第九章 细胞分化、衰老和死亡

第九章 细胞分化、衰老和死亡

受精　受精卵　卵裂　　囊胚　　胎儿　成人

1个细胞　　　　　　　　 2×1014 个细胞 细胞增殖（ Cell Proliferation ）

人体发育的一般过程

1 种细胞

200 多种细胞

第一节 细胞分化

Cell Differentiation

一、细胞分化的概念 在个体发育过程中，同一来源的细胞经过细胞增殖，细胞之间逐渐在形态结构、生理功能和生化特性等方面产生稳定差异的过程。

稳定差异如何产生是否是细胞核中的遗传物质变化造成的？

分化细胞中的遗传物质无变化！

• DNA 含量无变化• 染色体数目无变化• 基因数量无变化 ↓ ↑• 分子杂交实验• 核移植实验

两栖类的体细胞核移植实验

朱洗童第周

Dolly 诞生证明体细胞核的全能性

二、细胞分化的基础

细胞稳定产生特异性蛋白质是细胞定向分化的的基础。 血红蛋白 肌动、肌球蛋白 γ －球蛋白

红细胞肌细胞浆细胞

中胚层

细胞分化的实质是细胞按照一定的程序发生的差别基因表达(differential gene expression) ，又称基因的差次表达。

差别基因表达 : 发育过程中，细胞基因组中的基因严格按照时空顺序相继活化的现象。

人出生前后红细胞珠蛋白各基因表达的变化

奢侈基因(Luxury gene)

管家基因(House-keeping gene)

XYZ

XYZ XYZ

XYZ XYZXYZ XYZ

XYZ XYZXYZ XYZXYZ XYZXYZ XYZ

管家基因（ House-keeping gene ） : 指维持细胞最低限度功能所不可缺少的基因，在各类细胞的任何时间内都在表达，是细胞生存所必需的，而对细胞分化一般只起协助作用。如核糖体蛋白基因等。

奢侈基因（ Luxury gene ） : 指与各种分化细胞的特殊形状有直接关系的基因，丧失这类基因对细胞的生存并无直接影响，又称组织特异性基因 (tissue-specific gene) 。如血红蛋白基因等。

管家基因 奢侈基因存在细胞 所有细胞 特定的分化细胞表达特点 细胞周期的任何时期都表达 特定的时间和空间内表达与生存的关系 细胞生存所必需的 对细胞的生存无直接影响与分化的关系 对细胞分化只起协助作用 对细胞的分化起决定性作用

管家基因编码的蛋白种类•膜的蛋白•核糖体蛋白•线粒体蛋白•组蛋白•催化能量代谢的各种酶系

•皮肤角蛋白•血红蛋白•肌动蛋白•肌球蛋白

奢侈基因编码 的蛋白种类

细胞分化实际上是特定的奢侈基因选择性表达的结果

• 稳定性：分化细胞间的差异是稳定的• 预定性 : 分化方向的确定早于形态差异• 时空性：受发育阶段和所处环境的调控• 限制性：分化潜能和生理功能逐渐变窄

三、细胞分化的特点

分化细胞间的差异是稳定的，一旦分化，很难逆转。（一）稳定性

去分化 (dedifferentiation)

已分化的细胞可失去已经获得的特有的结构和功能，重新获得未分化细胞的特征。

Chen S, Zhang Q, Wu X, Schultz PG, Ding S. Dedifferentiation of lineage-committed cells by a small molecule. Am Chem Soc. 2004; 126(2):410-1.

转分化 (trans-differentiation)

一种类型的分化细胞可以转变成另一类型的分化细胞。

Horb, M.E., Shen, C.N., Tosh, D. and Slack, J.M.W. Experimental conversion of liver to pancreas. Curr Biol. 2003;13(2):105-15.

Li WC, Yu WY, Quinlan JM, Burke ZD, Tosh D. The molecular basis of transdifferentiation. J Cell Mol Med. 2005;9(3):569-82.

