w12细胞分化与基因表达调控

《w12细胞分化与基因表达调控》由会员分享，可在线阅读，更多相关《w12细胞分化与基因表达调控（63页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第十二章 细胞分化与基因表达调控 第一节 细胞分化 一、细胞分化的基本概念： 1. 什么是细胞分化？（细胞 differntiaton） 由受精卵开始在胚胎发育中演变出各种类型的组织细胞，细胞之间的形态，结构和功能都发生了稳定的差异变化，这种差异形成过程被称为细胞分化。 胚胎发育及个体发育都是通过高度精确有序的细胞分化过程来实现的。 例1：原肠胚期三个胚层的发育趋势。 例2：红骨髓中的多能造血干细胞分化。,2. 细胞分化特点： 细胞分化是稳定单向演变的，一般来说是不会逆转的； 分化的方向和程序都是预见确定的，例鳞翅目，双翅目昆虫的变态发育，幼虫体节中有不同的成虫盘（or称器官芽）人工诱发使果虫

2、蝇某个成虫盘突变，羽化后将出现某种organ畸变，如“触角足”，现已知成虫盘的细胞分化由一系列的“同源异源盒型基因”hemeobox 基因Hoxs调控。 细胞生理状态常随分化程度而改变：例分化程度增多，对电离辐射的耐受能力亦增强。,二、细胞分化中发育潜能变化： 1. 发育潜能的演变规律： 多能干细胞单能干细胞终末分化细胞。 全能性(totipotenuy)多能性(pluripotercy)单能性(rwonopoency)。 动物个体发育中随着细胞分化程度深入使其发育潜能逐渐变窄，变专一性。 例成熟红细胞是高度分化，是发育到尽头了，因此称为终端分化细胞or称特化细胞。,2. 发育潜能演变机制的探

3、讨： weismann根据马蛔虫及小麦，瘿蚊胚胎中发现chr消减现象(chromosome diminutin)，提出“体细胞分化是由于遗传特质丢失造成的，每一种组织只保留了其专有遗传物质”的学术观点。 20世纪60-70年代，植物组织体外培养能发育成完整植株，证实高度分化的植物组织细胞仍keep全能性，亦证明，细胞分化过程中并没有丢失遗传物质。 3. 发育潜能与动物克隆： clone： 无性繁殖系 cloning 无性繁殖（纯系）方式,三、胞核移植证实了animal特化细胞的细胞核，仍保持全能性： 动物成体上高度分化细胞整体已不具备全能性，但其细胞核仍保持有该物种遗传特性必须的全套基因组，即

4、细胞核仍具有全能性的遗传基础。 2个有关的认识论难点： 既然动物特化细胞的细胞核仍保持有全能性，那么为什么说动物的发育潜能都是随着细胞分化的深入而越变越窄呢？ 既然动物特化细胞的细胞核仍保持着全能性，那么又为什么动物特化细胞的整体却表现为丧失了全能性呢？,四、细胞分化与基因时空表达： 1. 差别基因表达和基因时空表达： 同一个体中不同组织(tissue)细胞进行细胞分化的进程与方向的决定，归根结底就是在于严格按照一定的遗传程序发生了差别基因表达。 管家基因 （house keeping基因） ； 奢侈基因 （huxury 基因） 组织特异性基因。 通常结构基因都是受着严格的时空表达调控，从而导

5、致基因组完成相同的不同组织细胞的显形（phenotype）上发生差异变化，引起细胞分化，这被称为差别基因表达（differential gene express）。 e.g.: 成人血红蛋白是22，胚胎是22，胎儿是2r2。,这种基因时空表达调控的实质，是由有限的少量调控蛋白以组合调控方式来顺序启动众多特异细胞的分化，即关键调控蛋白先启动部分特异基因的表达（express），诱导部分细胞分化，而被启动的基因表达产物又成为其他基因的调控启动因子，从而诱导更多的细胞走向分化，最终由这种级联方式启动分化构成有序的三维细胞群体，导致了器官（organ）形成， e.g.: 对果蝇眼基因转导入早期发育细胞

6、，居然诱导其腿部形成了眼。 理论推算，n个调控蛋白的组合调控可级联启动2n个分化细胞类型。,2. 细胞分化程度与基因时空表达的关系： 高度分化细胞：尽管其细胞核中仍具有完整的基因，但依照基因时空表达的程序表，它还能发生差别基因表达的可能性已极少了。 所以该特化细胞的发育潜能已变得十分有限了。,五、细胞质在细胞分化中的重要作用: 1. 动物特化细胞全能性丧失的原因: 细胞全能性细胞核全能性+细胞质全能发育base 众多试验证明了动物特化细胞本身的细胞质是丧失了发育潜能的，只有细胞核移植到具有全能性发育潜能的卵细胞质中，才有了能实现整个杂交细胞的全能性，这就是该问题的症结。,2. 动物卵细胞质对细

