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五 细胞的重大生命活动 北大陶伟教授 生物竞赛辅导


五 细胞重大生命活动

细胞的生命活动
细胞增殖与细胞周期调控
细胞免疫

细胞坏死
细胞分化

细胞凋亡
细胞衰老

细胞癌化

发育、疾病与衰老
细胞增殖 细胞分化 细胞自噬 细胞衰老 细胞凋亡

染色体

结构动态变化与基因表达 细胞信号转导

细胞重大生命活动

1. 细胞周期

一 细胞增值
有丝分裂 细胞周期的调控

有丝分裂中染色体复制并平均分配到 两个子细胞中

细胞周期(Cell Cycle):从细胞分裂开始至下一次细胞
分裂开始之间的时间-称细胞周期

G1,G2:合成 蛋白质,复制 细胞器 S:DNA复制

M:核分裂, 胞质分裂

有 丝 分 裂 的 过 程

有 丝 分 裂 的 过 程

前期事件1:有丝分裂染色体的形成

凝集蛋白与DNA拓扑异构酶II联合作用 将DNA压缩为染色体

前期事件2:纺锤体的形成 (1)

中心体的复制 ( S期 ) 细胞微管解聚

纺锤体形成

前期事件2:纺锤体的形成 (2)

Ran-GTP的梯度浓度分布诱导纺锤体的形成

前期事件3:核被膜 的解聚
纤层蛋白被磷酸化后去组 装,核被膜片段化, 使 纺锤体和染色体的相互作 用成为可能. DNA (blue), microtubules (red) and the nuclear envelope (NE) marker green

前中期:标志是核被膜的解聚。纺锤体微管 寻找染色体,动粒与微管末端稳定结合,使 染色体排列在赤道板上。
赤道板形成过程中微 管的行为。染色体与长 度差异较大的两极微管 相连,动粒处微管蛋白 亚基的迅速丢失导致长 微管缩短,动粒处微管 蛋白亚基的迅速添加, 短的微管伸长,最终导 致染色体排列在赤道板 上。

分裂中期的纺锤体

有丝分裂中期形成有丝分裂器的组成

着丝粒与动粒
着丝粒(Centromere):
位于染色体的主缢痕, 高度重复DNA序列(异 染色质),也是特殊蛋 白的结合位点.

动粒Kinetochore):
着丝粒外表面存在蛋白 质的扣状结构,为动粒 微管的结合位点,微管 相关动力蛋白的结合位 点,有丝分裂的监控点.

有丝分裂后期染色体 迁移的机制:动粒端 微管解聚假说

后期A,指染色体向两极移动的过程 后期B,指两极间距离拉大的过程

动物细胞 胞质分裂 时形成收 缩环

植物细胞胞 质分裂时形 成细胞板

一 细胞周期及调控
有丝分裂 细胞周期的调控

MPF(促分裂因子)的发现:
? 1970年,Johanson和Rao,用HeLa细胞为材料,

中期细胞与间期细胞融合,发现间期细胞染色质
凝集——中期细胞中有促染色质凝集的物质;

? 1971年,Masui和Markert,利用非洲爪蟾卵为材
料,发现成熟的卵细胞中有刺激初级卵母细胞分 裂 的 物 质 , 称 为 促 卵 泡 成 熟 因 子 (MPF , maturation-promoting factors);

? Nurse和Hartwell 发现决定细胞周期的蛋白激酶p34cdc2
(裂殖酵母)和p34cdc28(芽殖酵母), 结合p56表现酶活性
? 1983年,Hunt海胆中发现随细胞周期增长和消失的周期 蛋白cyclin B; ? 1988年,Lohka纯化MPF, Maller和Nurse发现它是cdc2与 cyclin B的复合物。

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2001 "for their discoveries of key regulators of the cell cycle"
Leland H. Hartwell (1939-) R. Timothy (Tim) Hunt(1943- ) Sir Paul M. Nurse (1949- )

细 胞 周 期 的 调 控

CDK1(cdc2)

MPF (mitosis promoting factor) 有丝分裂促进因子(MPF)由周期素 蛋白(Cyclin)和激酶CDK组成.

Cyclin-Cdk复合物的多样性
G1 Cyclin-Cdk S Cyclin-Cdk G2/M Cyclin-Cdk

Budding Yeast Fission Yeast

CLN1,2,3-CDC28 CIG1-CDC2

CLB5,,(3,4)-CDC28 CIG2-CDC2

CLB1,2(3,4)-CDC28 CIG13-CDC2

Higher Eukaryotes

CyclinD1,2,3-CDK4/6 CyclinA-CDK2
CyclinE1,2-CDK2

CyclinB-CDC2

G1 Substrates
Growth and Morphogenesis

S Substrates

G2/M Substrates

DNA Replication

Mitosis

各种Cyclin-Cdk complex启动周期不同步骤

MPF活化

Cyclin表达积累,导致和Cdk1结合

MPF活化后促进细胞进入M期

Cyclins对Cdk的调节

启动M期
启动有丝分裂 M-Cyclin M-Cdk MPF M-Cyclin 降解

G1
S-Cdk

S complex

G2

M

S-Cyclin
启动DNA复制

S-Cyclin 降解

启动S期

周期蛋白在细胞周期中变化(活化与降解)

