1、细胞信号转导细胞信号传递第一节 概述一、 细胞通讯（Cell communication ）一个细胞发生的信息通过介质（又称配体）传递到另一个细胞并与靶细胞相应的受体相互作用，然后通过细胞信号转导产生胞内一系列生理变化，最终表现细胞整体的生物学效应的过程。细胞信号转导是实现细胞间实现通讯的关键过程，它对多细胞生物细胞间功能的协调、控制细胞的生长和分裂、组织发生与形态建成时必须的。二、 细胞通讯方式1、 分泌化学信号的通讯（1） 内分泌（2） 旁分泌（3） 自分泌（4） 通过化学突触传递神经信号2、 细胞间接触依赖性的通讯（细胞间直接接触，通过与质膜结合的信号分子影响其他细胞）3、 间隙连接实现
2、代谢耦联或电耦联三、 信号转导系统及其特征具有信号识别的特异性，放大作用和信号终止、下调，细胞对信号的整合作用。四、 细胞内信号蛋白的相互作用细胞内信号蛋白的相互作用是靠蛋白质模式结构域所特异性介导的。五、 信号分子与受体1、 信号分子 （1） 物理信号（2） 化学信号：激素、局部介质、神经递质各种化学信号根据其溶解性通常分为两类：亲脂性信号分子：甾类激素、甲状腺素亲水性信号分子：神经递质、局部介质、大多数肽类激素（生长因子、细胞因子、内分泌激素）气体NO2、 受体：是一种能识别和选择性结合某种配体的大分子，主要为蛋白质，多为糖蛋白，少数为糖脂。根据靶细胞上受体的存在位置，可将受体分为：（1）
3、 细胞内受体位于细胞质基质或核基质中，主要识别结合小的脂溶性信号分子，为胞外亲脂性信号分子所激活。（2） 细胞表面受体识别和结合亲水性信号分子；根据信号转导机制和受体蛋白类型不同，分为：离子通道耦联受体G 蛋白耦联受体酶联受体（受体酪氨酸激酶、细胞因子类受体超家族、受体丝/苏氨酸蛋白激酶）免疫球蛋白超家族TNF 或 NGF 类受体家族非受体酪氨酸激酶受体对信号系统的调节（1） 受体数量的调节向下调节：数量减少向上调节：数量增加机制：受体合成或分解速度变化；膜受体介导的内吞与受体的再循环；受体的位移或活性部位的暴露（2） 受体亲和力的调节：受体磷酸化与去磷酸化控制信号转导蛋白活性的方式：通过配体
4、的调节;通过 G 蛋白调节；通过可逆磷酸化调节六、 第二信使学说：胞外化学物质（第一信使）不能进入细胞，它作用于细胞表面受体，而导致产生胞内第二信使，从而激发一系列生化反应，最后产生一定的生理效应，第二信使的降解使其信号作用终止。分子开关：细胞转导过程中通过结合 GTP 和水解 GTP 或通过蛋白质磷酸化与去磷酸化而开启或关闭蛋白质的活性。第二节 细胞信号转导通路一、 细胞内受体介导的信号转导细胞内受体超家族的本质是依赖激素激活的基因调控蛋白。在细胞内，受体与抑制性蛋白结合形成复合物，处于非活化状态；当信号分子与受体结合，将导致抑制性蛋白从复合物上解离下来，使受体通过暴露它的 DNA 结合位点
5、而被激活。类固醇激素诱导的基因活化通常分为两个阶段： 直接激活少数特殊基因转录的初级反应阶段，快速反应； 初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟的刺激反应，对初级反应起放大作用。二、 NO 作为气体信号分子进入靶细胞直接与酶反应NO 由一氧化氮酶（NOS）催化合成后扩散到邻近细胞，与鸟苷酸环化酶活性中心结合，改变酶的构象，导致酶的活性增强和 cGMP 合成的增多，cGMP 作为第二信使介导蛋白质的磷酸化过程，发挥多种生物学作用。第三节 G 蛋白耦联受体介导的信号转导一、 G 蛋白耦联受体的结构与激活G 蛋白耦联受体，指配体 -受体复合物与靶蛋白的作用要通过 G 蛋白的耦联，在细胞内产生第二信
6、使，从而将胞外信号跨膜传递到胞内影响细胞的行为。G 蛋白是三聚体 GTP 结合调节蛋白的简称，位于质膜胞浆一侧，有 G、G 、G 亚基组成，G 和 G亚基以异二聚体存在，G 和 G亚基分别通过共价结合脂分子锚定于膜上，G本身具有 GTPase 活性，是分子开关蛋白。当配体与受体结合，三聚体 G 蛋白解离，并发生 GDP 与 GTP 的交换，游离的 G-GTP处于活化的开启状态，导致结合并激活效应器蛋白，从而传导信号；当 G-GTP 水解成 G-GDP 时，则处于失活的关闭状态，终止信号传递并导致三聚体 G蛋白的重新组装，系统恢复进入静息状态。二、 G 蛋白耦联受体介导的细胞信号通路（1） 以
