医学细胞生物学 （二）基膜的生物学功能 基膜不仅对上皮组织起结构支撑作用，而且在上皮组织和结缔组织之间起结构连接作用，同时还具有调节分子通透性以及作为细胞运动的选择性通透屏障。如在表皮细胞层下的基膜可阻止结缔组织中的成纤维细胞进入表皮，而允许参与免疫作用的白细胞（巨噬细胞、淋巴细胞）穿过基膜进入表第十—章细胞微环境及其与细胞的相互作用269皮内；基膜对分子的通透具有高度选择性，如肾小球基膜在原尿形成过程中可以阻挡血液中细胞及蛋白质的透过，起选择性筛滤作用。此外，细胞的形态、细胞的极性、细胞代谢、质膜上蛋白质的分布、细胞存活、细胞增殖、分化、细胞迁移等许多生命活动现象，均与基膜有着非常密切的关系。 第三节细胞微环境与细胞间的相互作用 机体的组织是由细胞与细胞微环境成分相互作用共同组成的，两者之间有着十分密切的关系，两者相互依存，相互影响，共同决定着组织的结构与功能。细胞微环境与细胞间的相互作用主要是细胞外基质与细胞间的相互作用、细胞与细胞间的相互作用。 —、细胞外基质与细胞间的相互作用 一方面细胞通过控制基质成分的合成和降解决定细胞外基质的组成，另一方面细胞外基质对细胞的各种生命活动有着重要的影响。


医学细胞生物学 (—)细胞外基质对细胞生物学行为的影响 细胞外基质除了与细胞一起构建组织，具有支持、连接细胞和保护作用外，还对细胞的结构与功能有着重要的影响。只有在细胞外基质存在的条件下，组织中的细胞才能维持正常形态和行使各种生物学功能。1细胞外基质影响细胞的形态结构细胞的形态往往与其特定的生存环境密切相关。同一种细胞在不同环境中具有不同的形态。体外实验表明，几乎所有组织的细胞在脱离了组织，处于单个游离悬浮状态时均会呈圆球状。同一种细胞在不同的细胞外基质上黏附和铺展时，可表现出不同的形态。如上皮细胞只有黏附在基膜上才能显示其极性，并通过细胞连接成为柱状上皮；成纤维细胞在天然的细胞外基质中呈扁平多突状，而在I型胶原凝胶中则呈梭形。细胞外基质对细胞形态的决定作用主要是通过与细胞表面受体的结合，影响细胞骨架成分呈不同方式的组装和排列来实现的。


医学细胞生物学 (—)细胞外基质对细胞生物学行为的影响 2.细胞外基质影响细胞的生存与死亡人体内大多数类型的细胞需要黏附在一定的细胞外基质上才能存活，细胞外基质对细胞的生存与死亡起着非常重要的作用。例如，上皮细胞和内皮细胞一旦脱离了细胞外基质就会发生凋亡。这种细胞失去基质缺少黏附就会走向凋亡的现象称为失巢凋亡(ano如s)。这主要是由于细胞脱离细胞外基质后，细胞骨架松散而致线粒体释放细胞色素c，从而活化caspase凋亡途径而导致细胞凋亡。当细胞通过整联蛋白黏附于细胞外基质上，可启动细胞存活相关的信号转导途径，维持细胞的存活。3.细胞外基质调节细胞的增殖体外培养细胞实验证实，大多数细胞只有在一定的细胞外基质上黏附并铺展，才能使细胞增殖周期运行，这种现象称为贴壁依赖性生长(anchorage dependent growt h)。细胞的这种特性是由千细胞黏附在基质上时，可通过整联蛋白介导传递多种生存和增殖信号到细胞内，最终影响细胞增殖相关基因的表达。整联蛋白调节细胞增殖主要通过MAPK途径来实现。MAPK信号通路是真核细胞调节细胞增殖和凋亡的关键通路。肿瘤细胞的增殖丧失了贴壁依赖性，可以在悬浮状态下增殖。


医学细胞生物学 (—)细胞外基质对细胞生物学行为的影响 4细胞外基质参与细胞的分化调控细胞外基质其多种组分可通过与细胞表面受体特异性结合，从而触发细胞内信号传递的某些连锁反应，影响核基因的表达，调控细胞的分化。实验表明，特定的细胞外基质可使某些类型的细胞撤离细胞周期而进入细胞分化状态，如内皮细胞在胶原基质上培养时进行增殖，而在层粘连蛋白基质上则停止增殖进行分化，形成毛细血管样结构；乳腺上皮细胞在Matri gel上培养时，不但具有腺管样形态，而且分泌酪蛋白等乳汁成分。酪蛋白基因的表达，是由于层粘连蛋白与细胞表面的贮B1整联蛋白作用后，活化了一定的信号转导系统而启动的。5细胞外基质影响细胞的迁移无论在个体发育过程还是在成体组织再生以及创伤修复过程中都伴随着十分活跃的细胞迁移运动。在细胞迁移过程中，细胞发生黏附与去黏附、细胞骨架组装与去组装等，都离不开细胞外基质的影响。细胞通过基膜迁移时，需要基质成分的局部降解，胶原酶等基质金属蛋白酶在这一过程中通过分解局部的基质成分，开辟道路促进细胞的迁移。蛋白酶抑制剂可阻止细胞的迁移。这种情况可发生在白细胞穿过血管基膜迁移至炎症或创伤部位，也可发生在肿瘤细胞浸润和转移过程。


医学细胞生物学 （二）细胞对细胞外基质的影响 1细胞外基质是由其所在组织细胞分泌的各种组织的细胞外基质的成分、含量和存在形式不同，都是由该组织的细胞（包括实质细胞和间质细胞）合成和分泌的。同一个体的不同组织，在不同的发育阶段，所产生的细胞外基质也有所不同。例如，胚胎结缔组织的细胞外基质主要产生皿型胶原、透明质酸和弹性蛋白；而成年结缔组织中成纤维细胞产生的细胞外基质以I型胶原、纤连蛋白等为主要成分。细胞外基质的成分随组织的类型和功能状态的不同也有差异，如软骨组织中由成软骨细胞分泌的细胞外基质主要有1I型胶原和蛋白聚糖等。


医学细胞生物学 （二）细胞对细胞外基质的影响 2.细胞外基质成分的降解是在细胞的控制下进行的细胞外基质成分的降解也是由细胞分泌的蛋白水解酶催化的。细胞外基质成分在细胞分泌的基质金属蛋白酶(matrix metalloproteinase, MMP,迄今已鉴定了20多种MMP)和丝氨酸蛋白酶家族联合作用下被降解。基质金属蛋白酶家族是一类Zn2＋和Ca2＋依赖的蛋白酶，有多种类型，如胶原酶、明胶酶、基质溶解素、弹性蛋白酶等。其中胶原酶具有高度特异性，可以切割蛋白质上某些特异性位点，这种局部降解方式既可以保持基质结构的完整性，又可为细胞迁移开辟道路。细胞还可分泌基质金属蛋白酶和丝氨酸蛋白酶的抑制剂控制蛋白酶的作用程度和范围。细胞对细胞外基质成分降解的控制和调节对创伤修复、组织重构以及细胞的迁移都有重要作用。


医学细胞生物学 二、细胞与细胞间的相互作用 在细胞微环境中，除细胞与胞外基质之间的相互作用外，细胞与细胞之间相互作用(cell-cell in即action)对多细胞生物个体的发育和分化，以及维持细胞的正常生命活动起到至关重要的作用。前者如细胞分化过程中的胚胎诱导和千细胞的稳态维持，后者如脑组织中的神经元活动。局部微环境中细胞间相互作用的机制主要是：O相邻细胞分泌的旁分泌因子(paracri n e factor)对细胞的作用。＠细胞膜并置在一起的近分泌相互作用(juxtacrine interaction)。＠相邻细胞分泌的外泌体对细胞的调控。有时，细胞还接受来自远距离的经血液运输的激素调控（详见第十二章）。


医学细胞生物学 第四节细胞微环境异常与疾病 在正常生理条件下，细胞微环境依赖其中的各种组成成分共同作用的相对平衡，而维持在一种稳定状态（即稳态）。然而，当受到其他组织或来源因素特别是病理因素（如激素、生长因子、免疫因子、化学物质、生物致病因子及免疫细胞等）的影响时，细胞微环境的稳态将被打破。如果微环境中的各种成分被打破后不能重新建立新的平衡，也即微环境失衡，将导致细胞行为（如增殖、分化、衰老和死亡等）发生改变，进而导致疾病。微环境异常引起疾病发生的典型例子是肿瘤的发生发展和器官的纤维化。


医学细胞生物学 一、细胞微环境异常与肿瘤的发生发展 除基因突变等基因组不稳定性之外，肿瘤的发生发展与肿瘤细胞生存的微环境密切相关。肿瘤微环境中的细胞和基质成分的异常也是肿瘤发生的重要因素。图11-11显示了肿瘤细胞赖以生存的复杂的微环境系统：心成纤维细胞是肿瘤微环境中主要的基质细胞。肿瘤邻近的成纤维细胞活化，成份，为肿瘤相关成纤维细胞（tumor-associated fibroblast)，它是实体肿瘤（如乳腺癌、大肠癌、胰腺癌）中最第十一章细胞微环境及其与细胞的相互作用271丰富的细胞成分，可产生大址的生长因子和细胞因子影响肿瘤细胞的行为，也是蛋白水解酶的主要来源，后者通过降解细胞外基质直接影响肿瘤迁移。＠肿瘤微环境中存在大量的巨噬细胞，它被肿瘤细胞吸引到其周围，成为肿瘤相关巨噬细胞(tumor-associated macrophage)。与正常巨噬细胞相比，肿瘤相关巨噬细胞产生细胞因子和组织蛋白酶等的能力更强，对促进基质降解、肿瘤周围血管形成和肿瘤细胞侵袭周围组织起重要作用。＠肿瘤微环境影响T淋巴细胞的功能，导致T细胞免疫功能下降。近年研究发现，微环境促使肿瘤细胞的PD-LI(programmed death-ligand1)表达上调，PD-LI与活化的T细胞表面的PD-I(programmed cell death protein1，一种重要的免疫抑制分子）结合后，抑制T细胞的活化和增殖，诱导T细胞凋亡，进而使肿瘤细胞逃逸机体的免疫监视。＠在原发性肿瘤细胞的周围还包含有许多间质细胞，如骨髓来源的间充质干细胞，它们在促进肿瘤细胞迁移和抑制T细胞免疫中起重要作用。＠肿瘤微环境中的细胞外基质成分和特性与正常组织明显不同。研究表明，不同的ECM组分可以不同程度地影响肿瘤细胞的增殖和迁移能力。


医学细胞生物学 一、细胞微环境异常与肿瘤的发生发展  癌细胞中性粒细胞成纤维细胞细胞外基质血管二、细胞微环境异常与器官纤维化 纤维化(fibrosis)是间质纤维结缔组织对受损实质细胞的修复失衡或反应过度的结果，几乎可累及人体各大组织和器官。虽然其在各个系统、器官的发病机制不同、临床表现迥异，但均有类似的病理改变特征：组织或器官纤维组织增生，胶原纤维明显增加，包括细胞外基质成分及量的改变，持续的发展将导致正常器官结构破坏和功能减退，乃至衰竭，严重威胁人类健康和生命。


医学细胞生物学 癌细胞中性粒细胞成纤维细胞细胞外基质血管二、细胞微环境异常与器官纤维化 细胞微环境成分的变化与组织器官纤维化有非常密切的关系。多种细胞因子、生长因子参与组织器官的纤维化，形成致纤维化的信号转导通路。转化生长因子~(transforming驴owth factor-~, TGFB)在体内促进细胞外基质成分合成中起着重要作用，同时也被认为是介导纤维增生性疾病的关键因子。TGF-~的各种生物学功能对机体具有积极的意义，它可以保护机体免受外部环境产生的各种危害。然而，在一些情况下，TGF-~的应答反应是失败的，因而有时是有害的。TGF-~对机体组织产生的损伤反应主要归因千它的自分泌环路机制能够使组织修复过程变成一种慢性的、进行性的过程，因而最终导致组织器官（如肝、肺、肾等器官）发生纤维化、硬化、结构破坏、功能丧失。


医学细胞生物学 272第三篇细胞的社会性小结 在人体或哺乳动物组织中，细胞的存在和活动都与其所处的周围环境有关，这种环境被称力细胞的微环境。细胞微环境是由相邻细胞和非细胞成分（细胞外基质、细胞外调节分子和液体物质）共同构成的局部“区室”，其在组织结构的有序性和稳定性维持及其细胞本身功能活动的调控中起重要作用。细胞微环境的稳态是保持细胞正常生命活动（如增殖、分化）的基础。细胞外基质是细胞微环境的核心组分，也是目前研究较清楚的细胞微环境成分。细胞外基质是由细胞分泌到细胞外空间，由蛋白和多糖构成的精密有序的网络结构。主要组分为糖胺聚糖与蛋白聚糖、胶原和弹性蛋白以及非胶原糖蛋白：纤连蛋白和层粘连蛋白。细胞外基质不仅对组织细胞起支持、保护、营养作用，而且还与细胞的增殖、分化、代谢、识别、黏着、迁移等基本生命活动密切相关。糖胺聚糖是由重复二糖单位构成的直链多糖，可与核心蛋白共价结合形成高分子复合物—-—蛋白聚糖，其分子表面带有大量的负电荷，可结合大量水分子，构成了细胞外高度水合的凝胶状基质，赋子组织良好的弹性和抗压性。


医学细胞生物学 272第三篇细胞的社会性小结 胶原是动物体内高度特化的纤维蛋白家族，胶原分子是由3条a多肤链盘绕成的三股螺旋结构，其合成与组装始于内质网，并在高尔基复合体中进行修饰，最后在细胞外组装成胶原纤维。胶原使肌胧具有很强的韧性，N型胶原装配成的片层网架形成了基膜的主要结构。弹性蛋白在基质中形成了交联网络，增强了基质的弹性和韧性。纤连蛋白广泛分布于结缔组织中，而层粘连蛋白主要存在于基膜中，它们是细胞外基质中的非胶原糖蛋白，其分子肤链中包含多个功能结合区，可同基质中其他大分子或细胞表面受体结合，从而使细胞与细胞、细胞与外基质相互黏着。整联蛋白是细胞表面的细胞外基质受体，纤连蛋白和某些细胞外基质蛋白肤链中的RGD序列可被整联蛋白识别，并与之结合，起连接和信号传递作用。纤连蛋白和层粘连蛋白是细胞外基质的组织者，对细胞的存活、形态、黏看、铺展、迁移、增殖、分化有直接影响。细胞外基质对细胞的形态和生命活动具有全方位的调控作用。


医学细胞生物学 272第三篇细胞的社会性小结 在正常生理条件下，细胞微环境中的各种组分共同作用使微环境保持在一种稳定的状态。在某些来源因素特别是病理因素作用下，细胞微环境的稳态将被打破，引起细胞的生物学行为改变。微环境成分的异常变化与许多病理过程有关，如肿瘤的发生发展和器官的纤维化。


医学细胞生物学 （高志芹）第十二章细胞间信息传递 为了形成多细胞的生物个体，细胞之间必须进行信息传递，就像人类如果要形成复杂的社会团体彼此之间必须进行交流一样。多细胞生物个体中的细胞每时每刻都在接受和处理来自细胞内、外的各种信息。这些信息的传递和整合不仅影响细胞本身的活动，而且还能使单个细胞在代谢、运动、增殖和分化等行为上与细胞群体及机体的整体活动保持协调一致。因此弄清楚这些高度进化的细胞之间信息传递的方式、途径及机制十分重要。细胞间的信息传递主要由细胞外信号分子介导，其中一些细胞外信号分子向远处的细胞传递信息，而另一些分子仅传递信息给邻近的细胞。细胞外信号分子通过与细胞膜上或胞内的受体特异性结合，将信号转换后传给相应的胞内系统，使细胞对外界信号做出适当的反应，这一过程称为信号转导(signal transduction)。多细胞生物体中的大多数细胞既能发出信息也能接收信息。根据传递和接收信息的不同，在细胞内发生效应的分子可以是基因调控蛋白、离子通道及代谢通路的组分等。目前已经证实，细胞内存在多种信号转导方式及途径，而且彼此间可交叉调控，构成复杂的信号网络(sign al i ng ne twork)。阐明细胞间信息传递的机制不仅能加深对细胞生命活动本质的认识，也有助千人们对疾病发生、药物和毒物的作用等机制的研究。


医学细胞生物学 （高志芹）第十二章细胞间信息传递  第一节细胞间信息传递的方式和途径 多细胞生物个体是一个复杂而有序的细胞社会，这种社会性的维持不仅依赖于细胞的物质代谢和能掀代谢，还有赖于细胞间的信息传递，使各个细胞能以不同的方式协调和整合自身的行为（诸如细胞生长、分裂、死亡及分化等各项生理功能），从而服从千多细胞生物体的整体利益。细胞间信息传递即细胞通讯(cell communication)，是指一个细胞发出信息，通过介质传递至另一个细胞产生特定反应的过程。细胞间的信息传递对千多细胞生物个体的生长发育、组织器官的形成及维持，以及各种生理活动之间的协调至关重要。 一、细胞间信息传递的方式 细胞间信息传递的方式主要有细胞间隙连接(gap」unction汃细胞膜表面分子接触通讯(contact signaling by plasma membrane bound molecules)和不直接接触细胞间的化学通讯(chemical signaling)三大类。


医学细胞生物学 一、细胞间信息传递的方式 1细胞间隙连接是细胞间直接进行信息传递的一种方式两个相邻的细胞间存在着由蛋白质构成的特殊结构——连接子(connexon)，其两端分别嵌入两个相邻的细胞，形成一个亲水性孔道（详见第十章）。这种孔道允许两个细胞间自由交换分子质量小千1500Da的无机离子和水溶性分子（如cAMP和Ca2+，而不是蛋白质和核酸等大分子物质）。因此，缝隙连接可以使相邻的两个细胞之间直接进行双向信息交流，而不必通过细胞膜这道屏障，是细胞间所有信息传递方式中最亲密的信息传递方式。这种直接进行信息传递方式的生物学意义在千相邻细胞可共享一些具有特殊功能的小分子物质，因此可以快速、可逆地促进相邻细胞对外界信号做出协同反应（图12-l A)。


医学细胞生物学 一、细胞间信息传递的方式 2细胞膜表面分子接触通讯是细胞间直接进行信息传递的另一种方式每个细胞都有许多蛋白质或糖蛋白分子分布于细胞膜的外表面，这些分子皆可作为细胞的触角，与相邻细胞膜表面的分子相互识别并相互作用，以达到功能上的相互协调，这种细胞间信息传递的方式称为膜表面分子接触通讯或接触依赖性信息传递(contact-dependent signaling)，也称近分泌相互作用(juxtacrine interaction)。 274第三篇细胞的社会性 这种信息传递方式需要细胞膜与细胞膜的直接接触。例如细胞黏附分子之间的相互作用就是通过膜表面分子接触通讯来完成的，细胞表面的整合蛋白、钙黏蛋白和免疫球蛋白超家族等分子通过其蛋白质或糖链部分与另一细胞的同类或不同类分子相互识别并结合，使得两个细胞黏附在一起（图121B)。这种接触依赖性的信息传递在多细胞生物个体的发育和免疫反应中尤其重要。


医学细胞生物学 274第三篇细胞的社会性 3.化学通讯是细胞间间接进行信息传递的方式在细胞之间进行信息传递的过程中细胞除了可识别相邻细胞外，还可识别周围环境中存在的各种信号，主要为物理信号、化学信号和生物学信号三大类。在这些信号中，研究较多的是化学信号。通过化学信号为介质来介导的信息传递称为化学通讯（图12-lC)。化学通讯不需要细胞之间的直接接触，属于间接的细胞通讯方式，这是多细胞生物最普遍、最重要的细胞通讯方式。主要的化学通讯包括：心旁分泌(paracrine fac t or)，旁分泌因子作为细胞外（液）的局部介质通过局部扩散到达靶细胞。＠内分泌(endocri ne)，是由激素介导的细胞间进行长距离信息传递的方式，激素须经过远距离的血液运输后才能到达靶细胞。此外，神经元之间或神经元与靶细胞之间的化学突触(c h em i cal synapse)和自分泌(autocri ne，细胞分泌的信号分子作用于细胞本身）也是化学通讯的常见方式。自分泌信号常见于病理条件下，例如，肿瘤细胞经常使用自分泌途径促进自身的存活与增殖。


