生命科学与健康第02章细胞生物学基础

1、笫二章笫二章 生命的基础生命的基础细胞细胞 细胞生物学的基本观点细胞生物学的基本观点 ： 所有生物都是由细胞和细胞产物所构成；所有生物都是由细胞和细胞产物所构成；新细胞只能由原来的细胞经分裂而产生；新细胞只能由原来的细胞经分裂而产生；所有细胞都具有基本上相同的化学组成和代所有细胞都具有基本上相同的化学组成和代谢活性；谢活性；生物体总的活性可以看成是组成生物体的各生物体总的活性可以看成是组成生物体的各相关细胞的相互作用和集体活动的总和。相关细胞的相互作用和集体活动的总和。第一节第一节 细胞的形态与结构细胞的形态与结构一一 细胞的形态、大小细胞的形态、大小 -略略1. 细胞的形态细胞的形态2. 细

2、胞的大小细胞的大小二二. 细胞的结构细胞的结构 1.1. 细胞膜的结构细胞膜的结构1) 组成组成脂类物质脂类物质蛋白质蛋白质 糖糖2) 分布或构架分布或构架3) 特点特点液态镶嵌模式液态镶嵌模式利用细胞融合技术观察蛋白质运动利用细胞融合技术观察蛋白质运动 二二. 细胞的结构细胞的结构 略略2.2. 细胞壁细胞壁3.3. 细胞核细胞核 4.4. 细胞质及其内含物细胞质及其内含物 1)1) 内质网（内质网（endoplasmic reticulumendoplasmic reticulum）和核糖体）和核糖体 2)2) 高尔基体（高尔基体（golgi apparatus） 3)3) 溶酶体（溶酶体

3、（lysosomes） 4)4) 线粒体（线粒体（mitochondria） 5)5) 质体（质体（plastid） 6)6) 微体（微体（microbodies） 7)7) 液泡（液泡（vacuole） 8)8) 细胞骨架（细胞骨架（cytoskeleton） 9)9) 鞭毛（鞭毛（flagellum）纤毛（）纤毛（cilium）中心粒（）中心粒（centriolescentrioles） 10)10) 胞质溶胶胞质溶胶 第二节第二节 物质转运物质转运 1 1 扩散（扩散（diffusion）1. 扩散的定义扩散的定义 扩散是物质分子从浓度高的区域向浓度低的区域扩散是物质分子从浓度高的区域向

4、浓度低的区域移动的过程移动的过程 。2. 扩散的类型扩散的类型1)1) 单纯扩散（单纯扩散（simple diffusion） 依浓度差来实现跨膜扩散，如依浓度差来实现跨膜扩散，如co2、o2等。等。2)2) 易化扩散（易化扩散（facilitated diffusion） 扩散机制除依浓度差外，还需要载体。扩散机制除依浓度差外，还需要载体。 2 2 渗透（渗透（osmosis） 渗透作用实际上就是渗透作用实际上就是扩散，这里指的是植扩散，这里指的是植物细胞的跨膜扩散。物细胞的跨膜扩散。由于植物细胞壁的作由于植物细胞壁的作用，其产生膨胀压可用，其产生膨胀压可抵消由于膜两侧物质抵消由于膜两侧物质

5、浓度差形成的渗透压，浓度差形成的渗透压，从而使物质跨膜扩散从而使物质跨膜扩散终止，即物质进入细终止，即物质进入细胞内和排除细胞外达胞内和排除细胞外达到动态平衡。到动态平衡。 三三 主动运输（主动运输（active transport）1. 定义定义物质从低浓度区向高浓度区移动的过程，即物质物质从低浓度区向高浓度区移动的过程，即物质逆浓度的跨膜运动称作主动运输或主动转运。逆浓度的跨膜运动称作主动运输或主动转运。2. 特点特点1)1) 要有载体要有载体2)2) 要消耗能量（要消耗能量（atp）四四 基团转移基团转移基团转移是主动运输的另一种形式，被转运的物基团转移是主动运输的另一种形式，被转运的物

6、质再转运过程中，增加或减少一个基团。质再转运过程中，增加或减少一个基团。主动转运中主动转运中atp消耗模式消耗模式na+-k+泵泵五五 内吞作用（内吞作用（endocytosis）内吞作用是吞噬作用和胞饮作用的总称。内吞作用是吞噬作用和胞饮作用的总称。细胞吞噬侵入的细菌、细胞碎片以及衰老的红细细胞吞噬侵入的细菌、细胞碎片以及衰老的红细胞，称作吞噬作用（胞，称作吞噬作用（phagocytosis）；）；细胞吞入液体的过程胞饮作用（细胞吞入液体的过程胞饮作用（pinocytosis）。）。六六 外排作用（外排作用（exocytosis）吞入物被消化后，所余渣滓从细胞表面排除，这吞入物被消化后，所余

7、渣滓从细胞表面排除，这个过程称作外排作用。个过程称作外排作用。内吞作用内吞作用胞饮作用胞饮作用第三节第三节 细胞分裂细胞分裂略略一一 无丝分裂，也称作直接分裂（无丝分裂，也称作直接分裂（amitosis）-略略二二 有丝分裂（有丝分裂（mitosis）-略略1. 前期（前期（prophase）2. 前中期（前中期（prometaphase）3. 中期（中期（metaphase）4. 后期（后期（anaphase）5. 末期（末期（telophase）前期前期染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。解体，核膜消失。前中期前中期核膜解

