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1、Welcome!细胞分化、细胞凋亡细胞分化、细胞凋亡与肿瘤与肿瘤 中南大学肿瘤研究所中南大学肿瘤研究所 卢卢 建建 红红本节目标l了解细胞的分化和凋亡的概念了解细胞的分化和凋亡的概念l细胞分化和凋亡的调控机制细胞分化和凋亡的调控机制l细胞分化和凋亡异常与肿瘤细胞恶性增细胞分化和凋亡异常与肿瘤细胞恶性增殖之间的联系殖之间的联系Celll细胞是生命的基本单位细胞是生命的基本单位，细胞的特殊性决定了，细胞的特殊性决定了个体的特殊性个体的特殊性l肿瘤：细胞无限增殖肿瘤：细胞无限增殖l对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键和征服疾病的关键l细胞生
2、物学已经成为当代生物科学中发展最快细胞生物学已经成为当代生物科学中发展最快的一门尖端学科的一门尖端学科 l20世纪世纪50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家予了从事细胞生物学研究的科学家。G1 and S Phases of the Cell Cycle SIGMA-ALDRICHG2 and M Phases of the Cell Cycle SIGMA-ALDRICH细胞周期的三个归宿l分裂（division)l分化(differentiation)l死亡(death)细胞分化l细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。l每个
3、人的一生中都在进行着细胞分化。l细胞分裂的不对称性和细胞间的相互作用是细胞分化的两个基本机制。受精卵细胞分化的全能性植物细胞分化的全能性植物细胞分化的全能性干细胞能分化为多种类型的细胞l卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。北极或动物极：极体释放的部位；北极或动物极：极体释放的部位；南南极极或或植植物物极极：相相对对北北极极而而言言，母母体体物物质质主主要要储储存存在在于于植物极。植物极。 细胞分化的机理细胞分化的机理（一）细胞分裂的不对称性（一）细胞分裂的不对称性l动物卵细胞中贮存有动物卵细胞中贮存有大量大量mRNA，呈非均匀分布；呈非均匀分布；用用转转录录抑抑制制
4、剂剂放放线线菌菌素素D处处理理海海胆胆受受精精卵卵，胚胚胎胎发发育仍能进行至囊胚期育仍能进行至囊胚期用用蛋蛋白白质质翻翻译译抑抑制制剂剂嘌嘌呤呤霉霉素素处处理理受受精精卵卵，受受精精卵卵停止发育。停止发育。l卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。昆昆虫虫以以表表面面卵卵裂裂的的方方式式形形成成胚胚层层细细胞胞的的。迁迁入入卵卵的的后后端端极极质质部部的的细细胞胞发发育育为为原原始始生生殖殖细细胞胞，用用紫紫外外线线照照射射这这一一区区域域，破破坏坏极极质质，卵卵将将发发育育为为无无生生殖殖细细胞胞的不育个体。的不育个体。 l1、胚胚胎胎诱诱
5、导导(embryonic induction) ：胚胚胎胎发发育育过过程程中中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。l诱导者诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞：对其它细胞起诱导作用的细胞：脊脊索索可可诱诱导导其其顶顶部部的的外外胚胚层层发发育育成成神神经经板板，神神经经沟沟和和神经管；神经管；视视胞胞可可诱诱导导其其外外面面的的外外胚胚层层形形成成晶晶体体，而而晶晶体体又又可可诱诱导外胚层形成角膜。导外胚层形成角膜。（二）细胞间的相互作用l2、分分化化抑抑制制：分分化化成成熟熟的的细细胞胞可可以以产产生生抑抑素素，抑抑制
6、制相相邻细胞发生同样的分化。邻细胞发生同样的分化。如如含含有有成成蛙蛙心心组组织织的的培培养养液液培培养养蛙蛙胚胚，则则蛙蛙胚胚不不能能发育出正常的心脏。发育出正常的心脏。l3、细胞数量效应、细胞数量效应小小鼠鼠胚胚胎胎胰胰腺腺原原基基在在体体外外进进行行组组织织培培养养时时，可可发发育育成成具具有有功功能能的的胰胰腺腺组组织织，但但如如果果把把胰胰原原基基切切成成8小小块块分分别别培培养养，则则都都不不能能形形成成胰胰腺腺组组织织，如如果果再再把把分分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。开的小块合起来，又可形成胰腺组织。l4、细胞外基质的影响、细胞外基质的影响干细胞在干细胞在IV型胶原和层粘连