医学细胞生物学 274第三篇细胞的社会性 4．外泌体(exosome)是一种介导细胞间信息传递的新载体外泌体是直径在30-l OOnm的膜性小泡，由肥大细胞、树突细胞、B淋巴细胞、神经元、脂肪细胞、内皮细胞及上皮细胞等多种类型细胞分泌，广泛存在千血液、羊水、尿液、癌性积液、脑脊液、乳汁、唾液、淋巴液及胆汁等多种体液中。外泌体中含有蛋白质、脂类和核酸（例如功能性的mRNAs和microRNAs)，作为介导细胞间信息传递的新载体，越来越受到重视。外泌体介导细胞间信息传递的方式主要有3种：心外泌体通过膜表面信号分子的直接作用激活靶细胞内的信号通路；＠外泌体通过生物活性成分的胞外释放完成细胞间信息交流；＠外泌体通过膜融合完成基因水平的细胞间信息交流（图12-lD)。外泌体膜可以与靶细胞膜直接融合，非选择性的释放其所含的蛋白质、mRNA及microRNA，进而靶向调节靶细胞的基因表达。外泌体的这种信息传递方式使人们首次认识到基于基因水平的细胞间信息交流，是细胞通讯领域的重大发现。外泌体的发现使得细胞间的信息传递更加精细和全面，它的发现揭示了存在于机体自身的RNA细胞间的转移途径。


医学细胞生物学 间隙连接小分子细胞膜表面的信号分子分泌信号分子的细胞细胞旁分泌I内分泌 g.图12-1细胞间信息传递的方式A细胞间隙连接通讯；B细胞膜表面分子接触通讯；C.化学通讯；D外泌体通讯由间隙连接介导的细胞通讯的传递途径比较简单，信息分子通过双向扩散即可完成传递过程。而其他信息传递方式包括细胞膜表面分子接触通讯、细胞间化学通讯和外泌体等介导的信息传递过程或信息传递的路线图则较复杂。执行细胞间信息传递的信号分子，如旁分泌因子、激素和神经递质等均须与细胞表面或细胞内部的受体结合，并引起下游胞内信号分子的级联反应，才能实现对细胞的调节，该过程即信号转导，其中整个信息传递过程的路径谓之信号转导通路(signaling pathway)。信号转导是细胞间信息传递的主要途径。第二节细胞的信号转导及其关键分子一、细胞外信号细胞所接受的信号包括物理信号、化学信号及生物信号，其中最重要的是由细胞分泌的、能够调节机体功能的一大类生物活性物质，它们是细胞间通讯的信号，被称为“第一信使”。这类信号分子主要是蛋白质、肤类、氨基酸及其衍生物，也包括类固醇激素和一氧化氮等。第一信使分子的一级结构或空间构象中携带着某些信息，当它们与位于细胞膜上或细胞质内特定的受体结合后，后者可将接收到的信息转导给细胞质或细胞核中的功能反应体系，从而启动细胞产生效应。化学信号分子大部分是水溶性的，不能通过细胞膜，少数是脂溶性的，可以直接穿过胞膜到达细胞内。根据胞外信号的特点及作用方式，化学信号分子可分为激素、神经递质和局部化学介质三种类型。激素由内分泌细胞合成，经血液或淋巴循环到达机体各部位的靶细胞。这类信号分子的作用特点是距离远、范围大、持续时间较长。胰岛素、甲状腺素和肾上腺素是它们的代表。神经递质由神经元的突触前膜终端释放，作用于突触后膜上的特殊受体。这类信号分子如乙酰胆碱、去甲肾上腺素等，具有作用时间和作用距离短等特点。局部化学介质是由某些细胞产生并分泌的一大类生物活性物质，包括生长因子、前列腺素和一氧化氮(NO)等。它们不进入血液，而是通过细胞外液的介导，作用于附近的靶细胞（同种细胞或异种细胞）。一些细胞外信息物质影响细胞内代谢的可能途径见表12-1。


医学细胞生物学 间隙连接小分子细胞膜表面的信号分子分泌信号分子的细胞细胞旁分泌I内分泌 信息物质受体引起细胞内的变化神经递质乙酰胆碱、谷氨酸、氨基丁酸膜受体引起离子通道开闭生长因子类胰岛素生长因子－l、表皮生长因子、血膜受体引起酶蛋白和功能蛋白的磷酸化和脱小板衍生生长因子磷酸化，改变细胞的代谢和基因表达激素蛋白质、多肤及氨基酸衍生类激素膜受体同上类固醇激素、甲状腺素胞内受体调节转录维生素维生素A、维生素D胞内受体调节转录根据与受体结合后细胞所产生的效应的不同，也可将胞外信号分子分为激动剂和拈抗剂两大类。激动剂是指与受体结合后能使细胞产生效应的物质。与受体结合的部位与内源性配体相同，产生的细胞效应与内源性配体相当或更强者称为I型激动剂；与受体结合的部位不同千内源性配体，本身不能使细胞产生效应，但可增强内源性配体对细胞的作用者为lI型激动剂。桔抗剂是指与受体结合后不产生细胞效应，但可阻碍激动剂对细胞作用的物质。1型拈抗剂结合于受体的部位与内源性配体相同，可阻断或减弱内源性配体对细胞的效应；而JI型桔抗剂结合于受体的部位与内源性配体不同，能阻断或减弱内源性配体对细胞的作用。


医学细胞生物学 276第三篇细胞的社会性二、受体 受体(recep tor)是一类存在于胞膜或胞内的特殊蛋白质，能特异性识别并结合胞外信号分子，进而激活胞内一系列生物化学反应，使细胞对外界刺激产生相应的效应。与受体结合的生物活性物质统称为配体(ligand)，包括激素、神经递质、生长因子、某些药物和毒物等。受体在信号转导系统中的作用非常关键，它通过识别和结合配体，触发整个信号转导过程。 (—)受体包括膜受体和胞内受体 膜受体主要为银嵌在胞膜上的糖蛋白，由与配体相互作用的细胞外域、将受体固定在细胞膜上的穿膜域和起传递信号作用的胞内域三部分构成，其配体是一些亲水的、不能直接穿过细胞膜脂质双分子层的肤类激素、生长因子和递质等。胞内受体为DNA结合蛋白，可与来自胞外的亲脂性小分子笛类激素等结合，作为转录因子与DNA顺式作用元件结合，调节基因的表达。


医学细胞生物学 (—)受体包括膜受体和胞内受体 1.膜受体包括离子通道型受体、G蛋白耦联受体和酶联受体图12-2N型乙酰胆碱受体(nAChR)的结构模式图A乙酰胆碱受体a l亚单位跨膜示意图；B乙酰胆碱受体顶面观；C.乙酰胆碱受体结构膜式图II型及皿型受体超家族：此两类受体与I型受体的不同之处在于，组成受体的亚基均有6个穿膜区域，其中有两个穿膜区的氨基酸组成具有高度同源性；受体与配体的结合部位在细胞膜（穿膜部位），而不是在胞外。常见的II型受体有光受体、嗅神经受体，而肌浆网膜上的Ca2＋通道则属皿型受体。离子通道型受体因在结构上既可与细胞外信号分子结合，同时又是离子通道，因此具有受体与离子通道耦联的特点，所以当离子通道型受体与配体结合后，其离子通道可在极短的时间（数毫秒）内迅速打开，离子可通过胞膜流入或流出细胞，在胞内产生离子流和电效应，导致膜电位的变化。离子通道型受体介导的信号转导反应是一种快速的反应，为神经系统和其他电激发细胞如肌细胞所特有，主要在神经系统的突触反应中起控制作用。


医学细胞生物学 (—)受体包括膜受体和胞内受体 (2)G蛋白耦联受体通过间接调节G蛋白的活性进行信号转导：G蛋白耦联受体(G protein coupled receptor, GPCR)是膜受体中最大的家族，分布广泛、类型多样，几乎遍布所有细胞。M－乙酰胆碱受体、视紫红质(rhodopsin)受体、Q2和B肾上腺素受体等均属此类。G蛋白耦联受体介导的信号转导过程较慢，但敏感、灵活，而且类型多样。G蛋白耦联受体成员均为一条多肤链构成的糖蛋白，由400~500个氨基酸残基组成，分为胞外、胞膜及胞内三个区。N末端位于胞外区，带有多个糖基化位点；胞膜结构区由7个穿膜的疏水的Q－螺旋结构组成，其氨基酸组成高度保守，各穿膜螺旋结构之间有环状结构形成，共有6个（胞外、胞内各三个）；C末端位于胞内区（图12-3)。穿膜区的仪－螺旋结构片段是受体与配体结合的部位，位千胞质内的、跨膜第五及第六区间的细胞内环则是能被G蛋白识别的区域；当受体被激活时，这一区域将与G蛋白结合，进而使G蛋白激活。如这一部位的氨基酸组成改变或数目减少，受体将不能与G蛋白耦联。C末端的丝氨酸、苏氨酸为磷酸化部位，在蛋白激酶的作用下，可结合磷酸基团。


医学细胞生物学 coo一皿气G蛋白耦联区 (3)酪氨酸蛋白激酶型受体是一类本身具有酪氨酸激酶活性的受体：许多膜受体具有酶活性，其中对酪氨酸蛋白激酶型受体的研究最为清楚。酪氨酸蛋白激酶型受体(ty ro si n e-specific protein kinase receptor, TPKR)为一条多肤链构成的穿膜糖蛋白，N端位于胞外区，是配体结合部位。胞外区由500-850个氨基酸组成，较其他受体大，不同的TPKR胞外区氨基酸种类差别较大。C端位千胞质内，含酪氨酸激酶功能区，该区在氨基酸组成上高度保守，包括结合ATP与结合底物两个区域，穿膜区由一个高度疏水的a－螺旋构成，由22~26个氨基酸组成（图12-4)。当配体与受体结合后，受体的胞外结构域构象改变，引起其胞内结构域构象发生变化，使受体C端酪氨酸残基被迅速磷酸化，激活受体的激酶，在空间结构上形成一个或数个SH2结合位点(SH2binding site)，通过这些位点，受体可与具有SH2结构域(Src同源序列2结构域的简称）的蛋白质结合并使之激活，激活的蛋白质进一步催化细胞内的生化反应，由此完成信号从胞外向胞内的传递。由于酪氨酸蛋白激酶型受体的配体主要为一些生长因子和分化因子，如表皮生长因子(epidermal growth factor, EGF)、血小板源生长因子(platelet-derived growth factor, PDGF)和胰岛素(insu lin)等，因此这类受体介导的信号转导途径在参与细胞生长和分化的调控中起着重要的作用。不过，它们引起细胞产生效应的过程较缓慢，一般需数分钟。


医学细胞生物学 coo一皿气G蛋白耦联区 2.胞内受体根据其在细胞中的分布情况分为胞质受体和核受体胞内受体通常为400~1000个氨基酸组成的单体蛋白，其N末端的氨基酸序列高度可变，长度不一，具有转录激活作用；其C端由200多个氨基酸组成，是配体结合的区域，对受催化域立体的二聚化及转录激活也有重要作用，其DNA结合区域由66~68个氨基酸残基组成，富含半胱氨酸残基，因有两个锌指结构，故可与DNA结合。配体结合区与DNA结合区之间为饺链区，这一序列


医学细胞生物学 coo一皿气G蛋白耦联区 名较短，其功能尚未完全明确。胞内受体的配体多为<PI3激酶Nek“转换盟'l脂溶性小分子肖体类激素，以类固醇激素类较为常<Ras-GAP l见，此外还包括甲状腺素类激素、维生素D等，这催化域些分子可直接以简单扩散的方式或借助于某些载<g RiD?SHP21体蛋白穿过靶细胞膜，与位千胞质或胞核内的胞内YI受体结合。不同的胞内受体在细胞中的分布情况可不同，如糖皮质激素和盐皮质激素的受体位于胞质中，称为胞质受体；而维生素队及维甲酸受体则图12-4酪氨酸激酶活性区示意图存在于胞核，称为核受体；还有一些受体可同时存在千胞质及胞核中，如雌激素受体、雄激素受体等。胞内受体是基因转录调节蛋白，在与配体结合后，其分子构象发生改变，进入功能活化状态，其DNA结合区与DNA分子上的激素调节元件(hormoneregulatory element, HRE)相结合，通过稳定或干扰转录因子对DNA序列的结合，选择性地促进或抑制基因转录。由胞内受体介导的信号转导反应过程很长，细胞产生效应一般需经历数小时至数天。


医学细胞生物学 coo一皿气G蛋白耦联区 （二）受体能特异性识别和结合配体受体能特异性识别和结合相应的配体，在与配体结合后，可将其相互作用的信号向其他信号分子传递，使细胞产生生物学效应。受体与配体的结合具有下列几个特点：1.受体能选择性地与特定配体结合受体分子的立体构型是决定这一特点的关键，受体可通过与配体分子中反应基团的定位和空间结构互补，准确识别配体并与其特异地结合。一个配体可以与几种受体结合。2.配体具备强的亲和力受体与配体的结合力极强，极低浓度的配体与受体结合后，即可产生显著的生物学效应。对不同的受体和配体而言，亲和力的大小差别很大。3.受体－配体结合后显示可饱和性随着配体浓度的升高，受体被配体完全结合后，就不再结合其他配体。这是细胞控制其对胞外信号反应程度的一种方式。受体的数量相对恒定及受体对配体的较高亲和力是受体饱和性产生的基础。虽然不同的受体或同一种受体在不同类型细胞中的数量差异较大，但某一特定的受体在特定细胞中的数量，却相对恒定。4.受体－配体的结合具有可逆性受体与配体的结合与解离处于可逆的动态平衡中。受体与配体以氢键、离子键和范德华键等非共价键结合，在细胞发生效应后，两者解离，配体被灭活，受体可再次被利用。


医学细胞生物学 第十二章细胞间信息传递279 5受体与配体的结合可通过磷酸化和去磷酸化进行调节受体与配体的结合可受多种因素的影响，主要涉及受体的数目及受体与配体的亲和力，常见的调节机制为受体的磷酸化与去磷酸化，如EGF受体酪氨酸残基的磷酸化，可促进其与EGF的结合。而类固醇类激素受体在磷酸化后，与配体的结合能力却明显减弱。 三、细胞内信使 细胞内信使是指受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导的活性物质，又称为第二信使(seco nd messenger)。已经发现的细胞内信使有许多种，其中最重要的有：cAMP、cGMP、二酷酰甘油（如cylglycerol, DAG)、三磷酸肌醇(inositol trisphosphate, IP3)和钙离子等。 (—)cAMP信使体系是最重要的胞内信使 环磷酸腺昔(cycli c AMP, cAMP)是最重要的胞内信使，它是细胞膜的腺甘酸环化酶(adenylate cyclase,AC)在G蛋白激活下，催化ATP脱去一个焦磷酸后的产物。cAMP可被特异的环核昔酸磷酸二酷酶迅速水解为5'-AMP，失去信号功能。


医学细胞生物学 AC磷酸二酷酶 cAMP的主要作用是激活cAMP依赖性蛋白激酶A(cAM P-dependent protein kinase A, PKA)，进而使下游信号蛋白丝氨酸／苏氨酸残基的磷酸化被激活或钝化（图12-5)。cAMP的作用还涉及对离子通道通透性的调节。AC是一种由1100个氨基酸组成的、分子扯为150kD的糖蛋白，由2个大的疏水蛋白质}x-核膜细胞效应催心单位i区域(Ml,M2)及2个胞质区域(Cl、C2)组成，每一疏水区域均跨膜6次，而胞质区域是ATP结合及具酶活性的部位，其氨基酸组成高度保守（图12-6)。AC的主要功能是催化ATP生成cAMP，这一过程不仅需经G蛋白激活，还需Mg2•, Mn2＋的存在。而当AC与Gs或Gi分离后，其酶的活性依然保留。PKA是一种能被cAMP活化的蛋白激酶，是有催化亚基(C亚基）和调节亚基(R亚基）两部分组成的C2R2四聚体，分子械为160kD。存在千胞核中的cAMP反应元件结合蛋白(cAMP response element binding protein, CREE)是能被PKA磷酸化的重要蛋白，当PKA被cAMP激活后，其游离的C亚基可从胞质进入胞核，通过使CREB丝氨酸残基磷酸化而激活它，进而参与基因的转录调节。PKA对底物的特异性要求较低，催化的底物蛋白因细胞类型的不同而异，这导致了cAMP的生物学效应也不相同。如cAMP浓度上升可使成纤维细胞和造血细胞的增殖停止，却使上皮细胞和内皮细胞增殖加速。


医学细胞生物学 AC磷酸二酷酶  细胞外细胞质 （二）cGMP信使体系是—种广泛存在千动物细胞中的胞内信使环磷酸鸟甘(cycli c GMP,cGMP)是一种广泛存在于动物细胞中的胞内信使，是由鸟昔酸环化酶(guanylate cyclase, GC)催化并水解GTP后形成。cGMP可被细胞中的磷酸二酷酶(phosphodiesterase, PDE)水解，因此细胞中cGMP的含量高低受GC与PDE的双重调节。GC磷酸二酷酶GTPM?\、eGMP／力2＋5'-f+MP ppi H20,,.--Ca或MgGC在细胞中有两种存在形式，即膜结合型GC和胞质可溶型GC，前者主要结合千胞膜上，也可分布千核膜、内质网、高尔基复合体和线粒体等膜性结构中；而可溶型GC大部分游离在胞质中。膜结合型的GC是一种单次穿膜蛋白，在结构上类似于酪氨酸激酶受体，胞外结构域是受体部分，膜内为鸟昔酸环化酶催化域。当胞外受体与配体（主要为神经肤类物质）结合后，胞内的酶催化活性即被激活，催化GTP转化成cGMP。在细胞中，cGMP形成后可通过激活cGMP依赖性蛋白激酶G(cGMP dependent protein kinase G, PKG)，使相应的蛋白质磷酸化，引起细胞效应。PKG是一个二聚体，在结构上由具有催化活性的亚基和具有结合cGMP活性的调节亚基组成。PKG催化的底物蛋白主要涉及组蛋白、磷酸化酶激酶、糖原合成酶及丙酮酸激酶等。PKG还可通过其磷酸转移酶作用，使自身磷酸化，进而通过抑制方式来调节其自身活性。在脊椎动物的视杆细胞中，cGMP可直接作用于Na十离子通道，在有光信号存在的情况下，使Na十离子通道关闭，引起胞内超极化，神经递质释放减少，产生视觉反应。因此，cGMP在光信号的转导中起着重要作用。cGMP在细胞中的含量较低，仅为cAMP的1/l0~l/lOO，而cGMP在浓度与作用上呈现出与cAMP相括抗的特点，如cAMP浓度升高，细胞内特异性蛋白质合成的进程加快，细胞分化受到促进；而cGMP浓度升高则可加速细胞DNA复制，进而促彷少化进细胞的分裂（图12-7)。


医学细胞生物学 细胞外细胞质  第十二章细胞间信息传递281第一信使 膜结合的鸟昔酸'GTP Ca2一——胞内Ca2＋库环化酶i钙调节蛋白NO合酶（三）二酷酰甘油／三磷酸肌醇信使体系启动细胞内的生理和生化反应细胞外的某些信号分子与其相应的受体结合后，通过膜上特定的G蛋白激活磷脂酶C(phospholipase C, PLC)，催化胞膜脂质内层的4,5－二磷酸酣酰肌醇(p hosphatid ylin osital-4,5bi phosphate, PIP2)水解，产生三磷酸肌醇(IP3)和二酷酰甘油(DAG)两种胞内信使。IP3是一种水溶性分子，在其产生后即可从胞膜扩散至胞质中，与内质网膜上的受体结合，使膜上的Ca2＋离子通道开放，Ca2+从内质网释放入胞质，启动细胞内Ca2＋信号系统，使细胞产生相应的反应；脂溶性的DAG生成后仍留于胞膜上，在有Ca2+、磷脂酰丝氨酸存在的情况下，激活蛋白激酶C(protein kinase C, PKC), PKC以磷酸化的方式对多种胞内蛋白质进行修饰，由此启动细胞的一系列生理和生化反应（图12-8)。


