细胞生物学第四版(13至17章).ppt

1、细胞生物学教学课件,第十三章第十七章,第十三章 细胞周期与细胞分裂,第一节 细胞周期 第二节 细胞分裂,第一节 细胞周期,一、细胞周期概述 二、细胞周期中各不同时相及其主要事件 三、细胞周期同步化 四、特殊的细胞周期,标准的细胞周期（图13-1）,细胞周期检查点及其主要事件（图13-2）,从培养细胞中收集M期细胞的同步化方法（图13-3）,应用过量的TdR阻断法进行细胞周期同步化（图13-4）,芽殖酵母的细胞周期（图13-5）,裂殖酵母的细胞周期（图13-6）,植物细胞的有丝分裂（图13-7）,细菌的细胞周期（图13-8）,第二节 细胞分裂,一、有丝分裂 二、减数分裂,高等动物细胞的有丝分裂过

2、程（图13-9）,Smc蛋白（A）及其黏连蛋白（ Smc1/3）（B）、凝缩蛋白（ Smc2/4）（C）异二聚体的作用（图13-10）,动物细胞中心体的复制与细胞周期的关系（图13-11）,细胞分裂过程中核被膜和核纤层的动态变化（图13-12）,高等动物细胞纺锤体结构（图13-13）,纺锤体组装过程（图13-14）,动粒位置和结构（图13-15）,染色体整列（图13-16）,解释染色体在赤道面整列的两种假说（图13-17）,细胞有丝分裂后期由ATP驱动的马达蛋白沿微管向极部运动试染色体分开（图13-18）,细胞分裂后期A和后期B产生染色体向极部运动的示意图（图13-19）,有丝分裂中后期转换（

3、图13-20）,动物细胞胞质分裂示意图（图13-21）,中央纺锤体和星体微管作用于细胞皮层并诱导分裂沟形成（图13-22）,真核细胞减数分裂的3种类型（图13-23）,有丝分裂与减数分裂比较（图13-1）,减数分裂过程图解（图13-24）,偶线期DNA在减数分裂前期才进行复制示意图（图13-25）,联会复合体和重组节结构（图13-26）,双线期二价染色体图解（图13-27）,减数分裂中期（A）与减数分裂中期（B）动粒与纺锤体的联系示意图（图13-28）,粗线期的联会复合体（图13-29）,本章概要,细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一。细胞增殖是生物繁殖和生长发育的基础。细胞增殖是通过细胞周期

4、来实现的。细胞周期是细胞生命活动的全过程。细胞从一次分裂结束到下次分裂结束，即走完一个细胞周期。细胞种类繁多，各种细胞之间的细胞周期长短差别很大。同种细胞的细胞周期时间长短，也随生理活动、营养状况等变化而有所变化。细胞周期的时间长短可以通过多种方法测定。细胞周期还可以通过某些方法实现同步化。最重要的人工细胞周期同步化方法包括DNA合成阻断法和中期阻断法。 真核细胞的细胞周期一般可以分为四个时期，即G1期、S期、G2期和M期。前三个时期合称为分裂间期，M期即分裂期。分裂间期是细胞分裂前重要的物质准备和积累阶段，分裂期即为细胞分裂实施过程。根据细胞繁殖状况，可将机体内所有细胞相对地分为三类，即周期

5、中细胞、静止期细胞（G0期细胞）和终末分化细胞。周期中细胞一直在进行细胞周期运转。静止期细胞为一些暂时离开细胞周期，去执行其生理功能的细胞。静止期细胞在一定因素诱导下，可以很快返回细胞周期。体外培养的细胞在营养物质短缺时，也可以进入静止期状态。终末分化细胞为那些一旦生成后终身不再分裂的细胞。 在一个细胞周期中，DNA复制一次，而且只有一次。DNA复制发生在S期。在M期，复制的DNA伴随其它相关物质，平均分配到新形成的两个子细胞中。M期也可以人为地划分为前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂等几个时期。减数分裂是一种特殊的有丝分裂方式。生殖细胞在成熟过程中发生减数分裂。其特点是，DNA复制一次

6、，然后发生两次连续的有丝分裂，导致最终生成的细胞的染色体数减半。,第十四章 细胞增殖调控与癌细胞,细胞增殖是通过严格调控的细胞周期来实现的，在细胞周期的不同阶段有一系列检查点对该过程进行严密监控。不然，不受约束而生成的细胞将被机体免疫系统所清除，或者癌变，转化为癌细胞。癌细胞不仅表现出增殖失控，同时还具有侵润和转移的特征，最终导致个体的死亡。 第一节 细胞增殖调控 第二节 癌细胞,第一节 细胞增殖调控,一、MPF的发现及其作用 二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 三、周期蛋白 四、CDK和CDK抑制因子 五、细胞周期运转调控 六、其他因素在细胞周期调控中的作用,一、MPF的发现及其

7、作用,MPF（maturation- /mitosis- / M-phase-promoting factor）：即（卵细胞）成熟促进因子，或细胞有丝分裂促进因子，也称M期促进因子，在细胞周期调控中起重要作用。 PCC（premature chromosome condensation）：即早熟染色体凝缩，主要是指与M期细胞融合的间期细胞（G1、S和G2）发生的形态各异的染色体凝缩。G1期PCC为细单线状（因DNA未复制），S期PCC为粉末状（因DNA由多个部位开始复制），G2期PCC为双线染色体状（说明DNA复制已完成），这样的形态变化可能与DNA复制状态有关。,一、MPF的发现及其作用,M

