细胞分化与基因表达调控

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1、1 n 细 胞 同 步 化 的 方 法n 动 粒 与 着 丝 粒 的 区 别n G1期 ,G/S期 ,G2/M期 ,中 期 到 后 期 的 调 控 机 制 2 第 十 二 章细 胞 分 化 与 基 因表 达 调 控 3 4 5 6 细 胞 分 化 是 基 因 选 择 性 表 达 的 结 果分 子 杂 交 技 术 检 测 基 因 及 其 表 达 7 分 化 细 胞 的 特 点分 化 细 胞 具 有 以 下 四 个 特 点 ： 个 体 中 所 有 不 同 种 类 的 细 胞 的 遗 传 背 景 完 全一 样 。 分 化 细 胞 彼 此 之 间 在 形 态 、 结 构 、 功 能 方 面的 不 同

2、是 由 于 其 拥 有 不 同 的 蛋 白 质 所 致 。 细 胞 分 化 中 最 显 著 的 特 点 是 分 化 状 态 的 稳 定性 。 虽 然 细 胞 分 化 是 一 种 相 对 稳 定 和 持 久 的 过 程 , 但 是 在 一 定 的 条 件 下 , 细 胞 分 化 又 是 可 逆 的 。 8 9 10 11 12 13 14 增 殖去 分 化 再 分 化 15 单 细 胞 有 机 体 的 细 胞 分 化 与 多 细 胞 有 机 体 细 胞 分 化 的 不 同 之 处 ： 前 者 多 为 适 应 不 同 的 生 活 环 境 ， 而 后 者 则 通过 细 胞 分 化 构 建 执 行 不

3、 同 功 能 的 组 织 与 器 官 。 多 细 胞 有 机 体 在 其 分 化 程 序 与 调 节 机 制方 面 显 得 更 为 复 杂 。 16 17 植 物 细 胞 具 有全 能 性 ， 在 适宜 的 条 件 下 可培 育 成 正 常 植株 18 动 物 细 胞 的 全 能 性如 蛙 红 细 胞 核 移 植 后 发育 成 蝌 蚪Dolly羊 的 诞 生 说 明 高 度分 化 的 哺 乳 动 物 体 细 胞 核也 具 有 发 育 全 能 性干 细 胞 (Stem cell)与 细胞 发 育 潜 能 19 干 细 胞 的 基 本 概 念1、 定 义 ： 具 有 自 我 复 制 的 能 力 ，

4、 在 一 定 条 件 下 能 够 分 化 成 各 种 功 能 细 胞 。2、 分 类 ：（ 1） 全 能 干 细 胞 ， 包 括 ： 胚 胎 干 细 胞 （ embryonic stem cells, ES细 胞 ） 生 殖 干 细 胞 （ embryonic germ cells, EG 细 胞 ） 具 有 全 能 性 ， 能 够 分 化 成 全 身 200多 种 细 胞 类 型 ， 进 一 步 形 成 机 体 的 任 何 组 织 和 器 官 。（ 2） 多 能 干 细 胞 ： 具 有 分 化 成 多 种 细 胞 和 组 织 的 潜 能 ， 但 却 失 去 了 发 育 成 完 整 个 体 的

5、 能 力 。 （ 3） 专 能 干 细 胞 ： 只 能 向 一 种 或 密 切 相 关 的 两 种 类 型 的 细 胞 分 化 。 20 干 细 胞 具 有 以 下 几 个 特 点 : 干 细 胞 本 身 不是 终 末 分 化 细 胞 (即 干 细 胞 不 是 处 于 分 化 途 径的 终 端 ); 干 细 胞 能 无 限 地 分 裂 ; 干 细 胞 分裂 产 生 的 子 细 胞 只 能 在 两 种 途 径 中 选 择 其 一 :或 保 持 亲 代 特 征 ,仍 作 为 干 细 胞 ,或 不 可 逆 地 向终 末 分 化 。 21 22 横 向 分 化 ： 部 分 干 细 胞 在 特 定 条