7、胞分化的调控 胚胎学家发现受精卵中，从动物极到植物极之间的卵细胞质呈现分区现象，其中物质的不均一性决定了随后卵裂细胞的不同分化命运。 决定子 性细胞决定子 生殖质、极质 3. 细胞分化决定子的分子性质： 细胞分化决定子实质是来源于母体的遗传调控。 信息是贮存在成熟卵母细胞细胞质中的多种类型的隐蔽mRNA（masked mRNA）（大量存在多copy）。,4. 隐蔽mRNA的特点： 是早在受精之前的卵母细胞阶段转录合成而贮存； 贮存中的隐蔽mRNA无活性（与蛋白质结合，以RNP存在,无活性） 受精引起胞内的Na+浓度改变，诱导隐蔽mRNA 激活； 各种类型的masked mRNA在卵细胞质中是不

8、均一分布的定位贮存，所以卵裂后不同子细胞的细胞分化 方向也各有不同，显然决定细胞分化方向的初始信息 储存于卵细胞中，卵裂后的各个细胞所携带信息已开始有所不同，这种差别又通过胚胎细胞诱导作用，旁分泌信号分子（细胞生长分子因子）对其他细胞产生级联效应，信息被不断修饰成为精细复杂的分化指令，最终指导产生分化各异的细胞 type。,六、细胞之间相互作用对细胞分化的影响： 1. 细胞位置效应，群体效应，其分化与所处位置有关联; 2. 胚胎诱导; 3. 激素对细胞分化的调控。 eg1 蛙的幼体发育变态（甲状腺素） eg2 昆虫幼虫蛹成虫的变态发育（保幼，脱皮激素） 七、环境与细胞分化的影响： 新生婴儿表现

9、的各种type的先天畸形，其病因约只有10%左右是因遗传因素，而其余的则是因环境因素or是因环境与遗传共同作用所致，涉及的环境因素有：营养胁迫，瘟疫、病原菌传染，有毒化学物质、射线辐射等。致畸的关键敏感时期是怀孕头三个月。,八、再生现象（植物及低等动物）： 蚯蚓等再生能力较强，再生现象实质也是细胞分化的一种特殊形式。 1. 再生是来源于创伤面的去分化细胞： 去分化（dedifferentiation）， 再分化（redifferentiation）。 2. 再生现象的启示： 某些动物细胞在特定条件下，某细胞分化是可能逆转，即由终端分化 去分化 再分化。,九、克隆动物研究的意义（人为条件下的再生

10、）： 1. 首次证实了哺乳动物成体的特化细胞的细胞核仍保持有发育全能性，英国Roshin研究所尝试以成体乳腺细胞的细胞核移植来探索clone动物这种无性繁殖途径的研究背景及研究目的是为了用此技术来扩展转基因动物的生物学效应。 2. 首次成功证实了哺乳动物特化细胞的发育潜能是有可能在人为条件下发生逆转分化的，并探索了实现去分化再分化的实验技术。 以冷饥饿休克处理法，使供核细胞进入Go期状态，实现去分化。 以电脉冲融合法，激活移植卵启动，实现再分化。,3. 证实了动物clone并不是100%的复制，clonecopy： “A”亲本是细胞核供详，“B”亲本是“卵细胞质受体”, “C”亲本是供胚胎发育

11、的子宫环境的“代理母亲”。 4. 显示出clone动物技术的可应用范围尚待深入考察： “多莉” 单clone的未老先衰的现象，证实了端粒DNA序列消减速率控制着细胞的衰老速率。,第二节 癌细胞 在致癌因子作用下，某些细胞发生转化, 不再进行正常分化和衰亡，而造成了不受调控的恶性增殖细胞，即癌细胞 (cancer 细胞)，实质是分化程序异常的细胞。,一、癌细胞的主要特征： 1. 无限增殖； 2. 丧失接触抑制性能； 3. 癌细胞之间粘着性减弱，其侵润性和扩散性，能通过血液循环和淋巴途径转换； 4. 易被外源凝聚素所凝聚，癌细胞上的外源凝集素受体（糖蛋白质）数量增多； 5. 体外培养时，粘壁性能降