8、期细胞中可能存在细胞有丝分裂促进因子：M期细胞可以诱导PCC，暗示在M期细胞中可能存在一种诱导染色体凝缩的因子，称为细胞有丝分裂促进因子（MPF）。,M期细胞与G1（A）、S（B）和G2（C）期细胞融合诱导早熟染色体凝缩（PCC）（图14-1）,成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子的存在：两位科学家分离出第期等待成熟的非洲爪蟾卵母细胞，并用孕酮进行体外刺激，诱导卵母细胞成熟，然后进行细胞质移植实验，他们发现，在成熟的卵细胞的细胞质中必然有一种物质可以诱导卵母细胞成熟，即成熟促进因子（MPF）；后来还证明，在成熟卵细胞中，MPF已经存在，只需通过翻译后修饰即可转化为活性状态的MPF。 1998年

9、分离获得了MPF：1998年，科学家们以非洲爪蟾卵为材料，分离获得了微克级的纯化MPF，并证明其主要含有p32和p45两种蛋白，并且是一种蛋白激酶。,非洲爪蟾卵细胞成熟过程（）、受精和第一次卵裂示意图（图14-2）,成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子（ MPF ）的存在（图14-3）,二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系,（已知）非洲爪蟾卵：MPF p32 p45；MPF是激酶 裂殖酵母：cdc2（基因） p34cdc2（蛋白） p34cdc2激酶调控G2/M转换；p34cdc2 p56cdc13。cdc即细胞分裂周期之缩写。 芽殖酵母：cdc28（基因） p34cdc28（蛋白）

10、 p34cdc28激酶调控G1/S和G2/M转换；p34cdc28 p34cdc2（同源物）。 p34cdc2 p32（同源物）。 海胆卵：含量随细胞周期进程变化而变化的蛋白质即周期蛋白（cyclin），cyclinB是MPF的另一种主要成分；cyclinB p56cdc13（同源物）。 结论：MPF 催化亚基单位 （CDK） 调节亚单位（Cyclin）。CDK为周期蛋白（cyclin）依赖性蛋白激酶,三、周期蛋白,周期蛋白（cyclin）：指含量随细胞周期进程变化而周期性变化的蛋白质，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期中又重复这一消长现象。 周期蛋白有多种：酵母中的周

11、期蛋白有Cln13、Clb16；哺乳动物细胞中的周期蛋白A12、B13、C、D13、E12、F、G、H、L12、T12等。 周期蛋白框（cyclin box）：指所有周期蛋白中都存在的约由100个残基组成的相当保守的氨基酸序列，其功能是介导周期蛋白与CDK结合。,三、周期蛋白,破坏框/降解盒（destruction box）：指M期周期蛋白近N端含有的一段由9个氨基酸残基组成的特殊序列（RXXLGXIGX），其功能是参与泛素依赖性的cyclinA和B的降解。在破坏框之后有一段约40个氨基酸残基组成的Lys（K）富集区。 PEST序列：指G1期周期蛋白的C端含有的一段特殊的PEST氨基酸序列，其

12、功能可能与G1期周期蛋白的更新（降解）有关。 不同的Cyclin-CDK复合体表现不同的CDK活性：不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时相不同，并通过不同的周期蛋白框与不同的CDK结合，组成不同的cyclin-CDK复合体，表现出不同的CDK活性。,周期蛋白含量随细胞周期的变化,部分周期蛋白分子结构特征（图14-4）,细胞周期蛋白的降解盒与降解途径,部分哺乳动物（A）和酵母细胞（B牙殖和C裂殖）周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK活性的关系（图14-5）,四、CDK和CDK抑制因子,周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinase, CDK）：由周期蛋白结合并活化的调控细

13、胞周期进程的蛋白激酶。 CDK通过磷酸化其底物而对细胞周期进行调控。 CDK有多种：在人体中发现并命名的CDK包括CDK1（Cdc2）CDK13。不同的CDK在细胞周期中起调节作用的时期不同。 某些CDK与cyclin的配对关系及执行的功能的时期：见表14-1。 CDK激酶结构域：各种CDK的CDK激酶结构域保守程度有所不同，但其中有一小段序列则相当保守，即PSTAIRE序列，与周期蛋白结合有关。,四、CDK和CDK抑制因子,CDK的活性受磷酸化修饰调节：细胞内存在多种因子，对CDK分子结构进行磷酸化修饰，从而调节CDK的活性。 CDK抑制蛋白（CDK inhibitor, CKI）：指对CD

14、K起负调控作用的蛋白质，包括Cip/Kip家族和INK家族。 Cip/Kip家族：包括p21、p27和p57等，其中p21主要对G1期CDK（CDK24和CDK6）起抑制作用 p21还与DNA聚合酶的辅助因子增殖细胞核抗原（PCNA）结合，抑制DNA的复制； INK家族：包括p16、p15、p18和p19等，其中p16主要抑制CDK4和CDK6活性。,通过PCR技术测定与CDK1类似的CDK蛋白分子图解（图14-6）,不同类型的周期蛋白,周期蛋白-周期蛋白依赖型激酶复合物在真核生物细胞周期调控中的作用,Cyclin的周期性变化,植物细胞周期控制的图示,p21抑制作用的机理,五、细胞周期运转调控

15、,细胞周期调控系统（cell cycle control system）是指调节细胞周期运行的蛋白质网络系统。 CDK因对细胞周期运行起着核心调控作用而被称为周期引擎分子。不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结合，构成不同的MPF。不同的MPF在细胞周期的不同时期表现活性，因而对细胞周期的不同时期进行调节。MPF又被称作细胞周期引擎。 （一）G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用 （二）M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化 （三）G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK （四）S/G2/M期转换与DNA复制检查点,（一）G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用,CDK1活性依赖于cycli

