第九章細胞分化凋亡-PPT幻燈片

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。一個受精卵發(fā)育成一個完整個體的過程是以細胞增殖與細胞分化為基礎的，通過細胞增殖可使細胞的數(shù)目增加，通過細胞的分化可以形成不同的細胞類型。細胞在經(jīng)歷了增殖、分化后，最終的命運是死亡。１、細胞分化的概念細胞分化是指受精卵經(jīng)過卵裂產(chǎn)生的同源細胞在形態(tài)結(jié)構(gòu)、生理功能和蛋白質(zhì)合成等方面產(chǎn)生穩(wěn)定性差異的過程２、細胞分化的特點（１）、細胞分化的穩(wěn)定性：細胞一旦分化為穩(wěn)穩(wěn)定的細胞類型后，就不可能由分化狀態(tài)再逆轉(zhuǎn)為原來未分化的細胞。（２）、細胞分化的可逆性：細胞分化是一個相對穩(wěn)定和持久的過程，不會自發(fā)地逆轉(zhuǎn)但在一定條件下，高度分化的細胞可逆轉(zhuǎn)并回復到胚性細胞狀態(tài)，這叫去分化，如癌細胞的發(fā)生。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：８細胞以前的卵裂球的每個細胞多能干細胞：三個胚層形成后的細胞單能干細胞（祖細胞）：三胚層形成后的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。

二、細胞全能性與細胞決定１、細胞全能性Weismann(1883)根據(jù)對馬蛔蟲的研究結(jié)果，提出“體細胞分化是由于遺傳物質(zhì)丟失造成的”1958年Sreward用胡蘿卜根的韌皮部組織培育出完整的新植株，1970年又用懸浮培養(yǎng)的胡蘿卜單個細胞培育成了可育的植株，推翻了Weismann的觀點分子雜交和核移植實驗均證實，高度分化細胞的核具有全能性，個體不同類型及不同發(fā)育階段的體細胞均含有該物種的全套基因．但只有部分基因表達。個體發(fā)育過程中，細胞的基因并不全部表達，而是在一定時空順序上發(fā)生有選擇性地表達的現(xiàn)象稱為基因的差異性表達．三、細胞分化的分子基礎１、細胞分化的基因表達特點2、持家基因和奢侈基因

在個體以育過程中,細胞中表達的基因大致分為兩大類,一類是持家基因,這類基因在不同類型及不同發(fā)育階段的細胞中都處于活性狀態(tài),表達維持細胞生存所必需的、各類細胞普遍共存的蛋白質(zhì)、核糖體蛋白、線粒體蛋白、糖酵解酶、組蛋白等。持家基因與細胞分化的關系不大，對細胞分化只起支持作用。另一類為奢侈基因，它們編碼產(chǎn)生對細胞分化起直接作用的各種特異性蛋白質(zhì)，這類基因在不同類型及不同發(fā)育階段細胞中的表達是差異性表達，使不同發(fā)育階段及不同類型的細胞中出現(xiàn)特異性的蛋白質(zhì)，從而表現(xiàn)特定的形態(tài)結(jié)構(gòu)、系列特征及生理功能。四、影響細胞分化的因素

影響細胞分化的因素包括細胞質(zhì)、細胞核、細胞外環(huán)境、激素及細胞間的相互作用等，這些因素對細胞分化的影響都是通過調(diào)控細胞核內(nèi)基因選擇性表達來實現(xiàn)的。1、細胞質(zhì)在細胞分化中的作用

個體發(fā)育從受精卵開始，經(jīng)卵裂和胚胎發(fā)育過程分化出各種組織和細胞，不同細胞產(chǎn)生往往與細胞獲得不同成分的細胞質(zhì)有關；如：

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。這些尚不完全明確的胞質(zhì)成分可以調(diào)節(jié)核基因的差異性表達，使細胞向不同的方向分化。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。在細胞分化過程中，細胞核起著重要的作用，這是因為細胞核中存在著控制生物個體發(fā)育的全部遺傳信息或基因。細胞分化是這些基因在一定時空上選擇性表達的結(jié)果。如：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（homeoticgene，Hox）Geneand