7、蛋白上分化为上皮细胞；型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；在在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。l5、激素的作用、激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素。如昆虫的保幼激素和脱皮激素。l1、染色体、染色体结构的构的变化化l1）基因）基因删除：原生除：原生动物、昆虫、甲壳物、昆虫、甲壳动物。物。l2）基因扩增：）基因扩增：果果蝇多多线染色体。染色体。l3）基因重排：）基因重排：免疫球蛋白基因（免疫球蛋白基因（106108种抗体）。种抗体）。l4）DNA的的甲甲基基化化与与异异染染色
8、色质质化化：胞胞嘧啶的的甲甲基基化化使使基基因因失活。失活。（三）细胞核与细胞分化l2、基因与细胞分化、基因与细胞分化l无无论论是是母母体体mRNA的的作作用用还还是是细细胞胞间间的的相相互互作作用用，其其结果是启动特定基因的表达。结果是启动特定基因的表达。l根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：卵卵受受精精后后，首首先先表表达达的的是是母母体体基基因因；母母体体基基因因的的产产物物是是转转录录因因子子，沿沿胚胚的的前前后后轴轴形形成成一一个个浓浓度度梯梯度度，决决定定了了胚胚的的前前后后位位置置和和头头尾尾区区域域；控控制制其其它它基基因因的的表达：表达
9、：母母体体基基因因 间间隙隙基基因因 成成对对基基因因体体节节极极性性基基因因同源异形基因（同源异形基因（homeotic gene，Hox）细胞分化与肿瘤l一些细胞不能完成正常的细胞分化异常的细胞分化l不能逆转。体外培养中：某些分化细胞能重新分化，且失去原来的结构和功能“永生”细胞株(去分化，dediffrentiation)l无限分裂（“婴儿期”，丧失部分或全部原有功能）肿瘤细胞的分化异常肿瘤的分化程度也就是肿瘤组织的成熟程度。分化在肿瘤病理学中常指肿瘤细胞在形态、功能、代谢、行为等方面与其起源程序的成熟细胞（相应的正常细胞）的相似程度。肿瘤细胞越相似于相应的正常细胞，则为高分化。病理学家
10、根据瘤细胞分化水平不同，常常将一些组织的恶性肿瘤分为三级或四级，即将高分化列为I级，中分化、低分化列为级，未分化列为级。瘤细胞分化程度与其来源组织的正常形态高分化肿瘤高接近中分化肿瘤较低明确保留起源组织的特点低分化肿瘤较低近似来源组织的不成熟形态未分化肿瘤极差能断定来自上皮组织但又不能肯定是来自鳞状上皮或柱状上皮者称未分化癌（undifferentiatedcarcinoma）能断定间叶组织来源但又根据形态难于肯定是何种间叶组织，则称之为未分化肉瘤良性与恶性肿瘤在分化程度上的差异程度核异型性与起源组织差异核分裂象良性肿瘤高小相似无或少恶性肿瘤低大差异明显多细胞分化的调控l问题问题：不同分化阶段
11、的细胞具有相同的：不同分化阶段的细胞具有相同的遗传物质（基因组），为何表现不同的遗传物质（基因组），为何表现不同的生物学性状？生物学性状？l答案答案：基因的表达并不是同时发生的，：基因的表达并不是同时发生的，而是按照一定的程序相继活化和表达而是按照一定的程序相继活化和表达（差示表达）（差示表达）l因此因此，必须拥有一套完整、准确和适时，必须拥有一套完整、准确和适时的基因调控机制的基因调控机制基因表达调控的系列过程l染色质的结构变化染色质的结构变化l基因转录（主要）基因转录（主要）l转录后加工转录后加工l转录产物（转录产物（RNA）的稳定、转运和降解的稳定、转运和降解l翻译翻译l翻译后加工翻译后