8、体到染色体排列到赤道面核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane) 上。上。中期中期染色体排列到赤道面上。染色体排列到赤道面上。后期后期指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期分为后期a、后期、后期b两个过程。两个过程。anaphase a: separation of the sister chromatids.anaphase b: separation of the poles.末期末期从子染色体到达两从子染色体到达两极，至形成两个新细极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分子核的形成和胞质分

9、裂两个方面。裂两个方面。三三 减数分裂（减数分裂（meiosis）-定性讲解定性讲解 1.1. 第一次减数分裂第一次减数分裂1) 前期前期2) 中期中期3) 后期后期4) 末期末期2.2. 第二次减数分裂第二次减数分裂1) 前期前期2) 中期中期3) 后期后期4) 末期末期减数分裂是由连续两次分裂构成：减数分裂是由连续两次分裂构成：通常减数分裂通常减数分裂i分离的是同源染色体，所以称分离的是同源染色体，所以称为异型分裂（为异型分裂（heterotypic division）或减数）或减数分裂（分裂（reductional division）。）。减数分裂减数分裂ii分离的是姊妹染色体，类似于有

10、丝分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂（分裂，所以称为同型分裂（homotypic division）或均等分裂（）或均等分裂（equational division）。）。concepts:1. gametic meiosis2. sporic meiosis3. zygotic meiosismeiosis减数分裂减数分裂i前期前期i减数分裂的特殊过程主要发生在前期减数分裂的特殊过程主要发生在前期i ，通常分为，通常分为5个时期：细线期（个时期：细线期（leptotene ），合线期），合线期（zygotene ），粗线期（），粗线期（pachytene），双线期），双线期

11、（diplotene），终变期（），终变期（diakinesis）。）。细线期：染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。细线期：染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。2）合线期：亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。）合线期：亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。概念：联会复合体概念：联会复合体(synaptonemal complex， sc）二价体）二价体（bivalent）四分体（）四分体（tetrad）。）。这一时期合成约这一时期合成约0.3%左右的左右的dna，称为，称为z-dna。3）粗线期：同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的）粗线期：同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。时期。4

12、）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，交）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，交叉开始端化叉开始端化(terminalization)。联会复合体消失。联会复合体消失。补充：植物细胞双线期一般较短，许多动物卵补充：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，而一直到排卵都停在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期，排卵年龄大约在在双线期，排卵年龄大约在12-50岁之间。鱼类、岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆

13、虫中，双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体，这一双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。时期是卵黄积累的时期。 5）终变期：二阶体显著变短。由于交叉端化过程）终变期：二阶体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失，核被膜解体。个交叉。核仁此时开始消失，核被膜解体。2、中期、中期i3、后期、后期i二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。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，染色体重组，人类染色体同源染色体随机分向两极，染色体重组，人类染色体重

14、组概率有重组概率有223个。个。4、末期、末期i5、减数分裂间期。、减数分裂间期。 减数分裂减数分裂ii可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。一个精母细胞形成一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及及2-3个极体。个极体。 chromosome recombination 1minimum number of gamete types = 2n , in humans, n = 23chromosome recombination 2四四 细胞周期及其调控细胞周期及其调控2001年年10月月8日美

15、国人日美国人leland hartwell、英国人、英国人paul nurse、timothy hunt因对细胞周期调控机理的研究而因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。获诺贝尔生理医学奖。leland h. hartwell r. timothy (tim) hunt sir paul m. nurse 1.1. 细胞周期的定义细胞周期的定义细胞一次分裂的开始（或中期、或末期）到下一次分裂的细胞一次分裂的开始（或中期、或末期）到下一次分裂的开始（或中期、或末期）所经历的时间。开始（或中期、或末期）所经历的时间。2.2. 细胞周期调控因子细胞周期调控因子mpf细胞周期的调控关键在分裂

16、间期。有细胞周期的调控关键在分裂间期。有2个起决定作用个起决定作用的控制点：从的控制点：从g1进入进入s和从和从g2进入进入m，这，这2个转变过个转变过程都是由一种称之为成熟促进因子（程都是由一种称之为成熟促进因子（maturation-promoting factor，mpf）的蛋白质复合体所触发。）的蛋白质复合体所触发。组成组成mpf的是两种蛋白质，分别称作的是两种蛋白质，分别称作cdc2激酶和细激酶和细胞周期蛋白（胞周期蛋白（cyclins）；后者又有两种：）；后者又有两种：s-cyclin和和m-cyclin。3. 细胞周期调控机制假说细胞周期调控机制假说当当s-cyclin和和cdc

17、2 2结合时，形成具有活性结合时，形成具有活性mpf能触发能触发从从g1 1进入进入s期；与此同时期；与此同时mpf又激活另一种降解又激活另一种降解cyclin的酶，使的酶，使mpf自身失活。然后，自身失活。然后，m-cyclin的浓的浓度增加，并同度增加，并同cdc2 2结合形成具有活性的结合形成具有活性的mpf，这种，这种mpf能触发从能触发从g2 2进入进入m期。进入期。进入m期后，期后，mpf中的中的cyclin同样再度降解，同样再度降解，mpf失活，失活，cdc2 2又同又同s-cyclin结合，形成能触发从结合，形成能触发从g1 1进入进入s期的期的mpf。如此循环反复，不断推动细