6、件 下 可 以 转 化 为 其 它细 胞 ， 如 肌 肉 干 细 胞 在 特 定 条 件 下 可 以 分 化 为各 种 血 细 胞 系 。 23 1. 衍 生 自 囊 胚 的 内 细 胞 团 或 原 始 外 胚 层 的 细 胞 ；2. 永 生 化 (immortal)；3. 能 维 持 稳 定 的 正 常 的 二 倍 体 染 色 体 结 构 ；4. 有 稳 定 的 发 育 潜 能 ， 能 被 诱 导 增 殖 或 分 化 ；5. 能 参 与 胎 儿 所 有 组 织 的 发 育 过 程 ； 胚 胎 干 细 胞 的 性 质 24 干 细 胞 来 源 ：(1) 发 育 良 好 的 囊 胚 ， 从 中

7、分 离 内 细 胞 群 细 胞 ES细 胞(2) 从 5-9周 的 胚 胎 生 殖 腺 中 分 离 出 人 的 EG 细 胞 （ embryonic germinate cells）(3)恶 性 胚 胎 肿 瘤 或 畸 胎 瘤 细 胞 （ embryonal carcinoma, EC)(4) 生 殖 克 隆 （ 治 疗 性 克 隆 ） ： 体 细 胞 核 转 移 （ SCNT） 去 核 卵 细 胞 + 体 细 胞 核 克 隆 囊 胚 分 离 内 细 胞 群 ES细 胞 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 12.2 癌 细

8、 胞癌 症 是 一 种 严 重 威 胁 人 类 生 命 安 全 的 疾 病 。 动 物体 内 细 胞 分 裂 调 节 失 控 而 无 限 增 殖 的 细 胞 称 为 肿瘤 细 胞 (tumor cell)。 具 有 转 移 能 力 的 肿 瘤 称 为 恶性 肿 瘤 （ malignancy） 。 单 一 细 胞 癌 变 就 会 形 成癌 症 。 43 一 癌 细 胞 的 基 本 特 征 细 胞 生 长 与 分 裂 失 去 控 制 ， 具 有 无 限 增 殖 能 力 具 有 扩 散 性 恶 性 肿 瘤 细 胞 （ 癌 细 胞 ） 的 细 胞 间 粘 着 性 下 降 ，具 有 侵 润 性 和 和

9、扩 散 性 ， 这 是 癌 细 胞 的 基 本 特征 在 分 化 程 度 上 癌 细 胞 低 于 良 性 肿 瘤 细 胞 ， 且 失 去 了 许 多 原 组 织 细 胞 的 结 构 和 功 能 细 胞 间 相 互 作 用 改 变 蛋 白 表 达 谱 系 或 蛋 白 活 性 改 变 mRNA转 录 谱 系 的 改 变 染 色 体 非 整 倍 性 44 扩 散 性 ：染 色 体 非整 倍 性 45 46 体 外 培 养 的 恶 性 转 化 细 胞 的 特 征 恶 性 转 化 细 胞 同 癌 细 胞 一 样 具 有 无 限 增 殖 的 潜 能 在 体 外 培 养 时 贴 壁 性 下 降 失 去 接

10、触 抑 制 培 养 时 对 血 清 依 赖 性 降 低 当 将 恶 性 转 化 细 胞 注 入 易 感 动 物 体 内 ， 往 往 会 形成 肿 瘤 47 体 外培 养的 恶性 转化 细胞 48 二 、 癌 症 产 生 是 基 因 突 变 积 累 和 自 然 选 择 的 结 果癌 症 主 要 是 体 细 胞 突 变 产 生 的 遗 传 病 ， 涉 及 到两 大 类 与 细 胞 增 殖 相 关 的 基 因 的 突 变 。 促 进 细 胞 增 殖 相 关 基 因 突 变 ： 原 癌 基 因 (proto-oncogene)突 变 形 成 癌 基 因 (oncogene) 抑 制 细 胞 增 殖 相

