分子 细胞与组织教学课件 细胞分化凋亡zy.ppt

细胞分化和死亡细胞分化和死亡Cell differentiation and Cell death细胞分化和死亡细胞结构和功能细胞结构和功能细胞生命活动细胞生命活动组织、个体组织、个体的生命活动的生命活动组织的基本结构和功能组织的基本结构和功能1、理解细胞分化、去分化、转分化的概念2、理解基因差异表达的概念和与细胞分化的关系3、理解细胞的分化潜能4、理解胚胎干细胞和成体干细胞的概念5、理解诱导性多能干细胞的概念6、理解细胞凋亡的过程、生物学意义学习目标（Learning Objectives)细胞分化细胞分化Cell differentiation组织更新组织更新皮肤伤口修复皮肤伤口修复什么什么是是细胞分化细胞分化 (Cell Differentiation)Cell Differentiation)由由同一细胞（起源）同一细胞（起源）逐渐变为在形态结构、生理功能和逐渐变为在形态结构、生理功能和生化特征等方面具有稳定差异的另一类型细胞的过程生化特征等方面具有稳定差异的另一类型细胞的过程 胚胎发育胚胎发育特化细胞（specialization)同源细胞何时：何时：““需要新细胞时需要新细胞时””为什么产生新的细胞不能依靠原有的细胞通过增殖和分裂为什么产生新的细胞不能依靠原有的细胞通过增殖和分裂（（cell proliferation，，cell division)？？* 很多细胞没有增殖的能力；很多细胞没有增殖的能力；* 很多细胞的命运只能是衰老和死亡（信号转导已启动）很多细胞的命运只能是衰老和死亡（信号转导已启动）何地：各种组织中何地：各种组织中出现出现在个体发育、组织更新、创伤修复在个体发育、组织更新、创伤修复 细胞分化最早出现在胚胎细胞分化最早出现在胚胎发育发育(development)中中Development：the process by which animals and plants grow and develop.Developmental Biology 发育生物学Q3. 3. 为什么细胞会分化？为什么细胞会分化？1.哪些细胞会分化？2.为什么有的细胞会分化？全能细胞全能细胞(totipotency)(totipotency)：：分化为其他所有细胞类型多能细胞多能细胞(pluripotency)(pluripotency)：：分化为多种细胞类型单能细胞单能细胞(unipotency)(unipotency)：：仅具有分化形成某一种类型细胞终末分化细胞无分化能力Q3.1 3.1 哪些细胞会分化？哪些细胞会分化？每种细胞的分化能力有强弱：分化潜能（potential）起源细胞特化细胞未成熟细胞(immature cell）未分化细胞成熟细胞(mature cell）强强囊胚囊胚原肠胚原肠胚内胚层内胚层中胚层中胚层外胚层外胚层消化道、呼吸道等消化道、呼吸道等肌肉、骨等肌肉、骨等表皮和神经系统等表皮和神经系统等卵裂球卵裂球 桑葚胚桑葚胚受精卵受精卵胚胎胚胎8-98-9周周胚胎发育过程出现很多有分化潜能的细胞胚胎发育过程出现很多有分化潜能的细胞胚胎发育过程a.a.受精卵、受精卵、b.8b.8细胞期前细胞期前的胚胎细胞的胚胎细胞胚胎发育最早期，会有分化发育为个体的细胞全能细胞全能细胞多能细胞、单能细胞多能细胞、单能细胞胚胎开始发育出组织后，各种组织中都保存很多有分化能力的细胞。

干细胞干细胞 (stem cells) 是一类存在于人和动物发育各阶段及发育成熟的组织中的原始状态的未分化细胞干细胞具有自我更新和多向分化潜能两个重要特征，通过增殖保持一定的数量（自我更新），通过分化产生一种、多种机体细胞类型干细胞可分为胚胎干细胞和成体（组织）干细胞胚胎干细胞的增殖和分化是个体发育的基础，组织干细胞是组织器官更新、修复和再生的有效来源 从受精卵发育为成熟胚胎的过程中，从受精卵发育为成熟胚胎的过程中，囊胚期的内细囊胚期的内细胞团胞团具有分化发育为所有三个胚层的能力，形成内胚具有分化发育为所有三个胚层的能力，形成内胚层细胞、中胚层细胞、外胚层细胞，进一步分化为器层细胞、中胚层细胞、外胚层细胞，进一步分化为器官的原基，并最终分化出多种不同类型的细胞官的原基，并最终分化出多种不同类型的细胞胚胎干细胞（胚胎干细胞（Embryonic stem cell，，ESC )存在于已分化组织中的未分化细胞，能够分化为所在组存在于已分化组织中的未分化细胞，能够分化为所在组织的一种或多种细胞，可以是织的一种或多种细胞，可以是多能细胞多能细胞，也可以是，也可以是单能单能细胞细胞，，如造血干细胞、骨髓基质干细胞、神经干细胞、如造血干细胞、骨髓基质干细胞、神经干细胞、脂肪干细胞等。

