細胞分化與基因表達調控

關于細胞分化與基因表達調控第1頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第一節(jié)細胞分化的基本概念細胞分化的基本概念影響細胞分化的因素第2頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五1.細胞分化的概念細胞分化(celldifferentiation)：在個體發(fā)育中，由一種相同的細胞類型經過細胞分裂逐漸產生在形態(tài)、結構和功能上具有穩(wěn)定性差異的不同細胞類群的過程。細胞分化細胞類型1細胞類型2細胞類型3……永生細胞（癌癥）去分化增殖細胞分化是個體正常行使功能的基礎第3頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五1.細胞分化的概念細胞分化(celldifferentiation)：在個體發(fā)育中，由一種相同的細胞類型經過細胞分裂逐漸產生在形態(tài)、結構和功能上具有穩(wěn)定性差異的不同細胞類群的過程。

細胞分化是基因選擇性表達的結果：不同類型的細胞在發(fā)育過程中表達一套特異的基因，并且表達產物決定細胞的形態(tài)結構和功能。第4頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五不同細胞中基因表達的檢測結果

細胞類型基因細胞總ＤＮＡ（ｓｏｕｔｈｅｒｎ雜交）細胞總ＲＮＡ（ｎｏｒｔｈｅｒｎ雜交）輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞輸卵管細胞成紅細胞胰島細胞卵清蛋白基因

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-β－珠蛋白基因

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-胰島素基因

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+分化的細胞雖然結構功能不同，但遺傳信息相同。第5頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五２.細胞的全能性細胞的全能性：細胞（包括分化細胞和未分化細胞）都具有產生完整有機體的潛能和特性。植物細胞的全能性動物細胞的全能性（核移植）第6頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第7頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第8頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五蛙紅細胞移植后發(fā)育成蝌蚪第9頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第10頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五３.影響細胞分化的因素細胞分化是基因選擇性表達的結果，每個基因的表達都必須：

在正確的時間、在正確的細胞中、產生正確的表達水平。問題：細胞是如何協調（coordinate）這一過程？第11頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五３.影響細胞分化的因素細胞的全能性核質互作細胞間的互作環(huán)境的影響第12頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五①、細胞的全能性正常生物體內的細胞依據分化能力分為四種類型：全能細胞：受精卵多能細胞：骨髓中的多功能造血干細胞（紅細胞、血小板、巨噬細胞）專能細胞：精原細胞、卵原細胞終末細胞：不能再分化的細胞例：神經細胞、肌肉細胞第13頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五骨髓干細胞的分化第14頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五轉分化與再生轉分化（Transdifferentiation）：一種類型的分化細胞轉化為另一種分化類型的細胞的現象。如：水母，其橫紋肌細胞可轉變成神經細胞。再生（Regeneration）：指生物體缺失一部分后發(fā)生重建的過程，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。如：水螅，從中部切斷后能再生完整軀體；壁虎，尾巴斷后能重新長出。第15頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五②、細胞核與細胞質的相互作用（1）細胞核對細胞質的作用：主導作用特例：染色質變化與基因重排染色質變化：草履蟲（大、小兩個核），小核為生殖核，大核為營養(yǎng)核，但小核基因完整，大核發(fā)生了基因丟失。馬蛔蟲早期卵裂階段，如發(fā)生染色質丟失就發(fā)育為生殖細胞，不丟失發(fā)育為體細胞?；蛑嘏牛簼{細胞（抗體）第16頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五（2）細胞質對細胞分化的影響卵細胞中存在決定細胞分化的原始信息，隨卵裂分配到子細胞中，決定細胞的分化方向。例：果蠅卵細胞中存在生殖質，決定生殖細胞的分化，由此提出了決定子概念。決定子：影響卵裂細胞向不同方向分化的細胞質成分。動物卵細胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布。昆蟲以表面卵裂的方式形成胚層細胞，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。(遺傳，母性影響）第17頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五卵細胞中的決定子上圖：受精卵細胞的不均一性和不均等卵裂。決定子一般認為是mRNA。下圖：細胞分裂后環(huán)境的影響也可影響細胞性質。第18頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五（2）細胞質對細胞分化的影響由細胞器基因組引起或非細胞器引起。例:葉綠體遺傳，紫茉莉的花斑植株線粒體遺傳：釀酒酵母小菌落突變型，胞質不育基因第19頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五（2）細胞質對細胞分化的影響細胞質可影響遺傳性狀：童第周細胞質注射實驗將單尾旁皮魚細胞質注射到雙尾金魚的卵細胞中，金魚（單尾）將雙尾金魚細胞核取出轉移到單尾旁皮魚卵細胞中，金魚（單尾）

