細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)

關(guān)于細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)第1頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第一節(jié)細(xì)胞的形態(tài)與結(jié)構(gòu)一細(xì)胞的形態(tài)、大小

----略細(xì)胞的形態(tài)細(xì)胞的大小第2頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第3頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五二.細(xì)胞的結(jié)構(gòu)

細(xì)胞膜的結(jié)構(gòu)組成脂類物質(zhì)蛋白質(zhì)糖分布或構(gòu)架特點液態(tài)鑲嵌模式第4頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第5頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第6頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第7頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第8頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五利用細(xì)胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運動第9頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五二.細(xì)胞的結(jié)構(gòu)

–略細(xì)胞壁細(xì)胞核

細(xì)胞質(zhì)及其內(nèi)含物

內(nèi)質(zhì)網(wǎng)（endoplasmicreticulum）和核糖體

高爾基體（Golgiapparatus）

溶酶體（lysosomes）

線粒體（mitochondria）

質(zhì)體（plastid）

微體（microbodies）

液泡（vacuole）

細(xì)胞骨架（cytoskeleton）

鞭毛（flagellum）纖毛（cilium）中心粒（centrioles）胞質(zhì)溶膠

第10頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第二節(jié)物質(zhì)轉(zhuǎn)運

擴(kuò)散（diffusion）1.擴(kuò)散的定義

擴(kuò)散是物質(zhì)分子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移動的過程。第11頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五2.擴(kuò)散的類型單純擴(kuò)散（simplediffusion）依濃度差來實現(xiàn)跨膜擴(kuò)散，如CO2、O2等。易化擴(kuò)散（facilitateddiffusion）

擴(kuò)散機(jī)制除依濃度差外，還需要載體。

第12頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第13頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第14頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第15頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五

滲透（osmosis）

滲透作用實際上就是擴(kuò)散，這里指的是植物細(xì)胞的跨膜擴(kuò)散。由于植物細(xì)胞壁的作用，其產(chǎn)生膨脹壓可抵消由于膜兩側(cè)物質(zhì)濃度差形成的滲透壓，從而使物質(zhì)跨膜擴(kuò)散終止，即物質(zhì)進(jìn)入細(xì)胞內(nèi)和排除細(xì)胞外達(dá)到動態(tài)平衡。

