生命科學(xué)與健康細胞生物學(xué)基礎(chǔ)-課件

生命科學(xué)與健康細胞生物學(xué)基礎(chǔ)二、細胞的結(jié)構(gòu)

細胞膜的結(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)鑲嵌模式利用細胞融合技術(shù)觀察蛋白質(zhì)運動二、細胞的結(jié)構(gòu)

–略細胞壁細胞核

細胞質(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)

細胞骨架(cytoskeleton)

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

第二節(jié)物質(zhì)轉(zhuǎn)運

擴散(diffusion)1、擴散的定義

擴散是物質(zhì)分子從濃度高的區(qū)域向濃度低的區(qū)域移動的過程。2、擴散的類型單純擴散(simplediffusion)依濃度差來實現(xiàn)跨膜擴散,如CO2、O2等。易化擴散(facilitateddiffusion)

擴散機制除依濃度差外,還需要載體。

滲透(osmosis)

滲透作用實際上就是擴散,這個地方指的是植物細胞的跨膜擴散。由于植物細胞壁的作用,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)跨膜擴散終止,即物質(zhì)進入細胞內(nèi)和排除細胞外達到動態(tài)平衡。

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。特點要有載體要消耗能量(ATP)四基團轉(zhuǎn)移基團轉(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。主動轉(zhuǎn)運中ATP消耗模式——Na+-K+泵五內(nèi)吞作用(endocytosis)內(nèi)吞作用是吞噬作用和胞飲作用的總稱。細胞吞噬侵入的細菌、細胞碎片以及衰老的紅細胞,稱作吞噬作用(phagocytosis);細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,所余渣滓從細胞表面排除,這個過程稱作外排作用。內(nèi)吞作用胞飲作用第三節(jié)細胞分裂—略一無絲分裂,也稱作直截了當(dāng)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)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。前中期核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorialplane)上。中期染色體排列到赤道面上。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。AnaphaseA:separationofthesisterchromatids、AnaphaseB:separationofthepoles、末期從子染色體到達兩極,至形成兩個新細胞為止的時期。涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個方面。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,因此稱為異型分裂(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,因此稱為同型分裂(homotypicdivision)或均等分裂(equationaldivision)。Concepts:GameticmeiosisSporicmeiosisZygoticmeiosisMeiosis減數(shù)分裂I前期I減數(shù)分裂的特別過程主要發(fā)生在前期I,通常分為5個時期:①細線期(leptotene),②合線期(zygotene),③粗線期(pachytene),④雙線期(diplotene),⑤終變期(diakinesis)。細線期:染色體呈細線狀,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(synaptonemalplex,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。補充:植物細胞雙線期一般較短,許多動物卵細胞中雙線期停留的時間特別長。人的卵母細胞在五個月胎兒中已達雙線期,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。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。一個精母細胞形成4個精子;一個卵母細胞形成一個卵子及2-3個極體。Chromosomerebination1Minimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=23Chromosomerebination2四細胞周期及其調(diào)控2001年10月8日美國人Leland

Hartwell、英國人PaulNurse、Timothy

Hunt因?qū)毎芷谡{(diào)控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。LelandH、HartwellR、Timothy(Tim)HuntSirPaulM、Nurse細胞周期的定義細胞一次分裂的開始(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。細胞周期調(diào)控因子—MPF細胞周期的調(diào)控關(guān)鍵在分裂間期。有2個起決定作用的控制點:從G1進入S和從G2進入M,這2個轉(zhuǎn)變過程都是由一種稱之為成熟促進因子(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激酶和細胞周期蛋白(cyclins);后者又有兩種:S-cyclin和M-cyclin。細胞周期調(diào)控機制假說當(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進入M期。進入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進入S期的MPF。如此循環(huán)反復(fù),不斷推動細胞周期循環(huán)地從一期進入下一期。

簡化示意圖MM-cyclin降解G1S-cyclin+CDC2形成MPFSS-cyclin降解G2M-cyclin+CDC2形成MPF第四節(jié)細胞分化與衰老