医学细胞生物学 282第三篇细胞的社会性 （四）钙离子／钙调蛋白信使体系参与细胞收缩、运动、分泌和分裂等重要生命活动在细胞收缩、运动、分泌和分裂等重要活动中，均需要钙离子的参与及调节。钙离子的信使作用是通过其浓度的升高或降低乘实现的。细胞内游离钙离子的浓度是10-8~10-7moVL，比胞外钙离子浓度低104~10环音；当细胞受到特异性信号刺激后，细胞内钙库（内质网）的钙通道或质膜上的钙通道开放，致使胞内钙离子的浓度在瞬间快速升高，可达10-6moVL，由此产生的钙信号使细胞内某些酶的活性和蛋白质功能发生改变，进而产生细胞效应。不同的细胞钙信号产生的途径存在差异，神经细胞中，胞膜钙通道开放是产生Ca2+信号的主要途径；而在肌细胞中，C汒信号则依赖于钙库钙通道及胞膜钙通道同时开放。同其他胞内信使一样，钙离子需要与其靶蛋白或靶酶结合才能传递信息，产生细胞效应。


医学细胞生物学 282第三篇细胞的社会性 细胞中有多种能够与钙离子结合的、功能复杂的蛋白质，钙询蛋白(calmodulin, CaM)是其中最主要的一种。CaM广泛分布于真核细胞中，由一条多肤链组成，分子量为16.7kD，呈哑铃形构象，每一个分子的CaM可以结合4个钙离子，当细胞中钙离子浓度超过10-6moVL时，无活性的CaM即可与钙离子结合，使其构象发生改变而被活化，由此激活靶蛋白或靶酶（图12-9)。CaM本身还可通过激活细胞膜上的Ca2＋泵，调节细胞内的Ca2＋浓度。Ca2＋也可直接对离子通道进行调节，如活化多种组织细胞胞膜的K十离子通道，致使K勹顺着电化学梯度扩散到细胞外，胞膜处于超极化状态。一些非专一性的阳离子通道，在受到Ca2＋的活化后，对Na+,K+的通透性增加。


医学细胞生物学 ..无活性的酶；化的酶X H钙调蛋白Ca2+－钙调蛋白复合体A B Ca2+－钙调蛋白复合体A. Ca“钙调蛋白复合体；B. Ca2+－钙调蛋白复合体活化酶四、信号转导过程中的分子开关生物体在细胞信号转导过程中，除受体和第二信使分子以外，还有两类在进化上保守的胞内蛋白其功能作用依赖于胞外信号的刺激，这两类蛋白在引发信号转导级联反应中起“分子开关”的作用其中一类是蛋白激酶和蛋白磷酸酶，另一类是GTP结合蛋白。 (—)蛋白激酶催化蛋白质发生磷酸化 蛋白激酶为一类磷酸转移酶，其作用是将ATP的磷酸基转移到底物特定氨基酸残基上。在细胞的信号转导过程中，蛋白激酶将其底物磷酸化，是胞外信号引起细胞效应的一个重要的环节，如前面提到的PKA、PKC、PKG等。根据其作用底物的氨基酸残基特异性，可将信号转导过程中的蛋白激酶分为两类，即酪氨酸蛋白激酶和丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶。1.酪氨酸激酶可催化底物蛋白酪氨酸残基磷酸化酪氨酸蛋白激酶(tyrosine protein kinase, TPK)是一类激活后可催化底物蛋白酪氨酸残基磷酸化的激酶，为蛋白激酶家族中最重要的成员之一，对细胞生长、增殖和分化等过程起重要的调节作用。这类激酶包括两大类，即前述的位于细胞膜上的受体型TPK和位千胞质中的非受体型TPK。受体型TPK是酪氨酸激酶家族中目前了解最多的一种类型，其共同的特点是胞内域有一个或几个专一的酪氨酸残基，当与配体结合后，其胞内域可发t`生自身磷酸化，活化的受体型TPK进一步作用于ras蛋白、腺昔酸环化酶和多种磷脂酶等底物。非受体型TPK有9个亚族，JAK(Janus kinase, JAK)是其中一个主要的TPK亚族，这些成员在结构上均含有特殊的保守性结构域，例如SH2和SH3同源域等，这些结构域可在信号转导中起重要作用。非受体型TPK常与一些非催化型的受体耦联，如干扰素、生长激素、白介素和集落刺激因子等胞外信号分子的受体及部分黏附分子的受体。转录因子STAT(signal transducers and activation of transcription)家族是JAK激酶作用的主要下游蛋白质分子，其C端含有一个高度保守的SH2结构域，是与JAK作用的区域，激活的两个STAT蛋白质分子通过一个磷酸化的酪氨酸残基与另一个STAT分子的SH2结构域相互作用，形成稳定的STAT异源复合体，进而与DNA结合，调节基因的表达（详见后述的图1214)。


医学细胞生物学 (—)蛋白激酶催化蛋白质发生磷酸化 经典实验：Src蛋白酪氨酸激酶活性的发现--－一劳斯肉瘤病毒(Rous s扣coma virus, RSV)是笫一个被分离的能引起动物肿瘤的病毒。研究人员在RSV的基因组中发现了一个在RSV诱导肿瘤发生过程中起关键性作用的癌基因，即s rc基因(sarcoma的缩写）。更为重要的是，在各种脊椎动物（包括人类）的正常基因组中也发现了与病毒src基因同原的基因。1977年，R. Erikson和他的同事利用抗血清，通过免疫沉淀方法分离得到了Src蛋白。随后又发现，Src的免疫沉淀物在ATP存在时可导致免疫球蛋白分子的磷酸化。因此，推测Src可能是一种蛋白激酶，但Src作为蛋白激酶的本质并不清楚。T. Hunter和B. M. Sefton对Src可以磷酸化底物蛋白中的哪种氨基酸残基（是酪氨酸残基还是丝／苏氨酸残基）进行了研究。他们的实验表明，Src具有蛋白酪氨酸激酶的功能。


医学细胞生物学 284第三篇细胞的社会性 2.丝氨酸／苏氨酸激酶催化底物蛋白质丝氨酸／苏氨酸残基磷酸化丝氨酸／苏氨酸激酶(serine/threonine kinase, STK)的主要作用是通过变构而激活蛋白质，催化底物蛋白质丝氨酸／苏氨酸残基磷酸化，PKA、PKC、PKG、钙调蛋白依赖性蛋白激酶(CaMK)和丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)等均属此类。此外，还包括许多其他种类，如Raf-1是已知的能够激活MAPKK的细胞激酶之一，在细胞对刺激产生增殖反应的ras信号转导通路中起关键作用。蛋白激酶催化蛋白磷酸化的过程是可逆的，磷酸化的蛋白质在磷酸酶的作用下可以发生去磷酸化，蛋白激酶与磷酸酶的相对活性决定了蛋白质上磷酸基团的数量。（二）蛋白磷酸酶催化蛋白质发生去磷酸化蛋白磷酸酶(protein phosphatase)是具有催化已经磷酸化的蛋白质分子发生去磷酸化反应的一类酶分子，即通过水解磷酸单酣将底物分子中的磷酸基团除去，生成磷酸根离子和自由的轻基。真核生物具有多个蛋白磷酸酶家族，其可以将磷酸基团从氨基酸侧链去除，根据脱磷酸化的氨基酸残基的不同，蛋白磷酸酶分成蛋白酪氨酸磷酸酶和丝氨酸／苏氨酸磷酸酶。蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应存在，共同构成磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性开关系统。


医学细胞生物学 284第三篇细胞的社会性 （三）GTP结合蛋白通过自身构象的变化激活效应蛋白GTP结合蛋白(GTP binding pro t ei n)简称G蛋白，是指在信号转导过程中，与受体耦联的并能与鸟昔酸结合的一类蛋白质，位于细胞膜胞质面，为可溶性的膜外周蛋白，由a、B和丫三种蛋白亚基组成。G蛋白的主要功能是通过其自身构象的变化激活效应蛋白(effector protein)，进而实现信号从胞外向胞内的传递。每一个G蛋白都与一个特殊的受体和一个具有特殊结构的下游靶蛋白有特定的结合关系。G蛋白a亚基上存在GDP或GTP结合位点，有GTP酶活性，能促进与其结合的GTP分解为GDP。在静息状态下，a亚基与B、1亚基形成三聚体形式后与GDP结合。此时G蛋白与受体分离，无活性，当配体与相应的受体结合后，受体分子的构象改变，与G蛋白a亚基结合的位点暴露，导致受体胞内部分与G蛋白a亚基接触并相互作用，a亚基构象改变，与GDP的亲和力减弱，与GTP的亲和力增强，进而与GTP结合，G蛋白被激活，进入功能状态并解体为与GTP结合的a亚基和B、丫二聚体两个部分，这两个分子沿着细胞膜自由扩散，直接与位千细胞膜下游的效应蛋白作用并使其激活，完成将信号从胞外传递到胞内的过程。当配体与受体结合解除后，G蛋白a亚基分解其结合的GTP，生成GDP，其构象改变，与GDP的亲和力增加并与之结合，a亚基与效应蛋白分离，重新与B、1亚基构成三聚体，G蛋白回复到静息状态（图12-10)。G蛋白下游效应蛋白通常是离子通道或与膜结合的酶，通常为腺昔酸环化酶(adenyla te cyclase, AC)、磷脂酶C(phospho lipase C, PLC)等，不同的效应蛋白受不同类型的G蛋白的影响。在哺乳动物中已发现20多种不同类型的G蛋白，根据其在功能上对效应蛋白的作用不同，可分为激动型G蛋白(Gs家族）、抑制型G蛋白(Gi家族）和磷脂酶C型G蛋白(Gp)家族等类型，其生物学特性见表12-2。


医学细胞生物学 284第三篇细胞的社会性  G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 Gs a8B－肾上腺素，降钙素及相关受体，胰高血糖素受体，组胺激活腺背酸环化酶H2受体，ACTH受体，LH受体，噤呤2受体激活Ca“通道抑制N旷通道Gi Ci.; Cl.2－肾上腺素，血管紧张素，生长激素抑制受体，嗦呤1受抑制腺昔酸环化酶体，DA2受体Gp a p a,－肾上腺素，促甲肾上腺素，a凝血酶受体，加压索受激活磷脂酶C体，缓激肤受体，代谢型谷氨酸受体1信号转导分子的激活机制具有类同性蛋白质的磷酸化和去磷酸化是绝大多数信号分子激活具有可逆性的共同机制，如Fos的激活需要其丝氨酸和苏氨酸的磷酸化；JAK的激活需要其酪氨酸的磷酸化，在信息传递过程完成后即可发生去磷酸化。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 2.信号转导过程为级联式反应信号转导过程中的各个反应相互衔接，形成一个级联反应过程。细胞外信号从膜受体到胞内的信号转导和基因调节过程中，经历多次的信号转换后信号得以强化，＿肾上腺素10一6mol/L放大使少数细胞外的微弱信号分子足以激起一个较显著/[\的反应。许多胞内信号分子自身就是蛋白激酶，而它公心上AC本身又可被上游的蛋白激酶磷酸化而激活，由此引起放大上/了勹、;\、细胞内一系列蛋白质的磷酸化，产生级联效应cAMP(IO--,;mol/L)(cascade effec ts)。例如，在cAMP为第二信使的信号i i i i i转导过程中，一个信号分子可与多个受体结合，活化0@@@＠〉蛋白激酶产生的cAMP激活其依赖性蛋白激酶，进而使下游信放大上//7}\`\\`号蛋白磷酸化被激活，如此，胞外信号分子所产生的信号便由此被逐渐放大，在短时间内引起细胞效应。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 ..~000酶在肾上腺素引起的细胞效应中，血中低浓度的肾上腺放大//；勹\;~素(10-10moVL)在引起肝细胞内cAMP浓度升高后，产物cAMP激活PKA,PKA可进一步激活磷酸化酶的激酶，图12-11信号转导的级联效应最后可引起磷酸化酶的活化，由它分解糖原，产生的葡萄糖进入血液后，导致血糖的升高，而在上述过程中，信号被放大了108倍（图12-11)。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 3.信号转导途径具有通用性与特异性信号转导途径的通用性是指同一条信号转导途径可在细胞的多种功能效应中发挥作用。如cAMP途径不仅可介导胞外信号对细胞生长和分化产生效应，也可在物质代谢的调节和神经递质的释放等方面起作用，使得信号转导途径呈现出保守和经济的特点，这是生物进化的结果。信号转导需要对细胞功能进行精细地调节，所以信号转导途径必须具有特异性，其产生的基础首先是受体的特异性，如生长因子受体的TPK活性，能在生长因子刺激细胞增殖的过程中起独特的作用。此外，与信号转导相关的蛋白质，如G蛋白家族及各种类型的PKC、TPK，它们在结构及分布等方面的多样性，以及它们作用发生的时间，对千信号转导途径的特异性形成均具有一定的影响。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 4.胞内信号转导途径相互交叉由于参与信号转导的分子大多数具有复杂的异构体和同工酶，它们对上游的激活条件要求不同，而对其下游底物分子的识别也有差别，使得各条信号转导途径之间相互交叉继而相互影响，形成复杂的信号网络，共同协调机体的生命活动，具体包括以下两种情况：(1)一条信号转导途径的成员可激活或抑制另一条信号转导途径：如促甲肾上腺素与其受体结合后，不仅可以通过钙离子－二酷酰甘油／三磷酸肌醇信使体系激活PKC，而且还可以因Ca2＋浓度的升高，激活腺昔酸环化酶，促进cAMP的生成，进而使PK.A激活。(2)不同的信号转导途径可通过同一种效应蛋白或同一基因调控区，彼此协调地发挥作用，从而使细胞对信号进行更精确的相互制约和调控：如G蛋白耦联受体可以激活PLC-IP3/DAG信号通路，一些酶耦联受体也可以激活这条通路，只是他们所激活的PLC是不同的亚型；而cAMP蛋白激酶途径与钙离子－二醋酰甘油／三磷酸肌醇信使体系均能使胞内的转录因子CREB磷酸化，通过活化的CREB与DNA序列的结合，影响多种基因的转录。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 第三节细胞的主要信号转导通路—、G蛋白耦联受体介导的信号转导通路G蛋白耦联受体(GPCR)是细胞膜受体中的最大家族，所有真核细胞均使用G蛋白耦联受体，其不仅介导大多数来自环境信号的刺激，也可介导细胞之间的信号传递，包括激素、神经递质和局部化学介质。人类的视觉、嗅觉和味觉（酸味除外）均依赖千G蛋白耦联受体介导的信号转导通路。人体中存在700多种G蛋白耦联受体。作用千G蛋白耦联受体的信号分子在结构和功能上多种多样，而且相同的信号分子能激活许多不同种类的G蛋白耦联受体，这些受体通常表达千不同类型的细胞中，与细胞的功能相关。信号分子（配体）与G蛋白耦联受体结合后，激活G蛋白，启动不同的信号转导通路，产生各种生物学效应。G蛋白的下游效应蛋白比较复杂，主要是离子通道或与膜结合的酶包括腺昔酸环化酶、磷脂酶C、磷脂酶A2及磷酸二酣酶。一般认为以离子通道为效应蛋白的配体－受体作用(G蛋白效应）快速而短暂，而以酶分子为效应蛋白的配体－受体作用(G蛋白效应）缓慢而持久。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 (-)G蛋白耦联受体介导腺苦酸环化酶信号通路在腺昔酸环化酶信号通路中，信号分子与G蛋白受体结合后，Ga亚基的首要效应是腺昔酸环化酶(adenylate cyclase, AC)，通过腺昔酸环化酶活性的变化，调节靶细胞内第二信使cAMP的水平，进而影响信号通路的下游事件。AC可以催化ATP分解形成cAMP,cAMP的主要作用是激活cAMP依赖性蛋白激酶A(PKA)，进而使下游靶蛋白磷酸化，从而调节细胞的新陈代谢。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 信号分子通常是激素，如胰高血糖素、肾上腺素及去甲肾上腺素等。以肾上腺素为例介绍G蛋白耦联受体介导的腺昔酸环化酶信号通路。肾上腺素的主要功能是调节糖代谢，促进肝糖原和肌糖原的分解，增加血糖和血中乳酸含量。肾上腺素由肾上腺分泌后通过血液到达肝细胞，与肝细胞膜表面的肾上腺素受体结合，肾上腺素受体分为a及p两个类型。肾上腺素对a及B两型受体均起作用。受体与肾上腺素结合后，促进耦联三联体G蛋白构象改变，形成具有活性的GTP-Gsa，而GTP-Gsa激活腺昔酸环化酶，催化ATP环化形成cAMP（在细胞内浓度可达到10-6moVL)，激活cAMP依赖性蛋白激酶A启动下游信号通路。在肾上腺素介导的信号转导通路中，虽然肾上腺素的浓度极低(10-10贫心l乙10-8moVL)，却能产生SmmoVL的葡萄糖，激素的信号被逐级放大约300万倍，即肾上腺素与受体结合后可以在极短的时间内使磷酸化酶的活性达到最大值。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 依赖cAMP的蛋白激酶A在不同的组织中作用的底物不同，cAMP通过活化或抑制不同的酶系统，使细胞对外界不同的信号产生不同的反应。例如，在肝脏和肌肉组织中，肾上腺素通过对这两种细胞中合成和降解糖原的酶的询控来调控糖代谢过程；而在脂肪细胞中，肾上腺素通过激活PK.A促进磷脂酶的磷酸化，磷酸化的磷脂酶可水解甘油三酷，产生甘油和游离的脂肪酸分子，脂肪酸释放到血液中，被其他组织摄取，为其提供能量。（二）G蛋白耦联受体介导磷脂酰肌醇信号转导通路磷脂酰肌醇信号通路中细胞外的信号分子与细胞表面G蛋白耦联型受体结合，通过膜上特定的G蛋白激活磷脂酶C(phospholipase C, PLC)，使细胞膜上的4,5－二磷脂酰肌醇(PIP2)水解成1,4,5－三磷酸肌醇(IP3)和二酰基甘油(DAG)两个重要的细胞内第二信使，细胞外信号转换为细胞内信号，IP3扩散入细胞质中，DAG仍继续留在细胞膜中，这一信号系统又称为“双信使系统”(double messenger system)。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 1. IP3动员细胞内质网中Ca2•的释放，使胞内Ca2＋浓度升高I凡是一种水溶性分子，产生后即可从细胞膜扩散至细胞质，与内质网膜上的受体结合，致使内质网膜上的Ca2•通道开放，Ca2＋从内质网释放入细胞质，启动细胞内Ca“信号系统，引发多种细胞反应。细胞内大部分Ca"储存在线粒体和内质网腔及其他细胞小毅中，细胞质中Ca2＋浓度通常在极低水平(-10-7moVL)，细胞质中Ca2+浓度的轻微升高即能诱导多种细胞反应，因此细胞内Ca2＋的水平是经过精确调控的。当细胞外液中缺乏Ca”时，肝脏及脂肪等组织细胞表面的受体与相关激素结合后通过IP3诱导细胞质中Ca2＋水平升高。细胞质中低浓度的Ca2＋能够提高通道受体与IP3之间的结合力，从而增强IP3门控的C汒通道的开放，导致储备的Ca2十进一步释放；然而，细胞质中如果存在高浓度的Ca2+，通道受体与IP3之间的结合力却降低，进而抑制职诱导的细胞内储备Ca2＋的释放。


医学细胞生物学 G蛋白种类ex亚基耦联受体对效应蛋白的作用 在有些细胞中，细胞外信号分子与受体结合后，激活受体，经IP3途径使得细胞质中游离的Ca2＋水平升高，直接活化一些转录因子。其中的机制为Ca2+与CaM形成复合物既能通过激活蛋白酶使得一些转录因子磷酸化，也能激活一些磷酸酶使另外一些转录因子的磷酸基团解离，从而改变这些转录因子的活性，进而调控基因的转录。 （三）G蛋白耦联受体调控离子通道 许多神经递质受体如谷氨酸和5－轻色胺受体是配体门控离子通道，但也有一些神经递质受体是G蛋白耦联受体。其中一些受体的效应蛋白是N旷或k十通道，当神经递质与这些受体结合后引起相关离子通道的开启或关闭，导致细胞膜电位的改变。鼻腔中的嗅神经受体、眼睛中的光感受器也属于G蛋白耦联受体，它们是通过激活细胞内第二信使间接调节离子通道的活性。


