细胞增殖分化与细胞凋亡的分子机制

医学分子生物学第二章：细胞分化：个体发育过程中细胞在形态、结构和功能上的特化过程；基因的开启表达是有序进行的，正是这种有序表达，产生细胞决定及其后的分化诱导与分化抑制。

细胞的增殖、分化与细胞凋亡的分子机制

• 细胞增殖
  • 是细胞生命活动的重要特征
  • 细胞分裂过程
    • DNA复制
    • 染色体分离
  • 实现方式：细胞周期
    • 时期
      • 有丝分裂期
        • 前期
        • 中期
        • 后期
        • 末期
      • 间期
        • G1
        • S
        • G2
        • G0
    • 调控
      • 关键基因
        • CDC28基因
      • 关键酶
        • 细胞周期依赖性蛋白激酶
          • 依赖：周期素
          • 被抑制：细胞周期抑制蛋白
            • INK家族
            • CIP/KIP家族
      • 机制
        • 以pRb为主的网络调控机制
        • 以p53为主的调控机制
        • 细胞周期检查点的调控
    • 检验点
      • G1/S检验点
        • cyclinD及其结合分子CDK4、CDK6表达
        • cyclinE与CDK2结合，激活DNA复制
      • G2/M检验点
        • cyclinA、cyclinB与CDK1结合，染色体发生凝集、核膜解体
      • 纺锤体组装检验点
• 细胞分化
  • 个体发育过程中细胞在形态、结构和功能上的特化过程
    • 过程
      • 细胞分裂产生的新细胞，起初在形态、结构方面都相似，具有分裂能力
      • 除了一小部分细胞仍然保持着分裂能力以外，大部细胞失去了分裂能
      • 不同的细胞具有不同的功能，在形态、结构上也逐渐发生了变化，逐渐形成了不同的组织
      • 多细胞生物中，细胞分化包括时间的分化与空间上的分化，前者指在不同时间内细胞所处的状态不同，后者指处于不同部位的细胞产生的差异
    • 特点
      • 不可逆性
      • 稳定性
      • 时空性
      • 分化方向确定早于形态差异的出现
      • 细胞生理状态随分化水平的提高而变化
      • 有丝分裂指数与分化程度成反比
      • 细胞分化是一种持久性的变化，它发生在出物体的整个生命进程中，但是在胚胎时期达到最大限度
    • 分子基础
      • 分化基因
        • 同源异型基因
          • 母体基因—间隙基因—成对基因—体节极性基因—Hox基因
          • 研究方法：细胞系与转基因动物
      • 基因特异性表达
        • 奢侈基因
        • 管家基因
        • 某些基因的选择性表达合成了执行特定功能的蛋白质，从而产生特定的分化细胞类型
      • 基因改变
        • 基因丢失或永久失活
          • 卵裂时受精卵·分为背腹两部分，由于分裂球的不对称性，分化为不同的细胞
          • 孚尔根染色实验
            • 分化细胞染色体基因组没有差异，同时受精卵在分裂过程中的等能性
        • 基因重排
          • 不普遍
        • 基因扩增
          • 不普遍，也不是胚胎细胞分化产生原因
        • 卵巢时期的基因表达
          • 基因的开启表达是有序进行的，正是这种有序表达，产生细胞决定及其后的分化诱导与分化抑制。
          • 细胞分化与个体发育的这种复杂性排除了与此过程相关的各个基因独自调控的可能性，而提示多种基因有序表达的层次系统控制。
    • 基因调控机制
      • 转录与转录后的加工
        • 基因组特征：DNA序列的甲基化
          • 特定DNA序列甲基化与基因活性调节有关
            • 持续失活的基因甲基化程度一般较高
            • 持续表达的管家基因常低甲基化
        • DNA酶高敏位点
          • 活性结构域的特异位点对DNA酶高敏
        • 组织特异性或发发育阶段特异性的沉默子与特异蛋白结合，后者抑制基因的转录
        • 与启动子、增强子、沉默子等 DNA 序列结合的反式调节因子是参与基 因表达调控蛋白的重要组成部分
        • 转录后调控的基本途径
          • 选择性将mRNA移出细胞核
          • 通过外显子不同剪接或使用不同的多聚腺苷酸酶位点，从初级转录本产生两种以上的mRNA，由此在不同的细胞类型或同一细胞系的不同时间内产生的不同蛋白质
      • 翻译与翻译后的加工
        • 翻译后蛋白质可以以非活性前体形式存在
        • 选择性降解mRNA
        • 基因时空表达的网络调控模型
        • 细胞分化最基本、最主要影响因素：基因的选择性表达
        • 整合素家族是介导干细胞与细胞外基质黏附的最主要的分子
    • 干细胞分化
      • 干细胞：“万能细胞”，未充分分化，尚不成熟的细胞，具有再生各种组织器官和人体的潜在功能
        • 分类
          • 发育潜能
            • 全能干细胞
            • 多能干细胞
            • 单能干细胞
          • 发育阶段
            • 胚胎干细胞
            • 成体干细胞
          • 功能分类
