细胞分裂和分化精选PPT.ppt

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1、关于细胞分裂和分化1第1页，讲稿共104张，创作于星期三25.1 细胞分裂和细胞周期细胞周期细胞周期(cell cycle)：细胞从一次分裂开始到第二次分裂开始所经历的全过程。细胞周期分成四个阶段：细胞周期分成四个阶段：有丝分裂期(mitsis,M)分裂间期(interphase)DNA合成期合成期(S期期)间隙期间隙期1(G1期期)间隙期间隙期2(G2期期)G0期细胞：期细胞：离开细胞周期不再进行分裂的细胞离开细胞周期不再进行分裂的细胞 第2页，讲稿共104张，创作于星期三3细胞周期细胞周期第3页，讲稿共104张，创作于星期三4u不同物种、不同组织的细胞周期所经历的时间不同。u在特定条件下，

2、各种细胞的周期时间是一定的。u绝大多数真核生物的细胞周期时间都较长。间期时间总是长于M期。紫鸭跖(zh)草根尖细胞：20h间期17.5h(G1,4h；S,10.8h；G2,2.7h),M期2.5h(前期1.6h；中期，0.3h；后期及末期，0.6h)人囊胚细胞：19.5h间期18.5h(G1,8h;S,6h;G2,4.5h),M期1h(前期24min；中期，5-6min；后期,10min；末期，20min)第4页，讲稿共104张，创作于星期三5细胞分裂第5页，讲稿共104张，创作于星期三6薄壁组织、表皮、顶端分生组织、花药的绒毡层细胞等 第6页，讲稿共104张，创作于星期三7第7页，讲稿共10

3、4张，创作于星期三8第8页，讲稿共104张，创作于星期三32第32页，讲稿共104张，创作于星期三345.1.4 分子机制控制细胞周期分子机制控制细胞周期细胞周期细胞周期(cell cycle)(cell cycle)“细胞周期细胞周期”也称也称“细胞分裂周期细胞分裂周期”，是指一个细胞经生长、分裂而增殖成两个，是指一个细胞经生长、分裂而增殖成两个所经历的全过程所经历的全过程通常可分为通常可分为4 4个阶段个阶段:G1G1期期:完成必要的生长和物质准备完成必要的生长和物质准备S S期期:完成其遗传物质完成其遗传物质染色体染色体DNADNA的复制的复制G2G2期期:进行必要的检查及修复以保证进行

4、必要的检查及修复以保证DNADNA复制的准确性复制的准确性MM期期:完成遗传物质到子细胞中的均等分配，并使细胞一分为二。完成遗传物质到子细胞中的均等分配，并使细胞一分为二。第34页，讲稿共104张，创作于星期三35第35页，讲稿共104张，创作于星期三365.1.4 分子机制控制细胞周期分子机制控制细胞周期生命复制之谜的揭开生命复制之谜的揭开（1）1858年建立细胞理论：年建立细胞理论：生命的基本形式是细胞，机体由细胞构成，细胞的生长复制形成了生物体的生长繁衍，生命的基本形式是细胞，机体由细胞构成，细胞的生长复制形成了生物体的生长繁衍，细胞的异常或死亡导致机体的疾病或死亡。细胞的异常或死亡导致

5、机体的疾病或死亡。（2 2）19511951年发现了细胞分裂周期：年发现了细胞分裂周期：G1 S G2 M G0G1 S G2 M G0 细胞生长中有两种形式细胞生长中有两种形式-有丝分裂期和细胞间期有丝分裂期和细胞间期 第36页，讲稿共104张，创作于星期三37细细细细胞胞胞胞周周周周期期期期细胞间期细胞间期细胞间期细胞间期有丝分裂期（有丝分裂期（有丝分裂期（有丝分裂期（MM期）期）DNADNA合成前期（合成前期（G G G G1 1 1 1期期期期）DNADNA合成期（合成期（S S S S期期期期）DNADNA合成后期（合成后期（G G G G2 2 2 2期期期期）前期前期中期中期后期

