上海交通大學普通生物學課件 第5章：細胞的分裂與分化

1、第五章：細胞的分裂與分化第五章：細胞的分裂與分化一、一、細胞細胞分裂分裂3.3 3.3 有絲分裂有絲分裂 前期前期 有絲分裂前期染色體變化有絲分裂前期染色體變化紡紡 錘錘 體體前期兩個中心粒向兩極移動前期兩個中心粒向兩極移動 中期（中期（前中期、中期）前中期、中期） 紡錘體微管與中心粒結合紡錘體微管與中心粒結合中中 期期細胞變?yōu)榍蛐?，細胞變?yōu)榍蛐?，染色體排列于赤道板染色體排列于赤道板細胞分裂后期細胞分裂后期4. 4. 胞質分裂胞質分裂 有絲分裂后期赤有絲分裂后期赤 道板形成分裂溝道板形成分裂溝 微絲構成收縮環(huán)微絲構成收縮環(huán)4.1 4.1 動物細胞的胞質分裂動物細胞的胞質分裂細胞內形成新的細胞膜

2、和細胞壁而將細胞分開細胞內形成新的細胞膜和細胞壁而將細胞分開分裂間期分裂間期前期前期中期中期有絲分裂中期后期末期有絲分裂后期增殖角度：增殖角度： 周期性細胞；周期性細胞；G G0 0期細胞；終端分化細胞期細胞；終端分化細胞細胞周期檢驗點：細胞周期檢驗點： 分別位于：分別位于：G1G1期，期，G2G2期和期和M M期期 檢驗點檢驗點受引導細胞周期運行的受引導細胞周期運行的 引擎分子引擎分子周期蛋白和周期蛋白依賴性激酶（周期蛋白和周期蛋白依賴性激酶（CdkCdk）的影響的影響 細胞周期的控制過程：細胞周期的控制過程： 當正常細胞經(jīng)過當正常細胞經(jīng)過G G1 1或或G G2 2檢驗點時，檢驗點時，Cd

3、kCdk便與不同的周期蛋便與不同的周期蛋白結合，激活了相應的引擎分子，白結合，激活了相應的引擎分子，周期性細胞便可通過周期性細胞便可通過G G1 1和和G G2 2檢驗點的檢查，進入下一時相，接著周期蛋白降解，檢驗點的檢查，進入下一時相，接著周期蛋白降解，CdkCdk作作用暫停；到下一次新的周期蛋白合成后用暫停；到下一次新的周期蛋白合成后CdkCdk再次活化。再次活化。 但是，如果但是，如果CdkCdk不能與周期蛋白正常結合，或者結合后二聚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，細胞成為體的活性被抑制，周期細胞便不能通過檢驗點，細胞成為G G0 0期期

4、二、二、 配子形成與減數(shù)分裂配子形成與減數(shù)分裂 同源染色體重組產生新的基因組合同源染色體重組產生新的基因組合聯(lián)會：聯(lián)會：在減數(shù)分裂在減數(shù)分裂的前期，的前期，來自母本和來自父本的各一來自母本和來自父本的各一條相當?shù)耐慈旧w兩兩配條相當?shù)耐慈旧w兩兩配對，對，稱為聯(lián)會。稱為聯(lián)會。由于每條染色體實際含有一由于每條染色體實際含有一對姐妹染色單體，因此每對對姐妹染色單體，因此每對同源染色體聯(lián)會后共有四條同源染色體聯(lián)會后共有四條染色單體，染色單體，稱四分體。稱四分體。聯(lián)會是負責染色體配對的結聯(lián)會是負責染色體配對的結構，它的形成使構，它的形成使同源的非姐同源的非姐妹染色單體間形成交叉并有妹染色單體間形成

5、交叉并有可能發(fā)生對等片段的交換，可能發(fā)生對等片段的交換，導致遺傳物質的非隨機重組；導致遺傳物質的非隨機重組；造成自帶遺傳特性的變異。造成自帶遺傳特性的變異。第一次減數(shù)分裂階段：第一次減數(shù)分裂階段：DNADNA復制一次，細胞分裂一次復制一次，細胞分裂一次 第二次減數(shù)分裂階段：第二次減數(shù)分裂階段：DNADNA不復制，細胞再分裂一次不復制，細胞再分裂一次三個體發(fā)育中的細胞三個體發(fā)育中的細胞 1. 1. 細胞分化細胞分化 2. 2. 細胞的衰老與死亡細胞的衰老與死亡 3. 3. 干細胞干細胞 4. 4. 脫離正常軌道的細胞脫離正常軌道的細胞1.1 1.1 細胞的分化細胞的分化 由同一種相同的細胞類型經(jīng)

