第十四章 CELLDIFFERENTIATIONANDCELLDEATH 细胞分化与癌细胞 1 第一节细胞分化 细胞后代在形态 结构和功能上发生稳定性差异的过程 细胞分化是多细胞生物发育的基础与核心 细胞分裂的不对称性和细胞间的相互作用是细胞分化的两个基本机制 奢侈基因的选择性表达是细胞分化的分子基础 基因的选择性表达受到调节基因蛋白产物的组合调控影响 2 全能性 一个细胞可分化为机体的所有细胞 如受精卵 植物细胞 干细胞多能干细胞单能干细胞 祖细胞 成熟动物细胞不具备全能性 60年代的爪蟾和80年代小鼠的核移殖 90年代末多利羊的诞生都证明了分化细胞具有完整的DNA 一 细胞全能性 3 4 5 卵细胞具有极性 细胞核靠近北极 北极或动物极 极体释放的部位 南极或植物极 相对北极而言 母体物质主要储存在于植物极 二 细胞分化的影响因素 一 细胞分裂的不对称性 6 动物卵细胞中贮存有大量mRNA 呈非均匀分布 用转录抑制剂放线菌素D处理海胆受精卵 胚胎发育仍能进行至囊胚期用蛋白质翻译抑制剂嘌呤霉素处理受精卵 受精卵停止发育 卵裂后的细胞质的特性决定了子细胞核的分化命运 昆虫以表面卵裂的方式形成胚层细胞的 迁入卵的后端极质部的细胞发育为原始生殖细胞 用紫外线照射这一区域 破坏极质 卵将发育为无生殖细胞的不育个体 7 果蝇的卵在受精后的2小时内只进行核分裂 细胞质不分裂 形成合胞体胚胎 随后核向卵边缘迁移 每个细胞核周围包上了细胞膜 结果在卵周边形成了细胞胚层 共约3500个细胞 每一个核都具有全能性 既可分化成体细胞 又可分化成性细胞 细胞的分化命运决定于核迁入不同的细胞质区域 迁入卵后端极质中的形成极细胞 最后分化为生殖细胞 图13 16果蝇从受精卵到囊胚期的发育图中可见体细胞与生殖细胞的分化 8 1 胚胎诱导 embryonicinduction 胚胎发育过程中 一部分细胞影响相邻细胞向一定方向分化的作用 诱导者 inductor 对其它细胞起诱导作用的细胞 脊索可诱导其顶部的外胚层发育成神经板 神经沟和神经管 视胞可诱导其外面的外胚层形成晶体 而晶体又可诱导外胚层形成角膜 二 细胞间的相互作用 9 2 分化抑制 分化成熟的细胞可以产生抑素 抑制相邻细胞发生同样的分化 如含有成蛙心组织的培养液培养蛙胚 则蛙胚不能发育出正常的心脏 3 细胞数量效应小鼠胚胎胰腺原基在体外进行组织培养时 可发育成具有功能的胰腺组织 但如果把胰原基切成8小块分别培养 则都不能形成胰腺组织 如果再把分开的小块合起来 又可形成胰腺组织 10 4 位置信息对细胞分化的影响 位置信息 不断分裂和移动中的细胞通过感知自己的瞬间空间位置并依此决定分化方向或调整移动路径 此即位置信息对发育分化的影响 位置信息对分化的作用包括多个层次 DNA提供的位置信息 细胞质成分提供的位置信息 细胞所在空间提供的位置信息 如将白色品系小鼠8细胞期卵裂球去除透明带后 置于同期黑色胚鼠的4个卵裂球中央形成嵌合体后 培养至胚泡期 移入寄母子宫中 结果新生小鼠为白色品系 11 位置信息在鸡的肢芽 limbbuds 发育中的作用 鸡胚胎的腿和翅开始是由一小团中胚层发育形成肢芽 肢芽早期为舌形突起 内部为中胚层来源的间叶组织 表面覆盖着外胚层表皮 当肢芽逐渐长长时 肢芽就会发育成适当的骨组织 并在肢芽的末端形成指 指导肢芽形成的位置信息是由中胚层组织的一小块区域发出的 该区域称为极性激活带 zoneofpolarizingactivity ZAP 它位于肢芽的后端附近 如果将此处的组织移植到另一个肢芽的前端 其结果会发育成正常个体的两倍数量的指 图E13 2 这就是位置信息对发育的影响 图E13 2在鸡胚翅形成过程中后中胚层位置信息的的作用上部 在正常的发育过程中 鸡翅形成3个趾 编号为2 3 4 它们对应于5指中3个 下部 如果将ZAP 极性激活区 的一片后中胚层移到另一个肢芽的前侧 则会形成两个三指 且互为镜像 12 5 