細胞的分化

一個或一種細胞,其分裂增殖的后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上相互不同,并與親代細胞也不同,這一過程稱作細胞分化。細胞后代在形態(tài)、結(jié)構(gòu)和功能上發(fā)生差異的過程。細胞分化起始于基因表達的調(diào)控,部分基因關(guān)閉,部分基因開啟,也包括基因表達強度的改變。個體發(fā)育通過細胞分化來實現(xiàn)—細胞分化的內(nèi)涵分化細胞之間的差異歸根到底在于不同蛋白質(zhì)的表達。分化過程通常是不可逆的。分化終端的細胞通常不再分裂,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,個別分化終端的細胞逆向恢復(fù)生長分裂的能力,往往估計是細胞癌變的征兆。一般認為達到成年時期,個體發(fā)育完成。細胞分化大量地出現(xiàn)在成年往常的發(fā)育過程中,然而一部分細胞的分化,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)生血細胞的分化和成熟。細胞的分化發(fā)育潛能全能性—指受精卵能夠具有使后代細胞分化出各種組織細胞并建成完整個體的潛能,如全能干細胞。多能性—有的細胞具有使后代細胞分化出多種組織或細胞,但已不能建成完整個體的潛能,如多能干細胞。單能性—有的細胞具有更窄的發(fā)育潛能,只能使后代細胞發(fā)育成為一種細胞,稱為單能性,如單能干細胞(祖細胞)。二干細胞(stemcell)

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

干細胞依照生存時期分為胚胎干細胞和成體干細胞。

干細胞的發(fā)育受多種內(nèi)在機制和微環(huán)境因素的影響。目前人類胚胎干細胞已可成功地在體外培養(yǎng)。最新研究發(fā)現(xiàn),成體干細胞能夠橫向分化為其他類型的細胞和組織,為干細胞的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

在胚胎的發(fā)生發(fā)育中,單個受精卵能夠分裂發(fā)育為多細胞的組織或器官。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胞進一步分化的結(jié)果。胚胎干細胞是全能的,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)的干細胞一般認為具有組織特異性,只能分化成特定的細胞或組織。最新的研究表明,組織特異性干細胞同樣具有分化成其他細胞或組織的潛能,這為干細胞的應(yīng)用開創(chuàng)了更廣泛的空間。

胚胎干細胞(EmbryonicStemcell,ES細胞)當(dāng)受精卵分裂發(fā)育成囊胚時,內(nèi)層細胞團(InnerCellMass)的細胞即為胚胎干細胞。胚胎干細胞具有全能性,能夠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胞并在體外進行培養(yǎng)。而人的胚胎干細胞的體外培養(yǎng)直到最近才獲得成功。進一步說,胚胎干細胞(ES細胞)是一種高度未分化細胞。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,包括生殖細胞。研究和利用ES細胞是當(dāng)前生物工程領(lǐng)域的核心問題之一。ES細胞的研究可追溯到上世紀(jì)五十年代,由于畸胎瘤干細胞(EC細胞)的發(fā)現(xiàn)開始了ES細胞的生物學(xué)研究歷程。

目前許多研究工作都是以小鼠ES細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細胞培養(yǎng)出的神經(jīng)膠質(zhì)細胞。此后,密蘇里的研究人員通過鼠胚細胞移植技術(shù),使癱瘓的貓恢復(fù)了部分肢體活動能力。隨著ES細胞的研究日益深入,生命科學(xué)家對人類ES細胞的了解邁入了一個新的時期。在98年末,兩個研究小組成功的培養(yǎng)出人類ES細胞,保持了ES細胞分化為各種體細胞的全能性。如此就使科學(xué)家利用人類ES細胞治療各種疾病成為估計。然而,人類ES細胞的研究工作引起了全世界范圍內(nèi)的特別大爭議,出于社會倫理學(xué)方面的原因,有些國家甚至明令禁止進行人類ES細胞研究。不管從基礎(chǔ)研究角度來講依然從臨床應(yīng)用方面來看,人類ES細胞帶給人類的益處遠遠大于在倫理方面估計造成的負面影響,因此要求展開人類ES細胞研究的呼聲也一浪高似一浪。