11、 关 基 因 突 变 ： 肿 瘤 抑 制 基 因(tumor-suppressor gene)， 抑 癌 基 因 细 胞 癌 变 是 基 因 突 变 累 积 和 自 然 选 择 的 结 果 ，所 以 患 者 多 为 年 长 者 。 原 癌 基 因 与 肿 瘤 抑 制 基 因 产 物 协 调 作 用 ， 避 免细 胞 癌 变 49 原 癌 基 因 ：存 在 于 细 胞 基 因组 中 (c-onc)， 编码 多 种 类 型 的 蛋白 质原 癌 基 因 功 能 获 得 性突 变 (显 性 突 变 )， 其产 物 量 增 加 或 活 性 升高 ， 促 进 细 胞 癌 变 50 抑 癌 基 因 ： 这

12、类 基 因 编 码 的 蛋 白 抑 制 细 胞 增 殖 ， 使 细 胞 停留 于 检 验 点 发 生 功 能 丧 失 性 突 变 (隐 性 突 变 ) Rb基 因 突 变 导 致 视 网 膜 母 细 胞 瘤 形 成 。 P53基 因 突 变 将 导 致 细 胞 癌 变 或 凋 亡 51 抑 癌 基 因 的 功能 丧 失 性 突 变 -阴 性 突 变 52 P53基 因 突 变 将 导 致 细 胞 癌 变 或 凋 亡 53 三 、 致 癌 因 素 多 种 理 化 因 子 致 癌 DNA肿 瘤 病 毒 与 RNA肿 瘤 病 毒 致 癌 54 55 四 、 癌 症 能 治 疗 吗 ？ 传 统 思 路

13、 是 手 术 、 放 疗 、 化 疗 癌 症 治 疗 新 方 案 免 疫 治 疗 (Immunotherapy) 基 因 治 疗 (Gene therapy) 抑 制 癌 症 促 进 蛋 白 的 活 性 抑 制 肿 瘤 血 管 形 成 56 n 尿 液 萃 取 物 对 末 期 癌 症 具 疗 效运 用 人 尿 中 的 萃 取 物 CDA2， 用 来 治 疗 九 种 末 期 癌 症 ， 结 果 有 一 成 其 肿 瘤 面积 可 缩 小 一 半 以 上 。 “ 细 胞 毒 性 T淋 巴 细 胞 疗 法 ”首 先 是 从 体 内 循 环 血 液 或 癌 细 胞 组 织 中 提 取 细 胞 毒 性 T

14、淋 巴 细 胞 ， 然 后 在 试管 中 利 用 转 基 因 技 术 培 植 出 含 有 一 种 能 分 辨 恶 性 癌 细 胞 分 子 的 淋 巴 细 胞 ，使 用 这 种 新 型 细 胞 毒 性 T淋 巴 细 胞 可 以 提 高 酶 体 分 泌 能 力 ， 致 使 癌 细 胞 膜脱 落 坏 死 。 利 用 细 胞 疗 法 治 疗 肿 瘤 已 成 为 治 疗 癌 症 的 方 法 之 一 。 迄 今 为 止 ， 这 种 疗 法 主要 是 从 血 液 中 提 取 免 疫 细 胞 。 但 “ 德 国 海 德 堡 癌 症 研 究 中 心 ” 的 科 学 家经 试 验 发 现 ， 利 用 从 骨 髓