细胞外基质的影响干细胞在IV型胶原和层粘连蛋白上分化为上皮细胞 在I型胶原和纤粘连蛋白上形成纤维细胞 在II型胶原及软骨粘连蛋白上发育为软骨细胞 6 激素的作用如昆虫的保幼激素和脱皮激素 13 1 染色体结构的变化1 基因删除 原生动物 昆虫 甲壳动物 2 基因扩增 果蝇多线染色体 3 基因重排 免疫球蛋白基因 106 108种抗体 4 DNA的甲基化与异染色质化 胞嘧啶的甲基化使基因失活 三 细胞核与细胞分化 14 2 基因与细胞分化管家基因 如微管蛋白基因 糖酵解酶系基因等奢侈基因 如卵清蛋白基因 珠蛋白基因 角蛋白基因等调节基因 其产物可选择性调节奢侈基因的表达 组合调控作用 主导基因 调控蛋白中其关键作用的少数蛋白的基因 如eye基因调控结果 细胞分化类型数目 2n n为调控蛋白数目 15 多基因的差别表达对发育的控制 16 细胞分化与胚胎发育 无论是母体mRNA的作用还是细胞间的相互作用 其结果是启动特定基因的表达 根据对果蝇 家蚕等实验动物的研究表明 卵受精后 首先表达的是母体基因 母体基因的产物是转录因子 沿胚的前后轴形成一个浓度梯度 决定了胚的前后位置和头尾区域 控制其它基因的表达 母体基因 间隙基因 成对基因 体节极性基因 同源异形基因 homeoticgene Hox 17 GeneandDevelopment 18 在成熟的未受精的卵细胞中 母体基因转录的mRNA和蛋白质通过建立不同的浓度梯度 帮助卵细胞建立前后轴和背腹轴 即母体基因的产物沿着体轴成浓度梯度分布 某些母体基因合成的蛋白质通过扩散在细胞质中形成不对称分布 使得囊胚中的不同细胞带有不同量的母体基因的蛋白质 造成分化的差异 间隔基因 gapgenes 是沿果蝇前后轴最早表达的合子基因 它们均编码转录因子 参与果蝇胚胎前后轴早期模式的形成 由于这组基因发生突变时会导致体节模式发生间隔缺失现象 所以将它们称为间隔基因 在卵细胞受精后的2小时内 这些基因就会在各自特定的部位表达 同源异型基因 homeoticgene 一类含有同源框的基因 在胚胎发育中的表达水平对于组织和器官的形成具有重要的调控作用 该类基因的突变 就会在胚胎发育过程中导致某一器官异位生长 即本来应该形成的正常结构被其他器官取代了 已发现的Hox基因的产物基本上都是转录因子 同源框的蛋白产物呈螺旋 转角 螺旋的立体构型 可以和DNA双螺旋的主沟吻合 附着于邻近于TAAT的碱基 由于它能识别所控制的基因启动子的特异序列 从而在转录水平调控基因表达 19 HOXmutantAntenna leg 20 Bithoraxmutant 21 已存在的细胞功能由弱 强 减退到丧失 经历了新生 成熟 衰老 死亡的过程 已有的分化细胞通过分裂产生两个功能相同的细胞 如血管内皮细胞 干细胞的分裂与分化 如多能造血干细胞 三 成体中的细胞分化 22 四 再生 指生物的器官损伤后 剩余的部分长出与原来形态功能相同的结构的现象 广义来看再生是生命的普遍现象 从分子 细胞到组织器官都具有再生现象 1 生理性再生 即细胞更新 如人的红细胞 2 修复性再生 壁虎的尾 蝾螈的断肢 螃蟹的肢 3 无性繁殖 23 转分化与再生 转分化 一种分化类型的细胞转变为另一种分化类型细胞的过程称为转分化 包括去分化和再分化两个过程 24 第二节癌细胞 所谓癌细胞实际上是一种突变的体细胞 这种突变体脱离了细胞社会关于增殖和存活的控制 因此可以无限制的增殖产生肿瘤 14 3 1癌生物学 Cancer 一词源于拉丁语 crab 是用于描述一种由于体内组织的无限生长 最后夺去生命的疾病 癌细胞与正常的细胞有很大的不同 有许多特有的生物学特征 癌的类群根据癌变涉及的细胞类型的不同 癌分为三个类群 癌 carcinomas 是最常见的一种类型 主要是从组织的外表面和内表面生长的癌 如肺癌 乳腺癌和结肠癌等 瘤 sarcomas 主要是源于中胚层形成的支持组织 骨 软骨 脂肪 结缔组织和肌组织等 