细胞增殖与分化

第一节细胞增殖和细胞周期细胞增殖（cellproliferation）是细胞通过生长和分裂获得具有与母细胞相同遗传特征的子代细胞，从而使细胞数目成倍增加的过程。细胞的增殖活动使生命得以延续。它是细胞发育过程中的一个阶段，也是细胞生命活动的一种体现。一、概念细胞分裂(celldivision)可分为无丝分裂(amitosis)有丝分裂(mitosis)减数分裂(meiosis)三种类型。无丝分裂又称为直接分裂。表现为细胞核伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂，其间不涉及纺锤体形成及染色体变化，故称为无丝分裂。无丝分裂不仅发现于原核生物，同时也发现于少数高等生物组织中，如动物的上皮、间充组织及肌肉细胞等等。无丝分裂中子代的细胞核来源于亲代细胞核的断裂，因此两个子代细胞中的遗传物质可能不是均等的。有丝分裂又称为间接分裂，特点是有纺锤体染色体出现，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物。减数分裂是指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式，是高等动植物有性生殖时形成生殖细胞的分裂方式。细胞分裂有何意义？单细胞生物：细胞分裂

产生新个体。多细胞生物细胞分裂产生新细胞，补充衰老和死亡的细胞。多细胞生物细胞分裂产生有性生殖细胞。细胞增殖的意义：有丝分裂无丝分裂减数分裂体细胞的增殖方式生殖细胞的增殖方式细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。二、细胞周期细胞分裂与生长呈现周期性变化。从细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的间隔时期称细胞周期（cellcycle）。根据在显微镜下对细胞周期的研究将细胞周期划分为间期和分裂期（M期）。细胞周期的分期四个时期：DNA合成前期(pre-syntheticphase或gaplphase，G1期)DNA合成期(syntheticphase，S期)DNA合成后期(post-syntheticphase或gap2phase，G2期)有丝分裂期(M期)细胞周期时间(cycletime，TC)：细胞增殖过程所经历的时间细胞周期各个阶段所需时间分别为：

TG1、TS、TG2、TMTC=TG1+TS+

TG2+

TM单位:小时不同细胞的周期时相差别很大：TCTG1TSTG2TMTC-TG1小鼠食道上皮87757.24.10.712小鼠腹壁上皮1511396.25.30.512

人大肠粘膜241011.520.514

人宫颈癌2086.84.51.512人羊膜19.49.86.82.20.69.6大鼠肝47.528161.81.715.5人肺成纤维细胞16.86640.810.8细胞时相(小时)从表中可看出:不同细胞的TC差别很大TC与TG1的变化一致TS+

TG2

+

TM值比较稳定,约12-24小时TM较小,约1小时左右细胞周期分裂期（简称M期）分裂间期前期中期后期末期DNA合成前期（G1期）合成期（S期）DNA合成后期（G2期）问：如果观察一个正在进行有丝分裂的组织，处于哪个阶段的细胞会更多些？（时间占90—95%）（时间占5—10%）（一）G1期：RNA大量合成，蛋白质含量明显增加。DNA复制相关的酶系、G1期向S期转变相关的蛋白质在此期合成。如：胸腺嘧啶激酶、胸腺嘧啶核苷酸激酶、脱氧胸腺嘧啶核苷酸合成酶和DNA合成有关的酶等。装配核糖体。从增殖的角度来看，根据细胞能否顺利通过G1期R点，可将高等动物的细胞分为三类：1、终末分化细胞：失去增殖能力，合成功能性蛋白走向分化，又称不育细胞或终末细胞。2、持续增殖细胞：越过R点，继续增殖。3、暂不增殖细胞：即暂时从G1期退出细胞周期，不进行增殖，但在适当刺激下可重新进入细胞周期开始分裂的细胞，也称为G0期细胞。（二）S期：大量DNA复制的阶段；组蛋白及非组蛋白大量的合成；完成染色质的复制；中心粒的复制完成。S期活化因子（S-phaseactivator）：