第16頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五三主動運輸（activetransport）

定義物質(zhì)從低濃度區(qū)向高濃度區(qū)移動的過程，即物質(zhì)逆濃度的跨膜運動稱作主動運輸或主動轉(zhuǎn)運。第17頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五特點要有載體要消耗能量（ATP）四基團(tuán)轉(zhuǎn)移基團(tuán)轉(zhuǎn)移是主動運輸?shù)牧硪环N形式，被轉(zhuǎn)運的物質(zhì)再轉(zhuǎn)運過程中，增加或減少一個基團(tuán)。第18頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五主動轉(zhuǎn)運中ATP消耗模式——Na+-K+泵第19頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第20頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第21頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第22頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五五內(nèi)吞作用（endocytosis）內(nèi)吞作用是吞噬作用和胞飲作用的總稱。細(xì)胞吞噬侵入的細(xì)菌、細(xì)胞碎片以及衰老的紅細(xì)胞，稱作吞噬作用（phagocytosis）；細(xì)胞吞入液體的過程胞飲作用（pinocytosis）。六外排作用（exocytosis）吞入物被消化后，所余渣滓從細(xì)胞表面排除，這個過程稱作外排作用。第23頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五內(nèi)吞作用胞飲作用第24頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第25頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第三節(jié)細(xì)胞分裂—略一無絲分裂，也稱作直接分裂（amitosis）--略二有絲分裂（mitosis）--略前期（prophase）前中期（prometaphase）中期（metaphase）后期（anaphase）末期（telophase）第26頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五前期①染色質(zhì)凝縮，②分裂極確立與紡錘體開始形成，③核仁解體，④核膜消失。第27頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五前中期核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorialplane)上。第28頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五中期染色體排列到赤道面上。第29頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五后期指妹妹染色體單體分開并移向兩極的時期。分為后期A、后期B兩個過程。第30頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五AnaphaseA:separationofthesisterchromatids.第31頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五AnaphaseB:separationofthepoles.第32頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五末期從子染色體到達(dá)兩極，至形成兩個新細(xì)胞為止的時期。涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個方面。第33頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第34頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五三減數(shù)分裂（meiosis）--定性講解第一次減數(shù)分裂前期Ⅰ中期Ⅰ后期Ⅰ末期Ⅰ第二次減數(shù)分裂前期Ⅱ中期Ⅱ后期Ⅱ末期Ⅱ第35頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五減數(shù)分裂是由連續(xù)兩次分裂構(gòu)成：通常減數(shù)分裂I分離的是同源染色體，所以稱為異型分裂（heterotypicdivision）或減數(shù)分裂（reductionaldivision）。減數(shù)分裂II分離的是姊妹染色體，類似于有絲分裂，所以稱為同型分裂（homotypicdivision）或均等分裂（equationaldivision）。第36頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五Concepts:GameticmeiosisSporicmeiosisZygoticmeiosisMeiosis第37頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五減數(shù)分裂I前期I減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在前期I，通常分為5個時期：①細(xì)線期（leptotene），②合線期（zygotene），③粗線期（pachytene），④雙線期（diplotene），⑤終變期（diakinesis）。第38頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)線期：染色體呈細(xì)線狀，具有念珠狀的染色粒。2）合線期：亦稱偶線期，是同源染色體配對的時期。概念：聯(lián)會復(fù)合體(synaptonemalcomplex，SC）二價體（bivalent）四分體（tetrad）。這一時期合成約0.3%左右的DNA，稱為Z-DNA。3）粗線期：同源染色體的非姊妹染色單體間發(fā)生交換的時期。4）雙線期：聯(lián)會的同源染色體相互排斥、開始分離，交叉開始端化(terminalization)。聯(lián)會復(fù)合體消失。第39頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五補(bǔ)充：植物細(xì)胞雙線期一般較短，許多動物卵細(xì)胞中雙線期停留的時間非常長。人的卵母細(xì)胞在五個月胎兒中已達(dá)雙線期，而一直到排卵都停在雙線期，排卵年齡大約在12-50歲之間。魚類、兩棲類、爬行類、鳥類以及無脊椎動物的昆蟲中，雙線期的二階體解螺旋而形成燈刷染色體，這一時期是卵黃積累的時期。5）終變期：二階體顯著變短。由于交叉端化過程的進(jìn)一步發(fā)展，故交叉數(shù)目減少，通常只有一至二個交叉。核仁此時開始消失，核被膜解體。第40頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五2、中期I3、后期I二價體的兩條同源染色體分開，分別向兩極移動。同源染色體隨機(jī)分向兩極，染色體重組，人類染色體重組概率有223個。4、末期I5、減數(shù)分裂間期。減數(shù)分裂II可分為前、中、后、末四個四期，與有絲分裂相似。一個精母細(xì)胞形成4個精子；一個卵母細(xì)胞形成一個卵子及2-3個極體。第41頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五Chromosomerecombination1第42頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五Minimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=23Chromosomerecombination2第43頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第44頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五四細(xì)胞周期及其調(diào)控2001年10月8日美國人Leland

Hartwell、英國人PaulNurse、Timothy

Hunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機(jī)理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。LelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.Nurse第45頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞周期的定義細(xì)胞一次分裂的開始（或中期、或末期）到下一次分裂的開始（或中期、或末期）所經(jīng)歷的時間。第46頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞周期調(diào)控因子—MPF細(xì)胞周期的調(diào)控關(guān)鍵在分裂間期。有2個起決定作用的控制點：從G1進(jìn)入S和從G2進(jìn)入M，這2個轉(zhuǎn)變過程都是由一種稱之為成熟促進(jìn)因子（maturation-promotingfactor，MPF）的蛋白質(zhì)復(fù)合體所觸發(fā)。組成MPF的是兩種蛋白質(zhì)，分別稱作cdc2激酶和細(xì)胞周期蛋白（cyclins）；后者又有兩種：S-cyclin和M-cyclin。第47頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制假說當(dāng)S-cyclin和cdc2結(jié)合時，形成具有活性MPF能觸發(fā)從G1進(jìn)入S期；與此同時MPF又激活另一種降解cyclin的酶，使MPF自身失活。然后，M-cyclin的濃度增加，并同cdc2結(jié)合形成具有活性的MPF，這種MPF能觸發(fā)從G2進(jìn)入M期。進(jìn)入M期后，MPF中的cyclin同樣再度降解，MPF失活，cdc2又同S-cyclin結(jié)合，形成能觸發(fā)從G1進(jìn)入S期的MPF。如此循環(huán)反復(fù)，不斷推動細(xì)胞周期循環(huán)地從一期進(jìn)入下一期。

第48頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五簡化示意圖MM-cyclin降解G1S-cyclin+CDC2形成MPFSS-cyclin降解G2M-cyclin+CDC2形成MPF第49頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第四節(jié)細(xì)胞分化與衰老第50頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五