12、加工转录水平的调控l基因的活化基因的活化l顺式作用元件（顺式作用元件（cis-acting elements)l反式活化因子反式活化因子(anti-activating factors)即即转录因子转录因子(transcription factors)基因的活化：染色质松懈l使使RNA聚合酶和聚合酶和DNA接触接触l高度特异性高度特异性l涉及涉及DNAaseI敏感区的产生、敏感区的产生、DNA甲基甲基化和螺旋结构改变、组蛋白的乙酰化和化和螺旋结构改变、组蛋白的乙酰化和去乙酰化等去乙酰化等l因果和协调机制尚不清楚因果和协调机制尚不清楚染色质由染色质由DNA、组蛋白、组蛋白、非组蛋白及少量非组蛋白
13、及少量RNA组成，组成，比例为比例为 1：1：（：（1-1.5）：）：0.05。cis-acting elementsl定义：与被转录基因在距离上比较接近，调控定义：与被转录基因在距离上比较接近，调控转录的特殊转录的特殊DNA序列序列l启动子（启动子（promoter），），启动子上游近侧的高度启动子上游近侧的高度保守短序列（保守短序列（TATA、CAAT和和GC盒）调节转盒）调节转录起始录起始l增强子（增强子（enhancer），），某些增强子在不同的细某些增强子在不同的细胞分化阶段针对不同的基因胞分化阶段针对不同的基因l沉寂子（沉寂子（silencer），），近年在酵母中发现，负性近年在酵
14、母中发现，负性调控作用调控作用哺乳哺乳类RNA聚合聚合酶启启动子子中常中常见的元件的元件Transcription factorsl是是一类细胞核内蛋白因子，通过识别和一类细胞核内蛋白因子，通过识别和结合基因近端或远端的结合基因近端或远端的cis-acting 元件，元件，实现正实现正/负性调控负性调控l具有具有DNA结合位点、活化位点、细胞核结合位点、活化位点、细胞核固定位点、配体结合位点（使转录因子固定位点、配体结合位点（使转录因子被激素、生长因子等激活）被激素、生长因子等激活）RNA聚合聚合酶的基本的基本转录因子因子 转录因子结构分类l锌指锌指结构（结构（zinc finger），），l
15、亮氨酸拉链（亮氨酸拉链（leucine zipper）l螺旋螺旋-环环-螺旋（螺旋（helix-loop-helix，HLH）与细胞分化有关的转录因子lAP-1/FOS/Jun 结合结合SV40病毒病毒lMyo D 肌肉细胞分化相关肌肉细胞分化相关l肝细胞分化相关肝细胞分化相关 6种以上种以上lPOU结构域蛋白结构域蛋白 哺乳动物细胞分化相关哺乳动物细胞分化相关l红细胞系分化相关红细胞系分化相关 如如GATA-1结合珠蛋结合珠蛋白的白的promoter和和enhancer转录后调控lmRNA的翻译：剪接、加工、编辑、转的翻译：剪接、加工、编辑、转运（由细胞核至胞浆）；翻译的起始、运（由细胞核至
16、胞浆）；翻译的起始、翻译后肽链的折叠和加工翻译后肽链的折叠和加工lmRNA的剪接在不同的细胞及细胞分化的剪接在不同的细胞及细胞分化阶段因剪接因子表达的不同而不同阶段因剪接因子表达的不同而不同加工过程与转录同时进行在转录过程中肽的丝氨酸残基2和5上CTD（多聚酶II的羧基末端区域）的动态的磷酸化和去磷酸化人类CTD的氨基酸末端支持加帽而不支持剪接或3端加工，而其羧基末端支持所有加工步骤mRNA的核转运。转运前有序加工。这些成熟化事件对于纠正mRNA包装是重要的。一个关键的步骤就是把EJC加到mRNA上。外外接合复合物（EJC）是由接合处上游大约20核苷形成的接合小体沉积而成，包含RNA连接蛋白复
17、合物， EJC是动力的一些成分甚至在转运到细胞质中仍与mRNA保持联系。因 此 ， EJC与 mRNA加 工 和mRNA转运到细胞质事件有关。 细胞微环境对分化的影响l细胞外基质，如胶原纤维、血栓敏感素等l生长和分化因子，如造血生长因子调节造血干细胞的生长和分化l细胞-细胞间相互作用，信息传递l细胞内钙离子和pH值造血微环境模式造血微环境模式Pattern of microenvironment细胞分化异常与肿瘤发生l典型：白血病l多能造血干细胞发育分化的某一阶段受阻l特异性细胞的染色体缺失、倒位、易位等，导致癌基因活化或抑癌基因的失活血细胞的生成肿瘤的诱导分化治疗l20世纪世纪70年代后期，
18、年代后期，Sachs研究鼠白血病，研究鼠白血病，最早提出最早提出differentiation therapyl80年代中期，上海血液研究所率先使用年代中期，上海血液研究所率先使用全反式维甲酸（全反式维甲酸（ATRA）治疗治疗APL（急性急性早幼粒细胞白血病）成功。调控癌基因、早幼粒细胞白血病）成功。调控癌基因、转录、细胞增殖因子及其受体基因、酶、转录、细胞增殖因子及其受体基因、酶、细胞结构蛋白的表达细胞结构蛋白的表达l在实体瘤治疗方面也有探索和效果在实体瘤治疗方面也有探索和效果细胞死亡的方式l坏死坏死 （necrosisnecrosis），）， killed by injurious age
