细胞分化与肿瘤四川大学华西医院肿瘤分子诊断研究室王艳萍1增殖（proliferation）和分化 (differentiation)是细胞的两种基本 生命属性。 增殖: 使细胞数量增多分化: 机体结构和功能多样化，形 成不同类型的细胞。 2正常细胞 :增殖与分化在时间时间 和空间间上严严密 协调协调 运行，分化基因按一定时时空顺顺序 有选择选择 地被激活或抑制，产产生具有特 殊功能的细细胞。分化基因有效调调控着 细细胞的分裂和增殖。3肿肿瘤细细胞:细胞发生突变或失去控制，其分化程序发 生异常。失控的增殖和分化障碍。缺乏成熟的 形态态和完整的功能，丧丧失某些终终未分化细细胞性 状，对对正常的分化调节调节 机制缺乏反应应，增殖迅 速4与细胞恶性增殖或凋亡受阻一样，细胞分化异常在恶性肿瘤发病学上占 有重要地位。深入研究细胞分化及其异 常的发生机制可能为恶性肿瘤的治疗提 供新的手段。5第一节 细胞分化概述6细胞分化 (cell differentiation) 是指同一来源的细胞经过分裂逐 渐产生形态结构、生理功能和蛋白合 成等方面都有稳定差异的过程。 7细胞分化的时空变化时：个体在不同的发育时期细胞之间有分化空：分布在不同位置的同一种细胞的后代之间 向不同方向分化8细胞分化的标志(1)合成特异性蛋白质如：红细胞血红蛋白;上皮细胞角蛋白 (2)出现新组装的亚细胞结构如：肌细胞肌节和肌浆网;上皮细胞细胞骨架 ；神经细胞离子通道 (3)形态结构变化如：神经细胞突触; 红细胞核丢失 (4)功能的变化如：神经细胞传导；肌细胞收缩；红细胞携 氧9细胞决定 （cell determination） 细胞在发生可识别的形态学变化之前，就 已经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 10细胞决定发生的时期胚胎发育：受精卵卵裂期囊胚期(桑椹胚)原肠胚(三胚层形成)器官形成成体11细胞分化的特点 细胞分化的稳定性 自然条件下细胞一旦分化为某一稳定类型 后，就不能逆转到未分化状态 细胞分化的可逆性和细胞全能性细细胞分化是一种相对稳对稳 定和持久的过过程 ，但在一定条件下又是可逆的 12细胞全能性(totipotency)细胞的全能性是指在一定条件下，细胞表达 其全部遗传信息，并进而发育成完整的充分分化 的机体的能力。全能性细胞全能性细胞: :可表达基因组中任何基因，分化为个体的任一种细胞。 如受精卵,早期胚胎细胞 13高度分化的植物细胞仍然有发育成完整植物株的能力(1958 年，Steward,胡萝卜) 已分化的细胞 去分化（dedifferentiation）重新分裂，回 复到胚胎细胞状态再分化（redifferentiation）形成根、茎 发育成完整新植株 14动物细胞的全能性随着细胞分化程度提高而逐渐 受到限制，分化潜能变窄。但对于细胞核而言，却始 终保持其分化的全能性。15细胞核的全能性:已分化成熟的体细胞的细胞核保留 形成正常个体的全套基因，即体细胞核 具有全能性 16细胞的多能性(pluripotency)：l在发育过程中，细胞分化潜能出现局限，失去了发育成完整个体的能力，只具有分化成多种细胞类型及构建组织的潜能，称细胞的多能性。l如中胚层细胞分化为本胚层的多种组织。 17细胞的单能性(monopotency) ：l有的细胞只能分化为一种特定的细胞，如单 能造血干细胞，红系干细胞只能分化为红细 胞，这种分化潜能称之。18干细胞：自我更新和分化潜能按分化潜能将干细胞分：全能干细胞（totipotential cell） 多能干细胞（pluripotential cell）仅具有分化成有限细胞类型及某一胚层的组织器官的潜能 单能干细胞或定向干细胞 终末分化细胞 19l干细胞有两方面区别于其它细胞的特征：1. 可分化为与自身完全相同的细胞，2. 