18、胞周期循环地从一期进如此循环反复，不断推动细胞周期循环地从一期进入下一期。入下一期。 简化示意图简化示意图mm-cyclin降解降解g1s-cyclin+cdc2形成形成mpfss-cyclin降解降解g2m-cyclin+cdc2形成形成mpf第四节第四节 细胞分化与衰老细胞分化与衰老1 1 细胞的分化细胞的分化 一个或一种细胞，其分裂增殖的后代在形态、结一个或一种细胞，其分裂增殖的后代在形态、结构和功能上相互不同，并与亲代细胞也不同，这构和功能上相互不同，并与亲代细胞也不同，这一过程称作细胞分化。一过程称作细胞分化。细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。细胞后代在形态、结构和功能上发

19、生差异的过程。1) 细胞分化起始于基因表达的调控，部分基因关细胞分化起始于基因表达的调控，部分基因关闭，部分基因开启，也包括基因表达强度的改闭，部分基因开启，也包括基因表达强度的改变。变。1. 个体发育通过细胞分化来实现个体发育通过细胞分化来实现细胞分化的内涵细胞分化的内涵2) 分化细胞之间的差异归根到底在于不同蛋白质分化细胞之间的差异归根到底在于不同蛋白质的表达。的表达。3) 分化过程通常是不可逆的。分化终端的细胞通分化过程通常是不可逆的。分化终端的细胞通常不再分裂，稳定地具有一定的特征，执行一常不再分裂，稳定地具有一定的特征，执行一定的生理功能，然后走向衰老和死亡。有时，定的生理功能，然后

20、走向衰老和死亡。有时，个别分化终端的细胞逆向恢复生长分裂的能力，个别分化终端的细胞逆向恢复生长分裂的能力，往往可能是细胞癌变的征兆。往往可能是细胞癌变的征兆。4) 一般认为达到成年阶段，个体发育完成。细胞一般认为达到成年阶段，个体发育完成。细胞分化大量地出现在成年以前的发育过程中，但分化大量地出现在成年以前的发育过程中，但是一部分细胞的分化，持续于整个生物体的一是一部分细胞的分化，持续于整个生物体的一生。例如，哺乳类的骨髓中，终生都在发生血生。例如，哺乳类的骨髓中，终生都在发生血细胞的分化和成熟。细胞的分化和成熟。2. 细胞的分化发育潜能细胞的分化发育潜能1) 全能性全能性指受精卵能够具有使后

21、代细胞分化出指受精卵能够具有使后代细胞分化出各种组织细胞并建成完整个体的潜能，如全能各种组织细胞并建成完整个体的潜能，如全能干细胞。干细胞。2) 多能性多能性有的细胞具有使后代细胞分化出多种有的细胞具有使后代细胞分化出多种组织或细胞，但已不能建成完整个体的潜能，组织或细胞，但已不能建成完整个体的潜能，如如多能干细胞。多能干细胞。3) 单能性单能性有的细胞具有更窄的发育潜能，只能有的细胞具有更窄的发育潜能，只能使后代细胞发育成为一种细胞，称为单能性，使后代细胞发育成为一种细胞，称为单能性，如单能干细胞（祖细胞）。如单能干细胞（祖细胞）。二二 干细胞（干细胞（stem cell） 干细胞是一类具有

22、自我更新干细胞是一类具有自我更新（self-renewing）和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细和分化潜能的细胞。它包括胚胎干细胞和成体干细胞。胞。 干细胞按照生存阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞按照生存阶段分为胚胎干细胞和成体干细胞。干细胞。 干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的干细胞的发育受多种内在机制和微环境因素的影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。影响。目前人类胚胎干细胞已可成功地在体外培养。最新研究发现，成体干细胞可以横向分化为其他类最新研究发现，成体干细胞可以横向分化为其他类型的细胞和组织，为干细胞的广泛应用提供了基础型的细胞和组织，为干细胞的广泛应用提供了基

23、础。 在胚胎的发生发育中，单个受精卵可以分裂发在胚胎的发生发育中，单个受精卵可以分裂发育为多细胞的组织或器官。在成年动物中，正常的育为多细胞的组织或器官。在成年动物中，正常的生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生理代谢或病理损伤也会引起组织或器官的修复再生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进生。胚胎的分化形成和成年组织的再生是干细胞进一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的，具有分化一步分化的结果。胚胎干细胞是全能的，具有分化为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官为几乎全部组织和器官的能力。而成年组织或器官内的干细胞一般认为具有组织特异性，只能分化成内的干细胞一般认为具有组织特异

24、性，只能分化成特定的细胞或组织。特定的细胞或组织。 最新的研究表明，组织特异性干细胞同样具有最新的研究表明，组织特异性干细胞同样具有分化成其他细胞或组织的潜能，这为干细胞的应用分化成其他细胞或组织的潜能，这为干细胞的应用开创了更广泛的空间。开创了更广泛的空间。 1.1. 胚胎干细胞（胚胎干细胞（embryonic stem cell, es细胞）细胞） 当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（当受精卵分裂发育成囊胚时，内层细胞团（ inner cell mass）的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更的细胞即为胚胎干细胞。胚胎干细胞具有全能性，可以自我更新并具有分化为体内所有组织

