度有關(guān)◆哺乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)mRNA的降解途徑說明一旦多聚(A)尾巴減少到一定長(zhǎng)度，mRNA會(huì)迅速降解◆3′UTR的核苷酸順序的不同似乎在多聚(A)尾巴變短時(shí)扮演一個(gè)與降解速率有關(guān)的角色幾種生物的細(xì)胞數(shù)目與類型Fig.21-19考研真題Ras基因的突變通常伴隨著癌癥的發(fā)生，這些ras基因的突變（）（中山大學(xué)2004）A.可以發(fā)生在v-ras和c-ras中B.通常是單個(gè)氨基酸的改變，如甘氨酸-12或谷氨酸-61C.可能導(dǎo)致產(chǎn)生組成型激活的Ras蛋白，不能催化GTP水解，不能被GAP滅活D.都不正確答案：B、C考研題1.DNA結(jié)合蛋白有其特征結(jié)構(gòu)模式，下面的簡(jiǎn)寫字符哪種屬于DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)模式（）。（華中師范大學(xué)2003）A.SRPB.HTHC.MTOCD.HMM答案：B2.轉(zhuǎn)錄因子是（）。（中科技大學(xué)2003）A.都是DNA結(jié)合蛋白B.結(jié)合DNA可能引起DNA彎曲C.只有結(jié)合在染色體上相鄰位置的才能發(fā)生相互作用D.都有典型的DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域E.上述所有都正確答案：E考研題1.選擇下列所有正確的敘述（）。（中科院）A.DNA甲基化