生物竞赛南京大学夏令营细胞课件

细胞的生命历程,主讲:张晶 南京大学生科院,50年代以来诺贝尔生理与医学奖大都授予了从事细胞生物学研究的科学家。,对细胞的深入研究是揭开生命奥秘、改造生命和征服疾病的关键。,细胞的发现:,显微镜之于生物学，犹如望远镜之于天文学，细胞生物学的变革无不和显微技术的改进息息相关。 1604年，荷兰眼镜商Janssen发明了第一台显微镜，放大倍数不超过10倍，只能观察小昆虫。 1665年，英国人Robert Hooke，发表显微图谱，用自制显微镜（30倍）来观察软木，首次用cells描述“细胞”。,细胞概述,细胞学说的创立,Cell Theory是19世纪的重大发现之一， 基本内容有三条： 有机体是由细胞构成的； 细胞是构成有机体的基本单位； 新细胞来源于已存在细胞的分裂。,细胞的形态：细胞的形态与功能相适应,细胞的大小,直径 原核细胞的直径110m 真核细胞的直径330m,器官的大小主要决定于细胞的数量, 与细胞的数量成正比,而与细胞的大小无关,把这种现象为“细胞体积的守恒定律”。,B.细胞体积相对恒定 细胞对其体积的增大的限制因素： 其一：体积与表面积的关系 其二：细胞内关键分子的浓度 对其体积减小也有限制： 一个生活细胞要维持正常的独立生活功能，最低限度需要5001000种不同类型的酶和蛋白质。 最小的细胞:支原体,细胞的寿限,著名的Hayflick 界限：细胞的衰老控制着细胞的分裂次数，进而控制着细胞的数量。,正常细胞只能传一定的代数 新生细胞比老细胞传的代数多 胚胎的成纤维细胞可传50代，成年组织的成纤维细胞只能传1530代，患有Werner综合症的儿童身上分离的成纤维细胞只能传210代。 不同动物细胞可传代数与动物寿命有关 龟的细胞在体外能分裂100次，小鼠的细胞在体外分裂的次数不超过30次。,Hayflick界限,1961年，Hayflick 首次报道了体外培养的人成纤维细胞有增殖分裂的极限。,体外培养的年轻和老的人成纤维细胞的显微形态,各类细胞的寿命,一般可以分为3类： I. 细胞的寿命接近动物的整体寿命：如神经元、脂肪细胞、肌细胞等，随机体的生长，体积可以增大，但数量不会增加。,缓慢更新的细胞，寿命短于机体： 如胃壁 细胞、肝细胞等。,III. 快速更新的细胞： 如皮肤表皮细胞、红细胞和白细胞等。,细胞的生命历程,细胞的增殖 与分裂,细胞周期,细胞凋亡,细胞癌变,异常,异常,一、细胞增殖与分裂,细胞通过分裂进行增殖，分裂形成的新细胞必须具有 与亲代相似的遗传性。,细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖、遗传的基础，是生物的基本特性。,单细胞生物,多细胞生物: 受精卵,单细胞个体,多细胞个体,死亡、创伤 补偿,分裂,分裂和分化,分裂,1、爪蟾卵母细胞发育 2、生长的细胞,教学动画,细胞类群,持续分裂细胞: 如造血干细胞、性细胞 终端分化细胞：如红细胞、神经细胞等永久性失去了分裂能力的细胞。 G0细胞 又称休眠细胞。暂时脱离细胞周期,不进行增殖,也叫静止细胞群,如某些免疫淋巴细胞, 肝,肾细胞等。,二、细胞周期,细胞周期是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开始生长到下次 有丝分裂终止所经历的全过程。,两个事件：,1、遗传物质必须正确复制并均等地分配给两个子细胞。,2、细胞必须健康生长到一定大小至成熟。,细胞周期时相图,细胞周期时相及类型,Phases of the cell cycle G1期, 从M期结束到S期开始前的一段间歇期; S期, DNA合成期; G2期, DNA合成后(S期)到有丝分裂前的一个 间歇期; M期, 即有丝分裂期。,不是每种细胞都有四个时期，如胚胎细胞没有G1、G2期,Embryonic cell cycles,分,分,裂,间,期,分,裂,期,前期,中期,后期,末期,子细胞,90%95%,5%10%,分裂间期即生长期，包括G1期,S期,G2期,几类不同细胞周期比较,细胞周期的差异主要是G1期持续时间的差异很大。细胞周期的长短主要决定于G1期的长短。,细胞周期各时相的合成活动,G1期 (Gap1 phase) S 期 (synthesis phase) G2 期(Gap 2 phase) M期,G1期：DNA合成前期，合成大量的蛋白质、脂类和糖类，细胞快速生长，体积增大。 S期：DNA合成期，进行DNA复制，使DNA含量倍增，并合成蛋白质，组成新的染色体。 G2期：DNA合成后期，主要合成大量ATP、RNA和蛋白质为有丝分裂作准备。 M期：RNA合成停止，蛋白质合成减少，染色体高度螺旋，DNA减半,细胞周期的表示方法,1. 数轴法,a b c d,2. 曲线图,DNA含量,a b c d e f,3. 扇形图,a,b,c,d,e,习题,下列关于细胞分裂周期的叙述正确的是（） 间期只包括G1和G2期 B. M期发生DNA复制 G1期和G2期都能合成蛋白质 S期进行DNA复制使染色体数目增加 2. 下图中a-d表示连续分裂的两个细胞周期，下面叙述正确的是（） A. a和b为一个细胞周期 B. c段结束时，DNA含量增加一倍 C. 