第九章细胞分化凋亡.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一节,细胞分化,细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。,每个人的一生中都在进行着细胞分化。,细胞分裂的不对称性和细胞间的相互作用是细胞分化的两个基本机制。,一个受精卵发育成一个完整个体的过程是以细胞增殖与细胞分化为基础的，通过细胞增殖可使细胞的数目增加，通过细胞的分化可以形成不同的细胞类型。细胞在经历了增殖、分化后，最终的命运是死亡。,、细胞分化的概念,细胞分化是指受精卵经过卵裂产生的同源细胞在形态结构、生理功能和蛋白质合成等方面产生稳定性差异的过程,、细胞分化的特点,（）、细胞分化的稳定性：细胞一旦分化为稳稳定,的细胞类型后，就不可能由分化状态再逆转,为原来未分化的细胞。,（）、细胞分化的可逆性：细胞分化是一个相对稳定,和持久的过程，不会自发地逆转但在一定条件,下，高度分化的细胞可逆转并回复到胚性细胞,状态，这叫去分化，如癌细胞的发生。,全能性：一个细胞可分化为机体的所有细胞，如受精卵、植物细胞。,干细胞：细胞以前的卵裂球的每个细胞,多能干细胞：三个胚层形成后的细胞,单能干细胞（祖细胞）：三胚层形成后的细胞,成熟动物细胞不具备全能性。,60,年代的爪蟾和,80,年代小鼠的核移殖，,90,年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的,DNA,。,二、细胞全能性与细胞决定,、细胞全能性,Weismann(1883)根,据对马蛔虫的研究结果，提出“体细胞分化是由于遗传物质丢失造成的”,1958年Sreward用胡萝卜根的韧皮部组织培育出完整的新植株，1970年又用悬浮培养的胡萝卜单个细胞培育成了可育的,植株,，推翻了,Weismann的观点,分子杂交和核移植实验均证实，高度分化细胞的核具有全能性，个体不同类型及不同发育阶段的体细胞均含有该物种的全套基因但只有部分基因表达。,个体发育过程中，细胞的基因并不全部表达，而是在一定时空顺序上发生有选择性地表达的现象称为基因的差异性表达,三、细胞分化的分子基础,、细胞分化的基因表达特点,2、持家基因和奢侈基因,在个体以育过程中,细胞中表达的基因大致分为两大类,一类是,持家基因,这类基因在不同类型及不同发育阶段的细胞中都处于活性状态,表达维持细胞生存所必需的、各类细胞普遍共存的蛋白质、核糖体蛋白、线粒体蛋白、糖酵解酶、组蛋白等。持家基因与细胞分化的关系不大，对细胞分化只起支持作用。另一类为,奢侈基因,，它们编码产生对细胞分化起直接作用的各种特异性蛋白质，这类基因在不同类型及不同发育阶段细胞中的表达是差异性表达，使不同发育阶段及不同类型的细胞中出现特异性的蛋白质，从而表现特定的形态结构、系列特征及生理功能。,四、影响细胞分化的因素,影响细胞分化的因素包括细胞质、细胞,核、细胞外环境、激素及细胞间的相互作用,等，这些因素对细胞分化的影响都是通过调,控细胞核内基因选择性表达来实现的。,1、细胞质在细胞分化中的作用,个体发育从受精卵开始，经卵裂和胚胎发育过程分化出各种组织和细胞，不同细胞产生往往与细胞获得不同成分的细胞质有关；如：,动物卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布；,用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期,用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。,这些尚不完全明确的胞质成分可以调节核基因的差异性表达，使细胞向不同的方向分化。,卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。,昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。,在细胞分化过程中，细胞核起着重要的作用，这是因为细胞核中存在着控制生物个体发育的全部遗传信息或基因。细胞分化是这些基因在一定时空上选择性表达的结果。如：,根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：,卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达：,母体基因 间隙基因 成对基因体节极性基因同源异形基因（homeotic gene，Hox）,Gene and Development,母体基因,间隙基因,成对,基因,体节极性基因,同源异形基因,HOX mutant,Antennaleg,图,14-11,左、正常果蝇的触角为具芒触角，右、突变果蝇的触角发育为足,Bithorax mutant,果蝇的双胸突变（两节中胸，没有后胸，因而没有平衡棒）,3、外环境对细胞分化的影响,生物个体的生长发育离不开环境，环境因素会影响胚胎细胞的分化，异常环境会干扰细胞的分化程序，而适宜的条件可诱导异常的畸胎瘤细胞进行正常的发育分化。