7、cAMP 为第二信使的信号通路（2） 磷脂酰肌醇双信使信号通路（3） G 蛋白耦联离子通道的信号通路G 蛋白耦联受体介导离子通道的调控信号途径特点：1.受体/离子通道复合体 ,四次/ 六次跨膜蛋白2.跨膜信号转导无需中间步骤,又称配体门离子通道3.主要存在于神经细胞或其他可兴奋细胞间的突触信号传递4.有选择性:配体的特异性选择和运输离子的选择性如乙酰胆碱激活的通道,只运输 Na+和 Ca+,-氨基丁酸激活通道只运输 Cl-乙酰胆碱-N 受体（ 260KD）外周型：5 个亚基组成调节主要为 亚基变化通道开启：Na +内流，K +外流，膜去极化。注释：M-型乙酰胆碱受体（乙酰胆碱的结合引发 Gi
8、亚基的活化并与 G 解离，k+ 通道开放，引起质膜超极化）3、Gt 蛋白耦联的光受体的活化诱导 cGMP-门控阳离子通道的关闭 （图 8-25）p245G 蛋白与视紫红质（光受体）耦联，称之为传导素（ transductin，Gt）4.3 酶连受体介导的信号传递一、受体酪氨酸激酶（receptor tyrosine kinases, RTKs）包括 6 个亚族信号传导：配体受体受体二聚化受体的自磷酸化激活 RTK胞内信号蛋白启动信号传导RTK-Ras-Raf 信号途径RTK-PL3K-AKT 信号途径（1） 、配体与受体在胞外与受体结合并引发构象改变，因此配体的结合导致受体二聚化；（2） 、当
9、受体二聚化后，激活受体的蛋白酪氨酸激酶活性；（3） 、活化的 PTKs 可结合带有 SH2 结构域的结合蛋白或信号蛋白。SH2SH3 首先在 Src蛋白中发现,所以称作 Src 同源区 (Src homolog region 2 and 3, SH2, SH3)SH2 选择结合在磷酸酪氨酸残基，SH3 选择结合在富含脯氨酸基序（motif ）（4）在 GEF 作用下，无活性的 Ras-GDP 变成有活性的 Ras-GTPRTK-Ras 信号通路配体RTKadaptorRasRaf （MAPKKK ）丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶MAPKKMAPK有丝分裂原活化蛋白激酶（mito genactivate
10、d 化修 protein kinase）进入细胞核其他激酶或基因调控蛋白（转录因子）的磷酸化。RTKGNRPRASRAFMEKERKTranscription factortranscriptionRTK-PL3K-ATK 信号途径G 蛋白耦联受体介导的 MAPK 的激活(1) MAPK(Mitogen-activated protein kinase)又称 ERK（extracelular signal-gulated kinase）真核细胞广泛存在的 Ser/Thr 蛋白激酶.(2)MAPK 的底物:膜蛋白(受体、酶)、膜浆蛋白、核骨架蛋白、及多种核内或胞浆内的转录调控因子在细胞增殖和分化
11、中具有重要调控作用。(3)PKC、PLC 与 G 蛋白耦联受体介导的 MAPK 激活(4)G 蛋白耦联受体激活 G 蛋白：G 蛋白 亚基或 亚基激活 PLC：PKC 通过 Ras 或 Raf激活 MAPK：(5)PKA 对 G 蛋白耦联受体-MAPK 途径的负调控(6)cAMP，MAPK：cAMP 直接激活 cAMP 依赖的 PKA：PKA 可能通过 RTK 或通过抑制 Raf-Ras 相互作用起负调控作用。4.4 其他信号途径NF-B 信号转导途径旁激素信号转导途径（又称生长分化因子（growth and differentiation factor, GDF）,由诱导细胞产生，并通过扩散的
12、方式到达邻近的靶细胞）Hedgehog 信号途径Wnt PathwayNotch 信号转导途径二、细胞对信号的控制靶细胞对信号分子的 5 种脱敏方式：受体没收：受体-配体复合物内吞受体下调：反应减弱（迟发相）受体失活：受体磷酸化：受体与 Gs 解耦联，cAMP 反应停止并被 PDE 降解信号蛋白失活产生抑制蛋白细胞周期调控内容提要1. 细胞周期的概念2. 细胞周期的驱动因子（cyclin and CDK ）3. 细胞周期的抑制因子（p21、p27、p15、p16、 ）4. 细胞周期调控机制G1 期、G2-S、S 期、M 期(G2-M，中期)细胞周期的基本概念细胞增殖周期通常简称细胞周期（cel
