細(xì)胞生物學(xué)教程第15章+細(xì)胞分化與凋亡

1、細(xì)胞生物學(xué)教程第15章+細(xì)胞分化與凋亡第一節(jié) 細(xì)胞分化細(xì)胞后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。每個(gè)人的一生中都在進(jìn)行著細(xì)胞分化。細(xì)胞分裂的不對(duì)稱性和細(xì)胞間的相互作用是細(xì)胞分化的兩個(gè)基本機(jī)制。全能性：一個(gè)細(xì)胞可分化為機(jī)體的所有細(xì)胞，如受精卵、植物細(xì)胞。干細(xì)胞 多能干細(xì)胞 單能干細(xì)胞（祖細(xì)胞） 成熟動(dòng)物細(xì)胞不具備全能性。60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖，90年代末多利羊的誕生都證明了分化細(xì)胞具有完整的DNA。 一、細(xì)胞全能性卵細(xì)胞具有極性，細(xì)胞核靠近北極。北極或動(dòng)物極：極體釋放的部位；南極或植物極：相對(duì)北極而言，母體物質(zhì)主要儲(chǔ)存在于植物極。二、細(xì)胞分化的機(jī)理（一）細(xì)胞分裂的不對(duì)稱性動(dòng)物卵細(xì)

2、胞中貯存有大量mRNA，呈非均勻分布；用轉(zhuǎn)錄抑制劑放線菌素D處理海膽受精卵，胚胎發(fā)育仍能進(jìn)行至囊胚期用蛋白質(zhì)翻譯抑制劑嘌呤霉素處理受精卵，受精卵停止發(fā)育。卵裂后的細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運(yùn)。昆蟲以表面卵裂的方式形成胚層細(xì)胞的。遷入卵的后端極質(zhì)部的細(xì)胞發(fā)育為原始生殖細(xì)胞，用紫外線照射這一區(qū)域，破壞極質(zhì)，卵將發(fā)育為無生殖細(xì)胞的不育個(gè)體。 1、胚胎誘導(dǎo)(embryonic induction) ：胚胎發(fā)育過程中，一部分細(xì)胞影響相鄰細(xì)胞向一定方向分化的作用。誘導(dǎo)者(inductor) ：對(duì)其它細(xì)胞起誘導(dǎo)作用的細(xì)胞：脊索可誘導(dǎo)其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管；視胞可誘導(dǎo)其外面的外胚層

3、形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。（二）細(xì)胞間的相互作用2、分化抑制：分化成熟的細(xì)胞可以產(chǎn)生抑素，抑制相鄰細(xì)胞發(fā)生同樣的分化。如含有成蛙心組織的培養(yǎng)液培養(yǎng)蛙胚，則蛙胚不能發(fā)育出正常的心臟。3、細(xì)胞數(shù)量效應(yīng)小鼠胚胎胰腺原基在體外進(jìn)行組織培養(yǎng)時(shí)，可發(fā)育成具有功能的胰腺組織，但如果把胰原基切成8小塊分別培養(yǎng)，則都不能形成胰腺組織，如果再把分開的小塊合起來，又可形成胰腺組織。4、細(xì)胞外基質(zhì)的影響干細(xì)胞在IV型膠原和層粘連蛋白上分化為上皮細(xì)胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細(xì)胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細(xì)胞。5、激素的作用如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。1、染色體結(jié)構(gòu)的變化1）基因刪除

4、：原生動(dòng)物、昆蟲、甲殼動(dòng)物。2）基因擴(kuò)增：果蠅多線染色體。3）基因重排：免疫球蛋白基因（106108種抗體）。4）DNA的甲基化與異染色質(zhì)化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。（三）細(xì)胞核與細(xì)胞分化2、基因與細(xì)胞分化無論是母體mRNA的作用還是細(xì)胞間的相互作用，其結(jié)果是啟動(dòng)特定基因的表達(dá)。根據(jù)對(duì)果蠅、家蠶等實(shí)驗(yàn)動(dòng)物的研究表明：卵受精后，首先表達(dá)的是母體基因；母體基因的產(chǎn)物是轉(zhuǎn)錄因子，沿胚的前后軸形成一個(gè)濃度梯度，決定了胚的前后位置和頭尾區(qū)域；控制其它基因的表達(dá)：母體基因 間隙基因 成對(duì)基因體節(jié)極性基因同源異形基因（homeotic gene，Hox）Gene and DevelopmentHOX mu

