第十二章．细胞分化与基因表达调控
一、知识点：
二、名词解释：
细胞分化：是细胞经分裂形成在形态、结构和功能上不同的稳定的细胞类群的过程，是个体发育的基础和核心。
管家基因：即所有细胞都表达的基因，其产物是维持细胞基本功能所必需的；例如，肌动蛋白、微管蛋白、组蛋白、核糖体蛋白、TAC循环的关键酶等等。
组织特异性基因：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；例如，卵清蛋白、胰岛素、血红蛋白等等。
全能性：受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体，所以把受精卵的分化潜能称为全能性。
干细胞：
胚胎干细胞（ESC）：是指从胚胎内细胞团或原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞，此外也可以通过体细胞核移植技术获得。
接触抑制现象：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。
原癌基因：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。
抑癌基因：也称为抗癌基因。抑癌基因的产物是抑制细胞增殖、促进细胞分化、抑制细胞迁移，能抑制肿瘤发生，它们的丢失、突变或失去功能，会使激活的癌基因发挥作用而致癌。
三、简答论述：
组织特异性基因的表达是如何调控的？
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影响细胞分化的因素有哪些？请予说明。
细胞中组织特异性基因的选择性表达主要是由调控蛋白所启动。调控蛋白的组合是影响细胞分化的直接因素。一般说来，这种影响主要受胞外信号系统的调控，而胞外信号甚至细胞微环境的调控又是通过细胞自身的因素如胞内因素、细胞位置等作用的。
1.胞外信号分子对细胞分化的影响
（1）近端组织的相互作用
在研究早期胚胎发育过程中发现，一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方向分化，这种作用称为近端组织的相互作用，也称为胚胎诱导。近端组织的相互作用是通过细胞旁分泌产生的信号分子旁泌素（又称细胞生长分化因子）来实现的。
（2）远距离细胞间的相互作用
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。
2.细胞记忆与细胞决定对细胞分化的影响
信号分子的有效作用时间是短暂的，然而细胞可以将这种短暂的作用储存起来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化。
所谓决定是指一个细胞在接受了某种指令，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，或者说在形态、结构与功能等分化特征尚未显现之前就已确定了细胞的分化命运。
细胞记忆可能通过两种方式实现：
（1）正反馈途径：细胞接受信号刺激后，活化转录调节因子，该因子不仅诱导自身基因的表达，还诱导其他组织特异性基因的表达；
（2）染色体结构变化途径：DNA与蛋白质相互作用的信息传到子代细胞，如同两条X染色体中的一条始终保持凝集失活状态并可在细胞世代间稳定遗传。
这些细胞可能的记忆机制也可以用来解释某些能够继续增殖的终端分化细胞，如平滑肌细胞和肝细胞分裂后只能产生与亲代相同的细胞类型。
3.受精卵细胞质的不对称分裂对细胞分化的影响
动物受精卵并不是均一结构，而是具有高度的异质性。
（1）卵母细胞的核并不位于中央，而是在细胞外周靠近表面的地方。
（2）卵细胞中的蛋白质、mRNA并非均匀分布的，而是定位于特定的空间。
4.胚胎诱导机制对细胞分化的影响
诱导就是一部分细胞诱导其它细胞向特定方向分化的现象，也叫胚胎诱导，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。这种诱导是通过信号来实现的，其中有些诱导信号是短距离的，仅限于相互接触的细胞间；有些是长距离的，通过扩散作用于靶细胞。通常把响应诱导信号的同类细胞叫做形态发生场。
并不是所有的分化事件都是诱导或细胞的环境信号引起的，有些和细胞自身的特性有关，也就是自发机制。譬如，卵的不对称分裂，就是典型的事例；还有一种情况是细胞的随机状态不同，也会造就分化命运的不同，
5.环境对性别决定的影响
环境因素对细胞分化可产生影响，并进而影响到生物的个体发育。这些影响因素又是通过细胞自身的遗传机构发挥作用的。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。
癌细胞的主要特征：
1.癌细胞的形态特征
（1）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。
（2）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，某些染色体缺失，而有些染色体数目增加。
（3）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。
（4）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、。
2.癌细胞的生理特征
（1）细胞周期失控：不受正常生长调控系统的控制，能持续的分裂与增殖。
（2）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。