細(xì)胞的分化

一個或一種細(xì)胞，其分裂增殖的后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上相互不同，并與親代細(xì)胞也不同，這一過程稱作細(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。第51頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞分化起始于基因表達(dá)的調(diào)控，部分基因關(guān)閉，部分基因開啟，也包括基因表達(dá)強(qiáng)度的改變。個體發(fā)育通過細(xì)胞分化來實現(xiàn)—細(xì)胞分化的內(nèi)涵分化細(xì)胞之間的差異歸根到底在于不同蛋白質(zhì)的表達(dá)。第52頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五分化過程通常是不可逆的。分化終端的細(xì)胞通常不再分裂，穩(wěn)定地具有一定的特征，執(zhí)行一定的生理功能，然后走向衰老和死亡。有時，個別分化終端的細(xì)胞逆向恢復(fù)生長分裂的能力，往往可能是細(xì)胞癌變的征兆。一般認(rèn)為達(dá)到成年階段，個體發(fā)育完成。細(xì)胞分化大量地出現(xiàn)在成年以前的發(fā)育過程中，但是一部分細(xì)胞的分化，持續(xù)于整個生物體的一生。例如，哺乳類的骨髓中，終生都在發(fā)生血細(xì)胞的分化和成熟。第53頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞的分化發(fā)育潛能全能性—指受精卵能夠具有使后代細(xì)胞分化出各種組織細(xì)胞并建成完整個體的潛能，如全能干細(xì)胞。多能性—有的細(xì)胞具有使后代細(xì)胞分化出多種組織或細(xì)胞，但已不能建成完整個體的潛能，如多能干細(xì)胞。單能性—有的細(xì)胞具有更窄的發(fā)育潛能，只能使后代細(xì)胞發(fā)育成為一種細(xì)胞，稱為單能性，如單能干細(xì)胞（祖細(xì)胞）。第54頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第55頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五二干細(xì)胞（stemcell）

干細(xì)胞是一類具有自我更新（Self-renewing）和分化潛能的細(xì)胞。它包括胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。

干細(xì)胞按照生存階段分為胚胎干細(xì)胞和成體干細(xì)胞。

干細(xì)胞的發(fā)育受多種內(nèi)在機(jī)制和微環(huán)境因素的影響。目前人類胚胎干細(xì)胞已可成功地在體外培養(yǎng)。最新研究發(fā)現(xiàn)，成體干細(xì)胞可以橫向分化為其他類型的細(xì)胞和組織，為干細(xì)胞的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。第56頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五第57頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五

在胚胎的發(fā)生發(fā)育中，單個受精卵可以分裂發(fā)育為多細(xì)胞的組織或器官。在成年動物中，正常的生理代謝或病理損傷也會引起組織或器官的修復(fù)再生。胚胎的分化形成和成年組織的再生是干細(xì)胞進(jìn)一步分化的結(jié)果。胚胎干細(xì)胞是全能的，具有分化為幾乎全部組織和器官的能力。而成年組織或器官內(nèi)的干細(xì)胞一般認(rèn)為具有組織特異性，只能分化成特定的細(xì)胞或組織。最新的研究表明，組織特異性干細(xì)胞同樣具有分化成其他細(xì)胞或組織的潛能，這為干細(xì)胞的應(yīng)用開創(chuàng)了更廣泛的空間。

第58頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五胚胎干細(xì)胞（EmbryonicStemcell,ES細(xì)胞）當(dāng)受精卵分裂發(fā)育成囊胚時，內(nèi)層細(xì)胞團(tuán)（InnerCellMass）的細(xì)胞即為胚胎干細(xì)胞。胚胎干細(xì)胞具有全能性，可以自我更新并具有分化為體內(nèi)所有組織的能力。早在1970年MartinEvans已從小鼠中分離出胚胎干細(xì)胞并在體外進(jìn)行培養(yǎng)。而人的胚胎干細(xì)胞的體外培養(yǎng)直到最近才獲得成功。進(jìn)一步說，胚胎干細(xì)胞（ES細(xì)胞）是一種高度未分化細(xì)胞。它具有發(fā)育的全能性，能分化出成體動物的所有組織和器官，包括生殖細(xì)胞。研究和利用ES細(xì)胞是當(dāng)前生物工程領(lǐng)域的核心問題之一。ES細(xì)胞的研究可追溯到上世紀(jì)五十年代，由于畸胎瘤干細(xì)胞（EC細(xì)胞）的發(fā)現(xiàn)開始了ES細(xì)胞的生物學(xué)研究歷程。第59頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五