M P F 活 化

MPF的降解

蛋白质死亡之吻 泛素降解
蛋白酶体 “垃圾处理厂”
盖子 识别泛酰化蛋白质 核心颗粒 降解蛋白

泛素(ubiquitin ,ub)泛素 由 76 个氨基酸构成, 高度保守,存 在于古菌和真 核生物中。 泛素

底子

蛋白质泛素降解过程
1.E1 激活泛素分子, 此过程 需要 ATP 能量。 2. 运送到 E2 上,E2 负责将 泛素绑在被降解的蛋 白质上 3. E3 的指引下,蛋白酶体 接近被泛素标记蛋白 质时, E2 就把泛素分 子绑在被降解蛋白质 上。 4. E2和E3脱离,蛋白降解 为7-9个氨基酸短肽

泛素激活酶 E1 泛素连接酶 E2 泛素蛋白连接酶 E3

蛋白酶体

Cyclin B的泛素降解

Cyclin 诱发

APC:后期促进因子

细胞周期的生化事件与检验点(checkpoint)

暂时离开细胞周期,停止细胞分裂,但在适当的刺激下可重新 进入细胞周期,称G0期细胞

P53蛋白——基因卫士
无活性p53 DNA损伤
激活

活化的p53
调控区

P21基因
转录

Cdk抑制物蛋白

翻译

Cdk抑制物蛋白能使细胞周 期阻滞在G1期

活化的S-CyclinCdk complex

失活的S-CyclinCdk complex 细胞阻滞在G1期

P53如何将细胞阻止在G1期

DNA修复
细胞死亡

减数分裂

同源染色体:
具有相似长度, 着丝粒位臵和染 色条带的一对染 色体,分别来自 于两个亲代个体。

性染色体 常染色体
人的核型:22对常染色 体和1对性染色体

减 数 分 裂 使 染 色 体 数 目 由 二 倍 体 减 少 为 单 倍 体

减数分裂:

子细胞较之 母细胞染色体 数目减少一半 的分裂过程。 DNA复制一次, 分裂两次 发生在有性生 殖的生殖细胞 产生过程中。

减数分裂的过程

联会(synapsis):减数分裂的染色体配对

减数分裂的过程

2

有丝分裂与减数分裂的差异

有丝分裂和减数分裂的比较
有丝分裂 DNA复制 分裂次数 同源染色体联会
细胞核分裂之前的间期 1次,包括前、中、后、 末期 不发生

减数分裂
减数分裂1之前的间期 2次,每次均包括前期、中期、 后期、末期 为减数分裂特有,发生在前期1 。同源染色体纵向联合,形 成4分体,交叉发生在非姊妹 染色单体间。 4个,均为单倍体,染色体数目 为母细胞的一半,与母细胞 之间,各单倍体彼此之间一 般遗传上不等同。

子细胞的数目, 核遗传构成

两个,均为2倍体, 与母细胞的遗传上等同

动物体的作用

从受精卵发育成多细胞 的成体,供生长和组 织修复

产生配子,染色体数目减半并产 生配子间的变异

裂殖酵母繁殖进行核内有丝分裂

细菌细胞的分裂(二分裂)

原核细胞的分裂 是:二分裂 真核细胞分为三种:有丝分裂, 无丝分裂和减数分裂 无丝分裂不同于二分裂

蛙红细胞细胞无丝分裂(amitosis)
无丝分裂:细胞核伸 长,中部凹陷分裂, 随后细胞从中间溢裂 成两部分,没有染色 体和纺锤体的形成。 消耗较少的能量 。

DNA进行复制

拟核
? Lacking nuclear membrane, absence of nucleoli, hence known as nucleic material or nucleoid, one to several per bacterium.

间体 质膜体 Mesosomes
? 可能涉及原核细胞染色体的锚定的分离

减数分裂在有性生殖中的作用:
维持染色体数目的稳定性 产生可遗传的变异

可遗传变异的产生
? 减数分裂1期中同源染色体发生交叉互 换 ? 非同源染色体在减数分裂1期随机分配 到子细胞中(人的子细胞中的染色体组 有223 种排列) ? 精子,卵子的随机受精

可遗传变异的由来:染色体的独立分配 配子的染色体数目为n,减数分裂可产生2n种配子

源可 染遗 色传 体变 的异 交的 叉由 及来 交: 换同

2. 细胞分化

细胞分化(cell differentiation)
细胞生长 细胞代谢 细胞增殖 细胞分化 细胞通讯 细胞衰老 细胞死亡 细胞类型形成 组织器官形成 个体发育 基因表达调控