（3）接触抑制丧失：正常细胞在体外培养时有接触抑制现象，而肿瘤细胞即使堆积成群，仍然可以生长。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。肿瘤细胞失去定着依赖性，可以在琼脂等支撑物上生长。
（4）具去分化现象：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。
（5）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。
（6）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状态。
（7）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。
（8）具有可移植性：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。
说明癌症的发生与癌基因和抑癌基因的关系：
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。
抑癌基因：也称为抗癌基因。抑癌基因的产物是抑制细胞增殖、促进细胞分化、抑制细胞迁移，能抑制肿瘤发生，它们的丢失、突变或失去功能，会使激活的癌基因发挥作用而致癌。
为什么说肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果？
因为癌的发生是由多个相关基因突变的共同作用引起的；并不是基因组的每一次突变都被积累下来，细胞中有DNA损伤修复机制，及复制纠错机制，阻止突变细胞继续分裂；当细胞逃脱了纠错机制的监控进入分裂，就有可能转变为癌细胞；而癌细胞的快速增殖助长了有害突变的积累；环境中的各种诱变因素（如辐射、化学诱变剂、病毒等）增加突变几率，诱发癌症，这种作用也是可积累的。
如何理解真核细胞基因表达调控的复杂性？
真核细胞基因表达调控有哪些不同环节？各有何作用？
DNA水平：基因丢失；基因扩增；基因重排；DNA的甲基化。
染色体结构水平：核小体结构、DNase1敏感性；组蛋白的修饰。
转录水平：顺式作用元件（DNA序列）——效应元件、启动子、增强子；反式作用元件（蛋白质），与顺式作用元件蛋白质，有通用性和特异性，其结构域包括与DNA结合结构域和转录激活结构域。
转录后水平：RNA的修饰和加工。
翻译水平：mRNA的半衰期以及翻译的起始调控。
翻译后水平：蛋白质的修饰和运转。
表观遗传学调控及其意义：
四、实验：
什么是细胞分化？为什么说细胞分化是基因选择性表达的结果？
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干细胞研究
第十三章．细胞衰老与凋亡
一、知识点：
PCD和细胞凋亡：
近年来PCD和细胞凋亡常被做为同义词使用，但两者实质上是有差异的：
（1）PCD是一个功能性概念，描述在一个多细胞生物体中，某些细胞的死亡是个体发育中一个预定的，并受到严格控制的正常组成部分，而凋亡是一个形态学概念，指与细胞坏死不同的受到基因控制的细胞死亡形式；
（2）PCD的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。
二、名词解释：
Hayflick界限：体外培养的细胞，不是不死的，而是有一定寿命的，它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，即Hayflick界限。
细胞坏死：细胞坏死是细胞受到化学因素（如强酸、强碱、有毒物质）、物理因素（如热、辐射）和生物因素（如病原体）等环境因素的伤害，引起细胞死亡的现象。
细胞自溶、异溶：细胞坏死是细胞受到化学因素（如强酸、强碱、有毒物质）、物理因素（如热、辐射）和生物因素（如病原体）等环境因素的伤害，引起细胞死亡的现象。坏死细胞的形态改变主要是由下列两种病理过程引起的，即酶性消化和蛋白变性。参与此过程的酶，如来源于死亡细胞本身的溶酶体，则称为细胞自溶；若来源于浸润坏死组织内白细胞溶酶体，则为异溶。
细胞凋亡：是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。
细胞程序性死亡（PCD）：到动物发育过程中，无用组织细胞在自身遗传基因的控制下有序的死亡的现象，它是胚胎正常发育所必需的。例如，在蝌蚪发育成蛙的变态过程中蝌蚪尾部细胞的死亡。
脂褐质：又称老年斑，由于未被消化的物质残余在溶酶体内，形成残余小体，积累在细胞中形成细胞内的固定结构，从表征上看就是脂褐质。
三、简答论述：
衰老的特征是什么？
1.衰老过程中细胞核的形状不规则，核膜内陷和断裂；细胞核固缩，出现核内容物，核质染色加深，核的细致结构逐渐消失，核仁也发生明显的变化。
2.衰老细胞中，内质网排列变得无序，膜面上核糖体数量减少。
3.衰老细胞的线粒体数目减少，但体积增大。线粒体的结构也发生变化，肿胀空泡化，内部嵴大大减少。线粒体崩解是细胞衰老变化的重要标志。
4.致密体（脂褐质）的堆积。
5.细胞的间隙连接明显减少，膜脂相发生改变，不饱和脂肪酸含量增加，膜流动性下降。
细胞衰老的分子机制
1．自由基学说
自由基理论：
自由基指那些带有未配对的自由电子的化学物质，这些自由电子导致了这些物质的高反应活性。
细胞中的自由基若不能及时除去，过多的自由基对许多细胞造成损伤。例如，它们能使质膜中的不饱和脂肪酸氧化，能氧化膜的磷脂并对DNA造成损伤。自由基对体内有机化合物可发生强氧化或过氧化作用，诱导氧化反而引起生物膜受损和细胞组织衰老。自由基还可氧化体内存在的不饱和脂肪酸，使脂肪变性成脂褐素，因脂褐素在细胞内大量沉积，破坏细胞亚显微结构而使细胞萎缩和衰亡。