16、nB含量的积累： cyclinB（或cyclinA）的含量达到一定值并与CDK1结合，同时在其它一些因素的调节下，逐渐表现出最高激酶活性（G2/M期转换和M期启动）。 CDK1催化底物蛋白磷酸化：CDK1通过使某些底物蛋白磷酸化，改变其下游的某些靶蛋白的结构和启动其功能，实现其调控细胞周期的作用。CDK1选择底物中某个特定序列中的某个Ser/Thr残基磷酸化。CDK1可以使多种底物蛋白磷酸化（见表14-2）。,（一）G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用,CDK活性受到多种因素的综合调节：周期蛋白与CDK结合只是激活CDK活性的先决条件：仅周期蛋白与CDK结合，并不能使CDK激活；还需要其它

17、几个步骤的修饰：cyclinB-CDK1复合物（无活性） Wee1/mik1激酶和CDK1活化激酶（CAK） cyclinB-CDK1的Thr14、Tyr15和Thr161磷酸化（无活性前体MPF） cdc25C蛋白磷酸酶 cyclinB-CDK1仅剩Thr161磷酸化（有激酶活性的MPF ）（ MPF 对cdc25C 有正反馈作用） 不同的CDK之间有一定的代偿功能；CDK对个体和器官的发育也起着重要的调节作用。,cyclin B在CDK1活性调节过程中的作用（图14-7）,CDK1激酶活性综合控制示意图（图14-8）,活性MPF的正反馈,（二）M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化,后期促进

18、复合物（anaphase-promoting complex，APC）：20S，泛素连接酶（E3），通过泛素依赖性蛋白降解途径，降解M期周期蛋白和中期向后期转换的非周期蛋白类负调控因子，使细胞从中期向后期转换。 APC至少由15种成分组成，分别称为APC1APC15。APC的发现是细胞周期研究领域中又一重大进展，表明细胞分裂中期向后期转换也受到精密调控。 APC的主要作用：到达分裂中期后，cyclinB/A与CDK1分离，在APC介导下，通过泛素化依赖途径而降解。CDK1活性消失，细胞由分裂中期向后期转化。,（二）M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化,APC活性受到多种因素的综合调节： M期C

19、DK激酶和蛋白磷酸酶对APC的活性起着调节作用； 纺锤体组装检查点调控APC的活性，如cdc20和Mad2（有丝分裂捕获缺陷蛋白2）分别为APC有效的正调控因子和负调控因子，在分裂中期之前，位于动粒上的Mad2与cdc20结合并抑制其活性。到分裂中期，Mad2从动粒上消失，解除对cdc20的抑制作用，促使APC活化，导致M期周期蛋白降解，M期CDK活性丧失。,后期促进复合物（ APC ）作为有丝分裂的终结者,马达蛋白和微管系统共同协作导致染色体分离,Cyclin B的降解途径,（三）G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK,细胞由G1期向S期（G1/S期）转化主要受G1期周期蛋白依赖性CDK

20、：cyclinD-CDK4/6、cyclinE- CDK2和cyclinA-CDK2。 cyclinD-CDK4/6为细胞G1/S期转化所必需：cyclinD包括D1、D2和D3，它们的表达有细胞和组织特异性；cyclinD-CDK4/6的底物主要是Rb蛋白（retinoblastoma protein）即成视网膜细胞瘤蛋白，Rb蛋白是E2F的抑制因子，E2F是促进与G1/S期转化和DNA复制有关的基因转录的转录因子，Rb蛋白在G1/S期转化中起负调控（“刹车”）作用，在G1期的晚期通过磷酸化而失活。,（三）G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK,cyclinE-CDK2为S期启动所必需：

21、cyclinE-CDK2的主要作用是去除p107（类Rb蛋白）对E2F的抑制作用，促进G1/S期转化；cyclinE-CDK2是TGF-的主要靶酶，TGF-可以有效地抑制cyclinE-CDK2活性，进而将细胞阻止在G1期；cyclinE在肿瘤细胞中的含量比正常细胞中要高得多；在细胞中，提高cyclinE的表达，该细胞则快速进入S期，对生长因子的依赖性降低。 cyclinA-CDK2也可以作用于p107（类Rb蛋白）：除此之外，cyclinA合成虽始于G1/S期转化时期，但cyclinA-CDK2却是S期主要的CDK。,Cyclin D与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F,p53和Rb在

22、细胞周期调节中的作用,G1期周期蛋白是到达S期的一定阶段通过SCF泛素化途径降解的，同时需要G1期CDK的参与：SCF （Skp-cullin-F-box protein）（间期初级活化因子）是一种具有泛素连接酶（E3）功能的多亚基的蛋白复合物（Skp1、Cul1和Rbx1），可以被Skp2、-Trcp或Fbw7三种F-box蛋白分别活化，而且SCF的底物特异性的识别是由F-box蛋白来决定的；SCF通过降解细胞周期的不同时期的不同的底物从而在整个细胞周期中都发挥作用（但主要在细胞间期G1、S和G2期发挥作用），如降解 G1期周期蛋白（cyclinA、D1和E）（PEST序列对降解起促进作用）

23、， CKI（p21、p27和p57）， DNA复制调控因子（ORC1和Cdt1）和 其它（cdc25a、Wee1和Emi1）。 APC主要在M期和G1期早期发挥作用：APC的2个负责底物识别的因子是cdc20和Cdh1，APC催化的底物见图14-9。,间期初级活化因子（ SCF ）和后期促进复合物（ APC ）在细胞周期中的活动,APC和SCF在细胞周期中的活性及其底物（图14-9）,SCF泛素化依赖蛋白质降解途径（图14-10）,其它对DNA复制起始活动进行综合调控的因素： DNA复制的起始并不仅仅是在G1期末的起始点（限制点）处才决定的。早在G1期开始时，许多与DNA复制有关的物质即已表达

