细胞生物学 11第十一章 细胞分化与基因表达调控Word格式.docx

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在胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用称为胚胎诱导（embryonicinduction），对其它细胞起诱导作用的细胞称为诱导者（inductor）或组织者，如脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板，神经沟和神经管，视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。

2、分化抑制

用含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏，若去除成蛙心组织，则蛙胚发育正常，这说明分化成熟的细胞可以产生某种物质，抑制相邻细胞发生同样的分化。

这种作用称为分化抑制，具有这种作用的物质称为抑素，抑素具有组织特异性，并不属于同一基因家族，成员之间通常无同源性。

3、细胞数量效应

如小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织，可见细胞数量对诱导组织形成是必要的。

4、细胞外基质

细胞外基质在胚胎发育和细胞分化中具有重要的作用。

如干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上演变为上皮细胞，在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞，在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。

可见胶原对干细胞的定向分化有诱导作用。

在发育与创伤组织中，透明质酸合成旺盛。

能促进细胞的增殖和迁移，阻止细胞的分化，一旦细胞增殖够数则透明质酸被水解，取而代之的是硫酸皮肤素，硫酸软骨素等其它形式的氨基聚糖。

5、激素的作用

激素对细胞分化的影响可看作是远距离细胞间的相互作用，如昆虫的保幼激素和脱皮激素。

前者的功能是保持幼虫特征，促进成虫器官原基的发育，后者的功能是促进脱皮和成虫形态的出现，当两者保持一定的比例时，幼虫脱皮而长大，当保幼激素含量减少或不合成时，幼虫化蛹，变为成虫。

成虫期又开始合成保幼激素，促进性腺的发育。

（三）细胞核与细胞分化

1、染色体结构的变化

基因删除：

某些原生动物、昆虫及甲壳动物细胞分化过程中就有部分染色体丢失现象，如马蛔虫的一个变种（2n=4），当个体发育到一定阶段时在将要分化为体细胞的那些细胞中，染色体破裂为碎片，有些含有着丝粒，在细胞分裂中保留，有的不具有着丝粒，而在分裂中丢失。

将形成生殖细胞的那些细胞中不发生染色体的断裂和丢失现象。

基因扩增：

基因扩增是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，如爪蟾的卵母细胞中，rDNA基因大量扩增以形成大量核糖体，供卵裂和胚胎发育所用，再如果蝇的卵巢滋养细胞和唾腺细胞中，DNA复制而核不分裂，形成多线染色体。

基因重排：

基因重排是基因差次表达的一种调控方式。

哺乳动物能产生106-108种抗体，但并不意味着细胞内具有相应数量的基因，免疫球蛋白是异四聚体结构，除重链和轻链的随机组合以外，免疫球蛋白的多样性主要来源于基因的重新组合。

从这一点来看淋巴细胞的分化是不可逆的。

DNA的甲基化与异染色质化：

脊椎动物一些基因的活性与基调控区域或其周围特定胞嘧啶的甲基化有关，甲基化使基因失活，相应地非甲基化和低甲基化能活化基因的表达。

细胞内的基因可分为“管家基因”（house-keepinggene）和“奢侈基因”（luxurygene），前者是维持细胞生存不可缺少的，后者和细胞分化有关，是组织特异性表达有关的基因，在特定组织中保持非甲基化或低甲基化状态，而在其他组织中呈甲基化状态。

几乎所有的甲基化均发生在二核苷序列5'

-CG-3'

中的C上。

使胞嘧啶变为5'

-甲基胞嘧啶。

而含有这种甲基化CG的序列，对应于染色体上的兼性异染色质区域。

2、基因与细胞分化

图11-4基因与细胞分化

无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其结果是启动特定基因的表达。

因此细胞分化的实质是基因的差次表达或顺序表达。

即特定的基因在特定的时间内在特定的组织中表达的结果。

受精卵发育为新个体，是受一系列基因调控的，这些基因在发育过程中，按照时间、空间顺序启动和关闭，互相协调，对胚胎细胞的生长和分化进行调节。

根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究，发现在卵细胞中，首先表达的是母体基因，这些基因在滋养细胞中转录，然后被输入卵细胞，如bcd、hb、nos、cdl等基因。

这些基因产物在胚形成时，沿前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域，这些母体基因的产物是一种DNA结合蛋白即转录因子[1]，它激活分节基因的转录（图11-4）。