脂肪干细胞等可以存在于胚胎发育的后期以及成体后可以存在于胚胎发育的后期以及成体后成体干细胞（成体干细胞（ Adult stem cell，，Tissue stem cell ) 例：骨髓中的组织干细胞例：骨髓中的组织干细胞造血干细胞终终末末分分化化的的各各种种细细胞胞骨髓基质干细胞例：皮肤的组织干细胞例：皮肤的组织干细胞位于表皮基底层位于表皮基底层规律规律: :细胞经历一个分化能力逐渐受限制的过程细胞经历一个分化能力逐渐受限制的过程““细胞越来越特化、越来越稳定、越来越不能改变细胞越来越特化、越来越稳定、越来越不能改变””哪些细胞会分化？哪些细胞会分化？Q(3.2).为什么这些细胞有分化能力？为什么这些细胞有分化能力？受精卵和干细胞（胚胎干细胞和组织干细胞）受精卵和干细胞（胚胎干细胞和组织干细胞）b.干细胞为什么分化？a.干细胞有什么特征？为什么干细胞会分化，有什么特征？为什么干细胞会分化，有什么特征？干细胞的特性：干细胞的特性：“干性干性”（（stemness)stemness)干细胞分化潜能降低分化潜能进一步降低分化自我更新自我复制，产生一个与亲代相同的子代细胞产生一个分化的子代细胞不对称分裂不对称分裂遗传物质、外环境不同？Q3.2.Q3.2.干细胞为什么分化？干细胞为什么分化？A.干细胞的自我更新和分化潜能很多未解之谜b.干细胞分化潜能从哪里来的？细胞内外什么不同？a.干细胞有什么特征？核移植细胞*遗传物质没有不同终末分化细胞终末分化细胞诱导性多能干细胞诱导小鼠胚胎成纤维细胞*细胞核在分化上的全能性Sir John B. Gurdon Shinya Yamanaka "for the discovery that mature cells can be reprogrammed to become pluripotent"The Nobel Prize of Physiology or Medicine 2012Sir John B. Gurdon Shinya Yamanaka “mature cell to become pluripotent cell规律规律: :细胞分化的状态细胞分化的状态能够逆转能够逆转方法方法:reprogramming:reprogramming重编程重编程* *去分化（去分化（dedifferentiationdedifferentiation）：）：已分化的细胞可失去已获得的特有的结构和已分化的细胞可失去已获得的特有的结构和功能，重新获得未分化细胞的特征的过程功能，重新获得未分化细胞的特征的过程. .translation外显子外显子内含子内含子调控序列基因调控蛋白基因调控蛋白- -转录因子转录因子蛋白质基因mRNA““编程编程””: : 编辑基因的编辑基因的表达表达These data demonstrate that iPS cells can be induced from MEF culture by the introduction of four transcription factors, Oct3/4, Sox2, c-Myc, and Klf4.诱导性多能干细胞诱导性多能干细胞诱导性多能干细胞诱导性多能干细胞（（（（iPSiPS，，，，induced pluripotent stem cellsinduced pluripotent stem cells））））“reprogramming”重编程转录后调控分子表观遗传调控转录调控诱导方法诱导方法: :转录因子的导入转录因子的导入 iPS在体外培养细胞的水平，经过诱导因子的作用，将成熟细胞重编程转为具有多向分化潜能的干细胞，对细胞分化、组织再生等生命科学和医学具有重要的意义。