,囊胚期的小鼠胚胎,植入,雄性小鼠睾丸,畸胎瘤,取干细胞,小鼠正常囊胚腔,母小鼠子宫,正常嵌合体,植入,1）,、胚胎诱导,(embryonic induction),：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。一般发生在中胚层与内胚层、中胚层与外胚层之间，可分初级诱导、次级诱导和三级诱导。,诱导者,(inductor),：对其它细胞起诱导作用的细胞：,脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板，神经沟和神经管；,视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶体又可诱导外胚层形成角膜。,、细胞间的相互作用对分化的影响,2）,、分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑制相邻细胞发生同样的分化。,如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。,3）,、细胞数量效应,小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时，可发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成,8,小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。,5、激素的作用,激素对细胞分化的影响可看做是在胚胎发育后期一种远距离细胞间的作用，在胚胎发生中普遍存在。,-,如蝌蚪的发育早期，切除去甲状腺原基，则不能发生变态现象，而长成一个特大的蝌蚪；,-如昆虫的保幼激素和脱皮激素。,五、细胞分化与癌细胞,1、癌细胞的主要生物学特征,-1）恶性生长,-2）接触抑制丧失,-3）细胞与细胞之间、细胞与底物之间的粘着性明显减弱；,-4）能分泌多种蛋白水解酶,2、癌细胞的分化,癌细胞如同胚胎期组织一样，有旺盛的增殖能力，并且在其蛋白表达谱中往往出现一些在胚胎期表达的蛋白，同时大多数不能表达其来源细胞所应有的蛋白质和功能。,如：胰岛细胞瘤不能合成胰岛素，,肝癌细胞不能合成血浆蛋白等。,3、癌基因、抑癌基因与细胞恶性变,对致癌病毒的基因组分析，发现其中具有转化宿主细胞为癌细胞的序列，将这些序列称为,病毒癌基因,（viral oncogene,v-onc）20世纪80年代，通过分子杂交技术发现，所有脊椎动物的细胞中普存在着与v-onc同源的DNA序列，并将这些存在于正常细胞中与v-onc相似的基因称为,细胞癌基因,，也称,原癌基因,，原癌基因突变则变成,癌基因,。,正常情况下，原癌基因存在是无害的，而且是生命活动过程中不少的，在胚胎发育过程中某些组织的某一时期的表达，对细胞的增殖和分化起重要作用，当正常细胞受到某些致癌因素作用后，可转变成癌基因，而引起癌细胞的增殖。,细胞中对原癌基因的作用产生阻遏的基因，称这,肿瘤抑,制基因,或,抑癌基因,。其编码的蛋白往往在细胞周期的检验点上,起阻止作用。,第二节细胞的衰老,又称老化，指细胞随着年龄的增加，机能和结构发生退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。,细胞衰老和生物体衰老是两个不同的概念。二者有联系又有区别。,衰老和死亡是生命的基本现象，衰老过程发生在生物界的整体水平、种群水平、个体水平、细胞水平以及分子水平等不同的层次。,更新组织：如上皮细胞、血细胞。构成更新组织的细胞可分为类：,干细胞、,过渡细胞、,成熟细胞。,稳定组织：可补偿性增生，如：肝、肾细胞。,恒久组织：细胞不再分裂，如神经、骨骼、心肌细胞。,可耗尽组织：如人类的卵巢实质细胞。,一、人体细胞的动态分类,二、细胞衰老的特征,（一）形态变化,1.,DNA,：复制与转录受阻，端粒,DNA,、mt,DNA,缺失。,DNA,氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。,2.,RNA,：,含量降低。,3.,蛋白质：含成下降，发生修饰、交联。,4.,酶分子：活性中心被氧化，金属离子丢失，酶分子的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶失活。,5.,脂类：不饱和脂肪酸被氧化。,（二）分子水平的变化,1,代谢废物积累（,waste product accumulation,）,细胞代谢产物积累至一定量后会危害细胞，引起衰老，哺乳动物脂褐质的沉积是一个典型的例子，脂褐质是一些长寿命的蛋白质和,DNA,、脂类共价缩合形成的巨交联物，次级溶酶体是形成脂褐质的场所，由于脂褐质结构致密，不能被彻底水解，又不能排出细胞，结果在细胞内沉积增多，阻碍细胞的物质交流和信号传递，最后导致细胞衰老，如老年性痴呆（,AD,）就是由,-,淀粉样蛋白沉积引起的，因此,-AP,可做为,AD,的鉴定指标。,三、细胞衰老的分子机理,（一）差错学派,2,大分子交联（,cross linking,）,过量的大分子交联是衰老的一个主要因素，如,DNA,交联和胶原胶联均可损害其功能，引起衰老。在临床方面胶原交联和动脉硬化、微血管病变有密切关系。