分节基因分为三类，间隙基因（gapgenes），成对基因（pair-rulegenes）和体节极性基因（segmentpolaritygene）。

这三组基因也是等级关系，间隙基因控制成对基因，成对基因控制体节极性基因。

间隙基因。

如kr、kni等的基因产物将胚分为相当于3个体节的区域。

间隙基因产物在它们各自的表达区内形成浓度梯度，这些梯度提供位置信息给成对基因。

成对基因的功能是把将间隙基因分成的区域进一步划分为体节，是胚胎分节的前奏。

体节极性基因如en、wg被成对基因激活，分别在每个体节的前、后部细胞中表达，以形成和维持体节结构。

体节极性基因又激活同源异形基因（homeoticgene，hox）。

决定每一体节的性质与形态特征，即选择体节向某个方向发育、分化，由于这类基因的产物都含有HD结构，所以又称为同源异形框（盒）基因（homeoboxgenes，Hox）。

同源异形基因的突变导致发育的异常，如在本来该长触角的地方长出腿来（图11-5），而在该形成平衡棒的部位长出第二对翅。

图11-5突变果蝇头部的触角发育为足

图11-6正常果蝇的触角分为3节，即：

基节、柄节、梗节，梗节上有一根触角芒

三、成体中的细胞分化

细胞分化不仅存在于胚胎发育过程中，成体中也存在着细胞分化用以补充皮肤、血液、肠上皮细胞的不断更新，成体中的细胞分化有三种形式：

①已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。

在其生长发育过程中，经历了新生→成熟→衰老→死亡的过程，也就是说细胞生长的过程也是分化的过程。

②已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的细胞如血管内皮细胞。

③成体许多组织具有一部分未分化的干细胞，一旦需要可分裂和分化为新的子代细胞。

如多能造血干细胞，可分化为各种血细胞。

四、再生

狭义地讲再生指生物的器官损伤后，剩余的部分长出与原来形态功能相同的结构的现象称为再生，如壁虎的尾、蝾螈的肢、螃蟹的足，在失去后又可重新形成，海参可以形成全部内脏，水螅、蚯蚓、蜗虫等低等动物的每一段都可以形成一个完整的个体等等。

但是从广义的角度来看再生是生命的普遍现象，从分子、细胞到组织器官都具有再在生现象。

再生的形式：

1. 

生理性再生，即细胞更新，如人体内每秒中约有600万个新生的红细胞替代相同数量死亡的红细胞。

2. 

修复性再生，许多无脊椎动物用这种方式来形成失去的器官，如上述提到的壁虎的尾和螃蟹的肢。

3. 

重建，是人工实验条件下的特殊现象。

如人为将水螅的一片组织分散成单个细胞。

在悬液中，这些细胞重新聚集，在几天至几周以后，形成一条新的水螅。

4. 

无性繁殖

关于再生存在着许多引人入胜的问题：

1） 

机体如何意识到失去的部分，又是如何知道丢失的部位及丢失的多少？

即再生如何起始，如何控制？

2） 

替代物来此何处？

是剩余的原胚细胞、干细胞还是已分化的细胞又去分化的结果？

3） 

原结构的重建是补充的新组织，还是由伤口处一些细胞增殖代替了缺失的结构。

现在普遍认为再生是细胞去分化，细胞迁移和细胞增殖的组合，而不是单纯的补充或增殖。

如蝾螈的前肢被切除后①伤口处细胞的粘着性减弱，通过变形运动移向伤口。

形成单层细胞封闭伤口。

这层细胞称为顶帽（apicalcap）或顶外胚层帽（apicalectodermalcap）。

②顶帽下方的细胞，如骨细胞，软骨细胞，成纤维细胞，肌细胞，神经胶质细胞迅速去分化。

形成胚芽。

③胚芽内部缺氧，PH下降，提高了溶酶体的活性，促进受伤组织的清除。

④胚芽细胞加快分裂和生长，最后细胞又开始分化构成一个新的肢体。

从蝾螈断肢再生的实验发现，①当臂神经被完全切除时不再发生断肢再生。

这是因为神经能产生再生促进因子，其中有一种被鉴定为神经胶质生长因子（glialgrowthfactor，GGF）。

②利用视黄酸处理前臂断肢芽基，肢干将忽略已存在的肱骨、桡骨、尺骨，而形成一只从肱骨到指骨的完整手臂。

说明视黄酸能干扰正常的位置信息，现在认为位置信息与同源异形基因的表达有关。

[1]所谓的转录因子，是能够识别基因的启动子，增强子，并与之结合控制该基因转录的DNA结合蛋白，通过对许多转录因子的分析，发现它们都有一个与DNA结合的特殊区域：

如①螺旋-转角-螺旋（HTH），②锌指结构，③螺旋-环-螺旋（HLH），④同源域结构（DH）主要由60个氨基酸序列构成，高度保守，是结合DNA的部位，又称为同源盒（homeobox）

