细胞生物学教程细胞分化与凋亡.pptx

第十五章CELL DIFFERENTIATION AND CELL DEATH细胞分化与凋亡第一节 细胞分化uu细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。uu每个人的一生中都在进行着细胞分化。每个人的一生中都在进行着细胞分化。uu细细胞胞分分裂裂的的不不对对称称性性和和细细胞胞间间的的相相互互作作用用是是细细胞胞分分化化的的两个基本机制。两个基本机制。uu全全能能性性：一一个个细细胞胞可可分分化化为为机机体体的的所所有有细细胞胞，如如受受精精卵、植物细胞。卵、植物细胞。干细胞干细胞 多能干细胞多能干细胞 单能干细胞（祖细胞）单能干细胞（祖细胞）uu成熟动物细胞不具备全能性。成熟动物细胞不具备全能性。6060年年代代的的爪爪蟾蟾和和8080年年代代小小鼠鼠的的核核移移殖殖，9090年年代代末末多多利利羊羊的的诞诞生都证明了分化细胞具有完整的生都证明了分化细胞具有完整的DNADNA。一、细胞全能性一、细胞全能性uu卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。北极或动物极：极体释放的部位；北极或动物极：极体释放的部位；南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。二、细胞分化的机理二、细胞分化的机理（一）细胞分裂的不对称性（一）细胞分裂的不对称性uu动物卵细胞中贮存有动物卵细胞中贮存有大量大量mRNAmRNA，呈非均匀分布；，呈非均匀分布；用用转转录录抑抑制制剂剂放放线线菌菌素素D D处处理理海海胆胆受受精精卵卵，胚胚胎胎发发育育仍仍能能进进行行至囊胚期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。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。uu卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。昆昆虫虫以以表表面面卵卵裂裂的的方方式式形形成成胚胚层层细细胞胞的的。迁迁入入卵卵的的后后端端极极质质部部的的细细胞胞发发育育为为原原始始生生殖殖细细胞胞，用用紫紫外外线线照照射射这这一一区区域域，破破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。uu1 1、胚胚胎胎诱诱导导(embryonic(embryonicinduction)induction)：胚胚胎胎发发育育过过程程中中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。uu诱导者诱导者(inductor)(inductor)：对其它细胞起诱导作用的细胞：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；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；视视胞胞可可诱诱导导其其外外面面的的外外胚胚层层形形成成晶晶体体，而而晶晶体体又又可可诱诱导导外外胚胚层层形成角膜。形成角膜。（二）细胞间的相互作用uu2 2、分分化化抑抑制制：分分化化成成熟熟的的细细胞胞可可以以产产生生抑抑素素，抑抑制制相相邻细胞发生同样的分化。邻细胞发生同样的分化。如如含含有有成成蛙蛙心心组组织织的的培培养养液液培培养养蛙蛙胚胚，则则蛙蛙胚胚不不能能发发育育出出正正常的心脏。常的心脏。uu3 3、细胞数量效应、细胞数量效应小小鼠鼠胚胚胎胎胰胰腺腺原原基基在在体体外外进进行行组组织织培培养养时时，可可发发育育成成具具有有功功能能的的胰胰腺腺组组织织，但但如如果果把把胰胰原原基基切切成成8 8小小块块分分别别培培养养，则则都都不不能能形形成成胰胰腺腺组组织织，如如果果再再把把分分开开的的小小块块合合起起来来，又又可可形形成成胰胰腺组织。腺组织。uu4 4、细胞外基质的影响、细胞外基质的影响干细胞在干细胞在IVIV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；在在I I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在在II II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。uu5 5、激素的作用、激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素。如昆虫的保幼激素和脱皮激素。uu1 1、染色体结构的变化、染色体结构的变化uu1 1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。uu2 2）基因扩增：）基因扩增：果蝇多线染色体。果蝇多线染色体。uu3 3）基因重排：）基因重排：免疫球蛋白基因（免疫球蛋白基因（10106 610108 8种抗体）。种抗体）。