第13章-细胞分化与基因表达与调控.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,2,3,6,7,植物细胞的分化：,由分生细胞可分化成薄壁组织、输导组织、机械组织、保护组织和分泌组织，进而形成营养器官和生殖器官,。,CTK/IAA,比值高，促进芽的分化；,CTK/IAA,比值低，促进根的分化；,CTK/IAA,中等，只生长不分化。,IAA/GA,比值高，分化木质部；,IAA/GA,比值低，分化韧皮部；,IAA/GA,比值中等，既有木质部又有韧皮部。,蔗糖浓度高，分化韧皮部；蔗糖浓度低，分化木质部；蔗糖浓度中等，既有韧皮部，又有木质部，中间有形成层。,8,“海纳百川有容乃大，壁立千仞无欲则刚,”,9,10,11,茅膏菜的捕虫叶,12,13,一、细胞分化的基本概念,第一节 细胞分化,（一）定义,：,在个体发育过程中，由一种相同的细胞类型经,细胞分裂后,逐渐在,形态、结构和功能上形成稳定性差异,，产生不同细胞类群的过程。,14,（二）细胞分化的意义,1.,增加,细胞的类型,；,2.,为某种细胞类群通过相互作用完成各种复杂的生物学功能奠定基础；,3.,为生命向更高层次的发展和进化奠定了基础。,15,（三）细胞分化是,基因选择性表达,的结果,细胞分化是由于,基因选择性的表达,各自特有的专一性蛋白质而导致细胞形态、结构与功能的差异。,16,分子杂交技术检测基因及其表达,某些基因的开/关 组织特异性,Southern,杂交实验：检测,DNA,的存在；,Northern,杂交实验：检测,mRNA,。,17,某些基因的开/关 组织特异性,Southern,杂交实验：检测,DNA,的存在；,Northern,杂交实验：检测,mRNA,。,不同的细胞类型中，,DNA,相同，,mRNA,种类不同，蛋白质种类不同,分化的细胞,基因组保持相同,而,表达的基因有所不同,，从而在形态结构、生理功能及生物学行为方面均有所不同,分子杂交实验证据,结 论,18,（四）管家基因和奢侈基因,肌动蛋白基因,微管蛋白基因,组蛋白基因,核糖体蛋白基因,1.,管家基因,（,housekeeping genes),：,维持细胞基本功能所必需的基因，在所有细胞类型中均表达。,2.,组织特异性基因,（,tissue-specific genes),或奢侈基因,(luxury genes),:,在不同的细胞类型中,特异性地表达,，使细胞形成特定的形态结构，行使特定的功能,。,卵清蛋白基因胰岛素基因,血红蛋白基因,19,（五）,组织特异性基因,调控的基本模式,细胞分化过程是由一系列基因产物调控的。,i.e.,每个基因的表达都必须：,在正确的细胞中；,在正确的时间；,对正确的信号产生正确的反应；,产生正确的表达水平。,问题：细胞是如何协调（,coordinate,）这一过程的？,答案：关键的,调控蛋白,，可以调控一系列下游基因，完成细胞分化。,20,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的调控机制。即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的。,21,前体细胞,细胞分裂,A,A,A,B,A,C,组合调控的作用机制示意图,A,、,B,、,C,为不同的调控蛋白,22,生物学作用：,通过组合调控，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,，诱发细胞分化，甚至可以诱发整个器官的形成,分化,启动机制：,级联启动。,（五）组织特异性基因调控的基本模式,眼的发育,23,（六）转分化与再生,1.,转分化,（,transdifferentiation,）,：,一种分化的细胞转变成另一种分化细胞的现象。,转分化,去分化,再分化,24,1,）脱分化（,dedifferentiation,）,：,已分化的细胞失去原有的形态和机能，形成没有分化的无组织的细胞团或,愈伤组织,的过程。,2,）再分化（,redifferentiation,）：,脱分化状态的细胞再度分化形成另一种或几种类型有组织结构的细胞的过程。,25,植物体 外植体 愈伤组织 组织、器官、植株,诱导愈伤组织时加入,2,4-D,，诱导分化时加入,IAA,和激动素,愈伤组织不经有性过程而直接产生类似胚的结构，称为胚状体（,embryoid,）。,从植物体上分离下来的被培养的植物器官、组织、细胞团等，叫做外值体（,explant,）。