Development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HOXmutantAntenna—leg圖14-11左、正常果蠅的觸角為具芒觸角，右、突變果蠅的觸角發(fā)育為足Bithoraxmutant果蠅的雙胸突變（兩節(jié)中胸，沒有后胸，因而沒有平衡棒）3、外環(huán)境對細胞分化的影響生物個體的生長發(fā)育離不開環(huán)境，環(huán)境因素會影響胚胎細胞的分化，異常環(huán)境會干擾細胞的分化程序，而適宜的條件可誘導異常的畸胎瘤細胞進行正常的發(fā)育分化。囊胚期的小鼠胚胎植入雄性小鼠睪丸畸胎瘤取干細胞小鼠正常囊胚腔母小鼠子宮正常嵌合體植入1）、胚胎誘導(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。一般發(fā)生在中胚層與內(nèi)胚層、中胚層與外胚層之間，可分初級誘導、次級誘導和三級誘導。誘導者(inductor)：對其它細胞起誘導作用的細胞：脊索可誘導其頂部的外胚層發(fā)育成神經(jīng)板，神經(jīng)溝和神經(jīng)管；視胞可誘導其外面的外胚層形成晶體，而晶體又可誘導外胚層形成角膜。４、細胞間的相互作用對分化的影響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。5、激素的作用激素對細胞分化的影響可看做是在胚胎發(fā)育后期一種遠距離細胞間的作用，在胚胎發(fā)生中普遍存在。-如蝌蚪的發(fā)育早期，切除去甲狀腺原基，則不能發(fā)生變態(tài)現(xiàn)象，而長成一個特大的蝌蚪；-如昆蟲的保幼激素和脫皮激素。五、細胞分化與癌細胞1、癌細胞的主要生物學特征-1）惡性生長-2）接觸抑制喪失-3）細胞與細胞之間、細胞與底物之間的粘著性明顯減弱；-4）能分泌多種蛋白水解酶2、癌細胞的分化癌細胞如同胚胎期組織一樣，有旺盛的增殖能力，并且在其蛋白表達譜中往往出現(xiàn)一些在胚胎期表達的蛋白，同時大多數(shù)不能表達其來源細胞所應有的蛋白質(zhì)和功能?！纾阂葝u細胞瘤不能合成胰島素，—肝癌細胞不能合成血漿蛋白等。3、癌基因、抑癌基因與細胞惡性變

對致癌病毒的基因組分析，發(fā)現(xiàn)其中具有轉(zhuǎn)化宿主細胞為癌細胞的序列，將這些序列稱為病毒癌基因（viraloncogene,v-onc）20世紀80年代，通過分子雜交技術(shù)發(fā)現(xiàn)，所有脊椎動物的細胞中普存在著與v-onc同源的DNA序列，并將這些存在于正常細胞中與v-onc相似的基因稱為細胞癌基因，也稱原癌基因，原癌基因突變則變成癌基因。

正常情況下，原癌基因存在是無害的，而且是生命活動過程中不少的，在胚胎發(fā)育過程中某些組織的某一時期的表達，對細胞的增殖和分化起重要作用，當正常細胞受到某些致癌因素作用后，可轉(zhuǎn)變成癌基因，而引起癌細胞的增殖。細胞中對原癌基因的作用產(chǎn)生阻遏的基因，稱這腫瘤抑制基因或抑癌基因。其編碼的蛋白往往在細胞周期的檢驗點上起阻止作用。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。細胞衰老和生物體衰老是兩個不同的概念。二者有聯(lián)系又有區(qū)別。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。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３類：①

干細胞、②

過渡細胞、③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)，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1．代謝廢物積累（wasteproductaccumulation）細胞代謝產(chǎn)物積累至一定量后會危害細胞，引起衰老，哺乳動物脂褐質(zhì)的沉積是一個典型的例子，脂褐質(zhì)是一些長壽命的蛋白質(zhì)和DNA、脂類共價縮合形成的巨交聯(lián)物，次級溶酶體是形成脂褐質(zhì)的場所，由于脂褐質(zhì)結(jié)構(gòu)致密，不能被徹底水解，又不能排出細胞，結(jié)果在細胞內(nèi)沉積增多，阻礙細胞的物質(zhì)交流和信號傳遞，最后導致細胞衰老，如老年性癡呆（AD）就是由β-淀粉樣蛋白沉積引起的，因此β-AP可做為AD的鑒定指標。三、細胞衰老的分子機理（一）差錯學派2．大分子交聯(lián)（crosslinking）過量的大分子交聯(lián)是衰老的一個主要因素，如DNA交聯(lián)和膠原膠聯(lián)均可損害其功能，引起衰老。在臨床方面膠原交聯(lián)和動脈硬化、微血管病變有密切關系。3．自由基學說（freeradicaltheories）自由基是一類瞬時形成的含不成對電子的原子或功能基團，普遍存在于生物系統(tǒng)。主要包括：氧自由基（如羥自由基·OH）、氫自由基（·H）、碳自由基、脂自由基等，其中·OH的化學性質(zhì)最活潑。人體內(nèi)自由基的產(chǎn)生有兩方面：一是環(huán)境中的高溫、輻射、光解、化學物質(zhì)等引起的外源性自由基；二是體內(nèi)各種代謝反應產(chǎn)生的內(nèi)源性自由基。內(nèi)源性自由基是人體自由基的主要來源。自由基含有未配對電子，具有高度反應活性，可引發(fā)鏈式自由基反應，引起DNA、蛋白質(zhì)和脂類，尤其是多不飽和脂肪酸polyunsaturatedfattyAcids，PUFA）等大分子物質(zhì)變性和交聯(lián)，損傷DNA、生物膜、重要的結(jié)構(gòu)蛋白和功能蛋白，從而引起衰老各種現(xiàn)象的發(fā)生。正常細胞內(nèi)存在清除自由基的防御系統(tǒng)，包括酶系統(tǒng)和非酶系統(tǒng)，前者如：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)有維生素E、醌類物質(zhì)等電子受體。OrrWC和SohalRS（1994），將銅鋅超氧化物岐化酶（copper-zincsuperoxidedismutase）基因?qū)牍墸罐D(zhuǎn)基因株具有3個拷貝的SOD基因，其壽命比野生型延長1/3。這個實驗為衰老的自由基學說提供了有力的證據(jù)。1、細胞有限分裂學說“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。2、重復基因失活學說：如哺乳動物rRNA基因數(shù)隨年齡而減少。（二）遺傳論學派3、衰老基因?qū)W說子女的壽命與雙親的壽命有關；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，12~18歲生命結(jié)束，早衰癥患者體內(nèi)解旋酶發(fā)生突變。Caenrhabditiselegans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%。一個37歲的成人早衰癥患者正常兒童（左）和嬰幼兒早衰癥患者（右）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。