医学细胞生物学 （三）G蛋白耦联受体调控离子通道 细胞内的信号转导通路对细胞有两种效应：心短期效应：几秒到几分钟，对千已经存在的酶或蛋白质的活性进行调节，从而引起细胞代谢或功能的改变，大多数G蛋白耦联受体介导的信号通路属于这一类心长期效应：数小时到数分钟，有一些G蛋白耦联受体主要通过激活或抑制基因转录引起细胞增殖或向不同类型的细胞进行分化，这类受体介导的信号通路具有长期效应。 288第三篇细胞的社会性 细胞外配体与G蛋白耦联受体结合后，激活G蛋白及其下游的效应蛋白如腺背酸环化酶和磷脂酶C等，进而调节酶（或蛋白）的活性或基因的转录，实现信号的转导过程（图12-12)。 G蛋白》磷脂酶C钙调二、具有酶活性受体介导的信号转导通路 像G蛋白耦联受体(GPCR)一样，具有酶活性的受体也是跨膜蛋白，具有与配体结合的胞外结构域，但与GPCR不同的是，酶活性受体通常是单次跨膜，其胞内部分具有酶的催化活性。这类受体主要包括酪氨酸蛋白激酶受体、丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶受体、鸟昔酸环化酶受体和酪氨酸磷酸酶受体等。


医学细胞生物学 G蛋白》磷脂酶C钙调二、具有酶活性受体介导的信号转导通路 (-)Ras蛋白是酪氨酸蛋臼激酶受体介导的信号通路中的关键组分大多数酪氨酸蛋白激酶受体(TPKR)以单体形式存在千细胞膜上，当配体与TPKR结合后，能导致受体二聚体化，从而激活TPKR的酪氨酸激酶活性，使受体胞内段的酪氨酸残基发生磷酸化。磷酸化的酪氨酸残基可以与含有SH2结构域的蛋白质分子结合，启动下游信号转导。其中一种蛋白是生长因子受体结合蛋白2(growt h factor receptor-bound protein2, GRB2)，其能耦联活化的受体和其他信号蛋白，参与诸如Ras-MAPK信号通路中；另一种蛋白是GPCR信号通路中的PLC，其下游的信号均与GPCR-PLC通路完全一致。在真核细胞中，Ras蛋白是TPKR介导的信号通路中的一种关键组分。Ras蛋白是一种GTP结合蛋白，具有GTPase活性，Ras-GTP是其活化形式而Ras-GDP是其失活形式。


医学细胞生物学 G蛋白》磷脂酶C钙调二、具有酶活性受体介导的信号转导通路 （二）P13K-Akt信号通路是酪氨酸蛋白激酶受体介导的经典信号通路在TPKR介导的信号通路中，与TPKR受体结合的另一个重要分子是磷脂酰肌醇－3－激酶(PI3K)。PI3K是一种细胞膜结合酶，其不仅具有丝氨酸／苏氨酸激酶活性，还具有磷脂酰肌醇激酶活性，能使细胞膜上的磷脂酰肌醇发生磷酸化，磷酸化的磷脂酰肌醇是许多蛋白激酶的描定位点，可活化下游的蛋白激酶，启动下游的信号通路。其中一条最典型的下游信号通路是PI3K-Akt信号通路。活化的Akt能磷酸化多种靶蛋白，从而对细胞产生广泛的影响，如细胞存活、细胞代谢和细胞骨架的调控等。在PI3K-Akt信号通路中，当PI3K被TPKR激活后能够磷酸化PI-4,5-P2生成PI-3,4,5-P3,PI-3,4,。 第十二章细胞间信息传递289


医学细胞生物学 第十二章细胞间信息传递289 5-P3能够招募具有PH结构域的PDKl（磷脂酰肌醇依赖性激酶l)和Akt转位到细胞膜上。随后PDKl磷酸化Akt活性位点上的苏氨酸，胞质内的mTOR磷酸化Akt上的丝氨酸位点，使Akt完全活化，活化的Akt从细胞膜中解离进入细胞质和细胞核，进一步调控下游靶蛋白，产生生物学效应。综上所述，TPKR信号通路的下游信号通路根据招募的蛋白的不同至少包括3条重要的衍生信号通路：TPKR-PLC、TPKR-Ras-MAPK和TPKR-PBK-Akt信号通路，这些通路之间都存在相互交叉的联系，形成复杂的信号网络。


医学细胞生物学 第十二章细胞间信息传递289 （三）TGF-~受体信号通路通过Smad将细胞外信号转导到细胞核内转化生长因子－[3(transforming growthfactor-[3, TGF-[3)家族是一类在结构上相似的分泌型多肤生长因子，有近30种成员，包括TGF-[3、BMP(bo ne morphogenetic protein)、ac tivin等多个亚家族。TGF-[3家族分子在合成后被分泌到细胞外，其活性形式大多为二聚体。TGF-[3受体的胞内段均含有丝氨酸／苏氨酸酶结构域，根据分子量大小可分为RI、RII和Rlll受体3类。其中Rlll受体负责结合和富集成熟的TGF-[3,RI和RII受体为二聚体化的跨膜蛋白，直接参与信号转导。每种TGF书信号分子与相应的RII结合后，RII进一步招募RI受体并与之结合，形成四聚体，从而将激酶结构域靠近，R II受体磷酸化RI受体胞内段的丝氨酸／苏氨酸残基，激活RI受体。活化的RI受体直接结合并磷酸化下游的基因调节蛋白Smad家族（图12-13)。


医学细胞生物学 TGF-J3配体分子骂骂靶基因转录 Smad分子作为细胞内信号分子，将细胞外的TGF书信号转导到细胞核内。根据功能不同，细胞内的Smad分子分为三类，即受体激活型Smad(R-Smad，包括Smadl/2/3/5/8汃通用型Smad(Smad4)和抑制型Smad(Smad6/7)。TGF-(3与细胞表面的受体结合，使受体活化，活化的受体进一步磷酸化细胞内的R-Smad分子。磷酸化的R-Smad分子在细胞质内与Smad4组成复合体，转运到细胞核，发挥转录因子的作用，调控下游靶基因的表达。Smad分子由MHl和MH2两个结构域以及连接它们的饺链区组成，MHl结构域具有DNA结合能力，MH2结构域可与多种其他转录因子相互作用。由于细胞的290第三篇细胞的社会性生理状态和分化情况不同，在不同的细胞中相同的TGF-13信号可以引起截然相反的调节作用。TGFB还可以激活包括MAPK信号通路在内的其他信号通路，共同调节细胞的生命活动。TGF书信号通路在控制细胞生长、增殖、分化以及个体与器官发育过程中起着重要作用。


医学细胞生物学 三、酶连接受体介导的信号转导通路 与具有酶活性的受体一样，酶连接受体也是跨膜蛋白，但通常是单次跨膜，它们本身不具有酶的催化活性，而是直接与酶相关联。细胞因子受体即属千此类受体。细胞因子受体介导的信号转导通路在机体的许多生理反应中发挥着重要的调控作用。细胞因子是由细胞分泌并作用于其他细胞的一类小分子蛋白，能调控细胞的增殖及分化等行为，包括白介素(interleukin, IL)、干扰素(interferon, IFN)和促红细胞生成素(erythropoietin, Epo)等。细胞因子受体的胞内段与细胞质酪氨酸激酶(Janus kinase, JAK)稳定结合，JAK家族包括4个家族成员JAKl、JAK2、JAK3和Tyk2。JAK能磷酸化并活化STAT(signal transducers and activation of transcri pti on)基因调控蛋白。STAT家族包含7个成员，存在千细胞质中，并且仅在被激活时才会迁移入细胞核，进一步调控下游基因表达（图12-14)。


医学细胞生物学 细胞因子质膜靶基因转录四、蛋白质水解相关的信号转导通路 除了前面提到的信号转导通路外，生物个体内还存在一系列可控性的蛋白水解相关信号通路，一类为泛素化降解介导的信号通路如Wnt、Hedgehog和NF-KB等信号通路，另一类是蛋白切割(cleavage)介导的信号通路如Notc h等信号通路。(—)泛素化降解介导Wnt、Hedgehog和NF-KB等信号湮路1. Wnt信号通路中(3-catenin扮演转录激活因子和膜骨架连接蛋白的双重角色Wnt信号通路在个体的发育过程中发挥重要作用，但Wnt信号通路的过度活化或失活均会导致疾病或肿瘤的发生。Wnt信号通路有两种细胞表面受体蛋白：(DFrizzled(Fz)：含有7次跨膜a螺旋，能直接与Wnt结合；＠共受体LRP：以Wnt信号依赖的方式与Fz受体结合。


医学细胞生物学 细胞因子质膜靶基因转录四、蛋白质水解相关的信号转导通路 当没有Wnt信号时，细胞膜上的f3-catenin发挥连接蛋白的作用，细胞质中的f3-catenin结合由支架蛋白Axin介导的包含APC等蛋白的降解复合物。静息状态下，复合物中的两个激酶CKl和GSK3能磷酸化f3-caten in。随后f3-calenin中被磷酸化的一些基团招募泛素化连接酶TrCP，泛素化的Bcatenin最终被26S蛋白酶体降解。细胞质内仅有低水平的f3-caten in，无法进入细胞核激活下游基因。


医学细胞生物学 细胞因子质膜靶基因转录四、蛋白质水解相关的信号转导通路 当细胞外存在高水平的Wnt信号时，Wnt与细胞膜表面受体Fz和LRP结合，磷酸化LRP受体的胞质结构域。复合物中的支架蛋白沁m结合到LRP磷酸化的胞质结构域，同时释放出CK l和GSK3,导致f3-ca tenin无法被GSK3和CKl磷酸化。因此，f3-catenin不会被泛素化降解，在胞质中维持稳定。在这个过程中，还需要Di shevelled(Dsh)蛋白结合到Frizzled受体的胞内结构域以帮助游离的Bcate nin维持稳定。游离的f3-catenin进入细胞核，结合转录因子TCF并作为共激活子诱导下游靶基因的表达（图12-15)。


医学细胞生物学 质膜辛心 2. Hedgehog信号通路通过Ci/Gli转录因子将信号转入细胞核Hedgehog信号通路在胚胎发育过程中的异常可导致严重的发育异常或畸形，而且Hedgehog信号通路的异常激活与多种肿瘤的发生相关。Hedgehog(Hh)为分泌型蛋白，作用范围一般为l~20个细胞，扩散距离越远，浓度越低。不同浓度的Hh信号对靶细胞的效应不同，其产生受时间和空间的严格调控。Hh信号分子有两种膜受体：Smoothened(Smo)和Pa tched(Ptc)。Smo是7次跨膜蛋白，Ptc是12次跨膜蛋白。在Hh信号不存在时，Ptc主要富集千细胞膜上，将Smo限制在细胞内膜泡中。Hh信号通路胞内蛋白复合物包含Fused(Fu)、Costal-2(Cos2)和Cubitis internptus(Ci)蛋白，该复合物在细胞内主要结合在微管上。复合物中的转录因子C!（脊椎动物中对应的同源基因为Gli)能被3种蛋白激酶磷酸化，磷酸化的Ci在泛素化连接酶和蛋白酶体作用下水解为Ci75片段，C订5进入细胞核抑制下游靶基因的表达。


医学细胞生物学 质膜辛心 当Hh信号与细胞膜上的Ptc受体结合后，Ptc的活性被抑制并诱发内吞被溶酶体消化，从而解除了Ptc对Smo的限制作用，使Smo通过膜泡融合移位至质膜上并被CKl和PKA两种激酶磷酸化。Fu和Cos2的磷酸化水平上升导致Fu/Cos2/Ci复合物从微管上解离下来。Cos2携带Fu结合到Smo的C端，Ci形成稳定形式并进入细胞核内与转录激活子CREB结合蛋白(CBP)结合，促进靶基因的表达。3. IK Bex泛素化降解激活NF-KB信号通路核因子心(nucle狙·factor-kappa B, NF-KB)是哺乳动物免疫系统的主要转录调控因子，能促进中性粒细胞迁移到炎症组织，也能在细菌刺激下诱导iNOS（一氧化氮合酶）的表达，以及产生一些抗凋亡蛋白抵抗细胞死亡。NF-KB信号通路的受体主要包括TNF ex受体、Toll样受体和IL-1受体。组成NF-KB异二聚体的p50和p65两个亚基通过其N端的同源区形成二聚体并与DNA结合。在细胞没有应急或感染的静息状态下，NF-KB和其抑制子I KB(inh加tors of of NF-KB)ex结合处于失活状态。单分子IKB ex结合到p50和p65异二聚体的N端同源区，核定位序列被隐藏。细胞在感染源或炎症细胞因子的短时间刺激下，胞内异三聚体复合物IKB激酶中的IKK B亚基激活并被磷酸化。活化的IKK l3亚基进一步磷酸化lKBcx N端的丝氨酸残基，E3泛素化连接酶结合到这些磷酸丝氨酸位点对IKBQ'.进行多泛素化修饰并诱导其被蛋白酶体降解。IKBa降解后，NF-KB的抑制被解除，其上的核定位序列暴露，引导NF-KB进入细胞核激活靶基因的转录（图12-16)。


医学细胞生物学 质膜辛心  炎症刺激信号质膜i』卢气尸靶基因转录 （二）通过蛋白切割(cleavage)激活Notch信号通路在Notch信号通路中，受体是Notch，与其对应的配体是Delta，两者皆是位千细胞膜表面的单次跨膜蛋白。一个细胞上的D e lta与邻近细胞上的Notc h受体结合，Notch被激活，其胞外部分首先被MMP家族蛋白ADAMlO切割，释放Notch受体的胞外段。随后'Y-secretase四蛋白复合体中的nicastrin亚基结合到Notch被切割后的残余部分，复合体中的蛋白酶Presenilin1催化膜内切割并释放Notch胞质片段。Notc h胞质片段进入细胞核与转录因子相互作用影响基因表达（图12-17)。 信号产生细胞 ！詈酐酐酐酐酐贸酐詈利你詈酐忻沛酐酐酐酐翟酐酐必胧斟比拟心拟媒心五、细胞内受体介导的信号转导通路细胞内受体的配体大多为脂溶性小分子，它们可以透过细胞膜，进入细胞与细胞内受体结合而传递信号。


医学细胞生物学 信号产生细胞 (—)笛体类激素通过细胞内核受体介导基因表达调控如前面所述，核受体的配体主要是类固醇激素、甲状腺激素、视黄酸及维生素队等脂溶性小分子肖体类激素。这些小分子进入细胞内，与其特异性的核受体结合改变其构象从而激活受体。被激活的受体与DNA上的受体结合元件结合，影响基因转录，从而调节生物体内平衡。肖体类激素诱导的基因活化分为两个阶段：心直接活化少数特殊基因转录的初级反应阶段，发生迅速；＠初级反应的基因产物再活化其他基因产生延迟的次级反应，对初级反应起放大作用。（二）NO以自由基的形式(NO·）介导细胞独特的信号通路1998年，美国科学家Robert F. Furchgott、Louis J. Ignan·o和Ferid Murad因发现NO(ni tric oxide, NO)在心血管系统中起信号分子作用而获得诺贝尔生理学或医学奖。NO以自由基的形式(NO·）介导细胞独特的信号通路。NO可以快速地通过细胞膜，实现细胞与细胞间的弥散，使血管平滑肌舒张或作为神经递质传递信号。NO的半衰期很短，在细胞外极不稳定，只能在组织中局部扩散，它的生成需要一氧化氮合成酶的催化。一氧化氮合酶(nitric oxide synthase, NOS)催化L－精氨酸和氧分子，分解合成瓜氨酸和NO。NO的主要受体是可溶性的鸟昔酸环化酶，NO与鸟昔酸环化酶血红素基团中铁可逆性结合，引发其构象改变从而激活鸟节酸环化酶，生成cGMP，而cGMP通过cGMP依赖的蛋白激酶G的活化从而使血管舒张。在运动过程中，刺激骨骼肌收缩的Ca2＋反复释放，Ca2＋与CaM结合，并激活NOS生成NO,NO弥散出骨骼肌，进入围绕血管壁的平滑肌细胞，再通过激活GC生成cGMP使血管舒张。硝酸甘油可以治疗心绞痛的原因就在千它可以在体内转化为NO，从而使血管舒张，减轻心脏负荷和心肌的缺氧量。


医学细胞生物学 信号产生细胞  第四节细胞信号转导通路的整合与调控 细胞内信号转导过程是由前后相连的生物化学反应组成的，前一个反应的产物可作为下一个反应的底物或者发动者，通过一系列蛋白质与蛋白质的相互作用，信息可从胞内一个信号分子传递到另一个信号分子，每一个信号分子都能够激起下一个信号分子的产生，直至产生代谢酶被激活、基因表达被启动和细胞骨架产生变化等细胞生理效应。细胞的信号转导是多通路、多环节、多层次和高度复杂的可控过程。生理情况下，细胞对所接受信号做出适当的应答取决于细胞对所接收的多种信号的整合及对信号有效性的调控。 —、不同信号通路的整合 细胞内各种不同的信号通路提供了信号途径本身的线性特征，然而这些不同的信号通路之间决不可能是彼此孤立的，细胞需要对多种信号途径进行整合和精确调控，形成复杂的信号网络系统，最后做出正确的应答。人们将各个信号通路之间的交互关系称为“交叉对话”(cross-talk)。不同上游信号共用下游同一底物的行为称为“收敛"(convergence)，而同一上游信号作用于不同的下游底物则被称为“发散”(divergence)。交叉对话、收敛和发散等现象的存在保证了细胞具有一定的自我修复和补偿能力。


医学细胞生物学 —、不同信号通路的整合 细胞信号系统的网络化相互作用是细胞生命活动的重大特征，也是细胞生命活动的基本保障之一。以蛋白激酶为例，通过蛋白激酶的网络整合信息调控复杂的细胞行为是不同信号通路之间实现“交叉对话”的一种重要方式。事实上，细胞信号网络的复杂性远比我们了解的多得多。随着对信号转导通路”交叉对话”的研究和信号转导机制的深入认识，将会对多基因的表达调控、个体发育及疾病的产生和控制产生十分重要的影响。 二、信号通路的调控 细胞对外界信号做出适度反应既涉及信号的有效刺激和启动，也依赖于信号通路本身的询节。还有另一个重要的机制，即信号的及时解除和细胞反应的终止。事实上，信号的解除和终止与信号的刺激和启动对于确保细胞对信号的适度反应来说同等重要。在信号浓度过高或细胞长时间暴露千某一种信号的刺激下，细胞会以不同的机制使受体脱敏，这种现象又称之为适应(adaptati on)。这是细胞解除和终止信号的重要方式。细胞以其对信号敏感性的校正能力来适应刺激强度或刺激时间的变化，细胞对于信号分子的脱敏机制有如下5种方式。


医学细胞生物学 二、信号通路的调控 1细胞通过受体没收(receptor sequestration)减少细胞表面可利用的受体数量细胞通过配体依赖性的受体介导的内吞作用(receptor-mediated endocytosis)减少细胞表面可利用的受体数量，以网格蛋白／衔接蛋白包被膜泡的形式摄入细胞，内吞泡脱包被形成无包被的早期胞内体。之后随着pH发生改变，受体－配体复合物在晚期胞内体解离，受体返回质膜再利用而配体进入溶酶体降解。这是细胞对多种肤类或其他激素的受体发生脱敏反应的一种基本途径。有时即使受体未与配体结合，细胞也会通过批量膜流(bulk membrane flow)将细胞表面受体以较低的速率内化(internalization)，然后循环再利用，从而减少细胞表面的受体数蜇。2细胞表面受体下调(receptor down-regulation)导致细胞对信号敏感性下降通过受体介导的内吞作用，受体－配体复合物转移至胞内溶酶体消化降解而不再重新利用，细胞通过表面自由受彸？a;』体数量减少和配体的清除导致细胞对信号敏感性下降。


医学细胞生物学 第十二章细胞间信息传递295 3受体失活(receptor inactivation)是细胞使受体快速脱敏的方式G蛋白耦联受体激酶使与配体结合的受体磷酸化，通过与胞质抑制蛋白(3-arrestin的结合，阻断与G蛋白的耦联作用，这是一种快速使受体脱敏的机制。4.信号蛋白失活(inactivation of signaling protein)无法诱导正常的细胞反应细胞对信号分子脱敏是通过细胞内信号蛋白本身发生改变，从而使信号级联反应受阻，不能诱导正常的细胞反应。5细胞通过产生抑制性蛋白(inh心tory protein)降低或阻断信号转导途径配体与受体结合，激活受体后，在信号转导途径的下游（如对基因表达的调控）产生抑制性蛋白形成负反馈环，降低或阻断信号的转导。


