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第五章：细胞的分裂与分化一.细胞有丝分裂和细胞周期二.配子的形成和减数分裂三.个体发育中的细胞一、细胞的有丝分裂与细胞周期细胞分裂的意义生命活动的重要特征之一单细胞增殖导致生物个体数增加多细胞生物的繁殖基础取代衰老和死亡的细胞创伤愈合、组织再生、病理修复1.细胞分裂的作用•细胞分裂首先涉及到细胞内遗传物质——DNA的复制，再均等分为两份。原核生物：DNA的复制和分离染色质质膜细胞壁染色质复制细胞伸长中间凹陷分裂成两个细胞真核生物：染色体复制、有丝分裂、减数分裂、细胞周期控制等2.染色体的结构支架蛋白核小体组蛋白八聚体H1组蛋白DNA双螺旋染色质丝染色体细胞核同源染色体姐妹染色单体着丝粒同源染色体：一条来自父系，一条来自母系姐妹染色单体：DNA复制后形成纵向并列的两条染色单体通过着丝粒相连。细胞经过有丝分裂，一对姐妹染色单体分开，各自分配到两个子细胞中。染色体复制染色单体分开姐妹染色单体：DNA复制后形成纵向并列的两条染色单体通过着丝粒相连。细胞经过有丝分裂，一对姐妹染色单体分开，各自分配到两个子细胞中。3.细胞周期与细胞分裂3.1概念细胞从前一次分裂开始到后一次分裂开始，这段时间称为一个细胞周期。期间细胞遗传物质和其它内含物分配给子细胞。真核细胞周期：真核“细胞周期”也称“细胞分裂周期”，是指一个细胞经生长、分裂而增殖成子细胞所经历的全过程，通常可分为若干阶段，即G1期、S期、G2期和M期。通常细胞周期可以区分为：G1期——S期——DNA合成期G2期——分裂期(M期)——在这个阶段可以在显微镜下看到细胞分裂过程。间期3.2细胞周期不同时期的主要特征：G1期：与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝缩。S期：DNA复制G2期：DNA复制完成，在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子。M期：细胞分裂期有丝分裂——细胞核及染色体分裂胞质分裂——细胞质分裂3.3有丝分裂前期①染色质凝缩;②分裂极确立与纺锤体开始形成;③核仁解体;④核膜消失。光学显微镜下可以分辨的染色体，每条染色体包含2个染色单体。有丝分裂前期染色体变化纺锤体前期两个中心粒向两极移动中期（前中期、中期）•纺锤体微管与中心粒结合中期细胞变为球形，染色体排列于赤道板从纺锤体两极发出的微管附着于每一个染色体的着丝点上后期姊妹染色体移向两极，与此同时，细胞被拉长，并由于赤道部细胞膜下方环行微丝束的活动，该部缩窄，细胞遂呈哑铃形。（随机取向）细胞分裂后期末期•染色单体到达两极并去凝缩，重新出现染色质丝和核仁；•核膜重组装•高尔基体与内质网形成4.胞质分裂•有丝分裂后期赤道板形成分裂沟•微丝构成收缩环4.1动物细胞的胞质分裂4.2植物细胞的胞质分裂细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开分裂间期前期中期有丝分裂中期后期末期有丝分裂后期2.5有丝分裂的特点•间期：每条染色体复制成两条相同的染色单体，在分裂时有规律地分配到两个子细胞核中。•由一个亲代细胞产生的两个子细胞各具有与亲代细胞在数目和形态上完全相同的染色体。•母细胞与子细胞携带的遗传信息相同。2.6细胞周期的调控机制增殖角度：周期性细胞；G0期细胞；终端分化细胞细胞周期检验点：分别位于：G1期，G2期和M期检验点受引导细胞周期运行的引擎分子周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶（Cdk）的影响细胞周期的控制过程：当正常细胞经过G1或G2检验点时，Cdk便与不同的周期蛋白结合，激活了相应的引擎分子，周期性细胞便可通过G1和G2检验点的检查，进入下一时相，接着周期蛋白降解，Cdk作用暂停；到下一次新的周期蛋白合成后Cdk再次活化。但是，如果Cdk不能与周期蛋白正常结合，或者结合后二聚体的活性被抑制，周期细胞便不能通过检验点，细胞成为G0期•完成了DNA复制后进入G2期，细胞首先开始逐渐积累M周期蛋白，该周期蛋白与Cdk结合形成有丝分裂促进因子（MPF）的二聚体。