細(xì)胞的生命歷程 主講 張晶南京大學(xué)生科院 50年代以來(lái)諾貝爾生理與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)大都授予了從事細(xì)胞生物學(xué)研究的科學(xué)家 對(duì)細(xì)胞的深入研究是揭開(kāi)生命奧秘 改造生命和征服疾病的關(guān)鍵 細(xì)胞的發(fā)現(xiàn) 顯微鏡之于生物學(xué) 猶如望遠(yuǎn)鏡之于天文學(xué) 細(xì)胞生物學(xué)的變革無(wú)不和顯微技術(shù)的改進(jìn)息息相關(guān) 1604年 荷蘭眼鏡商Janssen發(fā)明了第一臺(tái)顯微鏡 放大倍數(shù)不超過(guò)10倍 只能觀察小昆蟲(chóng) 1665年 英國(guó)人RobertHooke 發(fā)表 顯微圖譜 用自制顯微鏡 30倍 來(lái)觀察軟木 首次用cells描述 細(xì)胞 細(xì)胞概述 細(xì)胞學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立 CellTheory是19世紀(jì)的重大發(fā)現(xiàn)之一 基本內(nèi)容有三條 有機(jī)體是由細(xì)胞構(gòu)成的 細(xì)胞是構(gòu)成有機(jī)體的基本單位 新細(xì)胞來(lái)源于已存在細(xì)胞的分裂 細(xì)胞的形態(tài) 細(xì)胞的形態(tài)與功能相適應(yīng) 細(xì)胞的大小 直徑原核細(xì)胞的直徑1 10 m真核細(xì)胞的直徑3 30 m 器官的大小主要決定于細(xì)胞的數(shù)量 與細(xì)胞的數(shù)量成正比 而與細(xì)胞的大小無(wú)關(guān) 把這種現(xiàn)象為 細(xì)胞體積的守恒定律 B 細(xì)胞體積相對(duì)恒定細(xì)胞對(duì)其體積的增大的限制因素 其一 體積與表面積的關(guān)系其二 細(xì)胞內(nèi)關(guān)鍵分子的濃度對(duì)其體積減小也有限制 一個(gè)生活細(xì)胞要維持正常的獨(dú)立生活功能 最低限度需要500 1000種不同類型的酶和蛋白質(zhì) 最小的細(xì)胞 支原體 細(xì)胞的壽限 著名的Hayflick界限 細(xì)胞的衰老控制著細(xì)胞的分裂次數(shù) 進(jìn)而控制著細(xì)胞的數(shù)量 正常細(xì)胞只能傳一定的代數(shù) 新生細(xì)胞比老細(xì)胞傳的代數(shù)多胚胎的成纖維細(xì)胞可傳50代 成年組織的成纖維細(xì)胞只能傳15 30代 患有Werner綜合癥的兒童身上分離的成纖維細(xì)胞只能傳2 10代 不同動(dòng)物細(xì)胞可傳代數(shù)與動(dòng)物壽命有關(guān)龜?shù)募?xì)胞在體外能分裂100次 小鼠的細(xì)胞在體外分裂的次數(shù)不超過(guò)30次 Hayflick界限 1961年 Hayflick首次報(bào)道了體外培養(yǎng)的人成纖維細(xì)胞有增殖分裂的極限 體外培養(yǎng)的年輕和老的人成纖維細(xì)胞的顯微形態(tài) 各類細(xì)胞的壽命 一般可以分為3類 I 細(xì)胞的壽命接近動(dòng)物的整體壽命 如神經(jīng)元 脂肪細(xì)胞 肌細(xì)胞等 隨機(jī)體的生長(zhǎng) 體積可以增大 但數(shù)量不會(huì)增加 緩慢更新的細(xì)胞 壽命短于機(jī)體 如胃壁細(xì)胞 肝細(xì)胞等 III 快速更新的細(xì)胞 如皮膚表皮細(xì)胞 紅細(xì)胞和白細(xì)胞等 細(xì)胞的生命歷程 細(xì)胞的增殖與分裂 細(xì)胞周期 細(xì)胞凋亡 細(xì)胞癌變 異常 異常 一 細(xì)胞增殖與分裂 細(xì)胞通過(guò)分裂進(jìn)行增殖 分裂形成的新細(xì)胞必須具有與親代相似的遺傳性 細(xì)胞增殖是生物體生長(zhǎng) 發(fā)育 繁殖 遺傳的基礎(chǔ) 是生物的基本特性 單細(xì)胞生物 多細(xì)胞生物 受精卵 單細(xì)胞個(gè)體 多細(xì)胞個(gè)體 死亡 創(chuàng)傷補(bǔ)償 分裂 分裂和分化 分裂 1 爪蟾卵母細(xì)胞發(fā)育2 生長(zhǎng)的細(xì)胞 教學(xué)動(dòng)畫 細(xì)胞類群 持續(xù)分裂細(xì)胞 如造血干細(xì)胞 性細(xì)胞 終端分化細(xì)胞 如紅細(xì)胞 