医学细胞生物学：第十四章 胞质分裂与细胞分化

1、第十四章第十四章 CELL DIFFERENTIATION 第一节第一节 细胞分化的基本概念细胞分化的基本概念 眼的诱导眼的诱导(induction)发育过程：发育过程： 诱导细胞释放信号分子诱发周 围的细胞向某个方向分化。诱 导细胞叫组织者(organizers)， 分泌的可扩散诱导物叫形成素 (morphogen) Morphogen从组织者处存在浓 度梯度，这是诱导周围组织细 胞发生不同改变的基础。 细胞决定：细胞决定： 细胞分化：形态、功能发生变化。 细胞决定：出现差异之前，已经确定了未来的发育方向，只 能向特定的方向分化。 第二节 细胞胞质分裂 星体刺激假说 中间纺锤体假说 星体松弛

2、假说 没有单个的假说可以解释所有的实验观察，所以分裂沟位 置的可能由这些机制组合共同决定，或者还有其他机制， 因为不同的细胞类型不同的机制的重要性也不一样。例如 线虫的胚胎细胞中，由相当的证据表明星体刺激和中间纺 锤体机制都很重要。 时间：中后期转换之后 空间：分裂沟的位置，纺锤体赤道板 由于胞质分裂的进程必须和有丝分裂的进行相协调，所以 很显然中间纺锤体的形成也要被细胞周期调控系统控制， 如Cdk1。 Cdk1使中间纺锤体组织蛋白的磷酸化使Cdk1可以控制中 间纺锤体组织的时间：中期-后期转换以前，活化的Cdk1 磷酸化组装中间纺锤体的诸多调控因子，抑制了他们的组 装活性。当中期-后期转换以

3、后周期蛋白B被APC降解，抑 制解除，才开始组装中间纺锤体。 时间：中后期转换之后：Cdk1 另外有意思的是，原来有丝分裂中期定位在动粒的蛋白质， 在后期开始出现在中间纺锤体上。这些蛋白质包括两个有 丝分裂蛋白激酶Plk和Aurora B。 Cdk1主要调节中间纺锤体形成的时序性，而Aurora B主 要负责的中间纺锤体形成的空间调控。 空间：分裂沟的位置，纺锤体赤道板： 中间纺锤体还包括其他几种潜在的调节蛋白，叫乘客蛋白， 原来在有丝分裂中期定位在动粒，后期开始就出现在中间 纺锤体上。这些蛋白质包括两个有丝分裂蛋白激酶Plk和 Aurora B。Aurora B部分通过磷酸化而启动MKLP-

4、1的功 能对胞质分裂的完成起重要作用。 由于中期-后期转换后，Aurora B从动粒转移逐渐到中间 纺锤体上，在分离的染色单体之间就形成了一个Aurora B 激酶活性的梯度，使Aurora B调控了中间纺锤体在特定的 部位形成 收缩环：收缩环：一个围绕在细 胞赤道板皮层下，环平 面和染色体分离轴垂直 对切的蛋白质环。 收缩环的主要组成成分 是具有收缩能力的纤维 蛋白肌动蛋白和马达蛋 白肌球蛋白II束，他们 的收缩将引起收缩环收 缩，将细胞膜内拉 胞质分裂时，肌动蛋白纤维 的正端被未知的蛋白质锚定 在细胞皮层，采用与肌肉收 缩类似的机制，以肌动蛋白 纤维为轨道，向肌动蛋白纤 维的正端运动。结果

5、肌动蛋 白锚定的细胞皮层靠近，引 起细胞膜的皱缩 胞质分裂环的组装 分裂部位出现的肌动蛋白纤维要么是招募其他地方预先存在 的纤维，要么在原位重新形成纤维。这两种可能性都存在， 但是后者似乎更重要。 1.隔蛋白（Septin）：是GTP酶，可以组装成大的复合物 和纤维。动物细胞里正常的胞质分裂和肌动蛋白纤维在 分裂沟部位共定位也需要隔蛋白。我们既不清楚隔蛋白 功能的分子基础，也不知道它的GTP酶活性的作用，尽 管一个可能性是隔蛋白可以作为胞质分裂器组织的结构 骨架。 3.Anillin：一个具有多个结构域的蛋白质，可以和肌动蛋 白、肌球蛋白II和隔蛋白结合。果蝇细胞隔蛋白的正确 定位需要anil

