细胞分化与基因表达调控.ppt

1,细胞同步化的方法动粒与着丝粒的区别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,细胞的重大生命活动：,细胞分化（cell differentiation）：经分裂形成在形态、结构和功能上不同的稳定的细胞类群的过程；是个体发育的基础和核心。,4,细胞分化与机体的正常功能：,细胞分化是个体行使正常功能的保证。本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞 能行使不同的功能（分工）；核心：基因是如何有序表达的？（调控）。,5,一 细 胞 分 化,一、基本概念（一）基因的选择性表达（主线）实验证据（分子杂交）：不同的细胞类型（cell types)中，DNA相同，mRNA种类不同，蛋白质种类不同。结论：相同的基因组在不同细胞中的选择性表达；细胞分化是基因选择性表达的结果。,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,（二）管家基因和奢侈基因 管家基因（housekeeping genes)：维持细胞基本功能所必需的基因，在所有细胞类型中均表达。e.g.,肌动蛋白、微管蛋白、组蛋白、核糖体蛋白、TAC 循环的关键酶，etc.组织特异性基因（tissue-specific genes):在不同的细胞类型中特异性地表达，使细胞形成特定的形态结构，行使特定的功能。e.g.,卵清蛋白、胰岛素、血红蛋白，etc.调节基因（regulatory genes):调节基因的表达。(?),9,（三）组织特异性基因调控的基本模式 细胞分化过程是由一系列基因产物（regulatory proteins）调控的。i.e.,每个基因的表达都必须：在正确的细胞中；在正确的时间；对正确的信号产生正确的反应；产生正确的表达水平。问题：细胞是如何协调（coordinate）这一过程的？答案：一个关键的调控蛋白，可以调控一系列下游基因，完成细胞分化。,10,肾上腺（糖）皮质激素受体的调控模式,11,MyoD在骨骼肌细胞分化中的关键作用,比喻：关键调控蛋白打开组合密码锁的最后一个数字。,12,组合调控：少数调控蛋白完成众多细胞类型的分化,13,例子：眼形成的关键调控蛋白Ey（果蝇）,14,15,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。,16,二、影响细胞分化的因素（一）细胞的全能性（totipotency）：单个细胞形成完整个体的能力。e.g.，受精卵、早期胚胎细胞；现已证实高度分化的细胞也具有全能性。（基础、内因）实验证据：植物体细胞胚胎发生（plant somatic embryogenesis）;动物克隆（1997，多莉羊；）高度分化的动植物体细胞，在遗传背景（基因组DNA)和功能上均是全能的。,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，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,衍生自囊胚的内细胞团或原始外胚层的细胞；永生化(immortal)；能维持稳定的正常的二倍体染色体结构；有稳定的发育潜能，能被诱导增殖或分化；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,由胚胎干细胞（ESC）制造嵌合鼠,27,28,造血干细胞的分化（hemopoiesis）,29,30,细胞信号的传递方式,31,32,正反馈途径,33,染色质的不均一性,34,3，细胞质的影响,受精卵的细胞质不均一性和不均等卵裂 细胞增殖过程中产生不均等细胞的方式,35,细胞质不均一性的分子基础,“决定子”(determinant)(?)细胞质成分：mRNA；隐藏mRNA；生殖质(germ plasm),36,4，细胞间的相互作用和位置效应 细胞相互作用：信号分子的作用（见前）细胞位置效应（position effect）：“位置信息”（?）morphogen（形成素）；“sonic hedgehog”基因产物,37,鸡胚肢体形成中sonic hedgehog 产物作为一种morphogen 的作用,38,39,40,目前的主要成果：同源异形基因群（homeotic selector genes,Hox genes）的发现（果蝇）；Hox：高度保守，180 bp 同源框（homeobox）;60 a.a.同源异形结构域（homeodomain）;“helix-turn-helix”珠蛋白（globin）基因簇在人胚胎中红系细胞发育过程中的基因表达起重要调控作用。,41,同源异形结构域与特异DNA序列的结合参与了基因调控,42,12.2 癌细胞,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,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。,癌干细胞,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,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。,有杀错，无放过。,不根治，仍复发。,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。,为肿瘤发生机制的认识提供了一条新思路。,60,癌干细胞的特点,1,自我更新性,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。,61,62,2.高致瘤性,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。,63,3.分化潜能,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,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。,4.耐药性,65,新治疗策略,66,治疗新思路,1.削弱增殖能力2.促进分化3.破坏微环境4.诱导凋亡5.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。,尚未解决的科学问题,73,74,75,癌干细胞的分离培养技术,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（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。,