神經(jīng)細(xì)胞等永久性失去了分裂能力的細(xì)胞 G0細(xì)胞又稱休眠細(xì)胞 暫時(shí)脫離細(xì)胞周期 不進(jìn)行增殖 也叫靜止細(xì)胞群 如某些免疫淋巴細(xì)胞 肝 腎細(xì)胞等 二 細(xì)胞周期 細(xì)胞周期是指連續(xù)分裂的細(xì)胞從一次有絲分裂結(jié)束后開(kāi)始生長(zhǎng)到下次有絲分裂終止所經(jīng)歷的全過(guò)程 兩個(gè)事件 1 遺傳物質(zhì)必須正確復(fù)制并均等地分配給兩個(gè)子細(xì)胞 2 細(xì)胞必須健康生長(zhǎng)到一定大小至成熟 細(xì)胞周期時(shí)相圖 細(xì)胞周期時(shí)相及類型 Phasesofthecellcycle G1期 從M期結(jié)束到S期開(kāi)始前的一段間歇期 S期 DNA合成期 G2期 DNA合成后 S期 到有絲分裂前的一個(gè)間歇期 M期 即有絲分裂期 不是每種細(xì)胞都有四個(gè)時(shí)期 如胚胎細(xì)胞沒(méi)有G1 G2期 Embryoniccellcycles 分 分 裂 間 期 分 裂 期 前期 中期 后期 末期 子細(xì)胞 90 95 5 10 分裂間期即生長(zhǎng)期 包括G1期 S期 G2期 幾類不同細(xì)胞周期比較 細(xì)胞周期的差異主要是G1期持續(xù)時(shí)間的差異很大 細(xì)胞周期的長(zhǎng)短主要決定于G1期的長(zhǎng)短 細(xì)胞周期各時(shí)相的合成活動(dòng) G1期 Gap1phase S期 synthesisphase G2期 Gap2phase M期 G1期 DNA合成前期 合成大量的蛋白質(zhì) 脂類和糖類 細(xì)胞快速生長(zhǎng) 體積增大 S期 DNA合成期 進(jìn)行DNA復(fù)制 使DNA含量倍增 并合成蛋白質(zhì) 組成新的染色體 G2期 DNA合成后期 主要合成大量ATP RNA和蛋白質(zhì)為有絲分裂作準(zhǔn)備 M期 RNA合成停止 蛋白質(zhì)合成減少 染色體高度螺旋 DNA減半 細(xì)胞周期的表示方法 1 數(shù)軸法 abcd 2 曲線圖 DNA含量 abcdef 3 扇形圖 a b c d e 習(xí)題 下列關(guān)于細(xì)胞分裂周期的敘述正確的是 間期只包括G1和G2期B M期發(fā)生DNA復(fù)制G1期和G2期都能合成蛋白質(zhì)S期進(jìn)行DNA復(fù)制使染色體數(shù)目增加2 下圖中a d表示連續(xù)分裂的兩個(gè)細(xì)胞周期 下面敘述正確的是 A a和b為一個(gè)細(xì)胞周期B c段結(jié)束時(shí) DNA含量增加一倍C 遺傳物質(zhì)平分一般發(fā)生在dD b和c為一個(gè)細(xì)胞周期 abcd 時(shí)間 細(xì)胞周期的控制系統(tǒng) 細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn) 研究者 1970年 Rao和Johnson 研究思路 細(xì)胞質(zhì)中是否含有影響細(xì)胞周期活性的調(diào)節(jié)因子 研究方法 不同階段的同步化細(xì)胞進(jìn)行融合 預(yù)測(cè)結(jié)果 G1期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合 S期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合 G2期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合 MPF的發(fā)現(xiàn) 成熟促進(jìn)因子 maturationpromotingfactor MPF 是指M期細(xì)胞中存在的促進(jìn)細(xì)胞分裂的因子 MPF的發(fā)現(xiàn)及其作用 Masui和Markert 1971 細(xì)胞周期蛋白的鑒定 研究思路 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 獲得同步化的受精的海膽卵細(xì)胞 在有放射性氨基酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng) 每10分鐘取一次樣分離純化蛋白質(zhì)進(jìn)行分析 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 