6、后期末期末期第37页，讲稿共104张，创作于星期三38第38页，讲稿共104张，创作于星期三391.细胞周期检控点细胞周期检控点p851989年，Hartwell通过构建酵母细胞突变模型证实了细胞周期检验点（check point）的存在，并首次提出检验点的概念。细胞周期的运行，是在一系列检验点的严格检控下进行的，它保证前一个事件完成之后，才启动下一个事件，检验点是细胞的错误监测机制。这些这些检控点检控点是细胞周期中的关键点，它发出的信号停止是细胞周期中的关键点，它发出的信号停止前一阶段的事件而启动后一阶段的事件。这些检控点存前一阶段的事件而启动后一阶段的事件。这些检控点存在于在于G1期、期、

7、G2期和期和M期期。第39页，讲稿共104张，创作于星期三40主要检验点包括：主要检验点包括：G1/S检验点检验点：在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点点(restriction point)，控制细胞由静止状态的G1进入DNA合成期，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？S期检验点期检验点：DNA复制是否完成？第40页，讲稿共104张，创作于星期三41G2/M检验点：检验点：是决定细胞一分为二的控制点，相关的事件包括：所有DNA都正确复制了吗？DNA是否有损伤？细胞体积是否足够大？中中-后期检验点（纺锤体组装检验点）：后期检验点（纺锤体组装检验点）：所

8、有染色体都排列在纺锤体上了吗？任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会引起细胞周期中断。第41页，讲稿共104张，创作于星期三431983年Timothy Hunt首次发现海胆卵受精后，在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈振荡，在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M结束后突然消失，在下一个周期中又重复这一消长现象，故命名为周期素或周期蛋白周期素或周期蛋白(cyclinsaiklin)。随后cyclin很快被分离和克隆出来，证明其广泛存在于从酵母到人类等各种真核生物中，而且在功能上存在互补性。2.细胞周期的时钟：细胞周期蛋白及依赖于它的激细胞周期的时钟：细胞周期蛋白及依赖于它的激

9、酶酶第43页，讲稿共104张，创作于星期三44随着随着成熟刺激因子（成熟刺激因子（maturation promoting factor,MPF），），细胞细胞周期蛋白（周期蛋白（cyclin），依赖于细胞周期蛋白的激酶），依赖于细胞周期蛋白的激酶(cyclin dependent kinasedependent kinase，CDK)CDK)的发现使对细胞周期及与肿瘤的发生发展的发现使对细胞周期及与肿瘤的发生发展关系的研究有了很大进展。关系的研究有了很大进展。CDKCDK的活性随其周期蛋白浓度变化而变化。的活性随其周期蛋白浓度变化而变化。第44页，讲稿共104张，创作于星期三45MPF P3

10、4cdc2Cyclin？1988年M.J.Lohka 纯化了爪蟾的MPF，经鉴定由34KD和45KD两种蛋白组成，二者结合可使多种蛋白质磷酸化。1990 Paul Nurse进一步的实验证明P34实际上是P34cdc2的同源物，P45是cyclinB的同源物，而且，对于P34cdc2的活性而言，cyclin是必需的。从而将细胞周期三个领域的研究联系在一起。MPF=P34cdc2(CDK1)+Cyclin B（催化亚单位）（催化亚单位）（调节亚单位）（调节亚单位）第45页，讲稿共104张，创作于星期三46MPFMPF的作用的作用促进染色体凝集促进染色体凝集H1H1组蛋白磷酸化组蛋白磷酸化H3H3

11、组蛋白磷酸化组蛋白磷酸化核纤层磷酸化核纤层磷酸化核被膜装配核被膜装配细胞相关的酶与蛋白质磷酸化细胞相关的酶与蛋白质磷酸化第46页，讲稿共104张，创作于星期三47CDK CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，称为细胞周期蛋与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，称为细胞周期蛋白依赖性激酶白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)，因此CDC2又被称为CDK1，激活的CDK1可将靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应，如：n将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；n将H1磷酸化导致染色体的凝缩等等这些效应的最终结果是细胞周期的不断运行。因此，CDK激酶和激酶和其调节因