2．染色体端粒和衰老
人类端粒结构为染色体末端重复上千次的TTAGGG序列所组成。DNA聚合酶不能完成线性染色体末端DNA的复制，由于RNA引物的原因，DNA聚合酶一定会留下染色体末端的一段DNA（一段端粒）使其不被复制。那么真核细胞染色体末端的端粒就会随着每次细胞分裂逐渐缩短，直到不能分裂走向衰老。人类种系细胞一生中维持分裂。不断增殖的原因是该细胞表达端粒酶。端粒酶以自身一段RNA为模板，通过逆转录酶，转录出一段端粒片段并使之连接于染色体的端粒末端，使端粒不缩短，维持完整，从而保持了细胞的永生化生长。
人类正常组织的体细胞均无端粒酶活性。值得注意的是，在绝大多数恶性肿瘤细胞中显示明显的端粒酶活性，这可能是肿瘤细胞具有永生性生长的原因之一。
3．线粒体DNA突变（线粒体自由基假说）
在线粒体生成ATP的过程中，大约有1-4%氧转化为氧自由基，因此线粒体是自由基浓度最高的细胞器。mtDNA裸露于基质，缺乏结合蛋白的保护，最易受自由基伤害，而催化mtDNA复制的DNA聚合酶γ不具有校正功能，复制错误频率高，同时缺乏有效的修复酶，故mtDNA最容易发生突变。mtDNA突变使呼吸链功能受损，进一步引起自由基堆积，如此反复循环。衰老个体细胞中mtDNA缺失表现明显，并随着年龄的增加而增加，许多研究认为mtDNA缺失与衰老及伴随的老年衰退性疾病有密切关系。
4．体细胞突变与DNA修复
外源的理化因子，内源的自由基本均可损伤DNA，导致体细胞突变。正常机体内存在DNA的修复机制，可使损伤的DNA得到修复，但是随着年龄的增加，这种修复能力下降，导致DNA的错误累积，最终细胞衰老死亡。彻底的修复仅发生在细胞分裂的DNA复制时期，这就是干细胞能永保青春的原因。
6．重复基因失活
真核生物基因组DNA重复序列不仅增加基因信息量，而且也是使基因信息免遭机遇性分子损害的一种方式。主要基因的选择性重复是基因组的保护性机制，也可能是决定细胞衰老速度的一个因素，重复基因的一个拷贝受损或选择关闭后，其它拷贝被激活，直到最后一份拷贝用完，细胞因缺少某种重要产物而衰亡。实验证明小鼠肝细胞重复基因的转录灵敏度随年龄而逐渐降低，哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。
7．长寿基因
子女的寿命与双亲的寿命有关，各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命，成人早衰症病人平均39岁时出现衰老，47岁左右生命结束；患婴幼儿早衰症的小孩在1岁时出现明显的衰老，12-18岁即过早夭折。由此来看物种的寿命主要取决于遗传物质，DNA链上可能存在一些“长寿基因”或“衰老基因”来决定个体的寿限。
研究表明当细胞衰老时，一些衰老相关基因（SAG）表达特别活跃，其表达水平大大高于年轻细胞，已在人1号染色体、4号染色体及X染色体上发现SAG。用线虫的研究表明，基因确可影响衰老及寿限，线虫的平均寿命仅3.5天，该虫age-1单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%，age-1突变型有较强的抗氧化酶活性，对H2O2、农药、紫外线和高温的耐受性均高于野生型。
细胞凋亡的形态特征：
（1）染色质聚集、分块、位于核膜上，胞质凝缩，最后核断裂，细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；
（2）凋亡小体内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，可被邻近细胞吞噬消化，因始终有膜封闭，没有内溶物释放，故不会引起炎症；
（3）凋亡细胞中仍需要合成一些蛋白质，但是在坏死细胞中ATP和蛋白质合成受阻或终止；
（4）核酸内切酶活化，导致染色质DNA在核小体连接部位断裂，形成约200bp整数倍的核酸片段，凝胶电泳图谱呈梯状。
凋亡再由机体生长发育过程中的重要意义：
凋亡的基本途径：
细胞坏死和细胞凋亡的区别：
细胞坏死是细胞受到化学因素（如强酸、强碱、有毒物质）、物理因素（如热、辐射）和生物因素（如病原体）等环境因素的伤害，引起细胞死亡的现象。
细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。细胞凋亡与细胞坏死不同，细胞凋亡不是一件被动的过程，而是主动过程，它涉及一系列基因的激活、表达以及调控等的作用，它并不是病理条件下，自体损伤的一种现象，而是为更好地适应生存环境而主动争取的一种死亡过程。
细胞在凋亡时会通过出芽的方式形成许多凋亡小体，内有结构完整的细胞器，还有凝缩的染色体，可被邻近细胞吞噬消化，因始终有膜封闭，没有内溶物释放，故不会引起炎症；而细胞坏死时细胞膜和细胞器破裂、细胞内容物流出，引起周围组织炎症反应。
四、实验：
Hayflick的设计实验，证明细胞的衰老是细胞本身决定的：
取老年男性个体的细胞（间期无巴氏小体）和年轻女性个体的细胞（间期有巴氏小体）进行单独或混合培养，并统计其倍增次数，结果发现：混合培养中的两类细胞的倍增次数与各自单独培养时相同，即在同一培养液，当年轻细胞旺盛增殖的同时，年老细胞就停止生长了；年轻细胞的胞质体与年老的完整细胞融合时，得到的杂种细胞不能分裂；年老细胞的胞质体与年轻的完整细胞融合时，杂种细胞的分裂能力几乎与年轻细胞相同。充分说明决定细胞的衰老是细胞核，而不是细胞质。
鉴定细胞凋亡通常用什么方法？