……
细胞分化(cell differentiation): 经分裂形成在形态、结构和功能上不同的稳定的细胞类群 的过程;是个体发育的基础和核心。

细胞分化的发生-发育
受精卵-囊胚-原肠胚- 神经胚-----幼体---成体 胚胎期 胚后期

上皮 细胞

脂肪 细胞

神经元细胞 平滑肌 细胞 心肌 细胞

细胞分化也发生于成人阶段——如血液的发生

细胞分化
? ? ? ? ? ? 分子特征 分子机制 分化的过程 血细胞的分化以及功能 细胞的全能性与干细胞 肿瘤细胞

细胞分化的特征
1、基因组全能性和差别基因表达; 植物体细胞全能性 动物细胞核全能性

2、分化过程一般是不可逆的; 分化(dedifferentiation)与转分化(thansdifferentiation) 3、分化方向的限定早于形态差异的出现; “细胞决定”(cell determination): 细胞从分化命运确定 到显现特定形态的过程

细胞的全能性—细胞分化与个体发育的基础 分化的植物细胞的全能性

分化的动物细胞核 的全能性 (totipotency) 青蛙的克隆 1970

多莉羊的克隆 1997 6岁

细胞分化的分子机制---基因的选择性表达
基因表达的时间与空间的差异

细胞分化的实质在于细胞合成特异蛋白;

特异性蛋白合成在于奢侈基因的选择性表达。
看家基因(house-keeping gene) 奢侈基因或组织特异性基因( luxury gene or tissue-specific gene)

胚胎早期发育的分子基础
? 决定细胞向某一方向分化的初始信 息存在于卵细胞中。随着细胞分裂, 信息不断被修饰并逐渐形成更为精 细,更为复杂的指令,最终产生分 化各异的细胞类型。

?细胞的分化过程

发育调控的两种基本机制
决 定 :细胞在分化之前,就确定了一定的分 化方向,随着发育过程的进行,细胞会按照 既定的方向,沿着特定的类型,稳定地分化 下去,这就是决定。 诱 导:胚胎发育中,一部分细胞对其邻近的另 一部分细胞产生影响,并决定其分化方向的作 用,称为胚胎诱导

决定(determination):细胞在分化之前,就确定了一定的 分化方向,随着发育过程的进行,细胞会按照既定的方向, 沿着特定的类型,稳定地分化下去,这就是决定。

myoD 基因:成肌分化 , 转录因子

决定的机制

诱 导:胚胎发育中,一 部分细胞对其邻近的另 一部分细胞产生影响, 并决定其分化方向的作 用,称为胚胎诱导。

眼睛形成过程中的多级诱导

从 卵 裂 (cleavage) 到 神 经 胚 形 成(neurulation)

受精卵-囊胚-原肠胚-神经胚------幼体

囊胚的形成

随着卵裂生发, 内部会逐渐形成 一个空腔——囊 胚腔,囊胚腔的 形成,标志着发 育进入囊胚期, 此时细胞已增加 到上千个,为分 化提供原材料。

囊胚(blastula)的类型
腔 囊 胚
海胆 两栖类 哺乳动物
表 面 囊 胚 ( 昆 虫 )

盘状囊胚(鸟、硬骨鱼)

囊 胚

囊 胚

原肠胚-三胚层的形成
卵裂完成后,胚胎发生 明显的形态学变化。囊胚表 面特定区域的细胞通过外包, 内陷,内转等方式实现囊胚 细胞的重新组合,形成原肠 胚。奠定了身体发育的模式。 原肠胚时期,形成内、 中、外三个胚层,将分化为 动物四大组织类型:上皮组 织,结缔组织,肌肉组织和 神经组织。

原肠胚(gastrulation)的形成

1. 内陷——海胆、文昌鱼

? 海胆的囊胚是仅由一层细胞形成的空心球,植 物极内陷后成为内胚层,内陷处形成胚孔。内 胚层继续内陷,顶部与外胚层接触并打通,将 来此处形成口,胚孔则形成肛门。这样形成口 的动物,成为后口动物。如全部的脊索动物、 棘皮动物。 ? 另一部分动物的口是由胚孔形成的,这些动物 叫做原口动物。除棘皮动物外的所有无脊椎动 物都是原口动物。 ? 口和肛门的形成是动物进化上一个重要指标。

2. 两栖类—内陷和外包

两栖类原肠胚形成中胚孔变化

两栖类原肠胚形成中细胞内陷

3. 内转

内转——哺乳动物

? 神经胚-脊椎动物体制特征的确立

背唇---胚胎形成的组织者
背唇诱导背部中间 中胚层形成脊索

脊索诱导

神经脊

脊索诱导神经管,神经胚的形成 (neorulation)

器官原基,器官的形成及胚后发育
器官原基形成:原肠胚形成后,细胞迁移到特定 部位,被特殊的受体识别而定殖下来。随着迁 移和定殖的完成,脊椎动物体制规划已初步建 立起来,形成未来器官的细胞群。 器官发生:原基形成机体的各种组织、器官和系 统。 胚后发育:从卵膜内孵出或从母体生出后的胎儿 发育。