中形成的癌 淋巴瘤 lymphomas 和白血病 leukemias 是由淋巴和血液产生的癌 白血病主要是指癌细胞已经大量进入血液中 25 体外培养的癌细胞生长特性 无论是活体内的癌细胞还是体外培养的癌细胞 它们最重要的特性是失去了生长的控制 正常细胞在体外培养时 细胞通过分裂增殖并铺满培养器皿的表面形成单层 monolayer 后即停止分裂 图4 20a b 这种现象称作接触抑制 contactinhibition 在相同条件下培养的恶性细胞 malignantcells 对密度依赖性生长抑制失去敏感性 因而不会在形成单层时停止生长 而是相互堆积形成多层生长的聚集体 图14 20c d 图14 20正常细胞与癌细胞生长特性比较 26 癌细胞转移 metastasis 恶性肿瘤细胞能够突破其所在环境的束缚 进入淋巴管或血管在体内转移 在新的部位产生致死性的二级肿瘤 图14 21 在肿瘤组织中只有极少数的肿瘤细胞能够进行转移 肿瘤细胞侵袭周围的组织和血管 肿瘤细胞经由循环系统进行转移 在新的部位生长形成肿瘤 图14 21肿瘤转移的过程 27 癌细胞的某些特性 癌细胞的染色体的变化染色体异常 主要是非整倍性 aneuploidy 有染色体的缺失或增加 癌细胞染色体整倍性的破坏 不会进入程序性死亡 因这种细胞对程序性死亡的信号已不再敏感了 这是癌细胞区别于正常细胞的一个重要指标 细胞骨架的变化正常细胞的细胞质中有高度组织化的细胞骨架网络结果 而癌细胞中的细胞骨架不仅少而且杂乱无章 图14 22 图14 22正常和癌细胞微管骨架的比较用微管蛋白抗体制备的细胞微管骨架的免疫荧光照片 a 用温度敏感的肿瘤病毒感染并在高温下培养的成纤维细胞 由于在高温下温度敏感病毒在转化细胞中不起作用 所以细胞骨架是正常的 b 同样转化的细胞在低温下培养 表现出转化的表型 细胞骨架的组织遭到破坏 28 Metastasis 29 对生长因子的依赖性体外培养的正常细胞通常对血清有依赖性 即在培养基中补充一定浓度的血清 而血清的作用是提供生长因子 如表皮生长因子 胰岛素等 而癌细胞由于它的生长周期已不受信号的控制 所以对血清就失去依赖性 图14 23 培养基中有没有血清 对癌细胞的生长影响不大 但没有血清时 正常细胞基本停止生长 图14 23血清对正常细胞和癌细胞生长的影响 30 细胞表面变化肿瘤细胞的表面常常出现一些变化 包括增加了一些新合成的特殊成份 消失了某些原有的成份 某些癌细胞能够合成一些新的表面蛋白 由于这些新出现的蛋白具有抗原性 所以常称为肿瘤相关抗原 tumor associatedantigens 癌细胞表面另一种重要的变化是间隙连接减少 如将荧光染料注入正常的细胞后 染料很快向周围细胞扩散 但是将荧光染料注入癌细胞 则只停留在被注射的细胞内 这一实验说明癌细胞之间的通讯连接有了缺陷 蛋白质合成的变化一些恶性肿瘤常常会合成和分泌一些蛋白酶 分泌的蛋白酶能够降解细胞的某些表面结构 降低了细胞粘着 正因为癌细胞失去了粘着特性 使得癌细胞具有在体内转移的能力 31 14 3 2癌的起因 物理和化学致癌物 化学因素主要是各种化学致癌物 物理因素主要是紫外光等的辐射作用 病毒和遗传则是指病毒癌基因和细胞癌基因 化学致癌物英国伦敦医生JohnHill在1761年首次提出化学致癌观点 1775年 另一位英国外科医生PercivalPott获得环境因子与癌发生的相关证据 他发现一些男性烟囱清洁工人的鼻腔和阴囊皮肤等是癌的高发部位 原因是过渡与煤烟接触有关 在过去几十年内 经动物实验 已经从煤烟中分离出几百种致癌化学物质 后来发现煤炭工业 印染工业中的某些化学物质也具有致癌性 表14 4列出了一些常见的化学致癌物质 32 辐射对癌的诱发 人类在自然环境中受到的辐射主要来自太阳的紫外线 外层空间的宇宙射线 cosmicrays 以及自然发生的放射性元素的放射性 emissions 另外 还受到来自医疗 工业