13、l cycle） ，是指细胞从上一次细胞分裂结束到本次分裂终了的过程或间隔时间。根据细胞周期不同时相的特点，可将细胞周期顺序分为 4 个连续阶段，即 G1 期(gap phase 1)、S 期（synthesis phase） 、G2 期（gap phase 2）及 M 期（mitotic phase）.1、1 细胞周期的 4 个阶段及其与 G0 期的关系1、2 早期胚胎细胞的细胞周期早期胚胎细胞周期主要指受精卵在卵裂过程中的细胞周期。由于卵细胞在成熟过程中已经积累了大量的物质基础，基本可以满足早期胚胎发育的需要 ，因此早期胚胎细胞周期的 G1 和 G2 期非常短，以至认为其仅含有 S 期和
14、M 期。非洲爪蟾精卵前 12 个细胞周期共需 8h，而其体细胞的细胞周期持续时间约 24h。第一节 细胞周期的驱动力量cyclinhe CDK 的磷酸化和去磷酸化细胞周期的程序控制主要通过各种细胞周期蛋白（cyclin）和依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶（cyclin dependent kinase， CDK）有序的磷酸化和去磷酸化从而控制 cyclin-CDK 复合物的活性来实现的。在各个阶段还可以分别处理来自细胞内外的各种信息并作出相应的应答。组成这一自动程控机器的成分还有细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制因子（cyclin dependent kinase inhibitor， CDI） 、磷脂
15、酶和泛素（ubiquitin）哺乳动物细胞周期不同周期蛋白的表达时期不同，与不同的 CDK 结合，调节不同 CDK 激酶的活性。部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的积累及其与 CDK 激酶活性的关系。细胞受丝裂原刺激后合成 cyclin 的时序和相对浓度2、2 CDK 家族CDK 是一组丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，目前发现有 9 种成员，有不同程度的同源性，故称 CDK 家族，各成员命名为 CDK1，2，39.CDK 含催化亚基，但需要 cyclin 提供调节亚基才有活性。通常以 cyclin-CDK 复合物形式出现。CDK 的上游尚有 CDK 活化激酶（CDK-activating ki
16、nase，CAK ） 。CDK 也能与 CDI 结合，而抑制细胞周期。此外，CDK 自身的磷酸化状态与其活性也密切相关，如 CDK 中的苏氨酸（T）残基和酪氨酸（Y）残基磷酸化，可使 CDK 激活，而活化的 Thr 残基发生去磷酸化则使 CDK失活。CDK1 CDK1 又称 cdc2.cdc（cell division cycle gene）. 这些基因在进化上高度保守，如酵母的 cdc2 与人的踩单车 28 结构类似，编码产物是相对分子质量为 34000 的蛋白质，一般表示为 p34cdc2/cdc28。P34 对 G1/S 转换和 G2/M 转换都是必需的 .P34 与 cyclin B
17、结合成的复合物是成熟促进因子(MPF)的重要组分,对驱动细胞进入 M期至关重要.1991 年冷泉港(cold spring harbor)实验室发起的一次细胞周期研讨会上决定把 cdc2 命名为 CDK 家族的第一号,即 CDK1.第一节 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CDI）CDI（yclin dependent kinase inhibitor）是 CDK 的抑制物,通过与 CDK 非共价结合而抑制 CDK 活性的，是与 cyclin-CDK 作用相对抗的重要机制之一，参与细胞周期检查机制。哺乳动物细胞的才 CDI 主要包括 Ink4、Kip 及 GADD45 等。Ink4(inhibi
18、tor 偶发 CDK4 的缩写)是一族 CDK4 的特异性抑制蛋白,只特异性抑制CDK4、CDK6.第一个被坚定的成员为 p16，其他成员有 p15、p18 及 p19.Kip 即 kinase inhibition protein 的缩写，包括 p21、p27 及 p57.P21 的功能1. 在 G1 期 p21 抑制 cyclinD-CDK4、cyclin A-CDK2 及 cyclinE-CDK2，pRb 不能发生磷酸化，细胞停滞于 G1 期，利于细胞进行修复。但 p21 对 cyclinB 组成的复合物的抑制活性较弱。P21 与 p27 有协同作用。2. 通过与 PCNA 结合使 PC