,不同的外植体要求的培养条件有差异，生长与分化表现也不同，如上端取下的外植体容易分化出花芽。,26,27,组织培养的应用,：,1,）培育作物新品种,2,）快速无性繁殖植物,3,）获得无病毒植株,4,）保存和运输种质资源,5,）生产药用成分,6,）可用于生长、分化、遗传等方面的基础研究,28,2,、,再生现象,（,regeneration,）：再生是指生物体缺失部分的重建过程。,广义的再生：分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。,狭义：一般再生是指生物体缺失一部分后发生重建的过程。,不同的细胞有机体,，其再生能力有明显的差异。,29,水螅 两栖类 人,火蜥蜴断肢再生分为三个阶段：创面愈合，芽基形成，最后长出新肢。,海参有惊人的再生能力。通过内脏的排出来逃过敌人追捕，然后再长出一副新的內脏。,蝾螈,30,植物,动物,再生能力：,低等动物,高等动物,人和其它高等动物只具有组织水平（除肝脏）的再生能力。,水螅中切下,5%,的部分便可长成完整的水螅。,31,再生作用（,regeneration,）：指与植物体分离了的部分具有恢复其余部分的能力。,32,二、影响细胞分化的因素,（一）细胞的全能性,(totipotency),（二）影响细胞分化的因素,33,（一）细胞的全能性,(totipotency),概念：,细胞全能性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。,34,1,、全能性,(,totipotency),的细胞：,植物、哺乳动物和人受精卵8-,Cells,前的细胞是全能性细胞。,细胞的多能性（,pluripotency):,细胞具有分化为有限细胞类型的能力。,单能性（,unipotency)：,形态上特化、功能上专一的终末分化细胞。,细胞分化的规律：全能多能单能,35,已经高度分化的细胞，能不能再分化成其他细胞？,一个细胞分裂形成的细胞团,1958,年斯图尔德,美,实验,胡萝卜的韧皮部,含有植物激素、无机盐、糖类等培养液,实验表明，给予一定条件，高度分化的植物细胞仍具有发育成完整植株的能力。,36,组织培养,（,tissue culture,）是指在无菌条件下，将离体的植物器官、组织、细胞以及原生质体和花药等，在人工控制的培养基上培养，使其生长、分化以及形成完整植株的技术。,理论基础：,细胞的全能性,所谓细胞全能性（,totipotency,）是指植物体的每个细胞携带着一套完整的基因组，并具有发育成完整植株的潜在能力。,细胞的全能性是细胞分化的基础。,37,2,、动物细胞核移植,(Nuclear transfer),实验证明,细胞核具有发育全能性,：,如蛙,上皮细胞核移植,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,38,39,高等动物细胞随胚胎的发育，细胞逐渐失去了发育成个体的能力，仅具有分化成有限细胞类型及构建组织的潜能，这种潜能称为多潜能性。,干细胞,(Stem cell),与细胞发育潜能,胚胎干细胞,(embryo stem cell),：具有分化成多种细胞类型及构建组织的潜能。,造血干细胞,单能干细胞,（,monopotential cell,）,40,旁分泌,旁泌素。,眼的发生：,1,、胞外信号分子对细胞分化的影响,角膜上皮,A,、,近端组织,相互作用,:,成纤维细胞生长因子、转化生长因子、,hedgehog,家族、,Wnt,家族等。,（二）影响细胞分化的因素,41,B,、远距离细胞间相互作用：,例,1,：无尾两栖类的蝌蚪变态过程。,激素,内分泌,。,蛙的生活史,甲状腺素和三碘甲状腺素的分泌增加所致。,例,2,：昆虫的变态过程,(,蜕皮素和保幼素,),。,42,2,、细胞记忆与决定,（,1,）细胞记忆,果蝇成虫盘,(imaginal disc),信号分子的有效作用是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用贮藏起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。,43,44,70,岁的奥德曼在移植了一个,14,岁,男孩,的心脏后，开始喜欢买糖果；,58,岁的比尔,沃尔在接受好莱坞特技,演员,的,心脏,后，开始迷恋越野滑雪等运动；谢尔曼在移植了喜欢吃,墨西哥,食品的人的心脏后，也突然变得爱吃这些辛辣食物。