普通生物學：第5 章 細胞的分裂與分化

1、第五章：細胞的分裂與分化,一.細胞有絲分裂和細胞周期 二.配子的形成和減數(shù)分裂 三.個體發(fā)育中的細胞,一、細胞的有絲分裂與細胞周期細胞分裂的意義, 生命活動的重要特征之一 單細胞增殖導致生物個體數(shù)增加 多細胞生物的繁殖基礎 取代衰老和死亡的細胞 創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理修復,1. 細胞分裂的作用,細胞分裂首先涉及到細胞內遺傳物質DNA的復制，再均等分為兩份。 原核生物：DNA的復制和分離,真核生物：染色體復制、有絲分裂、減數(shù)分裂、細胞周期控制等,2. 染色體的結構,同源染色體： 是在二倍體生物細胞中，形態(tài)、 結構基本相同的染色體。 一條來自父系， 一條來自母系,姐妹染色單體： DNA復制后形成

2、縱向 并列的兩條染色單體通過 著絲粒相連。 細胞經過有絲分裂，一 對姐妹染色單體分開，各自 分配到兩個子細胞中。,姐妹染色單體： DNA復制后形成縱向并列的兩條染色單體通過著絲粒相連。 細胞經過有絲分裂，一對姐妹染色單體分開，各自分配到兩個子細胞中。,區(qū)分同源染色體與姐妹染色單體,姐妹染色單體是由一個著絲點連著的并行的兩條染色單體，是在細胞分裂的間期由同一條染色體經復制后形成的由一條染色體復制形成的兩條子染色體不是同源染色體，因為它們盡管形狀大小相同，但它們并非一條來自父方、一條來自母方。,3. 細胞周期與細胞分裂,3.1 概 念 細胞從前一次分裂開始到后一次分裂開始，這段時間稱為一個細胞周期

3、。期間細胞遺傳物質和其它內含物分配給子細胞。,真核細胞周期： 真核“細胞周期”也稱“細胞分裂周期”，是指一個細胞經生長、分裂而增殖成子細胞所經歷的全過程，通?？煞譃槿舾呻A段，即G1期、S期、G2期和M期。,通常細胞周期可以區(qū)分為： G1 期 S 期 DNA 合成期 G2 期 分裂期 (M 期) 在這個階段可以在顯微 鏡下看到細胞分裂過程。,間 期,3.2 細胞周期不同時期的主要特征： G1期：與DNA合成啟動相關，開始合成細胞生長所需要的多種蛋白質、RNA、碳水化合物、脂等，同時染色質去凝縮。 S期：DNA復制 G2期： DNA復制完成，在G2期合成一定數(shù)量的蛋白質和RNA分子。 M期：細胞分

4、裂期 有絲分裂細胞核及染色體分裂 胞質分裂細胞質分裂,3.3 有絲分裂,前期 染色質凝縮; 分裂極確立與紡錘體開始形成; 核仁解體; 核膜消失。,光學顯微鏡下可以分辨的染色體，每條染色體包含2個染色單體。,有絲分裂前期染色體變化,紡 錘 體,前期兩個中心粒向兩極移動,中期（前中期、中期）,紡錘體微管與中心粒結合,中 期,細胞變?yōu)榍蛐?，染色體排列于赤道板,從紡錘體兩極發(fā)出的微管附著于每一個染色體的著絲點上,后期,姊妹染色體移向兩極，與此同時，細胞被拉長，并由于赤道部細胞膜下方環(huán)行微絲束的活動，該部縮窄，細胞遂呈啞鈴形。,（隨機取向）,細胞分裂后期,末 期,染色單體到達兩極并去凝縮，重新出現(xiàn)染色質

