上海交通大学普通生物学课件 第5章：细胞的分裂与分化

1、第五章：细胞的分裂与分化第五章：细胞的分裂与分化一、一、细胞细胞分裂分裂3.3 3.3 有丝分裂有丝分裂 前期前期 有丝分裂前期染色体变化有丝分裂前期染色体变化纺纺 锤锤 体体前期两个中心粒向两极移动前期两个中心粒向两极移动 中期（中期（前中期、中期）前中期、中期） 纺锤体微管与中心粒结合纺锤体微管与中心粒结合中中 期期细胞变为球形，细胞变为球形，染色体排列于赤道板染色体排列于赤道板细胞分裂后期细胞分裂后期4. 4. 胞质分裂胞质分裂 有丝分裂后期赤有丝分裂后期赤 道板形成分裂沟道板形成分裂沟 微丝构成收缩环微丝构成收缩环4.1 4.1 动物细胞的胞质分裂动物细胞的胞质分裂细胞内形成新的细胞膜

2、和细胞壁而将细胞分开细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开分裂间期分裂间期前期前期中期中期有丝分裂中期后期末期有丝分裂后期增殖角度：增殖角度： 周期性细胞；周期性细胞；G G0 0期细胞；终端分化细胞期细胞；终端分化细胞细胞周期检验点：细胞周期检验点： 分别位于：分别位于：G1G1期，期，G2G2期和期和M M期期 检验点检验点受引导细胞周期运行的受引导细胞周期运行的 引擎分子引擎分子周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶（周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶（CdkCdk）的影响的影响 细胞周期的控制过程：细胞周期的控制过程： 当正常细胞经过当正常细胞经过G G1 1或或G G2 2检验点时，检验点时，Cd

3、kCdk便与不同的周期蛋便与不同的周期蛋白结合，激活了相应的引擎分子，白结合，激活了相应的引擎分子，周期性细胞便可通过周期性细胞便可通过G G1 1和和G G2 2检验点的检查，进入下一时相，接着周期蛋白降解，检验点的检查，进入下一时相，接着周期蛋白降解，CdkCdk作作用暂停；到下一次新的周期蛋白合成后用暂停；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不能与周期蛋白正常结合，或者结合后二聚不能与周期蛋白正常结合，或者结合后二聚体的活性被抑制，周期细胞便不能通过检验点，细胞成为体的活性被抑制，周期细胞便不能通过检验点，细胞成为G G0 0期期

4、二、二、 配子形成与减数分裂配子形成与减数分裂 同源染色体重组产生新的基因组合同源染色体重组产生新的基因组合联会：联会：在减数分裂在减数分裂的前期，的前期，来自母本和来自父本的各一来自母本和来自父本的各一条相当的同源染色体两两配条相当的同源染色体两两配对，对，称为联会。称为联会。由于每条染色体实际含有一由于每条染色体实际含有一对姐妹染色单体，因此每对对姐妹染色单体，因此每对同源染色体联会后共有四条同源染色体联会后共有四条染色单体，染色单体，称四分体。称四分体。联会是负责染色体配对的结联会是负责染色体配对的结构，它的形成使构，它的形成使同源的非姐同源的非姐妹染色单体间形成交叉并有妹染色单体间形成

5、交叉并有可能发生对等片段的交换，可能发生对等片段的交换，导致遗传物质的非随机重组；导致遗传物质的非随机重组；造成自带遗传特性的变异。造成自带遗传特性的变异。第一次减数分裂阶段：第一次减数分裂阶段：DNADNA复制一次，细胞分裂一次复制一次，细胞分裂一次 第二次减数分裂阶段：第二次减数分裂阶段：DNADNA不复制，细胞再分裂一次不复制，细胞再分裂一次三个体发育中的细胞三个体发育中的细胞 1. 1. 细胞分化细胞分化 2. 2. 细胞的衰老与死亡细胞的衰老与死亡 3. 3. 干细胞干细胞 4. 4. 脱离正常轨道的细胞脱离正常轨道的细胞1.1 1.1 细胞的分化细胞的分化 由同一种相同的细胞类型经

6、细胞分裂后逐渐由同一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态结构、生理功能和蛋白质合成等方面形成在形态结构、生理功能和蛋白质合成等方面形成稳定差异性稳定差异性，产生不同细胞类群的过程称为细胞产生不同细胞类群的过程称为细胞分化。分化。 细胞分化是动植物发育的基础。细胞分化是动植物发育的基础。细胞分化的细胞分化的本质本质是基因组中是基因组中基因的选择性表达。基因的选择性表达。 细胞的形态与功能相适应细胞的形态与功能相适应1.2 1.2 细胞分化的特征细胞分化的特征1 1 形态结构发生差异形态结构发生差异上皮细胞脂肪细胞平滑肌细胞心肌细胞细细胞胞种种类类神经元细胞1.2 1.2 分化细胞的表型保持稳定