•最初，MPF在其磷酸化之前没有活性，当极少量的MPF被磷酸化后，通过正反馈调节作用，即少量磷酸化的MPF反过来可以增强催化MPF磷酸化的酶活性，促进细胞内被激活的MPF浓度急剧增加，导致细胞通过G2检验点的检查，进入M期，有丝分裂过程开始启动。二、配子形成与减数分裂1概念和意义概念：细胞进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂，生殖细胞具有的分裂方式。意义：•生物进行有性生殖的基础•确保世代间遗传的稳定性•增加变异机会，生物进化与多样性的基础2减数分裂的两个阶段：减数分裂Ⅰ：前期：同源染色体进行联会配对，形成四分体；非姐妹染色单体间发生局部交换；中期：四分体排列在赤道板上；后期：同源染色体分开，向两极移动；末期：形成两个子细胞，并转向第二次分裂。减数分裂Ⅱ：与有丝分裂过程基本相同。同源染色体重组产生新的基因组合联会：在减数分裂Ⅰ的前期，来自母本和来自父本的各一条相当的同源染色体两两配对，称为联会。由于每条染色体实际含有一对姐妹染色单体，因此每对同源染色体联会后共有四条染色单体，称四分体。联会是负责染色体配对的结构，它的形成使同源的非姐妹染色单体间形成交叉并有可能发生对等片段的交换，导致遗传物质的非随机重组；造成自带遗传特性的变异。第一次减数分裂阶段：DNA复制一次，细胞分裂一次第二次减数分裂阶段：DNA不复制，细胞再分裂一次减数分裂结果：子细胞染色体数减半;子细胞基因组合大为丰富；三．个体发育中的细胞1.细胞分化2.细胞的衰老与死亡3.干细胞4.脱离正常轨道的细胞1.1细胞的分化由同一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态结构、生理功能和蛋白质合成等方面形成稳定差异性，产生不同细胞类群的过程称为细胞分化。细胞分化是动植物发育的基础。细胞分化的本质是基因组中基因的选择性表达。•人成体有200多种细胞•细胞的形态与功能相适应1.2细胞分化的特征1形态结构发生差异上皮细胞脂肪细胞平滑肌细胞心肌细胞细胞种类神经元细胞1.2分化细胞的表型保持稳定—分化状态的稳定性动物细胞发生分化后，遗传表型保持稳定，而且不可逆人血细胞的分化T细胞B细胞嗜酸白细胞嗜硷白细胞中性白细胞巨噬细胞血小板红细胞1.3细胞决定细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程称为细胞决定在发生形态差异之前的一定时间，细胞分化命运已经确定果蝇成虫盘1.4去分化与转分化某些条件下，分化细胞基因表达模式发生可逆变化，又回到未分化状态，这一变化过程称为去分化（脱分化）。例如：植物的愈伤组织细胞失去分化后，再分化成另一种细胞的现象称为转分化。例如：蝾螈肢体再生时，脱分化的肌细胞可生出软骨。1.5.细胞分化的发育潜能细胞分化能力的强弱称为发育潜能1全能性2多能性3单能性全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。单个细胞经分裂和分化后仍具有形成完整有机体的潜能或特性。植物细胞具有全能性•受精卵多能性具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完整个体）的潜能的细胞称多能性细胞。例如：人造血干细胞分化产生8种类型血细胞红血球白血球血小板多种血细胞都由生血干细胞分化而来。单能性仅能使后代细胞分化成为一种细胞的特性称为细胞单能性。例如，单能生血干细胞对于植物来说，分化成熟的植物细胞体，仍保持全能性，仍有可能发育成完整植株。对于动物来说，随着分化的演进，细胞逐渐丧失其分化潜能。全能性多能性单能性分化成熟的体细胞从植物体细胞到一棵完整的植株植物体细胞具有全能性分化成熟的动物细胞已失去全能性。不可能发育成为完整的动物个体。原因何在？陆续出现一些探索动物细胞全能性丧失原因的实验。蛙皮肤细胞核移植发育成蝌蚪爪蟾体细胞克隆：肠上皮细胞核仍保持全能性•Illmensee&Hoppe的克隆小鼠实验（1981）细胞核受体细胞核供体收集受精卵去核•融合甲品种小鼠乙品种小鼠收集囊胚期细胞团分散成单细胞取核融合将核注入已去核的受精卵中在培养皿中培养至细胞团植入假母子宫产出小鼠核移植小鼠（克隆小鼠）长成成鼠，呈核供体小鼠性状以上实验得出的结论：囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，其细胞核仍具有全能性——可能发育成完整个体。