美国马萨诸塞州赫尔市,47,岁（,2008,）女子克莱尔,希尔维亚在自传,心脏的改变,一书中披露，她移植了一名男孩的心脏后，竟变得十分像男孩,(,爱喝啤酒,、爱吃青椒炸鸡腿,),。并且克莱尔竟在梦中和,18,岁的心脏捐赠人蒂姆,拉米兰德“相遇”，获知了他的名字，克莱尔根据梦中信息，成功找到了“捐心人”的家人,!,45,（,2,）决定：指一个细胞接受了某种指令，在发育中这一细胞及其子代细胞将区别于其他细胞而分化成某种特定的细胞类型。,正反馈途径：信号,-,活化转录因子,-,诱导基因,染色体结构变化,细胞记忆实现的可能途径：,46,3,、受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响,细胞具有记忆力，随着分化信息不断地积累使之成为“决定”了的细胞，这种与细胞分化相关的信息在很多动物中可以追溯到受精卵。,47,极性（,polarity,）：表现在植物的器官、组织或细胞的形态学两端在生理上的差异性（异质性）。例如植物的形态学上端总是长芽，下端总是长根。,极性产生的原因：,极性是细胞不均等分裂造成。环境因子刺激和内在控制机制结合，可导致极性的产生。,Ca,2+,梯度和微丝聚集使细胞产生极性而引起不均等分裂。,48,49,4,、细胞间的相互作用与位置效应,细胞所处的位置对细胞分化的命运也有明显的影响。,试验证明，改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称为位置效应。,50,5,、环境对性别决定的影响,性别决定是细胞分化和生物个体发育研究领域的重要课题之一。,例,1,：两栖类动物,32,雌性,3222,雄、雌数目相当,全球气温升高导致性别比例失调,巨蜥,51,法国农业和环境工程研究所研究人员的最新研究发现，受全球气候变暖影响，欧洲水域中鱼类的个头在几十年间缩小了一半,。（冷水鱼由于新陈代谢缓慢而寿命长，个头也相对大一些；温水鱼比较活跃，新陈代谢快，寿命短，个头也相对小一些。捕鱼业也可能是鱼类个体变小的一个原因，因为渔民捕获的主要是较大的鱼类）。,但是，研究人员相信气候是最具影响的因素。,全球气温升高导致性别比例失调：,52,物种构成改变：,罗得岛海域的脊椎动物（主要是海鱼）减少，而无脊椎动物（龙虾、螃蟹、鱿鱼）增多；主要生活在海底的深海动物减少，而主要生存在海面的浮游动物增多。,性别比例失调：,如果全球变暖导致海水温度升高,1.5,摄氏度以上，就可能较为明显地改变部分鱼类的性别比例。研究人员预测，气候变暖将导致有些鱼类的雄性比例增加到,73%,至,98%,，而理想比例为,50%,，某些鱼类可能只剩下,2%,的雌性，这将严重威胁到物种的延续,。,回游迷失方向：,澳大利亚科学家表示，气候变化可能导致海鱼迷失方向，无法从大洋开阔水域游回产卵地。气候变化引起的环境压力可能妨碍海鱼幼体的耳骨发育，从而导致它们根据声音导航的能力减弱。,海鱼远离人类：,全球气温升高导致：,53,气候变化,导致北极熊同类相食,54,例,2,：蜗牛类的软体动物：,性别取决于个体间的相互位置。,位于下方的个体发育为雌性；,位于上方的个体发育为雄性。,说明：生物个体发育和细胞分化具有对环境的容纳性。个体发育中的细胞分化的基础是建立在细胞的内部，而环境因素只是条件。,55,6,、染色质变化与基因重排对细胞分化的影响,小核为生殖核；大核为营养核，丢失,10%90%,的,DNA,，剩余的,DNA,经重排与扩增后形成多倍。,除一个细胞保留正常的染色体外，其余分化成体细胞的细胞中，全部出现染色体丢失。,56,细胞分化是发育的基础；,发育（个体形成）是细胞分化的结果。,现代发育生物学（,developmental biology,）的核心问题：,发育过程中基因组表达的时空性及其调控机制；,受精卵 细胞分化 组织形成 器官形成 个体,如何调控？,三、,细胞分化与胚胎发育,57,目前的主要成果,：,同源异形基因群（,homeotic,selector genes,Hox,genes,）,的发现（果蝇）；,Hox,：,高度保守，,180,bp,同源框（,homeobox,）,;60 a.a.,同源异形结构域（,homeodomain,）,;“helix-turn-helix”,珠蛋白（,globin,）,基因簇在人胚胎中红系细胞发育过程中的基因表达起重要调控作用。