医学细胞生物学 第五节细胞间信息传递障碍与疾病 信息传递在细胞的正常功能与代谢中起着极其重要的作用，从受体接受信号至细胞对信号做出反应过程中的任何环节发生异常均可导致疾病的发生。阐明细胞信号转导机制对于认识生命活动的本质具有重要的理论意义，同时也为医学的发展带来新的机遇和挑战。细胞信号转导机制的研究在医学发展中的意义主要体现在两个方面：首先是对疾病发病机制的深入认识；其次可为疾病的诊断和治疗提供新的靶位。 —、受体异常与疾病 这是一类因受体的数量或结构和功能异常引起的疾病，根据病因不同，可分为三类：1.因受体基因突变，致使受体缺乏或结构异常引起遗传性或原发性受体疾病如非胰岛素依赖性糖尿病即是一种常见的遗传性受体疾病。遗传因素导致胰岛素受体数量减少或功能异常，使细胞对胰岛素的敏感性降低，耐受力增强，由胰岛素激发的细胞内信号转导过程不能正常进行，细胞糖代谢出现障碍，最终导致糖尿病。


医学细胞生物学 —、受体异常与疾病 2机体自身产生受体的抗体可导致自身免疫性受体疾病在某些情况下，机体自身可产生受体的抗体，这些抗体与受体结合后，可封闭受体的作用，使受体功能发生改变，由此引起自身免疫性受体疾病。如重症肌无力患者体内存在抗乙酰胆碱受体的抗体，当其与乙酰胆碱受体结合后，降低了受体与乙酰胆碱的结合能力，同时促使受体发生分解，细胞表面受体的数最明显减少，与该受体相关的信号转导过程不能正常进行，继而出现相关疾病。3.机体自身代谢紊乱引发继发性受体疾病这是一类因机体自身代谢紊乱，引起受体异常后产生的疾病。如肥胖可降低胰岛素受体的功能，引发糖尿病；心功能不全可使心肌细胞的受体数量减少。


医学细胞生物学 二、G蛋白与疾病 G蛋白的a亚基上含有细菌毒素糖基化修饰位点，细菌毒素能使这些位点糖基化，引起a亚基的GTP酶活性失活或与受体结合的能力降低，导致某些疾病的发生。由霍乱弧菌所致的腹泻即与G蛋白的异常密切相关。霍乱弧菌在肠道产生的霍乱毒素由A、B两个亚基组成，A亚基具有ADP核酸转移酶的活性，当霍乱毒素与肠上皮细胞表面受体结合后，A亚基穿过胞膜、插入胞内，催化NAD+中的ADP转移至Gs的a亚基上，使其在与GTP结合后，丧失GTP酶活性，不能水解GTP为GDP，使G蛋白的a亚基与陌复合物保持激活状态，致使靶蛋白AC持续活化，细胞中cAMP合成显著增加，促使c1-与HC03-不断进入肠腔，细胞内外渗透压失去平衡，水大量溢入肠腔，导致急性腹泻和脱水，如不采取紧急措施补充水和电解质，就会导致死亡。尸｝i}在B淋巴细胞和T淋巴细胞中有许多种类的酪氨酸激酶，它们在传递淋巴细胞特异性信号、调节机体免疫反应中起着重要的作用。这些激酶组成及数量上的变化可使淋巴细胞功能出现异常，导致免疫不全症的发生。临床上常见的X染色体关联免疫不全症的病因即与B淋巴细胞酪氨酸激酶的异常相关。这种患者的B淋巴细胞中含有一种称为Brnton的酪氨酸激酶(Bruton tyrosine kinase, BTK)，因其基因的转录受阻或氨基酸被置换，发生先天性数量减少或组成异常，从而使幼稚的B淋巴细胞不能分化成为产生免疫球蛋白的浆细胞而致病。类似的情况也存在于T淋巴细胞中，一种非受体型酪氨酸激酶的变异可导致另一种免疫不全症的发生。另外，蛋白激酶的异常还与肿瘤的发生相关。某些肿瘤促进剂，如佛波酣作用千细胞时，因其分子结构与DAG相似但难于降解，故易在细胞内蓄积且取代DAG与PKC结合，引起PKC长期和不可逆地激活，从而刺激细胞持续增殖，最终产生肿瘤。


医学细胞生物学 二、G蛋白与疾病  四、信号转导与药物研发 研究细胞信号转导在疾病发生过程中的重要作用可为药物的筛选和开发提供新的靶位，由此产生了信号转导药物这一概念。信号转导分子的激动剂和抑制剂是信号转导药物研究的基础，尤其是各种蛋白激酶的抑制剂已被广泛用作母体药物进行抗肿瘤新药的研究中。一种信号转导药物是否可用千疾病的临床治疗且具有较少的副作用主要取决于两方面：首先为它所作用的信号转导通路在体内是否广泛存在，如果该通路广泛存在于各种细胞内，则其副作用很难控制；其次是药物自身的选择性，对信号转导分子的选择性越高，副作用越小。目前，已有一些信号转导药物用于临床，尤其是肿瘤治疗领域。例如表皮生长因子受体(EGFR)酪氨酸激酶选择性抑制剂吉非替尼、埃克替尼及奥斯替尼等已用千肺癌患者的个体化治疗。


医学细胞生物学 四、信号转导与药物研发 [I]刘佳．Medical Cell Biology北京：人民卫生出版社，2017[2]周天华细胞信号转导II左彶，刘艳平细胞生物学3版北京：人民卫生出版社，2015无论是单细胞生物，还是多细胞生物个体，其细胞每时每刻都在与周围的环境（包括其他细胞）发生着各种各样的联系，进行着丰富多彩的交流和协调，以保持生物体与周围世界及生物体本身的平衡与统一。细胞对胞内和胞外各种信号的传递和整合在生命过程中具有重要的作用。细胞之间联系的信号有许多种。由细胞分泌的、能够调节机体功能的化学信号分子，通过与细胞膜上或胞内的受体特异性结合，将信号转换后传给相应的胞内系统，使细胞对外界信号做出适当反应的过程称为信号转导。细胞内存在多种信号转导方式及途径，而且彼此间可交叉调控，构成复杂的信号网络。


医学细胞生物学 四、信号转导与药物研发 细胞间信息传递的方式主要有细胞间隙连接、细胞膜表面分子接触通讯和化学通讯（旁分必、内分必、自分泌、突触信息传递）三大类。外泌体的发现使得细胞间的信息传递更加精细和全面，它的发现揭示了存在于机体自身的RNA细胞间的转移方式。细胞间信息传递的途径即信号转导。细胞所接受的信号很多，包括物理信号、化学信号和生物学信号，其中最重要的是由细胞分泌的、能够调节机体功能的一大类生物活性物质，它们是细胞间通讯的信号，被称为第一信使。它们携带着@b特定的信息，与细胞膜上或胞质内相应的受体结合，受体可将接收到的信息转导给细胞质或细胞核中的功能反应体系，启动细胞产生效应。与受体结合后能使细胞产生效应的物质为激动剂；与受体结合后不产生细胞效应，但可阻碍激动剂对细胞作用的分子为桔抗剂。存在于细胞膜或胞内、能特异性识别并结合胞外信号分子、进而激活胞内一系列生物化学反应、使细胞对外界刺激产生相应效应的一类特殊蛋白质，称为受体。与受体结合的生物活性物质统称为配体。受体在信号转导系统中的作用非常关键，它通过识别和结合配体，触发整个信号转导过程。


医学细胞生物学 四、信号转导与药物研发 受体分为膜受体和胞内受体。膜受体由三部分构成：细胞外域（与配体相互作用）、穿膜域（将受体固定在细胞膜上）和胞内域（传递信号），其配体是一些亲水的、不能直接穿过细胞膜脂质双分子层的肤类激素、生长因子和递质等。膜受体可分为离子通道型受体、G蛋白耦联受体和酶联受体三种类型。胞内受体为DNA结合蛋白，其配体为脂溶性小分子笝体类激素，这些分子可直接以简单扩散的方式或借助于某些载体蛋白穿过靶细胞膜，与位于胞质或胞核内的胞内受体结合，作为转录因子与DNA顺式作用元件结合，调节基因的表达。受体能特异性识别和结合相应的配体，使其相互作用的信号向其他信号分子传导，产生细胞生物学效应。受体与配体的结合具有高度的选择性、极强的亲和力、饱和性、可逆性、磷酸化和去磷酸化调节等几个特点。受体被激活后在细胞内产生的、能介导信号转导的活性物质，称为细胞内信使，又称笫二信使。已知的细胞内信使有许多种，其中最重要的有：cAMP、cGMP、二醋酰甘油、三磷酸肌醇和钙离子等。


医学细胞生物学 四、信号转导与药物研发 生物体在细胞信号转导过程中，除受体和笫二信使分子以外，还有两类在进化上保守的胞内蛋白，这两类蛋白在引发信号转导级联反应中起“分子开关”的作用。其中一类是蛋白激酶和蛋白磷酸酶，另一类是GTP结合蛋白。蛋白酪氨酸激酶力可催化底物蛋白酪氨酸残基磷酸化的激酶，是蛋白激酶家族中最重要的成员之一，对细胞生长、增殖和分化等过程起重要的调节作用，包括位于细胞膜上的受体型PTK和位于胞质中非受体型PTK两大类。丝氨酸／苏氨酸激酶的主要作用是通过变构而激活蛋白质，催化底物蛋白丝氨酸／苏氨酸残基磷酸化，包括PKA、PKC、PKG、钙调蛋白依赖性蛋白激酶和丝裂原激活蛋白激酶。蛋白磷酸酶是具有催化已经磷酸化的蛋白质分子发生去磷酸化反应的一类酶分子。蛋白磷酸酶与蛋白激酶相对应存在，共同构成磷酸化和去磷酸化这一重要的蛋白质活性开关系统。GTP结合蛋白简称G蛋白，是指在信号转导过程中，与受体耦联的并能与乌菩酸结合的一类蛋白质，通过自身构象的变化激活效应蛋白，不同的效应蛋白受不同类型的G蛋白的影响。


医学细胞生物学 四、信号转导与药物研发 G蛋白耦联受体介导的信号通路主要包括腺符酸环化酶、磷脂酰肌醇等信号通路；具有酶活性受体介导的信号通路主要包括TPKR-Ras-MAPK、PI3K-Akt及TGF-13受体等信号通路；细胞因子受体介导的信号转导通路属于酶连接受体介导的信号通路；蛋白质水解相关的信号通路包括泛素化降解介导的Wnt、Hedgehog和NF-KB信号通路及通过蛋白切割激活的Notch信号通路；细胞内受体介导的信号通路包括苗体类激素和NO介导的信号通路。信号转导过程具有信号转导分子激活机制的类同性、过程的级联式反应、途径的通用性与特异性及信号转导途径之间相互交又等特点。


医学细胞生物学 四、信号转导与药物研发 细胞内信号转导过程是由前后相连的生物化学反应组成的，即前一个反应的产物可作为下一个反应的底物或者发动者，通过一系列蛋白质与蛋白质的相互作用，信息可从胞内一个信号分子传递到另一个信号分子，每一个信号分子都能够激起下一个信号分子的产生，直至产生代谢酶被激活、基因表达被启动和细胞骨架产生变化等细胞生理效应。细胞的信号转导是多通路、多环节、多层次和高度复杂的可控过程。生理情况下，细胞对所接受信号做出适当的应答取决于细胞对所接收的多种信号的整合及对信号有效性的调控。 298第三篇细胞的社会性 信号转导在细胞的正常功能与代谢中起着极其重要的作用，从受体接受信号至细胞对信号作出反应过程中的任何环节发生异常均可导致疾病的发生。表现有受体异常性疾病（如遗传性或原发性受体疾病、自身性免疫受体疾病和继发性受体疾病）、G蛋白和蛋白激酶功能障碍性疾病等。细胞信号转导机制的研究在医学发展中的意义主要体现在两个方面：首先是对疾病发病机制的深入认识；其次可为疾病的诊断和治疗提供新的靶位。


医学细胞生物学 （刘佳）第四篇细胞的基本生命活动第十三章细胞分裂与细胞周期 细胞分裂(cell division)是细胞生命活动的重要特征之一，指一个亲代细胞形成两个子代细胞的过程。通过细胞分裂，亲代细胞的遗传物质和某些细胞组分可以相对均等地分配到两个子代细胞中，这有效地保证了生物遗传的稳定性。细胞分裂与新个体的发生，以及与个体器官组织的维待和更新密切相关。在单细胞生物（如细菌、酵母等）中，细胞分裂是其个体繁衍的重要方式，在高等生物中，经过多次细胞分裂生成成熟的性细胞，这些性细胞之间的有性生殖导致受精卵产生，新的生命个体由此出现。细胞分裂构成了多细胞生物个体生长的基础，从受精开始到个体成熟的整个发育进程中，细胞需经历多次分裂，最终形成机体的器官和组织中数量庞大的细胞群体，如仅成入肝脏就含有2.5x10”个细胞。细胞分裂在维持和更新个体正常组织中也具有重要的作用，在成体动物的皮肤、骨髓、肠上皮等器官组织中存在一些具有潜在分裂能力的原始细胞，如表皮基底层和毛毅中的干细胞、骨髓造血干细胞和肠上皮千细胞等，通过这些细胞的分裂可以适时地生成大量的新的分化成熟细胞，以替代因生理性衰老而死亡的细胞，这样，既使组织器官的细胞组成得到自我更新，也使细胞的数量保持恒定，维持了器官组织的正常功能。此外，在机体创伤后的组织修复和再生等活动中都存在大量的细胞分裂现象。


医学细胞生物学 （刘佳）第四篇细胞的基本生命活动第十三章细胞分裂与细胞周期 细胞分裂的过程总是呈周期性进行：亲代分裂产生子代细胞；子代细胞经历一系列规律的细胞内生物化学变化，包括遗传物质的复制和特定蛋白质的合成等准备过程，并伴有细胞形态学的改变；然后子代细胞的分裂过程开始。通常将细胞从上次分裂结束到下次分裂结束所经历的规律性变化过程称为一个细胞周期(cell cycle)。


医学细胞生物学 （刘佳）第四篇细胞的基本生命活动第十三章细胞分裂与细胞周期 大多数的细胞周期都包括数个协调的过程：细胞生长、DNA复制、倍增的染色体分配到子细胞中及细胞分裂。在细菌，细胞生长和DNA复制发生在细胞周期的多数时间内，倍增的DNA和质膜一起分配到子细胞中。在真核细胞，细胞周期比较复杂，包含4个分离的时相期。虽然细胞生长通常是一个连续的过程，但DNA合成仅仅发生在细胞周期的一个时相中，然后，复制的染色体通过一个连续的过程在细胞分裂前被分配到子细胞核中。细胞周期的各步骤进程的调控机制在进化中是保守的，该调控机制不仅可以精细地协调细胞周期中不同的事件，而且还可将调控细胞增殖的细胞外信号与细胞周期联系起来，使整个细胞周期呈现出高度的时空有序性和协同性。如果由于细胞某些自身的或环境的因素影响，细胞周期正常的调控体系作用受到阻碍，细胞周期进程将可能出现异常，细胞增殖失控，导致肿瘤等疾病发生。 第一节细胞分裂 细胞分裂的方式主要包括有丝分裂、减数分裂及无丝分裂三种，不同分裂方式在分裂过程和子代细胞的遗传特性等方面各具特点。


医学细胞生物学 —、有丝分裂 有丝分裂(mitosis)也称间接分裂(indirect division)，是高等真核生物的体细胞分裂的主要方式。有丝分裂是细胞分裂的一系列事件连续发生和发展的过程。有丝分裂持续时间约0.5~2小时，是一个连续的动态变化过程，包括细胞核分裂和胞质分裂，也是形态学变化最为丰富的时期。根据分裂细胞的形态和结构的变化，以细胞核分裂为坐标，即从细胞分裂开始到细胞核分裂的过程，通常人为地将有丝分裂划分为五个时期：CD前期；＠前中期；＠中期；＠后期；＠末期。此外，胞质分裂期则可从有丝分裂的后期启动，延续至末期。通过核分裂及胞质分裂两个过程，借助于细胞骨架的重排，有丝分裂的细胞实现了染色体及胞质在子代细胞中的均等分配。染色质凝集、纺锤体及收缩环的形成是有丝分裂活动中的三个重要的特征，也是生物长期进化的结果。蛋白质磷酸化与去磷酸化是有丝分裂中染色质凝集与去凝集、核膜解聚与重建等变化产生的分子基础（图13-1)（动画13-1“细胞分裂的动态过程及调控机制”)。


医学细胞生物学 前期前中期中期后期末期胞质分离（一）分裂前期核内染色质开始凝集 前期(prophase)细胞变化的主要特征为：染色质凝集、分裂极确定、纺锤体形成、核仁缩小解体。1染色质凝集成染色体伴随核仁缩小、消失，间期核松散染色质纤维螺旋化并发生折叠，导致染色质纤维凝集变粗变短是细胞进入有丝分裂前期的标志。在染色质凝集过程中，因染色质上的核仁组织中心组装到了所属染色体中，导致rRNA合成停止，核仁开始逐渐分解，并最终消失。


医学细胞生物学 前期前中期中期后期末期胞质分离（一）分裂前期核内染色质开始凝集 2分裂极确立和纺锤体的形成随着染色质的凝集，原来分布于细胞同一侧并巳经完成复制的两个中心体(cenu·osome)开始沿核膜外围分别向细胞的两极移动，它们最后到达的位置将决定细胞分裂极。中心体是与染色体分离相关的细胞器，每一中心体由一对中心粒(cenb.iole)及周围无定型基质所构成，这些无定型基质中包含微管蛋白、微管结合蛋白、马达蛋白以及一些与细胞周期调控有关的蛋白质。中心体是细胞的微管组织中心之一，其周围放射状分布着大噩微管，这些微管与中心体一起被合称为星体(as te1)，星体周围微管在细胞分裂中发挥重要的动力学作用，可分为三类：心极微管：极微管为两个星体之间在赤道附近重叠的微管，重叠区微管在动力蛋白的作用下相互滑动，促成星体向两级移动；＠动粒微管：动粒微管从中心体发生，另一端与染色体动粒结合，其主要作用是通过动粒微管缩短而将染色单体拉向两极；＠星体微管：星体微管位于星体周圃，游离端伸向胞质。


医学细胞生物学 前期前中期中期后期末期胞质分离（一）分裂前期核内染色质开始凝集 经细胞分裂间期已复制后的中心体完全分裂为两个，形成两个星体，星体中的马达蛋白以星体微管作为轨道，利用ATP水解提供的能址沿微管移动，牵引两个子中心体彼此分离，移向细胞的两极，最终两个星体以各自的中心体为两极形成纺锤体。纺锤体(spindle)是在分裂期出现的特化的亚细胞结构，是一种临时性的梭形细胞骨架结构，由星体微管、极微管和动粒微管纵向排列组成，由中心体作302第四筒细胞的基本生命活动为两极，因状如纺锤而得名（图13-2)。（二）分裂前中期细胞核膜崩解着丝粒中心粒前中期(prometaphase)细胞变化的主要特征为：核膜崩解、完成纺锤体的装配、染色体列队。1.核纤层降解、促发核膜崩解在前期末，因核纤层蛋白多肤链的多个位点发生磷酸化，致使核纤层降解，随后核膜破裂，形成动粒微管许多断片及小泡，分散于胞质中，在核膜重建图13-2纺锤体结构示意图时，上述小泡将成为新核膜的组分。


