细胞分化与凋亡

线虫Caenorhabditis elegans是研究个体发育和细胞程 序性死亡的理想材料(生命周期短,细胞数量少). 线虫神经系统由302个细胞组成.这些细胞来自于407 个前体细胞.也就是说105个细胞发生了程序性死亡. 控制线虫细胞凋亡的基因主要有3个Ced-3,Ced-4和 Ced-9
(二),Fas诱导的细胞凋亡 ), 诱导的细胞凋亡
Fas与配体(如TNF)结合发生三聚 化,使胞内的DD区(Death domain) 与接头蛋白FADD的DD区结合. FADD N 端 通 过 DED 区 ( death effector domain)与Caspase-8前体 蛋白和CAP3结合,激活Caspase-8 .
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核 染色质 染色质 质膜 细胞质 线 粒体 高尔基体 尼氏体 包含物 核膜 增大,染色深 增大,染色深,核内有包含物 凝聚,固缩,碎裂, 凝聚,固缩,碎裂,溶解 粘度增加,流动性降低 粘度增加, 色素积聚, 色素积聚,空泡形成 数目减少,体积增大 减少, 碎裂 消失 糖原减少,脂肪积聚 减少, 内陷
Werner's syndrome
Hutchinson-Gilford syndrome
第三节 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,细胞死亡的方式
(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.
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,12~18岁生命结束, – 早衰症患者体内解旋酶发生突变 . – Caenrhabditis elegans的平均寿命仅3.5天,该虫age-1 单基因 突变,可提高平均寿命65%,提高最大寿命110%.
(二)遗传论学派
1,细胞有限分裂学说
– "Hayflick"极限,即细胞最大分裂次数. – L.Hayflick (1961)报道,人的成纤维细胞在体外培养时增殖次 数是有限的(60~70代). – 细胞增殖次数与端粒DNA长度有关.
2,重复基因失活学说:如哺乳动物rRNA基因数随年龄 而减少.
一,人体细胞的动态分类
1. 更新组织:如上皮细胞,血细胞.构成更新组织的细胞 可分为3类:① 干细胞, ② 过渡细胞, ③成熟细胞. 2. 稳定组织:可补偿性增生,如:肝,肾细胞. 3. 恒久组织:细胞不再分裂,如神经,骨骼,心肌细胞. 4. 可耗尽组织:如人类的卵巢实质细胞.
二,细胞衰老的特征 (一)形态变化
Gene and Development
HOX mutant Antenna—leg
Bithorax mutant
三,成体中的细胞分化
①已存在的细胞功能由弱,强,减退到丧失.经历了新 生→成熟→衰老→死亡的过程. ②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. ③干细胞的分裂与分化,如多能造血干细胞.
3,fas , fas又称作APO-1,属TNF受体和NGF受体家族. 1993年人白细胞分型国际会议统一命名为CD95. fas基因编码产物为分子量45KD的跨膜蛋白. Fas蛋白与Fas配体组成Fas系统,二者的结合导致靶 细胞走向凋亡.
4,ICE蛋白酶家族 ICE蛋白酶参与Fas诱导的细胞凋亡,与线虫细胞凋亡 基因ced-3同源. ICE又称为Caspase,能选择性降解蛋白质. ced-4 在 哺 乳 动 物 中 的 同 源 体 为 Apaf-1 (apoptotic protease activating factor-1),能激活Caspase3 ,这 一过程需要细胞色素c(Apaf-2)和Apaf-3的参与.
2,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. 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;控制其它基因的表达: – 母体基因→ 间隙基因→ 成对基因→体节极性基因→同源异 形基因(homeotic gene,Hox)
第十五章
细胞分化与凋亡
CELL DIFFERENTIATION AND CELL DEATH
第一节 细胞分化
细胞后代在形态,结构和功能上发生差异的过程. 每个人的一生中都在进行着细胞分化. 细胞分裂的不对称性和细胞间的相互作用是细胞分化 的两个基本机制.
一,细胞全能性
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.
– CAD 为caspase-activated Dnase,存在于胞质中.
线粒体在CD95诱导的凋亡中的作用: Caspase 引 起 线 粒 体 PT ( Permeability transition)孔打开,导致线粒体的跨膜电位下 降; 细胞色素C被释放到胞质中,激活Caspase-9, 后者再激活Caspase-3. Bcl-2,Bcl-xl均作用于线粒体.