7、分化细胞的表型保持稳定分化状态的稳定性分化状态的稳定性人血细胞的分化人血细胞的分化1.3 1.3 细胞决定细胞决定细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程称为细细胞从分化命运确定到出现特定形态的过程称为细胞决定胞决定在发生形态差异之前在发生形态差异之前 的一定时间，细胞分的一定时间，细胞分 化命运已经确定化命运已经确定果蝇成虫盘果蝇成虫盘1.5. 1.5. 细胞分化的发育潜能细胞分化的发育潜能 细胞分化能力的强弱称为发育潜能细胞分化能力的强弱称为发育潜能 1 1 全能性全能性 2 2 多能性多能性 3 3 单能性单能性 全能性全能性 植物细胞植物细胞具有全能性具有全能性受精受精卵卵 多能性多能性

8、 具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完具有分化出多种组织或细胞（但是不能形成完整个体）的潜能的细胞称多能性细胞。整个体）的潜能的细胞称多能性细胞。 例如：例如：人造血干细胞人造血干细胞 分化产生分化产生8 8种种 类型血细胞类型血细胞红血球白血球血小板多种血细胞都由生血干细胞分化而来。多种血细胞都由生血干细胞分化而来。 单能性单能性仅能使后代细胞分化成为一种细胞的特性称为仅能使后代细胞分化成为一种细胞的特性称为从从植植物物体体细细胞胞到到一一棵棵完完整整的的植植株株植植物物体体细细胞胞具具有有全全能能性性 分化成熟的动物细胞已失去全能性。不可分化成熟的动物细胞已失去全能性。不可能发育成为完

9、整的动物个体。能发育成为完整的动物个体。原因何在？原因何在？ 陆续出现一些探索动物细胞全能性丧失原陆续出现一些探索动物细胞全能性丧失原因的实验。因的实验。蛙皮肤细胞核移蛙皮肤细胞核移植发育成蝌蚪植发育成蝌蚪爪蟾体细胞克隆：爪蟾体细胞克隆：肠上皮细胞核仍保持全能性肠上皮细胞核仍保持全能性 Illmensee & Hoppe的克隆小鼠实验（的克隆小鼠实验（1981）细胞核受体细胞核受体细胞核供体细胞核供体收集受精卵收集受精卵去去核核 融融合合甲品种小鼠甲品种小鼠乙品种小鼠乙品种小鼠收集囊胚期细胞收集囊胚期细胞 团分散成单细胞团分散成单细胞取取核核融融合合将核注入已去核的将核注入已去核的受精卵中受精

10、卵中在培养皿中培在培养皿中培养至细胞团养至细胞团植入假母子宫植入假母子宫产出小鼠产出小鼠核移植小鼠（克隆小鼠）核移植小鼠（克隆小鼠）长成成鼠，呈核供体小鼠性状长成成鼠，呈核供体小鼠性状以上实验得出的结论：以上实验得出的结论： 囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，其囊胚阶段的细胞乃至成熟的体细胞，其细胞细胞核仍具有全能性核仍具有全能性可能发育成完整个体。可能发育成完整个体。 细胞核保持着全套基因组。细胞核保持着全套基因组。 关键在于关键在于细胞质。细胞质。 细胞质中有着决定细胞分化全能性的细胞质中有着决定细胞分化全能性的物质，称为分化决定子。物质，称为分化决定子。1.6 1.6 细胞质决定子细胞质决

11、定子 卵和胚胎细胞中所含的蛋白质和卵和胚胎细胞中所含的蛋白质和RNARNA性质的性质的 细胞质因子细胞质因子 细胞质因子通过细胞分裂被不均等地分配细胞质因子通过细胞分裂被不均等地分配 到子细胞到子细胞 不同性质的决定子影响细胞向不同方向分化不同性质的决定子影响细胞向不同方向分化 性细胞决定子性细胞决定子生殖细胞分化生殖细胞分化 体细胞决定子体细胞决定子体细胞分化体细胞分化2 2细胞的衰老与死亡细胞的衰老与死亡 细胞增殖能力减弱的现象称为细胞衰老，它与细胞增殖能力减弱的现象称为细胞衰老，它与机体衰老有一定关系。机体衰老有一定关系。细胞来源细胞来源人胚肺成纤人胚肺成纤维细胞维细胞中年人成中年人成纤