,58,Hox,基因的表达特征,：,顺序表达（,sequential expression,）（,时间）,沿躯干纵轴在体节中高表达的次序与这些基因在染色体上的排列顺序相符合（空间,）,Hox,基因的,homologues,在低等和高等脊椎动物中均有发现，其,homeobox,的保守性非常强，可能在这些生物的发育中起着相似的作用。,59,第二节 癌细胞,(Cancer cell),细胞分化的过程伴随细胞分裂，碱基突变率；,基因突变的结果有可能招致某些分化细胞的生长与分裂失控，脱离了衰老与死亡的增长途径成为癌细胞。,癌细胞趋于一致，破坏有机体的组织器官。,60,癌细胞与正常细胞的不同点：,不同类型的分化细胞都具有相同的基因组；,而癌细胞的细胞类型与特征相近，但基因组却发生不同形式的改变。,61,宫颈癌细胞特征,A:normal;B:precancerous;C:invasive carcinoma,62,正常和癌细胞的分裂增殖,肿瘤的生长,63,1,、细胞生长与分裂失去控制,癌细胞核质比例增大，分裂速度加快，结果破坏了正常组织的结构与功能。（粘壁性下降，葡糖胺聚糖减少）,2,、,具有浸润性和扩散性,良性肿瘤：位于某些组织的特定部位，如疣和息肉。,恶性肿瘤（癌症）（纤粘连蛋白合成减少）,一、癌细胞的基本特征,良性肿瘤（,benign,）和恶性肿瘤（,malignant,）,64,正常细胞间的识别：,细胞表面特异性蛋白的相互作用实现,癌细胞,：表达水解酶类，异常表达某些膜受体蛋白，以便与别处细胞粘着并生长。癌细胞丢失了质膜上的主要,组织相容性抗原,，出现了新的相关性膜抗原（正常细胞表面的糖蛋白修饰而成），逃逸免疫监视作用。,3,、细胞间相互作用改变,65,癌细胞的蛋白表达谱系中，出现一些在胚胎细胞中所表达的蛋白，如在肝癌细胞中表达了胚肝细胞中的多种蛋白（甲胎蛋白）；,具有较高的端粒酶活性；,异常表达与恶性增殖、扩散等过程相关的蛋白成分。,4,、蛋白表达谱系或蛋白活性改变：,66,5,、,mRNA,转录谱系的改变：,癌细胞的种种生物学特征主要归结于其基因表达及调控方向的改变。,由于癌细胞突变位点不同，同一种癌甚至同一癌灶中的不同癌细胞之间也可能具有不同的表型，而且表型不稳定。,6,、对生长因子需要量降低,正常细胞：,10%,的血清（表皮生长因子、血小板衍生生长因子、胰岛素等。）,癌细胞：血清浓度很低，对生长因子的需求量大大降低。葡萄糖运输增加，产生新的细胞分泌物。,67,蓝色个体正在疯狂生长，黄色个体则因为编程性细胞死亡处在消亡边缘。,一团乳腺癌细胞,68,肺转移瘤,69,正在器皿中生长的结肠癌细胞,70,二、癌基因与抑癌基因,癌症主要是体细胞突变引起的疾病，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-suppressor gene),71,概念,：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。,表达产物,：生长因子，如,sis,，,生长因子受体，如,fms、erbB,，,蛋白激酶及其它信号转导组分，如,src、ras、raf,，,细胞周期蛋白，如,bcl-1，,细胞凋亡调控因子，如,bcl-2，,转录因子，如,myc、fos、jun,。,（一）原癌基因,72,73,抑癌基因起负调控作用，主要是抑制细胞增殖，促进细胞分化和抑制细胞迁移。,抑癌基因的产物,：转录调节因子，如,Rb、p53，,负调控转录因子，如,WT，,周期蛋白依赖性激酶抑制因子（,CKI），,如,p15、p16、p21，,信号通路的抑制因子，如,ras GTP,酶活化蛋白（,NF-1），,磷脂酶（,PTEN）；DNA,修复因子，如,BRCA1、BRCA2，,（二）抑癌基因,74,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。,75,1,、原癌基因的突变,诱变剂亦是致癌剂。有些癌基因的激活是由于癌基因一定部位的核苷酸发生了变化，合成了异常的蛋白质产物，从而导致细胞出现转化。例：人膀胱癌细胞的,ras,基因（,p21,蛋白）与正常基因比：第,12,个氨基酸由,G,G,G(,甘,),G,T,G,（缬）。,（三）原癌基因的激活与细胞癌变,76,2,、强启动子的插入,有的细胞癌变由于其细胞癌基因表达增强，导致产物增加引起的。例,RSV,（肉瘤病毒）转化细胞，转化细胞中的,pp60,scr,增高,10,100,倍。,77,3,、染色体重排,例：,B-,淋巴细胞瘤常是由于染色体重排而使,c-myc,的表达失控（使,c-myc,基因靠近免疫球蛋白基因的,强启动子,），使淋巴细胞发生癌变。