细胞生物学教程 第十五章+细胞分化与凋亡.ppt

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1、细胞生物学教程 第十五章+细胞分化与凋亡 Still waters run deep.流静水深,人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望第一节 细胞分化u u 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。u u 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。u u 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。u u 全 全能 能性 性：一 一个 个细

2、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）u u 成熟动物细胞不具备全能性。成熟动物细胞不具备全能性。60 60年 年代 代的 的爪 爪蟾 蟾和 和80 80年 年代 代小 小鼠 鼠的 的核 核移 移殖 殖，90 90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DNA DNA。一、细胞全能性u u 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：

3、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（一）细胞分裂的不对称性（一）细胞分裂的不对称性u u 动物卵细胞中贮存有 动物卵细胞中贮存有 大量 大量mRNA mRNA，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

4、，受精卵停止发育。u u 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。u u 1 1、胚 胚胎 胎诱 诱导 导(embryonic(embryonicinduction)i

5、nduction)：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。u u 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u u 2 2、分

6、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。u u 3 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

7、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。u u 4 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IV IV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。u u 5 5、激素的作用

8、、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。u u 1 1、染色体、染色体 结 结 构的 构的 变 变 化 化u u 1 1）基因）基因 删 删 除：原生 除：原生 动 动 物、昆虫、甲壳 物、昆虫、甲壳 动 动 物。物。u u 2 2）基因扩增：）基因扩增：果 果 蝇 蝇 多 多 线 线 染色体。染色体。u u 3 3）基因重排：）基因重排：免疫球蛋白基因（免疫球蛋白基因（10 106 610 108 8种抗体）。种抗体）。u u 4 4）DNA DNA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

9、化 使 使 基 基 因 因失活。失活。（三）细胞核与细胞分化u u 2 2、基因与细胞分化、基因与细胞分化u u 无 无论 论是 是母 母体 体mRNA mRNA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。u u 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

10、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（homeoticgene homeoticgene，Hox Hox）Gene and Gene and DevelopmentDevelopmentHOX mutantAntennalegBithorax mutantu u 已 已存 存在 在的 的细 细胞 胞功 功能 能由 由弱 弱、强 强、减 减

11、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。u u 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。u u 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u u 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

12、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 再生现象。生现象。u u 1.1.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。u u 2.2.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。u u 3.3.无性繁殖 无性繁殖第二节细胞的衰老u u 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

13、不可逆的现象。u u 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：

14、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u u 1.1.DNA DNA：复 复制 制与 与转 转录 录受 受阻 阻，端 端粒 粒DNA DNA、mt mtDNA DNA缺 缺失 失。DNA DNA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。u u 2.2.RNA RNA：含量降低。含量降低。u u 3.3.蛋白质：含成下降，发生修饰、交联

15、。蛋白质：含成下降，发生修饰、交联。u u 4.4.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。u u 5.5.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u u（一）差错学派（一）差错学派u u 1 1、代谢废物积累：如：脂褐质、代谢废物积累：如：脂褐质u u 3 3、自 自由 由基 基攻 攻击 击：导 导致 致DNA DNA、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

16、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u u 1 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.Hayflick L.Hayflick(1961)(1961)报 报道 道，人 人的 的成 成纤 纤

17、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（6070 6070代）。代）。细胞增殖次数与端粒 细胞增殖次数与端粒DNA DNA长度有关。长度有关。u u 2 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rRNA rRNA基 基因 因数 数随 随年 年龄 龄而减少。而减少。（二）遗传论学派u u 3 3、衰老基因学说、衰老基因学说u u 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；u u 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

18、早衰症：平均39 39岁时出现衰老，岁时出现衰老，47 47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，1218 1218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 elegans elegans的 的平 平均 均寿 寿命 命仅 仅3.5 3.5天 天，该 该虫 虫age-1 age-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 Hutc

19、hinson-Gilford syndrome 第三节细胞凋亡u u 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。u u（一）、细胞坏死（一）、细胞坏死u u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。u u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。u u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

20、（二）、细胞凋亡cellapoptosisu u Kerr Kerr（1972 1972）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：u u 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；u u 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；u u 不引起炎症；不引起炎症；u u 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；u u 内切酶活化，内切酶活化，DNA DNA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；u u 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

21、性变化。胸腺细胞胸腺细胞正常 凋亡胸腺细胞胸腺细胞正常 凋亡u u细细胞胞程程序序性性死死亡亡（programmedprogrammedcellcelldeathdeath，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。u uPCDPCD和和细细胞凋亡的区胞凋亡的区别别在以下方面：在以下方面：PCD PCD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。PCD PCD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。PCD PCD存在于胚胎发育过程中。存在