第二节癌细胞

肿瘤（tumor，neoplasm）是一种基因病，但并非是遗传的；

它是指细胞在致瘤因素作用下，基因发生了改变，失去对其生长的正常调控，导致异常增生。

可分为良性和恶性肿瘤两大类。

前者生长缓慢，与周围组织界限清楚，不发生转移，对人体健康危害不大。

后者生长迅速，可转移到身体其它部位，还会产生有害物质，破坏正常器官结构，使机体功能失调，威胁生命。

恶性肿瘤也叫癌症（cancer）是目前危害人类健康最严重的一类疾病。

在美国，恶性肿瘤的死亡率仅次于心血管疾病而居第二位。

据我国2000年卫生事业发展情况统计公报，城市地区居民死因第一位为恶性肿瘤，其次为脑血管病、心脏病。

我国最为常见和危害性严重的肿瘤为肺癌、鼻咽癌、食管癌、胃癌、大肠癌、肝癌、乳腺癌、宫颈癌、白血病及淋巴瘤等。

肿瘤组织由实质和间质两部分构成，肿瘤实质是肿瘤细胞，是肿瘤的主要成分，具有组织来源特异性。

肿瘤的间质起支持和营养肿瘤实质的作用，不具特异性，一般由结缔组织和血管组成，有时还可有淋巴管。

一、癌细胞的主要特征

癌细胞有三个显著的基本特征即：

不死性，迁移性和失去接触抑制。

除此之外，癌细胞还有许多不同于正常细胞的生理、生化和形态特征。

（一）癌细胞的形态特征

癌细胞大小形态不一，通常比它的源细胞体积要大，核质比显著高于正常细胞，可达1:

1，正常的分化细胞和之比仅为1:

