14细胞分化、凋亡

第十五章CELLDIFFERENTIATIONANDAPOPTOSIS细胞分化与凋亡第一节细胞分化•细胞后代在结构和功能上发生差异的过程；•细胞分化的实质是基因的差别表达；•每个人的一生中都在进行着细胞分化。•细胞分化能力的强弱称为发育潜能。•全能性：如受精卵。•多能性：如原始外胚层细胞。•单能性：只能分化出一种细胞。单能干细胞也称为祖细胞。一、细胞的分化潜能二、细胞分化的特点•时空性：差别基因表达——管家基因、组织特异性基因（奢侈基因）；•定向性：细胞从分化命运确定到出现特定的形态的过程称为决定。•稳定性：如，果蝇的成虫盘；•条件可逆性：去分化，如植物愈伤组织。•普遍性：不仅存在于胚胎发育。三、细胞分化和增殖的关系•增殖信号和分化信号同时作用于干细胞，表现为边分化边增殖（反之亦然）；•增殖和分化分别独立进行，一些干细胞只增殖不分化，另一些同类干细胞进入终末分化；•细胞分化与分裂平行进行，干细胞进行不对称分裂，产生的子细胞一个保持原有干细胞特性，一个则进入终末分化。四、细胞分化的机理•自发机制：•诱导机制：•细胞的分化命运主要取决于两个方面：一是细胞的内部特性，二是细胞的外部环境。•卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。•卵细胞中贮存有大量mRNA，呈非均匀分布；放线菌素D处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期；嘌呤霉素处理，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。（一）细胞分裂的不对称性•1、胚胎诱导：一部分胚胎细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。•诱导者：对其它细胞起诱导作用的细胞。–如：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；–再如：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。–研究表明，抑素实际上就是TGF-β家族的成员ThesocalledchaloneistheproteinbelongingtoTGF-βfamily,suchasmyostainMousemyostatinmutant(right)Functionofthemyostain•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形成上皮细胞；在I型胶原和纤粘连蛋白上分化为成纤维细胞；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、节肢动物。•2）基因扩增：果蝇多线染色体。•3）基因重排：如Ig基因(106~108种抗体)。•4）DNA甲基化与异染色质化：基因失活。（三）细胞核与细胞分化•2、基因与细胞分化•根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究发现：–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，沿胚的前后轴形成浓度梯度，决定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（homeoticgene，Hox）GeneandDevelopmentHOXmutantAntenna—legBithoraxmutant•①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，如表皮细胞。•②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。•③干细胞的分裂与分化，如多能造血干细胞。五、成体中的细胞分化六、再生•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：如壁虎、蝾螈、螃蟹、海参。•3.无性繁殖。第二节细胞的衰老•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。1.更新组织：如上皮细胞。其细胞可分为３类：干细胞、过渡细胞、成熟细胞。2.稳定组织：如：肝、肾细胞。3.恒久组织：如神经、骨骼、心肌细胞。4.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核增大、染色深、核内有包含物染色质凝聚、固缩、碎裂、溶解质膜粘度增加、流动性降低细胞质色素积聚、空泡形成线粒体数目减少、体积增大高尔基体碎裂尼氏体消失包含物糖原减少、脂肪积聚核膜内陷二、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。（二）分子水平的变化•3.蛋白质：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。•（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：SOD，CAT，GSH-PX；–非酶系统：VE，醌类等电子受体。三、细胞衰老的分子机理•1、复制性衰老–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（60~70代）。“Hayflick”极限，即细胞最大分裂次数。细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。•2、程序性衰老–如在小鼠肝中，胚胎早期表达的胞质丙氨酸转氨酶为A型，随后停止表达，衰老时则表达B型cAAT。（二）遗传论学派•3、长寿基因•成人早衰症：39岁出现衰老，47岁生命结束；婴幼儿早衰症：1岁时衰老，寿命12~18岁，患者DNA解旋酶发生突变。•C.elegans平均寿命3.5天，age-1单基因突变，可提高平均寿命65%，提高最大寿命110%。Werner'ssyndromeHutchinson-Gilfordsyndrome第三节细胞凋亡•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•Kerr1972最先提出，与坏死的区别是：•①细胞通过出芽的方式形成凋亡小体，内有结构完整的细胞器；•②溶酶体酶活性不增加，不引起炎症；•③内切酶活化，DNA有控降解，凝胶电泳图谱呈梯状；•④凋亡通常是生理性变化，坏死是病理性变化。胸腺细胞正常凋亡胸腺细胞正常凋亡•PCD是基因指导的细胞自我消亡方式。•PCD和细胞凋亡的区别：–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C.elegans是研究个体发育和PCD的理想材料（生命周期短，细胞数量少）。其神经系统由302个细胞组成。来源于407个前体细胞。•控制线虫细胞凋亡的基因主要有3个Ced-3、Ced-4和Ced-9–Ced-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。SydneyBrennerH.RobertHorvitzJohnE.Sulston•研究较多的有bcl-2c-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•细胞凋亡抑制基因，存在于线粒体外膜、核膜及部分内质网中。•bcl-2相当于线虫的ced9。•Bcl-2家族可分为两类，一类是抗凋亡的，如：Bcl-2；一类是促进凋亡的，如：Bax、Bad、Bid，以二聚体形体发挥作用。•3、fas•fas又称作APO-1或CD95，属TNF受体和NGF受体家族。•基因产物为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•与线虫ced-3同源，又称为Caspase。•分为ICE和CED-3亚族，前者参与炎症反应，后者参与细胞凋亡。•CED-3家族又分为两类，caspase-8、9能通过自剪接而激活，激活其它caspase；caspase-3、6、7可降解胞内蛋白，引起凋亡，但不能自剪接激活。•5、Apaf-1•与线虫的ced-4同源；•在线粒体参与的凋亡途径中发挥作用；•能激活Caspase3，这一过程需要细胞色素c和Caspase9的参与。（二）Fas诱导的细胞凋亡•Fas与配体（如TNF）结合发生三聚化，使胞内的DD区与接头蛋白FADD的DD区结合。•FADD激活Caspase-8。•Caspase-8自剪切活化，激活Caspase-3、6、7。•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。•细胞对Fas信号的应答:•I型细胞（typeI），如胸腺细胞，其caspase-8有足够的活性引起细胞凋亡。•II型细胞（typeII），如肝细胞中，Fas介导的caspase-8活化不能达到足够的水平，因此这类细胞中的凋亡信号需要借助凋亡的线粒体途径来放大。•caspase-8将胞质中的Bid剪切，形成活性分子tBid，tBid进入线粒体，导致线粒体的跨膜电位下降，释放细胞色素c。•细胞色素C激活Caspase-9，后者再激活Caspase-3，使凋亡信号放大。