19、NA 不能与 DNA 聚合酶 形成复合物，或使 DNA 全酶复合物不能在模版 DNA 单链上滑动，影响 DNA 的复制。3. 在细胞应激时，p21 通过抑制应激激活蛋白酶（stress-activated protein kinase, SAPK）的活性，认为 p21 参与细胞应激状态时的信号转导。p21 蛋白的功能区域示意图功能:主要在 G1 和 G1-S 期的转变阶段抑制 cyclin-CDK 活性通过与 PCNA 结合影响 DNA 的“复制”通过抑制 SAPK 参与应激时的信号转导调节：p53 依赖途径（p53 作为转录因子启动 p21 表达）非 p53 依赖途径（佛波脂、吖啶橙等可诱导
20、 p53-/-人类拜细胞株的 p21 表达。3、3 内源性增殖抑制因子抑制因子是细胞中产生的，具有组织特异性的，抑制生长的调节分子，作用于细胞本身。有人称其为“ 抑素” 。具有以下性质：（1）无论在体内或体外，均能抑制有丝分裂，具有组织特异性（2）无种间差异（3）制造抑素的组织即是该抑素作用的靶组织（4）对有丝分裂的作用是可逆的，对细胞无损害作用3、4 蛋白磷酸酶蛋白磷酸化与脱磷酸化几乎设计所有生理过程:从胚胎发育到细胞的生长发育、分裂分化、基因表达甚至癌变等。它是使 cyclin-CDK 的靶分子去磷酸化的酶，其作用与 cyclin-CDK 相反。例如蛋白磷酸酶 I（PPI） ，它在 M 期
21、使 Rb 蛋白发生去磷酸化。PP2A 主要在 G2/M 相过渡和 M 期的终止时参与一系列磷酸化的过程,组织细胞进入有丝分裂期。3、5 泛素为中介的蛋白水解体系Cyclin 的浓度依细胞周期而变化，其产生取决于 mRNA 的转录与蛋白质的合成，其降解则需要蛋白水解体系，这种水解是以泛素为中介的。泛素是高度保守的小分子蛋白。Cyclin 被分解时，先在一种特定的连接酶作用下，泛素链接到 cyclin 分子特定的位点，然后由依赖泛素的蛋白水解酶的作用，将 cyclin 连同泛素一起水解掉。G1 周期蛋白也通过类似的途径降解，但其 N 端没有破坏框， C 端有一段 PEST 序列与其降解有关。4、C
22、DK1 激酶催化不同的底物（主要是磷酸化丝氨酸和苏氨酸） ，参与细胞的多种功能）4、1 G1 期G0 期与 G1 期早期交界处有一个检查点，决定细胞是停留在静止状态，还是从 G0 期进入 G1 期这一检查点，通常称之为限制点（ estriction point）.G1 晚期与 S 期交界处（表示为G1/S 交界处）也有一个检查点，负责检查染色体 DNA 是否有损伤，如 DNA 有损伤，则要求细胞先进行修复，然后才能复制，以免遗传信息传递出错。细胞在通过 G1 晚期检查点之前一直对各种刺激（生长因子、丝裂原、分化诱导剂等）敏感。细胞周期调控概况G1 晚期检查点决定是否进入 S 期，这最终取决于外
23、界环境能否提供增殖信号及细胞内部有无出现障碍。去除丝裂原后，许多分化的哺乳动物细胞可以从细胞周期退出进入 G0期；也有一些细胞停滞于 G1 期，然后发生凋亡，换句话说，G1 期细胞的命运取决于外部信号能否诱导 G1 期细胞合成 D 型 cyclin 等主要调控蛋白。离子射线可诱导细胞增加表达 p53，后者可诱导 p21 和 GADD45 表达增强，从而使细胞阻滞于 G1 后期。P53 突变的细胞经 DNA 损伤剂处理后，不能休止在 G1 期，经导入野生型 p53，细胞再用电离辐射处理后则变为休止在 G1 期。可见 p53 是在 G1/S 期执行 DNA 损伤检查的关键蛋白.p53 与染色体的稳
24、定性有关.G1/S 期交界调控示意图p27阈值设定者（threshold setter）在 G0 期，细胞内含有较高而相对恒定浓度的 p27 而缺少 CDK,随着从休止状态借方出来，细胞开始合成 cyclin 和 CDK，并积累 cyclin CDK 复合物，但它们大多因被 p27 所结合而失活。当细胞内 cyclin CDK 复合物增加到某一临界值后，可将 p27 完全结合，此时，细胞内游离的 cyclin CDK 复合物开始积累，细胞周期向 S 期推进。4、2 S 期S 期的主要任务是进行 DNA 复制与修复,在每一条染色体的 DNA 分子上,有 3 种特异的核苷酸序列是复制所必需的,它们