,3,自由基学说（,free radical theories,）,自由基是一类瞬时形成的含不成对电子的原子或功能基团，普遍存在于生物系统。主要包括：氧自由基（如羟自由基,OH,）、氢自由基（,H,）、碳自由基、脂自由基等，其中,OH,的化学性质最活泼。人体内自由基的产生有两方面：,一是环境中的高温、辐射、光解、化学物质等引起的外源性自由基；二是体内各种代谢反应产生的内源性自由基,。内源性自由基是人体自由基的主要来源。,自由基含有未配对电子，具有高度反应活性，可引发链式自由基反应，引起,DNA,、蛋白质和脂类，尤其是多不饱和脂肪酸,polyunsaturated fatty Acids,，,PUFA,）等大分子物质变性和交联，损伤,DNA,、生物膜、重要的结构蛋白和功能蛋白，从而引起衰老各种现象的发生。,正常细胞内存在清除自由基的防御系统，包括酶系统和非酶系统，前者如：超氧化物歧化酶（,SOD,），过氧化氢酶（,CAT,），谷胱甘肽过氧化物酶（,GSH-PX,），非酶系统有维生素,E,、醌类物质等电子受体。,Orr WC,和,Sohal RS,（,1994,），将铜锌超氧化物岐化酶（,copper-zinc superoxide dismutase,）基因导入果蝇，使转基因株具有,3,个拷贝的,SOD,基因，其寿命比野生型延长,1/3,。这个实验为衰老的自由基学说提供了有力的证据。,1,、细胞有限分裂学说,“Hayflick”,极限，即细胞最大分裂次数。,L.Hayflick(1961),报道，人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的（,6070,代）。,细胞增殖次数与端粒,DNA,长度有关。,2,、重复基因失活学说：如哺乳动物,rRNA,基因数随年龄而减少。,（二）遗传论学派,3,、衰老基因学说,子女的寿命与双亲的寿命有关；,各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命；,成人早衰症：平均,39,岁时出现衰老，,47,岁生命结束；,婴幼儿早衰症：,1,岁时出现明显的衰老，,1218,岁生命结束，,早衰症患者,体内解旋酶发生突变。,Caenrhabditis elegans,的平均寿命仅,3.5,天，该虫,age-1,单基因突变，可提高平均寿命,65%,，提高最大寿命,110%,。,一个,37,岁的成人早衰症患者,正常儿童（左）和婴幼儿早衰症患者（右）,第三节 细胞凋亡,死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同步。正常的组织中也发生细胞死亡，它是维持组织机能和形态所必需的。,细胞死亡是细胞生命现象不可逆的停止。,鉴定细胞是否死亡可用活体染色法，即中性红或者台盼蓝等。,根据细胞死亡特点不同，可将其分为两种类型,（一）、细胞坏死,是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应。,早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀。,继而溶酶体破裂,细胞内容物流出,引起炎症。,一、细胞死亡的概念及标志,（二）、细胞凋亡,cell apoptosis,Kerr,（,1972,）,最先提出，与细胞坏死的区别是：,细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；,凋亡小体内有结构完整的细胞器；,不引起炎症；,线粒体无变化，溶酶体活性不增加；,内切酶活化，,DNA,有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；,凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。,细胞坏死与凋亡的形态区别,胸腺细胞,正常,凋亡,胸腺细胞,正常,凋亡,区别点,细胞凋亡,细胞坏死,起因,生理或病理性,病理性变化或剧烈损伤,范围,单个散在细胞,大片组织或成群细胞,细胞膜,保持完整,一直到形成凋亡小体,破损,染色质,凝聚在核膜下呈半月状,呈絮状,细胞器,无明显变化,肿胀、内质网崩解,细胞体积,固缩变小,肿胀变大,凋亡小体,有,被邻近细胞或巨噬细胞吞噬,无,细胞自溶,残余碎片被巨噬细胞吞噬,基因组,DNA,有控降解，电泳图谱呈梯状,随机降解，电泳图谱呈涂抹状,蛋白质合成,有,无,调节过程,受基因调控,被动进行,炎症反应,无，不释放细胞内容物,有，释放内容物。,二、细胞凋亡的特征,1、细胞凋亡的形态学特征,细胞质、染色质固缩,染色质边缘化,细胞表面特化结构消失,细胞间的连接结构消失,核酸内切酶被激活,DNA被解为若干个200bp左右的片段,细胞核裂解，,细胞膜内陷,凋亡小体,被吞噬,2、细胞凋亡的生物化学特征,1）、细胞内Ca,2+,快速、持续的浓度升高,2）、有RNA、蛋白质等生物大分子的合成,Ca,2+,浓度快速、持续的升高，可使内源性核酸内切酶基因活化和表达，可裂解DNA断裂为小片段,1、细胞凋亡的相关基因,（1）秀丽隐杆线虫的凋亡基因,细胞程序性死亡（,programmed,cell,death，PCD,）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。