,4,、基因扩增,例：基因扩增,mRNA,合成大量蛋白质,正常降解后仍有剩余,使细胞核继续接收生长信号，导致细胞快速增殖,78,1,、瘤细胞杂交实验的启示,癌细胞系,+,正常二倍体细胞,融合细胞,（四）抑癌基因的调节作用,少数细胞染色体丢失，特定染色体丢失后，恶性恢复。例人的,11,号染色体。,79,2,、,Rb1,基因是首次检测出的抑癌基因,Rb1,基因：隐性发病。,13,号染色体（某段缺失导致）；表达产物为,p105,Rb,（调节细胞周期活动和维持细胞正常生长）。,P53,抑癌基因的缺失或突变引起癌变。,成视网膜细胞瘤,Rb1,基因,80,三、致癌因素,人类肿瘤约,80,是由于与外界致癌物质接触而引起的。根据致癌物的性质可将其分为化学、生物和物理致癌物三大类。,81,（一）化学致癌物,亚硝胺类：,在变质的蔬菜及食品中含量较高，能引起消化系统、肾脏等多种器官的肿瘤；,多环芳香烃类,：,这类物质广泛存在于沥青、汽车废气、煤烟、香烟及熏制食品中。涂抹在动物皮肤上，可引起皮肤癌，皮下注射则可诱发肉瘤。,82,烷化剂类：,如芥子气等，可引起白血病、肺癌、乳腺癌等。,碱基类似物：,如,5-,溴尿嘧啶、,5-,氟尿嘧啶、,2-,氨基腺嘌呤等，由于其结构与正常的碱基相似，进入细胞能替代正常的碱基参入到,DNA,链中而干扰,DNA,复制合成。,氯乙烯,：,83,（二）生物性致癌因素,1,肿瘤病毒：,逆转录病毒、乙型肝炎病毒、乳头状瘤病毒。,在人类肿瘤方面，已从非洲儿童淋巴瘤和一些鼻咽癌患者的肿瘤组织中分离出一种,疱疹样病毒,(EB,病毒,).,从乳腺癌、白血病、宫颈癌、恶性黑色素瘤和某些肉瘤中也发现了,类病毒颗粒,。免疫学的研究也证实不少肿瘤病人血清中有抗病毒抗体。,84,（二）生物性致癌因素,2,霉菌与肿瘤发生,目前已知有数十种霉菌毒素对动物有致癌性。但除黄曲霉毒素（,aflatoxin,）外，对其它的研究都较少。,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。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，可引起人和啮齿类、鱼类、鸟类等多种动物的肝癌。,85,肉毒杆菌,:,生长在缺,氧,环境下的,细菌,，在罐头食品及密封腌渍食物中具有极强的生存能力，是目前毒性最强的毒素之一。,致命病菌，在繁殖过程中分泌毒素，是毒性最强的,蛋白质,之一。军队常常将这种毒素用于生化武器。人们食入和吸收这种毒素后，神经系统将遭到破坏，出现头晕、呼吸困难和肌肉乏力等症状。,86,（二）生物性致癌因素,3.,寄生虫,:,据观察，患肝吸虫病的病人中胆管型肝癌的发病率较高；患日本血吸虫病的病人中直肠和结肠癌的发病率较高。,87,（三）物理因素,1,电离辐射,电离辐射可以引起人体各部位发生肿瘤，,居里夫人,的去世，日本,原子弹爆炸,后引起白血病的发病率增高。,辐射可引起染色体、,DNA,的突变，或激活潜伏的致癌病毒。放射线引起的肿瘤有：白血病、乳腺癌、甲状腺肿瘤、肺癌、骨肿瘤、皮肤癌、多发性骨髓瘤、淋巴瘤等。,88,2,紫外线,可引起,细胞,DNA,断裂、交联和染色体畸变,，紫外线还可抑制皮肤的免疫功能，使突变细胞容易逃脱机体的免疫监视，这些都有利于皮肤癌和基底细胞癌的发生。,近年来环境恶化导致,臭氧空洞,，地表紫外线的辐照强度将急剧增高，其诱发人体皮肤癌的潜在危险性将大为增加。据估计，大气臭氧减少,1%,，皮肤癌就要增加,2-6,，美国每年就会增加,10000,20000,名皮肤癌的患者。,（三）物理因素,89,.,可触及硬结或硬变，例如乳房、皮肤及舌部发现的硬结。,.,疣（赘瘤）或黑痣而有明显变化。,.,持续性消化不正常,.,持续性嘶哑、干咳及吞咽困难。,.,鼻、耳、膀胱或肠道不明原因的出血。,.,不愈的伤口，不消的肿胀。,.,原因不明的体重减轻。,世界卫生组织（）曾提出下列,“,八大警号,”,作为人们考虑癌肿早期征兆的参考。,90,中国医学科学院根据我国的情况，提出下列十大症状，作为引起人们对癌症肿注意的警号：,.,身体任何部位，如乳腺、颈部或腹部的肿块，尤其是,逐渐增大,的。,.,身体任何部位，如舌头、颊粘膜、皮肤等处没有外伤而发和生的,溃疡，特别是经久不愈者,。,.,进食时胸骨后闷胀、灼痛、异物感或进行性加重的吞咽不顺。,.,久治不愈的干咳或谈中带血。