            • 胚胎干细胞
            • 成体干细胞
            • 造血干细胞
            • 神经干细胞
        • 特点
          • 经培养不定期地分化并产生特化细胞
          • 全能细胞特异化成胚囊由外层细胞和位于中空球形内的细胞簇构成
          • 外层细胞继续发展成胎盘以及胎儿在子宫内发育所需的其他支持组织
          • 内细胞群细胞发育形成人体所需的全部组织
            • 能产生许多种类型的细胞
          • 多能干细胞经历进一步的特异分化，发展为参与生成特殊功能细胞的干细胞
        • 分化路径
          • 基因的选择性行为形成一系列分化网络路径，但分化终点相对固定
        • 研究意义
          • 用途广泛，涉及医学多个领域
          • 与微环境密切相关
        • 伦理之争
• 细胞凋亡
  • 细胞凋亡
    • 特点
      • 形态学特征
        • 细胞首先变圆，随即与邻周细胞脱离，去微绒毛，胞质浓缩，内质网扩张呈泡状并与细胞膜融合，线粒体无大变化，核染色质密度增高呈月形，并凝聚在细胞膜周边，核仁裂解，进而细胞膜内陷将细胞分割为多个由细胞质膜包裹的细胞亡小体
        • 过程不导致溶酶体膜及细胞质膜破裂，没有细胞内涵物泄，故不引起炎症反应和次级损伤
      • 生物化学特征
        • 在细胞凋亡发生的早期，细胞膜上往往出现一些标志性生物化学变化，以利于邻细胞或巨噬细胞识别和吞噬。首先是凋亡细胞膜上的磷脂酰丝氨酸 由于其外翻到膜外表面。其次是诱导胞质内蛋白酶的级联反应 ，并伴随能量消耗、引起基因转录或蛋白质合成。在细胞凋亡白的后期，细胞核内染色质 DNA 被核酸内切酶降解为 180~200 个碱基对整数倍的寡核苷酸片段
        • 长度是核小体重复单位的大小，表明染色质 DNA 的降解发生在核小体单位之间
        • 从凋亡细胞中提取 DNA 在琼脂糖凝胶电泳中梯状DNA 图谱 但是，也有些细胞发生凋亡时，这染色质DNA并不降解
      • 意义
        • 清除对机体无用的细胞
        • 清除发育不正常的细胞
        • 清除机体不再需要的细胞
        • 清除对机体有害的细胞
  • 细胞坏死
    • 形态学特征
      • 膜通透性增加，细胞外形发生不规则变化，内质网执核染色质不规则地位移，进而线粒体及核肿胀，溶酶体被破坏，细胞膜破裂，胞质外溢，引起严炎症反应。
      • 坏死的细胞常常是成群的细胞一起丢失，并最终被巨噬细胞所吞噬
    • 生物化学特征
      • 坏死性细胞死亡的过程主要是非生理因素引起的意外损伤和离子稳态调节丧失的过程，因而细胞坏死过程中，检测不到磷脂酰丝氨酸的外翻现象，不需要新的基因表达和蛋白质合成，也不需要消耗能量，染色质DNA被随机降解为任意长天度的片段，在琼脂糖凝胶电泳中呈弥散性 的DNA图谱
  • 细胞凋亡信号传导途径
    • 凋亡因子
      • 线粒体：中央调控
      • caspase
        • 线粒体/细胞色素C通路
        • 死亡受体通路
        • 内质网通路
      • Cytc：哺乳动物细胞凋亡信号传递过程的关键因素
        • 线粒体通透转运孔开放
        • 促凋亡基因Bax的诱导作用
      • Bcl家族
        • 调节线粒体膜电位的变化，影响线粒膜的通透性，进而改变线粒体蛋白的释 放，调控细胞凋亡
      • NF-kB和神经元凋亡
        • 是 广泛存在于细胞中的具有多向性调节作用的蛋白质分子，参与细胞激酶、趋化因子、生长因子、细胞黏附因子及早期反应的蛋白质分子基因的转录
        • 活性受到一个强抑制物IkB的抑制。 能介导广泛的生物学作用，参与多种疾病的发生发展过程
        • 中枢神经系统 内激活NF-KB的信号
          • 第一类信号
            • 炎症细胞因子 氧化应激、紫外线、细菌和病毒产物等
          • 第二类信号
            • CNS特异信号
              • 去极化、神经递质神经生长因子以及不同的神经毒素刺激
    • 传导途径
      • 外途径
        • 由死亡受体接受外环境中的死亡信号并迅速激活胞内胱天蛋白酶级联反应，使凋亡信号放大并传遍整个细胞引起凋亡效应
          • 死亡诱导的起始型胱天蛋白酶原降解为胱天蛋白酶后，可迅速激活胞内胱天蛋白酶的级联 活化反应，使凋亡信号放大并传遍整个细胞
          • 胱天蛋白酶的级联反应是细胞凋亡程字的核心，死亡受体激活起始型胱天蛋白酶-8后，直接激活其下效应型胱天蛋白酶原-3、-6和-7 激活的效应天蛋白酶进一步水解其底物，引起细胞凋亡
      • 内途径
        • 射线、化学物质造成的DNA损伤以及药物和活性氧等的直接作用，通过活化凋亡蛋白直接或间接地线粒体膜的通透性
          • 活化的胱天蛋白酶-8催化胞质中Bcl-2家族成员Bid蛋白，使之降解有活性的tBid( 而进人线粒体，引起线粒体损伤，导致线粒体内、外膜之间的通透性转换孔 开放导致跨膜电位崩溃并使存在于线粒体内、外膜之间的细胞色素c 释放入胞质中
          • 在脱氧三磷酸腺苷存在的条件进人胞质的细胞色素c与细胞凋亡蛋白激活因子1、脱氧三磷酸腺苷以及胱天蛋白酶原-9结合，形成凋亡复合体 ，使胱天蛋白酶原-9活化为胱天蛋白酶-9，再进一步活化下游的效应型胱天蛋白酶的级联反应，并水解相应的底物，引起细胞凋亡效应型胱天蛋白酶可裂解其下游的许多底物