關(guān)于細胞分化與基因表達的調(diào)控翟中和細胞生物學概述◆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(jié)構(gòu)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(guān)鍵在于不同類型細胞中特異性蛋白質(zhì)的合成，而合成特異性蛋白質(zhì)實質(zhì)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(diào)控。

第2頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第一節(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，2024年2月25日，星期天一、細胞分化的基本概念●細胞分化是基因選擇性表達的結(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

●單細胞有機體的細胞分化●轉(zhuǎn)分化與再生第4頁,共42頁，2024年2月25日，星期天細胞分化是基因選擇性表達的結(jié)果分子雜交技術(shù)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(zhì)，而導致細胞形態(tài)、結(jié)構(gòu)與功能的差異。第5頁,共42頁，2024年2月25日，星期天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(jié)構(gòu)特征與功能；◆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，起激活或阻遏作用。因此，細胞分化的實質(zhì)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，2024年2月25日，星期天組合調(diào)控引發(fā)組織特異性基因的表達

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

生物學作用： 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?shù)恼{(diào)控蛋白組合，不僅可以將一種類型的細胞轉(zhuǎn)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(guān)鍵性調(diào)節(jié)蛋白通過對其他調(diào)節(jié)蛋白的級聯(lián)啟動。第7頁,共42頁，2024年2月25日，星期天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(gòu)建執(zhí)行不同功能的組織與器官?！穸嗉毎袡C體在其分化程序與調(diào)節(jié)機制方面顯得更為復雜。第8頁,共42頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)分化與再生●一種類型分化的細胞轉(zhuǎn)變成另一種類型的分化細胞現(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?！袢シ只址Q脫分化，是指分化細胞失去其特有的結(jié)構(gòu)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，2024年2月25日，星期天二、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，2024年2月25日，星期天細胞的全能性(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，2024年2月25日，星期天·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，2024年2月25日，星期天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(zhì)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(zhì)變化與基因重排對細胞分化的影響第13頁,共42頁，2024年2月25日，星期天細胞分化與胚胎發(fā)育——同源異型基因

（homeoticselectorgene，Hoxgene）

果蠅體節(jié)發(fā)育中起關(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，2024年2月25日，星期天第二節(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(jié)果●癌癥能治療嗎？第15頁,共42頁，2024年2月25日，星期天一．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(nèi)細胞分裂調(diào)節(jié)失控而無限增殖的細胞稱為腫瘤細胞(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。

●基本生物學特征●體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細胞的特征第16頁,共42頁，2024年2月25日，星期天基本生物學特征◆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?！艟哂袛U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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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，2024年2月25日，星期天體外培養(yǎng)的惡性轉(zhuǎn)化細胞的特征◆惡性轉(zhuǎn)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?！襞囵B(yǎng)時對血清依賴性降低◆當將惡性轉(zhuǎn)化細胞注入易感動物體內(nèi)，往往會形成腫瘤第18頁,共42頁，2024年2月25日，星期天二、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?qū)嶋H上是正常細胞增殖過程中的負調(diào)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(guān)基因和抑制細胞增殖相關(guān)基因的協(xié)同作用，共同調(diào)控細胞的正常增殖進程。第19頁,共42頁，2024年2月25日，星期天三、癌癥的發(fā)生是基因突變積累和自然選擇的結(jié)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，2024年2月25日，星期天四、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) ◆抑制癌癥促進蛋白的活性 ◆抑制腫瘤血管形成第21頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)真核細胞基因表達的調(diào)控

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

第22頁,共42頁，2024年2月25日，星期天一．轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控●轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄●DNA的甲基化對真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控●核小體與真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控第23頁,共42頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄◆基因轉(zhuǎn)錄水平的控制錯綜復雜，受多種因素影響

◆TATA盒：位于基因轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄起始的位點，CAAT盒和GC盒決定RNA聚合酶轉(zhuǎn)錄基因的效率。這三種普遍的啟動子元件的位置見圖第1行。◆一般情況下，真核生物基因轉(zhuǎn)錄，除了需要轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶，還需要其他蛋白質(zhì)因子的參與，以幫助通用轉(zhuǎn)錄因子和RNA聚合酶在染色質(zhì)上組裝。這些輔助因子在DNA上的結(jié)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(zhuǎn)錄。第24頁,共42頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄典型的轉(zhuǎn)錄因子至少包括兩個結(jié)構(gòu)域：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域:結(jié)合特異DNA序列激活結(jié)構(gòu)域：激活轉(zhuǎn)錄

此外，許多轉(zhuǎn)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(zhuǎn)錄因子的共同特征，在基因表達調(diào)控中起重要作用。第25頁,共42頁，2024年2月25日，星期天轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄除了激活轉(zhuǎn)錄的轉(zhuǎn)錄因子之外，還有一些轉(zhuǎn)錄因子起抑制基因轉(zhuǎn)錄的作用。轉(zhuǎn)錄抑制因子也是有兩部分組成：DNA結(jié)合結(jié)構(gòu)域抑制結(jié)構(gòu)域第26頁,共42頁，2024年2月25日，星期天DNA的甲基化對真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控◆DNA甲基化（DNAmethylation）與基因表達阻遏有關(guān)

◆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，2024年2月25日，星期天二．加工水平的調(diào)控大部分基因的主要調(diào)控過程發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，但也有相當一部分基因表達的調(diào)控，不但發(fā)生在轉(zhuǎn)錄水平上，轉(zhuǎn)錄后調(diào)控也起到了非常重要的作用。轉(zhuǎn)錄后水平的調(diào)控或稱加工水平的調(diào)控，包括以下幾個方面：初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工翻譯水平的調(diào)控第28頁,共42頁，2024年2月25日，星期天初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工在細胞內(nèi)mRNA的前體有兩種基本剪接方式：編碼蛋白質(zhì)的不連續(xù)基因通過RNA剪接將內(nèi)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(zhì)產(chǎn)物。可調(diào)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(zhì)。第29頁,共42頁，2024年2月25日，星期天翻譯水平的調(diào)控●mRNA的細胞質(zhì)定位●mRNA翻譯的調(diào)控●mRNA穩(wěn)定性的調(diào)控

第30頁,共42頁，2024年2月25日，星期天本章小結(jié)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(zhì)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(zhì)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，2024年2月25日，星期天本章小結(jié)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(jié)果●癌癥能治療嗎？第32頁,共42頁，2024年2月25日，星期天本章小結(jié)真核細胞基因表達的調(diào)控●轉(zhuǎn)錄水平的調(diào)控轉(zhuǎn)錄因子與真核生物的基因轉(zhuǎn)錄DNA的甲基化對真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控核小體與真核生物基因轉(zhuǎn)錄的調(diào)控●加工水平的調(diào)控初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物的加工翻譯水平的調(diào)控第33頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第34頁,共42頁，2024年2月25日，星期天第35頁,共42頁，2024年2月25日，星期天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，2024年2月25日，星期天真核細胞基因表達的調(diào)控，主要發(fā)生在四個彼此相對獨立的水平上：轉(zhuǎn)錄水平調(diào)控：決定某個基因是否會被轉(zhuǎn)錄，什么時候轉(zhuǎn)錄、并決定轉(zhuǎn)錄的頻率。加工水平調(diào)控：決定初始的RNA轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物如何剪接和加工為成熟的mRNA。翻譯水平調(diào)控：決定