5、絲和核仁； 核膜重組裝 高爾基體與內質網形成,4. 胞質分裂,有絲分裂后期赤 道板形成分裂溝 微絲構成收縮環(huán),4.1 動物細胞的胞質分裂,4.2 植物細胞的胞質分裂,細胞內形成新的細胞膜和細胞壁而將細胞分開,分裂間期,前期,中期,有絲分裂,中期,后期,末期,有絲分裂后期,2 .5 有絲分裂的特點,間期：每條染色體復制成兩條相同的染色單體，在分裂時有規(guī)律地分配到兩個子細胞核中。 由一個親代細胞產生的兩個子細胞各具有與親代細胞在數(shù)目和形態(tài)上完全相同的染色體。 母細胞與子細胞攜帶的遺傳信息相同。,2.6 細胞周期的調控機制,增殖角度： 周期性細胞；G0期細胞；終端分化細胞,細胞周期檢驗點： 分別位于

6、：G1期，G2期和M期 檢驗點受引導細胞周期運行的引擎分子周期蛋白和周期蛋白依賴性激酶（Cdk）的影響,細胞周期的控制過程： 當正常細胞經過G1或G2檢驗點時，Cdk便與不同的周期蛋 白結合，激活了相應的引擎分子，周期性細胞便可通過G1和 G2檢驗點的檢查，進入下一時相，接著周期蛋白降解，Cdk作 用暫停；到下一次新的周期蛋白合成后Cdk再次活化。 但是，如果Cdk不能與周期蛋白正常結合，或者結合后二聚 體的活性被抑制，周期細胞便不能通過檢驗點，細胞成為G0期,完成了DNA復制后進入G2期，細胞首先開始逐漸積累M周期蛋白，該周期蛋白與Cdk結合形成有絲分裂促進因子（MPF）的二聚體。 最初，M

7、PF在其磷酸化之前沒有活性，當極少量的MPF被磷酸化后，通過正反饋調節(jié)作用，即少量磷酸化的MPF反過來可以增強催化MPF磷酸化的酶活性，促進細胞內被激活的MPF濃度急劇增加，導致細胞通過G2檢驗點的檢查，進入M期，有絲分裂過程開始啟動。,二、 配子形成與減數(shù)分裂,1 概念和意義 概念：細胞進行一次 DNA 復制，隨后進行兩次分裂，染色體數(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂，生殖細胞具有的分裂方式。 意義： 生物進行有性生殖的基礎 確保世代間遺傳的穩(wěn)定性 增加變異機會，生物進化與多樣性的基礎,2 減數(shù)分裂的兩個階段： 減數(shù)分裂： 前期：同源染色體進行聯(lián)會配對，形成四分體； 非姐妹染色單體間發(fā)生局部交換；

8、 中期：四分體排列在赤道板上； 后期：同源染色體分開，向兩極移動； 末期：形成兩個子細胞，并轉向第二次分裂。 減數(shù)分裂：與有絲分裂過程基本相同。,同源染色體重組產生新的基因組合,聯(lián)會：在減數(shù)分裂的前期，來自母本和來自父本的各一條相當?shù)耐慈旧w兩兩配對，稱為聯(lián)會。 由于每條染色體實際含有一對姐妹染色單體，因此每對同源染色體聯(lián)會后共有四條染色單體，稱四分體。 聯(lián)會是負責染色體配對的結構，它的形成使同源的非姐妹染色單體間形成交叉并有可能發(fā)生對等片段的交換，導致遺傳物質的非隨機重組；造成自帶遺傳特性的變異。,第一次減數(shù)分裂階段：DNA復制一次，細胞分裂一次 第二次減數(shù)分裂階段：DNA不復制，細胞再分

9、裂一次 減數(shù)分裂結果： 子細胞染色體數(shù)減半; 子細胞基因組合大為豐富；,三個體發(fā)育中的細胞,1. 細胞分化 2. 細胞的衰老與死亡 3. 干細胞 4. 脫離正常軌道的細胞,1.1 細胞的分化 由同一種相同的細胞類型經細胞分裂后逐漸在形態(tài)結構、生理功能和蛋白質合成等方面形成穩(wěn)定差異性，產生不同細胞類群的過程稱為細胞分化。 細胞分化是動植物發(fā)育的基礎。細胞分化的本質是基因組中基因的選擇性表達。,人成體有200多種細胞,細胞的形態(tài)與功能相適應,1.2 細胞分化的特征,1 形態(tài)結構發(fā)生差異,上皮細胞,脂肪細胞,平滑肌細胞,心肌細胞,細胞種類,神經元細胞,1.2 分化細胞的表型保持穩(wěn)定分化狀態(tài)的穩(wěn)定性,