uu4 4）DNADNA的的甲甲基基化化与与异异染染色色质质化化：胞胞嘧嘧啶啶的的甲甲基基化化使使基基因因失活。失活。（三）细胞核与细胞分化uu2 2、基因与细胞分化、基因与细胞分化、基因与细胞分化、基因与细胞分化uu无无论论是是母母体体mRNAmRNA的的作作用用还还是是细细胞胞间间的的相相互互作作用用，其其结果是启动特定基因的表达。结果是启动特定基因的表达。uu根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：卵卵受受精精后后，首首先先表表达达的的是是母母体体基基因因；母母体体基基因因的的产产物物是是转转录录因因子子，沿沿胚胚的的前前后后轴轴形形成成一一个个浓浓度度梯梯度度，决决定定了了胚胚的的前前后后位位置和头尾区域；控制其它基因的表达：置和头尾区域；控制其它基因的表达：母母体体基基因因 间间隙隙基基因因 成成对对基基因因体体节节极极性性基基因因同同源源异异形基因（形基因（homeoticgenehomeoticgene，HoxHox）Gene and Gene and DevelopmentDevelopmentHOX mutantAntennalegBithorax mutantuu已已存存在在的的细细胞胞功功能能由由弱弱、强强、减减退退到到丧丧失失。经经历历了了新新生生成熟成熟衰老衰老死亡的过程。死亡的过程。uu已已有有的的分分化化细细胞胞通通过过分分裂裂产产生生两两个个功功能能相相同同的的细细胞胞，如血管内皮细胞。如血管内皮细胞。uu干细胞的分裂与分化，如多能造血干细胞。干细胞的分裂与分化，如多能造血干细胞。三、成体中的细胞分化四、再生四、再生uu指指生生物物的的器器官官损损伤伤后后，剩剩余余的的部部分分长长出出与与原原来来形形态态功功能能相相同同的的结结构构的的现现象象，广广义义来来看看再再生生是是生生命命的的普普遍遍现现象，从分子、细胞到组织器官都具有象，从分子、细胞到组织器官都具有再再再再生现象。生现象。uu1.1.生理性再生：即细胞更新，如人的红细胞。生理性再生：即细胞更新，如人的红细胞。uu2.2.修复性再生：壁虎的尾、蝾螈的断肢、螃蟹的肢。修复性再生：壁虎的尾、蝾螈的断肢、螃蟹的肢。uu3.3.无性繁殖无性繁殖第二节细胞的衰老uu又又称称老老化化，指指细细胞胞随随着着年年龄龄的的增增加加，机机能能和和结结构构发发生生退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。uu衰衰老老和和死死亡亡是是生生命命的的基基本本现现象象，衰衰老老过过程程发发生生在在生生物物界界的的整整体体水水平平、种种群群水水平平、个个体体水水平平、细细胞胞水水平平以以及及分子水平等不同的层次。分子水平等不同的层次。1.1.更更新新组组织织：如如上上皮皮细细胞胞、血血细细胞胞。构构成成更更新新组组织织的的细细胞胞可分为类：可分为类：干细胞、干细胞、过渡细胞、过渡细胞、成熟细胞。成熟细胞。2.2.稳定组织：可补偿性增生，如：肝、肾细胞。稳定组织：可补偿性增生，如：肝、肾细胞。3.3.恒久组织：细胞不再分裂，如神经、骨骼、心肌细胞。恒久组织：细胞不再分裂，如神经、骨骼、心肌细胞。4.4.可耗尽组织：如人类的卵巢实质细胞。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uu1.1.DNADNA：复复制制与与转转录录受受阻阻，端端粒粒DNADNA、mtmtDNADNA缺缺失失。DNADNA氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。氧化、断裂、缺失和交联，甲基化程度降低。uu2.2.RNARNA：含量降低。含量降低。uu3.3.蛋白质：含成下降，发生修饰、交联。蛋白质：含成下降，发生修饰、交联。uu4.4.酶酶分分子子：活活性性中中心心被被氧氧化化，金金属属离离子子丢丢失失，酶酶分分子子的的二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶失活。二级结构，溶解度，等电点发生改变，酶失活。uu5.5.脂类：不饱和脂肪酸被氧化。脂类：不饱和脂肪酸被氧化。（二）分子水平的变化uu（一）差错学派（一）差错学派uu1 1、代谢废物积累：如：脂褐质、代谢废物积累：如：脂褐质uu3 3、自自由由基基攻攻击击：导导致致DNADNA、蛋蛋白白质质变变异异，正正常常细细胞胞内内存在清除自由基的防御系统：存在清除自由基的防御系统：酶酶系系统统：超超氧氧化化物物歧歧化化酶酶(SOD)(SOD)，过过氧氧化化氢氢酶酶(CAT)(CAT)，谷谷胱胱甘甘肽肽过氧化物酶过氧化物酶(GSH-PX)(GSH-PX)；非酶系统：维生素非酶系统：维生素E E，醌类等电子受体。，醌类等电子受体。三、细胞衰老的分子机理三、细胞衰老的分子机理uu1 1、细胞有限分裂学说、细胞有限分裂学说“Hayflick”Hayflick”极限，即细胞最大分裂次数。极限，即细胞最大分裂次数。L.HayflickL.Hayflick(1961)(1961)报报道道，人人的的成成纤纤维维细细胞胞在在体体外外培培养养时时增增殖殖次次数是有限的（数是有限的（60706070代）。