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1、细胞 分化 癌变 衰老 与 凋亡,一 细胞分化,一、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。,细胞分化是同一来源的细胞逐渐发生各自特有的形态结构、生理功能和生化特征的过程。其结果是在空间上细胞之间出现差异，在时间上同一细胞和它以前的状态有所不同。细胞分化是从化学分化到形态、功能分化的过程。从分子水平看，细胞分化意味着各种细胞内合成了不同的专一蛋白质（如水晶体细胞合成晶体蛋白，红细胞合成血红蛋白，肌细胞合成肌动蛋白和肌球蛋白等），而专一蛋白质的合成是通过细胞内一定基因在一定的时期的选择性表
2、达实现的。因此，基因调控是细胞分化的核心问题。,二、细胞分化的机理,（一）细胞分裂的不对称性卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。北极或动物极：极体释放的部位；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。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。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。,1、胚胎诱导：胚胎发育过程中，一部
3、分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。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。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。,（二）细胞间的相互作用,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。4、细胞外基质的影响：干细胞在IV型胶原和层
4、粘连蛋白上分化为上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。5、激素的作用：如昆虫的保幼激素和脱皮激素。,1、染色体结构的变化1）基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。2）基因扩增：果蝇多线染色体。3）基因重排：免疫球蛋白基因（106108种抗体）。2、基因与细胞分化无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用，其结果是启动特定基因的表达。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：,（三）细胞核与细胞分化,在细胞分化
5、中，细胞核起决定作用。一般认为细胞核内含有该种生物的全套遗传信息。在条件具备时，它可使所在细胞发育分化为由各种类型细胞所组成的完整个体。在两栖类，把囊胚期和早期原肠胚的细胞核移植到事先已经去掉细胞核的卵内能使卵正常发育，说明动植物体细胞的核是全能的,已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。经历了新生成熟衰老死亡的过程。已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的细胞，如血管内皮细胞。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,细胞分化中基因表达的调节控制是一个十分复杂的过程.在蛋白质合成的各个水平，从mRNA的转录、加工到翻译，都会有调控的机制。在DNA水平也存在调控机制（如基因的
6、丢失、放大、移位重组、修筛以及染色质结构的变化等）。不同的细胞在其发育中的基因表达的调节控制不同；相同的细胞在其发育的各阶段中，调节控制的机制不同。,细胞分化失常的三腿女婴,四、细胞的分化潜能（一）、全能性、多能性和单能性受精卵能够分化出各种细胞、组织，形成一个完整的个体，所以把受精卵的分化潜能称为全能性。随着分化发育的进程，细胞逐渐丧失其分化潜能。从全能性到多能性，再到单能性，最后失去分化潜能成为成熟定型的细胞。植物的枝、叶、根都有可能长成一株完整的植株，细胞培养的结果也证明即使高度分化的植物细胞也可以培养成一个完整的植株，因此可以说绝多数植物细胞具有全能性。,成熟动物细胞显然不具备全能性。
7、其原因并非在细胞核而在细胞质，如大量的核移殖实验证实，分化细胞的核仍保留完整的基因组DNA。我国发育生物学家童第周1978年成功地将黑斑蛙成熟的细胞核移入去核的受精卵细胞内，培育出了蝌蚪。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基因组DNA。在人的一生中，皮肤、小肠和血液等组织需要不断地更新，这个任务是由干细胞完成的。,根据干细胞的分化能力，可以分为全能干细胞、多能干细胞和单能干细胞。干细胞是一类具有分裂和分化能力的细胞，全能干细胞可以分化为机体内的任何一种细胞，直至形成一个复杂的有机体。多能干细胞多能干细胞可以分化为多种类型的细胞，如造血干细胞可
8、以分化为12种血细胞。单能干细胞来源于多能干细胞，具有向特定细胞系分化的能力，也称为祖细胞（progenitor）。,（二）、干细胞的特点干细胞具有以下生物学特点：终生保持未分化或低分化特征；在机体中的数目、位置相对恒定；具有自我更新能力；能无限制的分裂增殖；具有多向分化潜能，能分化成不同类型的组织细胞，造血干细胞、骨髓间充质干细胞、神经干细胞等成体干细胞具有一定的跨系、甚至跨胚层分化的潜能；,分裂的慢周期性，绝大多数干细胞处于G0期；通过两种方式分裂，对成分裂和不对称分裂前者形成两个相同的干细胞，后者形成一个干细胞和一个祖细胞。,（三）、胚胎干细胞根据个体发育过程中出现的先后次序不同，干细胞
9、又可分为胚胎干细胞和成体干细胞。胚胎干细胞（embryonic stem cells，ESC）是指从胚胎内细胞团或原始生殖细胞筛选分离出的具有多能性或全能性的细胞，此外也可以通过体细胞核移植技术获得。,ESC的用途主要有：克隆动物，由体细胞作为核供体进行克隆动物生产，虽然易于取材，但克隆动物个体中表现出严重的生理或免疫缺陷，而且多为致命性的；转基因动物，以ESC细胞作为载体，可大大加快转基因动物生产的速度，提高成功率；组织工程，人工诱导ESC定向分化，培育出特定的组织和器官，用于医学治疗的目的。（2009年）102关于细胞分化，下列哪些说法不正确?。A干细胞是未分化的细胞 B终末分化细胞丢失了