發(fā)現(xiàn)了周期蛋白B cyclinB MPF的發(fā)現(xiàn)及其作用 研究三 Maller實(shí)驗(yàn)室 1988 純化工作 Accumulationanddegradationofcyclinsinseaurchinembryos 細(xì)胞周期研究模式工具 Cdc25andWee1haveopposingeffectsonS pombeMPFactivity 三 有絲分裂 由W Fleming 1882 年首次發(fā)現(xiàn)于動(dòng)物及E Strasburger 1880 年發(fā)現(xiàn)于植物 特點(diǎn)是有紡錘體出現(xiàn) 子染色體被平均分配到子細(xì)胞 這種分裂方式普遍見(jiàn)于高等動(dòng)植物 動(dòng)物和高等植物 有絲分裂期所用時(shí)間 因生物和細(xì)胞的種類不同而有很大差別 一般要1 3小時(shí) 但快者有10多分鐘就可完成 慢者需5 6個(gè)小時(shí) 甚至更長(zhǎng)時(shí)間 通常 胚胎發(fā)生早期細(xì)胞分裂快 而成體組織細(xì)胞分裂慢 有絲分裂過(guò)程中 中心體變化 Immediatelyafterduplication the2pairsofcentriolesandthecentrosomematrixaretogether InearlyMphase the2pairsofcentriolesseparate eachforminganaster The2astersmoveaparttotheoppositesideofthenucleus Amitoticspindleisformed Afterthenuclearenvelopebreaksdown thespindlemicrotubulesattachtothechromosomes 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位 核小體 1974年Kornberg等人根據(jù)染色質(zhì)的酶切降解和電鏡觀察 發(fā)現(xiàn)核小體 nucleosome 是染色質(zhì)包裝的基本結(jié)構(gòu)單位 并提出染色質(zhì)結(jié)構(gòu)的 串珠 模型 實(shí)驗(yàn)證據(jù) 核小體的結(jié)構(gòu)要點(diǎn) 有絲分裂過(guò)程中 DNA變化 Theorganizationofchromatininnucleosomes Chromosomepacking 染色體包裝 核小體 nucleosome 螺線管 solenoid 超螺線管 supersolenoid 染色體 chromosome 從核小體開(kāi)始到染色體 DNA總共壓縮 壓縮7倍壓縮6倍壓縮40倍壓縮5倍DNA 核小體 螺線管 超螺線管 染色單體 ChromatinPacking 有絲分裂是一個(gè)連續(xù)的過(guò)程 習(xí)慣上按先后順序劃分為前期 中期 后期和末期四個(gè)時(shí)期 TheMPhaseStagesofNewtLungCells 1 Microtubules 前期發(fā)生的主要事件有四個(gè) 染色體的凝聚 分裂極的確定 核仁的消失和核膜的解體 TheMPhaseStagesofNewtLungCells 2 中期 染色體排列到赤道面上 染色體濃縮變粗 顯示出該物種所特有的數(shù)目和形態(tài) 后期 每條染色體的兩條姊妹染色單體分開(kāi)并移向兩極的時(shí)期 子染色體到達(dá)兩極時(shí)后期結(jié)束 子染色體向兩極的移動(dòng)是靠紡錘體的活動(dòng)實(shí)現(xiàn)的 有絲分裂 植物細(xì)胞 教學(xué)動(dòng)畫 細(xì)胞體的分裂稱胞質(zhì)分裂 動(dòng)物和某些低等植物細(xì)胞的胞質(zhì)分裂是以縊束或起溝的方式完成的 高等植物細(xì)胞的胞質(zhì)分裂是靠細(xì)胞板的形成 細(xì)胞板逐漸擴(kuò)展到原來(lái)的細(xì)胞壁乃把細(xì)胞質(zhì)一分為二 細(xì)胞死亡 凋亡與壞死 Apoptosisvsnecrosis Apoptosis Necrosis Deathbyapoptosisisaneat orderlyprocess Celldeath Cellsdiebyoneoftwomechanisms necrosisorapoptosisTwophysiologicallydifferentprocesses