細胞分化與基因表達的調控翟中和細胞生物學

關于細胞分化與基因表達的調控翟中和細胞生物學第1頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五概述◆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不同類型細胞中特異性蛋白質的合成，而合成特異性蛋白質實質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控。

第2頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第一節(jié)細胞分化●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—同源異型基因第3頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五一、細胞分化的基本概念●細胞分化是基因選擇性表達的結果●組織特異性基因與管家基因●組合調控引發(fā)組織特異性基因的表達

●單細胞有機體的細胞分化●轉分化與再生第4頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五細胞分化是基因選擇性表達的結果分子雜交技術檢測基因及其表達

現(xiàn)代分子生物學證據(jù)表明，細胞分化是由于細胞選擇性地表達各自特有的專一性蛋白質，而導致細胞形態(tài)、結構與功能的差異。第5頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五組織特異性基因與管家基因

分化細胞基因組中所表達的基因大致可分為兩種基本類型：◆管家基因(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)：是指不同類型細胞中特異性表達的基因，其產(chǎn)物賦予各種類型細胞特異的形態(tài)結構特征與功能；◆調節(jié)基因產(chǎn)物用于調節(jié)組織特異性基因的表達，起激活或阻遏作用。因此，細胞分化的實質是組織特異性基因在時間與空間上的差異表達。第6頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五組合調控引發(fā)組織特異性基因的表達組合調控（combinationalcontrol）概念： 有限的少量調控蛋白啟動為數(shù)眾多的特異細胞類型的分化的調控機制。即每種類型的細胞分化是由多種調控蛋白共同調節(jié)完成的。生物學作用： 借助于組合調控，一旦某種關鍵性基因調控蛋白與其它調控蛋白形成適當?shù)恼{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：靠一種關鍵性調節(jié)蛋白通過對其他調節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。第7頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五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。●多細胞有機體在其分化程序與調節(jié)機制方面顯得更為復雜。第8頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五轉分化與再生●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?！袢シ只址Q脫分化，是指分化細胞失去其特有的結構與功能變成具有未分化特征的細胞的過程。（植物體細胞在一定條件下形成未分化細胞群組成的細胞團——愈傷組織）●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?！癫煌募毎袡C體，其再生能力有明顯的差異。第9頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五二、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第10頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五細胞的全能性(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?！糁参锛毎哂腥苄?，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)育全能性第11頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五·如蛙紅細胞核移植后發(fā)育成蝌蚪·Dolly羊的誕生說明高度分化的哺乳動物體細胞核也具有發(fā)育全能性細胞的全能性(totipotency)第12頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五影響細胞分化的因素◆胞外信號分子對細胞分化的影響：在研究早期胚胎發(fā)育過程中發(fā)現(xiàn)，一部分會影響周圍細胞使其向一定方向分化，這種作用稱近端組織的相互作用，也稱為胚胎誘導。（如眼的發(fā)生：如果把早期的視泡移植在頭部的其他部位，也可誘導與之接觸的外胚體發(fā)育成晶狀體）◆細胞記憶與決定果蠅成蟲盤(imaginaldisc)◆受精卵細胞質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◆染色質變化與基因重排對細胞分化的影響第13頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五細胞分化與胚胎發(fā)育——同源異型基因

（homeoticselectorgene，Hoxgene）果蠅體節(jié)發(fā)育中起關鍵作用的基因群。含有高度保守的180bp組成的DNA序列，稱同源框。編碼60個氨基酸，形成螺旋-轉角-螺旋結構，與DNA序列大溝相互作用，啟動基因表達。同源異型基因在染色體上的排列與胚胎發(fā)育在時、空序列上是一致的。第14頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第二節(jié)癌細胞(Cancercell)●癌細胞的基本特征●癌基因與抑癌基因●癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結果●癌癥能治療嗎？第15頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五一．癌細胞的基本特征

癌癥是一種嚴重威脅人類生命安全的疾病。動物體內細胞分裂調節(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。

●基本生物學特征●體外培養(yǎng)的惡性轉化細胞的特征第16頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五基本生物學特征◆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?！艏毎g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）◆染色體非整倍性第17頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五體外培養(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：

正常細胞生長到彼此相互接觸時，其運動和分裂活動將會停止，即所謂接觸抑制。◆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，往往會形成腫瘤第18頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五二、癌基因與抑癌基因

癌癥主要是由攜帶遺傳信息的DNA的病理變化而引起的疾病。與遺傳病不同，癌癥主要是體細胞DNA突變，而不是生殖細胞DNA突變。然而由于癌癥涉及多個基因位點的突變，因此生殖細胞某些位點的突變無疑也會加大致癌的可能性。癌基因：控制細胞生長和分裂的正?；虻囊环N突變形式，能引起正常細胞癌變。

抑癌基因實際上是正常細胞增殖過程中的負調控因子，它編碼的蛋白往往在細胞周期的檢驗點上起阻止周期進程的作用。（p53）促進細胞增殖相關基因和抑制細胞增殖相關基因的協(xié)同作用，共同調控細胞的正常增殖進程。第19頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五三、癌癥的發(fā)生是基因突變積累和自然選擇的結果腫瘤發(fā)生頻率低的原因：1、絕大多數(shù)基因突變位點不會致癌。2、癌癥的發(fā)生一般不是單一基因的突變，而至少在一個細胞中發(fā)生5-6個基因突變，才能賦予細胞所有的特征，即癌細胞不僅增殖速度快，而且其子代細胞能夠逃脫細胞衰老的命運，取代相鄰正常細胞的位置，不斷從血液中獲取營養(yǎng)，進而穿越基膜與血管壁，在新的組織部位定著、存活與生長。第20頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五四、癌癥能治療嗎？●傳統(tǒng)思路是手術、放療、化療●癌癥治療新方案