12、子又被称作细胞周期引擎其调节因子又被称作细胞周期引擎。第47页，讲稿共104张，创作于星期三48CDK 目前发现的CDK在动物中有7种。各种各种CDK分子均含有一段相似分子均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，与周期，与周期蛋白的结合有关蛋白的结合有关。第48页，讲稿共104张，创作于星期三49第49页，讲稿共104张，创作于星期三50脊椎动物的CDK CDK结合的相应cyclin 作用的细胞周期 CDK1CDK2CDK3CDK4CDK5CDK6CDK7 CyclinA,BCyclinACyclinD1,D2,D3Cycl

13、inECyclinD1,D2,D3P35*,CyclinD1,D2,D3CyclinD1CyclinH,P36*G2/M转换；M早期S期G1期G1/S转换G1期G0/G1转换、G1期神经纤维的磷酸化、G1期G0/G1转换活化CDK*P35，P36的结构与细胞周期蛋白无相似性第50页，讲稿共104张，创作于星期三513.细胞内的因素也帮助控制细胞周期例如：分裂末期，在所有的染色体都与纺锤丝正确连接之前，姐妹染色单体的分离是不会开始的。控制者就是M阶段的检控点，它保证子细胞的染色体一个不多也一个不少。研究人员发现来自尚未与纺锤体微管连接的动粒的信号来自尚未与纺锤体微管连接的动粒的信号是延迟末期的信

14、号，某些与微管有关的蛋白质引发一种信号传递途径，使促进末期的物质APC处于失活状态。只有当所有动粒都连接到纺锤丝上的时候，这种“等待”信号才会终止。然后APC才有活性并间接引发周期蛋白的降解和使姐妹染色单体和在一起的蛋白质失活。第51页，讲稿共104张，创作于星期三524.生长因子是来自外部的信号研究人员培养动物细胞时鉴定出许多种影响细胞分裂的外部因素，这些因素即有化学的，也有物理的。例如：当培养基中缺乏某种必需养分，细胞就会不分裂；即使所有其他条件都适合，但培养基中缺少专一的生长因子时，哺乳动物的细胞就会不分裂。生长因子是某些体细胞分泌的蛋白质，它促进其他细胞的分裂。第52页，讲稿共104张

15、，创作于星期三621.染色体的一般形态染色体的一般形态 染色质丝：在间期核中,染色质成串珠状的丝染色体：有丝分裂时，染色质丝卷曲、折叠着丝粒和主缢痕：所有染色体都有着丝粒，位于染色体的一个缩细的部位，即主缢痕中。位置确定，位于染色体中央或一侧或一端端粒：真核细胞线形染色体末端的一特定结构，与DNA的正常复制有关。5.1.5 染色体染色体第62页，讲稿共104张，创作于星期三632.性染色体和常染色体性染色体和常染色体 性染色体(sexchromosomes)：决定性别的染色体。常染色体(autosome)：性染色体以外的染色体3.染色体数目染色体数目 各种生物的染色体数目是恒定的。5.1.5染

16、色体染色体第63页，讲稿共104张，创作于星期三644.染色体组型染色体组型 不同生物有不同数目、不同形态和不同大小的染色体，即不同生物有不同的染色体组型或称核型(karyotype)5.1.4 染色体染色体第64页，讲稿共104张，创作于星期三655.染色体带型染色体带型 染色体带型：染色体经过特殊处理并用特定染料染色后，在光学显微镜下可见其臂上显示不同深浅颜色的条纹，此称为染色体带。各号染色体带的形态称为带型。Q带：荧光染料奎纳克林染分裂中期的染色体显示的发荧光的条带。5.1.4 染色体染色体第65页，讲稿共104张，创作于星期三665.染色体带型染色体带型 Giemsa染色：一种永久性染