,.,长期消化不良、进行性食欲减退、,消瘦,、又未找出明确原因者。,.,大便习惯改变，或有便血。,.,鼻塞、鼻衄、单侧头痛或伴有复视。,.,黑痣突然增大或有破溃、出血、原有的毛发脱落。,.,无痛性血尿。除上述八大警号和十大症状外，还有以下一些征兆，也要高度警惕。,.,单侧持续加重的头痛、呕吐和视觉障碍，特别是原因,不明的复视,。,.,耳鸣、听力下降、回吸性咯痰带血、颈部肿块。,.,原因不明的口腔出血、口咽部不适、异物感或腔疼痛。,.,无痛性持续加重的黄疸。,.,原因不明的疲乏、贫血和发热,。,.,原因不明的全身性疼痛、骨关节疼痛。,十大症状,91,四、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。,56,个基因突变的结果（致癌突变的积累）；,肿瘤抑制基因的两个拷贝都丢失或失活，便起到与癌基因类似的作用。,92,第三节 真核细胞基因表达的调控,93,真核细胞基因表达的不同调控水平示意图,94,真核细胞基因组的复杂性：,e.g.,human genome:,约,30,亿,bp,DNA,；,包含约,3,万个基因；,95,的非编码,DNA,序列（功能？）；,一生合成总蛋白质的种类约,10,万种，但在一个典型的分化细胞中合成约,5000,种蛋白质；如何调控？,人类基因组计划（,HGP,）,功能基因组学：基因及其产物（蛋白质）的功能。,不同组织器官中表达不同的蛋白质组（,2D-gel,）,95,从,DNA,到蛋白质的可能的调控步骤,真核基因表达的多级控制,96,主要调控水平：,转录前水平调控,转录水平调控（,transcriptional control,）,转录后水平调控（,post-transcriptional control,）,RNA,加工水平调控（,RNA processing control,）,翻译水平调控（,translational control,）,蛋白质的翻译后修饰（,post-translational modification,）,97,1,、,DNA,的甲基化与去甲基化,一、转录前水平的调控,真核,DNA,中的胞嘧啶约有,5%,被甲基化为,5-,甲基胞嘧啶,(5-methylcytidine,m5C),，,而活跃转录的,DNA,段落中胞嘧啶甲基化程度常较低。,甲基化可使基因失活，去甲基化又可使基因恢复活性。,98,Hpa,只能切非甲基化的,CCGG,，所以只有一个切点，产生两条带；,Msp,可以切甲基化和未甲基化的,CCGG,，因此有两个切点，产生,3,条电泳带。,Hpa,同裂酶判断甲基化位点的存在,99,2,、,染色质结构对真核基因转录的调控,1,）,染色质结构影响基因转录,常染色质中的基因可以转录，异染色质无基因转录表达,。,2,）,组蛋白和非组蛋白的作用,组蛋白扮演了非特异性阻遏蛋白的作用，,非组蛋白成分起到特异性的去阻遏促转录作用,核小体结构影响基因转录。,100,3,、,基因重排和基因扩增对基因表达的影响,3.1,基因扩增,(gene amplification),:,在没有发生细胞分裂，整条染色体几乎没有复制的情况下，细胞内某些特定基因的拷贝数专一性增加的现象。,101,1),为满足正常的生长发育需要,如两栖类和昆虫卵母细胞,rRNA,基因,的扩增,:,卵母细胞中的,rDNA,拷贝数比体细胞中增加了,4000,倍。,在果蝇滤泡细胞中，编码卵壳,蛋白,的卵壳基因的扩增。,2),基因扩增与,肿瘤形成及细胞衰老,有关。在原发性的视网膜细胞瘤中，含,myc,原癌基因的,DNA,区段扩增,10-200,倍。许多致癌剂可诱导,DNA,扩增。,102,3.2,基因重排,(gene rearrangement):,即原胚性基因组中某些基因会再组合变化形成第二级基因。,特异性调节，发生在特殊的细胞类型中,例如：酿酒酵母接合型；,哺乳动物,免疫球蛋白,编码区的连接。,无序的，发生在肿瘤细胞基因组中。,103,例如编码完整抗体蛋白的基因是在,淋巴细胞分化发育,过程中，由原来分开的几百个不同的可变区基因经选择、组合、变化，与恒定区基因一起构成稳定的、为特定的完整抗体蛋白编码的可表达的基因。,这种基因重排使细胞可能利用几百个抗体基因的片段，组合变化而产生能编码达,108,种不同抗体的基因，其中就有复杂的基因表达调控机理。,104,3.3,基因丢失,在细胞分化过程中，通过,丢掉某些基因,而去除其活性。例如某些原生动物，线虫、昆虫、甲壳类动物，体细胞常丢掉部分或整条染色体，只保留将来分化产生生殖细胞的那套染色体。