5、tantAntennalegBithorax mutant已存在的細(xì)胞功能由弱、強(qiáng)、減退到喪失。經(jīng)歷了新生成熟衰老死亡的過程。已有的分化細(xì)胞通過分裂產(chǎn)生兩個(gè)功能相同的細(xì)胞，如血管內(nèi)皮細(xì)胞。干細(xì)胞的分裂與分化，如多能造血干細(xì)胞。三、成體中的細(xì)胞分化四、再生指生物的器官損傷后，剩余的部分長(zhǎng)出與原來形態(tài)功能相同的結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象，廣義來看再生是生命的普遍現(xiàn)象，從分子、細(xì)胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。1.生理性再生：即細(xì)胞更新，如人的紅細(xì)胞。2. 修復(fù)性再生：壁虎的尾、蠑螈的斷肢、螃蟹的肢。3. 無性繁殖第二節(jié)細(xì)胞的衰老又稱老化，指細(xì)胞隨著年齡的增加，機(jī)能和結(jié)構(gòu)發(fā)生退行性變化，趨向死亡的不可逆的現(xiàn)象。衰老和死

6、亡是生命的基本現(xiàn)象，衰老過程發(fā)生在生物界的整體水平、種群水平、個(gè)體水平、細(xì)胞水平以及分子水平等不同的層次。更新組織：如上皮細(xì)胞、血細(xì)胞。構(gòu)成更新組織的細(xì)胞可分為類： 干細(xì)胞、 過渡細(xì)胞、 成熟細(xì)胞。穩(wěn)定組織：可補(bǔ)償性增生，如：肝、腎細(xì)胞。恒久組織：細(xì)胞不再分裂，如神經(jīng)、骨骼、心肌細(xì)胞?？珊谋M組織：如人類的卵巢實(shí)質(zhì)細(xì)胞。一、人體細(xì)胞的動(dòng)態(tài)分類二、細(xì)胞衰老的特征（一）形態(tài)變化1.DNA：復(fù)制與轉(zhuǎn)錄受阻，端粒DNA、mtDNA缺失。DNA氧化、斷裂、缺失和交聯(lián)，甲基化程度降低。2. RNA：含量降低。3.蛋白質(zhì)：含成下降，發(fā)生修飾、交聯(lián)。4. 酶分子：活性中心被氧化，金屬離子丟失，酶分子的二級(jí)結(jié)構(gòu)，

7、溶解度，等電點(diǎn)發(fā)生改變，酶失活。5.脂類：不飽和脂肪酸被氧化。（二）分子水平的變化（一）差錯(cuò)學(xué)派1、代謝廢物積累：如：脂褐質(zhì)3、自由基攻擊：導(dǎo)致DNA、蛋白質(zhì)變異，正常細(xì)胞內(nèi)存在清除自由基的防御系統(tǒng)：酶系統(tǒng)：超氧化物歧化酶(SOD)，過氧化氫酶(CAT)，谷胱甘肽過氧化物酶(GSH-PX)；非酶系統(tǒng)：維生素E，醌類等電子受體。三、細(xì)胞衰老的分子機(jī)理1、細(xì)胞有限分裂學(xué)說“Hayflick”極限，即細(xì)胞最大分裂次數(shù)。L.Hayflick (1961)報(bào)道，人的成纖維細(xì)胞在體外培養(yǎng)時(shí)增殖次數(shù)是有限的（6070代）。細(xì)胞增殖次數(shù)與端粒DNA長(zhǎng)度有關(guān)。2、重復(fù)基因失活學(xué)說：如哺乳動(dòng)物rRNA基因數(shù)隨年齡

8、而減少。（二）遺傳論學(xué)派3、衰老基因?qū)W說子女的壽命與雙親的壽命有關(guān)；各種動(dòng)物都有相當(dāng)恒定的平均壽命和最高壽命；成人早衰癥：平均39歲時(shí)出現(xiàn)衰老，47歲生命結(jié)束；嬰幼兒早衰癥：1歲時(shí)出現(xiàn)明顯的衰老，1218歲生命結(jié)束，早衰癥患者體內(nèi)解旋酶發(fā)生突變 。Caenrhabditis elegans的平均壽命僅3.5天，該蟲age-1 單基因突變，可提高平均壽命65%，提高最大壽命110%。Werners syndrome Hutchinson-Gilford syndrome 第三節(jié) 細(xì)胞凋亡死亡是生命的普遍現(xiàn)象，但細(xì)胞死亡并非與機(jī)體死亡同步。正常的組織中也發(fā)生細(xì)胞死亡，它是維持組織機(jī)能和形態(tài)所必需的