不同类型细胞，基因表达的模式不同不同类型细胞，基因表达的模式不同基因的差异表达与细胞分化基因的差异表达与细胞分化 奢侈基因奢侈基因 (luxury (luxury genes)genes)有些蛋白和分化细胞的特殊性状密切相关，但不是细胞基本生命活动必不可少的，编码此类蛋白的基因称为奢侈基因，与各种分化细胞的特殊性状有直接关系细胞分化是细胞分化是奢侈基因按一定时空顺序表达的结果奢侈基因按一定时空顺序表达的结果 管家基因管家基因（（huose keeping geneshuose keeping genes））编码维持细胞最低限度的功能所不可缺少的蛋白质的基因，不参与细胞分化的定向，对细胞分化只有协助作用*细胞分化是基因按一定的时间和空间顺序细胞分化是基因按一定的时间和空间顺序表达的结果，称为表达的结果，称为“基因的差异表达基因的差异表达(differential expression)”,在发育过程中具在发育过程中具有重要的生物学意义有重要的生物学意义细胞分化的本质是细胞分化的本质是基因的差异性表达基因的差异性表达(Gene programming)奢侈基因的差异性表达如何调控奢侈基因的差异性表达如何调控 ？？特定的特定的基因表达调控分子基因表达调控分子与基因的相互作用与基因的相互作用改变或激活特定的基因调控分子改变或激活特定的基因调控分子细胞的内部特征细胞的内部特征细胞的外部环境细胞的外部环境*信号分子，信号分子，*细胞通讯（周围细胞，细胞通讯（周围细胞，远处细胞）远处细胞）细胞质细胞质信号转导信号转导细胞分化的普遍问题细胞分化的普遍问题1.1.细胞分化到底是什么？细胞分化到底是什么？ ( (从同源到差异）从同源到差异） 2.2.细胞分化出现在何时何地？细胞分化出现在何时何地？ （胚胎发育、组织更新和创伤修复）（胚胎发育、组织更新和创伤修复）3.3.细胞为什么分化？细胞为什么分化？（干细胞能够分化，奢侈基因差异性表达）（干细胞能够分化，奢侈基因差异性表达） 细胞分化与医学细胞分化与医学个体发育、组织更新不足或异常、创伤修复个体发育、组织更新不足或异常、创伤修复““需要新细胞的时候需要新细胞的时候””新细胞产生不足、或分化状态的异常新细胞产生不足、或分化状态的异常个体发育、肿瘤、再生医学个体发育、肿瘤、再生医学iPSiPS为基础的疾病治疗研究构想为基础的疾病治疗研究构想诱导性诱导性多能干细胞（多能干细胞（iPSiPS））细胞死亡细胞死亡Cell death1、理解细胞分化、去分化、转分化的概念2、理解基因差异表达的概念和与细胞分化的关系3、理解细胞的分化潜能4、理解胚胎干细胞和成体干细胞的概念5、理解诱导性多能干细胞的概念6 6、理解细胞凋亡的过程、特征、生物学意义、理解细胞凋亡的过程、特征、生物学意义学习目标（Learning Objectives)细胞凋亡细胞凋亡 apoptosisapoptosis细胞生命活动自行地、主动地终止，细胞生命活动自行地、主动地终止，伴随有典型形态学和生物化学变化的伴随有典型形态学和生物化学变化的细胞死亡形式，在生理、病理状态下都可细胞死亡形式，在生理、病理状态下都可以发生。

以发生 细胞死亡的两种细胞死亡的两种主要主要类型类型 细胞坏死细胞坏死 necrosisnecrosis细胞生命活动被外力强行终止，细胞经历细胞生命活动被外力强行终止，细胞经历一系列破坏性变化，最终细胞崩解消亡的一系列破坏性变化，最终细胞崩解消亡的过程过去主要是根据形态学改变进行分辨过去主要是根据形态学改变进行分辨程序性细胞死亡按形态学分类程序性细胞死亡按形态学分类I I类（细胞凋亡），类（细胞凋亡），IIII类（自噬性细胞死亡），类（自噬性细胞死亡），IIIIII类（坏死）类（坏死） 19901990年年 Clarke PGHClarke PGH分类分类细胞死亡的其他分类方式（进展）细胞死亡的其他分类方式（进展）依据分子机制和形态学分类依据分子机制和形态学分类程序性细胞死亡程序性细胞死亡(programmed cell death(programmed