细胞生命历程

一、细胞增殖及其调控,从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类： 连续分裂细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。（又称周期细胞） 休眠细胞暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如B淋巴细胞、肝、肾细胞等。 不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、骨骼肌细胞等,一、细胞周期,由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束 所经历的过程，分为4个期： G1期:指从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间。 S期:指DNA复制的时期。 G2期:指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。 M期:又称分裂期:细胞分裂开始到结束。,细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关。通常G1期持续时间差异较大。,细胞分裂的类型,无丝分裂：又称直接分裂，发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化 。 有丝分裂 ：又称为间接分裂，1882年首次发现于动物。 减数分裂：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。,二、有丝分裂,为了便于描述人为的划分为六个时期： 间期；前期； 早中期； 中期； 后期；末期。 其中间期包括G1期、S期和G2期，主要 进行DNA复制、中心体复制、细胞体 积增大等准备工作。,（一）前期 染色质凝缩;分裂极确立与纺锤体开始形成;核仁解体;核膜消失。 S期中心粒已完成复制，在前期移向 两极，并形成纺锤体。,（二）前中期 核膜解体到染色体排列到赤道面上。 核膜解体标志着早中期的开始.,纺锤体有三种微管结构： 染色体(着丝点)微管:一端与中心体相连,另一端与着丝点相连。 连续微管(极体微管):在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有微管马达蛋白 。 星体微管:由中心粒放射出来的微管,与膜骨架结合。 植物没有中心粒和星体微管，其纺锤体称无星纺锤体。,（三）中期 染色体排列到赤道面上。,（四）后期 指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。,Anaphase B: separation of the poles.,植物细胞有没有后期B ？,（五）末期 从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。,末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配。 核分裂与胞质分裂是相继发生的，属于两个分离的过程.,子核的形成与胞质分裂,动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成。,植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，并数量增加，形成成膜体。 来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。,三、细胞周期调控,1970s Rao和Johnson发现 与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体(PCC)。 G1期PCC为单线状，因DNA未复制。 S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。 G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。 甚至不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturation promoting factor， MPF)。,相关概念 着丝粒：DNA分子中一段特殊的脱氧核苷酸序列，在分裂中期完成复制。 着丝点（动粒）：染色体中位于着丝粒两侧的3层盘状结构，本质为蛋白质，是一种非染色体的附加物。染色体依靠动粒捕捉纺锤丝的微管。,染色体带型：Q带、G带和R带 染色体组 染色体组型：一个细胞中全部中期染色体在数目、大小、形态和带型上的综合特征统称核型或染色体组型,细胞器分配,1.叶绿体和线粒体与分类同步，数量加倍 2.高尔基体和内质网等要生长并断成片段 发生时期：分裂前的间期,四、 减数分裂,由连续两次分裂构成： 通常减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂或减数分裂。 减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂或均等分裂。 为了描述方便将减数分裂分为几个期和亚期。,又称减数分裂前间期。 也可分为G1期、S期和G2期。 G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。 减数分裂的S期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在偶线期合成的。,（一）间期,（二）减数分裂I 1、前期I 减数分裂的特殊过程主要发生在前期I ，通常分为5个时期：细线期；偶线期；粗线期；双线期；终变期。,1）细线期：染色体呈细线状。 2）偶线期（配对期）：是同源染色体配对的时期。概念：联会复合体（二价体或四分体）。这一时期合成约0.3%左右的DNA，称为Z-DNA。 3）粗线期（重组期）：同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。 4）双线期：联会的同源染色体开始分离，联会复合体消失。,SC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。 SC帮助交换的完成，SC上有重组节(recombination nodules)，是交换发生的部位。 SC主要由碱性蛋白质和RNA组成，并含有少量DNA。 SC形成合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。 在细线期或合线期加入DNA合成抑制剂，则抑制SC的形成。,联会复合体 P198 图5-14,补充：植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，且一直到排卵前都停在双线期，排卵年龄大约在12-50岁之间。双线期也是卵黄积累的时期。 5）终变期：染色体显著变短变粗。 核仁此时开始消失，核被膜解体。,2、中期I 3、后期I：二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。