细胞核保持着全套基因组。关键在于细胞质。细胞质中有着决定细胞分化全能性的物质，称为分化决定子。1.6细胞质决定子卵和胚胎细胞中所含的蛋白质和RNA性质的细胞质因子细胞质因子通过细胞分裂被不均等地分配到子细胞不同性质的决定子影响细胞向不同方向分化性细胞决定子——生殖细胞分化体细胞决定子——体细胞分化2．细胞的衰老与死亡•细胞增殖能力减弱的现象称为细胞衰老，它与机体衰老有一定关系。细胞来源人胚肺成纤维细胞中年人成纤维细胞老年人成纤维细胞可增殖代数60-804030不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数2.1衰老细胞结构变化细胞核随分裂次数增加且增大，核膜呈现内折，染色质固缩化内质网弥散性分散于核周胞质中，粗面内质网和线粒体减少，体积膨胀膜流动性降低，膜内颗粒分布变化细胞骨架变化，信号传递系统变化细胞坏死机械损伤、毒物毒害质膜、核膜破裂，胞质溢出，周围细胞炎症细胞凋亡细胞程序性化死亡2．2细胞死亡细胞凋亡（细胞程序化死亡）1.细胞凋亡的概念和生物学意义2.凋亡细胞的特征3.基因调控细胞凋亡4.细胞凋亡的信号途径１．细胞凋亡（apoptosis）的概念与生物学意义细胞凋亡是一个主动的、由基因决定的自动结束细胞生命的过程，此过程是受到严格遗传机制决定的程序性死亡。生物学意义–个体发育模式的需要–根据需要调节细胞数量–保持成体器官的正常体积–更新衰老耗损的细胞蝌蚪尾巴的消失发育中的神经细胞手和足的形成过程坏死细胞凋亡细胞2．凋亡细胞的特征2.1细胞凋亡与坏死的区别2.2细胞凋亡的形态学特征凋亡小体形成，被细胞吞噬而清除a正常T细胞杂交瘤细胞b凋亡细胞(扫描电镜)c凋亡细胞(透射电镜)凋亡细胞的电镜图像细胞色素c诱导的凋亡细胞DNA电泳图1．细胞色素c诱导0h2．细胞色素c诱导1h3．细胞色素c诱导2h4．细胞色素c诱导3h5．细胞色素c诱导4h6．阴性对照7．Marker（自赵允、翟中和）2.3细胞凋亡的生化特征形成大小为180-200bp特征性的DNA梯型(DNALadder)电泳图谱，核DNA断成片段，是主要的特征之一。３．基因调控细胞凋亡线虫1030个细胞，发育过程中131个细胞程序性死亡。6对染色体，～3000个基因。Ced3,Ced4促进凋亡，Ced9阻止Ced3/Ced4激活，抑制凋亡。三、干细胞具有无限的或可被延长自我更新和分化能力，高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，具有经培养不定期地分化并产生特化细胞的能力的细胞成为干细胞。根据其分化特征分为全能干细胞（具有形成完整个体的分化潜能）、多能干细胞（失去了发育成完整个体的能力，但具有分化出多种细胞组织的潜能）和专能干细胞（只具有向一种类型或密切相关的两种类型细胞分化的能力）。3.1干细胞的特点1）具有无限的分裂能力。2）其产生的两个子细胞有两种选择：维持干细胞的特性或进行分化。3）本身不是终末分化的细胞。胚胎干细胞可以定向诱导分化为几乎所有种类的细胞，甚至形成复杂的组织和器官；有助于动物发育、基因功能以及药物开发等研究。临床意义：细胞替代疗法和组织器官移植的最佳资源。胚胎干细胞受精卵内细胞团全能性细胞囊胚胎儿胚胎干细胞•胚胎干细胞产生•血细胞的起源细胞造血干细胞造血干细胞红细胞白细胞血小板骨髓中还存在一种间充质干细胞，具有分化成中胚层和神经外胚层的能力；如产生成肌细胞、成骨细胞、成神经胶质细胞等；移植到体内的骨髓间充质细胞可在多种造血组织以外的组织处定位和分化。神经干细胞神经干细胞主要存在于胎儿的脑组织中包括大脑皮层、纹状体和小脑；取材难度大，在体外诱导和移植表现出惊叹的分化潜能。小肠干细胞•小肠上皮的更新：干细胞位于隐窝处，分裂产生的细胞向绒毛推移，从顶端脱落。皮肤干细胞•皮肤的更新：皮肤干细胞位于基底部，与基底膜相接触。分裂后的细胞脱离基底膜后逐步分化为角质细胞，最终从皮肤表面