代）。细胞增殖次数与端粒细胞增殖次数与端粒DNADNA长度有关。长度有关。uu2 2、重重复复基基因因失失活活学学说说：如如哺哺乳乳动动物物rRNArRNA基基因因数数随随年年龄龄而减少。而减少。（二）遗传论学派（二）遗传论学派uu3 3、衰老基因学说、衰老基因学说、衰老基因学说、衰老基因学说uu子女的寿命与双亲的寿命有关；子女的寿命与双亲的寿命有关；uu各种动物都有相当恒定的平均寿命和最高寿命；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：平均成人早衰症：平均3939岁时出现衰老，岁时出现衰老，4747岁生命结束；岁生命结束；婴幼儿早衰症：婴幼儿早衰症：1 1岁时出现明显的衰老，岁时出现明显的衰老，12181218岁生命结束，岁生命结束，早衰症患者早衰症患者体内解旋酶发生突变体内解旋酶发生突变 。Caenrhabditis Caenrhabditis eleganselegans的的平平均均寿寿命命仅仅3.53.5天天，该该虫虫age-1age-1单单基基因因突变，可提高平均寿命突变，可提高平均寿命65%65%，提高最大寿命，提高最大寿命110%110%。Werners syndrome Hutchinson-Gilford syndrome 第三节细胞凋亡uu死亡是生命的普遍现象，但细胞死亡并非与机体死亡同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。和形态所必需的。uu（一）、细胞坏死（一）、细胞坏死uu是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应。是细胞受到急性强力伤害时立即出现的反应。uu早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀。早期表现为细胞膜破坏，线粒体肿胀。uu继而溶酶体破裂继而溶酶体破裂,细胞内容物流出细胞内容物流出,引起炎症。引起炎症。一、细胞死亡的方式一、细胞死亡的方式（二）、细胞凋亡cellapoptosisuuKerrKerr（19721972）最先提出，与细胞坏死的区别是：最先提出，与细胞坏死的区别是：uu细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体；uu凋亡小体内有结构完整的细胞器；凋亡小体内有结构完整的细胞器；uu不引起炎症；不引起炎症；uu线粒体无变化，溶酶体活性不增加；线粒体无变化，溶酶体活性不增加；uu内切酶活化，内切酶活化，DNADNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；uu凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。胸腺细胞胸腺细胞胸腺细胞胸腺细胞正常正常凋亡胸腺细胞胸腺细胞胸腺细胞胸腺细胞正常正常凋亡uu细细胞胞程程序序性性死死亡亡（programmedprogrammed cellcell deathdeath，PCDPCD）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。）是一种基因指导的细胞自我消亡方式。uuPCDPCD和细胞凋亡的区别在以下方面：和细胞凋亡的区别在以下方面：PCDPCD是功能性概念，凋亡是形态学概念。是功能性概念，凋亡是形态学概念。PCDPCD的的最最终终结结果果是是细细胞胞凋凋亡亡，但但细细胞胞凋凋亡亡并并非非都都是是程序化的。程序化的。PCDPCD存在于胚胎发育过程中。存在于胚胎发育过程中。（三）、细胞程序性死亡uu线线虫虫Caenorhabditis Caenorhabditis eleganselegans是是研研究究个个体体发发育育和和细细胞胞程程序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。序性死亡的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。uu线线虫虫神神经经系系统统由由302302个个细细胞胞组组成成。这这些些细细胞胞来来自自于于407407个前体细胞。也就是说个前体细胞。也就是说105105个细胞发生了程序性死亡。个细胞发生了程序性死亡。uu控控制制线线虫虫细细胞胞凋凋亡亡的的基基因因主主要要有有3 3个个Ced-3Ced-3、Ced-4Ced-4和和Ced-9Ced-9 Ced-3Ced-3和和 Ced-4Ced-4的作用是诱发凋亡；的作用是诱发凋亡；Ced-9Ced-9抑制抑制Ced-3Ced-3、Ced-4Ced-4的作用。的作用。20022002年年1010月月7 7日英国人悉尼日英国人悉尼 布雷诺尔、美国人罗伯特布雷诺尔、美国人罗伯特 霍维霍维茨和英国人约翰茨和英国人约翰 苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方面的研苏尔斯顿，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。