医学细胞生物学 前期前中期中期后期末期胞质分离（一）分裂前期核内染色质开始凝集 2纺锤体”捕捉＂染色体、完成纺锤体装配，形成有丝分裂器在前期，两个星体向两极移动，形成分裂极。在驱动蛋白以及其他微管结合蛋白的协助下，由星体发出的极微管、其游离端在赤道面处相互交叠或相互搭桥，形成纺锤体的基本架构；而星体微管与细胞质中的细胞骨架相结合，发挥稳定星体位置的作用；动粒微管与染色体主隘痕部位的着丝粒－动粒复合体结合，捕捉染色体。纺锤体（包括星体和三种星体周围微管）及与之结合的染色体共同构成有丝分裂器(mitotic apparatus)。3染色体列队前中期，纺锤体两极距离较短，赤道面直径较大，与同一条染色体相连的两极动粒微管并不等长，随着动粒微管的不断聚合与解聚，这种牵引作用造成染色体在震荡中向细胞中央赤道面移动。 （三）分裂中期染色体排列在细胞中央的赤道面 中期(metaphase)的主要特点是由千同一条染色体相连的两极动粒微管等长而达到力量平衡，导致所有染色体排列在细胞中央的赤道面上。此期染色体在形态上比其他任何时期都短粗，同时两条姐妹染色单体的臂较易分离，故特别适合千进行染色体数目、结构等细胞遗传学的研究。


医学细胞生物学 （三）分裂中期染色体排列在细胞中央的赤道面 （四）分裂后期细胞姐妹染色单体分离后期(anaphase)细胞变化的主要特征是染色体两姐妹染色单体分离并移向细胞的两极。姐妹染色单体分离的原因主要与染色体着丝粒分裂有关；姐妹染色单体原先在着丝粒处依靠粘连蛋白相连，后期粘连蛋白复合体被蛋白酶剪切而崩解，粘合力减小、消失，导致两侧动粒微管对染色单体的拉力与黏连蛋白粘合力的平衡打破，两边的拉力占上风，千是姐妹染色单体分开，而分离后的姐妹染色单体各自成为一个独立的染色体，即子代染色体。分离后形成的子代染色体以基本相同的速度向两极移动。这种移动是由纺锤体的不同微管参与的两种机制共同作用下实现的。由此可将后期分为后期A和后期B。后期A主要由动粒微管变化介导的。动粒微管解聚而缩短，促发子代染色体向两极移动。后期B主要由极微管变化介导的。在后期A的基础上，极微管聚合而伸长，通过重叠部分微管的长度的增长及彼此间的滑动，同时伴随星体微管向外的作用力，共同促成纺锤体逐步拉长，进一步促进子代染色体移向两极（图13-3)。


医学细胞生物学 （五）分裂末期细胞实现核分裂 末期(telophase)细胞主要的特点是子代细胞的核重建。随着后期末染色体移动到两极，染色体被平均分配的完成，发生了和分裂前期相反的染色体解聚的过程。两套子代染色体分别到达纺锤体两极，动粒微管消失，核膜重新形成，染色体去浓缩恢复间期染色质形态，核仁重新出现。至此，两个子代细胞的核形成，核分裂完成。（六）依靠收缩环实现胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)是指母细胞胞体一分为二的过程。一些多核细胞（如破骨细胞、骨骼肌细胞和肝细胞）只发生核分裂而无胞质分裂，因而成为多核细胞。但是在典型的有丝分裂中，胞质分裂伴随每次核分裂发生。胞质分裂通常开始于有丝分裂后期，完成于末期。1收缩环实现胞质分裂当细胞分裂进入后期末或末期初，在中部质膜的下方，出现了由大量肌动图13-3有丝分裂的后期后期A中动粒微管正端的微管蛋白发生去组装，其长度不断地缩短，由此带动染色体的动粒向两极移动；后期B中，通过极微管长度的增长、彼此间的滑动及星体微管向外的作用力，细胞两极间的距离增大，促使染色体发生极向运动蛋白和肌球蛋白聚集形成的环状结构，即收缩环(contractile ri ng)。此时胞质中的纺锤体也逐渐解体，残存的微管及一些痰泡也聚集于子代细胞核之间的细胞中部，所形成的环形致密层称为中体（图13-4)。由收缩环中肌动蛋白、肌球蛋白装配而成的微丝束，通过相互滑动使收缩环不断缢缩，直径减小，与其相连的细胞膜逐渐内陷，形成分裂沟，细胞表面出现皱皱褶；随着分裂沟不断加深，细胞逐步凹陷，当分裂沟深至中央时，一方面细胞在此发生断裂，由收缩环完成胞质分裂，另一方面通过细胞内小泡融合插入收缩环邻近的细胞膜，用于补充细胞膜，保证新分裂形成的细胞与亲代细胞具有相似的表面积。


医学细胞生物学 （五）分裂末期细胞实现核分裂 图13-4收缩环A肌动蛋白和肌球蛋白纤维形成收缩环，引起胞质分裂，生成两个子细胞；B扫描电镜显示分裂中的蛙卵细胞一些多核细胞（如破骨细胞、骨骼肌细胞和肝细胞）只发生核分裂而无胞质分裂。现已知道，分裂沟发生的时间及部位与纺锤体的位置密切相关，纺锤体的位置决定着两个子代细胞的大小，当纺锤体处于细胞中央时，细胞对称分裂，产生的两个子代细胞大小均等，成分相同。相反，不在细胞中央的纺锤体将导致细胞不均等分裂，所产生的子代细胞在大小与成分上均有差异。2.细胞器的非绝对均等分配每个子细胞必须得到母细胞中基本的细胞成分，包括各种膜性细胞器。当细胞进入有丝分裂后期，细胞器的数目或体积都大致扩增一倍，如线粒体通常其数量可在每个细胞周期中简单加倍、内质网和高尔基复合体则体积加大等，在胞质分裂阶段，各种细胞器较为均匀，但非数佩绝对均等地分配到子细胞。


医学细胞生物学 二、减数分裂 减数分裂(meiosis)是生殖细胞形成过程中的特殊有丝分裂。减数分裂的主要特征是DNA只复制一次，而细胞连续分裂两次，产生四个子代细胞，每个子代细胞中染色体数目比亲代细胞减少一半，',III.ot;成为仅具单倍体遗传物质的配子细胞。由于减数分裂只发生于生殖细胞的成熟阶段，因此又称为（性）成熟分裂。经过减数分裂，有性生殖生物配子中的染色体数目由2n变为n。受精后，配子融合形成的受精卵中染色体数又恢复为2n，由此保证了有性生殖遗传中染色体数目上的恒定。另一方面，减数分裂过程中可通过非同源染色体的自由组合，以及同源染色体的交换、重组，使生殖细胞遗传基础多样化，生物后代变异增大，对环境的适应力增强。所以，减数分裂不仅对于维持生物世代间遗传的稳定性具有重要的意义，同时也构成了生物变异及进化的基础。减数分裂的两次分裂分别称为第一次减数分裂(meosi s I，也称减数分裂I)及第二次减数分裂(meos is II，也称减数分裂II)。第一次减数分裂完成同源染色体分离，实现染色体数目减半及遗传物质的交换；第二次减数分裂与有丝分裂相似，实现姐妹染色单体分开。经过两次分裂形成4个单倍体子代细胞（图13-5)。


医学细胞生物学 细线期前期1I中期1I后期11单倍体配子减数分裂II （－）第一次减数分裂进程中细胞内发生复杂的生化和形态变化``第一次减数分裂可进一步分为前期1、中期I、后期I和末期I。1前期1减数分裂的特殊过程主要发生千前期1。其主要事件为同源染色体配对、交换与重组，随后随机分离进入两个子代细胞。通常将前期1人为划分为5个时期：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期。(1)细线期(leptote n e s tage)：此期细胞中，核及核仁的体积均增大，在分裂间期已经完成复制的染色质开始凝集，每一染色体均具有两条染色单体，但在光镜下仍呈单条细线状，染色单体的臂未完全分离，这可能因为染色体上某些DNA片段的复制尚未完成。细线状染色体通过其端粒附着千核膜上，在局部出现成串的、大小不一的珠状结构，称为染色粒。


医学细胞生物学 细线期前期1I中期1I后期11单倍体配子减数分裂II (2)偶线期(zygotene s tage)：染色质进一步凝集，分别来自父母的、形态及大小相同的同源染色体(homologous chromosome)相互靠近、配对，称为联会(syn apsis)。染色体配对从端粒处开始，同源染色体间出现若干不同部位的接触点，随后这种结合沿其长轴迅速扩展，直至同源染色体侧面紧密联第十三章细胞分裂与细胞周期会。同源染色体完全配对后形成的复合结构即为二价体(bivalent)，因其共有四条染色单体，又被称为四分体(tetrad)。在联会的同源染色体之间，沿纵轴方向形成了一种特殊的结构，称联会复合体(synaptonemal complex,SC)，在电镜下它包括三个平行的部分：侧生成分宽约20~40nm，位千复合体两侧，电子密度较高，其外侧为同源染色体DNA。两侧生成分之间电子密度较低的区域为中间区，宽约100nm，其中央为电子密集的中央成分，宽约30nm。侧生成分与中央成分之间存在横向排列的纤维，三者大致呈直角相连，每个横向纤维之间距离约20~30nm，因而使联会复合体像一条“拉链”将同源染色体连接在一起（图13-6)。联会复合体主要由蛋白质、RNA及少量DNA组成。联会复合体是同源染色体配对过程中细胞临时生成的特殊结构，对千同源染色体配对、交换与分离均发挥重要作用。联会复合体的形成中还可能有DNA的参与，偶线期细胞中存在0.3％的DNA合成，称为Z-DNA，如抑制其合成，联会复合体的组装将受到阻止。联会复合体的形成对于稳定二价体中同源染色体紧侧生成分密的配对有重要意义。在联会起始阶段，当染色质凝集程度较低时，同源染色体之间主要通过其特定位点上碱基间的互补进行接触。当联会复合体随着染色质进一步的凝集逐渐形成，其组成中加入了某些单链DNA序列以及蛋白质序列识别分子，由此构成一个有组织的网络，从而促使了同源染色体之间的配对进一步发展，直至完成。


医学细胞生物学 细线期前期1I中期1I后期11单倍体配子减数分裂II (3)租线期(pachytene stage)：粗线期持续时间较长，可达几天甚至几月。通过联会紧密结合在一起的两图13-6联会复合体的结构条同源染色体，进一步地凝集而缩短、变租，同源染色体联会复合体在结构上由三个平行的部分组间出现染色体段的交换及重组，因此，该期又称为重组成，即位于两侧的电子密度较高的侧生成期。联会复合体中央出现一些椭圆形或球形、富含蛋白分，以及两侧生成分之间的中央成分质及酶的棒状结构，称为重组结(recombination nodule),多个重组结相间地分布千联会复合体上，将同源非姐妹染色单体的DNA相对区域结合在一起，发生活跃的DNA片段交换事件，导致基因重组。在粗线期，除合成减数分裂期特有的组蛋白外，同时合成少部分DNA，称为P-DNA，主要编码与DNA剪切和修复相关的酶，在重组过程中发挥DNA修复等作用。


医学细胞生物学 细线期前期1I中期1I后期11单倍体配子减数分裂II (4)双线期(di plotene stage)：双线期持续时间长短变化较大，一般持续时间较长。例如，两栖类卵母细胞的双线期可持续近一年。作为临时性亚细胞结构的联会复合体在双线期发生去组装，逐渐趋千消失，紧密配对的同源染色体相互分离。同源染色体的大部分片段分开，但仍在非姐妹染色单体之间的某些部位上，残留一些接触点，称为交叉(chiasma)（图13-7)。交叉被认为是粗线期同源染色体交换的形态学证据。同源染色体的交叉部位和数萤与物种、细胞类型、染色体长度等有关，一般每个染色体至少有一个交叉；染色体较长，交叉也较多。人类平均每对染色体的交叉数为2~3个。随着双线期的进行，交叉点逐渐移向染色体两端，数目也由此减少，这种现象称为交叉端化(chiasma terminali za tion)。(5)终变期(diakinesis stage)：同源染色体进一步凝集，核仁消失，交叉端化继续进行。终变期末，同源染色体仅在其端部靠交叉结合在一起，同源染色体重组完成。核膜逐渐解体，纺锤体装配完成，在其作用下染色体开始移向细胞中部的赤道面上。终变期结束标志着前期I完成。


医学细胞生物学 细线期前期1I中期1I后期11单倍体配子减数分裂II 2中期I以端化的交叉连接在一起的同源染色体即四分体，向细胞中部汇集，最终排列于细胞的赤道面上，通过动粒微管分别与细胞不同极相连，每个二价体的两个动粒分别位于赤道面的两侧，各自面向相对两极，而一侧纺锤体动粒微管只连接于同侧的动粒上，由此决定二价体中每条染色306第四篇细胞的基本生命活动3.后期I由千每个同源染色体的两条姐妹染色单体共有一个着丝粒和动粒，受纺锤体微管的牵拉作用，同源染色体彼此分离，而姐妹染色单体并不分开，包含两条姐妹染色单体的同源染色体开始分别移向细胞的两极，结果导致每极的染色体数为细胞原有染色体数的一半，所以，后期1是减数分裂中染色体减半的关键时期。同时，同源染色体向两极的移动是随机的，因此，非同源染色体之间以自由组合的方式进入两极，有利于生物变异与进化。


医学细胞生物学 细线期前期1I中期1I后期11单倍体配子减数分裂II 4.末期1细胞在末期I存在两种类型的变化：O类似有丝分裂末期，在到达细胞两极的染色体去凝集，逐渐成为细丝状的染色质纤维，核仁和核膜重新出现，胞质分裂后，两个子代细胞形成。＠某些生物在末期1，细胞中的染色图13-7同源染色体交叉、重组体不发生去凝集，而依然保持凝集状态，直至胞质分裂形成两个子细胞。（二）第一次减数分裂后出现短暂的间期与有丝分裂间期相比，减数分裂间期通常持续时间较短，不发生DNA合成，无染色体复制，甚至某些生物没有间期，第一次减数分裂结束后，直接进入第二次减数分裂。（三）第二次减数分裂与有丝分裂过程相似第二次减数分裂过程与有丝分裂基本相同，可分为前期II、中期II、后期II、末期II、胞质分裂等5个时期。1前期II末期1松散的染色体重新凝聚，核仁消失，核膜崩解，纺锤体再次形成，染色体逐渐向细胞中央的赤道面移动。在第二次减数分裂结束时，一个亲代细胞共形成4个子代细胞，各子代细胞中染色体数目与分裂前相比，均减少了一半，子代细胞间在染色体组成及组合上也存在差异，这些变化主要在第一次减数分裂中完成。


医学细胞生物学 细线期前期1I中期1I后期11单倍体配子减数分裂II 与有丝分裂相比，同源染色体的配对是减数分裂的显著特征。配对导致母方染色体上某一片段与同源的父方染色单体相应的片段发生互换。在染色体交叉互换过程中，母方的染色单体和同源的父方的染色单体上DNA的双螺旋结构都是打开的，这有利千在两条非姊妹染色单体间进行某一片段的相互交换，这一过程就是遗传重组。这种同源非姊妹染色单体间的交叉互换增加了后代细胞中的基因类型。在减数分裂过程中，性染色体也要配对。雌性哺乳动物有两条X染色体，它们能够像其他同源染色体那样配对。但是雄性个体有一条X染色体和一条Y染色体，它们不是同源染色体。有证据表明，在减数分裂前期I也能发生X染色体与Y染色体同源区域的配对及交叉互换，因为在X染色体和Y染色体的末端存在一个小的区域，两者的这个区域是具有同源性的。这种配对、交叉保证X和Y染色体可以连接在纺锤体上，便千染色体分离，结果只产生两种类型的精子，即含有X染色体的精子和含有Y染色体的精子。


医学细胞生物学 第十三章细胞分裂与细胞周期减数分裂与有丝分裂之间的联系和区别小结如下（表13-1)。有丝分裂减数分裂发生范围体细胞生殖细胞分裂次数2分裂过程 前期无染色体的配对、交换、重组有染色体的配对、交换、重组（前期I)中期二分体排列于赤道面上，动粒微管与染四分体排列于赤道面上，动粒微管只与染色体的色体的两个动粒相连一个动粒相连（中期I)后期染色单体移向细胞两极同源染色体分别移向细胞两极（后期I)末期染色体数目不变染色体数目减半（末期I)分裂结果子代细胞染色体数目与分裂前相同，子子代细胞染色体数目比分裂前少一半，子代细胞代细胞遗传物质与亲代细胞相同遗传物质与亲代细胞及子代细胞之间均不相同分裂持续时间一般为1~2小时较长，可为数月、数年、数十年无丝分裂(amitosis)又称为直接分裂(direct division)，是最早发现的一种细胞分裂方式。无丝分裂过程中，间期细胞核经复制后直接分裂成大小基本相等的两部分，期间不形成染色体和纺锤体，核膜也不消失，由亲代细胞直接断裂形成子代细胞，因此，两个子代细胞所获得的遗传物质和其他胞质成分并不一定是均等的，无丝分裂中细胞维持其遗传稳定性的机制目前仍不清楚。


医学细胞生物学 第十三章细胞分裂与细胞周期减数分裂与有丝分裂之间的联系和区别小结如下（表13-1)。有丝分裂减数分裂发生范围体细胞生殖细胞分裂次数2分裂过程 无丝分裂是低等生物细胞增殖的主要方式，但也存在千高等生物的组织细胞，例如动物的上皮组织、疏松结缔组织、肌组织及肝脏等细胞。另外，创伤、癌变及衰老的细胞中也能进行无丝分裂，无丝分裂具有能量消耗少、分裂迅速、分裂中细胞仍可执行其功能等特点，其快速性与便捷性有利千细胞应激并适应外界环境变化。 第二节细胞周期及其调控 通过细胞周期，实现细胞生长、细胞分裂前DNA复制以及细胞分裂。细胞周期的演进具有高度精确性，包括细胞周期事件发生的严格时序性、遗传物质复制的精确性以及分配的均等性等。细胞周期的规律性是由一套复杂的调控系统决定的，各种环境因素均可影响该系统的功能。


医学细胞生物学 —、细胞周期的概念, 地球上所有生物，从单细胞到哺乳动物，均是通过重复的细胞生长和分裂而维持生存和保待物种延续的。一个细胞经过一系列生化事件，复制其组分，然后一分为二，形成两个子细胞，这种周而复始的循环连续过程，即为细胞周期(cell cycle)。通常，我们将从一次细胞分裂结束开始，经过物质准备，到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期。细胞周期具有高度精确的特性，首先必须实现细胞分裂前遗传物质的精确复制，进而通过细胞分裂确保子细胞遗传物质的精确分配。细胞周期可分为有丝分裂期(mitosis)和分裂间期(interphase)两个基本的部分。其中，有丝分裂期又称为M期，而分裂间期则分为G1期、S期和G2期。绝大多数真核细胞，细胞周期严格按照“间期(G,-S-G2)-M－间期”的规律连续循环。细胞分裂期(M期）与DNA复制合成时期(S期）是整个细胞周期的两大关键环节，G1和也期最主要的任务就是通过合成大量特定蛋白质，储存能量及其他物质，细胞体积增大，促进细胞生长，分别为DNA复制和细胞分裂做好准备（图13-8)。


医学细胞生物学 —、细胞周期的概念, 同种细胞之间，细胞周期长短基本相同，但在机体的不同发育阶段和不同种类的细胞中细胞周期心（（1}308第四篇细胞的基本生命活动持续分裂的细胞持续时间差别很大，例如芽殖酵母的细表皮细胞、肠道上皮细胞胞周期仅90分钟，受精卵早期的细胞周期可能短千30分钟。M期持续时间DNA复制很短，而间期占据了细胞周期的95%s以上的时间。就高等生物而言，细胞周期的长短主要取决于GI期长短，而S期、也期与M期时间总体恒定。典型的快速增殖的人体细胞的细胞周期时暂不分裂肝细胞的细胞间大约24小时，其中G I期约11小时，S期约8小时，化期4小时，M期1小不再分裂的细胞时，因此，间期中的GI期，是影响细胞神经元、心肌细胞周期时间的关键（表13-2)。G I期的时图13-8细胞周期示意图间长度与G I期细胞中的某些特殊的mRNA及蛋白质的积累相关。此外，激震生长因子等环境因素也能影响细胞周期长短，如环境温度高千39°C或低千36°C，细胞周期各时相的时间将随之按比例地变化。


