细胞生物学第十四章

第一节细胞分化一、细胞分化（celldifferentiation）的概念及特点在个体发育中,细胞的后代在形态、结构和功能上发生差异的过程称为细胞分化(differentiation)。细胞分化的关键在于组织特异性基因在时间、空间上的选择性表达，导致特异性蛋白质的合成二、细胞分化的实质1细胞分化是基因选择性表达的结果在个体发育过程中基因按照一定程序相继活化的现象，称为基因的差次表达（differentialexpression）或顺序表达（Sequentialexpression）。即在同一时间内不是所有的基因都具活性，而是有的有活性，有的无活性，有些细胞是这部分基因有活性，有些细胞则是另外一些基因有活性。分子杂交技术检测基因及其表达2组织特异性基因和管家基因◆管家基因(house-keepinggenes)：管家基因是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；◆组织特异性基因(tissue-specificgenes)，或称奢侈基因(luxurygenes)：是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能◆调节基因产物用于调节组织特异性基因的表达，起激活或者起阻遏作用3、组合调控引发组织特异性基因的表达􀁺组合调控概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化􀁺生物学作用：借助于组合调控，一旦某种关键性基因调控蛋白与其它调控蛋白形成适当的调控蛋白组合，不仅可以将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞，而且遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成。􀁺分化启动机制：靠一种关键性调节蛋白通过对其他调节蛋白的级联启动。三、影响细胞分化的因素细胞的全能性(totipotency)：是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。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(Stemcell)与细胞发育潜能干细胞具有以下几个特点:①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);②干细胞能无限地分裂;③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。干细胞可以分为专能干细胞和多能干细胞。①专能干细胞②多能干细胞影响细胞分化的因素◆胞外信号分子对细胞分化的影响,如眼的发生◆细胞记忆与决定果蝇成虫盘(imaginaldisc)视泡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。细胞在发生可识别的形态变化之前,就已受到约束而向着特定方向分化,这时细胞内部已发生变化,确定了未来的发育命运,这就是决定。细胞决定可看作分化潜能逐渐限制的过程,决定先于分化。◆受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响•卵细胞具有极性，细胞核靠近动物极。•卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布；放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期；嘌呤霉素处理，受精卵停止发育。•卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。母体效应(maternal-effect)卵母细胞中贮存的mRNA和蛋白质的分布是不均匀的,各种mRNA在细胞中都有定位分布,并随卵裂进入不同的子细胞中。◆细胞间的相互作用与位置效应--干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上形成上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上分化为成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。◆环境对性别决定的影响•1）基因删除：原生动物、节肢动物。•2）基因扩增：果蝇多线染色体。•3）基因重排：如Ig基因(106~108种抗体)。•4）DNA甲基化与异染色质化：基因失活。◆染色质变化与基因重排对细胞分化的影响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。转分化与再生●一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化（transdifferentiation）。●转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。●生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。●不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。第二节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(tumorcell)。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。一．癌细胞的基本特征癌细胞的形态特征•核质比显著高于正常细胞，可达1:1；•出现巨核、双核或多核，染色体呈非整倍体；•线粒体多型性、肿胀、增生；•细胞骨架紊乱；•细胞表面特征改变，产生肿瘤相关抗原。