24、并与染色质结合，开始了DNA复制的起始调控。 ORC（复制起始点识别复合物）： ORC识别DNA复制起始点并与之结合，这是DNA复制起始所必需的；cdc6和cdc45也是DNA复制所必需的调控因子：cdc6在G1期早期与染色质结合，到S期早期从染色质上解离下来；cdc45约在G1期晚期才与染色质结合，CDK6对cdc45 于染色质的结合起促进作用；,DNA复制执照（licensing）因子Mcm蛋白（minichromosome mantenance protein）：在M期，胞质中的执照因子Mcm蛋白（DNA解旋酶）与染色质接触并与之结合，使染色质获得DNA复制所必需的“执照”，但随着DNA

25、复制进程“执照”信号会不断减弱直到消失，只有等到下一个M期重新获得“执照”，才能开始新一轮的DNA复制。 DNA复制起始调控是近十年细胞周期调控研究中的又一大进展。,ORC、cdc6、cdc45、CDK和Mcm与染色质的结合及其在DNA复制起始调控中的作用（图14-11）,ORC、cdc6、cdc45、CDK和Mcm与染色质的结合及其在DNA复制起始调控中的作用（图14-11）,（四）S/G2/M期转换与DNA复制检验点,检查点（checkpoint）：细胞周期的调控点，检验细胞从一个周期时相进入下一个时相的条件是否适合。除CDK及其直接的活性调节因子外，还有不少其他因素参与细胞周期调控过程，

26、如各种检查点等。各种检查点也有专门的调控机制。,（四）S/G2/M期转换与DNA复制检验点,DNA复制检查点主要包括2种： S期内部检查点（intra-S phase checkpoint）：指在S期内发生DNA损伤（如双链断裂）时，S期内部检查点被激活，从而抑制复制起始点的启动使DNA复制速度减慢，S期延长，同时激活DNA修复和复制叉的恢复等机制。 DNA复制检查点（DNA replication checkpoint）：指由于停滞的复制叉导致的S期的延长。这2种检查点能够将细胞停滞在S期和G2/M期。当DNA复制叉阻断引发单链DNA时，ATR-CHK1通路被激活；当DNA双链断裂时，ATM

27、-CHK2通路被激活。ATR/ATM是DNA损伤信号感受因子，也是与PI-3-K同源的激酶，激活下游信号通路。CHK即检查点激酶。,四个主要的检验点,S/G2/M期转化与DNA复制检查点（图14-12）,DNA损伤检查站的作用机理模型,六、其他因素在细胞周期调控中的作用,癌基因和抑癌基因产物对细胞增殖和分化起着重要的调控作用： 癌基因产物大致可归纳为多肽类生长因子、膜表面生长因子受体和激素受体、类固醇和甲状腺素受体、信号转导器、蛋白激酶、转录因子和核蛋白等几个类型。它们在细胞周期信号调控中各自起着不同的作用。抑癌基因产物对细胞增殖起负调控作用，如Rb和p53等。p53常被称为“分子警察”，抑制

28、CDK1、CDK2和CDK4等的活性，从而影响细胞周期运转。,六、其他因素在细胞周期调控中的作用,除细胞内在因素外，细胞和机体的外在因素对细胞周期也有重要影响：如病毒感染、化学物质作用、离子辐射、温度变化和pH变化等。,本章概要（一）,细胞周期运转受到细胞内外各种因素的精密调控，细胞内因是调控依据。研究发现，周期蛋白依赖性CDK是细胞周期调控中的重要因素。目前已发现，在哺乳动物细胞内至少存在13种CDK，即CDK1至CDK13。一般情况下，CDK至少含有两个亚单位，即周期蛋白和CDK蛋白。周期蛋白为其调节亚单位，CDK蛋白为其催化亚单位。周期蛋白也有多种，在哺乳动物细胞中包括周期蛋白A、B、C

29、、D、E、F、G、H、L、T等，分别与不同的CDK蛋白结合。不同的CDK在细胞周期中起调节作用的时期不同。CDK通过磷酸化其底物而对细胞周期进行调控。CDK活性也受到其他因素的直接调节。除CDK及其直接的活性调节因子外，还有不少其他因素参与细胞周期调控过程，如各种检验点等。各种检验点也有专门的调控机制。所有这些因素，可能组成一个综合的调控网络。,本章概要（一）,DNA复制起始调控是近十年细胞周期调控研究中的又一大进展。DNA复制的起始并不仅仅是在G1期末的起始点（限制点）处才决定的。早在G1期开始时，许多与DNA复制有关的物质即已表达并与染色质结合，开始了DNA复制的起始调控。目前已经知道，O

30、rc、cdc6、cdc45、Mcm等蛋白质参与了DNA复制的起始调控过程。这一调控过程也需要某些CDK激酶参与，尤其是周期蛋白E-CDK2。,本章概要（二）,分裂后期促进因子APC的发现是细胞周期研究领域中又一重大进展。到达分裂中期后，周期蛋白B/A与CDK1分离，在APC介导下，通过泛素化依赖途径而降解。CDK1活性消失，细胞由分裂中期向后期转化。APC的成分至少含有8种，分别称为APC1至APC8。APC活性也受到多种因素的综合调控，其中cdc20为APC有效的正调控因子。在分裂中期之前，位于动粒上的Mad2可以与cdc20结合并抑制后者的活性。到分裂中期，Mad2从动粒上消失，解除对cd

31、c20的抑制作用，促使APC活化。,本章概要（二）,细胞增殖调控紊乱，可能导致细胞癌变。细胞癌变即可以看做是正常细胞增殖失控，也可以看做是细胞分化失控。癌基因是控制细胞生长和分裂的正常基因（又称原癌基因）的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。癌基因编码的蛋白质主要包括生长因子、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调控因子和细胞周期调控蛋白等几大类型。抑癌基因实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码的蛋白质往往在细胞周期的检验点上起阻止细胞周期进程的作用。如果抑癌基因突变，丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞失控而过度增殖。癌症是一种典型的老年性疾病，它涉及一系列的原癌基因与抑癌基