不 要 背


发育与分化

3. 细胞免疫

非特异性免疫(nonspecific immunity)
先天性免疫或固有免疫(innate immunity)

特异性免疫(specific immunity)
适应性免疫(adaptive immunity) 获得性免疫 (acquired immunity) ----人体的两道防线
免疫性(immunity):通常指机体对感染性疾病的抗性。

?非特异性免疫
非特异性免疫是通过遗传巩固下来的先天
性免疫,对抗原的识别和作用无特异性,它构 成机体防卫的第一道防线。 如人体表皮屏障作用

,体液的杀伤作用,生理因素(体温),炎症反
应的吞噬作用等。

参与固有免疫反应的细胞
1)单核巨噬细胞系统: 血液-单核细胞 肝脏-枯否细胞(kupffer cell) 结缔组织-组织细胞 骨组织-破骨细胞(osteoclast ) 神经系统-小胶质细胞( microglia) 脾脏、淋巴结-巨噬细胞 肺-肺巨噬细胞或尘细胞(dust cell)
功能:吞噬并杀死病菌,引发炎症反应。 2)嗜中性粒细胞( Neutrophils ):吞噬并杀死病菌 3)嗜曙红细胞( Eosinophils ):杀死蠕虫、寄生虫

4)NK细胞( Natural killer cells ):杀死被感染细胞,真菌和寄生虫,

固有免疫系统承担抗感染的第一道防线
? 上皮组织屏障 ? 效应细胞: 吞噬细胞、 中性以及嗜酸性粒细胞 、 巨噬细胞(单核细胞)、 自然杀伤细胞 ? 体液:补体系统 等

活 化 补 体

补体:是存在 于正常人和动 物血清与组织 液中的一组经 活化后具有酶 活性的蛋白质

补体的生物学作用:
①以杀伤手段补充和完善抗体的功能; ②补体的酶解片段以炎症反应的方式,动 员机体各种防御因素; ③在抗体产生前,补体先被激活,及 时起辅助防御作用。

1996, Cell, 86:973

为什么果蝇、苍蝇、蚊子等能在 肮脏的环境中生活而不被感染?

长满烟曲霉菌菌丝的果蝇-Toll通路突变体

固有免疫:TLR依赖性与TLR非依赖性

(Toll-like Receptor TLR)

免疫反应的类型
固有免疫
物理屏障
皮肤, 肠绒毛, 肺、气管纤毛等 无

获得性免疫

细胞类型
多种髓性及淋巴性细胞
T、B 淋巴细胞

可溶性因子
许多蛋白及非蛋白因子 免疫球蛋白(抗体)

?特异性免疫
特异性免疫又称获得性免疫,特异性免疫 需要细胞与抗原接触、刺激而产生对抗原识别 具有特异性的免疫反应。

根据特异性免疫获得的方式,可分为主动
免疫和被动免疫。

主动免疫需经抗原刺激(天然感染或人工接种),促 使机体产生免疫反应,既具特异性又有记忆性。 被动免疫不依靠自身特异性免疫反应而产生免疫性, 而通过转输外源抗体而获得免疫性(初乳、免疫球蛋白) ,具有特异性但不具有记忆性。

?抗原(antigen)及其性质
抗原是一类能诱导免疫系统发生免 疫应答反应(免疫原性), 并能与免疫应答产 物(抗体或效应 细胞)发生特异性结合(反应原性)的 非己异物。

?抗原的性质和类型
? 抗原性质:蛋白质或多糖类等大分子物质; ?抗原的分类:外源性和内源性

外源性抗原如细菌、病毒、花粉、各 类毒素以及小型动植物; 内源性抗原为非己异物或构象发生改 变的自身成分,如变性的IgG 重链等。

人体免疫器官和免疫细胞
?免疫器官与组织
?中枢淋巴器官——免疫细胞发育为免疫 活性细胞的场所 ?骨髓(bone marrow):包括淋巴细 胞,巨噬细胞在内各种血细胞生成场所。 ?胸腺(thymus):T-淋巴细胞发生与 成熟场所。 ※腔上囊(法式囊,bursa of Fabricius)

?外周淋巴器官与组织
?淋巴结(lymphnodes): 人体有 500600个淋巴结,是淋巴细胞储存、分化场所。 ?脾脏(spleen):淋巴细胞储存、分化 场所。

也是T-,B-淋巴细胞发生免疫应答反应的场所。

淋 巴 结 与 淋 巴 管 分 布

淋 巴 系 统 与 循 环 系 统

参与获得性免疫的细胞
?单核-巨噬细胞
?单核细胞(血液中)和巨噬细胞(组织中) ?巨噬细胞的主要功能: 吞噬功能;抗原呈递作用;分泌免疫活性

因子;免疫调节作用。

?淋巴细胞:
T-淋巴细胞(thymus-dependent lymphocy B-淋巴细胞(B-lymphocyte) 淋巴细胞的分类 B-淋巴细胞识别可溶性抗原并发育成抗体分泌细胞(浆 细胞) TH-淋巴细胞(助T细胞)识别细胞表面抗原并分泌细胞 因子,从而激活其它免疫细胞