医学细胞生物学 细胞类型Tc T G1飞T G2+M 人结肠上皮细胞25.09.014.02.0直肠上皮细胞48.033.010.05.0胃上皮细胞24.09.012.03.0骨髓细胞18.02.012.04.0大鼠十二指肠隐窝细胞10.42.27.01.2内釉质上皮细胞27.316.08.03.3淋巴细胞12.03.08.0l.0肝细胞47.528.016.03.5精原细胞60.018.024.515.5+2.0小鼠小肠隐窝上皮细胞13. I4.66.9l.0+0.7十二指肠上皮细胞10.3I.37.51.5结肠上皮细胞19.09.08.02.0皮肤上皮细胞101.087.011.822.18乳腺上皮细胞64.037.721.73+1.6注：飞为细胞周期；Tc,、Ts、TG2•'1分别为G,、S期、G2/M期的时间依据细胞增殖及细胞周期特性，可将多细胞生物中的细胞群体分为三类：CD周期细胞(cycling cell)：这类细胞持续分裂、增殖，细胞周期持续循环，如上皮组织的基底层细胞。＠终末分化细胞：一类分化程度高的细胞，待其分化成熟，将不再分裂，细胞周期因此终止，包括神经元、大掀横纹肌细胞、红细胞等。＠G。期细胞，又称静止细胞(qui escen t cell)：这类细胞暂时性终止细胞周期，停止细胞分裂，但是一旦需要，乌期细胞可快速返回正常细胞周期，实施分裂增殖，如在一般情况下，处于不分裂的静息”休眠”状态的皮肤成纤维细胞和肝实质细胞，在需要替换损伤或死亡的细胞时可迅速出现分裂增殖。


医学细胞生物学 细胞类型Tc T G1飞T G2+M  第十三章细胞分裂与细胞周期309二、细胞周期各期的主要特征(-)G1期是DNA复制的准备期 GI期细胞围绕两大主要活动：心细胞生长；＠为细胞进入S期做准备。GI期细胞的主要特征为细胞体积增大，细胞体积与质量都比上一次分裂结束时约增加一倍，同时呈现极为活跃的物质代谢特点。1.大量RNA和蛋白质合成合成S期DNA复制起始与延伸所需的酶类，如DNA聚合酶，也包括G期向S期转换过程中起重要作用的一些蛋白质，如：触发蛋白、钙调蛋白、细胞周期蛋白、抑素等。2.蛋白质磷酸化细胞中发生了多种蛋白质的磷酸化，如组蛋白、非组蛋白及某些蛋白激酶的磷酸化。促进GI晚期染色体结构发生改变，有利千S期DNA合成。3细胞膜物质转运加强细胞对氨基酸、核昔酸、葡萄糖等小分子营养物质摄入量增加，保证了G期中进行的大量生化合成有充足的原料。此外，细胞对一些可能参与GI期向S期转变的调控物质的转运也增加，cAMP含量在GI早期增加迅速，K＋可因Na+-K飞TP酶活性在GI期发生短暂的升高而大量流入细胞。


医学细胞生物学 第十三章细胞分裂与细胞周期309二、细胞周期各期的主要特征(-)G1期是DNA复制的准备期 GI期是经典细胞周期进入增殖分裂期循环中的第一期，在推动整个细胞周期演进中发挥重要的始发作用。G期起始依赖于细胞外生长和分裂的信号刺激，如相关生长因子，随着GI期演进，当物质合成与准备足够充足，将通过GI晚期阶段的一个特定时相位点，这个位点在酵母中称为起始点(st釭ter)，在哺乳动物细胞称为限制点(restriction point, R点）。GI期细胞一旦通过此点，将启动细胞G I期向S期演进。GI细胞如果通过此限制点，将不受生长因子控制，即使在缺少生长因子的条件下，细胞仍然会进入S期，进而完成后续细胞分裂增殖。（二）S期中完成DNA复制S期是细胞周期进程中非常重要的一个阶段，此期细胞主要的特征是DNA复制，合成组蛋白及非组蛋白等染色质蛋白，新合成DNA到染色质结构的组装。


医学细胞生物学 第十三章细胞分裂与细胞周期309二、细胞周期各期的主要特征(-)G1期是DNA复制的准备期 细胞由GI期进入S期时，DNA合成所需的酶类，如DNA聚合酶、DNA连接酶、胸腺I密唗核昔激酶、核昔酸还原酶等含量或活性显著增高。DNA复制遵循严格的时间顺序。通常，早复制的多为GC含量较高的DNA序列，而晚复制的DNA序列AT含量较高。常染色质的复制在先，异染色质复制在后，如女性失活的X染色体最后复制。


医学细胞生物学 第十三章细胞分裂与细胞周期309二、细胞周期各期的主要特征(-)G1期是DNA复制的准备期 S期是组蛋白合成的主要时期，进入S期后，组蛋白mRNA水平可增加50倍，新合成的组蛋白迅速进入胞核，与已复制的DNA结合，组装成核小体，进而形成具有两条单体的染色体。组蛋白的合成与DNA复制是同步进行、相互依存的。伴随着DNA的复制，胞质中组蛋白mRNA大量增加，当DNA复制在S期末完成，组蛋白mRNA也在短时间发生大佩的降解。如果S期DNA复制被胫基脉、阿糖胞昔等物质抑制，细胞中组蛋白mRNA的水平也将发生并行性降低，组蛋白合成由此停止。反之，用环己亚胺、嗦呤霉素、吐根碱等抑制S期组蛋白质的合成，DNA的合成速率会迅速降低，进而在数秒钟内停止。S期组蛋白合成后进一步发生磷酸化、乙酰化、甲基化等修饰，有助于基因转录和染色质凝集。中心粒的复制开始于GI期，完成于S期。首先是相互垂直的一对中心粒彼此发生分离，然后各自在其垂直方向形成一个子中心粒，所形成的两对中心粒将作为微管组织中心，随着细胞周期进程的延续，在纺锤体微管、星体微管等的形成中发挥作用。


医学细胞生物学 第十三章细胞分裂与细胞周期309二、细胞周期各期的主要特征(-)G1期是DNA复制的准备期 （三）G2期是细胞分裂的准备期G2期细胞主要特点是为进入M期做准备，主要大量合成一些与M期结构和功能相关的蛋白质，如合成M期组装纺锤体必需的微管蛋白；对核膜破裂、染色体凝集有重要作用的细胞周期调控因子，310第四篇细胞的基本生命活动如成熟促进因子等。在化期，S期已复制的中心粒此时体积逐渐增大，开始分离并移向细胞两极。（四）M期中细胞进行分裂M期是细胞分裂期，细胞通过分裂将染色体遗传物质平均分配到两个子细胞，细胞在M期有丰富而显著的形态学变化规律与特点，包括染色体凝集后姐妹染色单体分离、核膜崩解与重建、纺锤体形成与消失，收缩环出现与胞质分裂等。


医学细胞生物学 三、细胞周期的调控 细胞周期的演进具有高度精确性，包括细胞周期事件发生的严格时序性、遗传物质复制的精确性以及分配的均等性等。细胞周期调控是一个精细复杂的过程，依赖于复杂的细胞周期调节蛋白网络，即细胞周期调控系统。细胞周期调控系统的基本构成在从酵母到人类的所有真核细胞中高度保守，其本质为一系列生化反应的有序发生。细胞周期调控系统发挥强大可靠的分子开关作用，特定的生化反应能够在特定的细胞周期起始时被激活，随即在该细胞周期事件结束时被灭活，从而使各细胞周期能够在正确的时间，以正确的顺序，程序性开始和结束。同时，细胞周期调控系统能够对细胞内外信号产生应答，细胞外蛋白质或生长因子作用于细胞周期调控系统，可实现其对细胞周期的多因子、多层次调控。


医学细胞生物学 三、细胞周期的调控 （一）细胞周期蛋白与细胞周期蛋白依赖激酶构成细胞周期涸控系统的核心细胞周期蛋白(cyclin)为全酶调节亚基，细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase, Cdk)为催化亚基，不同cyclin选择性结合特定Cdk，两者结合后Cdk呈现激酶活性，不同的Cdk进而通过磷酸化一系列特定的底物，实现不同细胞周期进程及转换（动画13-2"Cyclin与CDK是细胞周期向前行进的动因“)。1细胞周期蛋白cycli n是真核细胞中的一类蛋白质，它们能随细胞周期进程周期性地出现（合成）及消失（降解）。cyclin通过选择性与Cdk结合，形成复合物，通过介导Cdk激活过程而参与细胞周期的调控。真核生物的细胞周期蛋白是一些功能相似的同源蛋白，种类多达数十种，酵母中有Cln l-3、Clbl6心g等，而哺乳动物的周期蛋白则包括cyclin A-H及cyclin T等九大类，而每大类则可包含多种蛋白，如存在三种具有组织及细胞特异性的cyclinD，即cyclin D1-3。


医学细胞生物学 三、细胞周期的调控 依据出现及发挥作用的细胞周期阶段，可以将细胞周期蛋白分为4类：心GI期细胞周期蛋白：cyclin D;(2)G/S期细胞周期蛋白：cyclin E;@S期细胞周期蛋白：cycli n A;@M期细胞周期蛋白：cyclin B。不同的cycli n在分子结构上存在共同的特点，即均含有一段氨基酸组成保守的细胞周期蛋白框（图13-9)。该保守序列含约100个氨基酸残基，可介导cycli n与Cdk结合而形成复合物，参与细胞周期的调控。在S期及M期cycl i n分子中还存在一段被称为破坏框的特殊序列，由9个氨基酸残基构成，位千蛋白质分子的近N端，可通过多聚泛素化～蛋白酶体途径介导cyclin A、B的快速降解。GI期周期蛋白虽然分子结构虽不具破坏框，但也可通过其C端的一段PEST序列的介导，发生降解。2细胞周期蛋白依赖性激酶Cdk为一类必须与细胞周期蛋白结合后才具有激酶活性的蛋白激酶，通过磷酸化多种细胞周期相关蛋白，可在细胞周期调控中发挥关键核心作用。现已被鉴定的Cdk为Cdk1-8。在不同的Cdk分子结构中，均存在一段相似的激酶结构域，其中有一小段序列具高保守性，是介导激酶与周期蛋白结合的区域。在细胞周期的各阶段，不同的Cdk通过结合特定的周期蛋白，使相应一系列的蛋白质磷酸化，由此引发或控制细胞周期的一些主要事件。因细胞周期进程中cyclin可不断地被合成与降解，Cdk对蛋白质磷酸化的作用也因此呈现出周期第十三章细胞分裂与细胞周期311G翡］S期Q期M期图13-9细胞周期蛋白框(A)和Cyclin周期性变化(B)性的变化（表13-3)。表13-3细胞周期中—些主要的Cdk与cyclin的结合关系及作用特点以Cdk为核心的细胞周期调控系统是细胞周期事件发生时序性和协调性的根本保证，因此Cdk的活性调节就是细胞周期调控的关键环节。为保证其精准性，细胞从多个层面正、反调控Cdk激酶活性，其中发挥主导作用的调控方式主要为：心Cd k与特定cycli n结合；(2)Cdk多重磷酸化／去磷酸化修饰；＠Cdk与Cdk抑制因子(CKI)结合。


医学细胞生物学 三、细胞周期的调控 (1)Cdk与周期蛋白结合是Cdk活化的基本条件：Cdk激活必须首先与细胞周期蛋白结合。周期蛋白与Cd k结合可通过改变Cd k空间构象，暴露出Cd k与底物结合的激酶催化活性位点，从而部分激活Cd k活性。在裂殖酵母中，处于非磷酸化状态的无活性Cdk分子中含有一个弯曲的环状区域，称为T环，该结构将Cd k的催化活性部位入口封闭，阻止了蛋白底物与催化活性部位结合。当非磷酸化312第四篮细胞的基本生命活动图13-10Cdk与cycl in结合无活性的Cd k分子中含有一弯曲的T环结构，将C dk的袋状催化活性部位入口封闭，阻止了蛋白底物对活性位点的附着；Cdk与cyclin结合使T环结构移位、缩回，Cdk底物附着位点由此转向其袋状催化活性部位分布，Cdk具有了部分活性；Cdk完全激活还需要T环上的特定位点发生磷酸化的Cdk与cyclin结合后，cyclin与T环彼此间发生强烈的相互作用，引起T环结构位移，催化活性部位入口打开，活性位点暴露（图13-10)。


医学细胞生物学 三、细胞周期的调控 哺乳动物的C KI可被分为CIP/KIP及INK4两大家族，属CIP/KIP家族成员的CKI有p21e,pl/IVaf1、图13-11多重磷酸化对Cdk1活性的影响Cdk l的三个氨基酸残基位点Thr16l(TJ61)、Tyr15和Thrl4的磷酸化状态与其活性密切相关。Thrl6I位于T环上，在其磷酸化后，cyclin-Cdk－复合物与底物的结合能力明显增强；Tyrl5、Thr14存在于Cdk l与ATP结合的区域，其磷酸化发生于Thr161之前；当Thr161被磷酸化后，Tyrl5、Thrl4再发生去磷酸化，第十三章细胞分裂与细胞周期313p27凡pl、p57Kip等，而INK4家族成员则包括pl61NK4、plS INK4、p]8I N K4等。CIP/KIP家族p27Kipl，主要通过与cycl inB-Cdk2复合物结合，改变活性位点空间位置，从而抑制Cdk2活性。INK4两大家族则能通过特异性结合Cd k4和Cdk6，降低与底物结合的亲和力。


医学细胞生物学 （二）cyclin-Cdk复合体对细胞周期的核心洞控 cycl in-Cdk复合物是细胞周期调控体系的核心，直接掌控细胞周期各时相的有序运转。作为驱动力，cycl in的周期性的表达及降解，将直接引发cycl in-Cdk复合物周期性的表达及降解，导致不同Cdk分子激酶活性在特定时相的顺序激活，由于不同Cdk激酶控制下的底物不同，而不同系列磷酸化修饰的底物将作为最终执行者，引发细胞周期进程中特定细胞事件的出现，并促成了GI期向S期、G2期向M期、中期向后期等关键过程不可逆的转换，1. Cyclin D-Cdk4/6、Cyclin E-Cdk2复合物顺序启动G1/S期转化G I期细胞在外界生长因子等促有丝分裂原刺激下，G期细胞cyclin D表达增强，cyclin D-Cdk4/6复合物促进细胞生长，当cyclin D-Cdk4/6积累到一定程度时，活化的Cdk4/6通过磷酸化Rb蛋白，使其失活，释放与Rb蛋白结合而被抑制的转录因子E2F,E2F恢复活性，从而启动S期相关基因转录，随着在G,晚期(G l/S期）cycli n E表达的上升，cycl in E-Cdk2复合体逐渐增多，活化的Cdk2则进一步激活E2F（正反馈）以及其他一些转录因子，与DNA复制相关基因的表达启动，从而使细胞跨过GI期限制点，产生DNA合成所需的酶与蛋白质，为细胞进入S期做准备（图13-12)。


医学细胞生物学 （二）cyclin-Cdk复合体对细胞周期的核心洞控  正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5 cyclinA-Cdk2复合物利用其激酶活性可使与DNA复制起始相关的预复制复合体的某些位点发生磷酸化，预复制复合体由此被激活，DNA合成开始启动。此外，cyclinA-Cdk2复合物还可通过磷酸化作用，激活预复制复合体中的某些DNA解旋酶的功能，通过解离DNA双链，促进与DNA合成相关\,」1a,314第四篇细胞的基本生命活动解旋酶\.,.t;;,\o'o ORC磷酸化｛P,勹铭新的DNA复制起始点识别复合物结合到DNA复制起始点的酶，如DNA聚合酶等与单链DNA结合，启动DNA复制（图13-l3)。


医学细胞生物学 正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5 (2)cyclin A-Cdk2复合物保障DNA只能复制一次：在DNA复制启动后，在cyclinA-Cdk2复合物作用下，Cdc6从ORC上解离，引起预复制复合体去组装，这种机制确保在原复制起始点上DNA将不能再次进行复制。cyclinA-Cdk2复合物还可进一步对组成预复制复合体的蛋白质进行磷酸化，导致其降解或向核外转运，阻止了预复制复合体在其他复制起始点的重新聚合装配，使DNA复制不会再启动。cyclinA-Cdk2复合物通过上述机制，保证了S期细胞DNA只能复制一次，cyclinA-Cdk2复合物的这一作用能继续维持到化及M期，因此直至有丝分裂后期染色单体彼此未发生分离前，DNA均无法再进行复制（动画13-3“细胞分裂与细胞周期中DNA只复制一次的分子机制”)。


医学细胞生物学 正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5 3. cyclinB-Cdk1启动G2/M期转换G2晚期形成的cyclinB-Cdk1复合物在促进化期向M期转换的过程中起着关键作用，该复合物又被称为成熟促进因子(maturat ion promoting factor, MPF)，意为能促进M期启动的调控因子。MPF最早发现千20世纪70年代由R. T. Johnson和P. N. Rao所进行的细胞融合实验中。他们用人工方法诱导体外培养的M期及间期HeLa细胞发生融合，结果发现无论融合的间期细胞处于细胞周期何种阶段，其核中染色质均会出现早熟凝集(premature chromosome condensation, PCC)，并都能向M期转换。此研究提示，在M期细胞中可能分布有能促进染色质凝集及有丝分裂发生的因子。


医学细胞生物学 正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5 Y. Mas u]等(1971)将经孕酮处理的成熟非洲爪赡卵细胞胞质显微注射到未成熟的、处千立期的爪蟾卵母细胞中，后者可被诱导向M期转化，进而成熟。据此他们认为，在成熟卵细胞胞质中必定存在一种能促进G2期卵母细胞进入M期，发育成熟的物质，并将其命名为MPF。由于MPF在细胞中稳定性较差，在它被发现后的许多年间，人们一直致力于其纯化及鉴定工作。现已证实，从酵母到哺乳动物的细胞中均有MPF的分布，柱层析结果表明，MPF是由32000和45000两种蛋白质亚基组成的异二聚体，前者为细胞周期蛋白依赖激酶Cdk1，后者即为cyclinB。在也晚期，MPF活性发生显著的升高，此时cyclinB的表达达到峰值，Cdk1与其结合后，Cdk1活性由此被激活。MPF活性增高，促进了伍期向M期的转换。4. M期中cyclinB-Cdk1复合物的作用M期细胞在形态结构上所发生的变化以及中期向后期、M期向下一个GI期的转换均与MPF相关。


医学细胞生物学 正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5 (1)MPF促进染色体凝集：在细胞分裂的早、中期，MPF可通过磷酸化组蛋白H1上与有丝分裂彸，1，有关的特殊位点诱导染色质凝集启动有丝分裂。MPF也可直接作用于染色体疑集蛋白，散在的DNA分子结合于磷酸化的凝集蛋白上后，沿其表面发生缠绕、聚集，介导了染色体形成超螺旋化结构，进而发生凝集。(2)MPF促进核膜崩解：核纤层蛋白(lamin)也是MPF的催化底物之一，lamin经MPF作用后，其特定的丝氨酸残基可发生高度磷酸化，由此引起核纤层纤维结构解体，核膜破裂成小泡。(3)MPF促进纺锤体的形成：MPF可对多种微管结合蛋白进行磷酸化，进而调控细胞周期中微管的动态变化，使微管发生重排，促进纺锤体的形成。


医学细胞生物学 正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5 (4)MPF促进姐妹染色单体的分离：中期姐妹染色单体在着丝粒部位依靠粘连蛋白复合体（主要由Seel和Smc组成）相连，粘连蛋白被分离酶(sep釭ase)分解而导致染色单体粘合力下降或消失，是姐妹染色单体分离的首要机制。在有丝分裂后期前，由于分离酶与分离酶抑制蛋白(securin)结合，分离酶呈现无活性状态，保障姐妹染色单体相连；在中期较晚阶段，作为泛素连接酶之一的后期促进因子(anaphase-promoting complex, APC)可在MPF作用下开始发生磷酸化，进而与Cdc20结合而被激活，随后将引起分离酶抑制蛋白发生多聚泛素化反应，最终被降解，分离酶由此被释放、活化，在其作用下，姐妹染色单体之间的凝集力丧失而丝粒发生分离，在纺锤体微管的牵引下，分别移向两极，细胞进入后期阶段（图13-14)。M期CDK磷酸化APC CDC20结合APC扁无活性的分离酶分离酶抑制蛋白－矗生一』一：云；素化途径颐,有活性的分离酶-.