17、色技术。G带：将分裂中期染色体加热或用蛋白酶处理，再用Giemsa染料染色出现的横带。富含A-T核苷酸的片段 R带：先热碱溶液处理再Giemsa染色出现的横带。富含G-C核苷酸的片段。G带和R带不重叠。各个染色体的带型是稳定的；不同的物种，染色体的带型各有特点。5.1.4 染色体染色体第66页，讲稿共104张，创作于星期三67显微镜下人的染色体第67页，讲稿共104张，创作于星期三68人的染色体组带型第68页，讲稿共104张，创作于星期三695.2 细胞分化p91n细胞分化(celldifferentiation)：多细胞有机体在个体发育过程中，由同一种相同的细胞类型经细胞分裂后，逐渐在形态、

18、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程。n细胞分化是动物和植物发育的基础。第69页，讲稿共104张，创作于星期三70细胞分化细胞分化细胞分化细胞分化细胞类型细胞类型细胞类型细胞类型1 1细胞类型细胞类型细胞类型细胞类型2 2细胞类型细胞类型细胞类型细胞类型3 3细胞衰老细胞衰老细胞衰老细胞衰老细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡永生细胞永生细胞永生细胞永生细胞（癌症）（癌症）（癌症）（癌症）去分化去分化去分化去分化增殖增殖增殖增殖 细胞分化与机体的正常功能细胞分化与机体的正常功能细胞分化与机体的正常功能细胞分化与机体的正常功能：细胞分化是个体行使正常功能的保证。细胞分化是个体行使正常

19、功能的保证。细胞分化是个体行使正常功能的保证。细胞分化是个体行使正常功能的保证。本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞本质：细胞的基因组相同，但表达谱不同；使细胞 能行使不同的功能（分工）；能行使不同的功能（分工）；能行使不同的功能（分工）；能行使不同的功能（分工）；核心：基因是如何有序表达的？（调控）。核心：基因是如何有序表达的？（调控）。核心：基因是如何有序表达的？（调控）。核心：基因是如何有序表达的？（调控）。第70页，讲稿共104张，创作于星期三81l细胞全能性(totipotency):指细

20、胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。单个细胞形成完整个体的能力。如受精卵和早期胚胎细胞。l实验证据：1972年，植物体细胞在适当的条件下可培育出正常的植株。1997年，“多利”羊的成功克隆。l遗传学基础：体细胞内存在一套完整的遗传信息。高度分化的动植物体细胞，在遗传背景（基因组DNA)和功能上均是全能的。l但高等动物的体细胞至今不能形成一个完整的个体，说明已分化细胞的细胞核必须经过重编程处理，才能重现其全能性。5.2.4干细胞与细胞全能性第81页，讲稿共104张，创作于星期三82多莉羊的克隆多莉羊的克隆多莉羊的克隆多莉羊的克隆第82页，讲稿共104张，创作于星期三83干细胞（st

21、emcell）：指随着胚胎发育，仍然具有分化成其他细胞类型和构建组织与器官的能力的细胞。分类：分类：按分化潜能按分化潜能：全能干细胞，多能干细胞，单能干细胞。按发育状态按发育状态：胚胎干细胞，成体干细胞。5.2.4干细胞与细胞全能性第83页，讲稿共104张，创作于星期三845.2.4干细胞与细胞全能性u全能干细胞：全能干细胞：具有形成完整个体的分化潜能。受精卵和早期卵裂球细胞u 多潜能干细胞：多潜能干细胞：具有分化出多种细胞组织的潜能。如造血干细胞、神经细胞。胚胎干细胞和生殖嵴干细胞u单能干细胞：单能干细胞：仅具有分化成某些类型细胞能力的干细胞。又叫定向干细胞。如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中