25、的能力。早在新并具有分化为体内所有组织的能力。早在1970年年martin evans已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。而人已从小鼠中分离出胚胎干细胞并在体外进行培养。而人的胚胎干细胞的体外培养直到最近才获得成功。进一步说，的胚胎干细胞的体外培养直到最近才获得成功。进一步说，胚胚胎干细胞（胎干细胞（es细胞）是一种高度未分化细胞。它具有发育的细胞）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。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。研究和利用研究和利用es细胞是当前生物工程领域的核心问题之一。细胞是当前生物工程领域的核心问题

26、之一。es细胞的研究可追溯到上世纪五十年代，由于畸胎瘤干细胞细胞的研究可追溯到上世纪五十年代，由于畸胎瘤干细胞（ec细胞）的发现开始了细胞）的发现开始了es细胞的生物学研究历程。细胞的生物学研究历程。 目前许多研究工作都是以小鼠目前许多研究工作都是以小鼠es细胞为研究对象展开的，细胞为研究对象展开的，如：德美医学小组在去年成功的向试验鼠体内移植了由如：德美医学小组在去年成功的向试验鼠体内移植了由es细胞细胞培养出的神经胶质细胞。此后，密苏里的研究人员通过鼠胚细培养出的神经胶质细胞。此后，密苏里的研究人员通过鼠胚细胞移植技术，使瘫痪的猫恢复了部分肢体活动能力。随着胞移植技术，使瘫痪的猫恢复了部分

27、肢体活动能力。随着es细细胞的研究日益深入，生命科学家对人类胞的研究日益深入，生命科学家对人类es细胞的了解迈入了一细胞的了解迈入了一个新的阶段。在个新的阶段。在98年末，两个研究小组成功的培养出人类年末，两个研究小组成功的培养出人类es细细胞，保持了胞，保持了es细胞分化为各种体细胞的全能性。这样就使科学细胞分化为各种体细胞的全能性。这样就使科学家利用人类家利用人类es细胞治疗各种疾病成为可能。然而，人类细胞治疗各种疾病成为可能。然而，人类es 细细胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，出于社会伦理胞的研究工作引起了全世界范围内的很大争议，出于社会伦理学方面的原因，有些国家甚至明令禁止进

28、行人类学方面的原因，有些国家甚至明令禁止进行人类es细胞研究。细胞研究。无论从基础研究角度来讲还是从临床应用方面来看，人类无论从基础研究角度来讲还是从临床应用方面来看，人类es细细胞带给人类的益处远远大于在伦理方面可能造成的负面影响，胞带给人类的益处远远大于在伦理方面可能造成的负面影响，因此要求展开人类因此要求展开人类es细胞研究的呼声也一浪高似一浪。细胞研究的呼声也一浪高似一浪。 2. 2. 成体干细胞成体干细胞 成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修成年动物的许多组织和器官，比如表皮和造血系统，具有修复和再生的能力。成体干细胞在其中起着关键的作用。在特复和再生的能力。成体干细

29、胞在其中起着关键的作用。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，从而使组织和器官保持生长程序分化，形成新的功能细胞，从而使组织和器官保持生长和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细和衰退的动态平衡。过去认为成体干细胞主要包括上皮干细胞和造血干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经胞和造血干细胞。最近研究表明，以往认为不能再生的神经组织仍然包含神经干细胞组织仍然包含神经干细胞，说明成体干细胞普遍存在，问题说明成体干细胞普遍存在，问题是如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常是

30、如何寻找和分离各种组织特异性干细胞。成体干细胞经常位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列位于特定的微环境中。微环境中的间质细胞能够产生一系列生长因子或配体，与干细胞相互作用，控制干细胞的更新和生长因子或配体，与干细胞相互作用，控制干细胞的更新和分化。分化。 3. 3. 造血干细胞造血干细胞 造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨造血干细胞是体内各种血细胞的唯一来源，它主要存在于骨髓、外周血、脐带血中。造血干细胞的移植是治疗血液系统髓、外周血、脐带血中。造血干细胞的移植是治疗血液系统疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转移性恶性肿瘤疾病的疾病、先天性遗传疾病以及多发性和转

31、移性恶性肿瘤疾病的最有效方法。在临床治疗中，造血干细胞应用较早，在最有效方法。在临床治疗中，造血干细胞应用较早，在2020世世纪五十年代，临床上就开始应用骨髓移植（纪五十年代，临床上就开始应用骨髓移植（bmt）方法来治）方法来治疗血液系统疾病。到八十年代末，外周血干细胞移植疗血液系统疾病。到八十年代末，外周血干细胞移植（pbsct）技术逐渐推广开来，绝大多数为自体外周血干细）技术逐渐推广开来，绝大多数为自体外周血干细胞移植（胞移植（apbsct），在提高治疗有效率和缩短疗程方面优），在提高治疗有效率和缩短疗程方面优于常规治疗，且效果令人满意。与两者相比，脐血干细胞移于常规治疗，且效果令人满意。