Tc淋巴细胞(细胞毒性T)识别靶细胞抗原,并溶解靶 细胞
调节性T细胞(T regulatory Cell, TrCell):抑制B-淋巴 细胞 和其它T-淋巴细胞的活动。

B-细胞

T-细胞 骨髓

来源

骨髓

成熟

骨髓

胸腺
几年 80%

寿命 几天至十几天

占白细胞
总数
20%

功能 体液免疫(抗体) 细胞免疫
获得性免疫包括细胞免疫和体液免疫

获得性免疫应答分类
根据参与的免疫活性细胞的种类和功能的不 同,免疫应答分为细胞免疫和体液免疫两类。 细胞免疫:指机体在抗原刺激下,一类小淋巴 细胞( T细胞)发生增殖、分化,进而直接攻 击靶细胞或间接地释放一些淋巴因子的免疫作 用; 体液免疫:则指机体受抗原刺激后,来源于骨 髓的一类小淋巴细胞(B细胞)进行增殖并分 化为浆细胞,由它合成抗体并释放到体液中以 发挥其免疫作用。

免疫应答反应由三个时相组成: 抗原识别、淋巴细胞的激活和效应期

细胞免疫的应答反应
主要组织相容性复合物
(major histocompatibility complex,MHC): 是决定自身免疫耐受性的一组特异的糖蛋白抗原分子,它普 遍存在于机体有核细胞表面。除同卵双生外,不同个体具有不同 的MHC。 胚胎时期淋巴细胞成熟时,那些带有能和自身细胞MHC结合 的受体的淋巴细胞全部凋亡,剩下的淋巴细胞不能识别自身的 MHC,因此双方相安无事,即免疫自身耐受性。

MHCⅠ——Tc细胞识别与MHCⅠ(几乎全部身体细胞) 结合的抗原复合物。 MHCⅡ——TH细胞识别与MHCⅡ(巨噬细胞和B细胞) 结合的抗原复合物。

细胞免疫
? T-淋巴细胞介导的细胞免疫
?T-淋巴细胞的功能亚群 细胞毒T细胞(T cytotoxic Cell,Tc Cell): 攻 击杀伤表达特异抗原的靶细胞。 辅助性T细胞(T helper Cell,TH Cell):通过分 泌ILⅡ辅 助T细胞及B细胞的作用。 调节性T细胞(T regulatory Cell, TrCell):抑 制B-淋巴细胞 和其它T-淋巴细胞的活动。

?细胞免疫应答反应过程
蛋白类抗原 ? 抗原呈递细胞( Antigen presenting cell,APC)处理 ? 复合物( MHC +抗原)形成 ? APC 表 面 信 号 ?Tc细胞表面受体(TCR)?Tc细胞活化 与扩增 ?大量致敏Tc细胞和记忆T细胞 ?Tc 细胞分泌穿孔素等杀伤靶细胞。

T细胞介导的细胞免疫应答反应

体液免疫
?B-淋巴细胞介导的体液免疫

?B-淋巴细胞在抗原刺激下分化成浆细胞 和记忆细胞

?抗原呈递细胞(APC)和TH细胞参与B

细胞活化

B-淋巴细胞介导的体 液免疫反应

B-淋巴细胞直接接触抗原
抗原---巨噬细胞---T细胞---B细胞结合物 B细胞

进入 细胞免疫
毒性T细胞

细胞直接攻击
巨噬细胞

助T细胞
启动

体液免疫 B细胞 抗体攻击

巨噬细胞起抗原呈递细胞(APC)作用。

调节性T细胞的中止作用

B — 细胞

浆细胞
浆细胞含大量内质网, 产生抗体

免疫应答的类型和过程示意图
辅助细胞 (成熟的TH) 辅佐 呈递抗原 抗原 + 细胞 活化的 辅助细胞 (效应性TH) 成熟的 B 细胞 成熟的 TC 效应性 TC 淋巴因子 执行细胞 免疫功能

记忆性T细胞 记忆性B细胞
浆细胞 抗体(执行体液 (Ig)免疫功能)

感应阶段 活化阶段

增殖和分化阶段

效应阶段

?浆细胞产生抗体
?抗体分子 ?抗体的作用: (1)中和反应、聚集反应、沉淀反应 (2)补体反应 补体是血清中一组球蛋白(约20多种蛋白 组成的多酶体系),参加非特异和特异性免疫。

中和反应
(中和抗体)

聚集反应

沉淀反应

抗 体 分 子 结 构 与 功 能 位 点

多克隆抗体与单克隆抗体的比较
多克隆抗体 来源 动物免疫血清、恢复期病人血 清或免疫接种人群 特点 来源广泛、制备容易 组成 针对不同抗原表位的抗体的混 合物 单克隆抗体 多为鼠源性 纯度高、特异性强、效价高、少 或无血清交叉反应、制备成本低 针对单一表位,结构和组成高度 均一,抗原特异性及同种型一致