DNA复制启动所需的一种启动信号；

G1期过渡到S期开始合成，到S其中期含量最高，S期末瞬即消失。（三）G2期：细胞分裂准备期；细胞中合成一些与M期结构、功能相关的蛋白质，与核膜破裂、染色体凝集密切相关的成熟促进因子亦在此期合成。核纤层磷酸化；合成微管蛋白。已复制的中心粒逐渐长大，并开始向细胞两极分离。M期进入M期后，细胞形态结构出现明显变化，生化特点主要是RNA合成中止，蛋白质合成减少，染色体高度螺旋化。为了便于描述，按细胞核形态变化特点，M期被人为的划分为前期(prophase)、中期(metaphase)、后期(anaphase)和末期(telophase)。①出现染色体、出现纺锤体②核膜、核仁消失间期分裂期（M期）

植物细胞有丝分裂过程前期纺锤丝染色体着丝点①所有染色体的着丝粒都排列在赤道板上②染色体的形态和数目最清晰前期中期植物细胞有丝分裂过程①着丝粒一分为二，姐妹染色单体分开，成为两条子染色体。并分别向两极移动。②染色单体消失，染色体数目加倍。中期后期植物细胞有丝分裂过程后期后期植物细胞有丝分裂过程后期①染色体变成染色质，纺锤体消失。②核膜、核仁重现。末期细胞板植物细胞有丝分裂过程末期②细胞板扩展成分隔两个子细胞的细胞壁末期细胞壁胞质分裂①在赤道板位置出现细胞板（由囊泡聚集而成）G2间期→前期→前中期→中期→后期→末期三、细胞周期的调控

细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视和调控来保证的。细胞周期的准确调控对生物的生命活动是十分重要的。（一）、细胞周期调控的相关蛋白细胞周期的调控有多种蛋白质因子参与，其中最主要的是细胞周期蛋白（cyclin）细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependentkinase，CDK）细胞周期蛋白激酶抑制因子（cyclinkinaseinhibitor，CKI，orCDKinhibitorproteinCIP）1、细胞周期蛋白1983年，以Hunt为代表的科学家在以海胆为对象研究细胞周期时发现。1983年TimothyHunt首次发现海胆卵受精后，在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈振荡，在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M结束后突然消失，下轮间期又重新合成，故命名为周期蛋白(cyclin)。(1)CDK的发现1988年M.J.Lohka纯化了爪蟾的细胞周期蛋白,这种蛋白与细胞进入有丝分裂期相关，因此命名为MPF（mitosis-promotingfactor，促有丝分裂因子。MPF由cdc2蛋白（一种相对分子质量34000的蛋白，即p34）和周期蛋白cyclinB结合形成，表现出蛋白激酶的活性，所以又被称为CDK1（周期蛋白依赖性蛋白激酶）。2、细胞周期蛋白依赖性激酶CDK2001年10月8日美国人Leland

Hartwell、英国人PaulNurse、Timothy

Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。LelandH.Hartwell

R.Timothy(Tim)Hunt

SirPaulM.Nurse

（2）cyclin对CDK活性调节CDK单独存在时没有激酶活性，当细胞周期蛋白与之结合后才发生构象改变，活性位点暴露从而激活，产生磷酸激酶活性。Cyclin不总是与CDK结合在一起而是在细胞周期不同阶段有规律的降解使CDK周期性失活。不同的CDK可以与多种cyclin结合。（3）cyclin分类目前发现的数十种，按他们与CDK结合并作用的细胞周期不同可以分为4大类：cyclinD

：在晚G1期与CDK4为主的几种激酶结合，使细胞通过G1/S期检查点，。cyclinE

：在G1期末与CDK结合，推动细胞DNA复制，使细胞由G1期向S期过渡。cyclinA

：在S期与CDK结合，是DNA复制起始所需。cyclinB

：在S期末与CDK1结合，促进分裂。（4）cyclin的降解cyclin的周期性降解使CDK周期性失活。泛素化（ubiquitination）与cyclin降解密切相关。3、细胞周期蛋白抑制因子细胞周期蛋白抑制因子又称为CDK抑制蛋白（cyclinkinaseinhibitoe，CKI，orCDKinhibitoryprotein，CIP）是一些对CDK激酶活性起抑制作用的蛋白，主要在检查点处抑制CDK活性而阻止细胞周期进程。CKI与促进细胞增殖的因素相互协调，共同控制细胞增殖周期的进程。（二）、细胞周期的调控细胞周期的3个转折点G1-S期转折点：起始点或R点；G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点；M后期-胞质分裂检验点：任何一个染色体没有正确连接到纺锤体上，都会使细胞周期中断。