,例如在蛔虫胚胎发育过程中，有,27,DNA,丢失。,在高等动植物中，尚未发现类似现象。,许多生物各类不同的细胞或细胞核都具有全能性,totipotency,。,105,二、,转录水平的调控,（一）基因调控的順式作用元件,真核生物基因组中含有可以调控自身基因表达活性的特异,DNA,序列，称为,顺式作用元件,。,顺式作用元件能够被转录调节蛋白特异识别和结合，从而影响基因表达活性。,启动子,顺式作用元件 增强子,沉默子,106,1.,启动子,是,RNA,聚合酶结合位点及其周围的一组转录调控组件,（包括转录起始点以及典型的,TATA,盒）。,1,）,TATA,框：真核生物基因转录起始点的上游,-25,附近，保证转录得以精确进行。,2,）上游启动子成分：转录起始点上游,-75,处附近的,CAAT,框及,GC,序列。,107,2.,增强子：是增强启动子转录活性的,DNA,序列，并决定组织特异性表达。,特征：具有远程效应，与启动子的相对位置无关和取 向无关；需要特定的蛋白质因子的参与；有些增强子能在几乎所有类型的细胞中发挥作用。,3.,沉默子：能够对基因转录起阻遏作用的,DNA,片段，属于负性调控元件。与增强子的效应相反，作用相似。,108,109,UPE,:upstream promotor element,UAS,:upstream activating sequence,110,表 哺乳动物,RNA Pol,启动子上游转录因子结合的序列元件（,UPE,）,组件,保守顺序,DNA,长度,结合因子,大小（,Da,）,丰度,(,/,细胞,),分布,TATA box,TATAAAA,10bp,TBP,27,000,?,普遍,CAAT box,GGCCAATCT,22bp,CTF/NF1,60,000,300,000,普遍,GC box,GGGCGG,20bp,SP1,165,000,60,000,普遍,Octamer,ATTTGCAT,20bp,Oct-1,76,000,?,普遍,Octamer,ATTTGCAT,23bp,Oct-2,52,000,?,淋巴细胞,KB,GGGACTTTCC,10bp,NF,K,B,44,000,?,淋巴细胞,KB,GGGACTTTCC,10bp,H2TH1,?,?,普遍,ATF,GTGACGT,20bp,ATF,?,?,普遍,111,（二）基因调控的反式作用因子,能直接或间接与顺式作用元件相互作用，进而调控基因转录的一类调节蛋白，统称,反式作用因子,。,按其功能不同，常有以下三类：,（,基本）转录因子,转录调节因子：,DNA-,蛋白质,共调节因子：蛋白质,-,蛋白质,112,基本转录因子,：,是指能够直接或间接与启动子核心序列,TATA,盒,特异结合、并启动转录的一类,调节蛋白,。,（参与构成基础转录装置所需的一类通用转录因子）,真核生物,RNA,酶,（,RNApol,）识别启动子所需的转录因子（,TF,）有多种亚类：,聚合,TFA,，,TFB,，,TFD,，,TFE,，,TFF,，,TF-I,等。,其中,TFD,最先、最直接与启动子,TATA,盒结合的转录因子，然后按一定时空顺序依次结合,RNApol,和其他转录因子，形成一个转录前起始复合物（,PIC,）。,113,核内不均一,RNA,（,heterogenous,nuclear RNA,hnRNA,）：,真核生物中,mRNA,的原初转录产物分子大小极为不均一，这些高分子量、不均一的核内,RNA,称为,hnRNA,。,hnRNA,的修饰加工,：,5-,加帽和,3,加尾,。,三、转录后水平的调控,（一）,hnRNA,的修饰加工,114,5-,加帽,7-,甲基鸟嘌呤核苷（,m,7,GpppN,）,功能：,1,）帽子结构增加,mRNA,的稳定性，保护,mRNA,免受外切核酸酶的攻击；,2,）帽子结构为核糖体对,mRNA,的识别提供信号,。,115,3-,加尾：,3,末端多聚,A,尾巴，简称为,Poly(A),。,功能：,1,）可能与,mRNA,的稳定性有关；,2,）有人推测与,mRNA,从核孔输出有关。,116,（二）,mRNA,前体的选择性拼接,117,mRNA,前体的拼接有两种基本方式：,组成型拼接：,将内含子从原初转录产物中去除，然后规范的将外显子拼接成成熟的,mRNA,。一个基因只产生一种成熟的,mRNA,，一般只有一种蛋白质。,选择性拼接：,有些基因的原初转录产物有几种不同的拼接方式，产生不同的成熟,mRNA,翻译产生不同的蛋白质。