15、中 提 取 的 免 疫 细 胞 进 行 细 胞 疗 法 ， 效 果 更 加 明显 。健 康 细 胞 上 的 telomerase基 因 一 般 都 处 于 关 闭 状 态 ， 而80%以 上 的 癌 细 胞 上 的 这 种 基 因 都 处 于 开 启 状 态 以 保证 癌 细 胞 的 生 存 ， 因 此 通 过 调 整 这 种 基 因 的 开 关 状 态 ，科 学 家 可 以 欺 骗 癌 细 胞 杀 死 自 己 的 同 类 。 57 癌 干 细 胞 在 肿 瘤 中 的 一 小 部 分 具 有 无 限 增 值 能 力 ，并 形 成 肿 瘤 能 力 的 细 胞 ， 也 称 肿 瘤 干 细 胞 。

16、癌 干 细 胞 在 癌 组 织 中 所 占 的 比 例 很 少 ， 具 有 形成 能 力 是 癌 干 细 胞 的 本 质 特 征 。 目 前 已 经 在 乳 腺癌 ， 脑 瘤 等 实 体 瘤 以 及 血 液 系 统 肿 瘤 中 发 现 了 癌干 细 胞 。 鉴 定 癌 干 细 胞 的 方 法 通 常 是 首 先 通 过 分 子 标 志将 肿 瘤 细 胞 悬 液 用 流 式 细 胞 仪 分 选 为 若 干 亚 群 ，然 后 将 不 同 的 细 胞 亚 群 移 值 到 裸 鼠 的 体 内 观 察 其成 瘤 性 ， 癌 干 细 胞 就 存 在 于 具 有 成 瘤 性 的 细 胞 亚群 中 。 58

17、传 统 理 论 指 导 下 癌 症 的 治 疗 有 放 疗法 ， 化 疗 法 ， 外 科 切 除 等 方 法 。 这些 方 法 是 不 加 区 分 的 消 灭 增 殖 细 胞来 达 到 一 定 的 治 疗 。 59 恶 性 肿 瘤 具 有 无 限 增 殖 和 侵 袭 性 生 长的 特 点 ， 传 统 的 观 念 认 为 肿 瘤 行 成 是 所有 肿 瘤 细 胞 共 同 增 殖 的 结 果 。 然 而 ， 在白 血 病 的 研 究 中 发 现 ， 白 血 病 的 形 成 和发 展 与 正 常 造 血 系 统 有 极 大 的 相 似 之 处（ 1997年 John Dick 等 定 义 了 第 一

18、 个 肿瘤 干 细 胞 ， 急 性 髓 细 胞 性 白 血 病 （ AML)的 白 血 病 干 细 胞 ） ， 由 此 提 出 了 肿 瘤 形成 的 新 模 式 癌 干 细 胞 学 说 。 60 n 是 指 一 个 细 胞 分 裂 为 两 个 细 胞 ， 但 其 中 一 个 子代 细 胞 仍 然 保 持 与 亲 代 细 胞 完 全 相 同 的 未 分 化 状态 ； 而 另 一 个 细 胞 则 定 向 分 化 ， 这 种 分 裂 称 为 不对 称 分 裂 。 癌 干 细 胞 通 过 自 我 更 新 维 持 着 肿 瘤 的 持 续 生 长 。癌 干 细 胞 积 累 了 所 在 肿 瘤 的 基 因

19、突 变 ， 正 是 这 些基 因 突 变 导 致 了 肿 瘤 细 胞 的 过 度 增 殖 ， 乃 至 转 移播 散 。 61 62 n 癌 干 细 胞 的 致 瘤 性 因 肿 瘤 种 类 不 同 差别 较 大 ， 主 要 从 两 个 方 面 进 行 评 价 ： 一是 癌 干 细 胞 在 体 外 克 隆 形 成 的 能 力 ;二 是癌 干 细 胞 在 免 疫 缺 陷 细 胞 动 物 体 内 的 肿瘤 形 成 。 63 n 具 有 多 向 分 化 潜 能 ， 能 够 重 建 相 应 组 织 所 有的 细 胞 成 分 。 肿 瘤 干 细 胞 能 够 形 成 缺 乏 自 我更 新 能 力 但 具 有