cell death，，PCD)PCD)：： “主动主动”------有细胞内主动的应答机制：信号转导和调控分子有细胞内主动的应答机制：信号转导和调控分子包括包括细胞凋亡、程序性坏死（细胞凋亡、程序性坏死（necroptosis)necroptosis)、自噬性细胞死亡、自噬性细胞死亡…非程序性细胞死亡：非程序性细胞死亡：“被动被动” 细胞坏死细胞坏死：： 病理过程；继发局部炎症病理过程；继发局部炎症炎症炎症Curr Opin Cell Biol. Apr 2010; 22(2): 263–268.Necroptosis as an alternative form of programmed cell deathDana E. Christofferson and Junying Yuan*程序性细胞死亡的程序性细胞死亡的“主动主动”的信号转导（分子机制）的信号转导（分子机制）例：细胞凋亡、程序性坏死（例：细胞凋亡、程序性坏死（necroptosis)necroptosis)凋亡凋亡程序性坏死程序性坏死信号转导信号转导（分子机制）（分子机制）一一. .细胞凋亡是主动的和可控的细胞凋亡是主动的和可控的（基本概念）（基本概念）二二. .细胞凋亡是细胞凋亡是进化进化上的普遍现象上的普遍现象 （进化上的生物学意义）（进化上的生物学意义）三三. .细胞凋亡普遍存在个体发育、组织更新等细胞凋亡普遍存在个体发育、组织更新等 （生物学意义）（生物学意义）四四. .细胞凋亡有独特的形态学和生物化学特征细胞凋亡有独特的形态学和生物化学特征 （特征）（特征）细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡细胞凋亡（（apoptosis））希腊语，原指秋天时树叶自然凋零。

在一定的在一定的生理和病理生理和病理条件下，细胞遵循自身的程序，条件下，细胞遵循自身的程序，自己结束生命的过程自己结束生命的过程 “自杀自杀” 细胞凋亡是进化上的保守现象和普遍现象细胞凋亡是进化上的保守现象和普遍现象1. 贯穿整个生物体的全部生命活动中；贯穿整个生物体的全部生命活动中；2. 高度保守，从线虫等低等动物到两栖类动物、鸟类、高度保守，从线虫等低等动物到两栖类动物、鸟类、哺乳类等高等动植物都普遍存在细胞凋亡现象哺乳类等高等动植物都普遍存在细胞凋亡现象Dance of death何时：“细胞需要死的时候”，老的、旧的、损伤的、不好的细胞“甚至在机体需要新细胞的时候”何地：胚胎发育时：各种组织 成体：快速更新的组织中，损伤修复 细胞凋亡是生物体的普遍现象，贯穿机体的细胞凋亡是生物体的普遍现象，贯穿机体的整个生命过程整个生命过程1.细胞凋亡与胚胎和个体发育细胞凋亡与胚胎和个体发育细胞凋亡与细胞坏死细胞凋亡与细胞坏死细胞坏死细胞坏死细胞凋亡细胞凋亡染色质凝集、染色质凝集、细胞器肿胀、细胞器肿胀、线粒体肿胀破裂线粒体肿胀破裂质膜崩解质膜崩解 炎症炎症 细胞皱缩、细胞皱缩、染色质固缩染色质固缩和边集、和边集、细胞质凝聚细胞质凝聚核碎裂核碎裂、出芽、、出芽、凋亡小体形成凋亡小体形成吞噬作用吞噬作用吞噬细胞吞噬细胞凋亡小体凋亡小体细胞内含物细胞内含物释放释放细胞凋亡的形态学特征（超微结构）细胞凋亡的形态学特征（超微结构）1.1.质膜发泡质膜发泡2.2.细胞核细胞核染色质凝聚染色质凝聚3.3.凋亡小体凋亡小体形成：膜包形成：膜包围的细胞质围的细胞质和细胞核残和细胞核残余物质余物质宫颈癌宫颈癌HeLaHeLa细胞细胞化疗药物处理后化疗药物处理后正常胸腺细胞正常胸腺细胞凋亡胸腺细胞凋亡胸腺细胞2. 细胞核内细胞核内DNA的片段化降解的片段化降解3. ATP的消耗的消耗1. 细胞膜磷脂酰丝氨酸（细胞膜磷脂酰丝氨酸（PS）外翻，由双分子）外翻，由双分子 层内层翻转到外层层内层翻转到外层其他生化特征其他生化特征2. DNA的片段化降解的片段化降解凋亡的显著特征凋亡的显著特征*一种核酸内切酶（一种核酸内切酶（DFF45)被效应被效应Caspase活化。