可生 产多种类型的特异性分化的细胞。20l胚胎干细胞 （embryonic stem cells，ESC ）从胚胎内细胞团或原始生殖细胞筛选分 离出的具有全能性的细胞l成体干细胞成体组织中保留的一部分未分化的细胞横向分化 （TransDifferentiation)按来源将干细胞分为 :211.细胞内因素细细胞核是生物体所有遗传遗传 信息的储储存场场所，对对 细细胞的各种活动动及细细胞分化过过程有指导导作用。核的 全能性细细胞质对细质对细 胞核有控制作用,细细胞质对质对 控制细细胞 分化的核内基因的表达起着决定作用(细细胞融合实实验验和核移植实验实验 ) 不对称分裂使细胞内部得到不同的基因调控成分，表现出一种不同于其它细胞的核质关系和应答信 号的能力影响细胞分化的因素影响细胞分化的因素222. 细胞外因素l影响细胞分化的细胞外因素，包括环境因素 ，胞外物质（细胞的基质，黏附分子，细胞 因子，激素等），以及细胞之间的相互作用 .23环境因素环境因素影响胚胎细胞的决定和分化，如温度、光线、细胞在胚胎中的位置等 。异常环境可干扰细胞增殖与分化，使正常细胞转化为癌细胞，而在适当环境条件下，又可使癌细胞逆转成正常细胞。24l细胞间的相互作用诱导（induction） 一部分细胞对邻近细胞产生影响 ，并决定邻近细胞分化方向及形态发生的过程。抑制（inhibition） 指在胚胎发育中，已分化的细胞抑制邻近细胞进行相同分化而产生的负反馈调节 作用细胞外基质（extracellular matrix.ECM）的影响: 胶原、层粘蛋白细细胞粘附分子（cell adhere molecule, CAM）:细胞间识别并黏合 激素和生长因子:HGF,EPO,GM-CSF,IL-325第二节 细胞分化的调控26各种分化细胞含有相同数量的遗传信息，各种细胞表型不同，这是特定基因的选择性表 达的结果。 细细胞分化的实质实质 就是基因表达调调 控。 基因的差异表达（differential expression ）或顺序表达（sequential expression）：在胚胎发育过程中，基因组的基因严格按 照时空顺序，有选择地相继活化表达的现象。27管家基因（house-keeping gene）：维维持细细胞 基本生命活动动所必须须的结结构蛋白和功能蛋白编编 码码的基因，是各类细类细 胞普遍共有的。 奢侈基因(luxury gene)（组织特异性基因， tissue-specific gene） ：编码细胞特异性蛋白，与各种分化细胞的特定性状直接相关，这类基因对细胞自身生存无 直接影响。28一、转录水平的调控细胞分化过程中，基因表达的调控主要发生在转录水平，即细胞是否出现某种性状取决于它 是否存在相关的mRNA。基因转录的调控：基因的活化、顺式作用元件（cis acting elements）反式活化因子（anti-activating factor）即转录 因子（transcription factor）29(一) 基因的活化真核生物DNA与组蛋白和非组蛋白组成具 有紧密结构的染色体，使RNA聚合酶不能和 DNA链接触而启动转录。基因的活化首先要求待活化基因所处的染色质松解。细胞分化过程中，基因活化的高度特异性决定了相应部位染色质松解的特异性。这一特异 的染色体松解过程涉及一系列相关事件。301.组蛋白修饰引起的染色质结构改变l 组蛋白的修饰（乙酰化、磷酸化、甲基化和泛素化等）所引起的染色质结构变化影响基因的 开关。 l组蛋白乙酰转移酶（histone acetylase, HAT ）和组蛋白去乙酰化酶（histone deacetylase, HDAC）参与决定组蛋白乙酰化状 态 lHAT 催化组蛋白乙酰化，导致染色质结构的松 散、激活转录；而HDAC 使组蛋白去乙酰化，导 致染色质集缩，并抑制基因的转录。 