应用 疾病的被动免疫治疗

广泛用于疾病诊断、特异性抗原 或蛋白的检测和鉴定、疾病的被 动免疫治疗和生物导向药物制备
人体应用后可导致人鼠抗体反应

缺点 特异性不高、易发生交叉反应 ,不易大量制备

?记忆细胞与二次免疫反应
?克隆选择学说
?淋巴的特异性是先天存在的,而不是

由抗原“教育”产生的;不是“量体裁衣” 而是 购买“成品衣”。
?实验证据

免 疫 细 胞 活 化 后 一 部 分 变 成 记 忆 细 胞

免 疫 记 忆 与 二 次 免 疫 反 应

?记忆细胞与二次免疫反应 ?克隆选择学说
?淋巴的特异性是先天存在的,而不是

由抗原“教育”产生的;不是“量体裁衣” 而是 购买“成品衣”。
?实验证据

克 隆 选 择 学 说

正常小鼠

取出淋巴 细胞

用A抗原 吸收处理

-A抗原

注射 放射照射 注射 A抗原

无免疫反应

亚致死剂量杀 死骨髓细胞

有免疫反应 注射 其他抗原

克隆选择学说的实验证据

?有限的B-淋巴细胞何以对付几乎无限

种类的抗原
?B细胞发育成熟中,基因重排是抗体多 样性的遗传基础 编码抗体 L 链可变区的基因,有三组基因: V 基因 有 400 种拷贝 J 基因 有5 种拷贝 C 基因 有 2 种拷贝 这样,L 链可变区的编码基因可能有的 组合方式 400×5×2=4×103 种

基因重排

抗体多样性的基因基础

编码 H 链可变区的基因,有四种基因:
V 基因 有 400 种拷贝 J 基因 有 5 种拷贝 D 基因 有10 种拷贝 C 基因 有 8 种拷贝 这样,H 链可变区的编码基因可能有的组合

方式:
400×5×10×8=1.6×105 种

L 和 H 合在一起,可能出现的组合方式:
4×103×1.6×105=6.4×108种 再加上个体可能发生的突变,各种组合总

数可达:
109-1010种 这样天文数字的可能的抗体结构,足以应

付各种抗原结构。

?免疫功能低下或缺失
可由多种原因引起。

严重综合型免疫缺失症( SCID ),因为
编码腺嘌呤脱氨酶(ADA) 的基因缺陷造成。 已开始应用基因治疗。

这个名叫David的男孩已近10岁了,他生下来 就在隔离室中长大。

基 因 治 疗 的 主 要 步 骤

HIV 正在攻击 TH 细胞

细胞间相互作用不受MHC限制的是: A、Tc与B细胞 B、NK与靶细胞 C、Tc与靶细胞 D、Th与巨噬细胞

4. 细胞癌化

细胞癌变 细胞分化的一个特殊问题,癌细胞 是细胞分化机制失控的细胞,是不 受有机体控制的、连续进行分裂的 恶性增殖细胞,是“不死”的细胞。

?癌细胞
?癌细胞的基本特征
?细胞生长与分裂失去控制 ?具有侵润性和扩散性 ?细胞间相互作用改变 ?蛋白表达谱系或蛋白活性改变

?mRNA转录谱系的改变

?癌(cancer)与肿瘤

程肿 中瘤 丧细 失胞 接在 触生 抑长 制过

癌转移与扩散

癌基因(oncogenes):v-onc and c-onc 抑癌基因(tumor-suppressor gene) p53
特 点 基因属性 致癌方式 原癌基因 细胞增殖必需 基因突变,激活、异常表达 抑癌基因 细胞分化必需 基因缺失或失活

myc

p53

细胞癌基因(cellular-oncogene, c-onc) 正常细胞基因组中,一旦发生突变或被异常激活后可使

细胞发生恶性增殖的基因。或称原癌基因 (protooncogenes , pro-onc) 。 抑癌基因(cancer suppressive gene, anti-oncogene) 抑制细胞过度生长、增殖从而遏制肿瘤形成基因。

癌基因活化
癌基因被激活的结果

出现新的表达产物
出现过量的正常表达产物 出现异常、截短的表达产物

诱发肿瘤的因素:
生物因素:Rous(1910)发现鸡的致癌RNA病毒; 物理因素:X射线 紫外线 化学因素:诱变剂 苯 煤焦油 生物体自身因素

原癌基因的激活机制
原癌基因

碱基缺失或 单碱基突变

基因扩增

染色体重排

蛋白质活性 大大提高

蛋白质未变化,但 总量大大提高

增强子 功能使 癌基因 高效表 达

与强启动 子基因相 融合,提 高癌基因 表达效率

?癌症的发生一般是多基因的改变 既有原癌基因的激活和高表达的发生,也有抑 癌基因和凋亡基因的失活,还涉及大量细胞周 期调节基因功能的改变

?细胞癌变是多次基因突变的结果
?癌症是典型的老年性疾病

?癌症可以治疗

“带瘤生存”