32、与两者相比，脐血干细胞移植的长处在于无来源的限制，对植的长处在于无来源的限制，对hla配型要求不高，不易受配型要求不高，不易受病毒或肿瘤的污染。病毒或肿瘤的污染。脐血干细胞移植成功为全世界更多的血脐血干细胞移植成功为全世界更多的血液病及恶性肿瘤的患者带来福音。液病及恶性肿瘤的患者带来福音。4. 4. 神经干细胞神经干细胞 关于神经干细胞研究起步较晚，由于分离神经干细胞所需的关于神经干细胞研究起步较晚，由于分离神经干细胞所需的胎儿脑组织较难取材，加之胚胎细胞研究的争议尚未平息，胎儿脑组织较难取材，加之胚胎细胞研究的争议尚未平息，神经干细胞的研究仍处于初级阶段。理论上讲，任何一种中神经干细胞的研究

33、仍处于初级阶段。理论上讲，任何一种中枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。脑和脊枢神经系统疾病都可归结为神经干细胞功能的紊乱。脑和脊髓由于血脑屏障的存在使之在干细胞移植到中枢神经系统后髓由于血脑屏障的存在使之在干细胞移植到中枢神经系统后不会产生免疫排斥反应，如：给帕金森氏综合症患者的脑内不会产生免疫排斥反应，如：给帕金森氏综合症患者的脑内移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞，可治愈部分患者症移植含有多巴胺生成细胞的神经干细胞，可治愈部分患者症状。除此之外，神经干细胞的功能还可延伸到药物检测方面，状。除此之外，神经干细胞的功能还可延伸到药物检测方面，对判断药物有效性、毒性有一定的作用。对判

34、断药物有效性、毒性有一定的作用。 实际上，到目前为止，人们对干细胞的了解仍实际上，到目前为止，人们对干细胞的了解仍存在许多盲区。存在许多盲区。20002000年年初美国研究人员无意中发年年初美国研究人员无意中发现在胰腺中存有干细胞；加拿大研究人员在人、鼠、现在胰腺中存有干细胞；加拿大研究人员在人、鼠、牛的视网膜中发现了始终处于牛的视网膜中发现了始终处于“休眠状态的干细休眠状态的干细胞胞” ；有些科学家证实骨髓干细胞可发育成肝细；有些科学家证实骨髓干细胞可发育成肝细胞，脑干细胞可发育成血细胞。胞，脑干细胞可发育成血细胞。 随着干细胞研究领域向深度和广度不断扩展，随着干细胞研究领域向深度和广度不断

35、扩展，人们对干细胞的了解也将更加全面。人们对干细胞的了解也将更加全面。21世纪是生命世纪是生命科学的时代，也是为人类的健康长寿创造世界奇迹科学的时代，也是为人类的健康长寿创造世界奇迹的时代，干细胞的应用将有广阔前景。的时代，干细胞的应用将有广阔前景。 5. 5. 干细胞应用的基础干细胞应用的基础调控调控 干细胞的调控是指给出适当的因子条件，对干细胞的增干细胞的调控是指给出适当的因子条件，对干细胞的增值和分化进行调控，使之向指定的方向发展。值和分化进行调控，使之向指定的方向发展。 1)1) 内源性调控内源性调控干细胞自身有许多调控因子可对外界信号起反应从而调节其干细胞自身有许多调控因子可对外界信

36、号起反应从而调节其增殖和分化，包括调节细胞不对称分裂的蛋白，控制基因表增殖和分化，包括调节细胞不对称分裂的蛋白，控制基因表达的核因子等。另外，干细胞在终末分化之前所进行的分裂达的核因子等。另外，干细胞在终末分化之前所进行的分裂次数也受到细胞内调控因子的制约。次数也受到细胞内调控因子的制约。a. a. 细胞内蛋白对干细胞分裂的调控细胞内蛋白对干细胞分裂的调控 干细胞分裂可能产生新的干细胞和分化的功能细胞。干细胞分裂可能产生新的干细胞和分化的功能细胞。这种分化的不对称是由于细胞本身成分的不均等分这种分化的不对称是由于细胞本身成分的不均等分配和周围环境的作用造成的。细胞的结构蛋白，特配和周围环境的作

37、用造成的。细胞的结构蛋白，特别是细胞骨架成分对细胞的发育非常重要。如在果别是细胞骨架成分对细胞的发育非常重要。如在果蝇卵巢中，调控干细胞不对称分裂的是一种称为收蝇卵巢中，调控干细胞不对称分裂的是一种称为收缩体的细胞器，包含有许多调节蛋白，如膜收缩蛋缩体的细胞器，包含有许多调节蛋白，如膜收缩蛋白和细胞周期素白和细胞周期素a。收缩体与纺锤体的结合决定了。收缩体与纺锤体的结合决定了干细胞分裂的部位，从而把维持干细胞性状所必需干细胞分裂的部位，从而把维持干细胞性状所必需的成分保留在子代干细胞中。的成分保留在子代干细胞中。 b. b. 转录因子的调控转录因子的调控 在脊椎动物中，转录因子对干细胞分化的调