遗传物质平分一般发生在d D. b和c为一个细胞周期,a b c d,时间,细 胞 周 期 的 控 制 系 统,细胞融合实验 研究者：1970年，Rao 和 Johnson 研究思路： 细胞质中是否含有影响细胞周期活性的调节因子？ 研究方法： 不同阶段的同步化细胞进行融合 预测结果：,G1期细胞与M期细胞融合,S期细胞与M期细胞融合,G2期细胞与M期细胞融合,MPF的发现,成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF）, 是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子,MPF的发现及其作用,Masui和Markert（1971）,细胞周期蛋白的鉴定,研究思路 实验设计 获得同步化的受精的海胆卵细胞 在有放射性氨基酸的培养液中培养 每10分钟取一次样分离纯化蛋白质进行分析 实验结果 发现了周期蛋白B(cyclin B),MPF的发现及其作用,研究三：Maller实验室(1988，纯化工作),Accumulation and degradation of cyclins in sea urchin embryos,细胞周期研究模式工具,Cdc25 and Wee1 have opposing effects on S. pombe MPF activity,三、有丝分裂,由W.Fleming (1882)年首次发现于动物及E.Strasburger（1880）年发现于植物。特点是有纺锤体出现，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物(动物和高等植物) 。,有丝分裂期所用时间，因生物和细胞的种类不同而有很大差别。一般要13小时，但快者有10多分钟就可完成，慢者需56个小时，甚至更长时间。通常，胚胎发生早期细胞分裂快，而成体组织细胞分裂慢。,有丝分裂过程中中心体变化,Immediately after duplication, the 2 pairs of centrioles and the centrosome matrix are together,In early M phase, the 2 pairs of centrioles separate, each forming an aster,The 2 asters move apart to the opposite side of the nucleus. A mitotic spindle is formed.,After the nuclear envelope breaks down, the spindle microtubules attach to the chromosomes,染色质的基本结构单位核小体,1974年Kornberg等人根据染色质的酶切降解和电镜观察，发现核小体（nucleosome）是染色质包装的基本结构单位，并提出染色质结构的“串珠“模型。,实验证据 核小体的结构要点,有丝分裂过程中DNA变化,The organization of chromatin in nucleosomes,Chromosome packing（染色体包装）,核小体(nucleosome) 螺线管(solenoid) 超螺线管(supersolenoid) 染色体(chromosome) 从核小体开始到染色体, DNA总共压缩: 压缩7倍 压缩6倍 压缩40倍 压缩5倍 DNA核小体螺线管超螺线管染色单体,Chromatin Packing,有丝分裂是一个连续的过程，习惯上按先后顺序划分为前期、中期、后期和末期四个时期 。,The M Phase Stages of Newt Lung Cells (1),Microtubules,前期发生的主要事件有四个: 染色体的凝聚、分裂极的确定、核仁的消失和核膜的解体。,The M Phase Stages of Newt Lung Cells (2),中期:染色体排 列到赤道面上， 染色体浓缩变 粗，显示出该物 种所特有的数目和形态。,后期:每条染色体的两条姊妹染色单体分开并移向两极的时期。子染色体到达两极时后期结束。子染色体向两极的移动是靠纺锤体的活动实现的。,有丝分裂（植物细胞） （教学动画）,细胞体的分裂称胞质分裂,动物和某些低等植物细胞的胞质分裂是以缢束或起沟的方式完成的。 高等植物细胞的胞质分裂是靠细胞板的形成。细胞板逐渐扩展到原来的细胞壁乃把细胞质一分为二。,细胞死亡-凋亡与坏死,Apoptosis vs necrosis,Apoptosis,Necrosis,Death by apoptosis is a neat, orderly process,Cell death,Cells die by one of two mechanisms: necrosis or apoptosis Two physiologically different processes - Necrosis（坏死）: death by injury - Apoptosis（凋亡）: death by suicide Apoptosis and necrosis have different characteristics,细胞凋亡又称细胞程序性死亡，是一种由基因控制的细胞自主性死亡方式，与组织器官的发育、机体正常生理活动的维持、疾病的发生、细胞的恶变等有密切关系。