細胞分化與凋亡

1、關(guān)于細胞分化和凋亡第一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第一節(jié) 細胞分化細胞后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。每個人的一生中都在進行著細胞分化。細胞分裂的不對稱性和細胞間的相互作用是細胞分化的兩個基本機制。第二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一 細胞分化的基本概念Cell differentiation：個體發(fā)育中，由一種相同的細胞類型經(jīng)細胞分裂后逐漸在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上形成穩(wěn)定性差異產(chǎn)生不同的細胞類群的過程。簡言之：細胞后代在形態(tài)結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。細胞分化不僅發(fā)生在胚胎發(fā)育中，而是在一生都進行著，以補充衰老和死亡的細胞 。第三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于20

2、22年6月通過細胞分化，使具有相同遺傳組成的細胞，選擇性地表達不同的基因，產(chǎn)生不同的結(jié)構(gòu)蛋白、執(zhí)行不同的功能，共同參與構(gòu)成一個復(fù)雜的細胞社會個體，所以細胞分化的實質(zhì)是基因選擇性表達。 選擇性表達，又稱差異性表達：個體發(fā)育過程中，有的基因按一定時空順序轉(zhuǎn)錄生成不同mRNA，翻譯出不同蛋白質(zhì)，既決定細胞特殊性狀的基因按一定順序相繼活化的現(xiàn)象。第四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月分化細胞基因組中所表達的基因可分為兩類：持家基因(housekeeping gene)：維持細胞最低限度的功能不可缺少的基因，在各類細胞中任何時間持續(xù)表達，其表達不受時空限制。奢侈基因(luxury gene)：與

3、各分化細胞的特殊性狀有直接關(guān)系的基因，喪失該基因?qū)毎鏌o影響，只在特定的分化細胞中表達，受時空的限制。第五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞分化的機理及其復(fù)雜，概括而言細胞的分化命運取決于兩個方面：一是細胞的內(nèi)部特性，二是細胞的外部環(huán)境，前者與細胞的不對稱分裂（asymmetric division）以及隨機狀態(tài)有關(guān)，尤其是不對稱分裂使細胞內(nèi)部得到不同的基因調(diào)控成分，表現(xiàn)出一種不同于其它細胞的核質(zhì)關(guān)系和應(yīng)答信號的能力；后者表現(xiàn)為細胞應(yīng)答不同的環(huán)境信號，啟動特殊的基因表達，產(chǎn)生不同的細胞的行為，如分裂、生長、遷移、粘附、凋亡等，這些行為在形態(tài)發(fā)生中具有極其重要的作用。二、細胞分化

4、的機理第六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月卵細胞具有極性，細胞核靠近北極。北極或動物極：極體釋放的部位；南極或植物極：相對北極而言，母體物質(zhì)主要儲存在于植物極。（一）細胞分裂的不對稱性第七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月動物卵細胞中貯存有大量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。卵裂后的細胞質(zhì)的特性決定了子細胞核的分化命運。昆蟲以表面卵裂的方式形成胚層細胞的。遷入卵的后端極質(zhì)部的細胞發(fā)育為原始生殖細胞，用紫外線照射這一區(qū)域，破壞極質(zhì)，卵將發(fā)育為無生殖細胞的不育個體。 第八張

5、，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、胚胎誘導(dǎo)(embryonic induction) ：胚胎發(fā)育過程中，一部分細胞影響相鄰細胞向一定方向分化的作用。誘導(dǎo)者(inductor) ：對其它細胞起誘導(dǎo)作用的細胞：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)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。（二）細胞間的相互作用第九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2、分化抑制：分化成熟的細胞可以產(chǎn)生抑素，抑制相鄰細胞發(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、細胞數(shù)量效應(yīng)小鼠胚胎胰腺原基在體外進行組織培養(yǎng)時，可發(fā)育成具有