10、動物細胞發(fā)生分化后，遺傳表型保持穩(wěn)定，而且不可逆,人血細胞的分化,T細胞,B細胞,嗜酸白細胞,嗜鹼白細胞,中性白細胞,巨噬細胞,血小板,紅細胞,1.3 細胞決定,細胞從分化命運確定到出現(xiàn)特定形態(tài)的過程稱為細胞決定,在發(fā)生形態(tài)差異之前 的一定時間，細胞分 化命運已經確定,果蠅成蟲盤,1.4 去分化與轉分化,某些條件下，分化細胞基因表達模式發(fā)生可逆變化，又回到未分化狀態(tài)，這一變化過程稱為去分化（脫分化）。 例如：植物的愈傷組織 細胞失去分化后，再分化成另一種細胞的現(xiàn)象稱為轉分化。 例如：蠑螈肢體再生時，脫分化的肌細胞可生出軟骨。,1.5. 細胞分化的發(fā)育潛能,細胞分化能力的強弱稱為發(fā)育潛能 1 全

11、能性 2 多能性 3 單能性,全能性,受精卵能夠分化出各種細胞、組織，形成一個完整的個體，所以把受精卵的分化潛能稱為全能性。單個細胞經分裂和分化后仍具有形成完整有機體的潛能或特性。,植物細胞 具有全能性,受精,卵,多能性 具有分化出多種組織或細胞（但是不能形成完整個體）的潛能的細胞稱多能性細胞。 例如：人造血干細胞 分化產生8種 類型血細胞,紅血球,白血球,血小板,多種血細胞都由生血干細胞分化而來。,單能性,僅能使后代細胞分化成為一種細胞的特性稱為細胞單能性 。 例如，單能生血干細胞,對于植物來說，分化成熟的植物細胞體，仍保持全能性，仍有可能發(fā)育成完整植株。,對于動物來說，隨著分化的演進，細胞

12、逐漸喪失其分化潛能。 全能性 多能性 單能性 分化成熟的體細胞,從植物體細胞到一棵完整的植株,植物體細胞具有全能性,分化成熟的動物細胞已失去全能性。不可能發(fā)育成為完整的動物個體。原因何在？ 陸續(xù)出現(xiàn)一些探索動物細胞全能性喪失原因的實驗。,蛙皮膚細胞核移 植發(fā)育成蝌蚪,爪蟾體細胞克隆：上皮細胞核仍保持全能性,Illmensee & Hoppe的克隆小鼠實驗（1981）,細胞核受體,細胞核供體,收集受精卵,去 核,融合,甲品種小鼠,乙品種小鼠,收集囊胚期細胞 團分散成單細胞,取 核,融 合,將核注入已去核的受精卵中,在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)至細胞團,植入假母子宮,產出小鼠,核移植小鼠（克隆小鼠）,長成成鼠，

13、呈核供體小鼠性狀,以上實驗得出的結論： 囊胚階段的細胞乃至成熟的體細胞，其細胞核仍具有全能性可能發(fā)育成完整個體。 細胞核保持著全套基因組。,關鍵在于細胞質。 細胞質中有著決定細胞分化全能性的物質，稱為分化決定子。,1.6 細胞質決定子, 卵和胚胎細胞中所含的蛋白質和RNA性質的 細胞質因子 細胞質因子通過細胞分裂被不均等地分配 到子細胞 不同性質的決定子影響細胞向不同方向分化 性細胞決定子生殖細胞分化 體細胞決定子體細胞分化,GENE expression,2細胞的衰老與死亡,細胞增殖能力減弱的現(xiàn)象稱為細胞衰老，它與機體衰老有一定關系。,不同年齡來源的人成纖維細胞的增殖代數(shù),2.1 衰老細胞結

