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1、第十五章,CELL DIFFERENTIATION AND CELL DEATH,细胞分化与凋亡,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。,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 多能干细胞 单能干细胞（祖细胞）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。,一、细胞全能性,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
2、存在于植物极。,二、细胞分化的机理,（一）细胞分裂的不对称性,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(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。诱导者(inductor)：对其它细胞起诱导作用的细胞：脊索可诱导其
3、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。,（二）细胞间的相互作用,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。,4、细胞外基质的影响干细胞在IV型胶原和层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
4、、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）。4）DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。,（三）细胞核与细胞分化,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：母体基因 间隙基因 成对基因体节极性基因同源异形基因（homeo
5、tic gene，Hox）,Gene and Development,HOX mutantAntennaleg,Bithorax mutant,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,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，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，如人的红细胞。2.修复性再生：壁虎的尾、蝾螈的断肢、螃蟹的肢。3.无性繁殖,第二节细胞的衰老
6、,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。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、mtDNA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
7、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,（一）差错学派1、代谢废物积累：如：脂褐质3、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)，谷胱甘肽过氧化物酶(GSH-PX)；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“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（60
8、70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%。,Werners syndrome,Hutchinson-Gilford syndrome,第三节 细胞凋亡,死亡是生
9、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。,（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、细胞死亡的方式,（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。,胸腺细胞,正常,凋亡,胸腺细胞,正常,
10、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个Ced-3、Ced-4和Ced-9Ced-3和 Ced-4的
11、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 c-myc、p53、Ice、Fas/APO-1等。1、myc c-myc对增殖和凋亡的调节是一样的。当生长因子存在，bcl-2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,2、bcl-2 细胞凋亡抑制基
12、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。,3、fas 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。,4、ICE蛋白酶家族ICE蛋白酶参与Fas诱导的细胞凋亡，与线虫细胞凋亡基因ce
13、d-3同源。ICE又称为Caspase，能选择性降解蛋白质。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。,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。,Caspase-8自剪切活化，激活Caspase-3，Caspase-7Caspase-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。,线粒体在CD95诱导的凋亡中的作用：Caspase引起线粒体PT（Permeability transition）孔打开，导致线粒体的跨膜电位下降；细胞色素C被释放到胞质中、激活Caspase-9，后者再激活Caspase-3。Bcl-2，Bcl-xl均作用于线粒体。,