6、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。第十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月4、細胞外基質(zhì)的影響干細胞在IV型膠原和層粘連蛋白上分化為上皮細胞；在I型膠原和纖粘連蛋白上形成纖維細胞；在II型膠原及軟骨粘連蛋白上發(fā)育為軟骨細胞。5、激素的作用如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。第十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、染色體結(jié)構(gòu)的變化1）基因刪除：原生動物、昆蟲、甲殼動物。2）基因擴增：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

7、。（三）細胞核與細胞分化第十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月2、基因與細胞分化無論是母體mRNA的作用還是細胞間的相互作用，其結(jié)果是啟動特定基因的表達。根據(jù)對果蠅、家蠶等實驗動物的研究表明：卵受精后，首先表達的是母體基因；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：母體基因 間隙基因 成對基因體節(jié)極性基因同源異形基因（homeotic gene，Hox）第十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月三 分化研究的模式生物果蠅我們可以比較清晰的看到受精卵發(fā)育為新個體，是受一系列基因調(diào)控的，這些基因在發(fā)育過程中，按照時間、

8、空間順序啟動和關(guān)閉，互相協(xié)調(diào)，對胚胎細胞的生長和分化進行調(diào)節(jié)。細胞分化的實質(zhì)是在外界信號的作用下，胞內(nèi)核質(zhì)相互作用的結(jié)果。第十四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Gene and Development第十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月HOX mutantAntennaleg第十六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Bithorax mutant第十七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）全能性、多能性和單能性全能性：一個細胞可分化為機體的所有細胞，如受精卵、植物細胞。干細胞 多能干細胞 單能干細胞（祖細胞） 成熟動物細胞不具備全能性。60年代的爪蟾和80

9、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胞具有完整的DNA。 四 細胞分化的潛能第十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第十九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月在人的一生中，皮膚、小腸和血液等組織需要不斷地更新，這個任務(wù)是由干細胞完成的。干細胞是一類具有分裂和分化能力的細胞，多能干細胞可以分化出多種類型的細胞，但它不可能分化出足以構(gòu)成完整個體的所有細胞，所以多能干細胞的分化潛能稱為多能性（pluripotent）。單能干細胞來源于多能干細胞，具有向特定細胞系分化的能力，也稱為祖細胞（progenitor）。第二十一張

10、，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）胚胎干細胞 根據(jù)個體發(fā)育過程中出現(xiàn)的先后次序不同，干細胞又可分為胚胎干細胞和成體干細胞。胚胎干細胞（embryonic stem cells，ESC）是指從胚胎內(nèi)細胞團或原始生殖細胞篩選分離出的具有多能性或全能性的細胞，此外也可以通過體細胞核移植技術(shù)獲得。 第二十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月ESC的用途主要有：克隆動物，由體細胞作為核供體進行克隆動物生產(chǎn)，雖然易于取材，但克隆動物個體中表現(xiàn)出嚴重的生理或免疫缺陷，而且多為致命性的；轉(zhuǎn)基因動物，以ESC細胞作為載體，可大大加快轉(zhuǎn)基因動物

11、生產(chǎn)的速度，提高成功率；組織工程，人工誘導(dǎo)ESC定向分化，培育出特定的組織和器官，用于醫(yī)學(xué)治療的目的。第二十四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（四）再生指生物的器官損傷后，剩余的部分長出與原來形態(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、細胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。1.生理性再生：即細胞更新，如人的紅細胞。2. 修復(fù)性再生：壁虎的尾、蠑螈的斷肢、螃蟹的肢。3. 無性繁殖第二十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第二節(jié) 細胞衰老衰老（aging，senescence，senility）又稱老化，通常指生物發(fā)育成熟后，在正常情況下隨著年齡的增加，機能減退，內(nèi)環(huán)