生理特征•细胞周期失控•迁移性•接触抑制丧失•定着依赖性丧失•去分化现象•对生长因子需要量降低•代谢旺盛•线粒体功能障碍•可移植性◆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◆染色体非整倍性二、肿瘤形成的内因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-suppressorgene)，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•原癌基因是促进细胞增殖的基因，进化上高度保守。•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。一、原癌基因(oncogene)原癌基因产物：1.生长因子2.生长因子受体3.信号转导组分4.细胞周期蛋白5.细胞凋亡调节蛋白6.转录因子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rasG-蛋白肺癌，结肠癌，膀胱癌，直肠癌src非受体酪氨酸激酶鲁斯氏肉瘤Abl-1非受体酪氨酸激酶慢性髓性白血病rafMAPKKK，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转录因子结肠癌fos转录因子骨肉瘤jun转录因子erb-A转录因子急性非淋巴细胞白血病bcl-1cyclinD1B细胞淋巴瘤原癌基因的类型•抑癌基因：抑制增殖和迁移；促进分化。基因的产物主要包括：–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p21；④rasGTP酶活化蛋白：如NF-1；⑤DNA修复因子：如BRCA1、BRCA2；⑥磷脂酶：如PTEN；⑦细胞粘附分子：如DCC。二、抑癌基因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类型抑癌基因功能相关肿瘤Rb转录调节因子RB、成骨肉瘤、胃癌、SCLC、乳癌、结肠癌p53转录调节因子星状细胞瘤、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-1GAP，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p21CDK抑制因子前列腺癌p15CDK4、CDK6抑制因子成胶质细胞瘤BRCA1DNA修复因子，与RAD51作用乳腺癌、卵巢癌BRCA2DNA修复因子，与RAD51作用乳腺癌、胰腺癌PTEN磷酯酶成胶质细胞瘤抑癌基因失活的途径：①等位基因隐性作用，失活的抑癌基因之等位基因在细胞中起隐性作用，即一个拷贝失活，另一个拷贝仍以野生型存在，细胞呈正常表型。只有当另一个拷贝失活后才导致肿瘤发生，如Rb基因。②抑癌基因的显性负作用（dominantnegative）：抑癌基因突变的拷贝在另一野生型拷贝存在并表达的情况下，仍可使细胞出现恶性表型和癌变，并使野生型拷贝功能失活。这种作用称为显性负作用或反显性作用。③单倍体不足假说（Haplo-insufficiency）：某些抗癌基因的表达水平十分重要，如果一个拷贝失活，另一个拷贝就可能不足以维持正常的细胞功能，从而导致肿瘤发生。•基因本身或其调控区发生变异，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。•主要类型：点突变、基因扩增、基因重排、病毒插入。三、原癌基因的激活•1、点突变：ras基因家族，如膀胱癌中的c-Ha-ras基因仅有一个核苷酸的变异。•2、基因扩增：存在于某些造血系统恶性肿瘤中，如前髓细胞性白血病中，c-myc扩增8~32倍。姊妹染色单体非均等交换，G2期由于姊妹染色单体之间发生了非均等交换，结果一个子细胞中该染色体较长，具有同源重复（基因扩增），另一个细胞中对应的染色体较短（基因删除）。双微体Myc基因扩增形成双微核（黄色）的核型无着丝粒，成对分布于细胞中的微小染色体Myc基因扩增形成均染区（黄色）的核型•3、DNA重排：染色体的易位，使原癌基因处于活跃转录基因强启动子的下游，将产生过度表达，如Burkitt淋巴瘤。•4、插入激活：某些不含v-onc的弱转化逆转录病毒，具有冗长末端重复序列(LTR)，含有启动子、增强子，插入基因组后引起下游基因过表达。第三节肿瘤形成的外因•致癌物分为：化学、生物和物理三类。•根据在致癌过程中的作用，又可分为；–启动剂：能DNA变异。–促进剂：本身不诱发肿瘤，但有促进作用。如糖精、苯巴比妥。–完全致癌物：兼具启动和促进两种作用。•①亚硝胺类，能引起消化系统肿瘤；•②多环芳香烃类，如苯并芘。•③芳香胺类，如乙萘胺、诱发泌尿系统的癌症；•④烷化剂类，如芥子气、环磷酰胺等；•⑤氨基偶氮类，如奶油黄，可引起肝癌；•⑥碱基类似物，如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶；•⑦氯乙烯，与塑料工人的肝血管肉瘤有关。•⑧元素，如铬、镍、砷。一、化学致癌物•化学致癌物的作用机理：–可与DNA、RNA、蛋白质等生物大分子中的亲核基团发生作用，引起碱基颠换、缺失，DNA交联、断裂，染色体畸变等。–引起细胞中胞嘧啶的甲基化水平降低。•（一）肿瘤病毒•①逆转录病毒，如：HTLV、ATLV、HIV、RSV；•②乙型肝炎病毒（HBV）：原发性肝癌。•③人乳头瘤状病毒（HPV）：生殖道肿瘤。•④Epstein－Bars病毒（EBV）；与儿童的Burkitt淋巴瘤和成人的鼻咽癌发生有关。•后三类都是DNA病毒。二、生物性致癌因素•已知数十种霉菌毒素有致癌性。•黄曲霉毒素有许多种，是一类杂环化合物，其中黄曲霉毒素B1是已知最强的化学致癌物之一，可引起肝癌。•黄曲霉菌广泛存在于污染的食品中，尤以霉变的花生、玉米及谷类含量最多。（二）霉菌三、物理因素•（一）电离辐射•致癌机制：①染色体或基因的突变；②基因表达改变；③激活潜伏的致癌病毒。•（二）紫外线•可引起细胞DNA断裂、交联和染色体畸变，抑制皮肤的免疫功能，诱发皮肤癌、基底细胞癌和黑色素瘤。肿瘤的诊断与治疗肿瘤标志物肿瘤标志物（tumormarker）是指由肿瘤组织产生的反映肿瘤自身存在的化学物质。可用于肿瘤的诊断、预后和疗效观察。（一）癌胚蛋白甲胎蛋白（alpha-fetoprotein，AFP）