14、構變化 細胞核隨分裂次數(shù)增加且增大，核膜呈現(xiàn)內折，染色質固縮化 內質網彌散性分散于核周胞質中，粗面內質網和 線粒體減少，體積膨脹 膜流動性降低，膜內顆粒分布變化 細胞骨架變化，信號傳遞系統(tǒng)變化, 細胞壞死 機械損傷、毒物毒害質膜、核膜破裂，胞質溢出，周圍細胞炎癥 細胞凋亡 細胞程序性化死亡,22 細胞死亡, 細胞凋亡（細胞程序化死亡）,1. 細胞凋亡的概念和生物學意義 2. 凋亡細胞的特征 3. 基因調控細胞凋亡 4. 細胞凋亡的信號途徑,細胞凋亡（apoptosis）的概念與生物學意義, 細胞凋亡是一個主動的、由基因決定的自動結束細胞生命的過程，此過程是受到嚴格遺傳機制決定的程序性死亡。 生

15、物學意義 個體發(fā)育模式的需要 根據(jù)需要調節(jié)細胞數(shù)量 保持成體器官的正常體積 更新衰老耗損的細胞,蝌蚪尾巴的消失,發(fā)育中的神經細胞,手和足的形成過程,壞死細胞,凋亡細胞,2凋亡細胞的特征,2.1 細胞凋亡與壞死的區(qū)別,2.2 細胞凋亡的形態(tài)學特征,凋亡小體形成，被細胞吞噬而清除,a 正常T細胞雜交瘤細胞 b 凋亡細胞(掃描電鏡) c 凋亡細胞(透射電鏡),凋亡細胞的電鏡圖像,細胞色素c誘導的凋亡細胞DNA電泳圖 1細胞色素c誘導0 h 2細胞色素c誘導1 h 3細胞色素c誘導2 h 4細胞色素c誘導3 h 5細胞色素c誘導4 h 6陰性對照 7Marker （ 自趙允、翟中和）,2.3 細胞凋亡

16、的生化特征, 形成大小為 180-200bp特征性的DNA梯型(DNA Ladder) 電泳圖譜，核DNA斷成片段，是主要的特征之一。,基因調控細胞凋亡, 線蟲1030 個細胞，發(fā)育過程中131 個細胞程 序性死亡。6 對染色體，3000 個基因。 Ced3, Ced4 促進凋亡， Ced9 阻止 Ced3/Ced4 激活，抑制凋亡。,三、干細胞,具有無限的或可被延長自我更新和分化能力，高度增殖和多向分化潛能的細胞群體，具有經培養(yǎng)不定期地分化并產生特化細胞的能力的細胞成為干細胞。 根據(jù)其分化特征分為全能干細胞（具有形成完整個體的分化潛能）、多能干細胞（失去了發(fā)育成完整個體的能力，但具有分化出多

17、種細胞組織的潛能）和專能干細胞（只具有向一種類型或密切相關的兩種類型細胞分化的能力）。,3.1 干細胞的特點,1）具有無限的分裂能力。 2）其產生的兩個子細胞有兩種選擇：維持干細 胞的特性或進行分化。 3）本身不是終末分化的細胞。, 胚胎干細胞,可以定向誘導分化為幾乎所有種類的細胞，甚 至形成復雜的組織和器官； 有助于動物發(fā)育、基因功能以及藥物開發(fā)等研 究。 臨床意義：細胞替代療法和組織器官移植的最 佳資源。,胚胎干細胞,胚胎干細胞產生 血細胞的起源細胞, 造血干細胞,骨髓中還存在一種間充質干細胞，具有分化成中胚層和神經外胚層的能力；如產生成肌細胞、成骨細胞、成神經膠質細胞等； 移植到體內的骨

