普通生物学：第5 章 细胞的分裂与分化

1、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,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,同源染色体： 是在二倍体生物细胞中，形态、 结构基本相同的染色体。 一条来自父系， 一条来自母系,姐妹染色单体： DNA复制后形成

2、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。,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。,区分同源染色体与姐妹染色单体,姐妹染色单体是由一个着丝点连着的并行的两条染色单体，是在细胞分裂的间期由同一条染色体经复制后形成的由一条染色体复制形成的两条子染色体不是同源染色体，因为它们尽管形状大小相同，但它们并非一条来自父方、一条来自母方。,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

3、。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

4、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 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。,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

5、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

6、：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，M

7、PF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： 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；

8、 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：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

9、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,

10、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

11、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

12、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：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，

13、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,GENE expression,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。,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

14、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,22 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,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

15、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0 h 2细胞色素c诱导1 h 3细胞色素c诱导2 h 4细胞色素c诱导3 h 5细胞色素c诱导4 h 6阴性对照 7Marker （ 自赵允、翟中和）,2.3 细胞凋亡

16、的生化特征, 形成大小为 180-200bp特征性的DNA梯型(DNA Ladder) 电泳图谱，核DNA断成片段，是主要的特征之一。,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

17、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,胚胎干细胞产生 血细胞的起源细胞, 造血干细胞,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

18、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，最终从皮肤表面脱落。,干细胞的发育命运,不对称分裂，产生一个干细胞子代和另一个定向的祖细胞，定向祖细胞再分裂产生末端细胞（成熟细胞） 干细胞对称分裂，可以产生2各相同的干细胞子代。 干细胞对称分裂，也可以产生2各定向祖细

19、胞，有定向祖细胞分化产生末端细胞。,2012年诺贝尔生理学或医学奖被授予英国科学家约翰格登和日本科学家山中伸弥，以表彰他们在干细胞研究领域做出的贡献。他们共同获奖的原因在于“诺贝尔奖表彰这两位科学家，因为他们发现，特定的成熟细胞可以重新编程，成为能发育成人体各器官组织的非成熟细胞。这一发现彻底改变了我们对细胞和生命体发育的认识。”,约翰格登在1962年发现，细胞的分化是可逆的。在一项经典的实验中，他将蛙的未成熟卵细胞的细胞核替换为成熟肠细胞的细胞核。这个修改过的细胞发育成了一只正常的蝌蚪。成熟细胞的DNA仍然包含发育为蛙体内所有细胞所需的全部信息。 山中伸弥在40多年后的2006年发现，小鼠的

20、完整的成熟细胞可以被重新编程，变成未成熟的干细胞。令人惊奇的是，只要引入几个基因，就可以将成熟细胞重新编程变为多能性的干细胞，例如可以发育成机体内所有种类细胞的未成熟干细胞。 2007年，山中所在的研究团队通过对小鼠的实验，发现诱导人体表皮细胞使之具有胚胎干细胞活动特征的方法。此方法诱导出的干细胞可转变为心脏和神经细胞，为研究治疗目前多种心血管绝症提供了巨大助力。因而，它能让患者用自己的细胞生成器官，不需要移植别人的器官，以此来避免排异反应。这一研究成果在全世界被广泛应用，因为其免除了使用人体胚胎提取干细胞的伦理道德制约。,四脱离正常轨道的细胞 癌细胞,1. 癌的基本生物学特点 2. 体外培养

21、癌细胞的特征 3. 致癌因素 4. 基因突变与癌症发生 5. 癌症治疗, 癌症是严重威胁人类生命安全的疾病。 动物体内细胞分裂调节失控而无限增 殖的细胞称为肿瘤细胞，具有转移能力 的肿瘤称为恶性肿瘤。,4.1 癌的基本生物学特征, 细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力 (HeLa Cell) 具有扩散性：恶性肿瘤细胞（癌细胞）的细胞 间粘着性下降，具有侵润性和和扩散性，这是 癌细胞的基本特征 在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组织细胞的结构和功能 细胞间相互作用改变 蛋白表达谱系或蛋白活性改变 mRNA转录谱系的改变 染色体非整倍性,4.2癌症的发生过程,染色体非整倍性,DNA