6、lin，其功能缺失导致胞质分裂的部分缺陷。 4.IQGAP蛋白质：一个蛋白家族，和肌动蛋白纤维作用， 至少在酵母细胞里为正常收缩环的形成所必需。芽殖酵 母里蛋白质Iqg1在后期刚好于肌动蛋白之前出现在芽体 颈部， 负责这个位点肌动蛋白的招募。 动物细胞收缩环的一个主要 调控因子是Rho，一个 Ras/Ran家族的小GTP酶。 在结合GTP活性的状态下， Rho和分裂沟的多个靶蛋白 相互作用，包括那些影响肌 动蛋白-肌球蛋白环的装配和 收缩的蛋白质 有丝分裂时存在两个 纺锤体：有丝分裂纺 锤体和中间纺锤体， 两者都是由微管组装 成的双极结构，正端 在纺锤体中央重叠。 两者出现的时间不同：前者出现

7、在有丝分裂进入时，而后 者存在于有丝分裂退出后、胞质分裂开始时。 微管的活泼特性不同：中间纺锤体的微管比较稳定，如采 用Nacodazole处理后期开始后的细胞两分钟，星体微管全 部解聚，而中间纺锤体微管则不受影响。 中间纺锤体的来源有两个：有丝分裂纺锤体微管和重新形 成的微管。 当有丝分裂纺锤体两极被拉开时，微管的负端从极体 上被拉脱，参与组织中间纺锤体。但是仍不知道这些 自由的微管的负端是如何稳定。 另一方面，即使在没有有丝分裂纺锤体的极端情况下， 中间纺锤体也可以形成，表明存在从头合成的形成中 间纺锤体的机制。但两者的权重仍不清楚。 中间纺锤体的组装 中间纺锤体的自我组装需要微管结合蛋白

8、MAPs、马达蛋白和有 丝分裂激酶，包括PRC1、MKLP1、CPC等。 第三节 不均等分裂 在特定的情况下，一些细胞的分裂并不均等，两个子细胞 没有继承相同的细胞质成分，包括细胞器和生物大分子， 甚至姊妹染色单体的分配也会存在子细胞的偏重。 这种不对称的分裂方式在胚胎早期发育过程中可以产生两 个具有不同的发育命运的子细胞，更重要的是保证了成体 干细胞干性维持和定向分化的平衡。 母中心粒（M）和子中心 粒（D）组成，M、D中心粒分别半保留复制出孙中心粒GD1， GD2，形成M-GD1和D-GD2两个中心体。两者分配不对称。 芽殖酵母:M-GD1-芽体； 果蝇的雄性生殖干细胞（GSC）:M-GD

9、1-干细胞 果蝇幼虫神经母细胞（NBs）:D-GD2-神经母细胞 哺乳动物神经祖细胞: M-GD1-祖细胞中。 不对称分裂时，其他 细胞器如线粒体、内 质网通过与细胞骨架 如微丝和微管的相互 作用，在两个子细胞 之间不均等分配。 一般而言，增殖能力 强的子细胞将获得质 量更好、更具功能的 细胞器，如芽殖酵母 的芽体细胞更倾向于 获得代谢能力更旺盛 的线粒体。 细胞器的不均等分配细胞器的不均等分配 2. 2. 生物大分子的不均等分配生物大分子的不均等分配 早期胚胎发育过程中分裂时生物大分子在子细胞之间的不 均等分配已经是被广泛接受的概念：包括蛋白质、mRNA 等生物大分子的不均等分配是两个子细胞

10、不同命运决定的 根本原因。 现在越来越多的的研究表明，细胞分裂时生物大分子的不 均等分配可能具有更广泛的意义。如果把一些受损或错误 折叠的蛋白质、ROS损伤的DNA、脂类等大分子特异地 分配到一个子细胞中，牺牲这个子细胞就可以防止另外一 个细胞的衰老。 3.姊妹染色单体不均等分配 果蝇GSC的不对称分裂时，旧组蛋白H3主要存在与GSC 中，而新合成的组蛋白H3主要分布在精原细胞中。这可 能与新合成的组蛋白在新旧DNA链上装配的偏重有关。新 合成的组蛋白往往其N端被乙酰化修饰，乙酰化的组蛋白 在一些组蛋白分子伴侣的协助下，通过与PCNA相互作用， 在复制叉通过后组装新的核小体。 进一步的问题是：