6、細胞分裂后逐漸由同一種相同的細胞類型經(jīng)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)定差異性穩(wěn)定差異性，產生不同細胞類群的過程稱為細胞產生不同細胞類群的過程稱為細胞分化。分化。 細胞分化是動植物發(fā)育的基礎。細胞分化是動植物發(fā)育的基礎。細胞分化的細胞分化的本質本質是基因組中是基因組中基因的選擇性表達。基因的選擇性表達。 細胞的形態(tài)與功能相適應細胞的形態(tài)與功能相適應1.2 1.2 細胞分化的特征細胞分化的特征1 1 形態(tài)結構發(fā)生差異形態(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細胞胞種種類類神經(jīng)元細胞1.2 1.2 分化細胞的表型保持穩(wěn)定

7、分化細胞的表型保持穩(wěn)定分化狀態(tài)的穩(wěn)定性分化狀態(tài)的穩(wěn)定性人血細胞的分化人血細胞的分化1.3 1.3 細胞決定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胞決定在發(fā)生形態(tài)差異之前在發(fā)生形態(tài)差異之前 的一定時間，細胞分的一定時間，細胞分 化命運已經(jīng)確定化命運已經(jīng)確定果蠅成蟲盤果蠅成蟲盤1.5. 1.5. 細胞分化的發(fā)育潛能細胞分化的發(fā)育潛能 細胞分化能力的強弱稱為發(fā)育潛能細胞分化能力的強弱稱為發(fā)育潛能 1 1 全能性全能性 2 2 多能性多能性 3 3 單能性單能性 全能性全能性 植物細胞植物細胞具有全能性具有全能性受精受精卵卵 多能性多能性

8、 具有分化出多種組織或細胞（但是不能形成完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。整個體）的潛能的細胞稱多能性細胞。 例如：例如：人造血干細胞人造血干細胞 分化產生分化產生8 8種種 類型血細胞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。多種血細胞都由生血干細胞分化而來。 單能性單能性僅能使后代細胞分化成為一種細胞的特性稱為僅能使后代細胞分化成為一種細胞的特性稱為從從植植物物體體細細胞胞到到一一棵棵完完整整的的植植株株植植物物體體細細胞胞具具有有全全能能性性 分化成熟的動物細胞已失去全能性。不可分化成熟的動物細胞已失去全能性。不可能發(fā)育成為完

9、整的動物個體。能發(fā)育成為完整的動物個體。原因何在？原因何在？ 陸續(xù)出現(xiàn)一些探索動物細胞全能性喪失原陸續(xù)出現(xiàn)一些探索動物細胞全能性喪失原因的實驗。因的實驗。蛙皮膚細胞核移蛙皮膚細胞核移植發(fā)育成蝌蚪植發(fā)育成蝌蚪爪蟾體細胞克?。鹤阁w細胞克?。耗c上皮細胞核仍保持全能性腸上皮細胞核仍保持全能性 Illmensee & Hoppe的克隆小鼠實驗（的克隆小鼠實驗（1981）細胞核受體細胞核受體細胞核供體細胞核供體收集受精卵收集受精卵去去核核 融融合合甲品種小鼠甲品種小鼠乙品種小鼠乙品種小鼠收集囊胚期細胞收集囊胚期細胞 團分散成單細胞團分散成單細胞取取核核融融合合將核注入已去核的將核注入已去核的受精卵中受精

10、卵中在培養(yǎng)皿中培在培養(yǎng)皿中培養(yǎng)至細胞團養(yǎng)至細胞團植入假母子宮植入假母子宮產出小鼠產出小鼠核移植小鼠（克隆小鼠）核移植小鼠（克隆小鼠）長成成鼠，呈核供體小鼠性狀長成成鼠，呈核供體小鼠性狀以上實驗得出的結論：以上實驗得出的結論： 囊胚階段的細胞乃至成熟的體細胞，其囊胚階段的細胞乃至成熟的體細胞，其細胞細胞核仍具有全能性核仍具有全能性可能發(fā)育成完整個體?？赡馨l(fā)育成完整個體。 細胞核保持著全套基因組。細胞核保持著全套基因組。 關鍵在于關鍵在于細胞質。細胞質。 細胞質中有著決定細胞分化全能性的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。物質，稱為分化決定子。1.6 1.6 細胞質決定子細胞質決

11、定子 卵和胚胎細胞中所含的蛋白質和卵和胚胎細胞中所含的蛋白質和RNARNA性質的性質的 細胞質因子細胞質因子 細胞質因子通過細胞分裂被不均等地分配細胞質因子通過細胞分裂被不均等地分配 到子細胞到子細胞 不同性質的決定子影響細胞向不同方向分化不同性質的決定子影響細胞向不同方向分化 性細胞決定子性細胞決定子生殖細胞分化生殖細胞分化 體細胞決定子體細胞決定子體細胞分化體細胞分化2 2細胞的衰老與死亡細胞的衰老與死亡 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。機體衰老有一定關系。細胞來源細胞來源人胚肺成纖人胚肺成纖維細胞維細胞中年人成中年人成纖