12、维细胞纤维细胞老年人成老年人成纤维细胞纤维细胞可增殖可增殖代数代数 60-80 60-80 40 40 30 30不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数不同年龄来源的人成纤维细胞的增殖代数2.1 2.1 衰老细胞结构变化衰老细胞结构变化细胞核随分裂次数增加且增大，核膜呈现内细胞核随分裂次数增加且增大，核膜呈现内 折，折，染色质固缩化染色质固缩化内质网弥散性分散于核周胞质中，粗面内质网和内质网弥散性分散于核周胞质中，粗面内质网和 线粒体减少，体积膨胀线粒体减少，体积膨胀膜流动性降低，膜内颗粒分布变化膜流动性降低，膜内颗粒分布变化细胞骨架变化，信号传递系统变化细胞骨架变化，信号传递系统变化 细胞坏死

13、细胞坏死 机械损伤、毒物毒害质膜、核膜机械损伤、毒物毒害质膜、核膜破裂，胞质溢出，周围细胞炎症破裂，胞质溢出，周围细胞炎症 细胞凋亡细胞凋亡 细胞程序性化死亡细胞程序性化死亡2 22 2 细胞死亡细胞死亡 细胞凋亡（细胞程序化死亡）细胞凋亡（细胞程序化死亡）1. 1. 细胞凋亡的概念和生物学意义细胞凋亡的概念和生物学意义2. 2. 凋亡细胞的特征凋亡细胞的特征3. 3. 基因调控细胞凋亡基因调控细胞凋亡4. 4. 细胞凋亡的信号途径细胞凋亡的信号途径细胞凋亡（细胞凋亡（apoptosisapoptosis）的概念与生物学意）的概念与生物学意义义 细胞凋亡细胞凋亡是一个是一个主动的、由基因决定的

14、自动结束细胞主动的、由基因决定的自动结束细胞生命的过程，此过程是受到严格遗传机制决定的程序生命的过程，此过程是受到严格遗传机制决定的程序性死亡。性死亡。 生物学意义生物学意义个体发育模式的需要个体发育模式的需要根据需要调节细胞数量根据需要调节细胞数量保持成体器官的正常体积保持成体器官的正常体积更新衰老耗损的细胞更新衰老耗损的细胞蝌蚪尾巴的消失蝌蚪尾巴的消失发育中的神经细胞发育中的神经细胞手和足的形成过程手和足的形成过程坏死细胞坏死细胞凋亡细胞凋亡细胞2.1 2.1 细胞凋亡与坏死的区别细胞凋亡与坏死的区别2.2 2.2 细胞凋亡的形态学特征细胞凋亡的形态学特征凋亡小体形成，被细胞吞噬而清除凋亡

15、小体形成，被细胞吞噬而清除 a a 正常正常T T细胞杂交瘤细胞细胞杂交瘤细胞 b b 凋亡细胞凋亡细胞( (扫描电镜扫描电镜) c ) c 凋亡细胞凋亡细胞( (透射电镜透射电镜) )凋亡细胞的电镜图像凋亡细胞的电镜图像细胞色素细胞色素c c诱导的凋亡细胞诱导的凋亡细胞DNADNA电泳图电泳图1 1细胞色素细胞色素c c诱导诱导0 h0 h2 2细胞色素细胞色素c c诱导诱导1 h1 h3 3细胞色素细胞色素c c诱导诱导2 h2 h4 4细胞色素细胞色素c c诱导诱导3 h3 h5 5细胞色素细胞色素c c诱导诱导4 h4 h6 6阴性对照阴性对照7 7MarkerMarker （ 自赵允

16、、翟中和）自赵允、翟中和）2.3 2.3 细胞凋亡的生化特征细胞凋亡的生化特征 形成大小为形成大小为 180-200bp180-200bp特征性的特征性的DNADNA梯型梯型(DNA Ladder)(DNA Ladder) 电泳图谱，核电泳图谱，核DNADNA断成片段，是主要的特征之一断成片段，是主要的特征之一。基因调控细胞凋亡基因调控细胞凋亡 线虫线虫1030 1030 个细胞，发育过程中个细胞，发育过程中131 131 个细胞程个细胞程 序性死亡。序性死亡。6 6 对染色体，对染色体，3000 3000 个基因。个基因。 Ced3, Ced4 Ced3, Ced4 促进凋亡，促进凋亡， 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、干细胞三、干细胞3.1 3.1 干细胞的特点干细胞的特点1 1）具有无限的分裂能力。）具有无限的分裂能力。2 2）其产生的两个子细胞有两种选择：）其产生的两个子细胞有两种选择：维持干细维持干细 胞的特性或进行分化。胞的特性或进行分化。3 3）本身不是终末分化的细胞。）本身不是终末分化的细胞。 胚胎干细胞胚胎干细胞 可以定向诱导分化为几乎所有种类的细胞，甚可以定向诱导分化为几乎所有种类的细胞，甚 至形成复杂的组织和器官；至形成复杂的组织和器官； 有助于动物发育、基因功能以及药物开发等研有助于动