目前許多研究工作都是以小鼠ES細(xì)胞為研究對象展開的，如：德美醫(yī)學(xué)小組在去年成功的向試驗鼠體內(nèi)移植了由ES細(xì)胞培養(yǎng)出的神經(jīng)膠質(zhì)細(xì)胞。此后，密蘇里的研究人員通過鼠胚細(xì)胞移植技術(shù)，使癱瘓的貓恢復(fù)了部分肢體活動能力。隨著ES細(xì)胞的研究日益深入，生命科學(xué)家對人類ES細(xì)胞的了解邁入了一個新的階段。在98年末，兩個研究小組成功的培養(yǎng)出人類ES細(xì)胞，保持了ES細(xì)胞分化為各種體細(xì)胞的全能性。這樣就使科學(xué)家利用人類ES細(xì)胞治療各種疾病成為可能。然而，人類ES細(xì)胞的研究工作引起了全世界范圍內(nèi)的很大爭議，出于社會倫理學(xué)方面的原因，有些國家甚至明令禁止進(jìn)行人類ES細(xì)胞研究。無論從基礎(chǔ)研究角度來講還是從臨床應(yīng)用方面來看，人類ES細(xì)胞帶給人類的益處遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于在倫理方面可能造成的負(fù)面影響，因此要求展開人類ES細(xì)胞研究的呼聲也一浪高似一浪。

第60頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五2.成體干細(xì)胞成年動物的許多組織和器官，比如表皮和造血系統(tǒng)，具有修復(fù)和再生的能力。成體干細(xì)胞在其中起著關(guān)鍵的作用。在特定條件下，成體干細(xì)胞或者產(chǎn)生新的干細(xì)胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能細(xì)胞，從而使組織和器官保持生長和衰退的動態(tài)平衡。過去認(rèn)為成體干細(xì)胞主要包括上皮干細(xì)胞和造血干細(xì)胞。最近研究表明，以往認(rèn)為不能再生的神經(jīng)組織仍然包含神經(jīng)干細(xì)胞，說明成體干細(xì)胞普遍存在，問題是如何尋找和分離各種組織特異性干細(xì)胞。成體干細(xì)胞經(jīng)常位于特定的微環(huán)境中。微環(huán)境中的間質(zhì)細(xì)胞能夠產(chǎn)生一系列生長因子或配體，與干細(xì)胞相互作用，控制干細(xì)胞的更新和分化。

第61頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五3.造血干細(xì)胞

造血干細(xì)胞是體內(nèi)各種血細(xì)胞的唯一來源，它主要存在于骨髓、外周血、臍帶血中。造血干細(xì)胞的移植是治療血液系統(tǒng)疾病、先天性遺傳疾病以及多發(fā)性和轉(zhuǎn)移性惡性腫瘤疾病的最有效方法。在臨床治療中，造血干細(xì)胞應(yīng)用較早，在20世紀(jì)五十年代，臨床上就開始應(yīng)用骨髓移植（BMT）方法來治療血液系統(tǒng)疾病。到八十年代末，外周血干細(xì)胞移植（PBSCT）技術(shù)逐漸推廣開來，絕大多數(shù)為自體外周血干細(xì)胞移植（APBSCT），在提高治療有效率和縮短療程方面優(yōu)于常規(guī)治療，且效果令人滿意。與兩者相比，臍血干細(xì)胞移植的長處在于無來源的限制，對HLA配型要求不高，不易受病毒或腫瘤的污染。臍血干細(xì)胞移植成功為全世界更多的血液病及惡性腫瘤的患者帶來福音。第62頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五4.神經(jīng)干細(xì)胞關(guān)于神經(jīng)干細(xì)胞研究起步較晚，由于分離神經(jīng)干細(xì)胞所需的胎兒腦組織較難取材，加之胚胎細(xì)胞研究的爭議尚未平息，神經(jīng)干細(xì)胞的研究仍處于初級階段。理論上講，任何一種中樞神經(jīng)系統(tǒng)疾病都可歸結(jié)為神經(jīng)干細(xì)胞功能的紊亂。腦和脊髓由于血腦屏障的存在使之在干細(xì)胞移植到中樞神經(jīng)系統(tǒng)后不會產(chǎn)生免疫排斥反應(yīng)，如：給帕金森氏綜合癥患者的腦內(nèi)移植含有多巴胺生成細(xì)胞的神經(jīng)干細(xì)胞，可治愈部分患者癥狀。除此之外，神經(jīng)干細(xì)胞的功能還可延伸到藥物檢測方面，對判斷藥物有效性、毒性有一定的作用。第63頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五