32、因的致癌突变的积累。癌症的发生与肿瘤干细胞有密切关系。,第二节 癌细胞,一、癌细胞的基本特征 二、癌基因与抑癌基因 三、肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果 四、肿瘤干细胞,一、癌细胞的基本特征,动物体内因细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞（tumor cell）。具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤（malignancy），源于上皮组织的恶性肿瘤称为癌（cancer）。目前癌细胞已作为恶性肿瘤细胞的通用名称。其主要特征如下： （1）细胞生长、分裂和分化失去控制：细胞核-质比例增大，分裂速度加快，成为“不死”的永生细胞。癌细胞在分化程度上低于正常细胞和良性肿瘤细胞。 （2）具有侵润性和扩散性

33、：良性肿瘤（benign tumor）如疣和息肉的细胞，虽不受正常生长调控，但不具有侵润性和扩散性。癌细胞的细胞黏着性下降，具有侵润性和扩散性。由转移并在身体其它部位增殖产生的次级肿瘤称为转移灶（metastasis）。 （3）细胞间相互作用改变：癌细胞既冲破了细胞识别作用的束缚，又逃脱了免疫系统的监控。 （4）表达谱或蛋白质活性改变：癌细胞的种种生物学特征主要归结于基因表达及调控方式的改变。癌细胞常常出现一些在胚胎细胞中所表达的蛋白质；多数癌细胞中具有较高的端粒酶活性；癌细胞还经常异常表达或过量表达一些蛋白质或酶。癌细胞具有表型不稳定性，即癌细胞具有异质性特征。 （5）体外培养的恶性转化细胞

34、的特征： （人工诱导培养的）恶性转化细胞同癌细胞一样具有无限增殖的潜能，在体外培养时贴壁性下降，失去分裂和运动的接触抑制，在软琼脂培养中可形成细胞克隆。,癌细胞的扩散（图14-13）,肿瘤细胞失去接触抑制现象,二、癌基因与抑癌基因,癌症主要是体细胞多个基因位点累积突变引起的疾病。 癌基因（oncogene）：即控制细胞生长和分裂的一类正常基因，其突变能引起正常细胞转变成癌细胞。癌基因起源于细胞，并普遍存在于许多生物基因组中。癌基因编码的蛋白质主要包括生长因子、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调控因子、细胞周期调控蛋白、DNA修复相关蛋白和细胞凋亡蛋白等7大类型。细胞信号转导是细胞增

35、殖与分化过程的基本调控方式，而信号转导通路中蛋白因子的突变是细胞癌变的主要原因。 癌基因可以分成2大类： 病毒癌基因：指反转录病毒的基因组中带有可使受病毒感染的宿主细胞发生癌变的基因，简写成v-onc；细胞癌基因：又称原癌基因（protooncogene），指在正常细胞基因组中对细胞正常生命活动起主要调控作用的正常基因，其功能获得性突变（组成型激活或过量表达或不能在适当的时刻关闭表达）能引起细胞癌变，简写成c-onc。研究发现，许多致癌病毒中的癌基因与正常细胞中的某些DNA序列高度同源，从而推测病毒癌基因起源于细胞的原癌基因。 抗癌基因（antioncogene）或抑癌基因或肿瘤抑制基因（tu

36、mor suppressor gene）：该类基因编码的蛋白质可以抑制细胞生长并防止细胞癌变，其功能丢失性突变将导致细胞癌变。抑癌基因或其编码的蛋白质的主要功能可概括为3类：偶联细胞周期与DNA损伤；起始凋亡程序；转移抑制者。抑癌基因编码的蛋白质实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，在细胞周期的检验点上起阻止细胞周期进程的作用，或者是促进细胞凋亡，或者既抑制细胞周期调节，又促进细胞凋亡。 p53基因（p53 gene）：于1979年发现的第一个抑癌基因，编码一种基因调控蛋白（ p53 ），当DNA受到损伤后被活化，阻止细胞周期运转或者介导细胞凋亡。 抑癌基因与癌基因之间的区别在于：癌基因的突

37、变性质是显性的，抑癌基因的突变性质是隐性的。,一些原癌基因的功能,控制细胞生长和增殖，并与肿瘤发生相关的7类蛋白（图14-14）,基因从寄主细胞转移到病毒基因组,能把原癌基因转成致癌基因的遗传变化,原癌基因激活的可能途径,一些抑癌基因的功能,抑癌基因充当细胞的刹车,Rb基因的作用,p53 与细胞DNA损伤（图14-15）,细胞信号调控网络及肿瘤发生相关的主要调控因子（图14-16）,三、肿瘤的发生是基因突变逐渐积累的结果,根据基因的自然突变率、人一生中细胞分裂的次数（1016）和生活环境中的致癌因素（如辐射、化学诱变剂和肿瘤病毒感染）综合考虑，肿瘤的发生频率应该很高，但实际上却非常之低，这是为

38、什么？ 癌症是一种典型的老年性疾病：因为癌症涉及一系列的原癌基因与抑癌基因的致癌突变的逐渐积累（至少56个）（见图14-17）。生殖细胞中发生致癌突变，细胞癌变发生所需的基因突变数的积累时间就会缩短，携带这种基因突变的家族成员更易患癌症；白血病等血细胞的恶性增生，因不涉及侵润这一环节，而直接随血液流遍全身，故只要少数基因突变，便可导致癌症发生，患病年龄也相应提早。 抑癌基因的突变性质是隐性的：即只有当2个拷贝都发生突变时，细胞才会癌变。细胞如果含有1个正常的抑癌基因和1个突变的等位基因，一般是正常的。细胞分裂过程中，如果出现纺锤体结构的缺陷，导致染色体的错误分离（见图14-18中A），或者带有