10、相当多的基因 C细胞分化程度越高，表达的基因数也越多 D细胞分化程度越高，表达的基因数越少,四、再生,指生物的器官损伤后，剩余的部分长出与原来形态功能相同的结构的现象，如壁虎的尾、蝾螈的肢、螃蟹的足，在失去后又可重新形成，海参可以形成全部内脏，水螅、蚯蚓、蜗虫等低等动物的每一段都可以形成一个完整的个体等等。广义来看再生是生命的普遍现象，从分子、细胞到组织器官都具有再生现象。1.生理性再生：即细胞更新，如如人体内每秒中约有600万个新生的红细胞替代相同数量死亡的红细胞。2.修复性再生：壁虎的尾、蝾螈的断肢、螃蟹的肢。3.无性繁殖,现在普遍认为再生是细胞去分化，细胞迁移和细胞增殖的组合，而不是单纯
11、的补充或增殖。如蝾螈的前肢被切除后，再生包括以下的过程：伤口处细胞的粘着性减弱，通过变形运动移向伤口。形成单层细胞封闭伤口。这层细胞称为顶帽（apical cap）或顶外胚层帽（apical ectodermal cap）。顶帽下方的细胞，如骨细胞，软骨细胞，成纤维细胞，肌细胞，神经胶质细胞迅速去分化。形成胚芽。胚芽内部缺氧，PH下降，提高了溶酶体的活性，促进受伤组织的清除。胚芽细胞加快分裂和生长，最后细胞又开始分化构成一个新的肢体。,二、细胞的癌变,1、概念：在个体发育过程中，有的细胞由于受到致癌因子的作用，不能正常地完成细胞分化，而变成了不受有机体控制的、连续进行分裂的恶性增殖细胞，这种细
12、胞就是癌细胞。,2、癌细胞特征：,能够无限增殖。海拉细胞系,癌细胞的形态、结构发生了变化。成纤维细胞癌变,癌细胞的表面也发生了变化。糖蛋白减少，细胞黏着性减小易分散转移,美国黑人拉克丝1951年10月死于一种罕见的子宫颈癌。这种特殊的癌细胞具有极强的繁殖力和生命力。拉克丝从发现第一个病灶到死亡，整个过程不足八个月。科学家们提取这种癌细胞加以培养，发现这些癌细胞竟以指数曲线疯狂地生长！每24小时便增加一倍，“海拉”细胞在不足一个月时间内，便能增加数千万倍。这种新发现的癌细胞被命名“海拉”，并被严格控制于实验室。事过半个多世纪，“海拉”细胞还没有死亡，仍在世界许多个实验室中广泛的传代使用，“如果听
13、任海拉细胞在最适宜的情况下毫无抑制地生长，那么到现在为止，它们很可能已经占领整个世界！”这不是危言耸听，这是科学的结论！据计算如果任其疯狂生长，一年后达到的细胞数，不用说占领整个地球，就是占领整个宇宙也不算过分！好在人类已经学会了对生物的有效控制，才制止了这种有害生物指数般的繁殖和生长。,3、发病机理：,癌细胞是由于原癌基因激活，细胞发生转化而引起的。,正常细胞,癌细胞,原癌基因,激活状态,抑制状态,4、预防：避免接触致癌因子增强体质，保持心态健康，养成良好的生活习惯，从多方面积极采取防护措施。,细胞的衰老,你知道哪些和人类衰老有关的现象？,三、细胞的衰老,又称老化，指细胞随着年龄的增加，机能
14、和结构发生退行性变化，趋向死亡的不可逆的现象。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
15、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,（一）差错学派1、代谢废物积累：如：脂褐质2、自由基攻击：导致DNA、蛋白质变异，正常细胞内存在清除自由基的防御系统：酶系统：超氧化物歧化酶(SOD)，过氧化氢酶(CAT)非酶系统：维生素E，醌类等电子受体。,三、细胞衰老的分子机理,1、细胞有限分裂学说细胞最大分裂次数。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
16、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%。,Werners syndrome,Hutchinson-Gilford syndrome,细胞,细胞,正常分化,畸形分化,癌细胞,组织,器官、系统,生物体,衰老,四 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
17、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。一、细胞死亡的方式（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。,（二）、细胞凋亡cell apoptosis,Kerr（1972）最先提出，由细胞自身的程序性自杀机制激活的细胞死亡现象，基本上认为受到严格的由遗传机制决定的程序性调控，也称为细胞编程性死亡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
18、细胞坏死是病理性变化。,胸腺细胞,正常,凋亡,胸腺细胞,正常,凋亡,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）、细胞程序性死亡,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
19、个Ced-3、Ced-4和Ced-9Ced-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,Microtubules and Motors in the spindle,synaptonemal complex,Fission yeast,budding yeast,Cdc 25&Wee1 mutant,正常情况下，细胞分化是稳定、不可逆的。一旦细胞受到某种刺激发生变化，开始向某一方向分化后，即使引起变化的刺激不再存在，分化仍能进行，并可通过细胞分裂不断继续下去。胚胎细胞在显示特有的形态结构、生理功能和生化特征之前，需要经历一个称作决定的阶段。在这一阶段中，细胞虽然还没有显示出特定的形态特征，但是内部已经发生了向这一方向分化的特定变化。细胞决定的早晚，因动物及组织的不同而有差异，但一般情况下都是渐进的过程。例如，在两栖类，把神经胚早期的体节从正常部位移植到同一胚胎的腹部还可改变分化的方向，不形成肌肉而形成肾管及红细胞等。但是到神经胚晚期移植体节，就不能改变体节分化的方向。可见，这时期体节的分化已稳定地决定了。,