Necrosis 壞死 deathbyinjury Apoptosis 凋亡 deathbysuicideApoptosisandnecrosishavedifferentcharacteristics 細(xì)胞凋亡又稱細(xì)胞程序性死亡 是一種由基因控制的細(xì)胞自主性死亡方式 與組織器官的發(fā)育 機(jī)體正常生理活動(dòng)的維持 疾病的發(fā)生 細(xì)胞的惡變等有密切關(guān)系 程序性死亡細(xì)胞的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化 細(xì)胞緩慢收縮染色質(zhì)包裝和分離細(xì)胞質(zhì)凝聚 核片段化發(fā)芽 起泡細(xì)胞裂成小片 凋亡小體 吞噬細(xì)胞 Biochemicalcharacteristicsofapoptosis ApoptosisinducedbyCytoCLane1 0h2 1h3 2h4 3h5 4h6 Control7 Marker 180 200bpDNAladder ApoptosisIsImportanttotheDevelopmentandSurvivaloftheOrganism Inhuman billionsofcellsdieinbonemarrowandintestineeverydayWhysucha waste NormaldevelopmentBalancingcelldivisionRemovingabnormalcells Thepawinmouseembryoshowingapoptosis Onedaylater Astadpolechangesintofrog thetailislostduetoapoptosis 小鼠腳趾形成 蛙發(fā)育的變態(tài)反應(yīng) 程序性細(xì)胞死亡對(duì)發(fā)育中神經(jīng)細(xì)胞數(shù)量的調(diào)節(jié) 六 癌細(xì)胞 比喻 動(dòng)物體 人 一個(gè)特殊的 社會(huì) society 細(xì)胞 社會(huì) 中的個(gè)體 individuals 原則 個(gè)體 的自我犧牲 self sacrifice 癌細(xì)胞 社會(huì) 中的 不軌分子 違反上述原則 瘋狂增殖 癌細(xì)胞是一種突變的體細(xì)胞 脫離了細(xì)胞社會(huì)關(guān)于增殖和存活的控制 可以無(wú)限制的增殖產(chǎn)生腫瘤 癌的類群 癌 carcinoma 從組織的外表面和內(nèi)表面生長(zhǎng)的癌 瘤 sarcoma 源于中胚層形成的支持組織 骨 軟骨 脂肪 結(jié)締組織和肌組織等 中形成的癌 淋巴瘤 lymphoma 和白血病 leukemia 是由淋巴和血液產(chǎn)生的癌 白血病主要是指癌細(xì)胞已經(jīng)大量進(jìn)入血液中 細(xì)胞癌變的原因 物理致癌因子 主要是各種射線化學(xué)致癌因子 如苯 砷 煤焦油等病毒致癌因子 腫瘤病毒或致癌病毒遺傳因素 致癌物 指出下列案例中的致癌因子屬于哪一類 臭氧層破壞導(dǎo)致皮膚癌患者增多 日本長(zhǎng)崎 廣島在二戰(zhàn)后幸存居民經(jīng)29年觀察發(fā)現(xiàn)白血病發(fā)生率明顯增高 4 苯并吡是煤焦油中的主要致癌成分 存在于吸煙時(shí)煙草燃燒的煙霧 工廠的煤煙 汽車等廢氣中 近幾年 肺癌的發(fā)生率呈明顯增加趨勢(shì) 可能與上述氣體有關(guān) 研究表明 80 左右的肝癌患者是由乙肝病人轉(zhuǎn)變而來(lái) 過(guò)程 正常細(xì)胞 原癌基因抑癌基因 細(xì)胞癌變 致癌因子 內(nèi)因 外因 突變 本質(zhì) 體細(xì)胞基因組的改變 突變的積累 癌癥是由眾多因素引發(fā)的 基因病 genedisorder 體細(xì)胞 有別于通過(guò)性細(xì)胞傳遞的 遺傳病 geneticdisorder 復(fù)雜性 美國(guó) 攻克癌癥 的十年計(jì)劃的失敗 一 癌細(xì)胞的特征腫瘤 tumor 良性腫瘤 benign 不轉(zhuǎn)移 分裂失控 惡性腫瘤 malignant 轉(zhuǎn)移 侵潤(rùn) 正常和癌細(xì)胞的分裂增殖 腫瘤的生長(zhǎng) 2 侵潤(rùn)性和擴(kuò)散性侵潤(rùn)性 invasive 擴(kuò)散性 diffusible 轉(zhuǎn)移性 metastasis 良性腫瘤 benign 和惡性腫瘤 malignant 惡性腫瘤的轉(zhuǎn)移 