细胞分化、凋亡、衰老与癌变简介

1、细胞分化 在个体发育中，后代细胞在形态、结构和生理功能上发生差异的过程叫做细胞分化。分化能力的强弱叫做发育潜能。具有不断进行分裂和分化能力，既可自我更新，又能产生进一步分化的细胞叫做干细胞。细胞分化的基本特征一、形态结构发生差异多细胞生物成体中，各种细胞在直观上表现出大小、性状和结构上的差别。这种差别一般与细胞的功能相适应。大多数细胞以结合成组织和器官的形式存在，因而细胞的形状一般与其存在的部位和形式的功能有关二、差别基因表达一般来说，体内各种细胞均含有物种的全部基因，但是在细胞中不是全部基因都在活动，通过分子杂交实验表明，在任何时间一种细胞的基因组只有一部分基因在活动能够。表达的基因大致分为

2、两类，一是持家基因：维持细胞生存所必须的，这类基因在各种细胞中都处于活跃状态。二是在核中细胞中转移选择表达的，这类基因叫组织专一基因。不同类别细胞的基因选择火哦的那个的现象称为差别基因表达差别基因表达的原因a.基因转录水平的调控：增强子的类型和位置在不同基因中存在很大差异可调控基因的差别表达；不同的转录因子组合调节不同的专一基因表达等。b.转录后加工水平上的精密调控：由DNA最初转录的RNA，在某些细胞中被完全降解，而在另一种细胞中可被加工成mRNA；通过前体RNA的选择性剪接可产生出不同的mRNA和蛋白；mRNA的专一性降解也是控制基因表达的有效途径。C、翻译和翻译后加工与修饰水平的调控：m

3、RNA的翻译效率； mRNA的稳定性和半衰期； 翻译后蛋白的修饰和选择性剪接等。D、染色体和DNA水平的调控：DNA甲基化对基因转录表达活性具有调节作用；染色体的凝缩状态对基因转录表达活性的影响。三、细胞分化方向的限定先于相态差异的出现 细胞在发生形态差异之前的一定时间，细胞分化命运即已确定。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。具有全能性的胚胎细胞和多能性的干细胞水平上，细胞间没有表现出形态上的差异，但经过多代分裂，所产生的子细胞却限定向一定方向发育。即细胞的分化方向的限定早于形态差异的出现，细胞决定即意味着细胞内部已发生了稳定的变化，基因活动模式已开始发生改变。四、细胞的生理

4、状态随分化程度而有所不同 成体中的细胞，分化程度有所不同。随着分化程度的提高，细胞的生理活动发生了明显的变化。发育潜能发育潜能（developmental potential）细胞分化能力的强弱。如受精卵具有分化出各种组织和细胞的潜能，并能发育成完整的个体多能性（pluripotency）随着胚胎的发育，有的细胞虽然仍具有分化出多种组织的潜能，但却失去了发育成完整个体的潜能，细胞具有的这种发育潜能称为多能性。如哺乳动物囊胚的内细胞团细胞具有分化出各种组织的多能性单能性（monopotency）只能分化出一种细胞的能力。全能性：细胞的全能性是指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。

5、干细胞是机体中能自我更新（产生与自身相同的子代细胞）和多向分化潜能（分化形成不同的细胞类型）并具有形成克隆能力的一类细胞。根据发育潜能的不同，则可将干细胞分为全能干细胞、多能干细胞、和单能干细胞。根据来源不同，干细胞又可分为胚胎干细胞和成体干细胞干细胞特性：A、本身不是终末分化细胞；B、可不受限制地进行分裂；C、分裂后的细胞命运不同，有的被限定进入终末分化过程，有的仍保持为干细胞属性。全能性 细胞的全能性是指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。动物的受精卵操起的胚胎细胞是具有全能性的细胞。植物的体细胞在适宜的条件下可培育成正常的植株。这不仅为细胞的全能型提供了有力的证据，而且也