實際上，到目前為止，人們對干細(xì)胞的了解仍存在許多盲區(qū)。2000年年初美國研究人員無意中發(fā)現(xiàn)在胰腺中存有干細(xì)胞；加拿大研究人員在人、鼠、牛的視網(wǎng)膜中發(fā)現(xiàn)了始終處于“休眠狀態(tài)的干細(xì)胞”；有些科學(xué)家證實骨髓干細(xì)胞可發(fā)育成肝細(xì)胞，腦干細(xì)胞可發(fā)育成血細(xì)胞。隨著干細(xì)胞研究領(lǐng)域向深度和廣度不斷擴(kuò)展，人們對干細(xì)胞的了解也將更加全面。21世紀(jì)是生命科學(xué)的時代，也是為人類的健康長壽創(chuàng)造世界奇跡的時代，干細(xì)胞的應(yīng)用將有廣闊前景。

第64頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五5.干細(xì)胞應(yīng)用的基礎(chǔ)——調(diào)控

干細(xì)胞的調(diào)控是指給出適當(dāng)?shù)囊蜃訔l件，對干細(xì)胞的增值和分化進(jìn)行調(diào)控，使之向指定的方向發(fā)展。內(nèi)源性調(diào)控干細(xì)胞自身有許多調(diào)控因子可對外界信號起反應(yīng)從而調(diào)節(jié)其增殖和分化，包括調(diào)節(jié)細(xì)胞不對稱分裂的蛋白，控制基因表達(dá)的核因子等。另外，干細(xì)胞在終末分化之前所進(jìn)行的分裂次數(shù)也受到細(xì)胞內(nèi)調(diào)控因子的制約。第65頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五a.細(xì)胞內(nèi)蛋白對干細(xì)胞分裂的調(diào)控

干細(xì)胞分裂可能產(chǎn)生新的干細(xì)胞和分化的功能細(xì)胞。這種分化的不對稱是由于細(xì)胞本身成分的不均等分配和周圍環(huán)境的作用造成的。細(xì)胞的結(jié)構(gòu)蛋白，特別是細(xì)胞骨架成分對細(xì)胞的發(fā)育非常重要。如在果蠅卵巢中，調(diào)控干細(xì)胞不對稱分裂的是一種稱為收縮體的細(xì)胞器，包含有許多調(diào)節(jié)蛋白，如膜收縮蛋白和細(xì)胞周期素A。收縮體與紡錘體的結(jié)合決定了干細(xì)胞分裂的部位，從而把維持干細(xì)胞性狀所必需的成分保留在子代干細(xì)胞中。

第66頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五b.轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控

在脊椎動物中，轉(zhuǎn)錄因子對干細(xì)胞分化的調(diào)節(jié)非常重要。比如在胚胎干細(xì)胞的發(fā)生中，轉(zhuǎn)錄因子Oct4是必需的。Oct4是一種哺乳動物早期胚胎細(xì)胞表達(dá)的轉(zhuǎn)錄因子，它誘導(dǎo)表達(dá)的靶基因產(chǎn)物是FGF-4等生長因子，能夠通過生長因子的旁分泌作用調(diào)節(jié)干細(xì)胞以及周圍滋養(yǎng)層的進(jìn)一步分化。Oct4缺失突變的胚胎只能發(fā)育到囊胚期，其內(nèi)部細(xì)胞不能發(fā)育成內(nèi)層細(xì)胞團(tuán)

。另外白血病抑制因子（LIF）對培養(yǎng)的小鼠ES細(xì)胞的自我更新有促進(jìn)作用，而對人的成體干細(xì)胞無作用，說明不同種屬間的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是不完全一致的。第67頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五2)外源性調(diào)控干細(xì)胞的分化還可受到其周圍組織及細(xì)胞外基質(zhì)等外源性因素的影響。分泌因子間質(zhì)細(xì)胞能夠分泌許多因子，維持干細(xì)胞的增殖，分化和存活。有兩類因子在不同組織甚至不同種屬中都發(fā)揮重要作用，它們是TGFβ家族和Wnt信號通路。比如TGF家族中至少有兩個成員能夠調(diào)節(jié)神經(jīng)嵴干細(xì)胞的分化。最近研究發(fā)現(xiàn)，膠質(zhì)細(xì)胞衍生的神經(jīng)營養(yǎng)因子（GDNF）不僅能夠促進(jìn)多種神經(jīng)元的存活和分化，還對精原細(xì)胞的再生和分化有決定作用。GDNF缺失的小鼠表現(xiàn)為干細(xì)胞數(shù)量的減少，而GDNF的過度表達(dá)導(dǎo)致未分化的精原細(xì)胞的累積。Wnts的作用機(jī)制是通過阻止β-Catenin分解從而激活Tcf/Lef介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄，促進(jìn)干細(xì)胞的分化。比如在線蟲卵裂球的分裂中，鄰近細(xì)胞誘導(dǎo)的Wnt信號通路能夠控制紡錘體的起始點和內(nèi)胚層的分化。第68頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五b.膜蛋白介導(dǎo)的細(xì)胞間的相互作用