究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖。Sydney Sydney BrennerBrennerH.Robert HorvitzJohn E.Sulston uu与与细细胞胞增增殖殖有有关关的的原原癌癌基基因因和和抑抑癌癌基基都都参参于于对对细细胞胞凋凋亡亡的的凋凋控控。其其中中研研究究较较多多的的有有bcl-2bcl-2c-mycc-myc、p53p53、IceIce、Fas/APO-1Fas/APO-1等。等。uu1 1、mycmycuuc-mycc-myc对对增增殖殖和和凋凋亡亡的的调调节节是是一一样样的的。当当生生长长因因子子存存在在，bcl-2bcl-2基因表达时，促进细胞增殖，反之细胞凋亡。基因表达时，促进细胞增殖，反之细胞凋亡。（一）细胞凋亡相关基因（一）细胞凋亡相关基因uu2 2、bcl-2bcl-2uu细细胞胞凋凋亡亡抑抑制制基基因因，名名称称来来源源于于B B细细胞胞淋淋巴巴瘤瘤/白白血血病病-2(B-celllymphoma/Leukemia-22(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)bcl-2)。uubcl-2bcl-2能能够够编编码码 bcl-2bcl-2（26KD26KD）和和 bcl-2bcl-2（22KD22KD）两两种种蛋蛋白白质质，是是膜膜的的整整合合蛋蛋白白，主主要要存存在在于于线线粒粒体体外外膜膜、核膜及部分内质网中。核膜及部分内质网中。uubcl-2bcl-2的功能相当于线虫中的的功能相当于线虫中的ced9ced9。uu3 3、fas fas uufasfas又称作又称作APO-1APO-1，属，属TNFTNF受体和受体和NGFNGF受体家族。受体家族。uu19931993年人白细胞分型国际会议统一命名为年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95CD95。uufasfas基因编码产物为分子量基因编码产物为分子量45KD45KD的跨膜蛋白。的跨膜蛋白。uuFasFas蛋蛋白白与与FasFas配配体体组组成成FasFas系系统统，二二者者的的结结合合导导致致靶靶细胞走向凋亡。细胞走向凋亡。uu4 4、ICEICE蛋白酶家族蛋白酶家族uuICEICE蛋蛋白白酶酶参参与与FasFas诱诱导导的的细细胞胞凋凋亡亡，与与线线虫虫细细胞胞凋凋亡亡基因基因ced-3ced-3同源。同源。uuICEICE又称为又称为CaspaseCaspase，能选择性降解蛋白质。，能选择性降解蛋白质。uuced-4ced-4在在 哺哺 乳乳 动动 物物 中中 的的 同同 源源 体体 为为 Apaf-1Apaf-1(apoptotic(apoptoticproteaseproteaseactivatingactivatingfactor-1)factor-1)，能能激激活活Caspase3Caspase3，这这一过程需要细胞色素一过程需要细胞色素c(Apaf-2)c(Apaf-2)和和Apaf-3Apaf-3的参与。的参与。（二）、（二）、Fas诱导的细胞凋亡诱导的细胞凋亡uuFasFas与与配配体体（如如TNFTNF）结结合合发发生生三三聚聚化化，使使胞胞内内的的DDDD区区（DeathDeathdomaindomain）与与接接头蛋白头蛋白FADDFADD的的DDDD区结合。区结合。uuFADDFADDN N端端 通通 过过 DEDDED区区（deathdeatheffectoreffectordomaindomain）与与Caspase-8Caspase-8前前体体蛋蛋白和白和CAP3CAP3结合，激活结合，激活Caspase-8Caspase-8。uuCaspase-8Caspase-8自剪切活化，激活自剪切活化，激活Caspase-3Caspase-3，Caspase-7Caspase-7uuCaspase-3Caspase-3激活激活Caspase-6Caspase-6。uuCaspaseCaspase可可降降解解结结构构蛋蛋白白、信信号号蛋蛋白白、转转录录调调控控蛋蛋白白、周期蛋白等等。周期蛋白等等。uuCaspaseCaspase还还可可降降解解CADCAD的的调调节节蛋蛋白白，释释放放出出CADCAD，CADCAD进入细胞核降解进入细胞核降解DNADNA。CADCAD为为caspase-activatedDnasecaspase-activatedDnase，存在于胞质中。，存在于胞质中。uu线粒体在线粒体在CD95CD95诱导的凋亡中的作用：诱导的凋亡中的作用：uuCaspaseCaspase引引 起起 线线 粒粒 体体 PTPT（PermeabilityPermeabilitytransitiontransition）孔孔打打开开，导导致致线线粒粒体体的的跨跨膜膜电电位位下下降；降；uu细细胞胞色色素素C C被被释释放放到到胞胞质质中中、激激活活Caspase-9Caspase-9，后者再激活后者再激活Caspase-3Caspase-3。uuBcl-2Bcl-2，Bcl-xlBcl-xl均作用于线粒体。均作用于线粒体。