2、成體干細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。成體干細胞在其中起著關(guān)鍵的作用。在特定條件下,成體干細胞或者產(chǎn)生新的干細胞,或者按一定的程序分化,形成新的功能細胞,從而使組織和器官保持生長和衰退的動態(tài)平衡。過去認為成體干細胞主要包括上皮干細胞和造血干細胞。最近研究表明,以往認為不能再生的神經(jīng)組織仍然包含神經(jīng)干細胞,說明成體干細胞普遍存在,問題是如何尋找和分離各種組織特異性干細胞。成體干細胞經(jīng)常位于特定的微環(huán)境中。微環(huán)境中的間質(zhì)細胞能夠產(chǎn)生一系列生長因子或配體,與干細胞相互作用,控制干細胞的更新和分化。

3、造血干細胞

造血干細胞是體內(nèi)各種血細胞的唯一來源,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。4、神經(jīng)干細胞關(guān)于神經(jīng)干細胞研究起步較晚,由于分離神經(jīng)干細胞所需的胎兒腦組織較難取材,加之胚胎細胞研究的爭議尚未平息,神經(jīng)干細胞的研究仍處于初級時期。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)干細胞功能的紊亂。腦和脊髓由于血腦屏障的存在使之在干細胞移植到中樞神經(jīng)系統(tǒng)后可不能產(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胞的神經(jīng)干細胞,可治愈部分患者癥狀。除此之外,神經(jīng)干細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。

實際上,到目前為止,人們對干細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)的干細胞”;有些科學(xué)家證實骨髓干細胞可發(fā)育成肝細胞,腦干細胞可發(fā)育成血細胞。隨著干細胞研究領(lǐng)域向深度和廣度不斷擴展,人們對干細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,干細胞的應(yīng)用將有廣闊前景。

5、干細胞應(yīng)用的基礎(chǔ)——調(diào)控

干細胞的調(diào)控是指給出適當(dāng)?shù)囊蜃訔l件,對干細胞的增值和分化進行調(diào)控,使之向指定的方向發(fā)展。內(nèi)源性調(diào)控干細胞自身有許多調(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)細胞不對稱分裂的蛋白,控制基因表達的核因子等。另外,干細胞在終末分化之前所進行的分裂次數(shù)也受到細胞內(nèi)調(diào)控因子的制約。a、細胞內(nèi)蛋白對干細胞分裂的調(diào)控

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

b、轉(zhuǎn)錄因子的調(diào)控

在脊椎動物中,轉(zhuǎn)錄因子對干細胞分化的調(diào)節(jié)特別重要。比如在胚胎干細胞的發(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胞表達的轉(zhuǎn)錄因子,它誘導(dǎo)表達的靶基因產(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)干細胞以及周圍滋養(yǎng)層的進一步分化。Oct4缺失突變的胚胎只能發(fā)育到囊胚期,其內(nèi)部細胞不能發(fā)育成內(nèi)層細胞團

。另外白血病抑制因子(LIF)對培養(yǎng)的小鼠ES細胞的自我更新有促進作用,而對人的成體干細胞無作用,說明不同種屬間的轉(zhuǎn)錄調(diào)控是不完全一致的。2)外源性調(diào)控干細胞的分化還可受到其周圍組織及細胞外基質(zhì)等外源性因素的影響。分泌因子間質(zhì)細胞能夠分泌許多因子,維持干細胞的增殖,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)嵴干細胞的分化。最近研究發(fā)現(xiàn),膠質(zhì)細胞衍生的神經(jīng)營養(yǎng)因子(GDNF)不僅能夠促進多種神經(jīng)元的存活和分化,還對精原細胞的再生和分化有決定作用。GDNF缺失的小鼠表現(xiàn)為干細胞數(shù)量的減少,而GDNF的過度表達導(dǎo)致未分化的精原細胞的累積。Wnts的作用機制是通過阻止β-Catenin分解從而激活Tcf/Lef介導(dǎo)的轉(zhuǎn)錄,促進干細胞的分化。比如在線蟲卵裂球的分裂中,鄰近細胞誘導(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。b、膜蛋白介導(dǎo)的細胞間的相互作用

