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十二章 细胞分化 细胞分化的概念 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，产生不同的细胞类 群的过程 (cell differentiation)。 细胞分化是多细胞有机体发育的基础与 核心 细胞分化的实质 细胞分化的关键在于特异性蛋白质的合成 特异性蛋白质合成关键在于基因选择性表达 细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与 空间上的差异表达(differential express)。 组织特异性基因的表达受控于组合调控。 转分化 一种类型的分化细胞转变成另一种类型的分 化细胞的现象称转分化(transdifferentiation) 转分化的过程 去分化(dedifferentiation) 再分化(redifferentiation) 。 细胞的全能性 定义 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。 全能性的细胞举例 o受精卵 o早期的胚胎细胞。 o植物的体细胞 细胞多潜能性(pluripotency) 随着胚胎的发育，动物细胞特别是高等 动物细胞逐渐丧失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) 干细胞(stem cell) 具有多潜能性的细胞 定向干细胞 仅具有分化形成某一种类型能力的细胞，或称单 能干细胞。 终末分化 由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程称为 终末分化 细胞核的全能性 克隆羊多莉证明了终末分化的细胞核具 有全能性。 影响细胞分化的因素 1胞外信号分子的影响 2细胞记忆的影响 3细胞质的不均一性的影响 4细胞间的相互作用与位置效应 1胞外信号分子的影响 近端组织的相互作用 一部分细胞会影响周围细胞使其向一定方 向分化。 旁分泌。 细胞间远距离相互作用 通过激素来调节 蝌蚪变态过程 2细胞记忆的影响 决定(determination) 是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 细胞记忆 细胞可以将信号分子短暂的的有效作用储存起 来并形成长时间的记忆，逐渐向特定方向分化 。 细胞记忆的机制 一是活化转录调节因子 二是染色体结构变化(DNA与蛋白相互作用)的 信息传到子代细胞 3细胞质成分的影响 细胞质的不均一性 在卵母细胞的细胞质含有多种隐蔽mRNA，呈不 均匀地分布。 决定子(determinant) 指影响卵裂细胞向不同方向分化的细胞质成分。 影响 受精卵早期细胞分裂，隐蔽mRNA不均一地分配 到子细胞中，从而将决定未来细胞分化的命运， 产生分化方向的差异。 4细胞间的相互作用 胚胎诱导(embryonic induction) 细胞间的相互作用对细胞分化影响。 位置效应(position effect) 改变细胞所处的位置可导致细胞分化方 向的改变。 5环境对性别决定的影响 癌 细 胞 肿瘤细胞(tumor cell) 动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。 恶性肿瘤(malignancy) 具有转移能力的肿瘤 癌 对上皮组织的恶性肿瘤的习惯名称 目前作为恶性肿瘤细胞的通用名称。 基因突变招致细胞的生长与分裂失控，脱离了衰 老和死亡的正常途径而成为癌细胞(cancer cell)。 癌细胞的基本特征 1细胞生长与分裂失去控制 2具有侵润性和扩散性 3细胞间相互作用改变 4蛋白表达谱系或蛋白活性改变 5mRNA转录谱系的改变 癌基因(oncogenes) 控制细胞生长和分裂的正常基因的一种突变形式 ，能引起正常细胞癌变。 原癌基因(protooncogene) 正常细胞基因组中与病毒癌基因同源性很高的基 因片段。它不具有致癌能力，也称为细胞癌基因 (cellular oncogene) 癌基因编码的蛋白 生长因子、生长因子受体、信号转导通路中的分 子、基因转录调节因子和细胞周期调控蛋白 癌基因 抑癌基因(tumorsuppressor gene) 突变失活会导致肿瘤发生的一类基因。 