9、。 （一）、細(xì)胞壞死是細(xì)胞受到急性強(qiáng)力傷害時(shí)立即出現(xiàn)的反應(yīng)。早期表現(xiàn)為細(xì)胞膜破壞，線粒體腫脹。繼而溶酶體破裂,細(xì)胞內(nèi)容物流出, 引起炎癥。一、細(xì)胞死亡的方式（二）、細(xì)胞凋亡cell apoptosisKerr（ 1972）最先提出，與細(xì)胞壞死的區(qū)別是：細(xì)胞通過出芽的方式形成許多凋亡小體；凋亡小體內(nèi)有結(jié)構(gòu)完整的細(xì)胞器；不引起炎癥；線粒體無變化，溶酶體活性不增加；內(nèi)切酶活化，DNA有控降解，凝膠電泳圖譜呈梯狀；凋亡通常是生理性變化，而細(xì)胞壞死是病理性變化。 胸腺細(xì)胞正常凋亡胸腺細(xì)胞正常凋亡細(xì)胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是一種基因指導(dǎo)的細(xì)胞自我消亡方式。PCD和

10、細(xì)胞凋亡的區(qū)別在以下方面：PCD是功能性概念，凋亡是形態(tài)學(xué)概念。PCD的最終結(jié)果是細(xì)胞凋亡，但細(xì)胞凋亡并非都是程序化的。PCD存在于胚胎發(fā)育過程中。（三）、細(xì)胞程序性死亡線蟲Caenorhabditis elegans是研究個(gè)體發(fā)育和細(xì)胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，細(xì)胞數(shù)量少）。線蟲神經(jīng)系統(tǒng)由302個(gè)細(xì)胞組成。這些細(xì)胞來自于407個(gè)前體細(xì)胞。也就是說105個(gè)細(xì)胞發(fā)生了程序性死亡?？刂凭€蟲細(xì)胞凋亡的基因主要有3個(gè)Ced-3、Ced-4和Ced-9Ced-3和 Ced-4的作用是誘發(fā)凋亡；Ced-9抑制Ced-3、Ced-4的作用。2002年10月7日英國(guó)人悉尼布雷諾爾、美國(guó)人羅伯特霍維茨和

11、英國(guó)人約翰蘇爾斯頓，因在細(xì)胞程序性死亡方面的研究獲諾貝爾諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。Sydney BrennerH. Robert HorvitzJohn E. Sulston 與細(xì)胞增殖有關(guān)的原癌基因和抑癌基都參于對(duì)細(xì)胞凋亡的凋控。其中研究較多的有bcl-2 c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等。1、myc c-myc對(duì)增殖和凋亡的調(diào)節(jié)是一樣的。當(dāng)生長(zhǎng)因子存在，bcl-2基因表達(dá)時(shí)，促進(jìn)細(xì)胞增殖，反之細(xì)胞凋亡。（一）細(xì)胞凋亡相關(guān)基因2、bcl-2 細(xì)胞凋亡抑制基因，名稱來源于B細(xì)胞淋巴瘤/白血病-2(B-cell lymphoma/Leukemia-2，bcl-2)。bcl-2能夠編碼

12、bcl-2（26KD）和 bcl-2（22KD）兩種蛋白質(zhì)，是膜的整合蛋白，主要存在于線粒體外膜、核膜及部分內(nèi)質(zhì)網(wǎng)中。bcl-2的功能相當(dāng)于線蟲中的ced9。3、fas fas又稱作APO-1，屬TNF受體和NGF受體家族。1993年人白細(xì)胞分型國(guó)際會(huì)議統(tǒng)一命名為CD95。fas基因編碼產(chǎn)物為分子量45KD的跨膜蛋白。Fas蛋白與Fas配體組成Fas系統(tǒng)，二者的結(jié)合導(dǎo)致靶細(xì)胞走向凋亡。4、ICE蛋白酶家族ICE蛋白酶參與Fas誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡，與線蟲細(xì)胞凋亡基因ced-3同源。ICE又稱為Caspase，能選擇性降解蛋白質(zhì)。ced-4在哺乳動(dòng)物中的同源體為Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1)，能激活Caspase3 ，這一過程需要細(xì)胞色素c(Apaf-2)和Apaf-3的參與。Fas與配體（如TNF）結(jié)合發(fā)生三聚化，使胞內(nèi)的DD區(qū)（Death domain）與接頭蛋白FADD的DD區(qū)結(jié)合。FADD N端通過DED區(qū)（death effector domain）與Caspase-8前體蛋白和CAP3結(jié)合，激活Caspase-8 。Caspase-8自剪切活化，激活Caspase-3，Caspase-7Caspase-3激活Caspase-6。Caspase可降解結(jié)構(gòu)蛋白、信號(hào)蛋白、轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白、周期蛋白等等。Caspas