11、既然不对称分裂时组蛋白存在不均等分配，复进一步的问题是：既然不对称分裂时组蛋白存在不均等分配，复 制后的制后的DNA链是否也存在不均等分配链是否也存在不均等分配？ 答案显答案显然是然是Yes。即便不是所有，至少也是部分姊妹染色单体，。即便不是所有，至少也是部分姊妹染色单体， 在不对称分裂时存在不均等分配的现象在不对称分裂时存在不均等分配的现象。 果蝇果蝇GSC中的中的X、Y染色体的两个姊妹染色单体存在非随机分配染色体的两个姊妹染色单体存在非随机分配， 其中一条姊妹染色单体分配到其中一条姊妹染色单体分配到GSC的比率为的比率为85%。 但是其他常染色体却不存在这种偏重的现象。但是其他常染色体却不

12、存在这种偏重的现象。 现在流行的观点认为，DNA的两条链分别携带了不同的遗 传信息，有丝分裂器可以识别新旧DNA链，将不同的染色 单体偏重分配到不同的子细胞中，控制两个子细胞的分化 命运。 干性的维持的一个简单直接的解释：干细胞继承的染色单 体的“干性基因”表达更为活跃，而分化细胞继承的染色 单体的“干性基因”表达相对沉默。 （二）、不均等分裂的原因： 外界信号分子 外界极化达到环境 细胞内部的不对称性 中心体复制后形成的两个M-GD1和D-GD2中心体特性不一：。 首先，两者的蛋白组成存在很大差异，M-GD1和D-GD2分别 具有其特异的蛋白质存在，如M-GD1上的-微管蛋白, Centri

13、olin和D-GD2上的Centrobin, Neural4等； 其次，M-GD1和D-GD2中心体作为MTOC的活性也不一样， M-GD1的MTOC活性更活跃； 另外，环绕在M-GD1和D-GD2中心体周围的PCM的组成甚 至大小都可能会影响到中心体与其他细胞组分的相互作用。 2 2，有丝分裂纺锤有丝分裂纺锤体的位置和指向导致细胞的不对称分裂体的位置和指向导致细胞的不对称分裂 两者的运动特性不一样：其中一个与细胞皮层锚定，表现为相对 惰性，而另外一个活跃地移动到细胞核的另外一侧。 两个MTOC活性的差异：导致形成的纺锤体极的不同，如果蝇幼 虫的神经母细胞中靠近基底部的纺锤体极核化的微管短，而

14、另侧 的纺锤体极核化的微管长。因此基底纺锤体极更靠近基底部，导 致中间纺锤体移向细胞基底端，指导的胞质分裂部位更靠近基底 端，形成一大一小两个子细胞。 基因调控的层次： MicroRNAs lncRNA DNA损伤反应与细胞周期 自发突变 诱发突变 化学物质和射线。 损伤的DNA在其复制或分离前得到修复，因此基因序列上 的改变极少会传递到子细胞中。 细胞内存在感应蛋白，能够对基因组进行扫描，探测DNA 的损伤，招募特定的酶来进行修复。不影响细胞功能 如果DNA的大面积损伤并且不容易修复，损伤感应器能触 发更为广泛的反应，称为DNA损伤反应损伤反应。细胞内信号通路 被激活，传递损伤信号到各种效应蛋白。 DNA修复酶量增加， 细胞周期调控系统抑制蛋白。 阻断细胞周期进程。 DNA损伤反应的这条支路有时被称为DNA损伤检验点。如 果损伤得以修复，细胞周期阻断会被去除，细胞增殖继续进 行。 ATR和和ATM是是DNA损伤反应核心的蛋白激酶损伤反应核心的蛋白激酶 当损伤不能被修复时，使细胞周期持久停滞或细胞死亡。ATR或ATM 激活， p53触发很多靶基因的表达增加，使细胞周期停滞以及凋亡 DNA损