22、的成肌细胞。第84页，讲稿共104张，创作于星期三855.2.4干细胞与细胞全能性u胚胎干细胞胚胎干细胞：ES细胞是一种高度未分化细胞。它具有发育的全能性，能分化出成体动物的所有组织和器官，包括生殖细胞。研究和利用ES细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。在未来几年，ES细胞移植和其它先进生物技术的联合应用很可能在移植医学领域引发革命性进步。u组织干细胞：成体组织中存在的具有分化成某些细胞类型能力的细胞。如具有分化成多种血细胞能力的多能造血干细胞。在上皮、神经、心脏及肝脏组织中也存在相应的干细胞。在特定条件下，成体干细胞或者产生新的干细胞，或者按一定的程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器

23、官保持生长和衰退的动态平衡。第85页，讲稿共104张，创作于星期三86终末分化（terminaldifferentiation）：由单能干细胞最终形成特化细胞类型的过程。转分化(trans-differentiation):一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象。如造血干细胞等还有可能分化成其他组织的细胞的过程。5.2.4干细胞与细胞全能性干细胞干细胞干细胞干细胞来源来源来源来源胚胎干细胞（胚胎干细胞（胚胎干细胞（胚胎干细胞（embryonic stem cells,ESCembryonic stem cells,ESC）成体干细胞：造血（骨髓）干细胞成体干细胞：造血（骨髓）干细胞成

24、体干细胞：造血（骨髓）干细胞成体干细胞：造血（骨髓）干细胞 神经干细胞神经干细胞神经干细胞神经干细胞 肝脏干细胞肝脏干细胞肝脏干细胞肝脏干细胞 功能功能功能功能多潜能干细胞（多潜能干细胞（多潜能干细胞（多潜能干细胞（pluripotent stem cellspluripotent stem cells）定向干细胞定向干细胞定向干细胞定向干细胞 （directional stem cellsdirectional stem cells）第86页，讲稿共104张，创作于星期三87干细胞具有以下几个特点:干细胞本身不是终末分化细胞(即干细胞不是处于分化途径的终端);干细胞能无限地分裂;干细胞分裂产

25、生的子细胞只能在两种途径中选择其一:或保持亲代特征,仍作为干细胞,或不可逆地向终末分化。第87页，讲稿共104张，创作于星期三88造血干细胞的分化（造血干细胞的分化（造血干细胞的分化（造血干细胞的分化（hemopoiesishemopoiesis）第88页，讲稿共104张，创作于星期三89韩国韩国“造假教授造假教授”重出江湖重出江湖黄禹锡和他的研究小组宣称，他们就是在这里克隆出了与患者DNA完全吻合的11 枚人体胚胎干细胞。2005年5月，黄禹锡在美国科学杂志上发表论文，正式公布了这一研究成果。胚胎干细胞又被称为“万能细胞”，具有分化成人类各种组织细胞的潜力。病人可以用自己的体细胞克隆出早期胚

26、胎，从中提取干细胞，再诱导分化成所需的组织细胞，取代在疾病中受损的组织，从而治愈疾病，同时不会引起令医生们苦恼不 堪的排异反应。这项技术是当今科学界的前沿课题，乐观者认为，如果这一技术取得成功，人类将可以医治百病。第89页，讲稿共104张，创作于星期三90细胞衰老(agingorsenescence)：指复制性的细胞衰老，即细胞经过有限次数的分裂后，进入不可逆转的增殖抑制状态，其结构与功能发生衰老性的改变。衰老细胞在结构和功能上发生的变化:核膜内折、染色质固缩、线粒体和内质网减少、膜流动性降低、致密体增多等5.3细胞衰老与细胞凋亡5.3.1细胞衰老第90页，讲稿共104张，创作于星期三91细胞