有些信號是通過細(xì)胞-細(xì)胞的直接接觸起作用的。β-Catenin就是一種介導(dǎo)細(xì)胞粘附連接的結(jié)構(gòu)成分。除此之外，穿膜蛋白Notch及其配體Delta或Jagged也對干細(xì)胞分化有重要影響。在果蠅的感覺器官前體細(xì)胞，脊椎動物的胚胎及成年組織包括視網(wǎng)膜神經(jīng)上皮、骨骼肌和血液系統(tǒng)中，Notch信號都起著非常重要的作用。當(dāng)Notch與其配體結(jié)合時，干細(xì)胞進(jìn)行非分化性增殖；當(dāng)Notch活性被抑制時，干細(xì)胞進(jìn)入分化程序，發(fā)育為功能細(xì)胞。第69頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五c.整合素（Integrin）與細(xì)胞外基質(zhì)整合素家族是介導(dǎo)干細(xì)胞與細(xì)胞外基質(zhì)粘附的最主要的分子。整合素與其配體的相互作用為干細(xì)胞的非分化增殖提供了適當(dāng)?shù)奈h(huán)境。比如當(dāng)β1整合素喪失功能時，上皮干細(xì)胞逃脫了微環(huán)境的制約，分化成角質(zhì)細(xì)胞。此外細(xì)胞外基質(zhì)通過調(diào)節(jié)β1整合素的表達(dá)和激活，從而影響干細(xì)胞的分布和分化方向。第70頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五3)干細(xì)胞的可塑性越來越多的證據(jù)表明，當(dāng)成體干細(xì)胞被移植入受體中，它們表現(xiàn)出很強(qiáng)的可塑性。通常情況下，供體的干細(xì)胞在受體中分化為與其組織來源一致的細(xì)胞。而在某些情況下干細(xì)胞的分化并不遵循這種規(guī)律。1999年Goodell等人分離出小鼠的肌肉干細(xì)胞，體外培養(yǎng)5天后，與少量的骨髓間質(zhì)細(xì)胞一起移植入接受致死量輻射的小鼠中，結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌肉干細(xì)胞會分化為各種血細(xì)胞系。這種現(xiàn)象被稱為干細(xì)胞的橫向分化（trans-differentiation）。關(guān)于橫向分化的調(diào)控機(jī)制目前還不清楚。大多數(shù)觀點認(rèn)為干細(xì)胞的分化與微環(huán)境密切相關(guān)?？赡艿臋C(jī)制是，干細(xì)胞進(jìn)入新的微環(huán)境后，對分化信號的反應(yīng)受到周圍正在進(jìn)行分化的細(xì)胞的影響，從而對新的微環(huán)境中的調(diào)節(jié)信號做出反應(yīng)。第71頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五干細(xì)胞應(yīng)用

按分化潛能的大小，干細(xì)胞基本上可分為三種類型：一類是全能性干細(xì)胞，它具有形成完整個體的分化潛能。如胚胎干細(xì)胞（簡稱ES細(xì)胞），它是從早期胚胎的內(nèi)細(xì)胞團(tuán)分離出來的一種高度未分化的細(xì)胞系，具有與早期胚胎細(xì)胞相似的形態(tài)特征和很強(qiáng)的分化能力，它可以無限增殖并分化成為全身200多種細(xì)胞類型，進(jìn)一步形成機(jī)體的所有組織、器官。另一類是多能性干細(xì)胞，這種干細(xì)胞具有分化出多種細(xì)胞組織的潛能，但卻失去了發(fā)育成完整個體的能力，發(fā)育潛能受到一定的限制，骨髓多能造血干細(xì)胞是典型的例子，它可分化出至少十二種血細(xì)胞，但不能分化出造血系統(tǒng)以外的其它細(xì)胞。還有一類干細(xì)胞為單能干細(xì)胞（也稱專能、偏能干細(xì)胞），這類干細(xì)胞只能向一種類型或密切相關(guān)的兩種類型的細(xì)胞分化，如上皮組織基底層的干細(xì)胞、肌肉中的成肌細(xì)胞或叫衛(wèi)星細(xì)胞。第72頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五