,118,1.mRNA,前体的可变剪接,1.1 mRNA,剪接的种类：,组成型拼接,:,一个基因的,mRNA,前体按一种方式剪切，产生一种,mRNA,，一种蛋白质。,可变剪接（选择性拼接，,alternative splicing,）：有些基因的,mRNA,前体，按不同方式剪切，产生两种以上,mRNA,，翻译产生多种蛋白质。,119,组成型剪接,120,可变剪接选用不同的剪接位点产生不同的蛋白质,121,剪接选择不同的,5,端，内含子,122,1.3,可变剪接的调控机制,实质是,5,供体与,3,受体拼接点的选择搭配,如何选择不同的位点？,SR,蛋白家族：,SF2,剪接因子，可与,RNA,结合，决定,5,剪接位点,RNP,的调节：,hnRNP-A1,U5-snRNP,123,Intron,的功能之一是使同一个基因表达出多种蛋白质，即扩大,DNA,中遗传信息的含量。,人类编码蛋白的基因,27000,个，蛋白种类,90000,。,40,60,人类编码蛋白的基因发生可变剪接；,高等真核生物基因组很大，完全能容纳更多的基因。为什么一方面它的许多基因非常分散，而另一方面它又使一个基因产生出多种产物？,1.4,可变剪接的意义,令人不解！？,124,由于可变剪接机制的多样化，一个基因可以在转录后通过,hnRNA,的剪接加工而产生两个或更多的蛋白质。因此基因的定义也应随之扩展，即不应以多肽产物为单位，应以,独立转录的一段,DNA,作为确定一个基因的标准？,125,2,、,mRNA,前体的反式剪接,顺式剪接（,cis-splicing,）：内含子的剪接一般都是发生在同一个基因内，切除内含子，相邻的外显子彼此连接。,反式剪接（,trans-splicing,）：不同基因的外显子剪接后相互连接。,典型例子是锥虫表面糖蛋白基因,VSG,，线虫肌动蛋白基因和衣藻叶绿体,DNA,中的,psa,基因。,126,反式剪接的,5,端外显子称为剪接前导,RNA,（,spliced leader RNA,，,SL RNA,）,SL,RNAs,存在于几种锥虫和线虫,(,C.elagan,),中，它们具有共同的特点；,其结构类似于,U1,的,Sm,结合位点。即,SL RNA,和,U1,snRNA,一样具有可以和内含子,5,端剪接位点识别和结合的功能。,127,3,、,RNA,编辑,3.1,编辑的发现,RNA,编辑（,editing,）指遗传信息在,mRNA,水平上发生改变的过程。即,RNA,的编码序列与转录产生它的,DNA,序列不同，,转录后的,RNA,在编码区发生碱基的加入,，丢失或转换等现象。,1986,年,R.Benne,在研究锥虫线粒体,mRNA,转录加工时发现,m RNA,的多个编码位置上加入或丢失尿苷酸，,1990,年在高等动物和病毒中也发现了编辑现象。,128,3.2,编辑的生物学意义：,(1),校正作用；,(2),调控翻译；,(3),扩充遗传信息。,129,影响,mRNA,的稳定性除,mRNA,分子,3,端特殊信号序列以外，某些,mRNA,的稳定性还受到细胞外信号的影响。,五、翻译和翻译后水平的调控,（一）,mRNA,的稳定性,130,1.mRNA,运输控制,运输控制（,transport control,）是对转录本从细胞核运送到细胞质中的数量进行调节。,合成的,RNA,大约有,1/12,能被运出核进入细胞质，,50,左右的在核内降解，还有一些留在核。,131,2.mRNA,稳定性的调控,mRNA,的寿命：,原核生物,mRNA,的半衰期很短，平均大约,3min,。,高等真核生物迅速生长的细胞中,mRNA,的半衰期平均,3h,。,在高度分化的终端细胞中许多,mRNA,极其稳定，有的寿命长达数天。,132,在细胞质中所有的,RNA,都要受到,降解控制,（,degradation control,）。,不同,mRNA,降解效率的不同；,加入调节物可以增加,mRNA,稳定性，并使相关基因转录速率增加；,mRNA,的选择性降解主要由于核酸酶和,mRNA,内部结构相互作用的结果。,133,134,表 特殊效应分子对于各种组织和细胞中的,mRNA,稳定性的调节,mRNA,组织或细胞,调控因子,mRNA,的半衰期,有调节因子,无调节因子,卵黄蛋白原,肝（蛙）,雌激素,500h,16h,卵黄蛋白原,肝（母鸡）,雌激素,24h,3h,极低密度脂蛋白原,肝（母鸡）,雌激素,20-24h,24h,2-5h,酪蛋白,乳腺（大鼠）,促乳素,92h,5h,前列腺甾类结合蛋白,前列腺（大鼠）,雄激素,增加,30,倍,mRNA