《分子细胞与组织教学课件》2015细胞分化凋亡（zy）.ppt

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,细胞生命活动,组织、个体的生命活动,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,Cell differentiation,组织更新,皮肤伤口修复,什么是细胞分化 (Cell Differentiation) 由同一细胞（起源）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。,胚胎发育,特化细胞（specialization),同源细胞,何时：“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 （cell proliferation，cell division)？,* 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）,何地：各种组织中,出现在个体发育、组织更新、创伤修复,细胞分化最早出现在胚胎发育(development)中,Development： the process by which animals and plants grow and develop.,Developmental Biology 发育生物学,Q3. 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(totipotency)： 分化为其他所有细胞类型 多能细胞(pluripotency)： 分化为多种细胞类型 单能细胞(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 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,囊胚,原肠胚,内胚层 中胚层 外胚层,消化道、呼吸道等 肌肉、骨等 表皮和神经系统等,卵裂球,桑葚胚,受精卵,胚胎8-9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,a.受精卵、 b.8细胞期前的胚胎细胞,胚胎发育最早期，会有分化发育为个体的细胞,全能细胞,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 (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，囊胚期的内细胞团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，进一步分化为器官的原基，并最终分化出多种不同类型的细胞。,胚胎干细胞（Embryonic stem cell，ESC ),存在于已分化组织中的未分化细胞，能够分化为所在组织的一种或多种细胞，可以是多能细胞，也可以是单能细胞，如造血干细胞、骨髓基质干细胞、神经干细胞、脂肪干细胞等。可以存在于胚胎发育的后期以及成体后。,成体干细胞（ Adult stem cell，Tissue stem cell ),例：骨髓中的组织干细胞,造血干细胞,终末分化的各种细胞,骨髓基质干细胞,例：皮肤的组织干细胞,位于表皮基底层,规律: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”,哪些细胞会分化？,Q(3.2).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）,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？,干细胞的特性：“干性”（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,遗传物质、外环境不同？,Q3.2.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 2012,Sir John B. Gurdon,Shinya Yamanaka,“mature cell to become pluripotent cell,规律:细胞分化的状态能够逆转,方法:reprogramming 重编程,*去分化（dedifferentiation）： 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.,translation,外显子,内含子,调控序列,基因调控蛋白 -转录因子,蛋白质,基因,mRNA,“编程”: 编辑基因的表达,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 （iPS，induced 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: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,基因的差异表达与细胞分化,奢侈基因 (luxury 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。细胞分化是奢侈基因按一定时空顺序表达的结果。,管家基因（huose 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表达的结果，称为“基因的差异表达(differential expression)”,在发育过程中具有重要的生物学意义。,细胞分化的本质是基因的差异性表达,(Gene programming),奢侈基因的差异性表达如何调控 ？,特定的基因表达调控分子与基因的相互作用,改变或激活特定的基因调控分子,细胞的内部特征,细胞的外部环境,*信号分子， *细胞通讯（周围细胞，远处细胞）,细胞质,信号转导,细胞分化的普遍问题 1.细胞分化到底是什么？ (从同源到差异） 2.细胞分化出现在何时何地？ （胚胎发育、组织更新和创伤修复） 3.细胞为什么分化？ （干细胞能够分化，奢侈基因差异性表达）,细胞分化与医学,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” 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,iPS为基础的疾病治疗研究构想,诱导性多能干细胞（iPS）,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、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 apoptosis 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 细胞死亡形式，在生理、病理状态下都可以发生。,细胞死亡的两种主要类型,细胞坏死 necrosis 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过程。,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 I类（细胞凋亡），II类（自噬性细胞死亡），III类（坏死） 1990年 Clarke PGH分类,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 程序性细胞死亡(programmed cell death，PCD)： “主动”-有细胞内主动的应答机制：信号转导和调控分子 包括细胞凋亡、程序性坏死（necroptosis)、自噬性细胞死亡 非程序性细胞死亡：“被动” 细胞坏死： 病理过程；继发局部炎症,炎症,Curr Opin Cell Biol. Apr 2010; 22(2): 263268. Necroptosis as an alternative form of programmed cell death Dana E. Christofferson and Junying Yuan*,程序性细胞死亡的“主动”的信号转导（分子机制） 例：细胞凋亡、程序性坏死（necroptosis),凋亡,程序性坏死,信号转导 （分子机制）,一.细胞凋亡是主动的和可控的（基本概念） 二.细胞凋亡是进化上的普遍现象 （进化上的生物学意义） 三.细胞凋亡普遍存在个体发育、组织更新等 （生物学意义） 四.细胞凋亡有独特的形态学和生物化学特征 （特征）,细胞凋亡,细胞凋亡（apoptosis）希腊语，原指秋天时树叶自然凋零。在一定的生理和病理条件下，细胞遵循自身的程序，自己结束生命的过程。 “自杀”,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； 2. 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。,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，贯穿机体的整个生命过程。,细胞凋亡与胚胎和个体发育,细胞凋亡与细胞坏死,细胞坏死,细胞凋亡,染色质凝集、 细胞器肿胀、 线粒体肿胀破裂,质膜崩解,炎症,细胞皱缩、 染色质固缩和边集、细胞质凝聚,核碎裂、出芽、 凋亡小体形成,吞噬作用,吞噬细胞,凋亡小体,细胞内含物释放,细胞凋亡的形态学特征（超微结构）,1.质膜发泡,2.细胞核 染色质凝聚,3.凋亡小体 形成：膜包围的细胞质和细胞核残余物质,宫颈癌HeLa细胞化疗药物处理后,正常胸腺细胞,凋亡胸腺细胞,2. 细胞核内DNA的片段化降解,3. ATP的消耗,1. 细胞膜磷脂酰丝氨酸（PS）外翻，由双分子 层内层翻转到外层,其他生化特征,2. DNA的片段化降解,凋亡的显著特征,*一种核酸内切酶（DFF45)被效应Caspase活化。,1. 磷脂酰丝氨酸（PS）外翻，由双分子层内层 翻转到外层。,绿色荧光染色细胞膜外表面的PS,凋亡细胞 （约50%）,3. ATP的消耗,细胞凋亡的一个重要特征是需要消耗ATP，如Caspases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ATP储备不足以发动细胞凋亡时，常转化为细胞坏死。,细胞内外环境异常和刺激信号均可诱导细胞凋亡,某些细胞因子,化学剂,药物,DNA损伤,辐射,生长因子撤除,细胞凋亡的诱导因素 (inducer),内质网应激,细胞为什么发生凋亡？,细胞黏附,1.死亡受体介导的凋亡途径受细胞外信号激活 2.线粒体介导的细胞内凋亡信号途径，可受内、外多 种因素激活 3.内质网通路介导的细胞内凋亡信号途径 4.溶酶体通路介导的细胞内凋亡信号途径（略）,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,死亡受体途径（Caspase 的活化从细胞膜开始）,线粒体途径（Caspase 的活化从细胞内开始）,胱冬肽酶（Caspases)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,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,活性位点,底物被剪切的位点,如：Caspase-3的底物,DNA修复,核纤层蛋白A,特点： 1.酶原形式存在，需要激活,Caspase自身以非活化的、无活性的酶原（Procaspase）形式存在，激活依赖其他蛋白质的作用。,2.不同Caspase需要级联反应(Cascade)激活,起始Caspase,执行Caspase,多种底物,上游,下游,细胞凋亡（apoptosis）小结 是指细胞在一定的生理和病理条件下，遵循自身的程序，自己结束生命的过程。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，涉及一系列胱冬肽酶的水解、活化和功能等，并具有典型的形态学及