第20頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五③、細胞間的相互作用短距離相互作用：只作用于周圍細胞

通過旁分泌、自分泌、細胞接觸、間隙連接等起作用長距離相互作用：作用于不同部位的細胞

通過內分泌即激素起作用第21頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五③、細胞間的相互作用（1）短距離相互作用包括誘導、抑制和識別。誘導：眼睛的發(fā)育：早期視泡會誘導與之接觸的外胚層上皮細胞發(fā)育成晶狀體，然后二者共同誘導外面的表皮形成角膜，即分化中的逐級誘導現象。囊胚腔期出現背腹分化：背部形成神經管，但把背部細胞移到腹部后，腹部也會形成神經管，從而出現雙頭怪物。抑制：在蛙胚中移入成體蛙的心臟細胞，則胚胎其他部位正常發(fā)育，但心臟細胞不能正常發(fā)育。識別：將雞胚細胞分散后放在一起，則細胞按分化方向聚合。第22頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五③、細胞間的相互作用長距離相互作用：蝌蚪變態(tài)發(fā)育是由甲狀腺素的升高調控的。細胞記憶：信號分子作用時間短暫，但細胞可形成對這種作用的記憶，影響并決定以后的分化，即細胞分化中的決定早于分化概念。第23頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五④、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。第24頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五⑤、環(huán)境對細胞分化的影響環(huán)境對性別分化的影響：蜥蜴：低溫（２４℃）發(fā)育為雌性，高溫（３２℃）發(fā)育為雄性。蝸牛：個體間位置關系決定性別發(fā)育。群體中，位于下方的個體發(fā)育為雌性，上方的個體發(fā)育為雄性。第25頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五４.細胞分化與基因表達細胞分化是基因差異（選擇性）表達的結果。根據基因與細胞分化的關系管家基因：所有細胞中都表達的一類基因，其產物是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）：不同的細胞類型特異性表達的基因，其產物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結構和功能。第26頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五４.細胞分化與基因表達無論是母體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。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。第27頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五５.細胞分化的特點分化的細胞都來自同一個母細胞——受精卵細胞。細胞分化過程中決定早于分化。即化學物質的分化早與形態(tài)的分化，形態(tài)的分化先于功能的分化。分化程度越高的細胞，其分裂能力越差，再生能力越弱。細胞分化是多因素調控的結果，存在級聯調控和組合調控。分化細胞雖然結構、功能不同，但都保持了全套的基因組。第28頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第二節(jié)癌細胞（cancercell）比喻：動物體（人）—一個特殊的“社會”（society）;細胞—“社會”中的個體（individuals）;癌細胞—“社會”中的“不軌分子。第29頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第二節(jié)癌細胞（cancercell）癌細胞（cancercell）的基本特征癌基因（oncogenes）和抑癌基因腫瘤（tumor）的發(fā)生第30頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五１、癌細胞的基本特征腫瘤細胞（tumorcell）：在致瘤因素作用下，基因發(fā)生了改變，細胞分裂調節(jié)失控而無限增殖的細胞。良性腫瘤：生長速度緩慢，和周圍的組織邊界清晰。惡性腫瘤（癌癥）：生長速度快，具有轉移能力。腫瘤組織由實質和間質兩部分組成，實質是腫瘤細胞，間質由結締組織和血管組成。第31頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五良性腫瘤（benign）和惡性腫瘤（malignant）第32頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五（1）、癌細胞的形態(tài)特征體積和核質比明顯高于正常細胞；出現巨核、雙核和多核，染色體非整倍性；線粒體表現為多型性、腫脹、增生；細胞骨架紊亂，某些成分減少，骨架組裝不正常；宮頸癌細胞特征A:normal;B:precancerous;C:invasivecarcinoma第33頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五Ⅱ、癌細胞的生理特征細胞周期失控：“永生”細胞接觸抑制喪失，定著依賴性喪失（具有遷移性）對生長因子需要量低，代謝旺盛具去分化現象具可移植性（人的癌細胞移植到鼠體可形成移植瘤）第34頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五Ⅱ、癌細胞的生理特征細胞表面特性的改變：細胞表面膜蛋白（e.g.,受體蛋白）改變，引起細胞間相互作用的改變（如：粘附性改變，易于附著生長，逃避免疫系統的監(jiān)視和殺傷，etc.）。蛋白質表達譜系和蛋白活性改變：如出現胚胎細胞中的蛋白（與低分化程度有關）；端粒酶活性增高（與無限分裂增殖有關）；異常表達與癌的發(fā)生發(fā)展相關的蛋白（e.g.,細胞周期調控、凋亡、粘附、細胞擴散和移動性等）第35頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五２、癌基因和抑癌基因