25、是多个复制起点（replication orgin） 、1 个着丝粒（centromere）和 2 个端粒（telomere）.真核细胞 DNA 复制是多点起始、双向复制的，不仅要启动 DNA 复制而且要关闭复制，以确保每段 DNA 在一个细胞周期中只复制一次，即S 期 DNA 复制的起始存在“开启”和“ 关闭”机制。S 期的 cyclin/CDKS 期初期主要发生 cyclinE 和 A 激活 CDK2,两者都是启动 DNA 复制子所必需的。继 cyclinE 激活 CDK2 后不久，发生 cyclinA 激活 CDK2，且与可测定出的 DNA 合成同步。G1 晚期阻滞细胞可表达一定水平的
26、cyclinE，但不表达 cydinA。CyclinA 的过高表达足可克服 S 期阻滞。S 期的 CDI 主要为 p21.DNA 损伤可诱导 p21 表达，p21 可抑制所有已发现的 cyclin-CDK复合物。在 S 期 p21 抑制 PCNA 参与 DNA 的复制与修复。DNA 复制的开启与关闭DNA 复制的起始特殊序列，称为复制子（replicator） ，复制子是否开启，决定于复制子与启动有关的 DNA 结合蛋白组装成复制复合物（replication complex，RC ）及其状态。起始识别复合物（orgin recognization complex，ORC ）ORC 由 6 种
27、多肽组成；自主复制序列（autonomously replicating sequence，ARS）与 DNA 复制起始有关，它与蛋白质结合。ORC 突变可使细胞阻滞于 S 期。极可能 cdc28 可直接激活 ORC。CyclinE CDK2 或 cyclinA CDK2 与 ORC-ARS 呈怎样的关机，目前不完全清楚。CDC6 是其中的一个调节因子，在 G1 期 CDC6 含量瞬间提高，CDC6 结合在 ORC 上，在 ATP 供能下，促进 6 个亚单位构成的 MC 符合体和其他一些蛋白结合到 ORC 上，形成前复制复合体（pre-replicative complex, pre-RC）,
28、MCM 实际上就是 DNA 解旋酶（hellicase） 。S-CDK 触发 pre-RC 的启动，同时阻止了 DNA 再次进行复制，因为 S-CDK 将 CDC6 磷酸化，使其脱离 ORC，磷酸化的 CDC6 随后被 SCF 参与的泛素化途径降解；S-CDK 还可以将某些 MCM 磷酸化，使其被输出细胞核。其他一些 CDK 也参与阻止 pre-RC 的再次形成，从而保证了 DNA 的复制当且仅当一次。The mechanisms cotrolling S-phase initiation in animal cells1. The Rb protein acts as a brake in
29、mammalian G1 cells2. The control of G1 progression and S-phase initiation is often disrupted in cancer cells, Ieading to unrestrained cell-cycle and cell proliferation.PRb 及其相关蛋白G1 期 CDK 的主要作用底物是 pRb 或 pRb 的相关蛋白.Rb 基因首先从视网膜母细胞癌(retinoblastoma)中鉴定出来，是一种肿瘤抑制基因。Rb 基因失活可促进肿瘤的发生发展。CyclinD CDK 可使 pRb 磷酸化。
30、非磷酸化的 pRb 能结合转录因子 E2F 使之处于失活状态，从而阻止细胞周期的推进。E2FE2F 是一类细胞转录活化因子，因首先发现它可激活腺病毒 E2 启动子而得名。已发现E2F 有 5 个成员，即 E2F-15.E2F 通常以与其他蛋白质形成复合物的形式存在 ,只有少数细胞株(如 Hela 细胞)含有大量游离形式的 E2F。许多 DNA 合成基因和细胞生长控制基因的启动子中都存在 E2F 的结合位点， E2F 可直接活化这些基因，启动 DNA 合成，从而使细胞进入 S 期。4、3 M 期（1）MPF 的激活P34 与 cyclinB 结合及 p34 的磷酸化是 MPF 活化的关键步骤.p
31、34 的 T161 磷酸化受CAK(cdc2-activating Kinase)催化完成.PP2A 可使磷酸化的 T161 去磷酸化,从而抑制 p34 的活性.T161 磷酸化使 p34 处于一种特殊空间构象,适合与 cyclinB 结合.当 p34 与 cyclinB 结合后空间结构发生变化,使 T14 Y15 残基暴露出来,M 期之前 weel-mikl 关联蛋白使之磷酸化,此时 cyclinB-p34 没有活性.进入 M 期，cdc25 将 P34-T14-Y15 磷酸基移去，于是 MPF 激活。M 期的检查点G2/M 期检查点G2 期检查点负责检查 DNA 复制是否完成.DNA 复制