12、維細胞纖維細胞老年人成老年人成纖維細胞纖維細胞可增殖可增殖代數(shù)代數(shù) 60-80 60-80 40 40 30 30不同年齡來源的人成纖維細胞的增殖代數(shù)不同年齡來源的人成纖維細胞的增殖代數(shù)2.1 2.1 衰老細胞結構變化衰老細胞結構變化細胞核隨分裂次數(shù)增加且增大，核膜呈現(xiàn)內細胞核隨分裂次數(shù)增加且增大，核膜呈現(xiàn)內 折，折，染色質固縮化染色質固縮化內質網(wǎng)彌散性分散于核周胞質中，粗面內質網(wǎng)和內質網(wǎng)彌散性分散于核周胞質中，粗面內質網(wǎng)和 線粒體減少，體積膨脹線粒體減少，體積膨脹膜流動性降低，膜內顆粒分布變化膜流動性降低，膜內顆粒分布變化細胞骨架變化，信號傳遞系統(tǒng)變化細胞骨架變化，信號傳遞系統(tǒng)變化 細胞壞死

13、細胞壞死 機械損傷、毒物毒害質膜、核膜機械損傷、毒物毒害質膜、核膜破裂，胞質溢出，周圍細胞炎癥破裂，胞質溢出，周圍細胞炎癥 細胞凋亡細胞凋亡 細胞程序性化死亡細胞程序性化死亡2 22 2 細胞死亡細胞死亡 細胞凋亡（細胞程序化死亡）細胞凋亡（細胞程序化死亡）1. 1. 細胞凋亡的概念和生物學意義細胞凋亡的概念和生物學意義2. 2. 凋亡細胞的特征凋亡細胞的特征3. 3. 基因調控細胞凋亡基因調控細胞凋亡4. 4. 細胞凋亡的信號途徑細胞凋亡的信號途徑細胞凋亡（細胞凋亡（apoptosisapoptosis）的概念與生物學意）的概念與生物學意義義 細胞凋亡細胞凋亡是一個是一個主動的、由基因決定的

14、自動結束細胞主動的、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。性死亡。 生物學意義生物學意義個體發(fā)育模式的需要個體發(fā)育模式的需要根據(jù)需要調節(jié)細胞數(shù)量根據(jù)需要調節(jié)細胞數(shù)量保持成體器官的正常體積保持成體器官的正常體積更新衰老耗損的細胞更新衰老耗損的細胞蝌蚪尾巴的消失蝌蚪尾巴的消失發(fā)育中的神經(jīng)細胞發(fā)育中的神經(jīng)細胞手和足的形成過程手和足的形成過程壞死細胞壞死細胞凋亡細胞凋亡細胞2.1 2.1 細胞凋亡與壞死的區(qū)別細胞凋亡與壞死的區(qū)別2.2 2.2 細胞凋亡的形態(tài)學特征細胞凋亡的形態(tài)學特征凋亡小體形成，被細胞吞噬而清除凋亡

15、小體形成，被細胞吞噬而清除 a a 正常正常T T細胞雜交瘤細胞細胞雜交瘤細胞 b b 凋亡細胞凋亡細胞( (掃描電鏡掃描電鏡) c ) c 凋亡細胞凋亡細胞( (透射電鏡透射電鏡) )凋亡細胞的電鏡圖像凋亡細胞的電鏡圖像細胞色素細胞色素c c誘導的凋亡細胞誘導的凋亡細胞DNADNA電泳圖電泳圖1 1細胞色素細胞色素c c誘導誘導0 h0 h2 2細胞色素細胞色素c c誘導誘導1 h1 h3 3細胞色素細胞色素c c誘導誘導2 h2 h4 4細胞色素細胞色素c c誘導誘導3 h3 h5 5細胞色素細胞色素c c誘導誘導4 h4 h6 6陰性對照陰性對照7 7MarkerMarker （ 自趙允

16、、翟中和）自趙允、翟中和）2.3 2.3 細胞凋亡的生化特征細胞凋亡的生化特征 形成大小為形成大小為 180-200bp180-200bp特征性的特征性的DNADNA梯型梯型(DNA Ladder)(DNA Ladder) 電泳圖譜，核電泳圖譜，核DNADNA斷成片段，是主要的特征之一斷成片段，是主要的特征之一?；蛘{控細胞凋亡基因調控細胞凋亡 線蟲線蟲1030 1030 個細胞，發(fā)育過程中個細胞，發(fā)育過程中131 131 個細胞程個細胞程 序性死亡。序性死亡。6 6 對染色體，對染色體，3000 3000 個基因。個基因。 Ced3, Ced4 Ced3, Ced4 促進凋亡，促進凋亡， C