19、nts killed by injurious agentsl凋亡凋亡 （apoptosisapoptosis），）， induced to commit suicide induced to commit suicide 借借用古希腊语用古希腊语 KerrKerr（19721972）提出。提出。直到直到20世纪世纪90年代初，年代初，由于分子肿瘤学研究发现细胞凋亡与肿瘤的发生、发展，由于分子肿瘤学研究发现细胞凋亡与肿瘤的发生、发展，以及与肿瘤治疗中的细胞死亡有密切关系，才引起极大以及与肿瘤治疗中的细胞死亡有密切关系，才引起极大重视，通过研究发现了一系列控制凋亡发生的基因和蛋重视，通过研究发现
20、了一系列控制凋亡发生的基因和蛋白分子。白分子。l程序性死亡程序性死亡 （programmed cell deathprogrammed cell death， PCD PCD），），一种一种基因指导的细胞自我消亡方式基因指导的细胞自我消亡方式Apoptosis PCDl形态学概念，指与细形态学概念，指与细胞坏死不同的受到基胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形因控制的细胞死亡形式；式； l并非都是程序化的。并非都是程序化的。l功能性概念，描述在功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的、体发育中一个预定的、受到严格控制的正常受
21、到严格控制的正常组成部分组成部分 l最终结果是最终结果是apoptosis2002年年10月月7日英国人悉尼日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯布雷诺尔、美国人罗伯特特霍维茨和英国人约翰霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在器官发苏尔斯顿，因在器官发育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝育的遗传调控和细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔生理与医学奖尔生理与医学奖 细胞凋亡cell apoptosisl 与细胞坏死的区别是：与细胞坏死的区别是：l细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；l凋亡小体内有结构完整的细胞器；凋亡小体内有结构完整的细胞器；l不引起炎症；不引起炎症；
22、l线粒体无变化，溶酶体活性不增加；线粒体无变化，溶酶体活性不增加；l内切酶活化，内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；l凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。 分为诱导、效应和降解分为诱导、效应和降解3个时期个时期Apoptosis的生物学意义的生物学意义apoptosis的生物学意义（续）的生物学意义（续）l保持细胞类型和数量的相对恒定，尤其保持细胞类型和数量的相对恒定，尤其胚胎发育期胚胎发育期lDNA损伤，损伤，p53表达使细胞停滞于表达使细胞停滞于G1期期l与衰老有关，不能清除损伤或无功能细与衰
23、老有关，不能清除损伤或无功能细胞并代之以新细胞胞并代之以新细胞Procedure and Morphology of APO正常胸腺细胞凋亡胸腺细胞Caspaselcysteinylaspartate-specificproteinases天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶（家族）Apaf-1:apoptotic protease activating factor-1Activation and Inhibition of Apoptosis SIGMA-ALDRICHvApoptosis triggered by inter signals: the intrinsic or mitochond