12、境穩(wěn)定性下降，結(jié)構(gòu)中心組分退行性變化，趨向死亡的不可逆的現(xiàn)象。衰老和死亡是生命的基本現(xiàn)象，衰老過程發(fā)生在生物界的整體水平、種群水平、個體水平、細胞水平以及分子水平等不同的層次。生命要不斷的更新，種族要不斷的繁衍。而這種過程就是在生與死的矛盾中進行的。至少從細胞水平來看，死亡是不可避免的。第二十六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月更新組織：如上皮細胞、血細胞。構(gòu)成更新組織的細胞可分為類： 干細胞、 過渡細胞、 成熟細胞。穩(wěn)定組織：可補償性增生，如：肝、腎細胞。恒久組織：細胞不再分裂，如神經(jīng)、骨骼、心肌細胞?？珊谋M組織：如人類的卵巢實質(zhì)細胞。一、人體細胞的動態(tài)分類第二十七張，PPT共五十九

13、頁，創(chuàng)作于2022年6月Hayflick界限(Hayflick Limitation）概念：關(guān)于細胞增殖能力和壽命是有限的觀點。 細胞，至少是培養(yǎng)的二倍體細胞，不是不死的，而是有一定的 壽命；它們的增殖能力不是無限的，而是有一定的界限，這就 是 Hayflick界限 癌細胞或培養(yǎng)的細胞系是不正常細胞，其染色體數(shù)目或形態(tài) 已經(jīng)不同于原先的細胞 細胞的增殖能力與供體年齡有關(guān) 物種壽命與培養(yǎng)細胞壽命之間存在著一定的關(guān)系二倍體細胞的凋亡是由細胞本身決定的 決定細胞凋亡的因素在細胞內(nèi)部，而不是外部的環(huán)境 是細胞核而不是細胞質(zhì)決定了細胞凋亡第二十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞來源人胚肺成

14、纖維細胞中年人成纖維細胞老年人成纖維細胞可增殖代數(shù) 40-60 20 2-4不同年齡來源的人成纖維細胞的增殖代數(shù)第二十九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞最高分裂次數(shù)龜 90125人 4060 雞 1535小鼠 1428第三十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二、細胞衰老的特征 （一）形態(tài)變化衰老細胞的形態(tài)變化主要表現(xiàn)在細胞皺縮，膜通透性、脆性增加，核膜內(nèi)折，細胞器數(shù)量特別是線粒體數(shù)量減少，胞內(nèi)出現(xiàn)脂褐素等異常物質(zhì)沉積，最終出現(xiàn)細胞凋亡或壞死?？傮w來說老化細胞的各種結(jié)構(gòu)呈退行性變化第三十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022

15、年6月（二）分子水平的變化 衰老細胞會出現(xiàn)脂類、蛋白質(zhì)和DNA等細胞成分損傷，細胞代謝能力降低，主要表現(xiàn)在以下方面：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，酶分子的二級結(jié)構(gòu)，溶解度，等電點發(fā)生改變，酶失活。5.脂類：不飽和脂肪酸被氧化。第三十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月三、細胞衰老的機理關(guān)于衰老的機理具有許多不同的學(xué)說，概括起來主要有差錯學(xué)派（Error theories）和遺傳學(xué)派（Genetic /Progra

16、mmed theories）兩大類，前者強調(diào)衰老是由于細胞中的各種錯誤積累引起的，后者強調(diào)衰老是遺傳決定的自然演進過程。其實，現(xiàn)在看來兩者是相互統(tǒng)一的。第三十四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）差錯學(xué)派 1代謝廢物積累2大分子交聯(lián)（cross linking） 3自由基學(xué)說（free radical theories）4線粒體DNA突變5體細胞突變與DNA修復(fù)6重復(fù)基因失活第三十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月1、細胞有限分裂學(xué)說“Hayflick”極限，即細胞最大分裂次數(shù)。L.Hayflick (1961)報道，人的成纖維細胞在體外培養(yǎng)時增殖次數(shù)是有限的（6070代