有些信號是通過細胞-細胞的直截了當(dāng)接觸起作用的。β-Catenin就是一種介導(dǎo)細胞粘附連接的結(jié)構(gòu)成分。除此之外,穿膜蛋白Notch及其配體Delta或Jagged也對干細胞分化有重要影響。在果蠅的感受器官前體細胞,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信號都起著特別重要的作用。當(dāng)Notch與其配體結(jié)合時,干細胞進行非分化性增殖;當(dāng)Notch活性被抑制時,干細胞進入分化程序,發(fā)育為功能細胞。c、整合素(Integrin)與細胞外基質(zhì)整合素家族是介導(dǎo)干細胞與細胞外基質(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,上皮干細胞逃脫了微環(huán)境的制約,分化成角質(zhì)細胞。此外細胞外基質(zhì)通過調(diào)節(jié)β1整合素的表達和激活,從而影響干細胞的分布和分化方向。3)干細胞的可塑性越來越多的證據(jù)表明,當(dāng)成體干細胞被移植入受體中,它們表現(xiàn)出特別強的可塑性。通常情況下,供體的干細胞在受體中分化為與其組織來源一致的細胞。而在某些情況下干細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胞,體外培養(yǎng)5天后,與少量的骨髓間質(zhì)細胞一起移植入接受致死量輻射的小鼠中,結(jié)果發(fā)現(xiàn)肌肉干細胞會分化為各種血細胞系。這種現(xiàn)象被稱為干細胞的橫向分化(trans-differentiation)。關(guān)于橫向分化的調(diào)控機制目前還不清楚。大多數(shù)觀點認為干細胞的分化與微環(huán)境緊密相關(guān)。估計的機制是,干細胞進入新的微環(huán)境后,對分化信號的反應(yīng)受到周圍正在進行分化的細胞的影響,從而對新的微環(huán)境中的調(diào)節(jié)信號做出反應(yīng)。干細胞應(yīng)用

按分化潛能的大小,干細胞基本上可分為三種類型:一類是全能性干細胞,它具有形成完整個體的分化潛能。如胚胎干細胞(簡稱ES細胞),它是從早期胚胎的內(nèi)細胞團分離出來的一種高度未分化的細胞系,具有與早期胚胎細胞相似的形態(tài)特征和特別強的分化能力,它能夠無限增殖并分化成為全身200多種細胞類型,進一步形成機體的所有組織、器官。另一類是多能性干細胞,這種干細胞具有分化出多種細胞組織的潛能,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,骨髓多能造血干細胞是典型的例子,它可分化出至少十二種血細胞,但不能分化出造血系統(tǒng)以外的其它細胞。還有一類干細胞為單能干細胞(也稱專能、偏能干細胞),這類干細胞只能向一種類型或緊密相關(guān)的兩種類型的細胞分化,如上皮組織基底層的干細胞、肌肉中的成肌細胞或叫衛(wèi)星細胞。