24、rial pathwayvApoptosis triggered by external signals: the extrinsic or death receptor pathway细胞凋亡相关基因与肿瘤l与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋亡的调控参于对细胞凋亡的调控l大多数恶性肿瘤的发病有细胞凋亡异常大多数恶性肿瘤的发病有细胞凋亡异常lbcl-2 c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等等两大家族两大家族bcl-2,caspase对细胞凋亡的调控对细胞凋亡的调控起着举足轻重的作用起着举足轻重的作用mycl在凋亡细胞中在凋亡细胞中c-m
25、yc高表达高表达l激活控制细胞增殖的基因，当生长因子激活控制细胞增殖的基因，当生长因子存在，存在，bcl-2基因表达时，促进细胞增殖基因表达时，促进细胞增殖l激活促进细胞凋亡的基因激活促进细胞凋亡的基因 l促进细胞增殖、抑制分化促进细胞增殖、抑制分化 l在许多人类恶性肿瘤细胞中都发现有在许多人类恶性肿瘤细胞中都发现有c-myc的过度表达的过度表达Bcl-2（家族）l1985，B细胞淋巴瘤细胞淋巴瘤/白血病白血病-2(B-cell lymphoma/Leukemia-2，bcl-2)l抑制抑制细胞凋亡细胞凋亡l通常以二聚体的形式发挥作用通常以二聚体的形式发挥作用 lBcl-2相关蛋白的磷酸化也决
26、定其凋亡调相关蛋白的磷酸化也决定其凋亡调控效应控效应Fas，又称APO-1，1993年统一命名为CD95lFas蛋白与蛋白与Fas配体组成配体组成Fas系统，二者系统，二者的结合导致靶细胞走向凋亡的结合导致靶细胞走向凋亡lfas基因编码产物为分子量基因编码产物为分子量45KD的跨膜的跨膜蛋白，分布于胸腺细胞、蛋白，分布于胸腺细胞、T淋巴细胞、淋巴细胞、B淋巴细胞、淋巴细胞、NK细胞、内皮细胞、上皮细细胞、内皮细胞、上皮细胞以及皮肤角质形成细胞等等胞以及皮肤角质形成细胞等等Fas Signaling Pathway SIGMA-ALDRICHFAS与与CD95LCaspasel蛋白酶家族l选择性
27、地切割蛋白质使其失活或激活p53p53在在G期监视期监视DNA的完整性的完整性The p53 Signaling Pathway SIGMA-ALDRICHApoptosis 与恶性肿瘤l凋亡异常凋亡异常l几乎涉及到细胞凋亡信号途径的所有方几乎涉及到细胞凋亡信号途径的所有方面面le.g 凋亡抑制基因和活化基因的异常凋亡抑制基因和活化基因的异常Bcl-2（APO-）与恶性肿瘤l85%滤泡状和滤泡状和20%弥漫性弥漫性B细胞淋巴瘤：细胞淋巴瘤：染色体染色体t（14；18）易位，易位，Bcl-2基因因基因因Ig基因基因enhancer的影响而高表达的影响而高表达l乳腺癌、肝癌、膀胱癌、肺癌等缺乏乳腺
28、癌、肝癌、膀胱癌、肺癌等缺乏t（14；18）易位，易位，Bcl-2也高表达也高表达lBcl-2的高表达增加对化疗药物的耐受性，的高表达增加对化疗药物的耐受性，影响预后影响预后P53（APO+）与恶性肿瘤l是防止潜在恶性细胞生长和存活的应激反应信号途径的中枢l50%恶性肿瘤：p53基因缺失或突变l其它肿瘤：因P53蛋白的稳定性调节等异常p53表达或功能缺陷诱导apoptosis与肿瘤治疗l目前大多数化疗药物：诱导apoptosis以清除肿瘤细胞l可能活化Caspase和Ca2+依赖性核酸酶（如烷化剂）l通过cAMP介导或调节凋亡相关基因如Bcl-2等（如治疗ALL的糖皮质激素）l导致DNA损伤，激活p53或抑癌基因Rb从而触发apoptosisApoptosis与基因治疗l策略：在肿瘤细胞内导入凋亡活化基因或灭活凋亡抑制基因lwt-p53：转染表达、病毒载体lBcl-Xs、Bax、Caspase等l反义Bcl-2Apoptosis与非基因治疗lFas抗体：与Fas交联，诱导白血病细胞凋亡lTNF：内皮细胞（血管生成）凋亡lCTL：通过FasL活化Caspase白血病细胞凋亡Thank You for Your Attention!