6、广泛地应用在植物基因工程的实践中。植物细胞的全能性植物细胞的全能性发育潜能上植物细胞不同于动物细胞，高度分化的植物细胞仍具有发育成完整植株的能力，也就是说植物细胞具有全能性。例如马铃薯的块根和番薯的块茎进行栽培繁殖。用悬浮培养的胡萝卜根的韧皮组织培养出了完整的新植株。高度分化的细胞核仍保持着全能型动物细胞的分化潜能随着分化程度的提高而变窄，但这种分化潜能的变化是对细胞整体而言的，对细胞核来说，高度分化的细胞仍保留着物种的全套基因组，因此高度分化的细胞核仍具有全能性。实验例证一、细胞核移植实验细胞核移植是研究核质关系的重要手段细胞核移植就是将供体 HYPERLINK /item/%E7%BB%8

7、6%E8%83%9E%E6%A0%B8/601964 t /item/%E7%BB%86%E8%83%9E%E6%A0%B8%E7%A7%BB%E6%A4%8D/_blank 细胞核移入除去核的 HYPERLINK /item/%E5%8D%B5%E6%AF%8D%E7%BB%86%E8%83%9E t /item/%E7%BB%86%E8%83%9E%E6%A0%B8%E7%A7%BB%E6%A4%8D/_blank 卵母细胞中，使后者不经过精子穿透等有性过程即无性繁殖即可被激活、分裂并发育成新个体，使得核供体的 HYPERLINK /item/%E5%9F%BA%E5%9B%A0 t /i

8、tem/%E7%BB%86%E8%83%9E%E6%A0%B8%E7%A7%BB%E6%A4%8D/_blank 基因得到完全复制。例如将蛙囊胚的细胞核移入到去核的卵母细胞中，结果这一核质杂交体发育成了蝌蚪。动物移核试验证明，不仅已分化的胚胎细胞的核具有指导卵质杂交体发育成为成熟个体的全能性，而且高度分化的体细胞的核也具有发育全能性，分子杂交实验把从小鼠脑、肾、胸腺、脾、肝组织提取的DNA，分别与L细胞（一种小鼠肿瘤细胞系）DNA共同对小鼠胚胎DNA进行竞争杂交，结果表明，来自各种组织的DNA的竞争结合率和结合量都一样。三、细胞融合启动基因的表达细胞融合技术可以检验细胞中不表达的基因是否存在和

9、是否仍保持表达活性。细胞融合实验证明分化细胞中存在着“闲置不用”的结构基因。大鼠的肝肿瘤细胞与其成纤维细胞融合，筛选出含有两套肝细胞染色体和一套成纤维细胞染色体的杂交细胞。此杂交细胞保持了合成三种酶的能力，而成纤维细胞从不合成这三种酶。这说明小鼠成纤维细胞中存在着不表达的而却在肝细胞中专一表达的基因。特定条件下，这些闲置基因又重新表达。上述实验都表明随着各种体细胞分化程度的提高，其发育潜能有所变窄，每一种细胞只有一小部分基因表达，但是各种细胞的基因组是等值的。也就是说分化细胞中不表达的基因仍然存在，保持着重新启动表达的潜能。动物的受精卵和最初几次卵裂产生的裂球，以及植物的体细胞，都具有发育成完

10、整个体的潜能，细胞的这种潜能称为全能性。高度分化的动物细胞，虽然失去了发育成完整个体的能力，但是细胞核的基因组仍保持完整，具有指导移核卵细胞发育成完整个体的能力，因此核具有全能性。细胞的全能型和细胞核的全能型不能混为一谈，细胞在分化过程中逐步失去了全能性。分化的细胞核具有全能性，是针对基因组而言。细胞间相互作用和环境因素对细胞分化的影响（一）胚胎诱导(embryonic induction)动物在一定的发育时期，一部分细胞影响相邻细胞分化方向的作用。（二）细胞数量效应 必须达到一定的数量才能发育成相应的组织。（三）激素的作用：发育晚期激素的调节作用很大。蝌蚪成蛙，包括尾的退化和前后肢的形成。（