32、未完成,则可激活 weel-mikl 蛋白激酶.weel-mikl 可使 p34 的 T14-Y15 发生磷酸化，MPF 失活，细胞阻滞于 G2 期；DNA 复制已完成，则 cdc25 表达出 cdc25 蛋白（p54/80）,使上的磷酸基被水解掉 ,MPF 呈现活性,细胞进入 M 期.4、4 M 中期末的检查点M 中期末的检查点是指 cyclinB 灭活机制.其中 APC 活性变化是认识细胞由分裂中期向分裂后期转化的关键问题之一。APC 各成分在分裂期间中表达，但只有到达 M 期之后才表现出活性，提示 M 期 CDK活性对 APC 的活性起着调节作用。APC 活性受到纺锤体装配检查点的监控，
33、纺锤体装配不完全或所有动粒不能被动粒微管捕捉，APC 不能激活。（1995 年 KING 在非洲爪蟾卵种分离出了一种 20S 的蛋白复合体，称之为 APC（后期促进因子） 。在 E1、E2、泛素和 ATP 再生体系存在的情况下，APC 可以在体外将 cyclinA、B降解）染色体分离及纺锤体组装检控点的分子机制在染色体的移动依赖于纺锤体微管蛋白结合在着丝点上的运动。参与该监测点最重要的2 类基因是 MAD 和 BUB。MAD2 和 BUB1 存在于尚未结合微管的动粒上，这两种蛋白在着丝点上可以探测动力与微管的结合。Control of proteolysis: APC regulates ex
34、it from Mitosis by Proteolysis of M-Cdk(cdk1/cdc2). The spindle-attachment checkpoint: Unattached chromosomes block sister-chromatod separation. The sister chromatid seperation is triggered by protein.小结：细胞周期及其调控可简单地比喻为一个高度自动化的机器。该机器主要由动力系统和制动系统 2 个部分组成，两者相互协调、相互制约，才能保证有丝分裂的正常进行。其动力系统一旦启动，可使细胞周期依编好的
35、程序 ，按时间有序地一步一步进行下去。有人称之为“细胞周期时钟” （cell cycle clock）细胞对外界信号作出反应，通过细胞内信号系统，激活细胞周期的动力系统，通过有序地活化各种 cyclinCDK 复合物和磷酸酶，诱导一连串的级联式反应，通过对转录因子及其他功能蛋白的磷酸化和去磷酸化，实现各种细胞期的功能，细胞周期有精密的检查机制，在各细胞期之间转化时都有检查点和检查机制，从而确保程序进行的正确性这个自动化机器运转失灵，就可能造成细胞衰老，死亡或恶化。细胞分化第一节 细胞分化的概念发育细胞分化基因选择性表达蛋白/DNA 相互作用 信号网络胞外信号衰老组织器官 细胞周期细胞分化细胞凋
36、亡 染色质细胞分化 组织器官细胞凋亡 细胞增殖细胞分化 细胞衰老 不对称分裂干细胞(组织干细胞)细胞分化干细胞 分化细胞去分化(重编程)转分化?第二节 细胞分化的分子基础细胞分化(cell differentiation):在个体发育中,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,产生各不相同的细胞类群的过程细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心;细胞分化的关键在于特异性蛋白质组成；合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达；差异性表达的机制是由于基因表达的组合调控。细胞癌变是正常细胞分化机制失控的表现。细胞分化是基因选择性表达的结果：细胞分化主要
37、是奢侈基因中某些特定基因的选择性表达基因表达可在三层水平上进行调控：基因水平，转录水平，翻译水平1.1 基因表达的调控DNA 的甲基化：哺乳动物失活的 X 染色体在生殖细胞形成时才重新恢复活性状态雌性哺乳动物中一条 X 染色体保持缄默：巴氏小体DNA 重排：淋巴细胞合成不同的抗体马蛔虫染色质消减体细胞的前体细胞在很早的卵裂阶段中经历染色质消减，约占 80%以上的 DNA 被丢失，因此不再具备完整的基因组，所以仅有生殖系的细胞具有一套完整的基因组结构。1.2 转录水平的基因调控转录过程包括转录的起始，延伸和终止。这一过程的调控最为复杂，包括 RNA 聚合酶的选择、启动子的选择、终止信号的识别等。