312.DNA甲基化（DNA methylation）DNA复制后，由甲基化酶将腺苷甲硫氨酸的 甲基转移到胞嘧啶的5位上的碱基修饰甲基化位点：二核苷酸序列5-CG-3(CpG)中的 C上，成5-mCG-3 32l正常哺乳动物的DNA共有70%的CpG位点被活化-基因组CpG位点整体的广泛甲基化lCpG岛主要位于看家基因和40%组织特异性基因 的5端，正常组织中,除印记基因和失活的X 染色体外,包括启动子在内的基因5CpG岛大 部分是非甲基化的。CpG岛:富含CpG的区域33DNA甲基化的意义(1)甲基化使基因表达失活，在甲基化位置上可阻止转录因子的结合，故DNA甲基化与基因转录的抑制有密切联系。基因越活跃，甲基化程度越低。(2)在发育过程中， DNA的甲基化可使完成一定作用的基因关闭。在维持细胞正常分化的机制中起重要作用。34启动子异常甲基化（abrrant methylation)（启动子过度甲基化， hypermethylation） 发生于基因启动子CpG岛的甲基化启动子区域的甲基化：内源性突变剂 抑制基因正常表达与缺失或突变类似 肿瘤： 基因组整体的低甲基化 特定基因（肿瘤抑制基因）启动子区域 的过度 甲基化35DNA甲基化抑制基因转录机制 DNA启动子甲基化以后直接影响转录因子与 启动子或其他调控序列的结合活性，不能起 始基因转录。CpG甲基化，通过改变染色质的构象或者通 过与甲基化CpG结合的蛋白因子间接影响转 录因子与DNA的结合。甲基化的DNA是突变的热点（C:G到T:A）36（二）顺式作用元件基因组成可分为两个区域，一个是编码区 ，另一个是调控区。顺式作用元件是指那些与被转录基因在距离上比较接近，并对转录具有调控作用的特 殊DNA序列。通常包括启动子、增强子和沉默子。在细胞分化过程中，顺式调控元件在调节 组织特异性基因表达活性方面起重要作用 371启动子（promoter） l在转录起始位点5端上游100200bp的范 围内l含3个保守的DNA序列，分别称为TATA盒、 CAAT盒和GC盒。l启动子是转录因子和RNA聚合酶的结合部位 ，主要作用是调控转录的起始点。lTATA盒对转录调控最重要，缺乏TATA盒的启 动子，其基因转录的起始位点不稳定。CAAT 盒和GC盒决定启动子的转录效率和特异性。382.增强子（enhancer） 一类特定的DNA序列通过结合特定的转录因子或影响DNA构象，能大大地增强与之相连锁的基因转录活性，从而明显地 提高RNA的转录速率。39l增强子是能通过启动子来增强基因转录的顺式 作用元件，无位置及方向性 l存在组织特异性，这种组织特异性是细胞分化 过程中特异基因表达的重要调控机制决定的。l 在细胞的不同分化阶段针对不同基因发挥作用。403沉默子（silencer） l无位置和方向性，但能减弱转录效应 l在特定组织和特定发育阶段 ，与相应的反 式阻抑因子（repressor）结合直接或间接 作用减弱或抑制特异基因的表达41（三）转录因子转录因子（transcription factor）是一类 细胞核内蛋白因子。是调节基因表达转录的另一 类关键成分，又称调节蛋白。它通过识别和结合 顺式作用元件，实现对基因表达的正负调控。 是生物体分化发育的分子开关42按功能可将转录因子分为两类：通用转录因子（general transcription factors） :与结结合RNA聚合酶的核心启动动子结结合,如TATA盒结结 合因子TFIID、GC盒结结合因子SP1。 特异转录因子（specific transcription factors ）:与特异性的各种调控位点结合，决定该基因的时 间、空间特异性表达，促进或抑制其转录 。4344l典型的特异性转录因子至少包括两种结构 域:DNA结合域 、转录激活域蛋白-蛋白相互作用的结构域45根据DNA结