最近干細(xì)胞的研究有兩個重大的技術(shù)突破，一是人類胚胎干細(xì)胞在體外培養(yǎng)成功。1998年Wisconsin大學(xué)的James

Thomson和JohnsHopkins大學(xué)的JohnGearhart從人囊胚的內(nèi)層細(xì)胞團(tuán)中取得胚胎干細(xì)胞。他們把胚胎干細(xì)胞與小鼠的骨髓間質(zhì)細(xì)胞進(jìn)行了共培養(yǎng)。結(jié)果表明胚胎干細(xì)胞可以進(jìn)行長達(dá)5個月的非分化增殖，同時還保持著分化為滋養(yǎng)層組織及三種胚層組織的能力。這為胚胎干細(xì)胞的臨床應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。另外一個重大突破是成體干細(xì)胞的橫向分化。1999年Goodell等人用肌肉來源的干細(xì)胞在小鼠體內(nèi)分化成各種血細(xì)胞。這表明成體干細(xì)胞在一定的微環(huán)境的作用下，可以橫向分化為需要的細(xì)胞和組織，從而起到極其有效的治療作用。第73頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五總之，凡需要不斷產(chǎn)生新的分化細(xì)胞以及分化細(xì)胞本身不能再分裂的細(xì)胞或組織都要通過干細(xì)胞所產(chǎn)生的具有分化能力的細(xì)胞來維持機(jī)體細(xì)胞的數(shù)量，可以這樣說，生命體是通過干細(xì)胞的分裂來實現(xiàn)細(xì)胞的更新及保證持續(xù)生長。隨著基因工程、胚胎工程、細(xì)胞工程等各種生物技術(shù)的快速發(fā)展，按照一定的目的，在體外人工分離、培養(yǎng)干細(xì)胞已成為可能，利用干細(xì)胞構(gòu)建各種細(xì)胞、組織、器官作為移植器官的來源，這將成為干細(xì)胞應(yīng)用的主要方向。第74頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五三細(xì)胞分化的機(jī)理—略細(xì)胞分裂的不對稱性卵細(xì)胞具有極性，細(xì)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。動物卵細(xì)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。第75頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五卵裂后的細(xì)胞質(zhì)的特性決定了子細(xì)胞核的分化命運。

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)胞的不育個體。第76頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞間的相互作用胚胎誘導(dǎo)(embryonicinduction)：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)其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導(dǎo)外胚層形成角膜。第77頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五分化抑制：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。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，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。第78頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(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。激素的作用如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。第79頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞核與細(xì)胞分化染色體結(jié)構(gòu)的變化