◆免疫治療(Immunotherapy) ◆基因治療(Genetherapy) ◆抑制癌癥促進蛋白的活性 ◆抑制腫瘤血管形成第21頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第三節(jié)真核細胞基因表達的調控

◆真核細胞基因表達的調控是多級調控系統(tǒng)，主要發(fā)生在四個彼此相對獨立的水平上 ●轉錄水平的調控 ●加工水平的調控

第22頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五一．轉錄水平的調控●轉錄因子與真核生物的基因轉錄●DNA的甲基化對真核生物基因轉錄的調控●核小體與真核生物基因轉錄的調控第23頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五轉錄因子與真核生物的基因轉錄◆基因轉錄水平的控制錯綜復雜，受多種因素影響

◆TATA盒：位于基因轉錄起始位點上游-30bp附近。

CAAT盒和GC盒：位于TATA盒上游。

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。這三種普遍的啟動子元件的位置見圖第1行?！粢话闱闆r下，真核生物基因轉錄，除了需要轉錄因子和RNA聚合酶，還需要其他蛋白質因子的參與，以幫助通用轉錄因子和RNA聚合酶在染色質上組裝。這些輔助因子在DNA上的結合元件，通常稱為增強子，它們的存在能夠顯著加強目的基因的轉錄。第24頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五轉錄因子與真核生物的基因轉錄典型的轉錄因子至少包括兩個結構域：DNA結合結構域:結合特異DNA序列激活結構域：激活轉錄

此外，許多轉錄因子還含有一個促進核蛋白形成二聚體的表面，二聚體的形成是許多不同類型轉錄因子的共同特征，在基因表達調控中起重要作用。第25頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五轉錄因子與真核生物的基因轉錄除了激活轉錄的轉錄因子之外，還有一些轉錄因子起抑制基因轉錄的作用。轉錄抑制因子也是有兩部分組成：DNA結合結構域抑制結構域第26頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五DNA的甲基化對真核生物基因轉錄的調控◆DNA甲基化（DNAmethylation）與基因表達阻遏有關

◆基因組印記（genomicimprinting）是說明甲基化作用在基因表達中具有重要意義的最好例證，也是哺乳動物所特有的現(xiàn)象。例如：小鼠早期發(fā)育中，編碼類胰島素生長因子2的基因只在由父親傳遞下來的染色體上有活性，編碼這種蛋白受體的基因，只在母親傳遞下來的染色體上有活性。第27頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五二．加工水平的調控大部分基因的主要調控過程發(fā)生在轉錄水平上，但也有相當一部分基因表達的調控，不但發(fā)生在轉錄水平上，轉錄后調控也起到了非常重要的作用。轉錄后水平的調控或稱加工水平的調控，包括以下幾個方面：初始的RNA轉錄產(chǎn)物的加工翻譯水平的調控第28頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五初始的RNA轉錄產(chǎn)物的加工在細胞內mRNA的前體有兩種基本剪接方式：編碼蛋白質的不連續(xù)基因通過RNA剪接將內含子從mRNA前體中去除，然后規(guī)范地將外顯子剪接成成熟的mRNA,這種剪接方式稱為組成型剪接，通過組成型剪接，一個基因只產(chǎn)生一種成熟的mRNA，一般也只產(chǎn)生一種蛋白質產(chǎn)物?？烧{控的選擇性剪接。外顯子按照不同的方式剪接在一起，因而可以由同一個基因產(chǎn)生不同的成熟mRNA，翻譯產(chǎn)生不同的蛋白質。第29頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五翻譯水平的調控●mRNA的細胞質定位●mRNA翻譯的調控●mRNA穩(wěn)定性的調控

第30頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五本章小結細胞分化●細胞分化的基本概念●影響細胞分化的因素全能性:植物、動物因素：胞外信號分子對細胞分化的影響、細胞記憶與決定、受精卵細胞質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、染色質變化與基因重排對細胞分化的影響●細胞分化與胚胎發(fā)育——同源異型基因第31頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五本章小結癌細胞●癌細胞的基本特征●癌基因與抑癌基因●癌癥產(chǎn)生是基因突變積累和自然選擇的結果●癌癥能治療嗎？第32頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五本章小結真核細胞基因表達的調控●轉錄水平的調控轉錄因子與真核生物的基因轉錄DNA的甲基化對真核生物基因轉錄的調控核小體與真核生物基因轉錄的調控●加工水平的調控初始的RNA轉錄產(chǎn)物的加工翻譯水平的調控第33頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第34頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五第35頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五信號分子的有效作用時間是短暫的，然而細胞可以將這種短暫的作用儲存起來并形成長時間的記憶，逐漸向特定方向分化。果蠅的成蟲盤是一些初級分化的細胞群，在幼蟲變態(tài)過程中，不同的成蟲盤發(fā)育為成蟲不同的器官，如腿、翅和觸角等。第36頁，共42頁，2022年，5月20日，23點19分，星期五真核細胞基因表達的調控，主要發(fā)生在四個彼此相對獨立的水平上：轉錄水平調控：決定某個基因是否會被轉錄，什么時候轉錄、并決定轉錄的頻率。加工水平調控：決定初始的RNA轉錄產(chǎn)物如何剪接和加工為成熟的mRNA。