17、ed9 Ced9 阻止阻止 Ced3/Ced4 Ced3/Ced4 激活，抑制凋亡。激活，抑制凋亡。三、干細胞三、干細胞3.1 3.1 干細胞的特點干細胞的特點1 1）具有無限的分裂能力。）具有無限的分裂能力。2 2）其產生的兩個子細胞有兩種選擇：）其產生的兩個子細胞有兩種選擇：維持干細維持干細 胞的特性或進行分化。胞的特性或進行分化。3 3）本身不是終末分化的細胞。）本身不是終末分化的細胞。 胚胎干細胞胚胎干細胞 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；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)等研有助于動

18、物發(fā)育、基因功能以及藥物開發(fā)等研 究。究。 臨床意義：細胞替代療法和組織器官移植的最臨床意義：細胞替代療法和組織器官移植的最 佳資源。佳資源。 胚胎干細胞胚胎干細胞受精卵受精卵內細胞團內細胞團全能性細胞全能性細胞囊胚囊胚胎兒胎兒胚胎干細胞胚胎干細胞 胚胎干細胞產生胚胎干細胞產生 血細胞的起源細胞血細胞的起源細胞 造血干細胞造血干細胞造血干細胞造血干細胞紅細胞紅細胞白細胞白細胞血小板血小板 骨髓中還存在一種間充骨髓中還存在一種間充質干細胞，具有分化成中質干細胞，具有分化成中胚層和神經(jīng)外胚層的能力；胚層和神經(jīng)外胚層的能力；如產生成肌細胞、成骨細如產生成肌細胞、成骨細胞、成神經(jīng)膠質細胞等；胞、成神經(jīng)

19、膠質細胞等； 移植到體內的骨髓間移植到體內的骨髓間充質細胞可在多種造血組充質細胞可在多種造血組織以外的組織處定位和分織以外的組織處定位和分化?；?。 神經(jīng)干細胞神經(jīng)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；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。取材難度大，在體外誘導和移植表現(xiàn)出驚嘆的分化潛能。小腸干細胞小腸干細胞 小腸上皮的更新：干細胞位于隱窩處，分裂小腸上皮的更新：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。產生的細胞向絨毛推移，從頂端脫落。 皮膚干細胞皮膚干細胞 皮膚的更新：皮膚干細胞位于基底部，與基

20、底皮膚的更新：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。化為角質細胞，最終從皮膚表面脫落。干細胞的發(fā)育命運不對稱分裂不對稱分裂對稱分裂對稱分裂對稱分裂對稱分裂定向祖細胞定向祖細胞定向祖細胞定向祖細胞定向祖細胞定向祖細胞干細胞干細胞干細胞干細胞干細胞干細胞干細胞子代干細胞子代干細胞子代干細胞子代干細胞子代干細胞子代末端細胞末端細胞 末端細胞末端細胞 末端細胞末端細胞 四脫離正常軌道的細胞四脫離正常軌道的細胞 癌細胞癌細胞1. 1. 癌的基本生物學特點癌的基本生物學特點2. 2. 體外培養(yǎng)癌細胞的特

21、征體外培養(yǎng)癌細胞的特征3. 3. 致癌因素致癌因素4. 4. 基因突變與癌癥發(fā)生基因突變與癌癥發(fā)生5. 5. 癌癥治療癌癥治療 癌癥是嚴重威脅人類生命安全的疾病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的腫瘤稱為惡性腫瘤。4.1 4.1 癌的基本生物學特征癌的基本生物學特征 細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖能力細胞生長與分裂失去控制，具有無限增殖能力 (HeLa(HeLa Cell) Cell) 具有擴散性：惡性腫瘤細胞（癌細胞）的細胞具有擴散

22、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，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細胞間相互作用改變 蛋白表達譜系或蛋白活性改變蛋白表達譜系或蛋白活性改變 mRNA mRNA轉錄譜系的改變轉錄譜系的改變 染色體非整倍性染色體非整倍性一個細胞（紫色）發(fā)生更大的一個細胞（紫色）發(fā)生更大的變化，癌癥形成變化，癌癥形成 早期腫瘤早期腫瘤癌細胞隨血管和淋巴管癌細胞隨血管和淋巴管轉移轉移 晚期腫瘤晚期腫瘤染色體非整倍性染色體非整倍性 DNA堿基自然錯配導致細胞癌變堿基自然錯配導致細胞癌變4.3 4.3 致癌因素致癌因素 AGT CTA AAC CTTGGT AGC T