癌基因（原癌基因）抑癌基因第36頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五①、原癌基因

概念：是細胞內與細胞增殖相關的基因，是維持機體正常生命活動所必須的，在進化上高等保守。當原癌基因的結構或調控區(qū)發(fā)生變異，基因產物增多或活性增強時，使細胞過度增殖，從而形成腫瘤。表達產物：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細胞凋亡調控因子，如bcl-2，⑥轉錄因子，如myc、fos、jun。第37頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第38頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第39頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五原癌基因的發(fā)現Roussarcomavirus(攜帶Src基因）能引起雞癌變；雞的細胞中發(fā)現也有Src的同源基因，編碼一種調控細胞分裂的蛋白激酶。以后發(fā)現眾多的逆轉錄病毒中均有細胞中相應的癌基因；分別稱為病毒癌基因（v-oncogenes）和細胞癌基因（c-oncogenes）。第40頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五原癌基因的激活基因本身或其調控區(qū)發(fā)生變異，導致基因的過度表達或產物蛋白的活性增強，引起細胞過度增殖形成腫瘤。第41頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五原癌基因的激活點突變：ｒａｓ基因家族，在膀胱癌中ｃ－Ｈａ－ｒａｓ基因僅有一個核苷酸變異。基因重排：存在于造血系統惡性腫瘤中，如前髓細胞性白血病中ｃ－ｍｙｃ擴增８～３２倍?；蛑嘏牛喝旧w易位使原癌基因處于活躍轉錄基因啟動子的下游而過度表達。如Ｂｕｒｋｉｔｔ淋巴瘤細胞中染色體易位使ｃ－ｍｙｃ與ＩＧ重鏈基因的調控區(qū)為鄰。插入激活：某些逆轉錄病毒含啟動子、增強子，插入基因組后引起下游基因過度表達。第42頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五染色體-9和染色體-22之間的易位與骨髓性白血病有關

第43頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五３.抑癌基因抑癌基因起負調控作用，主要是抑制細胞增殖，促進細胞分化和抑制細胞遷移。抑癌基因的產物：①轉錄調節(jié)因子，如Rb、p53，②負調控轉錄因子，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第44頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第45頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五癌基因和抑癌基因的對比