在个体发育过程中，细胞在发生可识别的形态变化之前，就已经确定了未来的发育命运，只能向特定方向分化。细胞的这种状态称决定 (determination)

（二）预定性

胚胎移植实验

J.W. Saunders et al., Dev. Biol. 1:281-301, 1959

鸡胚移植实验

非洲爪蟾三胚层细胞混和后P.L. Townes and J. Holtfreter, J. Exp. Zool. 128:53-120, 1955

时间上的分化 空间上的分化

（三）时空性

随着细胞分化程度的提高：• 分化潜能逐渐变窄；• 分裂能力逐渐下降；• 反应能力逐渐下降。

（四）限制性

胚胎细胞的分化潜能

受精卵 细胞团 囊胚 胎儿 成体全 能

totipotency如受精卵多 能

Pluripoteny如胚胎干细胞 (ES)

专 能 Unipotency如神经细胞

胚胎的发育过程是一个细胞分化潜能逐渐被限制过程

受精卵囊胚 原肠胚

内胚层 中胚层 外胚层

胰腺、胃、肺肌肉、肾、骨骼

神经、皮肤

四、细胞分化的影响因素（了解）

(determinants) 细胞诱导 细胞抑制

五、细胞分化的基因表达调控（了解）

顺式作用元件反式调控元件 (转录因子 )DNA 甲基化染色质活性调控区

同源异型基因hnRNA差别加工

DNA

mRNA

蛋白质

转录水平( 最重要 )

基因水平

翻译水平翻译后水平

果蝇发育过程

果蝇 Hox 基因突变后

细胞异常分化是恶性细胞的特征五、细胞分化与肿瘤细胞 (自学 )

第二节细胞衰老与死亡

Cell senescence and Cell death

aging

一、 细胞衰老（了解） 细胞的增殖能力减弱、内部结构衰变、细胞生理功能衰退或丧失的现象。 细胞衰老与细胞寿命有关。

（一）细胞的寿命1 、细胞寿命与机体的寿命不完全一致。2 、有机体整体水平的衰老是细胞衰老 变化的反映；3 、有机体衰老的内环境也必然影响着 全身的细胞，导致细胞衰老。

( 二 ) 细胞衰老的特征

• 细胞器退行性变化• 细胞核固缩 , 染色加深• 细胞呼吸速率减慢

• 细胞水分减少• 酶活性降低，各种惰性物质堆积

（三）细胞衰老的机理 遗传决定学说遗传决定学说 ::长寿与早衰的家族性长寿与早衰的家族性氧化损伤学说：氧化损伤学说：““ SOD”SOD”端粒钟学说端粒钟学说 : : “telomere clock”“telomere clock” 差错灾难假说差错灾难假说 : : DNADNA 复制、转录及翻 复制、转录及翻 译差错 译差错

代谢废物学说：代谢废物学说：代谢废物积累代谢废物积累其他其他

二、细胞的死亡 ——细胞生命现象的终结非正常死亡：细胞坏死（ necrosis ）正常死亡： 细胞自然衰老导致死亡； 受神经 - 内分泌的生理调节引起的死亡 生理性杀死 细胞程序性死亡 (programmed cell death, PCD)

又称细胞凋亡（ apoptosis ）

（一）细胞凋亡 (apoptosis) 现象

C.elegans

指细胞在生理或病理条件下由基因控制的自主有序的死亡过程，形态学改变为细胞皱缩、核内染色质浓缩、质膜出泡，形成凋亡小体，然后被巨噬细胞等吞噬销毁，不引起炎症反应。 这是个体发育中维持机体自稳的一种机制，并与细胞周期、细胞癌变、细胞病理改变之间有着密切的联系。

（二）细胞凋亡 (apoptosis) 的概念

胞核：染色质断裂、凝集，产生边界清晰、密度一致的颗粒状物质，呈半月状、块状或帽状位于核膜下。胞质：浓缩，细胞和核外轮廓卷曲皱折，形成凋亡小体 (apoptotic body) 。胞膜：磷脂酰丝氨酸（ Ps ）外翻暴露于细胞表面。生化： DNA 梯状分布 (DNA ladder) 。