39、野生型和突变型的染色体之间发生重组（见图14-18中B），就可能形成抑癌基因的1对等位基因都突变的细胞。癌基因的突变性质是显性的：即2个拷贝中只要有1个拷贝突变就会激活癌基因，导致细胞癌变。,一系列相关基因突变导致结肠癌发生（图14-17）,APC（adenomatosis polyposis coli）：结肠腺瘤息肉 DCC（deleted in colorectal cancer）：缺失性结直肠癌,抑癌基因的隐性作用,造成突变纯合体的2种机制（图14-18）,四、肿瘤干细胞,值得关注的现象：癌组织中各细胞的致癌能力及对化学药物的抗性是有很大差别的。 肿瘤干细胞（cancer stem ce

40、ll）：指存在于某些肿瘤组织中的一群干细胞样细胞。 与正常干细胞相比：肿瘤干细胞也具有无限增殖、转移和抗（排除）化学毒物损伤的能力，而且二者使用一些共同的信号通路，但肿瘤干细胞增殖失控，失去正常分化能力，转移到多种组织后形成异质性的肿瘤，破坏正常组织与器官的功能。 与一般肿瘤细胞相比：肿瘤干细胞具有高致瘤性而且耐药性强（表达了ABC家族膜转运蛋白）。 肿瘤化疗失败的主要原因：目前认为肿瘤干细胞的存在是导致肿瘤化疗失败的主要原因。 肿瘤干细胞起源于成体干细胞：在致癌因子的诱导下，干细胞、周期中细胞和终末分化细胞可能转化为肿瘤干细胞，最终能够增生为肿瘤；当然它们的部分也会发生异质化而失去致癌性。,

41、肿瘤干细胞与肿瘤的发生机制模型（图14-19）,本章概要（一）,细胞周期运转受到细胞内外各种因素的精密调控，细胞内因是调控依据。研究发现，周期蛋白依赖性CDK是细胞周期调控中的重要因素。目前已发现，在哺乳动物细胞内至少存在13种CDK，即CDK1至CDK13。一般情况下，CDK至少含有两个亚单位，即周期蛋白和CDK蛋白。周期蛋白为其调节亚单位，CDK蛋白为其催化亚单位。周期蛋白也有多种，在哺乳动物细胞中包括周期蛋白A、B、C、D、E、F、G、H、L、T等，分别与不同的CDK蛋白结合。不同的CDK在细胞周期中起调节作用的时期不同。CDK通过磷酸化其底物而对细胞周期进行调控。CDK活性也受到其他因

42、素的直接调节。除CDK及其直接的活性调节因子外，还有不少其他因素参与细胞周期调控过程，如各种检验点等。各种检验点也有专门的调控机制。所有这些因素，可能组成一个综合的调控网络。 DNA复制起始调控是近十年细胞周期调控研究中的又一大进展。DNA复制的起始并不仅仅是在G1期末的起始点（限制点）处才决定的。早在G1期开始时，许多与DNA复制有关的物质即已表达并与染色质结合，开始了DNA复制的起始调控。目前已经知道，Orc、cdc6、cdc45、Mcm等蛋白质参与了DNA复制的起始调控过程。这一调控过程也需要某些CDK激酶参与，尤其是周期蛋白E-CDK2。,本章概要（二）,分裂后期促进因子APC的发现是

43、细胞周期研究领域中又一重大进展。到达分裂中期后，周期蛋白B/A与CDK1分离，在APC介导下，通过泛素化依赖途径而降解。CDK1活性消失，细胞由分裂中期向后期转化。APC的成分至少含有8种，分别称为APC1至APC8。APC活性也受到多种因素的综合调控，其中cdc20为APC有效的正调控因子。在分裂中期之前，位于动粒上的Mad2可以与cdc20结合并抑制后者的活性。到分裂中期，Mad2从动粒上消失，解除对cdc20的抑制作用，促使APC活化。 细胞增殖调控紊乱，可能导致细胞癌变。细胞癌变即可以看做是正常细胞增殖失控，也可以看做是细胞分化失控。癌基因是控制细胞生长和分裂的正常基因（又称原癌基因）

44、的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。癌基因编码的蛋白质主要包括生长因子、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调控因子和细胞周期调控蛋白等几大类型。抑癌基因实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码的蛋白质往往在细胞周期的检验点上起阻止细胞周期进程的作用。如果抑癌基因突变，丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞失控而过度增殖。癌症是一种典型的老年性疾病，它涉及一系列的原癌基因与抑癌基因的致癌突变的积累。癌症的发生与肿瘤干细胞有密切关系。,第十五章 细胞分化与胚胎发育,第一节 细胞分化 第二节 胚胎发育中的细胞分化,第一节 细胞分化,一、细胞分化的基本概念 二、细胞的全能性与多能干细胞

45、 三、影响细胞分化的因素,几种生物的细胞数目与类型（表15-1）,分子杂交技术检测基因及其mRNA的表达（表15-2）,组合调控的作用机制示意图（图15-1）,黏菌繁殖过程示意图（图15-2）,造血干细胞逐级分化为各种类型的血细胞（图15-3）,诱导多能干细胞（ iPS ）建系过程的示意图（图15-4）,人胚胎干细胞建系的示意图（图15-5）,人类治疗性克隆与再生医学的设想（图15-6）,人的胚胎干细胞诱导分化成胰岛细胞（图15-7）,与人胚胎干细胞的维持相关的主要信号分子及信号通路示意图（图15-8）,细胞分化与3个胚层发生的分子机制的示意图（图15-9）,第二节 胚胎发育中的细胞分化,一、

46、生殖细胞的分化 二、早期胚胎发育过程中的细胞分化 三、果蝇胚胎早期发育中的细胞分化,原生殖细胞（PGC）的迁移（图15-10）,性腺细胞分化中的信号途径（图15-11）,PGC进入生殖嵴后的细胞分裂（图15-12）,生殖嵴对生殖细胞减数分裂的调控（图15-13）,神经管的形成（图15-14）,调控脊髓神经细胞增殖的信号系统（图15-15）,神经元前体细胞通过侧向抑制而特化（图15-16）,脊髓背腹分化中的信号网络（图15-17）,（图15-果蝇体节形成中的基因调控）,本章概要（一）,在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类型的过程称