功能 编码的蛋白在细胞周期的检验点上起阻止周期 进程的作用 是正常细胞增殖过程中的负调控因子 突变后果 丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞周 期失控而过度增殖。 抑癌基因 肿瘤发生的实质 癌症的发生并不是单一基因的突变，在一个细胞 中至少发生56个基因突变，才能赋予癌细胞所 有的特征 癌症是一种典型的老年性疾病，它涉及一系列的 原癌基因与抑癌基因的致癌突变的积累 生殖细胞中原癌基因或肿瘤抑制因子发生致癌突 变，致使体内所有的体细胞的相应基因都已变异 。携带这种基因突变的家族成员更易患癌症。 第十三章 细胞衰老与凋亡 早期的细胞衰老研究 100年前，关于原生动物不死的说法广为流行 。 20世纪4050又使细胞“不死性”的观点的统治 地位更加巩固了。 在60年代初，Hayflick等人的工作从根本上动 摇了细胞“不死性”的观点。 Hayflick界限 1961年，Hayflick和Moorhead报告，培养的人二 倍体细胞表现出明显的衰老、退化和死亡的过程 。平均只能传代4060次，此后细胞就逐渐解体 并死亡。 Hayflick界限(Hayflick Limitation) 细胞不是不死的，而是有一定的寿命；它们的增 殖能力不是无限的，而是有一定的界限。 衰老是不可避免的，衰老的原因在于细胞本身 细胞在体内条件下的衰老 衰老动物体内，细胞分裂速度显著减慢 ，其原因主要是G1期明显延长，S期的长 度变化不大。 衰老个体内的环境因素影响了上皮细胞 的增殖和衰老。 衰老细胞结构的变化 (一)细胞核的变化 (二)内质网的变化 (三)线粒体的变化 (四)致密体的生成 (五)膜系统的变化 (一)细胞核的变化 随着细胞分裂次数的增加，核不断增大。 核膜内折 染色质固缩化 (二)内质网的变化 糙面内质网的有序排列不复存在 内质网成分弥散性地分散于核周胞质中 糙面内质网的总量减少 (三)线粒体的变化 数量减少，体积增大 线粒体发生膨大,有时可见到清晰的嵴 线粒体内容物呈现网状化并形成多囊体 外膜破坏，多囊体释出。 (四)致密体的生成 由溶酶体或线粒体转化而来。 衰老细胞中常见的一种结构 不同的名称 脂褐质、老年色素、血褐质、脂色素、黄色素 、透明蜡体及残体 等等。 (五)膜系统的变化 处于凝胶相或固相 间隙连接减少，使细胞间代谢协作减少 膜内颗粒进行侧向运动能力丧失 细胞衰老的分子机制 (一)氧化性损伤学说 (二)端粒与衰老 (三七)线粒体DNA与衰老 (一)氧化性损伤学说 20世纪50年代，Harman提出衰老的自由基理论 代谢过程中产生的活性氧基团或分子(reactive oxygen species ，ROS)引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。 23氧变成了自由基 02，超氧自由基；OH，羟自由基；H202。 理论推断, 清除自由基，可以延长寿命 自由基引发脂质、蛋白质和核酸分子的氧化性损伤，从而 导致细胞结构的损伤乃至破坏。 有人将小鼠的谷胱甘肽过氧化物酶基因及SOD3基因中的一 种剔除，并未引起衰老的加速。 (二) “有丝分裂钟”学说 1990年Harley提出了衰老的“有丝分裂钟”学说 随着细胞的每次分裂，端粒不断缩短；当端粒 长度缩短达到一个阈值时，细胞就进人衰老。 不支持这一学说的研究报告 某些小鼠终生保持较长的端粒，但并未因此而 获得较长的寿命 (三)线粒体DNA与衰老 20世纪80年代，Cummings等人曾经提出，线 粒体DNA中存在着衰老 DNA(SenDNA)。 随着年龄的增长，线粒体DNA的突变显著 线粒体DNA突变的积累影响细胞衰老 线粒体DNA突变的积累可能不是引起衰老的初 始原因。 细胞凋亡 凋亡一词，源自古希腊语，意指花瓣或树叶的 脱落、凋零。 细胞凋亡 是一个主动的由基因决定的自动结束生命的自 然的生理学过程。受到严格的由遗传机制决定 的程序性调控，也被称为细胞编程性死亡。 细胞凋亡与坏死 细胞凋亡是一种主动的由基因决定的细胞自我破坏的过 程， 坏死则是极端的物理、化学因素或严重的病理性刺激引 起的细胞损伤和死亡。 主要区别 细胞凋亡时，细胞膜的整合性保持良好，死亡细胞的内 容物不会逸散到胞外环境中去，因而不引发炎症反应； 细胞坏死时，细胞膜发生渗漏，细胞内容物，包括膨大 和破碎的细胞器以及染色质片段，释放到胞外，导致炎 症反应。 