基因刪除：原生動物、昆蟲、甲殼動物。

基因擴(kuò)增：果蠅多線染色體。

基因重排：免疫球蛋白基因（106~108種抗體）。

DNA的甲基化與異染色質(zhì)化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。第80頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五基因與細(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)果是啟動特定基因的表達(dá)。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(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→成對基因→體節(jié)極性基因→同源異形基因（homeoticgene，Hox）。第81頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五四成體中的細(xì)胞分化—略已存在的細(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。第82頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五五再生—略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(xì)胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。生理性再生：即細(xì)胞更新，如人的紅細(xì)胞。修復(fù)性再生：壁虎的尾、蠑螈的斷肢、螃蟹的肢。無性繁殖第83頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五六細(xì)胞衰老又稱老化，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(xì)胞水平以及分子水平等不同的層次。第84頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五1.個體衰老衰老意味著身體各個部分功能的衰退，漸漸發(fā)展到不能執(zhí)行功能。個體衰老過程具有以下特征：衰老受遺傳控制，但個體差異很大。衰老受中樞神經(jīng)系統(tǒng)影響，悲觀、憂慮和煩躁的情緒會使衰老速度加快。第85頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五衰老受環(huán)境條件影響。營養(yǎng)不良或營養(yǎng)過度導(dǎo)致肥胖會加速衰老。適當(dāng)?shù)捏w力運動可使身體機(jī)制的衰老減慢；經(jīng)常的腦力活動也可使腦功能的衰退減慢。身體各個部分組織的衰老、技能的減退是不均衡的。細(xì)胞衰老是個體衰老的基礎(chǔ)。第86頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞衰老特征細(xì)胞核體積增大，核膜呈現(xiàn)內(nèi)折，染色質(zhì)凝集程度增加。線粒體數(shù)量減少，線粒體體積膨脹。第87頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)從液晶變?yōu)槟z相或固相，膜的滲透增加，胞內(nèi)其他生物膜系統(tǒng)也發(fā)生變化，如內(nèi)質(zhì)網(wǎng)排列變得紊亂，膜腔膨脹崩解。細(xì)胞骨架體系改變。一般來說，衰老細(xì)胞的蛋白質(zhì)合成速率下降，但是也會出現(xiàn)一些與衰老相關(guān)的特異蛋白質(zhì)的增加，如纖粘連蛋白的增加，可能與衰老細(xì)胞纖維化有關(guān)，某些新的核骨架蛋白的出現(xiàn)，可能與關(guān)閉正常的核內(nèi)代謝活動有關(guān)。第88頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞衰老的原因細(xì)胞核的遺傳控制起決定作用—體外培養(yǎng)細(xì)胞試驗表明：去核衰老細(xì)胞和年輕細(xì)胞融合或去核年輕細(xì)胞和衰老細(xì)胞融合，結(jié)果是前者與年輕細(xì)胞分裂能力相近，后者與衰老細(xì)胞分裂能力相近。自由基理論—致基因突變、蛋白質(zhì)失活、細(xì)胞結(jié)構(gòu)異常。第89頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五端粒DNA序列的縮短—端粒包括一段特殊序列的DNA和被稱為端粒酶的蛋白質(zhì)。端粒DNA序列在每次細(xì)胞分裂中會縮短一截，端粒酶的任務(wù)是修復(fù)被縮短的端粒DNA序列。問題是人體細(xì)胞中的端粒酶是沒有活性的。這樣，隨著每次細(xì)胞分裂，端粒DNA截短一些，截短的部分逐漸向內(nèi)延伸，在端粒DNA序列“截”完后就逐漸傷及里面正常基因的DNA序列。所以，隨著細(xì)胞分裂次數(shù)的增加，漸漸發(fā)生正常基因的損傷和缺失，使細(xì)胞活動漸趨異常。第90頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞衰老的分子機(jī)理—略差錯學(xué)派自由基攻擊：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)：

代謝廢物積累：如：脂褐質(zhì)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。第91頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五遺傳論學(xué)派

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)報道，人的成纖維細(xì)胞在體外培養(yǎng)時增殖次數(shù)是有限的（60~70代）。細(xì)胞增殖次數(shù)與端粒DNA長度有關(guān)。

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。第92頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五

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(dāng)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，12~18歲生命結(jié)束；早衰癥患者體內(nèi)解旋酶發(fā)生突變。第93頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五Werner'ssyndrome第94頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五Hutchinson-Gilfordsyndrome第95頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五七細(xì)胞死亡、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。第96頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞的死亡—衰老的終點

對于多細(xì)胞生物體而言，個體死亡不等于細(xì)胞死亡。在個體死亡發(fā)生時，身體的大部分細(xì)胞并未死亡；在個體健康生活著的時間內(nèi)，身體中不停地進(jìn)行更新，許多細(xì)胞不停的死去，同時新的細(xì)胞不停地產(chǎn)生。由微生物感染、有毒物侵襲或輻射傷害導(dǎo)致細(xì)胞死亡稱作細(xì)胞壞死（necrosis）。常表現(xiàn)為：細(xì)胞顯著腫脹；細(xì)胞膜破裂，內(nèi)容物溢出，并容易導(dǎo)致周圍組織炎癥。第97頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞凋亡（apoptosis）細(xì)胞因整體生長發(fā)育的需要，規(guī)定在一定時期內(nèi)死亡，這種死亡稱作細(xì)胞凋亡。細(xì)胞凋亡過程與壞死過程不同，表現(xiàn)為有控制有秩序，故細(xì)胞凋亡又稱作細(xì)胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）。其特點為：第98頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五細(xì)胞明顯皺縮；細(xì)胞核內(nèi)物質(zhì)和細(xì)胞質(zhì)內(nèi)物質(zhì)凝集致密化；細(xì)胞逐漸變小、變圓；細(xì)胞膜將胞內(nèi)成分包圍成一個個凋亡小體，凋亡小體被周圍細(xì)胞吞噬掉，顯得干凈利索，不引起周圍組織炎癥。第99頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五2002年10月7日英國人悉尼·布雷諾爾、美國人羅伯特·霍維茨和英國人約翰·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。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston第100頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五壞死凋亡第101頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五胸腺細(xì)胞正常凋亡第102頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五胸腺細(xì)胞正常凋亡第103頁，共117頁，2022年，5月20日，23點28分，星期五八癌細(xì)胞的分裂細(xì)胞的遺傳物質(zhì)、或基因組成發(fā)生了變化，就有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘?xì)胞。癌細(xì)胞和正常細(xì)胞有很多不同之處。在體外培養(yǎng)過程中，癌