38、节非常重在脊椎动物中，转录因子对干细胞分化的调节非常重要。比如在胚胎干细胞的发生中，转录因子要。比如在胚胎干细胞的发生中，转录因子oct4是必是必需的。需的。oct4是一种哺乳动物早期胚胎细胞表达的转录是一种哺乳动物早期胚胎细胞表达的转录因子，它诱导表达的靶基因产物是因子，它诱导表达的靶基因产物是fgf-4等生长因子，等生长因子，能够通过生长因子的旁分泌作用调节干细胞以及周围能够通过生长因子的旁分泌作用调节干细胞以及周围滋养层的进一步分化。滋养层的进一步分化。oct4缺失突变的胚胎只能发育缺失突变的胚胎只能发育到囊胚期，其内部细胞不能发育成内层细胞团到囊胚期，其内部细胞不能发育成内层细胞团 。

39、另外。另外白血病抑制因子（白血病抑制因子（lif）对培养的小鼠）对培养的小鼠es细胞的自我细胞的自我更新有促进作用，而对人的成体干细胞无作用，说明更新有促进作用，而对人的成体干细胞无作用，说明不同种属间的转录调控是不完全一致的。不同种属间的转录调控是不完全一致的。2) 2) 外源性调控外源性调控 干细胞的分化还可受到其周围组织及细胞外基质等外源性干细胞的分化还可受到其周围组织及细胞外基质等外源性因素的影响。因素的影响。a.a. 分泌因子分泌因子间质细胞能够分泌许多因子，维持干细胞的增殖，分化和存活。有两类间质细胞能够分泌许多因子，维持干细胞的增殖，分化和存活。有两类因子在不同组织甚至不同种属中

40、都发挥重要作用，它们是因子在不同组织甚至不同种属中都发挥重要作用，它们是tgf家族和家族和wnt信号通路。比如信号通路。比如tgf家族中至少有两个成员能够调节神经嵴干细胞家族中至少有两个成员能够调节神经嵴干细胞的分化。最近研究发现，胶质细胞衍生的神经营养因子（的分化。最近研究发现，胶质细胞衍生的神经营养因子（gdnf）不仅）不仅能够促进多种神经元的存活和分化，还对精原细胞的再生和分化有决定能够促进多种神经元的存活和分化，还对精原细胞的再生和分化有决定作用。作用。gdnf缺失的小鼠表现为干细胞数量的减少，而缺失的小鼠表现为干细胞数量的减少，而gdnf的过度表的过度表达导致未分化的精原细胞的累积。

41、达导致未分化的精原细胞的累积。wnts的作用机制是通过阻止的作用机制是通过阻止-catenin分解从而激活分解从而激活tcf/lef介导的转录，促进干细胞的分化。比如在线虫卵裂介导的转录，促进干细胞的分化。比如在线虫卵裂球的分裂中，邻近细胞诱导的球的分裂中，邻近细胞诱导的wnt信号通路能够控制纺锤体的起始点和信号通路能够控制纺锤体的起始点和内胚层的分化。内胚层的分化。 b. b. 膜蛋白介导的细胞间的相互作用膜蛋白介导的细胞间的相互作用 有些信号是通过细胞有些信号是通过细胞-细胞的直接接触起作用的。细胞的直接接触起作用的。-catenin就是一种介导细胞粘附连接的结构成分。除就是一种介导细胞粘

42、附连接的结构成分。除此之外，穿膜蛋白此之外，穿膜蛋白notch及其配体及其配体delta或或jagged也也对干细胞分化有重要影响。在果蝇的感觉器官前体对干细胞分化有重要影响。在果蝇的感觉器官前体细胞，脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经细胞，脊椎动物的胚胎及成年组织包括视网膜神经上皮、骨骼肌和血液系统中，上皮、骨骼肌和血液系统中，notch信号都起着非常信号都起着非常重要的作用。当重要的作用。当notch与其配体结合时，干细胞进行与其配体结合时，干细胞进行非分化性增殖；当非分化性增殖；当notch活性被抑制时，干细胞进入活性被抑制时，干细胞进入分化程序，发育为功能细胞。分化程序，发育为功能

43、细胞。 c. c. 整合素（整合素（integrin）与细胞外基质）与细胞外基质整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主整合素家族是介导干细胞与细胞外基质粘附的最主要的分子。整合素与其配体的相互作用为干细胞的要的分子。整合素与其配体的相互作用为干细胞的非分化增殖提供了适当的微环境。比如当非分化增殖提供了适当的微环境。比如当1整合整合素丧失功能时，上皮干细胞逃脱了微环境的制约，素丧失功能时，上皮干细胞逃脱了微环境的制约，分化成角质细胞。此外细胞外基质通过调节分化成角质细胞。此外细胞外基质通过调节1整合整合素的表达和激活，从而影响干细胞的分布和分化方素的表达和激活，从而影响干细胞的分布和分化方

44、向。向。3) 3) 干细胞的可塑性干细胞的可塑性 越来越多的证据表明，当成体干细胞被移植入受体中，它们越来越多的证据表明，当成体干细胞被移植入受体中，它们表现出很强的可塑性。通常情况下，供体的干细胞在受体中表现出很强的可塑性。通常情况下，供体的干细胞在受体中分化为与其组织来源一致的细胞。而在某些情况下干细胞的分化为与其组织来源一致的细胞。而在某些情况下干细胞的分化并不遵循这种规律。分化并不遵循这种规律。19991999年年goodell等人分离出小鼠的肌等人分离出小鼠的肌肉干细胞，体外培养肉干细胞，体外培养5 5天后，与少量的骨髓间质细胞一起移植天后，与少量的骨髓间质细胞一起移植入接受致死量辐