活化1. 磷脂酰丝氨酸（磷脂酰丝氨酸（PS）外翻，由双分子层内层）外翻，由双分子层内层 翻转到外层翻转到外层绿色荧光染色细胞膜外表面的绿色荧光染色细胞膜外表面的PSPS凋亡细胞凋亡细胞 （约（约50%50%））3. ATP的消耗的消耗 细胞凋亡的一个重要特征是需要消耗细胞凋亡的一个重要特征是需要消耗ATP，如，如Caspases的活化，细胞坏死时则不需要的活化，细胞坏死时则不需要ATP；； 在某些促凋亡信号作用下，当细胞内在某些促凋亡信号作用下，当细胞内ATP储备储备不足以发动细胞凋亡时，常转化为细胞坏死不足以发动细胞凋亡时，常转化为细胞坏死细胞内外环境细胞内外环境异常和刺激信号异常和刺激信号均可诱导细胞凋亡均可诱导细胞凋亡某些某些细胞细胞因子因子化化学学剂剂药药物物DNADNA损伤损伤辐辐射射生长生长因子因子撤除撤除细胞凋亡的诱导因素细胞凋亡的诱导因素 (inducer)内质网应激内质网应激细胞为什么发生凋亡？细胞细胞黏附黏附1.1.死亡受体死亡受体介导的凋亡途径受介导的凋亡途径受细胞外细胞外信号激活信号激活2.2.线粒体线粒体介导的介导的细胞内细胞内凋亡信号途径，可受内、外多凋亡信号途径，可受内、外多 种因素激活种因素激活3.3.内质网内质网通路介导的通路介导的细胞内细胞内凋亡信号途径凋亡信号途径4.4.溶酶体溶酶体通路介导的通路介导的细胞内细胞内凋亡信号途径（略）凋亡信号途径（略）细胞凋亡的信号转导途径细胞凋亡的信号转导途径细胞内、外信号分别启动的信号途径细胞内、外信号分别启动的信号途径死亡受体途径（死亡受体途径（Caspase 的活化从细胞膜开始的活化从细胞膜开始））线粒体途径（粒体途径（Caspase 的活化从的活化从细胞内开始）胞内开始） 胱冬肽酶（胱冬肽酶（Caspases)级联反应级联反应细胞怎样发生凋亡？重要的执行分子：胱冬肽酶家族重要的执行分子：胱冬肽酶家族胱冬胱冬肽酶（Cysteine aspartic acid specific protease，Caspase）剪切蛋白质的酶，活性位点是半胱氨酸，水解天冬氨酸后的肽键剪切蛋白质的酶，活性位点是半胱氨酸，水解天冬氨酸后的肽键活性位点底物被剪切的位点如：如：Caspase-3的底物的底物DNA修复修复核纤层蛋白核纤层蛋白A特点：特点：1.1.酶原形式存在，需要激活酶原形式存在，需要激活Caspase自身以非活化的、无活自身以非活化的、无活性的酶原（性的酶原（Procaspase）形式）形式存在，激活依赖其他蛋白质的作存在，激活依赖其他蛋白质的作用。

用2.2.不同不同Caspase需要级联反应需要级联反应(Cascade)激活激活起始起始CaspaseCaspase执行执行CaspaseCaspase多种底物多种底物上游上游下游下游细胞凋亡细胞凋亡（（apoptosisapoptosis）小结）小结是指细胞在一定的是指细胞在一定的生理和病理生理和病理条件下，遵循自身的程序，自条件下，遵循自身的程序，自己结束生命的过程己结束生命的过程细胞凋亡贯穿整个生物体的全部生命活细胞凋亡贯穿整个生物体的全部生命活动，在个体发育、组织更新和损伤修复中发挥重要的生物学动，在个体发育、组织更新和损伤修复中发挥重要的生物学意义细胞凋亡是受到调控的主动过程，涉及一系列胱冬肽意义细胞凋亡是受到调控的主动过程，涉及一系列胱冬肽酶的水解、活化和功能等，并具有典型的形态学及生化改变酶的水解、活化和功能等，并具有典型的形态学及生化改变.…The Nobel Prize of Physiology or Medicine 2002第三节第三节 细胞凋亡的调控信号（略）细胞凋亡的调控信号（略）细胞死亡细胞死亡机体内外各种因素机体内外各种因素（环境、遗传、（环境、遗传、 身心疾患身心疾患…））细胞生死细胞生死调控失常调控失常增殖过度；增殖过度；分化受阻；分化受阻；程序性细胞死亡不足程序性细胞死亡不足细胞凋亡与医学肿瘤神经退行性变阿尔茨海默病阿尔茨海默病帕金森氏病帕金森氏病等等……1、理解细胞分化、去分化、转分化的概念2、理解基因差异表达的概念和与细胞分化的关系3、理解细胞的分化潜能4、理解胚胎干细胞和成体干细胞的概念5、理解诱导性多能干细胞的概念6、理解细胞凋亡的过程、生物学意义学习目标（Learning Objectives)。