27、衰老的机制：n端粒与细胞衰老端粒:线性染色体末端的一种特殊结构，由特定的DNA序列和蛋白质组成。端粒DNA由一种特殊的酶端粒酶合成。DNA复制导致端粒缩短。“有丝分裂钟”假说n氧化性损伤与细胞衰老活性氧自由基(过氧化氢H2O2)和羟自由基(OH)对细胞中的DNA、RNA和蛋白质等均会造成较大的损伤。氧化损伤的积累导致细胞乃至机体的衰老第91页，讲稿共104张，创作于星期三925.3.2细胞凋亡n细胞凋亡(apoptosis)：指由细胞自身基因编程的一种主动的死亡过程，又叫细胞编程性死亡(programmedcelldeath,PCD)n形态学与生物化学特征：u染色质凝集与边缘化uDNA在核小体

28、间发生降解，电泳显现200bp倍数的梯状条带u细胞裂解成由完整核膜和完整的细胞质膜包被的凋亡小体u凋亡小体被周围的细胞识别与吞噬，不引起炎症反应第92页，讲稿共104张，创作于星期三93第93页，讲稿共104张，创作于星期三945.3.2细胞凋亡n细胞凋亡是一种程序化的过程，一些细胞器如线粒体、溶酶体及多种蛋白质如细胞色素c、Caspase家族成员和BCL-2蛋白家族成员等参与其调控过程。n细胞坏死(necrosis)：因环境因素-严重损伤因素（中毒，严重损伤因素（中毒，严重缺血、缺氧，强酸碱，强电流）所致严重缺血、缺氧，强酸碱，强电流）所致或病原物入侵而死亡。细胞质膜及膜系统破裂，DNA随机

29、降解，常常引起炎症反应。第94页，讲稿共104张，创作于星期三95细胞凋亡和细胞坏死有明显区别:细胞凋亡 细胞坏死Apoptosis Necrosis细胞变圆,与周围细胞脱开 细胞外形不规则变化核染色质凝聚 溶酶体破坏细胞膜内陷 细胞膜破裂细胞分为一个个小体 胞浆外溢被周围细胞吞噬 周围炎症反应第95页，讲稿共104张，创作于星期三96细胞坏死与凋亡的形态区别 第96页，讲稿共104张，创作于星期三97细胞凋亡是普遍存在的 变态：蝌蚪 青蛙 昆虫、卵 幼虫 成虫 哺乳类:皮肤，指（趾）甲 红细胞：分化成熟失去细胞核 凋亡 淋巴细胞：95%以上在成熟之前死去，不到 5%成熟后只存活一至几天 T细

30、胞杀伤靶细胞的机制之一，就是诱使靶细胞凋亡 癌细胞亦可看作是凋亡失控了的细胞。第97页，讲稿共104张，创作于星期三98蝌蚪尾的消失脊椎动物的神经系统的发育发育过程中手和足的成形过程第98页，讲稿共104张，创作于星期三99细胞凋亡的生理意义：细胞凋亡对于生物体的正常发育具有重要的影响。比如胚胎发育期手的发育如果没有细胞的调亡就不会有纤细的手指；如果没有正常的细胞调亡，蝌蚪的尾部就不会消失，它将永远不能变成青蛙。正常的细胞调亡还肩负着维持各种组织器官固有体积和形态的功能；还会使机体内异常的细胞得到及时清除，去除潜在的隐患；例如癌症就是异常的细胞没有及时死亡的结果。细胞的正常死亡是生物体的一种非常重要的调节机制，是机体平衡细胞增殖，调节机体细胞数目恒定的方式，是必不可少的生命过程。第99页，讲稿共104张，创作于星期三100细胞凋亡不足：细胞凋亡不足：肿瘤，自身免疫病肿瘤，自身免疫病(淋巴细胞凋亡调节失控淋巴细胞凋亡调节失控)细胞凋亡过度：细胞凋亡过度：心肌缺血，心力衰竭，神经元心肌缺血，心力衰竭，神经元 退行性疾病，病毒感染退行性疾病，病毒感染凋亡与疾病凋亡与疾病第100页，讲稿共104张，创作于星期三101细胞凋亡与肿瘤第101页，讲稿共104张，创作于星期三感谢大家观看第104页，讲稿共104张，创作于星期三