细胞癌变是多次基因突变的结果
人的一生细胞分裂约1016次,基因的自然突变概率 为10-6, 由此推断:人的一生中,基因组可能发生1010次的突变。

另一种算法是:人的基因组大小为3× 109bp,基因复制过程中
的突变率为10-6,一生中细胞分裂约50次。为此,基因组可能有 1· 5× 104bp发生突变。

然而,事实上人的癌症发病率并没有预想的那样高。据统计, 一个细胞转化需要3~7次单独的随机突变。

全世界每年死于癌症人数500万

可能诱发肿瘤的 基因突变
1,信号分子 2,信号受体 3,信号传递分子 4,转录因 子 5,细胞凋亡蛋白 6,细胞周期调控 蛋白 7,DNA修复蛋白

癌细胞是不正常细胞

Normal Human Karyotype

Cancer Cell Chromosomes

细胞信号调控网络及肿瘤发生相关的蛋白

?肿瘤的免疫逃避
。 封闭如粘多糖),难以触发足够的抗肿瘤免疫效应。 (2)多数肿瘤细胞 MHCⅠ分子表达下降或者缺 失,影响抗原递呈。 (3)不能正常表达B7等活化免疫细胞的共刺激分 子和粘附分子。 B7家族成员及其相应受体分子是 T细 胞活化过程中最重要的共刺激分子。 (4)患者血清中存在着封闭因子,阻止CTL与肿 瘤细胞的结合,从而抑制对肿瘤细胞的特异性杀伤。 (5)肿瘤细胞产生某些免疫抑制因子如甲胎蛋白。 (6)瓦博格效应

( 1)肿瘤细胞缺乏有效的抗原表位(抗原覆盖或

Warburg Effect (瓦博格效应) Promotes Cell Proliferation

From Heiden et al., 2009 Science 324:1029

Warburg Effect Promotes Cell Proliferation

瓦博格效应帮助癌症细胞 1 乳酸诱导周围正常细胞发生凋亡 2 抑制自然杀伤细胞作用 3 破坏细胞连接,加强侵袭作用

5. 细胞凋亡

细胞凋亡(又称程序性细胞死亡
programmed cell death)
?细胞凋亡与细胞坏死不同

?细胞凋亡的引发和执行
?细胞凋亡的普遍性和生物学意义

?细胞凋亡
?是由一系列基因控制并受复杂信号调节的细胞死亡的自
然生理过程。

发生凋亡的细胞: 正常发育中多余细胞、无用细胞、 突变细胞、有害细胞或衰老细胞。 生物学意义:

维持组织、器官细胞数目相对平衡,保证 个体正常发育,更新耗损细胞,抵御外界各种 因素的干扰。

正常细胞

凋亡细胞

细 胞 凋 亡 的 过 程

细胞凋亡和细胞坏死有明显区别: 细胞坏死 细胞凋亡 Necrosis Apoptosis ?

细胞凋亡和细胞坏死有明显区别 细胞坏死 细胞凋亡 ?

细胞凋亡信号传导(Caspases依赖的pathway)
Caspase属于半胱氨酸蛋白酶家族,15个成员(Caspase 1-15) 哺乳动物中

活性中心总是有半胱氨酸残基 特异切割靶蛋白天冬氨酸残基后的肽键

细胞凋亡信号传导(Caspase依赖的pathway)
■ Caspase信号通路 ▲ Caspase

死亡受体通路 上游起始者(Caspase-8 , -9, -10 ) 线粒体途径

下游执行者(Caspase -2, -3,-6,-7)(共同通路)

起始者同性活化:酶聚集到 一定浓度彼此自我激活。 执行者异性活化,被上 游酶活化

( 胱 冬 肽 酶 ) 的 级 联 反 应

Caspase

动 物 细 胞 凋 亡 中

蛋白质水解级联反应介导PCD: 1死亡信号?死亡受体?形成死亡信号转导复合物? 引发caspase级联反应?活化死亡底物?导致细胞凋亡; 2线粒体释放细胞色素c也可以通过caspase级联反应途 径引起细胞凋亡

细胞凋亡三种信号途径
如DNA损伤

信号放大 同性活化

异性活化 同性活化

粒酶(Granzyme B)
T淋巴细胞和自然杀伤细胞

感染细胞或癌细胞 胞吐作用释放粒酶颗粒,诱导凋亡

The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2002

Sydney Brenner

H. Robert Horvitz

John E. Sulston

6. 细胞坏死

?细胞坏死
?是极端的物理,化学因素和病理性刺激引起的细胞损伤
和死亡的病理过程。细胞内容物溢出。

染色质絮状, 细胞器肿胀, 内质网崩解

染色质固缩、沿 核膜分布,细胞 质固缩

细胞瓦解

细胞膜内折,包 围细胞碎片,形 成凋亡小体

释放内含物 引发炎症

凋亡小体 被邻近细 胞吞噬

细胞凋亡
诱导刺激 始发因素 潜伏期 细胞数量 膜完整性 凋亡小体 溶酶体 细胞核 基因组DNA 分子机制 对机体影 响 体内生理性信号 数小时 单个细胞死亡 完整 有 溶酶体酶增多 染色质凝集、断裂 有规律降解,电泳时呈现梯形带 多基因参与、有序调控

