細胞生物學(xué)教程第15章+細胞分化與凋亡

1、細胞生物學(xué)教程第15章+細胞分化與凋亡第一節(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。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。 一、細胞全能性卵細胞具有極性，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。二、細胞分化的機理（一）細胞分裂的不對稱性動物卵細

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。 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

3、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。1、染色體結(jié)構(gòu)的變化1）基因刪除

4、：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。（三）細胞核與細胞分化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）Gene and DevelopmentHOX mu

5、tantAntennalegBithorax mutant已存在的細胞功能由弱、強、減退到喪失。經(jīng)歷了新生成熟衰老死亡的過程。已有的分化細胞通過分裂產(chǎn)生兩個功能相同的細胞，如血管內(nèi)皮細胞。干細胞的分裂與分化，如多能造血干細胞。三、成體中的細胞分化四、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. 無性繁殖第二節(jié)細胞的衰老又稱老化，指細胞隨著年齡的增加，機能和結(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、個體水平、細胞水平以及分子水平等不同的層次。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)分類二、細胞衰老的特征（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，酶分子的二級結(jié)構(gòu)，

7、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。（二）分子水平的變化（一）差錯學(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、細胞衰老的分子機理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）。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

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%。Werners syndrome Hutchinson-Gilford syndrome 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

9、。 （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。一、細胞死亡的方式（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。 胸腺細胞正常凋亡胸腺細胞正常凋亡細胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）是一種基因指導(dǎo)的細胞自我消亡方式。PCD和

10、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。PCD存在于胚胎發(fā)育過程中。（三）、細胞程序性死亡線蟲Caenorhabditis elegans是研究個體發(fā)育和細胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，細胞數(shù)量少）。線蟲神經(jīng)系統(tǒng)由302個細胞組成。這些細胞來自于407個前體細胞。也就是說105個細胞發(fā)生了程序性死亡。控制線蟲細胞凋亡的基因主要有3個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日英國人悉尼布雷諾爾、美國人羅伯特霍維茨和

11、英國人約翰蘇爾斯頓，因在細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。Sydney BrennerH. Robert HorvitzJohn E. Sulston 與細胞增殖有關(guān)的原癌基因和抑癌基都參于對細胞凋亡的凋控。其中研究較多的有bcl-2 c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等。1、myc c-myc對增殖和凋亡的調(diào)節(jié)是一樣的。當生長因子存在，bcl-2基因表達時，促進細胞增殖，反之細胞凋亡。（一）細胞凋亡相關(guān)基因2、bcl-2 細胞凋亡抑制基因，名稱來源于B細胞淋巴瘤/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年人白細胞分型國際會議統(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)致靶細胞走向凋亡。4、ICE蛋白酶家族ICE蛋白酶參與Fas誘導(dǎo)的細胞凋亡，與線蟲細胞凋亡基因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、信號蛋白、轉(zhuǎn)錄調(diào)控蛋白、周期蛋白等等。Caspas