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癌基因抑癌基因

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細胞增殖的正調控因子細胞增殖的負調控因子

gain-of-functionloss-of-function

顯性（dominant）隱性（recessive）

________________________________________________第46頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五③基因突變積累—癌的發(fā)生癌的發(fā)生是由多個相關基因(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，細胞中有DNA損傷修復機制，及復制糾錯機制，阻止突變細胞繼續(xù)分裂；當細胞逃脫了糾錯機制的監(jiān)控進入分裂，就有可能轉變?yōu)榘┘毎?；而癌細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。第47頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五結腸癌的發(fā)生過程（基因突變的積累）第48頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五③基因突變積累—癌的發(fā)生內因：原癌基因的激活外因：包括物理、化學、生物致癌物三類，根據它們在致癌中的作用可分為啟動劑、促進劑和完全致癌物。啟動劑：可直接改變ＤＮＡ的成分和結構。促進劑：本身不能誘發(fā)腫瘤，但可促進腫瘤的形成。如糖精促進膀胱癌的發(fā)生，苯巴比妥促進肝癌的發(fā)生。完全致癌物：兼具啟動和促進雙重作用。第49頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五Ⅰ、物理因素電離輻射：機制：引起基因突變；基因表達改變；激活潛伏的致癌病毒。紫外線：機制：引起斷裂、交聯和染色體畸變，抑制皮膚的免疫功能，誘發(fā)皮膚癌、基底細胞癌和黑色素瘤。第50頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五Ⅱ、化學因素亞硝胺類：引起消化系統腫瘤芳香胺類：引起泌尿系統腫瘤氨基偶氮類：如奶油黃引起肝癌氯乙烯：肝血管肉瘤（塑料工作人員）烷化劑類：５-氟/溴尿嘧啶化學元素：鉻、鎳、砷第51頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五Ⅲ、生物致癌因素腫瘤病毒：逆轉錄病毒：如愛滋病病毒乙型肝炎病毒：霉菌：其中的霉菌毒素具致癌性。黃曲霉素：是一種雜環(huán)化合物，其中黃曲霉素Ｂ可引起肝癌。黃曲霉菌廣泛分布于霉變的食物中，霉變的花生、玉米、谷物類含量多。第52頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第三節(jié)真核基因表達調控

關鍵問題：細胞分化和個體發(fā)育中基因組選擇性表達的時空性？真核細胞基因組的復雜性：humangenome:約30億bpDNA；包含約3萬個基因；95％的非編碼DNA序列。一生合成總蛋白質的種類約10萬種，但在一個典型的分化細胞中合成約5000種蛋白質；如何調控？人類基因組計劃（HGP）功能基因組學：基因及其產物（蛋白質）的功能。第53頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五真核基因表達的多級控制從DNA到蛋白質的可能的調控步驟

第54頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五真核基因表達的多級控制主要調控水平：－轉錄水平調控（transcriptionalcontrol）－轉錄后水平調控（post-transcriptionalcontrol）

RNA加工水平調控（RNAprocessingcontrol）翻譯水平調控（translationalcontrol）－蛋白質的翻譯后修飾（post-translationalmodification）第55頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五1、轉錄水平的調控基本概念：（轉錄事件：DNA/protein,protein/protein相互作用）順式作用元件（cis-actingelement）：與轉錄調控蛋白特異結合的DNA序列；反式作用因子（trans-actingfactor）：與特定DNA序列結合的調控蛋白因子；“模體”結構（motif）：蛋白質中的小結構域，由一小段保守的氨基酸構成，用以識別特定的DNA序列或其他蛋白質；e.g.,helix-turn-helix,zinc-finger,?-sheet,leucin-zip,etc.共有序列（consensussequence）：DNA中一小段保守序列（有時也指蛋白質中的氨基酸序列），能夠被特定的蛋白結構域所識別，在轉錄起始調控中起重要作用；e.g.,TATA-box,CAAT-box,GC-box,etc.通用轉錄因子（generaltranscriptionfactor）：與核心啟動子元件相結合（如TATA-box），啟動轉錄；特異轉錄因子（specifictranscriptionfactor）：與基因的特異調控元件相結合，起調節(jié)作用（促進或阻抑）。第56頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五1、轉錄水平的調控真核基因的結構第57頁，共63頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五1、轉錄水平的調控激活因子（activator）和輔激活因子（co-activator）轉錄因子：能在DNA序列上形成復合體，激活轉錄。轉錄因子的功能結構域：

DNA結合結構域（DNA-bindingdomain）：與基因的調控區(qū)域的特定DNA序列識別并結合。激活結構域（activationdomain）：招募其他激活因子和蛋白質，共同啟動或激活轉錄。第58頁，