18、物发育、基因功能以及药物开发等研 究。究。 临床意义：细胞替代疗法和组织器官移植的最临床意义：细胞替代疗法和组织器官移植的最 佳资源。佳资源。 胚胎干细胞胚胎干细胞受精卵受精卵内细胞团内细胞团全能性细胞全能性细胞囊胚囊胚胎儿胎儿胚胎干细胞胚胎干细胞 胚胎干细胞产生胚胎干细胞产生 血细胞的起源细胞血细胞的起源细胞 造血干细胞造血干细胞造血干细胞造血干细胞红细胞红细胞白细胞白细胞血小板血小板 骨髓中还存在一种间充骨髓中还存在一种间充质干细胞，具有分化成中质干细胞，具有分化成中胚层和神经外胚层的能力；胚层和神经外胚层的能力；如产生成肌细胞、成骨细如产生成肌细胞、成骨细胞、成神经胶质细胞等；胞、成神经

19、胶质细胞等； 移植到体内的骨髓间移植到体内的骨髓间充质细胞可在多种造血组充质细胞可在多种造血组织以外的组织处定位和分织以外的组织处定位和分化。化。 神经干细胞神经干细胞主要存在于胎儿的脑组织中包括大脑皮层、纹状体和小脑；主要存在于胎儿的脑组织中包括大脑皮层、纹状体和小脑；取材难度大，在体外诱导和移植表现出惊叹的分化潜能。取材难度大，在体外诱导和移植表现出惊叹的分化潜能。小肠干细胞小肠干细胞 小肠上皮的更新：干细胞位于隐窝处，分裂小肠上皮的更新：干细胞位于隐窝处，分裂产生的细胞向绒毛推移，从顶端脱落。产生的细胞向绒毛推移，从顶端脱落。 皮肤干细胞皮肤干细胞 皮肤的更新：皮肤干细胞位于基底部，与基

20、底皮肤的更新：皮肤干细胞位于基底部，与基底膜相接触。分裂后的细胞脱离基底膜后逐步分膜相接触。分裂后的细胞脱离基底膜后逐步分化为角质细胞，最终从皮肤表面脱落。化为角质细胞，最终从皮肤表面脱落。干细胞的发育命运不对称分裂不对称分裂对称分裂对称分裂对称分裂对称分裂定向祖细胞定向祖细胞定向祖细胞定向祖细胞定向祖细胞定向祖细胞干细胞干细胞干细胞干细胞干细胞干细胞干细胞子代干细胞子代干细胞子代干细胞子代干细胞子代干细胞子代末端细胞末端细胞 末端细胞末端细胞 末端细胞末端细胞 四脱离正常轨道的细胞四脱离正常轨道的细胞 癌细胞癌细胞1. 1. 癌的基本生物学特点癌的基本生物学特点2. 2. 体外培养癌细胞的特

21、征体外培养癌细胞的特征3. 3. 致癌因素致癌因素4. 4. 基因突变与癌症发生基因突变与癌症发生5. 5. 癌症治疗癌症治疗 癌症是严重威胁人类生命安全的疾病癌症是严重威胁人类生命安全的疾病。 动物体内细胞分裂调节失控而无限增动物体内细胞分裂调节失控而无限增 殖的细胞称为肿瘤细胞，具有转移能力殖的细胞称为肿瘤细胞，具有转移能力 的肿瘤称为恶性肿瘤的肿瘤称为恶性肿瘤。4.1 4.1 癌的基本生物学特征癌的基本生物学特征 细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力细胞生长与分裂失去控制，具有无限增殖能力 (HeLa(HeLa Cell) Cell) 具有扩散性：恶性肿瘤细胞（癌细胞）的细胞具有扩散

22、性：恶性肿瘤细胞（癌细胞）的细胞 间粘着性下降，具有侵润性和和扩散性，这是间粘着性下降，具有侵润性和和扩散性，这是 癌细胞的基本特征癌细胞的基本特征 在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，在分化程度上癌细胞低于良性肿瘤细胞，且失去了许多原组织细胞的结构和功能且失去了许多原组织细胞的结构和功能 细胞间相互作用改变细胞间相互作用改变 蛋白表达谱系或蛋白活性改变蛋白表达谱系或蛋白活性改变 mRNA mRNA转录谱系的改变转录谱系的改变 染色体非整倍性染色体非整倍性一个细胞（紫色）发生更大的一个细胞（紫色）发生更大的变化，癌症形成变化，癌症形成 早期肿瘤早期肿瘤癌细胞随血管和淋巴管癌细胞随血管和淋巴管转移转移 晚期肿瘤晚期肿瘤染色体非整倍性染色体非整倍性 DNA碱基自然错配导致细胞癌变碱基自然错配导致细胞癌变4.3 4.3 致癌因素致癌因素 AGT CTA AAC CTTGGT AGC T