细胞坏死
强烈刺激 没有 成群细胞死亡 常常是破碎的 无 溶酶体解体 固缩,核被膜破裂 随机降解 有或无基因控制

胚胎发育,变态,淋巴细胞筛选等 毒素、缺血、酸碱变化等

不引起炎症反应,个体发育的需要 引起炎症反应,有破坏作 用

意义

生理性死亡方式

病理性死亡方式

程序性坏死的信号转导

坏死 (necrosis)
无基因控制

程序性坏死 (necroptosis)
基因控制

无蛋白质合成
炎症反应

有蛋白质合成
炎症反应

7. 细胞衰老

细胞的衰老:
未分化 分化 衰老 死亡

衰老是一种正常的生命现象

生物体内的绝大多数细胞,都有 经过未分化、分化、衰老、死亡这几 个阶段。

细胞的衰老
衰老 是生命的最终阶段,虽然
人们进行了大量的研究,但生物为 什么会衰老,至今仍是一个迷。
生物个体会衰老,组成个体的 细胞是否也会衰老?

细胞的衰老—— Hayflick界限
1. 体外培养的二倍体细胞,不是不死的,而 是有一定寿命的,它们的增殖能力不是无 限的,而是有一定的界限。即 Hayflick 界 限。

2. 体外培养成纤维细胞:
来自胎儿 可传代 50 次

来自成人 可传代 20 次
来自小鼠 可传代 14-28 次 来自乌龟 可传代 90-125 次

细胞衰老的特征
形态变化

细胞衰老的特征
形态变化

β-半乳糖苷酶染色

细胞衰老机理
氧化损伤学说(自由基学说): 超氧自由基(.O2),羥自由基(.OH)和 过氧化氢(H2O2) 线粒体与衰老, 饮食与衰老 遗传学说: 基因水平—“生物种”, “衰老基因”与“长寿基因” 基因表达与衰老 端粒与衰老 灾变论:

细胞衰老的分子基础
胁迫诱导的衰老 (氧化损伤学说)

复制性衰老 单细胞生物的衰老

复制性衰老
? 细胞的增殖次数是有限的,称“Hayflick”极限。如

人胚成纤维细胞可培养60-70代。
? 端粒酶学说

克隆羊Dolly早衰

?

The Nobel Prize in 2009 端粒和端粒酶保护染色体的机理

端粒
端粒:是真核细胞线性染色
体末端特殊结构。 由端粒 DNA和端粒相关蛋白组成。
端粒DNA:

1保护染色体不被降解

功 能

2避免了端粒对端融合 以及染色体的丧失 3 帮助细胞识别完整染色 体和受损染色体。

1为不含功能基因的简单、高 度重复序列的大部分为单链 DNA序列。
2 在生物进化过程中具有高度 保守性。 3 不同物种的端粒DNA 序列 存在差异。

端粒的DNA序列和结构
功 能

长约15kb

端粒DNA复制的末端问题

端 粒

RNA引 物切除

端粒 缩短

端粒酶
端粒酶的结构
由RNA 和结合的蛋白质,一种特殊的逆转录酶
(核蛋白酶)

端粒酶RNA(hTR)(和端粒序列互补)
端粒酶逆转录酶(TERT) 端粒酶结合蛋白(TEP) 端粒酶维持细胞分裂时染色体端粒长度 端粒酶活性(+):胚胎细胞、生殖细胞、造血细胞 肿瘤细胞 干细胞 端粒酶活性(-):正常组织

端粒酶去除端粒DNA末端复制问题

?端粒酶可修复端粒

衰老的“端粒钟”学说

端粒的缩短导致细胞的复制性衰老

端粒的缩短导致复制性衰老信号转导
?端粒缩短被认为是 DNA损伤,P53被激活

pRB磷酸化则 失去抑制功能

?P21被激活,抑制pRB磷酸化
? pRb抑制转录因子E2F的活


?E2F负责转录G1/S期转换基
X


?细胞周期被阻断,引起复制

性衰老

单细胞生物的衰老(个体衰老)

酵母的衰老

早衰症( progeria ,Hutchinson-Guilford综合症)

早衰症与核纤层

New findings link the integrity of the nuclear lamin filament network (lamina) to lifespan in C. elegans.

Wilson K L PNAS 2005;102:18767-18768

?2005 by National Academy of Sciences

区分概念:
转化细胞 凋亡细胞 淋巴细胞 癌细胞 衰老细胞 衰老细胞 白细胞 坏死细胞 原代细胞


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