38、 RNA 聚合酶的选择 识别正确的起点和终点1.3 转录后加工的调节1.4 翻译水平的调控细胞质中进行的转译水平的调控包括 mRNA 稳定性的控制、差别翻译、翻译起始的控制、下游区的控制等。铁蛋白的翻译是细胞在 mRNA 水平控制基因表达的一个很好的例子。卵母细胞中 mRNA 的翻译调控机制mRNA masking：mRNA 与其他蛋白质结合成 ribonucleoprotein（RNP）complex，阻止与ribosome 结合；卵成熟或受精后，离子强度改变或蛋白磷酸化等导致 mRNA 解体，翻译得意进行。5 Cap(7-甲基鸟苷酸)的调控,如某些种类的 moths,其卵中的部分 mRNA
39、 的 5-鸟苷酸在受精后才甲基化,然后开始翻译.mRNA sequester:指 mRNA 被阻隔于蛋白合成装置,如海胆未受精卵的 histone mRNA 定位于原核中,受精后原核破裂,mRNA 才能进入胞质开始翻译。翻译效率的调控：如将海胆卵细胞裂解液的 pH 从自然状态下的 pH6.9 提高到（受精后自然状态下的）pH7.4，蛋白质合成量急剧增加。受精后 pH 升高的作用可能包括去除 mRNA的封闭蛋白和激活翻译起始因子。1.5 翻译后水平上的调控Activation by cleaving some domains,e.g, proinsulin(胰岛素原)Activation by
40、removing protecting proteins,e.g., Dorsal;Control of functions by subcellular localization, e.g., membrane proteins;Assembly with other proteins, e.g., hemoglobin;Activation by binding to ions, e.g., calmodulin;Activation by modification, e.g., phosphorylation3.1 细胞的全能性（totipotency）概念：细胞全能性是指细胞经分裂和分
41、化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株动物细胞核移植（nuclear transfer）实验证明细胞核具有发育全能性3.2 影响细胞分化的因素受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响细胞间的相互作用与位置效应细胞记忆与决定果蝇成虫盘（imaginal disc）环境对性别决定的影响3.2.1 细胞质中含有影响分化的遗传因子基因组是发育信息的重要的载体，但细胞质中也同样含有这样的信息。启动一个动物受精卵形成胚胎所需要的信息渔村在卵子发生期的卵母细胞里母体效应（maternal-effect）卵母细胞中贮存的 mRNA 和蛋白的分布是不均匀的，各种
42、 mRNA 在细胞中都有定位分布，并随卵裂进入不同的子细胞中。DNA（核）-mRNA-Protein（细胞核）3.2.2 胚胎诱导（embryonic induction） （图，蛙眼发育的诱导实验）动物在一定的胚胎发育时期，一部分细胞影响相邻细胞使其向一定方向分化的作用称为胚胎诱导，或称为分化诱导。3.2.4 环境对性别决定的影响爬行类依赖程温度的性别决定：在大多数龟类和所有的鳄鱼种的性别是由受精后的环境决定的。在一些龟类中：如果卵在 28以下孵化，所有孵化的龟将为雌性，在 32以上，每个卵产生的是雄性。主要缺陷：可能是物种存活的温度限制。有人假设恐龙可能已经具有依赖温度的性别决定，温度的变
43、化使它们的卵只能孵化出雄性或雌性，以致它们突然消亡。4.1 干细胞的特征1. 干细胞是具多潜能2. 具自稳定性，自稳定性是其区别于肿瘤细胞的本质特征3. 增殖速度较缓慢4. 干细胞能无线的增殖分裂5. 干细胞可连续分裂几代，也可在较长时间内处于静止状态6. 干细胞通过两种方式生长，一种是对称分裂形成两个相同的干细胞，另一种是非对称分裂由于细胞质中的调节分化蛋白不均匀地分配，使得一个子细胞不可逆的走向分化的终端成为功能专一的分化细胞；另一个保持亲代的特征，仍作为干细胞保留下来。分化细胞的数目受分化前干细胞的数目和分裂次数控制。干细胞内部，以及外部与其生境细胞间有特定的信号传导通路，调节自我更新和