18、髓間充質細胞可在多種造血組織以外的組織處定位和分化。, 神經干細胞,神經干細胞,主要存在于胎兒的腦組織中包括大腦皮層、紋狀體和小腦； 取材難度大，在體外誘導和移植表現(xiàn)出驚嘆的分化潛能。,小腸干細胞,小腸上皮的更新：干細胞位于隱窩處，分裂產生的細胞向絨毛推移，從頂端脫落。, 皮膚干細胞,皮膚的更新：皮膚干細胞位于基底部，與基底膜相接觸。分裂后的細胞脫離基底膜后逐步分化為角質細胞，最終從皮膚表面脫落。,干細胞的發(fā)育命運,不對稱分裂，產生一個干細胞子代和另一個定向的祖細胞，定向祖細胞再分裂產生末端細胞（成熟細胞） 干細胞對稱分裂，可以產生2各相同的干細胞子代。 干細胞對稱分裂，也可以產生2各定向祖細

19、胞，有定向祖細胞分化產生末端細胞。,2012年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎被授予英國科學家約翰格登和日本科學家山中伸彌，以表彰他們在干細胞研究領域做出的貢獻。他們共同獲獎的原因在于“諾貝爾獎表彰這兩位科學家，因為他們發(fā)現(xiàn)，特定的成熟細胞可以重新編程，成為能發(fā)育成人體各器官組織的非成熟細胞。這一發(fā)現(xiàn)徹底改變了我們對細胞和生命體發(fā)育的認識。”,約翰格登在1962年發(fā)現(xiàn)，細胞的分化是可逆的。在一項經典的實驗中，他將蛙的未成熟卵細胞的細胞核替換為成熟腸細胞的細胞核。這個修改過的細胞發(fā)育成了一只正常的蝌蚪。成熟細胞的DNA仍然包含發(fā)育為蛙體內所有細胞所需的全部信息。 山中伸彌在40多年后的2006年發(fā)現(xiàn)，小鼠的

20、完整的成熟細胞可以被重新編程，變成未成熟的干細胞。令人驚奇的是，只要引入幾個基因，就可以將成熟細胞重新編程變?yōu)槎嗄苄缘母杉毎?，例如可以發(fā)育成機體內所有種類細胞的未成熟干細胞。 2007年，山中所在的研究團隊通過對小鼠的實驗，發(fā)現(xiàn)誘導人體表皮細胞使之具有胚胎干細胞活動特征的方法。此方法誘導出的干細胞可轉變?yōu)樾呐K和神經細胞，為研究治療目前多種心血管絕癥提供了巨大助力。因而，它能讓患者用自己的細胞生成器官，不需要移植別人的器官，以此來避免排異反應。這一研究成果在全世界被廣泛應用，因為其免除了使用人體胚胎提取干細胞的倫理道德制約。,四脫離正常軌道的細胞 癌細胞,1. 癌的基本生物學特點 2. 體外培養(yǎng)

21、癌細胞的特征 3. 致癌因素 4. 基因突變與癌癥發(fā)生 5. 癌癥治療, 癌癥是嚴重威脅人類生命安全的疾病。 動物體內細胞分裂調節(jié)失控而無限增 殖的細胞稱為腫瘤細胞，具有轉移能力 的腫瘤稱為惡性腫瘤。,4.1 癌的基本生物學特征, 細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖能力 (HeLa Cell) 具有擴散性：惡性腫瘤細胞（癌細胞）的細胞 間粘著性下降，具有侵潤性和和擴散性，這是 癌細胞的基本特征 在分化程度上癌細胞低于良性腫瘤細胞，且失去了許多原組織細胞的結構和功能 細胞間相互作用改變 蛋白表達譜系或蛋白活性改變 mRNA轉錄譜系的改變 染色體非整倍性,4.2癌癥的發(fā)生過程,染色體非整倍性,DNA