细胞周期中的三个主要关卡（checkpoint）G1关卡(靠近G1末期,G1-S)G2关卡(G2期结束点,G2-M)中期关卡(中期末,M后期-胞质分裂)Cyclin－CDK复合物是细胞周期中的关键转折点的分子开关。它们的产生和降解协调的控制着细胞周期的进行。（三）、细胞生长因子生长因子（growthfactor）：是一类由细胞分泌的、类似于激素的信号分子，多数为肽类（含蛋白质）物质，具有调节细胞生长与分化的作用。生长因子与细胞生长、分化、免疫、肿瘤、创伤愈合等多种生理及病理状态有关。真核细胞G1早期受到生长因子的刺激后才能进入细胞周期，否则cyclin和CDK降解，细胞进入静止状态。生长因子作用于G0期细胞可以使之进入细胞周期。（1）生长因子的来源和作用方式1、生长因子的来源生长因子可以来源于多种组织作用于多种不同的靶细胞。2、生长因子的作用方式生长因子有旁分泌、自分泌、内分泌等作用方式。旁分泌：作用于临近细胞；自分泌：作用于自身；内分泌：分泌入血液，通过血液循环作用于远处细胞。3、生长因子的生物学效应主要表现在促进细胞生长、分化、促进个体发育等方面，如NGF、EGF。有些生长因子具有双重调节作用如HGF（肝细胞生长因子）。负调节作用：抑制细胞生长，如抑素（chalone）、肿瘤坏死因子（TNF）、TGFb、干扰素。（2）生长因子在医学研究中的应用1、在肿瘤诊断和治疗中的应用①干扰肿瘤细胞自分泌生长因子抑制其生长；②利用双向生长因子和抑素抑制肿瘤细胞生长；EGF抑制某些乳腺癌细胞生长③以某些生长因子作为肿瘤诊断的指标；IGF2（胰岛素样生长因子2）作为肝癌诊断的指标。2、NGF治疗神经系统疾病治疗神经损伤：外周神经损伤、糖尿病神经损伤，坐骨神经损伤；治疗神经退行性疾病：老年痴呆（阿尔茨海默病）、癫痫等3、生长因子在促进创伤愈合、组织再生中的作用治疗大面积烧伤、创伤、溃疡促进组织修复，减少瘢痕形成。现有EGF霜、EGF眼药水、EGF胃溃疡药的开发。四、细胞周期与医学

肿瘤治疗1、Ｇ0期的肿瘤细胞对化疗药物不敏感，又具有肿瘤复发的潜在危险性。根据细胞增殖的调控机理，可以利用血小板源生长因子激活Ｇ0期细胞，将它们驱入Ｇ１期，进入增殖状态，再用理化疗法就可以收到较为理想的效果。①非周期特异性药物，如氮芥、丝裂霉素等；②周期特异性药物，此类药只作用于增殖状态的细胞，对G0期细胞不起作用，如放线菌素D；③周期阶段性药物，如秋水仙素、长春新碱等是破坏纺锤体微管的形成，从而使细胞阻断于M期。放疗射线对G2期细胞敏感，而对其他时期敏感性低。２、细胞周期和用药根据细胞周期代谢活动特点选用不同的治疗药物是临床治疗的常规方法。３、用细胞或基因植入进行治疗抑癌基因的导入或原癌基因的置换等进行基因治疗被认为有深远前景。第二节细胞分化分裂成年人全身细胞总数约1012个。细胞种类有200多种。这么多种类细胞均来自一个受精卵.有丝分裂分化神经细胞红细胞肌肉细胞上皮组织细胞1、分化的定义：在个体发育中，相同细胞的后代，在形态、结构和功能上发生稳定性差异的过程。一、细胞分化分化的结果：产生形态、结构、功能不同的细胞。分化的对象：相同细胞2、细胞分化的意义？1）、是个体发育的基础。能形成具有特定形态、结构和功能的组织和器官。2）、使多细胞生物体中的细胞趋于专门化，有利于提高各种生理功能的效率和组织器官的修复。（一）在细胞间产生稳定性差异在高等生物，细胞分化是稳定的、不可逆的。如神经细胞和骨骼肌细胞、黑色素细胞（合成黑色素颗粒）。