（三）细胞凋亡的特征

apoptotic body 和 DNA ladder 是细胞凋亡最典型的特征

（四）细胞凋亡与死亡

特征 坏死 凋亡刺激 毒素、严重缺氧、严重损伤和缺乏 ATP 的病理情况

无缺乏 ATP 的生理和病理情况能量需求 不 依赖 ATP

形态学 细胞肿胀、细胞器破裂、组织斑片状死亡染色质浓缩、胞膜及细胞器相对完整，细胞皱缩，核固缩，形成凋亡小体

DNA断裂类型 随机大小碎片 DNA片段化 (180-200bp),电泳呈梯状条带炎症反应 炎症 非炎症分子机制 无基因调控 基因调控的有序反应

Sydney Brenner The Molecular Sciences Institute Berkeley, CA, USA b. 1927(in Union of South Africa)

H. Robert Horvitz Massachusetts Institute of Technology (MIT) Cambridge, MA, USA b. 1947

John E. Sulston The Wellcome Trust Sanger Institute Cambridge, United Kingdom b. 1942

Prize citation: "genetic regulation of organ development and programmed cell death " The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002

（五）细胞凋亡的机理

从分子水平看，细胞凋亡是细胞内发生的一系列有序的连锁反应，其关键是激活一组被称为 caspases 的蛋白酶，最后 caspases降解特异性底物致细胞解体。

Caspases 家族成员• 名 称 原 名 cDNA 编码蛋白 基因定位 　 基因结构

caspase-1 ICE 　 　 2373bp 404aa,45Kda 　 11q23 　　 9 个外显子 caspase-2 Ich-1 Nedd2 2.5kb 435aa 　　　　　　

• caspase-3 Cpp32 Yama apopain 277aa,32Kda 小鼠 8 号染色体 7 个外显子 caspase-4 TX Ich-2 ICErel-Ⅱ 　 377aa,43Kda 11q22.2 caspase-6 Mch2 　 293aa,34Kda caspase-7 Mch3 ICE-LAP3 2.6kb 303aa,34K 　 小鼠 19 号染色体 caspase-8 Mch5 FLICE MACH 1975bp 480aa 　　　　　　　 8 个外显子 caspase-9 Mch6 ICE-LAP6 2..3kb 45.8Kda

• caspase-10 Mch4 FLICE2 　 3.6kb 479aa,55Kda 2q33-34 • caspase-11 Ich-3 373aa,42Kda 　 8 个外显子

caspase-12 Ich-4 • caspase-13 ERICE 　 2.2kb 377aa,43Kda • caspase-14 MICE 　 2.4kb 　 257aa

细胞凋亡相关的分子途径（2003

年

）

形态学检测1 、光学显微镜直接观察

A A

A

A

（六）细胞凋亡的检测

2 、电子显微镜直接观察形态学检测

凝胶电泳法： DNA Ladder

流式细胞术 Caspases 细胞酶的检测； Annexin V 细胞膜磷脂酰丝氨酸检测； DNA 碎片分析：

APO-BRDU Kit

APO-DIRECT Kit 凋亡相关蛋白： Fas 、 Bcl-2 ； 早期凋亡细胞线粒体膜电位的改变； 与凋亡相关的肿瘤相关基因： P53 。

The four essential processes by which a multicellular organism is made: Cell proliferation, Cell specialization, Cell interaction, and Cell movement.

The concept of cell differentiation

The process that a cell changes to carry out a specialized function.

1. The different cell types of a multicellular organism contain the same DNA.

2. A cell can change the expression of its genes in response to external signals.

3. Differences in mRNA expression patterns among different cell types.

4. Different cell types synthesize different sets of proteins.5. Gene expression can be regulated at many of the steps in the

pathway from DNA to RNA to protein.

1B. Why a fertilized egg can develop into different cells?

Gene differentiated express 1C. House-keeping genes and luxury genes

House-keeping genes: Expressed in all cell types, essential for all cells

Luxury genes: Tissue-specific genes, expressed in special cells

1D. Transdifferentiation

From one type of cell into another type. Includes: Dedifferentiation---Redifferentiation

复习思考题名词解释：管家基因、奢侈基因、差别基因表达、去分化、转分化、细胞凋亡问答题：1 、细胞分化的基础是什么？2 、细胞分化的特点有哪些？3 、细胞凋亡和死亡的异同点？4 、细胞凋亡的检测方法有哪些？

终于下课了 !

Bye-Bye !