同源染色体随机分向两极，基因重组。 4、末期I （三）减数分裂间期。 （四）减数分裂II：可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。 一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及3个极体。,Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23,细胞分化与基因表达调控,细胞分化(cell differentiation)：在个体发育中，由一 种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生各不相同的细胞类群的过程 细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心 细胞分化的关键在于特异性蛋白质合成 合成特异性蛋白质实质在于组织特异性基因在时间和空间上的差异性表达 差异性表达的机制是由于基因表达的组合调控 细胞癌变是正常细胞分化机制失控的表现,组织特异性基因与管家基因,管家基因house-keeping genes：细胞中均要表达的基因，其产物对维持细胞基本生命活动所必需 奢侈基因luxury genes，又组织特异基因：不同细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种细胞特异形态结构与特异生理功能 调节基因regulatory genes：产物调节组织特异性基因表达，或激活、或抑制作用 细胞分化实质：组织特异性基因在时间与空间上的差异表达,组合调控引发组织特异性基因的表达,人体至少有200多种不同类型细胞 组合调控：每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调控完成，调控蛋白n种，调控组合理论上可以启动分化的细胞类型为2n 单一调控蛋白：启动整个细胞分化过程 靠一种关键性调控蛋白，启动级联调控蛋白，是令人惊奇的高效、经济的细胞分化启动机制 -眼发育基因Ey，导入果蝇早期腿细胞，在腿中部形成眼,转分化与再生,一种类型分化的细胞转变成另一种类型的分化细胞现象称转分化（transdifferentiation）。 转分化经历去分化（dedifferentiation）和再分化的过程。 生物界普遍存在再生现象（regeneration），再生是指生物体缺失部分后重建过程，广义的再生可包括分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生。 不同的细胞有机体，其再生能力有明显的差异。,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,1、胚胎诱导(细胞间的相互作用)：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。 如:视泡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。,（三）、影响细胞分化的因素,2、分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素（旁腺素），抑制相邻细胞发生同样的分化。 如:含有成蛙心肌组织的培养液培养蛙胚，则蛙胚不能发育出正常的心脏。,3、激素的作用 如:昆虫的保幼激素和脱皮激素。,染色体结构的变化 (1)基因删除：原生动物、昆虫、甲壳 动物,基因删除分化为体细胞. (2)基因扩增：果蝇幼虫的多线染色 体。 (3)DNA的甲基化与异染色质化：胞嘧啶的甲基化使基因失活。,4、细胞核与细胞分化,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。,1、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。 全能干细胞 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。,(四)、细胞分化的机理,肿瘤在致瘤因素作用下，细胞在基因水平上失去对其生长的正常调控，导致异常增生。 良性肿瘤：生长缓慢，与周围组织边界明显。 恶性肿瘤：癌症，生长快、具有迁移性。 肿瘤组织由实质和间质两部分构成，实质是肿瘤细胞，间质由结缔组织和血管组成。,细胞癌变,（一）癌细胞的形态特征,核质比显著高于正常细胞，可达1:1； 出现巨核、双核或多核。 线粒体表现为不同的多型性、肿胀、增生 细胞骨架紊乱，形态发生显著变化； 细胞表面特征改变，易于转移。,（二）生理特征,细胞周期失控，接触抑制丧失 具有迁移性，定着依赖性丧失 去分化现象 代谢旺盛 可移植性，如人的癌细胞可移植到鼠体，形成移植瘤。,基因本身或其调控区发生变异，导致原癌基因表达，使细胞过度增殖，形成肿瘤。 1、突变成癌基因，显性突变 2、受病毒入侵，病毒基因组插入和控制 3、染色体重排（倒位、易位）改变启动子 4、原癌基因扩增,（三）原癌基因的激活,抑癌基因的作用：抑制细胞增殖；促进细胞分化；和抑制细胞迁移。 抑癌基因的突变是隐性的。 （只有成对或多对突变才能引起细胞癌变）,（四）抑癌基因的作用,逆转录病毒，如：人T淋巴细胞白血病病毒（HTLV）、HIV等病毒； 乙型肝炎病毒：原发性肝癌（PLC）。 人乳头瘤状病毒（HPV）：生殖道肿瘤。 EpsteinBars病毒（EBV）；与儿童的淋巴瘤和成人的鼻咽癌发生有关。 后三类都是DNA病毒。,（五）生物性致癌因素,细胞的衰老与凋亡,一、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,1、错误积累学派 代谢废物积累：如：脂褐质 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,细胞有限分裂学说：人的成纤维细胞在体外培养时增殖次数是有限的（5060代）。 端粒学说：细胞增殖次数与端粒DNA长度有关。 重复基因失活学说：如哺乳动物rRNA基因数随年龄而减少。,2、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 。,Hutchinson-Gilford syndrome,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。,（二）、细胞凋亡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特征性断裂； 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,凋亡,细胞程序性死亡是一种基因指导的细胞自我消亡方式。,（三）、细胞凋亡是细胞程序性死亡,练习 1.在减数分裂的前期中,染色体出现配对交叉互换,此现象： a发生在姊妹染色体之间 b发生在同源染色体之间 c在染色体之间随机进行 d在姊妹染色体之间与同源染色体之间均能发生 2.下列哪种细胞周期时相组成是准确的 A前期中期后期末期 B. G1 G2SM C. G1SG2M D. MG1SG2,b,C,练习 3.减数分裂时，等位基因的DNA片段的交换和重组通常发生在 A偶线期 B粗线期 C双线期 D终变期 4.巴氏小体是： A端粒