17、）。細胞增殖次數(shù)與端粒DNA長度有關(guān)。2、重復(fù)基因失活學(xué)說：如哺乳動物rRNA基因數(shù)隨年齡而減少。（二）遺傳論學(xué)派第三十六張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月3、衰老基因?qū)W說子女的壽命與雙親的壽命有關(guān)；各種動物都有相當恒定的平均壽命和最高壽命；成人早衰癥：平均39歲時出現(xiàn)衰老，47歲生命結(jié)束；嬰幼兒早衰癥：1歲時出現(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%。第三十七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Werners syndr

18、ome 第三十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月Hutchinson-Gilford syndrome 第三十九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第三節(jié) 細胞凋亡死亡是生命的普遍現(xiàn)象，但細胞死亡并非與機體死亡同步。正常的組織中也發(fā)生細胞死亡，它是維持組織機能和形態(tài)所必需的。 第四十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞的死亡方式壞死凋亡正常細胞第四十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞凋亡名稱的由來英國Aberdeen大學(xué)病理系 Kerr教授1972年我和Wyllie在研究中觀察到一種不同于壞死的細胞死亡方式，聯(lián)想到秋日落葉，我們 就把它稱作Apoptos

19、is第四十二張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞凋亡的概念凋亡(apoptosis)：由內(nèi)外源因素觸發(fā)細胞 內(nèi)預(yù)存的死亡程序而導(dǎo)致的細胞死亡過程。第四十三張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月一、細胞凋亡的概念及生物學(xué)意義 概念：是由一系列基因控制并受復(fù)雜信號調(diào)節(jié)的細胞自然 死亡的現(xiàn)象。 生物學(xué)意義：細胞凋亡對于多細胞生物個體發(fā)育的正常進 行，自穩(wěn)平衡的保持以及抵御外界各種因素的干擾方面都 起著非常關(guān)鍵的作用。第四十四張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月第四十五張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月二、細胞凋亡的特征 細胞凋亡的形態(tài)學(xué)特征 細胞凋亡的生化特征第四十六張，

20、PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月胸腺細胞正常凋亡第四十七張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月胸腺細胞正常凋亡第四十八張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（一）、細胞壞死是細胞受到急性強力傷害時立即出現(xiàn)的反應(yīng)。早期表現(xiàn)為細胞膜破壞，線粒體腫脹。繼而溶酶體破裂,細胞內(nèi)容物流出, 引起炎癥。1、細胞死亡的方式第四十九張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月（二）、細胞凋亡cell apoptosisKerr（ 1972）最先提出，與細胞壞死的區(qū)別是：細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

21、降解，凝膠電泳圖譜呈梯狀；凋亡通常是生理性變化，而細胞壞死是病理性變化。 第五十張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月區(qū)別點細胞凋亡細胞壞死起因生理或病理性病理性變化或劇烈損傷范圍單個散在細胞大片組織或成群細胞細胞膜保持完整，一直到形成凋亡小體破損染色質(zhì)凝聚在核膜下呈半月狀呈絮狀細胞器無明顯變化腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)崩解細胞體積固縮變小腫脹變大凋亡小體有，被鄰近細胞或巨噬細胞吞噬無，細胞自溶，殘余碎片被巨噬細胞吞噬基因組DNA有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機降解，電泳圖譜呈涂抹狀蛋白質(zhì)合成有無調(diào)節(jié)過程受基因調(diào)控被動進行炎癥反應(yīng)無，不釋放細胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。第五十一張，PPT共五十九頁，創(chuàng)作于2022年6月細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）由于外來因素觸發(fā)了細胞內(nèi)原已存在的死亡機制，即由基因控制的細胞自主的有序性的死亡機制，最終導(dǎo)致細胞自身的毀滅，而這些外來因素可以是生理性或非生理性的。PCD和細胞凋亡的區(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)果是細胞凋亡，但細胞凋亡并非都是程序化的