4-6。

核形态不一，并可出现巨核、双核或多核现象。

核内染色体呈非整倍态（aneuploidy），某些染色体缺失，而有些染色体数目增加。

正常细胞染色体的不正常变化，会启动细胞凋亡过程，但是癌细胞中，细胞凋亡相关的信号通路产生障碍，也就是说癌细胞具有不死性。

线粒体表现为不同的多型性、肿胀、增生，如嗜酸性细胞腺瘤中肥大的线粒体紧挤在细胞内，肝癌细胞中出现巨线粒体。

细胞骨架紊乱，某些成分减少，骨架组装不正常。

细胞表面特征改变，产生肿瘤相关抗体（tumorassociatedantigen）。

（二）生理特征

细胞周期失控，就像寄生在体内的微生物，不受正常生长调控系统的控制，能持续的分裂与增殖。

具有迁移性，细胞粘着和连接相关的成分（如ECM、CAM）发生变异或缺失，相关信号通路受阻，细胞失去与细胞间和细胞外基质间的联结，易于从肿瘤上脱落。

许多癌细胞具有变形运动能力，并且能产生酶类，使血管基底层和结缔组织穿孔，使它向其它组织迁移（图14-1）。

图14-1肿瘤的迁移

接触抑制丧失，正常细胞在体外培养时表现为贴壁生长和汇合成单层后停止生长的特点，即接触抑制现象，而肿瘤细胞即使堆积成群，仍然可以生长（图14-2）。

图14-2肿瘤细胞失去接触抑制现象

定着依赖性丧失，正常真核细胞，除成熟血细胞外，大多须粘附于特定的细胞外基质上才能抑制凋亡而存活，称为定着依赖性（anchoragedependence）。

肿瘤细胞失去定着依赖性，可以在琼脂、甲基纤维素等支撑物上生长。

去分化现象，已知肿瘤细胞中表达的胎儿同功酶达20余种。

胎儿甲种球蛋白是胎儿所特有的。

但在肝癌细胞中表达，因此可做肝癌早期检定的标志特征。

对生长因子需要量降低，体外培养的癌细胞对生长因子的需要量显著低于正常细胞，是因为自分泌或其细胞增殖的信号途径不依赖于生长因素。

某些固体瘤细胞还能释放血管生成因子，促进血管向肿瘤生长。

获取大量繁殖所需的营养物质。

代谢旺盛，肿瘤组织的DNA和RNA聚合酶活性均高于正常组织，核酸分解过程明显降低，DNA和RNA的含量均明显增高。

蛋白质合成及分解代谢都增强，但合成代谢超过分解代谢，甚至可夺取正常组织的蛋白质分解产物，结果可使机体处于严重消耗的恶病质（cachexia）状态。

线粒体功能障碍，即使在氧供应充分的条件下也主要是糖酵解途径获取能量。

与三个糖酵解关键酶（己糖激酶、磷酸果糖激酶和丙酮酸激酶）活性增加和同工酶谱的改变，以及糖原异生关键酶活性降低有关。

可移植性，正常细胞移植到宿主体内后，由于免疫反应而被排斥，多不易存活。

但是肿瘤细胞具有可移植性，如人的肿瘤细胞可移植到鼠类体内，形成移植瘤。

（二）肿瘤形成的内因

恶性肿瘤的形成往往涉及多个基因的改变。

譬如当刺激细胞增殖相关的基因发生了改变，基因产物或活性增强，但是只要抑制细胞增殖和抑制细胞迁移的基因不发生改变，则不可能形成恶性肿瘤。

肿瘤的形成与原癌基因和抑癌基因的突变均有关。

1.原癌基因

原癌基因（oncogene）是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必须的，在进化上高等保守。

当原癌基因的结构或调控区发生变异，基因产物增多或活性增强时，使细胞过度增殖，从而形成肿瘤。

图14-3原癌基因的产物

原癌基因的产物主要包括（图14-3）：

①生长因子，如sis，②生长因子受体，如fms、erbB，③蛋白激酶及其它信号转导组分，如src、ras、raf，④细胞周期蛋白，如bcl-1，⑤细胞凋亡调控因子，如bcl-2，⑥转录因子，如myc、fos、jun。

表14-1一些原癌基因的功能

原癌基因

功能

相关肿瘤

sis

生长因子

Erwing网瘤

erb-B

受体酪氨酸激酶，EGF受体

星形细胞瘤、乳腺癌、卵巢癌、肺癌、胃癌、唾腺癌

fms

受体酪氨酸激酶，CSF-1受体

髓性白血病

ras

G-蛋白　

肺癌、结肠癌、膀胱癌、直肠癌

src

非受体酪氨酸激酶

罗氏肉瘤

Abl-1

非受体酪氨酸激酶　

慢性髓性白血病

raf

MAPKKK，丝氨酸/苏氨酸激酶　

腮腺肿瘤

vav

信号转导连接蛋白

白血病

myc

转录因子

Burkitt淋巴瘤、肺癌、早幼粒白血病

myb

结肠癌

fos

骨肉瘤

jun

erb-A

急性非淋巴细胞白血病

bcl-1

cyclinD1

B细胞淋巴瘤

早在1911年Rous发现鸡肉瘤无细胞滤液能引起鸡产生新的肉瘤，几十年后，他证实了病原体为罗氏病毒（Rous’ssarcomavirus,RSV），为此获得1966年的诺贝尔奖。

1970年Temin和Batimore证实RSV是一种反转录病毒，获1975年诺贝尔奖。

1970sH.Varmus和J.M.Bishop研究小组发现RSV中的致瘤基因是src基因，但是用src的cDNA（complementaryDNA）和其他基因组DNA杂交，发现src的同源物普遍存在于动物细胞（如鸡、鸭、果蝇）。

原来src编码一种胞质酪氨酸激酶，参与细胞增殖相关的信号转导，是细胞的正常组分。

由于RSV、ASV等反转录病毒的基因组是整合在宿主基因组上复制的，会将宿主的某些基因复制到了自身的基因组中，因此被这样的病毒感染的细胞，src基因拷贝就增多了，引起细胞过度增殖。

为了区别起见将存在于正常细胞中的癌基因序列称为c-onc，而把存在于病毒中的称为v-onc。

从结构上看c-onc是间断的，存在内含子，这是真核基因的特点。

而v-onc是连续的，基因跨度较小。

2.抑癌基因

抑癌基因也称为抗癌基因。

早在1960s，有人将癌细胞与同种正常成纤维细胞融合，所获杂种细胞的后代只要保留某些正常亲本染色体时就可表现为正常表型，但是随着染色体的丢失又可重新出现恶变细胞。

这一现象表明，正常染色体内可能存在某些抑制肿瘤发生的基因，它们的丢失、突变或失去功能，使激活的癌基因发挥作用而致癌。

抑癌基因的产物是抑制细胞增殖，促进细胞分化，和抑制细胞迁移，因此起负调控作用，抑癌基因的突变是隐性的。

抑癌基因的产物主要包括（表14-2）：

①转录调节因子，如Rb、p53，②负调控转录因子，如WT，③周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI），如p15、p16、p21，④信号通路的抑制因子，如rasGTP酶活化蛋白（NF-1），磷脂酶（PTEN）；