11、四）环境对细胞分化的影响。 温度变化对海龟性别的影响：低温，全雄性；高温，全雌性。细胞质在细胞分化中的作用受精卵细胞质的不均一性个体发育从受精卵喀什，经过卵裂和胚胎发育分化出各种组织和细胞，不同细胞的产生往往与细胞获得不通过的性质的细胞质有关。受精卵中不同物质对卵裂球后代的分化方向具有决定性作用。细胞质决定子决定子是指卵和胚胎细胞中所含的蛋白质和RNA性质的细胞质因子，这些细胞质因子通过细胞分裂被不均等地分配到子细胞中，不同性质的决定自影响着细胞向不同方向分化。细胞核对细胞分化的作用？细胞质对细胞分化的作用？细胞凋亡细胞死亡概念以及分类概念细胞死亡（cell death）：是细胞衰老的结果，是

12、细胞生命现象不可逆的停止及细胞生命的结束。判断细胞死亡的标志：台盼蓝染色法，活细胞不会被染成蓝色，而死细胞会被染成淡蓝色。更重要依据：看细胞是否具有功能和繁殖能力类型1.细胞坏死 （cell necrosis）：指受到环境因素，如温度、射线、渗透压、化学试剂及病毒、细菌感染等意外的影响，导致细胞死亡的病理过程。2.程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）或细胞凋亡（apoptosis）：是体内细胞发生主动的、有基因控制的自我消亡方式。（生理或病理性死亡）。细胞凋亡并不危及相邻的细胞，不发生炎症。细胞死亡特征细胞坏死特征：细胞质膜和核被膜破裂，细胞骨架和核纤层解体。细

13、胞质溢出，影响到周围细胞，发生炎症反应。与细胞凋亡不同，细胞坏死过程中染色质不发生凝集，也不产生有规律的DNA降解片段，而是被随即分解，琼脂糖凝胶电泳时呈弥散状分布，俗称拖尾现象，可以利用这一现象区分细胞凋亡和细胞坏死。细胞凋亡特征（形态学过程）：凋亡的起始：早期细胞表面的特化结构(如微绒毛)消失，细胞连接消失， 细胞皱缩(cell shrinkage)，但细胞膜依然完整。染色质浓缩(chromatin condensation) ，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜边缘分布（核着边）凋亡小体的形成：随后凋亡小体(apoptotic bodies)形成：染色质断裂，与某些细胞器一起聚集，被质膜

14、所包围。细胞表面产生了许多泡状突起，即凋亡小体。吞噬：最后凋亡小体逐渐被邻近细胞吞噬。细胞凋亡最重要的特征，是整个过程中细胞膜保持完整，内含物不泄露到细胞外，因此不引发机体的炎症反应。细胞凋亡的检测方法形态学观察法应用各种染料可观察凋亡细胞的形态学特征。有些染料如台盼蓝，无法进入到活性，但是能使死细胞着色。DNA电泳 细胞凋亡时，细胞内特异性核苷酸内切酶活化，染色质DNA在核小体期间被特异性切割，DNA降解成整倍数片段，因此凋亡细胞中提取的DNA在进行常规的琼脂糖凝胶电泳时，这些大小不同的DNA片段就呈现出梯状条带。这一方法是鉴定细胞凋亡最简便可靠的方法之一。细胞凋亡的基本过程细胞凋亡过程可分

15、为4个阶段：引发、执行、吞噬和清除 通常有三类蛋白质参与细胞凋亡过程，即调节物，衔接物和效应物。调节物起促进或抑制凋亡的作用，当有营养因子存在的情况下能抑制细胞凋亡。衔接物即和调节物结合，也和效应物结合，缺少营养因子时，衔接物激活效应物。此处的效应物为胱冬肽酶，被激活后切割细胞内各种底物，最后导致细胞死亡。通常胱冬肽酶是以无活性酶原的形式存在，因此细胞凋亡过程必须激活胱冬肽酶原。内在途径的细胞凋亡B家族是存在于线粒体外膜上的蛋白质，有的为抗凋亡蛋白质，有的为促凋亡蛋白质如和。当细胞处于逆境或受到损伤时，就被家族其他成员激活，破坏了线粒体的完整性，释放出细胞色素。凋亡途径启动的关键开关就是线粒体