,程序性死亡细胞的形态结构变化,细胞缓慢收缩 染色质包装和分离 细胞质凝聚,核片段化 发芽、起泡 细胞裂成小片,凋亡小体,吞噬细胞, Biochemical characteristics of apoptosis:,Apoptosis induced by Cyto C Lane 10 h 21 h 32 h 43 h 54 h 6Control 7Marker,180200bp DNA ladder,Apoptosis Is Important to the Development and Survival of the Organism,In human, billions of cells die in bone marrow and intestine every day Why such a “waste”? Normal development Balancing cell division Removing abnormal cells,The paw in mouse embryo showing apoptosis,One day later,As tadpole changes into frog, the tail is lost due to apoptosis,小鼠脚趾形成,蛙发育的变态反应,程序性细胞死亡对发育中神经细胞数量的调节,六、 癌 细 胞,比喻：动物体（人） 一个特殊的“社会”（society）; 细胞 “社会”中的个体（individuals）; 原则 “个体”的自我牺牲(self-sacrifice); 癌细胞 “社会”中的“不轨分子”（违反上述原则， “疯狂增殖”）,癌细胞是一种突变的体细胞，脱离了细胞社会关于增殖和存活的控制，可以无限制的增殖产生肿瘤。,癌的类群 癌(carcinoma) 从组织的外表面和内表面生长的癌; 瘤(sarcoma) 源于中胚层形成的支持组织（骨、软骨、脂肪、结缔组织和肌组织等）中形成的癌。 淋巴瘤(lymphoma)和白血病(leukemia) 是由淋巴和血液产生的癌，白血病主要是指癌细胞已经大量进入血液中。,细胞癌变的原因,物理致癌因子：主要是各种射线 化学致癌因子：如苯、砷、煤焦油等 病毒致癌因子：肿瘤病毒或致癌病毒 遗传因素：,致癌物,指出下列案例中的致癌因子属于哪一类？ 臭氧层破坏导致皮肤癌患者增多； 日本长崎、广岛在二战后幸存居民经29年观察发现白血病发生率明显增高； 4苯并吡是煤焦油中的主要致癌成分，存在于吸烟时烟草燃烧的烟雾、工厂的煤烟、汽车等废气中。近几年，肺癌的发生率呈明显增加趋势，可能与上述气体有关； 研究表明，80左右的肝癌患者是由乙肝病人转变而来；,过程：,正 常 细 胞,原癌基因 抑癌基因,细胞癌变,致癌因子,内因,外因,突变,本质：体细胞基因组的改变（突变的积累）； 癌症是由众多因素引发的“基因病”（gene disorder）（体细胞）；有别于通过性细胞传递的“遗传病”（genetic disorder） 复杂性：美国“攻克癌症”的十年计划的失败 ,一、癌细胞的特征 肿瘤（tumor） 良性肿瘤（benign）：不转移（分裂失控） 恶性肿瘤（malignant）: 转移、侵润,正常和癌细胞的分裂增殖,肿瘤的生长,2，侵润性和扩散性 侵润性(invasive)；扩散性（diffusible）；转移性（metastasis）,良性肿瘤（benign） 和恶性肿瘤（malignant）,恶性肿瘤的转移（metastasis）,二、癌基因和抑癌基因（cancer-critical genes） 1，原癌基因（proto-oncogenes）和癌基因（oncogenes） 原癌基因：为细胞的正常基因，多编码控制细胞周期、细胞凋亡、细胞增殖的各种调控因子和活性蛋白，是细胞正常功能所必需； 癌基因：为原癌基因的突变形式，或改变了表达方式（过量、产物活性的改变，等），其结果是引起正常细胞的癌变。,2，抑癌基因（tumor-suppressor genes） 发现：有一类基因的失活也能引起癌变。e.g., a. 视网膜母细胞瘤是由于Rb 基因突变失活而引起的； b. p53基因：50的肿瘤中发现p53 的突变； 作用：细胞周期调控； 促进细胞凋亡； 维持遗传稳定性（p53突变使细胞逃脱DNA 损伤的监控系统而进入分裂）,3、小结 癌基因和抑癌基因的对比： _ 癌基因 抑癌基因 细胞增殖的正调控因子 细胞增殖的负调控因子 gain-of-function loss-of-function 显性（dominant） 隐性（recessive） _,三、基因突变积累 癌的发生 癌的发生是由多个相关基因突变的共同作用引起的； 并不是基因组的每一次突变都被积累下来，细胞中有DNA损伤修复机制，及复制纠错机制，阻止突变细胞继续分裂； 当细胞逃脱了纠错机制的监控进入分裂，就有可能转变为癌细胞；而癌细胞的快速增殖助长了有害突变的积累； 环境中的各种诱变因素（辐射、化学诱变剂、病毒）增加突变几率，诱发癌症。这种作用也是可积累的。,结肠癌的发生过程（基因突变的积累）,事实： 移民群体中（各种）癌的发生率接近居住国的平均水平，而不是其本民族的水平。 暗示癌症发生中，环