细胞凋亡的过程 凋亡的起始 凋亡小体的形成 凋亡小体被吞噬并消化 凋亡的起始 细胞膜依然完整 细胞间接触消失 细胞表面特化结构消失 核糖体逐渐从内质网上脱离 内质网囊腔膨胀并逐渐与质膜融合 染色质固缩形成新月形帽状结构沿着核膜分布 。 凋亡小体的形成 核染色质断裂为片段，与细胞器一起聚集，为 反折的细胞膜所包围。 细胞表面产生了许多泡状或芽状突起，逐渐分 隔形成单个的凋亡小体。 凋亡小 体消失 逐渐为邻近的细胞所吞噬并消化。 可能延续49 h。 细胞凋亡的生化特征 梯状条带是鉴定细胞凋亡最可靠的方法 DNA发生核小体间的断裂，产生含有不同数量 核小体单位的片段 进行琼脂糖凝胶电泳时，形成了特征性的梯状 条带(DNA ladders)，其大小为180200bp的整 数倍。 重要特征 组织转谷氨酰胺酶积累并达到较高的水平。 诱导细胞凋亡的因子 物理性因子 射线(如紫外线、射线等)，温度刺激(如热激 、冷激) 。 化学及生物因子 活性氧基团和分子、钙离子载体、VK3、视黄 酸、细胞毒素、 DNA和蛋白质合成的抑制剂 、正常生理因子(如激素、细胞生长因子等)的 失调、肿瘤坏死因子。(TNFa)。 细胞凋亡的检测 1形态学观测： 应用各种染色法可观察到凋亡细胞的各 种形态学特征 2DNA电泳： 细胞发生凋亡时，提取的DNA在进行常 规的琼脂糖凝胶电泳，这些大小不同的DNA片段就呈现 出梯状条带。 3彗星电泳法： 将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂 解处理后，再在电场中进行短时间的电泳，并用荧光染料 染色，凋亡细胞中形成的DNA降解片段，在电场中泳动 速度较快，使细胞核呈现出一种彗星式的图案；而正常的 无DNA断裂的核在泳动时保持圆球形 Caspase家族与凋亡 caspases是一组存在于胞质溶胶中的结构上相 关的半胱氨酸蛋白酶，共同点是特异地断开天 冬氨酸残基后的肽键。 caspase能够高度选择性地切割某些蛋白质，这 种切割只发生在少数(通常只有1个)位点上，主 要是在结构域间的位点上 caspase切割的结果或是活化某种蛋白，或是使 某种蛋白失活，但从不完全降解一种蛋白质。 caspase种类 现已确定至少存在11种： caspase 2、caspase 8、caspase 9和caspase 10参 与细胞凋亡的起始 caspase 3、caspase 6和caspase 7参与细胞凋亡 执行 caspase 1和caspase 11，以及可能还有caspase 4 不直接参与细胞凋亡 caspase的活化 caspase以无活性的酶原状态存在，经活化方能 执行其功能。 caspase的活化需切割连接两个亚基的天冬氨酸 位点，两个亚基形成具有活性的异二聚体酶， 细胞凋亡的起始者(caspase 2，8，9和 10)活化 执行者(caspase 3，6和7) 。 caspase 活化机制 Fas或TNF受体蛋白通过直接与连接器蛋白FADD 作用而使caspase 2，8及10的酶原聚集其附近的细 胞质表面。 当caspase 2，8及10酶原达到一定浓度时，它们就 进行同性活化，在大小亚基之间进行切割，产生 具有活性的酶。 Caspase 2，8和10活化以后，就通过异性活化， 使下游的 caspase包括caspase 3和7活化，使其成 为凋亡的执行者。 Bel2冢族与细胞凋亡 Bcl2是一种原癌基因 和一般的癌基因不同，Bcl2能延长细胞的生存 ，而不是促进细胞的增殖。Bcl2能抑制细胞凋 亡。 在胚胎发育过程中，BCL2的表达十分常见， 而在成熟组织中，只在那些长期生存的细胞如 干细胞以及分裂后的神经元等细胞中才会表达 。 Bcl2家族成员的基因中，常常含有三个保守的 Bcl2同源区，即BHl、BH2和BH3。这三个区域 是调节凋亡以及蛋白质相互作用所必需的结构 。 p53与细胞凋亡 抑癌基因，人肿瘤有关基因中突变频率最高的 基因。 p53基因是通过调节Bcl2和Bax基因的表达来影 响细胞凋亡的。 p53蛋白能特异地抑制Bcl2的表达，对Bax的表 达则有明显的促进作用。 将p53基因重新导入已转化的细胞中，则可能 产生两种不同的结果：生长阻遏；细胞凋 亡。前者是可逆的，后者则不可逆。两种结果 的导向取决于生理条件及细胞类型。 植物细胞凋亡 最早提出植物中存在细胞凋亡的是1994年发表 的关于拟南芥的过敏反应中出现细胞程序性死