20、分 裂 能 力 的 子 代 细 胞 ， 生 理状 态 下 称 为 “ 分 化 ” 。 肿 瘤 缺 乏 分 化 为 表 型正 常 的 成 熟 细 胞 的 能 力 ， 但 能 发 生 不 同 程 度的 有 限 的 分 化 ， 从 而 形 成 组 织 病 变 学 各 异 的肿 瘤 。 64 n 耐 药 性 是 癌 干 细 胞 的 特 征 之 一 ， 因 而 不 少报 道 认 为 癌 干 细 胞 的 存 在 是 导 致 肿 瘤 化 疗 失 败的 主 要 原 因 。 65 66 治 疗 新 思 路n 1.削 弱 增 殖 能 力n 2.促 进 分 化n 3.破 坏 微 环 境n 4.诱 导 凋 亡n 5.

21、增 加 对 放 疗 和 化 疗 的 敏 感 性 67 抑 制 癌 干 细 胞 信 号 通 路 和 相 关 酶 的活 性 ， 削 弱 增 殖 能 力 。 68诱 导 癌 干 细 胞 分 化 ， 消 耗 其 分 裂 潜 能 ， 达 到抑 制 肿 瘤 发 展 的 目 的 。 69破 坏 为 癌 干 细 胞 提 供 养 分 和 保 护 的 微 环 境 ， 抑 制 增 殖和 成 瘤 的 能 力 。 70用 靶 向 性 病 毒 载 体 携 带 促 凋 亡 基 因 诱 导 癌 干 细 胞进 入 凋 亡 程 序 ， 达 到 清 除 目 的 。 71抑 制 抗 性 相 关 蛋 白 的 表 达 ， 增 加 对 放

22、 疗 和化 疗 的 敏 感 性 ， 提 高 放 化 疗 的 有 效 率 。 72 1.癌 干 细 胞 的 来 源 ？ 肿 瘤 干 细 胞 是 正 常 的 成 体 干 细 胞 甚 至 体 细 胞 基因 突 变 所 致 。 肿 瘤 干 细 胞 主 要 来 源 于 细 胞 融 合 。 肿 瘤 干 细 胞 起 源 与 病 毒 有 关 。 肿 瘤 干 细 胞 起 源 于 残 留 的 静 止 的 胚 胎 干 细 胞 。 73 74 75 癌 干 细 胞 的 分 离 培 养技 术n 癌 干 细 胞 分 离 分 选 ， 培 养 扩 增 是 进行 癌 干 细 胞 特 性 研 究 的 首 要 步 骤 。现 有 不

23、 少 实 验 室 主 要 应 用 ： 流 式 分选 ， 磁 式 分 选 这 两 种 手 段 ， 报 道 了癌 干 细 胞 的 分 离 成 功 ， 但 这 并 不 意味 着 这 些 技 术 已 经 成 为 经 典 。 76 12.3 真 核 细 胞 基 因 表 达 的 调 控看 家 基 因 (House-keeping gene) 组 织 特 异 性 (Tissue-specific gene)表 达 基因 或 称 为 奢 侈 基 因 (luxyry gene) 细 胞 分 化 主 要 是 奢 侈 基 因 中 某 种 (或 某 些 )特定 基 因 的 选 择 性 表 达 的 结 果 。 77 基

24、因的选择性表达 78 基 因 表 达 的 调 控 真 核 细 胞 基 因 表 达 的 调 控 是 多 级 调 控 系 统 ， 主 要 发 生 在三 个 彼 此 相 对 独 立 的 水 平 上 ： 转 录 水 平 的 调 控 加 工 水 平 的 调 控 翻 译 水 平 的 调 控 79 一 转 录 水 平 的 调 控 真 核 细 胞 基 因 表 达 的 调 控 是 多 级 调 控 系 统 ， 主 要 发 生 在三 个 彼 此 相 对 独 立 的 水 平 上 ： 转 录 水 平 的 调 控 加 工 水 平 的 调 控 翻 译 水 平 的 调 控 80 转 录 激 活 基 因 转 录 水 平 的 控