(二)分子水平的变化
1. DNA:复制与转录受阻,端粒DNA,mtDNA缺失. DNA氧化,断裂,缺失和交联,甲基化程度降低. 2. RNA:含量降低. 3. 蛋白质:含成下降,发生修饰,交联. 4. 酶分子:活性中心被氧化,金属离子丢失,酶分子的 二级结构,溶解度,等电点发生改变,酶失活. 5. 脂类:不饱和脂肪酸被氧化.
2,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.
– 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.
3,细胞数量效应
– 小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时,可发育成具有功 能的胰腺组织,但如果把胰原基切成8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 腺组织.
4,细胞外基质的影响
– 干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞; – 在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞; – 在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞.
5,激素的作用
– 如昆虫的保幼激素和脱皮激素.
(三)细胞核与细胞分化
1,染色体结构的变化 1)基因删除:原生动物,昆虫,甲壳动物. 2)基因扩增:果蝇多线染色体. 3)基因重排:免疫球蛋白基因(106~108种抗体). 4)DNA的甲基化与异染色质化:胞嘧啶的甲基化使基因 失活.
(二),细胞凋亡cell apoptosis
Kerr( 1972)最先提出,与细胞坏死的区别是: ①细胞通过出芽的方式形成许多凋亡小体; ②凋亡小体内有结构完整的细胞器; ③不引起炎症; ④线粒体无变化,溶酶体活性不增加; ⑤内切酶活化,DNA有控降解,凝胶电泳图谱呈梯状; ⑥凋亡通常是生理性变化,而细胞坏死是病理性变化.
– 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.
– 60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖,90年代末多利羊的诞 生都证明了分化细胞具有完整的DNA.
二,细胞分化的机理
(一)细胞分裂的不对称性
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; – 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.
三,细胞衰老的分子机理
(一)差错学派 1,代谢废物积累:如:脂褐质 3 3,自由基攻击:导致DNA,蛋白质变异,正常细胞内 DNA 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.
– Ced-3和 Ced-4的作用是诱发凋亡; – Ced-9抑制Ced-3,Ced-4的作用.
2002年10月7日英国人悉尼布雷诺尔,美国人罗伯特霍维 茨和英国人约翰苏尔斯顿,因在细胞程序性死亡方面的研 究获诺贝尔诺贝尔生理与医学奖.
Sydney Brenner
H. Robert Horvitz John E. Sulston
(二)细胞间的相互作用
1,胚胎诱导(embryonic induction) :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. 诱导者(inductor) :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板,神经沟和神经管; – 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体,而晶体又可诱导外胚层 形成角膜.
Caspase-8自剪切活化,激活Caspase-3,Caspase-7 Caspase-3激活Caspase-6. Caspase可降解结构蛋白,信号蛋白,转录调控蛋白, 周期蛋白等等. Caspase 还可 降解 CAD的 调 节 蛋白 , 释 放出 CAD, CAD进入细胞核降解DNA.
四,再生wenku.baidu.com
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. 再 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. 3. 无性繁殖
第二节 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.
(一)细胞凋亡相关基因
与细胞增殖有关的原癌基因和抑癌基都参于对细胞凋 亡的凋控.其中研究较多的有bcl-2 c-myc,p53,Ice, Fas/APO-1等. 1,myc c-myc对增殖和凋亡的调节是一样的.当生长因子存在, bcl-2基因表达时,促进细胞增殖,反之细胞凋亡.
2,bcl-2 细胞凋亡抑制基因,名称来源于B细胞淋巴瘤/白血病2(B-cell lymphoma/Leukemia-2,bcl-2). bcl-2 能够编码 bcl-2α(26KD)和 bcl-2β(22KD)两 种蛋白质,是膜的整合蛋白,主要存在于线粒体外膜, 核膜及部分内质网中. bcl-2的功能相当于线虫中的ced9.
动物卵细胞中贮存有大量mRNA,呈非均匀分布;
– 用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵,胚胎发育仍能进行 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.
– 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,用紫外线照射这一区域,破 坏极质,卵将发育为无生殖细胞的不育个体.
胸腺细胞
正常 凋亡
正常
胸腺细胞
凋亡
(三),细胞程序性死亡
细胞程序性死亡(programmed cell death, PCD)是一种基因指导的细胞自我消亡方式. PCD和细胞凋亡的区别在以下方面:
– PCD是功能性概念,凋亡是形态学概念. – PCD的最终结果是细胞凋亡,但细胞凋亡并非都是 程序化的. – PCD存在于胚胎发育过程中.