最近干細胞的研究有兩個重大的技術(shù)突破,一是人類胚胎干細胞在體外培養(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)層細胞團中取得胚胎干細胞。他們把胚胎干細胞與小鼠的骨髓間質(zhì)細胞進行了共培養(yǎng)。結(jié)果表明胚胎干細胞能夠進行長達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胞的橫向分化。1999年Goodell等人用肌肉來源的干細胞在小鼠體內(nèi)分化成各種血細胞。這表明成體干細胞在一定的微環(huán)境的作用下,能夠橫向分化為需要的細胞和組織,從而起到極其有效的治療作用?？傊?凡需要不斷產(chǎn)生新的分化細胞以及分化細胞本身不能再分裂的細胞或組織都要通過干細胞所產(chǎn)生的具有分化能力的細胞來維持機體細胞的數(shù)量,能夠如此說,生命體是通過干細胞的分裂來實現(xiàn)細胞的更新及保證持續(xù)生長。隨著基因工程、胚胎工程、細胞工程等各種生物技術(shù)的快速發(fā)展,依照一定的目的,在體外人工分離、培養(yǎng)干細胞已成為估計,利用干細胞構(gòu)建各種細胞、組織、器官作為移植器官的來源,這將成為干細胞應(yīng)用的主要方向。三細胞分化的機理—略細胞分裂的不對稱性卵細胞具有極性,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。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。細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。分化抑制:分化成熟的細胞能夠產(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。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,但假如把胰原基切成8小塊分別培養(yǎng),則都不能形成胰腺組織,假如再把分開的小塊合起來,又可形成胰腺組織。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。激素的作用如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。細胞核與細胞分化染色體結(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?；蚺c細胞分化不管是母體mRNA的作用依然細胞間的相互作用,其結(jié)果是啟動特定基因的表達。依照對果蠅、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(homeoticgene,Hox)。四成體中的細胞分化—略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。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、細胞到組織器官都具有再生現(xiàn)象。生理性再生:即細胞更新,如人的紅細胞。修復(fù)性再生:壁虎的尾、蠑螈的斷肢、螃蟹的肢。無性繁殖六細胞衰老又稱老化,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。1、個體衰老衰老意味著身體各個部分功能的衰退,慢慢發(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,但個體差異特別大。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。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。細胞衰老是個體衰老的基礎(chǔ)。細胞衰老特征細胞核體積增大,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。細胞膜結(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。細胞骨架體系改變。一般來說,衰老細胞的蛋白質(zhì)合成速率下降,然而也會出現(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,估計與衰老細胞纖維化有關(guān),某些新的核骨架蛋白的出現(xiàn),估計與關(guān)閉正常的核內(nèi)代謝活動有關(guān)。細胞衰老的原因細胞核的遺傳控制起決定作用—體外培養(yǎng)細胞試驗表明:去核衰老細胞和年輕細胞融合或去核年輕細胞和衰老細胞融合,結(jié)果是前者與年輕細胞分裂能力相近,后者與衰老細胞分裂能力相近。自由基理論—致基因突變、蛋白質(zhì)失活、細胞結(jié)構(gòu)異常。端粒DNA序列的縮短—端粒包括一段特別序列的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。問題是人體細胞中的端粒酶是沒有活性的。如此,隨著每次細胞分裂,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。因此,隨著細胞分裂次數(shù)的增加,慢慢發(fā)生正?；虻膿p傷和缺失,使細胞活動漸趨異常。細胞衰老的分子機理—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。遺傳論學(xué)派

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(60~70代)。細胞增殖次數(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。

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。Werner'ssyndromeHutchinson-Gilfordsyndrome七細胞死亡、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。細胞的死亡—衰老的終點

關(guān)于多細胞生物體而言,個體死亡不等于細胞死亡。在個體死亡發(fā)生時,身體的大部分細胞并未死亡;在個體健康生活著的時間內(nèi),身體中不停地進行更新,許多細胞不停的死去,同時新的細胞不停地產(chǎn)生。由微生物感染、有毒物侵襲或輻射傷害導(dǎo)致細胞死亡稱作細胞壞死(necrosis)。常表現(xiàn)為:細胞顯著腫脹;細胞膜破裂,內(nèi)容物溢出,并容易導(dǎo)致周圍組織炎癥。細胞凋亡(apoptosis)細胞因整體生長發(fā)育的需要,規(guī)定在一定時期內(nèi)死亡,這種死亡稱作細胞凋亡。細胞凋亡過程與壞死過程不同,表現(xiàn)為有控制有秩序,故細胞凋亡又稱作細胞程序性死亡(programmedcelldeath,PCD)。其特點為:細胞明顯皺縮;細胞核內(nèi)物質(zhì)和細胞質(zhì)內(nèi)物質(zhì)凝集致密化;細胞逐漸變小、變圓;細胞膜將胞內(nèi)成分包圍成一個個凋亡小體,凋亡小體被周圍細胞吞噬掉,顯得干凈利索,不引起周圍組織炎癥。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,因在細胞程序性死亡方面的研究獲諾