25、 制 错 综 复 杂 ， 受 多 种 因 素 影 响 TATA盒 、 CAAT盒 和 GC盒 ， TATA盒 决 定 转 录 起 始 的 位 点 ， CAAT盒 和 GC盒 决 定 RNA聚 合 酶 转 录 基 因 的 效 率 。 转 录 因 子 结 构 转 录 因 子 与 DNA序 列 相 互 作 用 最 常 见 的 几 种 结 构 模 式 81 启 动 子 元 件 的 位 置 82 转 录 因 子 结构 83 转 录 因 子 与 DNA序 列 相 互 作 用 最 常 见 的 几 种 结 构模 式 84 转 录 激 活 机 制 的 模 型 85 基 因 表 达 阻 遏 DNA甲 基 化 （

26、DNA methylation） 与 基 因表 达 阻 遏 有 关 基 因 组 印 记 （ genomic imprinting） 是 说 明 甲 基 化 作 用 在 基 因 表 达 中 具 有 重 要 意 义 的 最 好 例 证 ， 也 是 哺 乳 动 物 所 特 有 的 现 象 86 甲 基化 作用 与基 因活 性调 节 87 二 、 转 录 后 调 控 转 录 后 调 控 包 括 转 录 后 加 工 、 降 解 调 节 。 简 单 的 转 录 本 的 加 工 :这 种 转 录 本 的 加 工 主要 是 切 除 内 含 子 。 内 含 子 的 切 除 按 “ GT-AG”规 则 ,即 内

27、含 子 的 切 除 总 是 在 5端 以 GT开 始 , 在 3端 以 AG结 束 。 复 杂 的 转 录 本 的 加 工 这 种 加 工 的 hnRNA属 于基 因 全 长 转 录 ,经 不 同 剪 接 产 生 不 同 的 成 熟mRNA,表 达 不 同 的 产 物 。 88 转 录 后 加 工 的 调 节 89 翻 译 水 平 的 调 控 细 胞 质 中 进 行 的 转 译 水 平 的 调 控 包 括 : mRNA稳 定 性 的 控 制 、 差 别 翻 译 译 、 翻 译 起 始 的 控 制 、下 游 区 的 控 制 等 。 铁 蛋 白 的 翻 译 是 细 胞 在 mRNA水 平 控 制

28、基 因 表达 的 一 个 很 好 的 例 子 。 铁 蛋 白 在 细 胞 内 的 作 用 是螯 合 细 胞 质 中 的 游 离 铁 原 子 ， 保 护 细 胞 免 受 游 离金 属 的 毒 性 。 铁 蛋 白 的 翻 译 受 细 胞 内 游 离 铁 的 浓度 调 节 的 ， 铁 离 子 的 浓 度 影 响 一 种 阻 遏 蛋 白 的 活性 。 90 铁 蛋白 的翻 译调 控 91 翻 译 后 加 工 的 控 制 在 真 核 生 物 中 许 多 激 素 的 合 成 都 是 以 一 个 共同 的 前 体 合 成 的 ， 称 为 聚 蛋 白 ， 然 后 切 割 成 不同 的 蛋 白 质 。 但 是 在 不 同 的 组 织 中 ， 切 割 的 方式 是 不 同 的 ， 因 此 相 同 的 基 因 在 不 同 的 组 织 中合 成 不 同 的 激 素 蛋 白 。 例 如 多 肽 蛋 白 阿 黑 皮 素原 (POMC)的 合 成 就 是 一 例 。 92 翻译后加工控制 93 其 它 表 达 调 控 方 式 包 括 mRNA运 输 的 控 制 、 mRNA降 解 的 控 制等 。