細胞死亡是細胞生命現(xiàn)象不可逆的停止。鑒定細胞是否死亡可用活體染色法，即中性紅或者臺盼藍等。根據(jù)細胞死亡特點不同，可將其分為兩種類型（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。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、細胞死亡的概念及標志（二）、細胞凋亡cellapoptosisKerr（1972）最先提出，與細胞壞死的區(qū)別是：①細胞通過出芽的方式形成許多凋亡小體；②凋亡小體內(nèi)有結(jié)構(gòu)完整的細胞器；③不引起炎癥；④線粒體無變化，溶酶體活性不增加；⑤內(nèi)切酶活化，DNA有控降解，凝膠電泳圖譜呈梯狀；⑥凋亡通常是生理性變化，而細胞壞死是病理性變化。

細胞壞死與凋亡的形態(tài)區(qū)別胸腺細胞正常凋亡胸腺細胞正常凋亡區(qū)別點細胞凋亡細胞壞死起因生理或病理性病理性變化或劇烈損傷范圍單個散在細胞大片組織或成群細胞細胞膜保持完整,一直到形成凋亡小體破損染色質(zhì)凝聚在核膜下呈半月狀呈絮狀細胞器無明顯變化腫脹、內(nèi)質(zhì)網(wǎng)崩解細胞體積固縮變小腫脹變大凋亡小體有,被鄰近細胞或巨噬細胞吞噬無,細胞自溶,殘余碎片被巨噬細胞吞噬基因組DNA有控降解，電泳圖譜呈梯狀隨機降解，電泳圖譜呈涂抹狀蛋白質(zhì)合成有無調(diào)節(jié)過程受基因調(diào)控被動進行炎癥反應無，不釋放細胞內(nèi)容物有，釋放內(nèi)容物。二、細胞凋亡的特征1、細胞凋亡的形態(tài)學特征細胞質(zhì)、染色質(zhì)固縮染色質(zhì)邊緣化細胞表面特化結(jié)構(gòu)消失細胞間的連接結(jié)構(gòu)消失核酸內(nèi)切酶被激活DNA被解為若干個200bp左右的片段細胞核裂解，細胞膜內(nèi)陷凋亡小體被吞噬2、細胞凋亡的生物化學特征1）、細胞內(nèi)Ca2+快速、持續(xù)的濃度升高2）、有RNA、蛋白質(zhì)等生物大分子的合成

Ca2+濃度快速、持續(xù)的升高，可使內(nèi)源性核酸內(nèi)切酶基因活化和表達，可裂解DNA斷裂為小片段1、細胞凋亡的相關基因（1）秀麗隱桿線蟲的凋亡基因細胞程序性死亡（programmedcelldeath，PCD）是一種基因指導的細胞自我消亡方式。PCD和細胞凋亡的區(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、細胞凋亡的分子機制線蟲Caenorhabditiselegans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?？刂凭€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)學獎。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston

與細胞增殖有關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-2caspase、p53、Ice、Fas/APO-1等。（2）哺乳動物的凋亡基因A、caspase在哺乳動物細胞凋亡中,人們首先克隆出一個與線蟲Ced-3同源的基因—編碼白細胞介素－１?轉(zhuǎn)化酶(ICE)的基因,后來,人們又發(fā)現(xiàn)一些與ICE同源的基因,這些基因產(chǎn)物均為特異性半胱氨酸蛋白酶,將它們統(tǒng)一命名為caspase,目前至少發(fā)現(xiàn)14種,按發(fā)現(xiàn)順序命名,其中caspase-2\8\9\10參與細胞凋亡的起始,caspase3\6\7參與執(zhí)行細胞凋亡.ced-4在哺乳動物中的同源體為Apaf-1(apoptoticproteaseactivatingfactor-1)，能激活Caspase3，這一過程需要細胞色素c(Apaf-2)和Apaf-3的參與。B、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-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)。bcl-2

能夠編碼bcl-2α（26KD）和bcl-2β（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。又稱抗凋亡基因C、fas（自殺相關基因）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)合導致靶細胞走向凋亡。D、Apafs:Apafs是編碼凋亡蛋白酶活化因子的基因,1977年人們從細胞提取物中分離出3種凋亡蛋白酶活化因子,分別是Apaf-1,Apaf-2,Apaf-3,現(xiàn)已知Apaf-1是ced4的同源分子,Apaf-2是細胞色素,Apaf-3是caspase92、細胞凋