47、之为细胞分化。细胞分化是基因选择性表达的结果。分化细胞所表达的基因一类称管家基因，另一类称组织特异性基因。组织特异性基因的产物不仅影响分化细胞的形态结构，而且决定细胞所执行的各自的生理功能。每种类型的分化细胞是由不同的调控蛋白以组合调控的方式，启动组织特异性基因的表达，从而实现细胞分化的调控。细胞分化程序与调控涉及诸多因素，如受精卵的不均一性、胞外信号分子的作用、细胞间的相互作用与细胞的位置效应以及细胞的记忆等。其中，信号分子的作用是调控细胞分化最主要的因素。 干细胞是机体中能进行自我更新和多向分化潜能并具有形成克隆能力的一类细胞。根据分化潜能的不同，干细胞可分为全能干细胞、多潜能干细胞、多能

48、干细胞和单能干细胞。根据来源不同，干细胞又可以分为胚胎干细胞和成体干细胞。诱导性多潜能干细胞制备技术的建立，不仅加深了人们对细胞全能性的理解，而且极大地推动了干细胞与细胞分化的理论研究及其临床应用。 细胞分化最伟大的杰作，在于后生生物个体的形成，而后生动物的发育，是最为复杂，也是最引人入胜的生命过程。生物相对有限的基因，凭借重复而富有创造性的方式指导细胞的行为，分化并产生当今世界上多种生命体。在这个过程中，FGF、TGF-、RA、Shh和Wnt等信号系统，按照极其相似的方式调控各种发育进程。,本章概要（二）,哺乳动物雌雄两性的分化，源于生殖腺细胞的分化。性腺原基生殖嵴的固有分化方向是卵巢，Y染

49、色体携带的SRY基因对性腺分化为睾丸是必需的，而Sox9则是更普遍的决定睾丸分化的基因，存在于所有脊椎动物。原生殖细胞经过长距离迁移，进入生殖嵴，它们的分化方向由性腺的分化方向决定，RA和Wnt信号通路起了决定作用，尤其是RA及其颉颃物Cyp26b1是控制减数分裂的关键因素。 脊椎动物的发育过程经过受精、卵裂、囊胚和原肠胚，形成3个胚层，脊索中胚层诱导其附近的外胚层形成神经管。神经管的形成，是微管和微丝等细胞骨架联合作用的结果。神经管形成后，一部分细胞逐渐停止分裂并迁移到外侧，神经管上皮细胞则保持分裂能力。这个过程依靠FGF、RA、Wnt、Shh和BMP信号途径的相互协调，以及神经前体细胞依靠

50、DeltaNotch信号而形成的旁侧抑制作用。神经管细胞的背腹分化，则主要依赖于背部的BMP信号分子浓度梯度和腹侧Shh浓度梯度，而体节中胚层分泌的RA信号分子与Shh相互颉颃，对神经管中部神经元的分化至关重要。 脊椎动物胚胎发育过程中，细胞的分化命运大部分由其所处环境决定，细胞附近的组织对细胞分化发挥了巨大作用，这就是调整型发育。大部分无脊椎动物的发育则与此不同，其细胞分化命运大部分是由细胞本身所决定的，对细胞所处环境依赖较小，这称为镶嵌型发育。果蝇的发育就是典型的镶嵌型发育，母体效应基因决定了胚胎前后轴和背腹轴，并通过级联反应调控体节的形成。 随着对发育机制的深入了解，不同组织的发育进程逐

51、渐显示出越来越多的内在共性，人们越来越了解有限的基因如何“演奏”出精彩无限的细胞分化的绚丽“乐章” 。,第十六章 细胞死亡与细胞衰老,对于多细胞生物，细胞的死亡是维持整个生物体的正常生长发育及生命活动的必要条件，其重要性不亚于细胞的增殖。细胞死亡的方式多种多样，包括细胞凋亡（apoptosis）、细胞坏死（necrosis）和自噬性细胞死亡（autophagic cell death）。 细胞衰老（cell ageing，cell senescence）主要指复制衰老，是体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止生长，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。 第一节 细胞死亡 第二节 细胞

52、衰老,第一节 细胞死亡,程序性细胞死亡（programmed cell death，PCD）：是指受到严格的基因调控的程序性的细胞死亡形式。细胞死亡往往受到细胞内某种由遗传机制决定的“死亡程序”控制，所以被称为细胞程序性死亡。动物细胞典型的程序性死亡方式包括凋亡、坏死和自噬性细胞死亡。细胞程序性死亡对生物体的正常发育、自稳态平衡及多种病理过程具有重要的意义。 一、细胞凋亡 二、细胞坏死 三、自噬性细胞死亡 四、植物细胞与酵母细胞的程序性死亡,一、细胞凋亡,细胞凋亡（apoptosis）：是借用古希腊语，意指树叶或花瓣的凋零脱落。细胞凋亡是一个由基因决定的主动的生理性自杀行为，即细胞接受某些特定

53、信号刺激后进行的正常生理应答反应。细胞凋亡具有典型的形态学和生化特征，凋亡细胞最后以凋亡小体被吞噬消化。 （一）细胞凋亡的特征 （二）细胞凋亡的检测方法 （三）细胞凋亡的生物学及医学意义 （四）细胞凋亡的分子机制,（一）细胞凋亡的特征,动物细胞凋亡的过程在形态学上可分为3个阶段： 凋亡的起始：细胞表面的特化结构如微绒毛消失，细胞间接触的消失，但细胞膜依然完整；线粒体大体完整；核糖体逐渐从内质网上脱离，内质网囊腔膨胀，并逐渐与质膜融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构等形态，沿着核膜分布。 凋亡小体的形成：凋亡小体（apoptotic body）是细胞凋亡过程中断裂的大小不等的DNA或染色质片段与