（二）细胞分化的时空性1.分化方向的限定先于形态差异的出现2.细胞分化的有序性二、细胞分化的特征转分化（transdifferentiation）：即在某些条件下，一种表型的分化细胞可转变成另一种表型的分化细胞。如横纹肌细胞经转分化可形成神经细胞、平滑肌细胞、上皮细胞。①去分化（dedifferentiation）：是指分化细胞失去其特有的结构和功能变成未分化细胞的过程。如植物体细胞在一定条件下形成未分化的愈伤组织。②再分化：愈伤组织可进一步再分化形成植株。（三）细胞分化的可逆性1.随着胚胎的发育，高等动物的细胞由全能性→多能性→单能性。例如：受精卵有分化出多种细胞的潜能。多能造血干细胞可分化出红细胞、白细胞和血小板等。表皮干细胞就只能分化形成皮肤细胞。2.植物细胞为全能细胞。（四）个体发育中细胞分化的潜能性三、细胞分化潜能的影响因素（一）细胞的全能性(totipotency)：是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。

1.干细胞：即具有多潜能性的细胞。多潜能性细胞是指具有分化成有限细胞类型及构建组织的细胞。单能干细胞（monopotentialcell）亦称定向干细胞：仅具有分化形成某一种类型能力的细胞。由单能干细胞最终形成分化细胞类型称终未分化。

多能干细胞：如胚胎干细胞(embryostemcell)具有分化成多种细胞类型及构建组织的潜能；造血干细胞具有分化成多种血细胞能力。

2.细胞核始终保持其分化的全能性

将蛙囊胚的细胞核移入去核的卵母细胞中，指导细胞发育成了蝌蚪。1981年由Illmensee和Hoppen将小鼠囊胚细胞核移入去核的受精卵中，培养成囊胚，植入孕鼠子宫内，结果发育成了可育个体。1997年英国科学家Wilmut等将来自6龄绵羊的乳腺细胞移入去核卵母细胞后，得到世界上第一头克隆动物­­多莉羊。1.受精卵细胞质对细胞分化的影响受精卵的细胞质有一定的区域分布，即决定细胞向某一方向分化的初始信息有一定的区域分布。在卵裂时不同的胞质组分分配到了不同的子细胞中，使子细胞携带的分化信息有所不同，从而产生分化各异的细胞类型。如未受精的海胆卵，从动物极到植物极卵物质呈梯度分布，这种分布方式对细胞分化有着决定作用。见下图：（二）、影响细胞分化的因素随着胚胎细胞的增加，细胞之间相互作用影响胚胎的分化。胚胎诱导：即动物在一定的胚胎发育时期，一部分细胞影响相邻细胞的分化方向的现象。如眼的发生：蛙胚22天时，前脑两侧外凸形成视泡，并与外胚层上皮接触，诱导其内陷形成晶状体；视泡内陷形成视杯，晶状体嵌在视杯中。随后在视杯和晶状体的共同诱导下，外面的表皮分化成角膜。2.细胞之间的相互作用分化抑制：即完成分化的细胞可以产生称为抑素的化学物质，抑制邻近细胞进行同类分化。把正在发育的蛙胚置于含成体蛙心组织的培养液中培养，蛙胚不能发育成正常的心脏。分化抑制和胚胎诱导共同作用，才能完成胚胎的正常发育程序。位置效应：细胞所处的位置不同对细胞分化的命运也有明显的影响。改变细胞所处的位置可导致细胞分化方向的改变，这种现象称为位置效应。如鸡胚肢体形成过程中，4天胚龄时，腿芽及翅芽在组织学上是相同的，但它们在发育上并不是等效的。如果此时将翅芽整个顶部切除，以腿芽的顶部代替，则移植的肢芽细胞将分化成象腿的结构。环境因素对细胞分化可产生一定的影响。异常环境可以干扰细胞增殖和分化程序，使正常细胞转化为癌细胞，而适应环境条件又可使癌细胞逆转成正常细胞。畸胎瘤：动物的卵细胞偶尔可以未经排卵而被激活，在卵巢中发育，增殖分化失控，形成已分化的毛发、牙齿、腺上皮、骨以及未分化的干细胞杂乱聚集成无组织的肿块。嵌合体小鼠：如图3.环境因素影响细胞分化四、细胞分化与基因表达

细胞分化是由于基因选择性地表达了各自特有的专一性蛋白质，而表现出特定的遗传表型。一、分化细胞表达的基因类型：1.管（当）家基因(house-keepinggenes)：是指所有细胞均要表达的一类基因，其产物是维持细胞基本生命活动所必需的。2.组织特异性基因(tissue-specificgenes)或称奢侈基因(luxurygenes)：是指不