12、低（可悬浮培养）； 6. 细胞骨架结构紊乱，mRNA转录谱系和蛋白表达谱系改变（癌细胞外形，出现变形）； 7. 膜抗原发生变化（躲避免疫监视）； 8. 对外源性生长因子需求量降低，自分泌（在低血清和无血清培养液中生长）。,二、致癌因素： 1. 物理致癌因子，辐射射线； 2. 化学致癌因子，诱变剂； 3. 生物致癌因子： 肿瘤virus：既有DNA virus，又有RNA virus，但并非所有病毒致癌。 某些生物天然成分和生化代谢产物： 苏铁青，黄樟素， 黄曲霉素， 巴豆油， 儿茶酚， 吡咯烃，生物碱等。,三、细胞癌基因 & 抑癌基因： 1.癌基因： 现已知人类基因组中有近百种细胞癌基因，or

13、称原癌基因 ，这些基因其实在正常细胞之中并不起致癌作用，而是与细胞生长&分化有关的重要功能基因，但如果有致癌因子诱导，造成这些原癌基因被激活，即引起癌基因突变，or在基因前插入强启动子，or是引起了原癌基因的扩增，或是引起了原癌基因的染色体区段发生了重排，都可能导致这些原癌基因的产物发生异常表达，从而导致了细胞癌变。,2.抑癌基因与基因突变Ras： 现还已知人类基因组中有另一类型的基因，这类基因具有抑制细胞癌变特化的作用，被称为抑癌基因，这类基因也是细胞中正常的重要基因，但若出现这类基因的2个等位基因都丢失和失活时也可以发生细胞癌变。 抑癌基因是细胞增殖过程中正常负调控因子，其编码的蛋白质在细

14、胞周期的检验上起阻止周期进程的作用，如果抑癌基因缺失or失活时则导致细胞周期失控，过度增殖而发生细胞癌变。,第三节 基因表达的调控,基因： 是染色体上具有遗传效应的一段DNA序列，为一个转录单位，并通过表达对表型产生专一性效应。 基因表达： DNA编码的遗传信息通过转录和翻译转化为特定蛋白质分子的结构信息，从而表现出细胞和生物体的某种遗传性状。 基因表达的控制： 任何影响转录和翻译过程的启动，关闭和速率的因素及其作用称作基因表达的控制。,一、转录前水平的调控： 通过改变DNA序列和染色质的结构来影响基因表达的过程。 （一）染色质丢失： 某些原生动物，线虫和甲壳类动物在个体发育过程中，体细胞会发

15、生染色质丢失现象，只有以后分化形成生殖细胞的部分细胞才保持完整的基因组。,例：四膜虫含一个大核（营养核）和一个小核（生殖核），小核为生殖核，无转录活性，大核由小核发育而来，在发育的过程中发生多处染色质断裂，并删除大约10%基因组DNA，剩下的基因才成为表达型基因，表现出转录的活性。 高等真核生物（动、植）无基因丢失现象，各类核都具有经过去分化和再分化而发育成完整个体的潜在能力，即含全部基因，称核的全能性。,（二） 基因扩增： 指细胞内某些特定基因的拷贝数专一性地大量增加的现象。 例如：两栖类和昆虫的卵母细胞，需要1012个核糖体大量合成蛋白，需要专一性的扩增rRNA基因（rDNA）非洲爪蟾体细

16、胞rDNA有500拷贝，在卵母细胞期拷贝扩增为2百万个，以满足胚胎发育的需要。,(三) 基因重排： 脯乳动物可产生106108 种不同的抗体，由 B-淋巴细胞分化期间发生基因组重建，产生抗体的多样性。 抗体由两条轻链（L）重链（H）组成： K 轻链基因片段有四类：L：前导片段 V：可变片段 200 5 J ：连接片段 C：恒定片段 重链基因片段有五类：L：前导片段 V：可变片段 200 D：多样性片段 12 J ：连接片段 5 C：恒定片段 8,抗体的基因组有三个独立的多基因族：两个编码轻链，一个编码重链。 淋巴细胞受抗原刺激 分化为浆细胞时，胚原型DNA发生基因重排 表达型DNA： 重链基因族先重排：一个D片段与一个Jh片段连接，Vh片段与DJh片段连接 VhDJh。当Vh基因经重排连接到恒定区增强子附近即可开始表达。,K轻链需经过Vk、Jk连接，形成可变区，再与Ck片段构成