45、射的小鼠中，结果发现肌肉干细胞会分化为入接受致死量辐射的小鼠中，结果发现肌肉干细胞会分化为各种血细胞系。这种现象被称为干细胞的横向分化（各种血细胞系。这种现象被称为干细胞的横向分化（trans-differentiation）。关于横向分化的调控机制目前还不清楚。）。关于横向分化的调控机制目前还不清楚。大多数观点认为干细胞的分化与微环境密切相关。可能的机大多数观点认为干细胞的分化与微环境密切相关。可能的机制是，干细胞进入新的微环境后，对分化信号的反应受到周制是，干细胞进入新的微环境后，对分化信号的反应受到周围正在进行分化的细胞的影响，从而对新的微环境中的调节围正在进行分化的细胞的影响，从而对新

46、的微环境中的调节信号做出反应。信号做出反应。6.6. 干细胞应用干细胞应用 按分化潜能的大小，干细胞基本上可分为三种类型：一类是全按分化潜能的大小，干细胞基本上可分为三种类型：一类是全能性干细胞，它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞能性干细胞，它具有形成完整个体的分化潜能。如胚胎干细胞（简称（简称es细胞），它是从早期胚胎的内细胞团分离出来的一种细胞），它是从早期胚胎的内细胞团分离出来的一种高度未分化的细胞系，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和高度未分化的细胞系，具有与早期胚胎细胞相似的形态特征和很强的分化能力，它可以无限增殖并分化成为全身很强的分化能力，它可以无限增殖并分化成为全身20

47、0多种细多种细胞类型，进一步形成机体的所有组织、器官。另一类是多能性胞类型，进一步形成机体的所有组织、器官。另一类是多能性干细胞，这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但却失干细胞，这种干细胞具有分化出多种细胞组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制，骨髓去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制，骨髓多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少十二种血细胞，多能造血干细胞是典型的例子，它可分化出至少十二种血细胞，但不能分化出造血系统以外的其它细胞。还有一类干细胞为单但不能分化出造血系统以外的其它细胞。还有一类干细胞为单能干细胞（也称专能、偏能干细胞），这类干细

48、胞只能向一种能干细胞（也称专能、偏能干细胞），这类干细胞只能向一种类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织基底层的类型或密切相关的两种类型的细胞分化，如上皮组织基底层的干细胞、肌肉中的成肌细胞或叫卫星细胞。干细胞、肌肉中的成肌细胞或叫卫星细胞。 最近干细胞的研究有两个重大的技术突破，一是人类胚胎最近干细胞的研究有两个重大的技术突破，一是人类胚胎干细胞在体外培养成功。干细胞在体外培养成功。19981998年年 wisconsin 大学的大学的 james thomson和和 johns hopkins大学的大学的 john gearhart 从人囊胚从人囊胚的内层细胞团中取得胚胎干细胞。他

49、们把胚胎干细胞与小的内层细胞团中取得胚胎干细胞。他们把胚胎干细胞与小鼠的骨髓间质细胞进行了共培养。结果表明胚胎干细胞可鼠的骨髓间质细胞进行了共培养。结果表明胚胎干细胞可以进行长达以进行长达5 5个月的非分化增殖，个月的非分化增殖， 同时还保持着分化为滋同时还保持着分化为滋养层组织及三种胚层组织的能力。这为胚胎干细胞的临床养层组织及三种胚层组织的能力。这为胚胎干细胞的临床应用奠定了基础。另外一个重大突破是成体干细胞的横向应用奠定了基础。另外一个重大突破是成体干细胞的横向分化。分化。19991999年年 goodell 等人用肌肉来源的干细胞在小鼠体等人用肌肉来源的干细胞在小鼠体内分化成各种血细胞

50、。这表明成体干细胞在一定的微环境内分化成各种血细胞。这表明成体干细胞在一定的微环境的作用下，可以横向分化为需要的细胞和组织，从而起到的作用下，可以横向分化为需要的细胞和组织，从而起到极其有效的治疗作用。极其有效的治疗作用。 总之，凡需要不断产生新的分化细胞以及分化细胞总之，凡需要不断产生新的分化细胞以及分化细胞本身不能再分裂的细胞或组织都要通过干细胞所产本身不能再分裂的细胞或组织都要通过干细胞所产生的具有分化能力的细胞来维持机体细胞的数量，生的具有分化能力的细胞来维持机体细胞的数量，可以这样说，生命体是通过干细胞的分裂来实现细可以这样说，生命体是通过干细胞的分裂来实现细胞的更新及保证持续生长。