16、释放的细胞色素。细胞色素从线粒体外室释放到细胞质溶质，与衔接蛋白Apar结合，促进了胱冬肽酶的级联反应，即使胱冬肽酶酶原变为胱冬肽酶，胱冬肽酶又使胱冬肽酶酶原变为胱冬肽酶，进而切割底物，导致细胞死亡。外来信号引起的凋亡凋亡信号常来自细胞外信号，如杀伤性淋巴细胞引起的靶细胞凋亡杀伤性淋巴细胞的表面有一种FasL蛋白，可发出死亡信号。FasL可识别靶细胞表面的Fas蛋白。Fas与FasL结合引起细胞凋亡。衔接蛋白FADD与死亡域相连，又和caspase原8相连。群集的caspase原8可相互切割，产生caspase8。Caspase8进而切割caspase原3，具有活性的caspase3可激活DN

17、aseCAD，CAD进入核中，将DNA切成片段，细胞凋亡。凋亡细胞被吞噬的机制（凋亡细胞的清除）细胞凋亡后形成的凋亡小体，被邻近的巨噬细胞所吞噬。正在凋亡的细胞表面出现外翻的磷脂酰丝氨酸的凋亡信号。磷脂酰丝氨酸可被连桥蛋白结合，连桥蛋白又可和巨噬细胞的磷脂酰丝氨酸受体结合，使凋亡细胞被吞噬。Caspases非依赖性的细胞凋亡Caspases敲除后，细胞仍然可以发生凋亡。除了细胞色素c之外，线粒体能够向细胞质内释放多个凋亡相关因子。凋亡诱导因子（AlF）是第一个诱导非Caspases性细胞凋亡的蛋白，位于线粒体膜外膜。在凋亡过程中，AlF从线粒体释放到细胞质基质中，进而进入细胞核，引起核内DNA

18、聚集并断裂成片段。线粒体释放的另一个因子限制性内切核酸酶G也能引起Caspases非依赖性细胞凋亡。受到凋亡信号的刺激后，限制性内切核酸酶G从线粒体中释放出来进入细胞后，对核DNA进行切割。在Caspases未被激活的情况下，产生典型的以核小体为单位的DNA片段。胱冬肽酶一组存在于细胞质中参与细胞凋亡调控的具有类似结构的蛋白酶，其活性位点为半胱氨酸残基，能特异性的切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键，称为天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶。哺乳动物caspase家族现发现有15种其家族成员具有如下特征：.活性有由两个大亚基和两个小亚基组成。.具有相同的催化部位.具有自身活化和活化其他胱冬肽酶的能力酶

19、原含有三个区：端区、大亚基、小亚基Caspase酶原激活依赖于其他的Caspase，激活后引起caspase级联放大反应在细胞凋亡过程中，胱冬肽酶具有以下几方面的作用保护细胞不发生凋亡的抗凋亡蛋白质失活引起细胞结构解体：细胞凋亡时，核纤层蛋白受到胱冬肽酶的切割，造成核纤层解体。核纤层解体导致染色质凝缩。影响核酸调节蛋白的功能：有些蛋白质对核酸合成和加工过程有调节作用，这些蛋白质被胱冬肽酶切割后，即失活或失控，这些重要的自身调节和修复功能的丧失，便促进了细胞的解体。线粒体在细胞凋亡中的关键作用即使胱冬肽酶失活，促凋亡因子最终也会导致细胞比较缓慢地发生非调往性死亡。某些促凋亡蛋白，如，即便在胱冬肽