metastasis 二 癌基因和抑癌基因 cancer criticalgenes 1 原癌基因 proto oncogenes 和癌基因 oncogenes 原癌基因 為細(xì)胞的正常基因 多編碼控制細(xì)胞周期 細(xì)胞凋亡 細(xì)胞增殖的各種調(diào)控因子和活性蛋白 是細(xì)胞正常功能所必需 癌基因 為原癌基因的突變形式 或改變了表達(dá)方式 過(guò)量 產(chǎn)物活性的改變 等 其結(jié)果是引起正常細(xì)胞的癌變 2 抑癌基因 tumor suppressorgenes 發(fā)現(xiàn) 有一類基因的失活也能引起癌變 e g a 視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤是由于Rb基因突變失活而引起的 b p53基因 50 的腫瘤中發(fā)現(xiàn)p53的突變 作用 細(xì)胞周期調(diào)控 促進(jìn)細(xì)胞凋亡 維持遺傳穩(wěn)定性 p53突變使細(xì)胞逃脫DNA損傷的監(jiān)控系統(tǒng)而進(jìn)入分裂 3 小結(jié)癌基因和抑癌基因的對(duì)比 癌基因抑癌基因 細(xì)胞增殖的正調(diào)控因子細(xì)胞增殖的負(fù)調(diào)控因子gain of functionloss of function顯性 dominant 隱性 recessive 三 基因突變積累 癌的發(fā)生癌的發(fā)生是由多個(gè)相關(guān)基因突變的共同作用引起的 并不是基因組的每一次突變都被積累下來(lái) 細(xì)胞中有DNA損傷修復(fù)機(jī)制 及復(fù)制糾錯(cuò)機(jī)制 阻止突變細(xì)胞繼續(xù)分裂 當(dāng)細(xì)胞逃脫了糾錯(cuò)機(jī)制的監(jiān)控進(jìn)入分裂 就有可能轉(zhuǎn)變?yōu)榘┘?xì)胞 而癌細(xì)胞的快速增殖助長(zhǎng)了有害突變的積累 環(huán)境中的各種誘變因素 輻射 化學(xué)誘變劑 病毒 增加突變幾率 誘發(fā)癌癥 這種作用也是可積累的 結(jié)腸癌的發(fā)生過(guò)程 基因突變的積累 事實(shí) 移民群體中 各種 癌的發(fā)生率接近居住國(guó)的平均水平 而不是其本民族的水平 暗示癌癥發(fā)生中 環(huán)境因素的作用大于遺傳因素 據(jù)認(rèn)為 80 90 的癌癥是可以避免的 至少是可以延遲的 建議 始終注意避免環(huán)境中能夠誘發(fā) 或促進(jìn)癌癥發(fā)生的因素 積累 健康小貼士 1 不要圖便宜買不新鮮或腐爛的蔬菜和水果2 咸菜 咸肉等食物中含有致癌物質(zhì)亞硝酸鹽 應(yīng)少吃3 熏烤的魚(yú) 肉 香腸等食物中含有致癌的煙焦油 應(yīng)少吃4 多吃富含纖維素的食物 如芹菜 韭菜 鮮棗 紅薯等5 炒菜時(shí)油不要放多 研究表明 乳腺癌 大腸癌 卵巢癌的發(fā)生都與脂肪過(guò)量攝取有關(guān) 吸煙和被動(dòng)吸煙 廚房煙霧 汽車尾氣 裝修涂料中溢散的有害氣體 過(guò)量的防腐劑 化妝品中的添加劑 色素香精 黃曲霉素 各種噴霧劑 制冷劑等等都是致癌因子 測(cè)試題 1 導(dǎo)致正常細(xì)胞發(fā)生癌變的根本原因是 染色體上存在原癌基因原癌基因和抑癌基因協(xié)調(diào)表達(dá)C 致癌因子導(dǎo)致原癌基因發(fā)生突變D 原癌基因和抑癌基因以外的其他突變2 癌癥是嚴(yán)重威脅人類健康的疾病之一 下列描述正確的是 長(zhǎng)期接觸癌癥患者的人細(xì)胞癌變幾率增加癌癥是致癌因子引發(fā)的 患病幾率與年齡無(wú)關(guān)艾滋病患者與正常人患癌癥的幾率相同亞硝酸鹽可通過(guò)改變基因的結(jié)果而致癌 腫瘤是一種基因性疾病 與先天性遺傳疾病一樣 可通過(guò)性細(xì)胞傳遞到子代而發(fā)病 2 在健康的成年人的骨髓和腸組織中每小時(shí)大約有10億個(gè)細(xì)胞死亡 3 腫瘤起源于體細(xì)胞內(nèi)未經(jīng)矯正的突變 4 雖然龜?shù)淖罡邏勖_(dá)175歲 而小鼠的壽命只有2 3年 但它們的細(xì)胞在體外培養(yǎng)時(shí)分裂極限基本相同 5 凋亡與壞死最大的區(qū)別在于細(xì)胞凋亡不引起炎癥反應(yīng) 判斷題 思考題 白血病是由一些突變引起的癌癥 引起白細(xì)胞產(chǎn)生過(guò)多 平均發(fā)病年齡要早于其他癌癥 這種情況如何解釋