,PCD和细胞凋亡的区别在以下方面：,PCD,是功能性概念，凋亡是形态学概念。,PCD,的最终结果是细胞凋亡，但细胞凋亡并非都是程序化的。,PCD,存在于胚胎发育过程中。,三、细胞凋亡的分子机制,线虫,Caenorhabditis elegans,是研究个体发育和细胞程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。,线虫神经系统由,302,个细胞组成。这些细胞来自于,407,个前体细胞。也就是说,105,个细胞发生了程序性死亡。,控制线虫细胞凋亡的基因主要有,3,个,Ced-3,、,Ced-4,和,Ced-9,Ced-3,和,Ced-4,的作用是诱发凋亡；,Ced-9,抑制,Ced-3,、,Ced-4,的作用。,2002年10月7日英国人悉尼布雷诺尔、美国人罗伯特霍维茨和英国人约翰苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。,Sydney Brenner,H.Robert Horvitz,John E.Sulston,与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋亡的凋控。其中研究较多的有,bcl-2 caspase,、,p53,、,Ice,、,Fas/APO-1,等。,（2）哺乳动物的凋亡基因,A,、,caspase,在哺乳动物细胞凋亡中,人们首先克隆出一个与线虫,Ced,-3,同源的基因编码白细胞介素,转化酶(,ICE),的基因,后来,人们又发现一些与,ICE,同源的基因,这些基因产物均为特异性半胱氨酸蛋白酶,将它们统一命名为,caspase,目前至少发现14种,按发现顺序命名,其中,caspase-28910,参与细胞凋亡的起始,caspase367,参与执行细胞凋亡.,ced,-4,在哺乳动物中的同源体为,Apaf,-1(apoptotic protease activating factor-1),，,能,激活,Caspase3,，,这一过程需要细胞色素,c(,Apaf,-2),和,Apaf,-3,的参与。,B,、,bcl-2,细胞凋亡抑制基因，名称来源于,B,细胞淋巴瘤,/,白血病,-2(B-cell lymphoma/Leukemia-2,，,bcl-2),。,bcl-2,能够编码,bcl-2,（,26KD,）和,bcl-2,（,22KD,）两种蛋白质，是膜的整合蛋白，主要存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中。,bcl-2,的功能相当于线虫中的,ced9。,又称抗凋亡基因,C,、,fas,（,自杀相关基因）,fas,又称作,APO-1,，属,TNF,受体和,NGF,受体家族。,1993,年人白细胞分型国际会议统一命名为,CD95,。,fas,基因编码产物为分子量,45KD,的跨膜蛋白。,Fas,蛋白与,Fas,配体组成,Fas,系统，二者的结合导致靶细胞走向凋亡。,D,、Apafs:,Apafs是编码凋亡蛋白酶活化因子的基因,1977年人们从细胞提取物中分离出3种凋亡蛋白酶活化因子,分别是Apaf-1,Apaf-2,Apaf-3,现已知Apaf-1是,ced4,的同源分子,Apaf-2是细胞色素,Apaf-3是,caspase9,2、细胞凋亡的信号转导途径,1）、细胞内信号诱导的细胞凋亡,诱导细胞凋亡的细胞内信号分子，一般认为来自于线粒体的膜间腔，如,Apafs编码的细胞色素、Apaf-1等，都是存在于线粒体膜间腔内的诱导细胞凋亡的因子，当线粒体的外膜在内外损伤性因子的作用下受损时，外膜通透性增或肿胀破裂，向细胞释放上述因子，引起细胞凋亡。,2）、细胞外信号诱导的细胞凋亡,诱导细胞凋亡的胞外信号分子是对应死亡受体,fas,的配体分子，称为,fasL，,如肿瘤坏死因子等，细胞外信号分子,fasL,与死亡受体,fas,识别并结合，诱导死亡受体细胞质区的死亡域（DD）与,fas,结合蛋白FADD结合，FADD再结合,caspase-8（2,或10），形成一个,fas-,FADD,caspase-8（2,或10）,三种分子组成的复合体，复合体中的,caspase-8,自身激活形成有活性的,caspase-8,Caspase-8,自剪切活化，激活,Caspase-3,，,Caspase-7,Caspase-3,激活,Caspase-6,。,Caspase,可降解结构蛋白、信号蛋白、转录调控蛋白、周期蛋白等等。,Caspase还,可降解CAD的调节蛋白，释放出,CAD,，CAD进入细胞核降解,DNA,。,CAD 为caspase-activated Dnase,，存在于胞质中。,最终，通过细胞内信号诱导的途径增大细胞凋亡效应,。,四、细胞凋亡的生物学意义,1、在胚胎发育、个体成熟过程中发 挥作用,2、保持成体器官的正常体积,3、清除衰老耗损的细胞,Fas与配体（如TNF）结合发生三聚化，使胞内的DD区（Death domain）与接头蛋白FADD的DD区结合。,FADD N端通过DED区（death effector domain）与Caspase-8前体蛋白和CAP3结合，激活Caspase-8,。,