20、酶失活的情况下，也能引起线粒体损伤和死亡。细胞中存在着一种注定细胞死亡的机制，线粒体影响细胞死亡的变化电子传递链和能量代谢受到破坏释放胱冬肽酶激活蛋白：线粒体在细胞凋亡中具有重要作用，这表现在能抑制核固缩和DNA片段化依赖于线粒体的存在；而加入脱氧腺苷三磷酸诱发胱冬肽酶激活也依赖于线粒体释放细胞色素细胞色素一旦释放即限定细胞必然要死亡，作用机制在于介导的胱冬肽酶激活引起细胞快速凋亡。另外电子传递链崩溃而导致细胞缓慢坏死。产生活性氧类物质：线粒体是细胞产生超氧阴离子的主要来源，其改变了细胞的氧化还原反应，所以活性氧类物质对细胞对细胞凋亡产生了影响。二、渗透转变孔（PT孔）的作用线粒体内膜跨膜电位

21、的耗散是细胞凋亡的变化之一，这表明线粒体的导电通道开放，即为线粒体的渗透转变孔。PT孔的开放可使线粒体基质与膜间隙的离子发生平衡，解除了跨膜内的氢离子浓度梯度，导致呼吸链解偶联。PT孔开放抑制剂，如环孢素可阻断细胞凋亡，说明PT孔的开放在凋亡过程中具有重要作用。家族蛋白的作用家族存在于线粒体内膜，内质网膜和核被膜的细胞质膜面，其对若干线粒体变化具有调节作用。由此可见，在细胞调节过程中，线粒体起了很重要的作用，是凋亡级联反应的关键环节。细胞凋亡的意义发育过程中调节机体细胞数目的平衡和稳定，不需要的组织器官的消失，衰老细胞的清除，肿瘤监视和免疫系统中起作用。凋亡失调导致疾病发生。哪些因素决定细胞发

22、生凋亡：存活因子（如生长因子）的撤除死亡因子（FasL，TNF）作用内部因素刺激物理性因子，包括射线（紫外线，射线等）和的温度刺激（如热激，冷激）等细胞衰老细胞衰老一般的含义是指复制衰老，即体外培养的正常细胞在经过有限次数的分裂后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。即增殖能力逐渐减弱的现象，端粒缩短是细胞衰老的重要特征。另外还有核膜内折、染色质凝缩、内质网蛋白合成量减少、肿胀，细胞内脂褐质积累，细胞间连接减少等变化。一、Hayflick界限(Hayflick Limitation） 细胞，至少是培养的二倍体细胞，它们的增殖能力不是无限的，而是有一定的界限，这就是 Hayfli

23、ck界限。二倍体细胞的衰老是由细胞本身决定的，是细胞核而不是细胞质决定了细胞衰老。二、细胞衰老的分子机理学说氧化性损伤学说：代谢过程中产生的活性氧基团或分子（ROS- O2-， OH- ， H2O2 ），引发的氧化性损伤的积累，最终导致衰老。 端粒与衰老：发现端粒长度确实与衰老有着密切的关系，提出细胞衰老的“有丝分裂钟”学说（Harley,1990）。（人的生殖细胞以及能够无限分裂的癌细胞中存在端粒酶，正常体细胞中端粒酶处于失活状态，将活化的端粒酶导入正常的人细胞中使端粒不再缩短，细胞的复制寿命增加了近倍）rDNA与衰老:单细胞生物的细胞衰老即个体衰老。 在酵母生命周期中某个时刻，通过同源重组

24、，一个环形拷贝的DNA的染色体中分离出来，并在之后的细胞周期中形成环形RNA（ERC） ，ERC几乎都集中在母细胞，而不进入子细胞。酵母染色体外rDNA 环（ERC）的积累，ERC的掠夺了DNA正常复制和转录所需要的重要物质，从而抑制了细胞的增殖，导致细胞衰老。细胞癌变癌细胞的主要特征形态方面细胞外形改变：微绒毛、丝足和片足缩回，表面圆泡增加，细胞外形变圆细胞骨架紊乱，微管变短、排列紊乱，微丝结构发生结构异常核异常：核的大小发生改变，参差不齐，核型明显异常。发生基因扩增或缺失，染色体发生丢失质膜结构发生变化：间隙连接减少或消失，细胞通讯受阻生理变化无限分裂：在适宜条件下，癌细胞可不停地无限增殖，失去了最高分裂次数接触抑制现象丧失：正常细胞生长到相互接