44、分化。 4.2 胚胎干细胞（ES cell）胚胎干细胞（ES）是指从早期胚胎的卵裂球、囊胚细胞分离培养和建系的细胞。而从胚胎生殖嵴中 PGC 分离培养建成的称胚胎生殖细胞,简称 EG 细胞。它们统称胚胎性干细胞4.2.1ES 和 EG 细胞系基本特性（1） 体外能无线增殖假使在培养条件合适时，ES 细胞可以在体外无限增殖。但实际上，传代次数越多，ES 细胞会像常规细胞一样，出现核型不正常的情况，并失去了 ES 细胞原有的一些重要特性（2） 体外产生分化细胞1981-2003，这 2 类胚胎干细胞所分化的细胞都是体细胞2003-2004，证明体外培养的 ES 细胞能产生雌、雄两性的生殖细胞，实现
45、了体外培养的 ES 细胞也能表达“ 安全性”概念，这是 ES 细胞体外定向诱导分化的一个重大突破。（3） 体内产生畸胎瘤ES 和 EG 细胞若接种于免疫缺损小鼠腋窝等下，可形成由内胚层、中胚层、外胚层多种细胞构成的畸胎瘤。（4） 巢状生长有多能胚胎干细胞分子标记（5） 染色体数目和核型正常经体外传代培养后具有正常的染色体数目和二倍体核型，即使冻存苏后仍然保持这种特性（6） 遗传可操作性由于 ES 细胞在体外可以不断自我增殖，又具有发育的全能或多能性，并能通过构建嵌合体产生有功能的生殖细胞。这为通过基因工程途径改造物种提供了独特的、无与伦比的受体细胞。（7） 形成嵌合体实现种系传递4.2.2 胚
46、胎干细胞的鉴定 首先要鉴定是否保持正常的核型 通过胚胎期特异表面抗原来监测 巢素蛋白（nestin）阳性 胚胎干细胞碱性磷酸酶活性高，分化的细胞较低 人和小鼠都表达转录因子 Oct-4 端粒酶活性极高，而分化的细胞则很低 体外诱导分化，可以分化为三胚层的不同细胞谱系 体内移植至裸鼠腋下，形成的瘤体应包含多种类型4.2.3 ES 细胞分化潜能的监测 将 ES 细胞给同源动物或裸鼠皮下注射会形成复杂的混合组织瘤 瘤组织包括胃上皮（内胚层） ；骨和软骨组织、平滑肌、横纹肌（中胚层） ；神经表皮、神经节和复层鳞状上皮（外胚层） ；说明 ES 可分化为三个胚层 形成胚状体（拟胚体）： ES 在体外合适的
47、培养条件下，部分能形成胚状体。 嵌合体实验： 将 ES 与正常胚胎嵌合；（人不能形成嵌合体，伦理学原因）嵌合胚：说明早期卵裂球有同等的发育潜力。自然人群中也出现过同时有 XX 型和 YY 型细胞的人。胚胎干细胞：保持了分化为胚胎本体的潜能的、可在体外增殖的胚胎细胞。在基因功能研究和疾病治疗方面有重要的作用。4.2.4 胚胎干细胞的分化能力胚胎干细胞能分化成为体内全部 200 多种细胞。但其应用于临床尚需解决定向分化和致瘤性两大难题。全能干细胞：能分化成所有的细胞类型（ES,EG）多能干细胞：能分化为某一类组织中的所有细胞类型（造血干细胞，神经干细胞）4.3 成体干细胞是指一群分布在成体组织中尚
48、未分化的、具有自我更新潜能并负有构建和补充某组织的各种类型细胞的干细胞，故又称组织干细胞。在正常生理条件下 ，倾向于分化成并更新所在组织的各种细胞。但在特定的外界条件下 ，一种组织的成体干细胞能够超越该特定组织、胚层分化成其他组织的功能性细胞，补充参与其他组织损伤的修复等。成体干细胞造血干细胞，神经干细胞，胰腺干细胞，肝脏干细胞，肌肉干细胞。造血干细胞的特征：形态：类似小淋巴细胞表面标志：CD34+ 、CD38-、Lin-、HLA- 、DR+ 、Thy+ 、CD45RA- 、CD71-其中 CD34+是临床应用最多的造血干细胞标志物。HSC 的鉴定 将分离的细胞植入致死量照射的小鼠体内或 SC
49、ID 鼠体内，可长期重建多谱系造血血细胞的形成与更新：胚胎发育期，血细胞发生于中胚层的血岛。鸡血岛位于胚盘外侧覆盖在卵黄囊上的胚外中胚层上，人类的也是在相应部位覆盖，在卵黄囊上的中胚层上发现的。此后，干细胞迁移到肝脏、脾脏，也可能到达胸腺。最后，它们在骨髓中增殖。出生后的哺乳动物，干细胞只占骨髓中总体细胞的 0.01%，它们是提供所有细胞的唯一来源。造血干细胞的定义和分类：定义：多向分化：能分化成至少八种髓系和淋巴系的血液细胞，实现机体血液、淋巴系统的正常生理功能。自我更新：通过不断的复制维持终生的造血干细胞库分类：胚肝造血干细胞；骨髓造血干细胞；外周血造血干细胞；脐血造血干细胞造血干细胞的移植骨髓移植外周血造血干细胞移植脐血造血干细胞移植：1988 年，Gluckman 等实施了世界上第一例脐血干细胞移植并获得成功。主要局限于小孩或体重较轻的年轻人。另创应用的瓶颈：造血干细胞的体外扩增造血干细胞的转分化2001 年，cell 杂志报道，单个造血干细胞除重建了小