⑤DNA修复因子，如BRCA1、BRCA2，

表14-2一些抑癌基因的功能

抑癌基因

Rb

转录调节因子

RB、成骨肉瘤、胃癌、SCLC、乳癌、结肠癌

p53

星状细胞瘤、胶质母细胞瘤、结肠癌、乳癌、成骨肉瘤、SCLC、胃癌、磷状细胞肺癌

WT

负调控转录因子

WT、横纹肌肉瘤、肺癌、膀胱癌、乳癌、肝母细胞瘤

NF-1

GAP，rasGTP酶激活因子

神经纤维瘤、嗜铬细胞瘤、雪旺氏细胞瘤、神经纤维瘤

DCC

细胞粘附分子

直肠癌

p21

CDK抑制因子

前列腺癌

p15

CDK4、CDK6抑制因子　

成胶质细胞瘤

BRCA1

DNA修复因子，与RAD51作用

乳腺癌、卵巢癌

BRCA2

乳腺癌、胰腺癌

PTEN

磷酯酶

Rb（人类视网膜细胞瘤）基因是第一个被克隆的抑癌基因。

Rb的突变导致视网膜瘤。

散发性Rb发生较晚，一般只危及一眼，遗传性Rb往往危及双眼，3岁左右发病形成多个肿瘤（图14-4）。

在G1期Rb与E2F结合，抑制E2F的活性，在G1/S期Rb被CDK2磷酸化失活而释放出转录因子E2F，促进蛋白质的合成（图14-5）。

图14-4散发性和遗传性Rb功能丧失的机理

图14-5Rb基因的作用

3.原癌基因的激活

恶性肿瘤的发生归根到底是因为原癌基因的激活和抑癌基因的功能丧失，往往涉及多个基因的改变。

原癌基因的激活方式多种多样，但概括起来无非是基因本身或其调控区发生了变异，导致基因的过表达，或产物蛋白活性增强，使细胞过度增殖，形成肿瘤（图14-6）。

如在肝癌中cyclinA过渡表达，在乳腺癌中常有cyclinA、B、D1、E等过渡表达。

图14-6原癌基因激活的可能途径

（1）点突变

ras基因家族，均以点突变为主，如膀胱癌细胞中克隆出来的c-Ha-ras基因与正常细胞的相比仅有一个核苷酸的差异。

（2）DNA重排

原癌基因在正常情况下表达水平较低，但当发生染色体的易位或倒位时，处于活跃转录基因强启动子的下游，而产生过度表达。

如Burkitt淋巴瘤细胞的染色体易位，使c-myc与IG重链基因的调控区为邻，由于免疫球蛋白重链基因表达十分活跃，其启动子为强启动子，且在CH-VH之间还有增强子区，致使c-myc过表达。

再如在良性甲状旁腺肿瘤患者的染色体中，cyclinD1基因倒位处于甲状旁腺素基因启动子下游而过渡表达，使细胞出现异常增殖。

染色体易位的主要原因是人类染色体存在着脆性位点，而染色体重排的断裂热点多位于脆性位点。

恶性肿瘤的染色体重排是获得性的体细胞变化，而不是发生在生殖细胞内的变化。

（3）插入激活

某些不含v-onc的弱转化逆转录病毒，其前病毒DNA插入宿主DNA中，引起插入突变，如逆转录病毒MoSV感染鼠类成纤维细胞后，病毒两端各有一个相同的冗长末端重复序列（LTR），它们不编码蛋白质，而含有启动子、增强子等调控成分，病毒基因组的LTR整合到细胞癌基因c-mos邻近处，使c-mos处于LTR的强启动子和增强子作用之下而被激活，导致成纤维细胞转化为肉瘤细胞，再如鸟类白血病病毒ALV不含v-onc，但插入c-myc的上游，导致基因过度表达。

（4）基因扩增

在某些造血系统恶性肿瘤中，癌基因扩增是一个极常见的特征，如前髓细胞性白血病细胞系和这类病人的白血病细胞中，c-myc扩增8~32倍。

癌基因扩增的染色体结构有：

①双微体（doubleminutesDMS），无着丝粒，成对分布于细胞中的微小染色体；

②整合到线性染色体DNA内形成均匀染色区（homogenouslystainedregion，HSR）；

③姊妹染色单体非均等交换（unequalsisterchromatidextrange，USCE）；

④独立存在于染色质外的染色质小体（smallchromatinbodiesSCBS）。

其中DMS和HSR是最常见的类型，在具有DMS或HSR的直肠癌患者中c-mycmRNA含量是正常人的30倍。

（5）原癌基因的低甲基化

致癌物质的作用下，使原癌基因的甲基化程度降低而导致癌症，这是因为致癌物质降低甲基化酶的活性。

三、肿瘤形成的外因

人类肿瘤约80％是由于与外界致癌物质接触而引起的，