51、随着基因工程、胚胎工胞的更新及保证持续生长。随着基因工程、胚胎工程、细胞工程等各种生物技术的快速发展，按照一程、细胞工程等各种生物技术的快速发展，按照一定的目的，在体外人工分离、培养干细胞已成为可定的目的，在体外人工分离、培养干细胞已成为可能，利用干细胞构建各种细胞、组织、器官作为移能，利用干细胞构建各种细胞、组织、器官作为移植器官的来源，这将成为干细胞应用的主要方向。植器官的来源，这将成为干细胞应用的主要方向。三三 细胞分化的机理细胞分化的机理略略1. 细胞分裂的不对称性细胞分裂的不对称性1)1) 卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。卵细胞具有极性，细胞核靠近北极。北极或动物极：极体释放的部位；

52、北极或动物极：极体释放的部位；南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存南极或植物极：相对北极而言，母体物质主要储存在于植物极。在于植物极。2)2) 动物卵细胞中贮存有动物卵细胞中贮存有大量大量mrna，呈非均匀分布；，呈非均匀分布；用转录抑制剂放线菌素用转录抑制剂放线菌素d处理海胆受精卵，胚胎发处理海胆受精卵，胚胎发育仍能进行至囊胚期育仍能进行至囊胚期用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵，受精卵停止发育。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。卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运。 昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁

53、入卵的昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的。迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞，用紫外线照射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不射这一区域，破坏极质，卵将发育为无生殖细胞的不育个体。育个体。2. 细胞间的相互作用细胞间的相互作用胚胎诱导胚胎诱导(embryonic induction) ：胚胎发育过：胚胎发育过程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分程中，一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用。化的作用。 诱导者诱导者(inductor) ：对其它细胞起诱导作用的细胞：对其它细胞起诱导作用的细胞 脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经

54、板，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；神经沟和神经管； 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体，而晶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。体又可诱导外胚层形成角膜。 分化抑制：分化成熟的细胞可以产生抑素，抑分化抑制：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。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。胚不能发育出正常的心脏。 细胞数量效应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

55、把胰原基发育成具有功能的胰腺组织，但如果把胰原基切成切成8小块分别培养，则都不能形成胰腺组织，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，又可形成胰腺组如果再把分开的小块合起来，又可形成胰腺组织。织。 细胞外基质的影响细胞外基质的影响干细胞在干细胞在iv型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞；在在i型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞；在在ii型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞。 激素的作用激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素。如昆虫的保幼激素和脱皮激素。3.3. 细胞核与细

56、胞分化细胞核与细胞分化1)1) 染色体结构的变化染色体结构的变化 基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。基因删除：原生动物、昆虫、甲壳动物。 基因扩增：果蝇多线染色体。基因扩增：果蝇多线染色体。 基因重排：免疫球蛋白基因（基因重排：免疫球蛋白基因（10106 610108 8种抗体）。种抗体）。 dna的甲基化与异染色质化：的甲基化与异染色质化： 胞嘧啶的甲基化使基因失活。胞嘧啶的甲基化使基因失活。 基因与细胞分化基因与细胞分化 无论是母体无论是母体mrna的作用还是细胞间的相互作用，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。其结果是启动特定基因的表达。 根据对果蝇、家蚕等实验动物

57、的研究表明：根据对果蝇、家蚕等实验动物的研究表明：卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的卵受精后，首先表达的是母体基因；母体基因的产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯产物是转录因子，沿胚的前后轴形成一个浓度梯度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它度，决定了胚的前后位置和头尾区域；控制其它基因的表达：基因的表达：母体基因母体基因 间隙基因间隙基因 成对基因成对基因体节极性基体节极性基因因同源异形基因（同源异形基因（homeotic gene，hox）。）。四四 成体中的细胞分化成体中的细胞分化略略1.1. 已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。已存在的细胞功能由弱、强、减退到丧失。

58、经历了新生经历了新生成熟成熟衰老衰老死亡的过程。死亡的过程。2.2. 已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的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。细胞，如血管内皮细胞。3.3. 干细胞的分裂与分化，如多能造血干细胞。干细胞的分裂与分化，如多能造血干细胞。五五 再生再生略略1.1. 指生物的器官损伤后，剩余的部分长出与原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。器官都具有再生现象。 生理性再生：即细胞更新

59、，如人的红细胞。生理性再生：即细胞更新，如人的红细胞。 修复性再生：壁虎的尾、蝾螈的断肢、螃蟹的肢。修复性再生：壁虎的尾、蝾螈的断肢、螃蟹的肢。 无性繁殖无性繁殖六六 细胞衰老细胞衰老又称老化，指细胞随着年龄的增加，机能和结构又称老化，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。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。水平以及分子水平等不同的层次。1. 个体衰老个体衰老

60、衰老意味着身体各个部分功能的衰退，渐渐发展衰老意味着身体各个部分功能的衰退，渐渐发展到不能执行功能。个体衰老过程具有以下特征：到不能执行功能。个体衰老过程具有以下特征：1) 衰老受遗传控制，但个体差异很大。衰老受遗传控制，但个体差异很大。2) 衰老受中枢神经系统影响，悲观、忧虑和烦躁的衰老受中枢神经系统影响，悲观、忧虑和烦躁的情绪会使衰老速度加快。情绪会使衰老速度加快。3) 衰老受环境条件影响。营养不良或营养过度导衰老受环境条件影响。营养不良或营养过度导致肥胖会加速衰老。致肥胖会加速衰老。4) 适当的体力运动可使身体机制的衰老减慢；经适当的体力运动可使身体机制的衰老减慢；经常的脑力活动也可使脑