54、细胞其它内含物一起被反折的细胞质膜包裹，在细胞表面产生许多泡状或芽状突起，然后逐渐分离，形成的单个圆形小体。 凋亡小体的被吞噬：凋亡小体逐渐被邻近的细胞识别并吞噬消化。 细胞凋亡的特征：最重要的特征是凋亡过程中细胞膜保持完整，细胞内含物没有泄漏到细胞外，不引发机体的炎症反应。这也是细胞凋亡与坏死的主要区别。另一个重要特征是染色质DNA在核小体间发生断裂，形成长度为200bp倍数的大小不等DNA片段。此外，凋亡通常是生理性变化，而细胞坏死是病理性变化。,细胞凋亡的过程及特征（图16-1）,正常胸腺细胞（左）与凋亡胸腺细胞（右）比较（注意凋亡小体）,（二）细胞凋亡的检测方法,1. 形态学观察：染色

55、法（图16-2）、透射和扫描电镜观察。 2. DNA电泳：DNA片段就呈现出梯状条带（DNA ladder），即凋亡细胞的DNA由于在核小体间发生断裂，产生200bp及其整倍数的片段，经琼脂糖凝胶电泳呈现出的梯状条带（图16-3）。 3. DNA断裂的原位末端标记法（TUNEL法）：即末端脱氧核苷酸转移酶介导的dUTP 缺口末端标记测定法，能对DNA分子中断裂缺口中的3-OH进行原位标记（图16-4）。 4.彗星电泳法（comet assay）：彗星电泳法的原理是将单个细胞悬浮于琼脂糖凝胶中，经裂解处理后，再进行短时间的电泳，并用荧光染料染色。凋亡细胞中的DNA降解片段在电泳时迁移较快，使细胞

56、核呈现出一种彗星式图案，而正常细胞核则保持圆球形。 5. 流式细胞分析：根据凋亡细胞DNA断裂和丢失（亚二倍体），采用碘化丙锭染色使DNA产生激发荧光，用流式细胞仪检出凋亡的亚二倍体细胞。,凋亡细胞的染色质凝集（图16-2）,A：正常细胞核 B：凋亡细胞核,凋亡细胞的典型特征：DNA梯状条带（图16-3）,原位末端标记法显示斑马鱼胚胎发育过程中的细胞凋亡（图16-4）,左：正常16体节期的斑马鱼胚胎在发育过程中有少量细胞发生凋亡；右：突变体的中枢神经细胞发生大量凋亡,（三）细胞凋亡的生物学及医学意义,细胞凋亡的意义：细胞凋亡对生物体的正常发育、自稳态平衡、免疫耐受的形成、肿瘤监控以及抵御内外各

57、种因素的干扰方面都起着非常关键的作用：如脊椎动物的神经系统的发育，发育过程中手和足的成形过程，蝌蚪尾的消失，骨髓和肠的细胞凋亡。 细胞凋亡的失调，包括不恰当的凋亡的激活或抑制以及过度凋亡等，都会引发多种疾病。,细胞凋亡使得神经细胞与靶细胞的数量相匹配（图16-5）,细胞凋亡与手和足的成形,蝌蚪尾的消失,（四）细胞凋亡的分子机制,诱导细胞凋亡的因子大致可分为2大类： 物理性因子：包括射线（紫外线，射线等）、较温和的温度刺激（如热激，冷激）等。 化学及生物因子：包括活性氧基团和分子、Ca2+载体、激素、细胞生长因子、DNA和蛋白质合成的抑制剂、细胞毒素和肿瘤坏死因子（TNF）等。 细胞凋亡的途径主

58、要包括2条： Caspase (cysteine aspartic acid specific protease)（）依赖性细胞凋亡途径； 非Caspase依赖性细胞凋亡途径。当细胞受到凋亡信号的刺激时，这2条途径一般能够同时被激活。 细胞凋亡的途径包括4个小阶段： 接收凋亡信号 凋亡相关分子的活化 凋亡的执行 凋亡细胞的清除,1. Caspases（凋亡蛋白酶）：Caspases是cysteine aspartic acid specific proteases的缩写，意指天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白酶，是一组存在于细胞质中的与细胞凋亡有关的结构类似的蛋白酶家族，其活性位点包含半胱氨酸（Cy

59、s / C），能选择性裂解靶蛋白中天冬氨酸（Asp）残基后的肽键，使靶蛋白活化或失活。 Caspase-1（凋亡蛋白酶1）：即白介素-1转换酶（ICE, interleukin-1 converting enzyme），是哺乳动物细胞中与线虫Ced3同源的蛋白酶，催化白介素-1前体的剪切成熟过程。Ced3和Ced4是秀丽隐杆线虫发育过程中细胞凋亡必需的蛋白酶，Ced9的功能是抑制细胞凋亡。目前发现的凋亡蛋白酶（caspase）有15种。其中caspase-1、-4和-5主要负责白介素-1前体的活化，不直接参与凋亡信号的传递；其余的caspase都参与细胞凋亡过程。 参与细胞凋亡caspases主要分为2大类： 凋亡起始者（apoptotic initiator）：caspase-2、-8、-9、-10和-11，负责对效应者caspases的前体进行切割（激活）； 凋亡效应者（apoptotic executioner）：caspase-3、-6和-7，负责切割细胞质内、细胞核内的结构蛋白和调节蛋白，使其失活或活化，保证凋亡程序的正常进行。,caspases家族成员及其在细胞凋亡过程中的功能（表16-1）,Caspases酶原的活化 Caspase自身通常以非活化的caspas