22、于胚胎发育过程中。（三）、细胞程序性死亡u u 线 线虫 虫Caenorhabditis Caenorhabditis elegans elegans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）。u u 线 线虫 虫神 神经 经系 系统 统由 由302 302个 个细 细胞 胞组 组成 成。这 这些 些细 细胞 胞来 来自 自于 于407 407个前体细胞。也就是说 个前体细胞。也就是说105 105个细胞发生了程序性死亡。个细胞发生了程序性死亡。u u 控 控制 制线 线虫 虫细

23、细胞 胞凋 凋亡 亡的 的基 基因 因主 主要 要有 有3 3个 个Ced-3 Ced-3、Ced-4 Ced-4和 和Ced-9 Ced-9 Ced-3 Ced-3和 和Ced-4 Ced-4的作用是诱发凋亡；的作用是诱发凋亡；Ced-9 Ced-9抑制 抑制Ced-3 Ced-3、Ced-4 Ced-4的作用。的作用。2002 2002年 年10 10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 霍维茨和英国人约翰 霍维茨和英国人约翰 苏尔斯顿，因在细胞程序性死亡方 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。面的研究获诺贝尔

24、诺贝尔生理与医学奖。Sydney Sydney Brenner BrennerH.Robert Horvitz John E.Sulston u u 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-2 bcl-2 c-myc c-myc、p53 p53、Ice Ice、Fas/APO-1 Fas/APO-1等。等。u u 1 1、myc mycu u c-myc c-myc对 对增 增殖 殖和 和凋 凋亡 亡的 的调 调节

25、节是 是一 一样 样的 的。当 当生 生长 长因 因子 子存 存在 在，bcl-2 bcl-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u u 2 2、bcl-2 bcl-2u u 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-2 2(B-celllymphoma/Leukemia-2，bcl-2)bcl-2)。u u bcl-2 bcl-2能 能够 够编 编码 码 bcl-2 bcl-2（2

26、6KD 26KD）和 和 bcl-2 bcl-2（22KD 22KD）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。u u bcl-2 bcl-2的功能相当于线虫中的 的功能相当于线虫中的ced9 ced9。u u 3 3、fas fas u u fas fas又称作 又称作APO-1 APO-1，属，属TNF TNF受体和 受体和NGF NGF受体家族。受体家族。u u 1993 1993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CD95

27、 CD95。u u fas fas基因编码产物为分子量 基因编码产物为分子量45KD 45KD的跨膜蛋白。的跨膜蛋白。u u Fas Fas蛋 蛋白 白与 与Fas Fas配 配体 体组 组成 成Fas Fas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。u u 4 4、ICE ICE蛋白酶家族 蛋白酶家族u u ICE ICE蛋 蛋白 白酶 酶参 参与 与Fas Fas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-3 ced-3同源。同源。u u ICE ICE又称为 又称为Caspase

28、Caspase，能选择性降解蛋白质。，能选择性降解蛋白质。u u ced-4 ced-4在 在哺 哺乳 乳动 动物 物中 中的 的同 同源 源体 体为 为 Apaf-1 Apaf-1(apoptotic(apoptoticprotease protease activating activating factor-1)factor-1)，能 能激 激活 活Caspase3 Caspase3，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-3 Apaf-3的参与。的参与。（二）、Fas 诱导的细胞凋亡u u Fas Fas与 与配 配体 体（如 如

29、TNF TNF）结 结合 合发 发生 生三 三聚 聚化 化，使 使胞 胞内 内的 的DD DD区 区（Death Deathdomain domain）与 与接 接头蛋白 头蛋白FADD FADD的 的DD DD区结合。区结合。u u FADD FADD N N端 端 通 通 过 过 DED DED区 区（death deatheffector effectordomain domain）与 与Caspase-8 Caspase-8前 前体 体蛋 蛋白和 白和CAP3 CAP3结合，激活 结合，激活Caspase-8 Caspase-8。u u Caspase-8 Caspase-8自剪切活化

30、，激活 自剪切活化，激活Caspase-3 Caspase-3，Caspase-7 Caspase-7u u Caspase-3 Caspase-3激活 激活Caspase-6 Caspase-6。u u Caspase Caspase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。u u Caspase Caspase 还 还可 可降 降解 解 CAD CAD的 的调 调节 节蛋 蛋白 白，释 释放 放出 出 CAD CAD，CAD CAD进入细胞核降解 进入细胞核降解DNA DNA。CAD CAD 为

31、为caspase-activatedDnase caspase-activatedDnase，存在于胞质中。，存在于胞质中。u u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：u uCaspaseCaspase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；u u细细胞胞色色素素CC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。u uBcl-2Bcl-2，Bcl-xlBcl-xl均作用于线粒体。均作用于线粒体。