医学细胞生物学 正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5 有丝分裂中期粘连蛋白复合体分离酶分解粘连蛋白复合体有丝分裂后期在有丝分裂中期末，后期促进因子(APC)被MPF磷酸化后激活，致使securin蛋白经多聚泛素化反应被降解，分离酶(separase)被释放、活化，进而降解See l蛋白，粘连蛋白复合体解体，姐妹染(5)MPF失活促进有丝分裂末期进程：随着有丝分裂后期进程，cycl i nB经多聚泛素化途径被降解，MPF解聚而失活，促使细胞转向末期，此时细胞中因失去了MPF的活性作用，磷酸化的组蛋白、核纤层蛋白等可在磷酸酶作用下发生去磷酸化，染色体重新开始凝集、核膜也再次组装，子代细胞核逐渐形成。MPF激酶活性降低，也促进了胞质分裂发生。随着后期MPF的失活，磷酸酶使肌球蛋白去磷酸化而活性恢复，肌球蛋白与肌动蛋白相互作用使收缩环不断缢缩直至细胞质发生分裂经典实验：MPF的发现20世纪60年代进行的核移植与细胞融合实验揭示，若将细胞核转移至处于有丝分裂不同阶段的细胞中，该细胞核会逐渐适应宿主细胞的行为，这说明细胞核的有丝分裂活性是由细胞质调节的。然而，虽然当时已经推测细胞中存在着能调节细胞核有丝分裂活性的胞质因子，但并没有办法用直接的实验加以证实。直到20世纪70年代，Y. Masu]与C. L M扣·kert通过研究非洲爪蛛卵母细胞减数分裂时胞质因子对细胞核行为的调节作用，才确认了这类胞质因子的存在。前有实验已经表明，爪蟾卵母细胞的减数分裂阻带在G2期（即笫一次减数分裂的分裂前期），用激素孕酮处理此期的爪瞻卵母细胞，可触发减数分裂的恢复，此过程相当于体细胞从G2期向M期转换。随后，卵母细胞继续发育并阻带在笫二次减数分裂中期直至受精。于是Masui与Markert猜测，孕酮和受精在减数分裂过程中的效应均是因为细胞质发生了文化，这些,胞质的变化调节了细胞核的活性。实验中，他们通过将激素刺激后的卵母细胞的细胞质转移;到未经刺激的卵母细胞中，直接证实了这个假说。实验证明，经激素处理后卵母细胞中的一种,胞质因子可诱导卵母细胞减数分裂的初始，Masu]与Markert将其命名力成熟促进因子(MPF)。


医学细胞生物学 正反馈活化的Rb蛋白活化的E2F蛋白CyclinE.-DNA合成Ill\\\一S期基因转录一-CyclinA失活的E2F蛋^＾失活的Rb蛋白..5


医学细胞生物学 以上四种细胞周期检测点的特点及作用机制总结见表13-4。检测点类型作用特点与作用相关的主要蛋白质 未复制DNA检测点监控DNA复制，决定细胞是否进入M期ATR、Chk l、Cdc25、cyclin A/B-Cdkl纺锤体组装检测点监控纺锤体组装，决定细胞是否进入后期Mad2、APC、securin染色体分离检测点监控后期末子代染色体在细胞中的位置，决定细Teml、Cdcl4、M期cyclin胞是否进入末期及发生胞质分裂DNA损伤检测点监控DNA损伤的修复，决定细胞周期是否继续ATM/ATR、ChKl/2、p53、Cdc25、进行cyclin El A-Cdk2（四）多种因素与细胞周期调控密切相关1.生长因子生长因子(growth fac t or)是一类由细胞自分泌或旁分泌产生的多肤类物质，在与细胞膜上特异性受体结合后，经信号转换及多级传递，可激活细胞内多种蛋白激酶，促进或抑制细胞周期进程相关的蛋白质表达，由此可参与对细胞周期的调控。生长因子的作用为细胞周期正常进程所必需。处于G，早期的细胞，若缺乏生长因子的刺激，将不能向S期转换，进而脱离细胞周期，进入静止状态，成为G。期细胞。细胞周期被细胞外信号调控的例子是生长因子对动物细胞增殖的效应。此外在细胞周期进程中，细胞周期的不同阶段，例如细胞生长、DNA复制和有丝分裂必须是协同的。


医学细胞生物学 以上四种细胞周期检测点的特点及作用机制总结见表13-4。检测点类型作用特点与作用相关的主要蛋白质 能影响细胞增殖及调控细胞周期的生长因子有多种，常见的如：表皮生长因子(epidermal growth,,. factor, EGF)、血小板衍生生长因子(p l atele t-derived growth factor, PDGF)、转化生长因子(transforminggrowth factor, TGF)、白介素(interleukin, IL)等，这些因子对细胞周期的主要作用阶段均在G,期与S期，可剌激或抑制静止期细胞进入G期或S期。不同的因子在淜控的具体时段上存在差异，PDGF的调节点一般在G，期以前的G。向G,期转变过程中。EGF、IL、TGF-a, TGF-~的调节点则在G,期向S期转换过程中。


医学细胞生物学 以上四种细胞周期检测点的特点及作用机制总结见表13-4。检测点类型作用特点与作用相关的主要蛋白质 一种细胞的细胞周期可受到多种生长因子的调控，而同一种生长因子又可作用于多种类型细胞的增殖过程，并随细胞类型的不同，作用效应也表现出差异。如TGF-~对细胞增殖是促进还是抑制，取决于所作用的细胞类型，就大多数类型细胞而言，TGF-~在细胞周期中具有抑制细胞分裂的作用，而对少数间质来源的细胞，如成骨细胞，TGF-~却表现为促进细胞分裂。生长因子对细胞周期的调控效应还与生长因子浓度及其与受体的亲和性相关，当生长因子浓度升高或与受体亲和性增强，对细胞周期的调控作用将得到促进。2抑素抑素(chalone)是一种由细胞自身分泌的，能抑制细胞周期进程的糖蛋白，通常分布于其发挥作用的特异性组织中。抑素主要在G，期末及化期对细胞周期产生调节作用，在G，期发挥作用的抑素通常被称为S因子，能阻制G，期细胞进入S期。在化期起作用的抑素又称为M因子，能抑制G2期细胞向M期的转变。


医学细胞生物学 以上四种细胞周期检测点的特点及作用机制总结见表13-4。检测点类型作用特点与作用相关的主要蛋白质 抑素可通过与细胞膜上特异性受体结合，引起信号的转换及向胞内的传递，进而对细胞周期相关蛋白的表达产生影响，这种调控方式与生长因子的作用极其类似。抑素对细胞周期的作用具有无毒及可逆的特点，并表现出较强的细胞系特异性，可随细胞类型不同而有所差异，如红细胞、淋巴细胞、肝细胞、表皮细胞等均存在其特异性的抑素。3.胞内信使cAMP与cGMP均为细胞信号转导过程中重要的胞内信使，在细胞周期中，两者可相互拈抗，控制细胞周期的进程。cGMP能促进细胞分裂中DNA及组蛋白的合成，cAMP对细胞分裂有负调控作用，其含量降低时，细胞DNA合成及细胞分裂将加速。细胞中cAMP与cGMP两者数量的平衡，是维持正常细胞周期进程的一个重要因素，cGMP浓度升高常发生于一些恶性肿瘤的细胞中。4. RNA剪接因子真核细胞基因在表达为蛋白质前，均需经历一个RNA剪接的过程。两种影响RNA剪接的因子，即剪接因子SR蛋白与SR特异激酶(SR protein-specific kinase, SRPK l)，已被证实与细胞周期调控相关。


医学细胞生物学 第三节细胞周期与医学的关系—、细胞周期与组织再生 机体内细胞由于各种生理或病理原因而不断死亡，需要新细胞，这一过程即为组织再生。人体组织细胞每天的细胞更新率约1%～2%。细胞增殖是组织再生的基础。生理性再生与干细胞分裂增殖直接有关，常见于正常人体的骨髓、皮肤表皮和肠上皮等组织中，新的细胞也在不断地产生以补充逐渐进入衰老死亡的细胞，藉此维持组织细胞数量的基本恒定，同时使组织处千不断更新的状态。生理性再生与干细胞分裂增殖直接有关，如造血干细胞在骨髓细胞中所占比例仅为0.25%，但一个造血干细胞经一天分裂后，经分化可形成12种结构与功能不同的血细胞，其中，仅外周血红细胞数量就可达200000个，粒细胞1000个左右。如果细胞增殖受到抑制，会导致相关疾病，如造血干细胞增殖障碍会导致再生障碍性贫血，生殖细胞增殖障碍引起不育等。补偿性再生是指机体一些高度分化，一般不发生增殖的组织如肝、肾、骨骼等，在组织损伤后可恢复增殖能力的现象。


医学细胞生物学 第三节细胞周期与医学的关系—、细胞周期与组织再生 补偿性再生形成的机制被认为是损伤刺激了原处于乌期的细胞，使其重新进入了细胞周期进程，恢复细胞分裂，同时细胞周期的进程也加快，所需时间显著缩短，千是在短时期内可产生大量的新生细胞，以促进创伤后组织的修复。若切除小鼠70％的肝脏，存留的肝细胞24小时后分裂指数可提高近200倍。因此，在临床治疗中，刺激细胞增殖以增强补偿性再生是治疗创伤等相关疾病的重要策略多使用促使分化细胞重新分裂、增殖的细胞因子、生长因子等以促进创伤组织的修复、愈合治疗，常见有EGF、IL-2、bFGF等，如角膜移植和外科手术后，常用EGF来促进伤口的愈合，而成纤维生长因子则可用千慢性软组织溃疡的治疗。 二、细胞周期异常与肿瘤发生 肿瘤是生物体正常组织细胞过度增殖后形成的赘生物，其产生与细胞周期调控发生异常相关。


医学细胞生物学 二、细胞周期异常与肿瘤发生 了解肿瘤细胞周期的特点，研究其形成的机制，对于临床上肿瘤的诊断及治疗有重要的意义。（一）肿瘤细胞具有高增殖性肿瘤细胞可以自分泌大量生长因子，摆脱对细胞外生长因子的依赖，以及获得抵御细胞外因子抑制增殖的能力，从而极大程度刺激自我生长及增殖。肿瘤细胞总体活跃细胞多，使细胞群体数目增加很快，因此表现出肿瘤细胞一般比正常组织细胞增殖快的特点。肿瘤细胞中也存在少量G。期细胞，这些细胞可能为肿瘤前体细胞，虽暂不增殖，但在一定条件下可重新进入细胞周期，补充产生新的肿瘤细胞，如在放、化疗治疗下，肿瘤细胞大量死亡，可激发G。期肿瘤细胞或肿瘤千细胞的增殖、分化，成为肿瘤复发的根源。


医学细胞生物学 二、细胞周期异常与肿瘤发生 肿瘤细胞周期中某些重要调节因子发生异常，正负调节因子间作用失去平衡是导致肿瘤高增殖性的重要原因，其中，原癌基因与抑癌基因的平衡失调是肿瘤无限增殖的重要机制。原癌基因(proto oncogene)，是细胞内与细胞增殖相关的基因，是维持机体正常生命活动所必需的，在进化上高等保守。原癌基因包括s rc、ras、S IS、myc、myb等基因家族成员，其产物种类较多，主要可分为生长因子类蛋白、生长因子受体类蛋白、细胞内信号转导相关的蛋白及转录因子类蛋白，参与对细胞周期的调控。与原癌基因作用相反，抑癌基因为正常细胞所具有的、能抑制细胞恶性增殖的另一类基因。这类基因编码的蛋白质通常能与转录因子结合或本身即为转录因子，可作为负调控因子，影响细胞周期相关蛋白的合成及DNA复制，进而调控细胞周期的进程。迄今已有几十种抑癌基因被分离、鉴定，其中Rb、p53、p21、pl6的作用机制研究较为深入。细胞增殖有赖于原癌基因与抑癌基因的阴阳平衡。一旦原癌基因过度促进增殖或抑癌基因抑制细胞增殖作用减弱或丧失，此平衡打破，其结果导致细胞增殖失去控制。原癌基因可发生点突变、基因扩增、重排等基因改变，导致原癌基因转化成为癌基因(o n coge n e)，而癌基因通常因获得新的表达产物而过度刺激细胞增殖。例如，Ras基因突变构成癌基因，其表达产物Ras蛋白发生构型改变，Ras蛋白和GTP解离减少，由于失去了GTP与GDP的有节制的调节，结合GTP的Ras蛋白呈现持续的活化状态，从而持续地激活磷脂酶C(p hospholipase C)产生第二信使，造成细胞不可控制地增殖。同样，抑癌基因功能的丧失也是促进肿瘤细胞增殖失控的重要因素。例如，p53作为重要的抑癌基因，在多个环节发挥重要的抑制细胞增殖的功能。在约50％的人类肿瘤中，均发现p53基因突变，导致P53蛋白失活。p53可作为转录因子，促进p21e,p l八!la fl基因转录。p21(;pl/Wafl为一种CKI，它可抑制Cdk的活性，使Rb蛋白磷酸化受阻，与S期相关的转录因子E2F不能被释放，DNA复制不能进行，细胞无法从G期进入S期。p53基因也可在细胞周期检测点发挥关键的枢纽作用。当细胞在DNA损伤条件下，在启动细胞周期阻滞、DNA修复乃至细胞凋亡等多个细胞事件中，P53蛋白均发挥关键的中枢作用，决定细胞转归和命运。


医学细胞生物学 二、细胞周期异常与肿瘤发生 （二）肿瘤细胞周期异常导致基因组高度不稳定性细胞通过严格的细胞周期检测系统，可最大限度地保证遗传稳定性，相反，肿瘤细胞各个周期检测点均可能发生异常，失去检查点机制的细胞中，DNA发生基因扩增、重排、点突变等几率增高，基因组高度不稳定。肿瘤细胞通常存在染色体异常，包括染色体数目异常及结构异常。分离纺锤体检测点系统的异常，可导致一些还没有完成纺锤体组装的细胞中发生姐妹染色单体的提前分离。有丝分裂中纺锤体的一些其他行为的异常也常常伴随肿瘤细胞染色体异常，如动粒的附着、姐妹染色单体的粘连与解离等。此外，中心体数目的扩增是肿瘤细胞重要的细胞特征之一。正常细胞1个中心体，在,1,细胞周期S期完成中心体复制后形成2个中心体，能保障纺锤体形成两个分裂极；而超过1个乃至数个中心体的肿瘤细胞，将导致细胞分裂时形成多极分裂极，结果导致染色体无法均等分配到子细胞中。（三）肿瘤细胞周期特点的研究可能为肿瘤治疗提供新思路阐明肿瘤细胞周期的特点，可为临床上肿瘤的治疗提供理论依据。化疗是肿瘤治疗中常用的方法。通过选择一定的化学药物，可有效地干扰肿瘤细胞代谢过程，阻止肿瘤细胞增殖。化疗中常用的一些药物总结千表13-5。 名称细胞周期中的作用点作用相关机制 放线菌素D G1期、S/G2期抑制DNA聚合酶、D NA解旋酶及组蛋白等的合成；也能抑制rRNA的合成光辉霉素GI期阻止DNA解链，干扰RNA合成阿糖胞啥唗专一作用于S期抑制三磷酸核背还原酶，使脱氧核昔酸形成受阻，进而阻止DNA的合成秋水仙碱特异性地作用于M结合微管蛋白、促使纺锤体微管的解聚；阻止中期染色体向两极的移期动，将有丝分裂阻断在中期氮芬无特异性的作用点与DNA结合使其分子结构改变三、细胞周期与其他医学问题细胞周期的异常与艾滋病相关。当T细胞受艾滋病病毒感染后，在队向M期转化中有重要作用的C dk l酪氨酸残基将发生过度磷酸化，由此丧失激酶活性，细胞不能向M期转换而滞留于立期，最终发生凋亡。细胞在衰老时，其细胞周期也呈现某些异常的特征，包括细胞分裂速度明显降低，cycl i nA、B表达下降，cyclinE不稳定性增加，变得更易被降解，使得Rb蛋白不能被磷酸化，与Rb蛋白结合的转录因子不能发挥其相应的作用，细胞被阻留于GI期，而不能进入S期，因此，与正常细胞相比，衰老细胞中GI期可持续更长的时间。 推荐读物小结 细胞的衰老和死亡是有机体生命发展的必然阶段。衰老的细胞在生理生化等各方面都发生了变化，如细胞皱缩，膜通透性和脆性增加，核膜内折，细胞器数量特别是线杠体数量减少，胞内出现脂褐素等异常物质沉积和脂类、蛋白质、DNA等细胞成分损伤，细胞代谢能力降低，最终出现细胞凋亡或坏死。衰老的发生不光受有机体本身基因的调控，也受到环境条件的影响。对于细胞衰老的原因也提出过各种假说。细胞死亡有两种形式：细胞坏死和细胞凋亡。细胞坏死指在外来致病因子作用下，细胞生命活动被强行终止所致的病理性、被动性的死亡过程。细胞凋亡指在特定信号诱导下，细胞内的死亡级联反应被触发所致的生理或病理性、主动性的死亡过程。细胞坏死时，细胞膜和细胞质中细胞器的质膜发生破裂，细胞质外溢，细胞解体并引起周围组织发生炎症反应。然而，细胞凋亡时，质膜始终保持完整，胞膜内陷将细胞内容物包被成一些囊状小体，即凋亡小体，后者被周围细胞吞噬，不引起炎症反应。细胞焦亡是新发现的细胞死亡方式，常伴随强烈的炎症反应，是机体一种重要的天然免疫反应。梒测细胞凋亡可分为三方面：形态学检剧、生化检测和流式细胞仪检测。细胞凋亡是机体维持自身稳定的一种生理机制。机体通过细胞凋亡清除损伤、衰老与突变的细胞，维持生理平衡。某些致病因子可使细胞凋亡的基因调控失常，致使细胞凋亡减弱或增强，从而破坏了机体细胞的自稳态，最终导致各种疾病的发生。目前认为，细胞凋亡受许多基因调控；细胞凋亡380第四篇细胞的基本生命活动的信号转导通路主要由死亡受体和线拉体介导。细胞凋亡的分子机制研究备受关注，细胞凋亡理论仍在不断的发展更新中。尽管细胞的自噬与凋亡在形态、生化指标、参与分子和机制方面均存在不同，但越来越多研究表明二者在某些情况下可以相互桔抗或促进，可先后发生或同时共存于同一细胞，相同诱导因素在不同细胞中可分别诱发自噬或凋亡。参与自噬和凋亡的分子也可能存在交又，如beclin1作为自噬重要调控基因，也可参与细胞凋亡的调控。随着研究的深入，两者之间的相互关系似乎变得越来越复杂。 （杨劲）第十四章生殖细胞与受精 生殖是生命的基本特征之一。通过生殖，生命才得以繁衍，并不断适应环境的变化，呈现生命的显示许多精子附着在一个卵细胞的表面染色体为XX)。精子和卵子的细胞核中储存有双亲的遗传物质拷贝，由于双亲遗传物质中所携带的遗传信息不同，所以，受精后就会增加变异性，从而表现出复杂的遗传现象，扩大了新个体的适应范围。因此，与无性生殖相比，有性生殖是一种高级生殖方式。本章主要介绍哺乳类动物的生殖细胞及其受精过程。第一节生殖细胞的起源与发生—、生殖细胞的起源在哺乳动物，如小鼠受精后，受精卵经卵裂(cleavage)、桑其胚(morula)、毅胚(blastocyst)发育形成具有三胚层的原肠胚(gastrula)。毅胚由两层不同的细胞构成，分别为上胚层(epiblast)和上胚层内面的内细胞团(inner cell mass)。在三胚层形成之前，上胚层中的祖细胞(progenitor cell)群区域化，产生原始生殖细胞(primordial ge1m cell,PGC)。PGC的产生需要产生自内脏内胚层(visceral endoderm)与胚外外胚层(extraemb1-yonic ectoderm)的TGF-13和Wnt等信号转导途径的参与。产生的PGC迁移到生殖崝(genital ridge)（即未来的性腺）（图14-2)。在生殖峭处，PGC分化成为生殖干细胞(germ stem cell)。生殖干细胞提供能用千生殖的配子。PGC的迁移和增殖受到周围体细胞分泌的许多因子（如PRDMl和PRDM14)的控制。PGC迁移到生殖峙时，性别决定(sex determination)即开始。人类性分化大致开始于孕后第6周。通常认为分化成为卵巢是默认途径，因为XY型生殖帷分化成为睾丸是在SRY(sex-de termining region on the chromosome Y)基因控制下进行的，而XX型生殖崝没有SRY基因，因而发育成卵巢。一旦PGC迁移到生殖腺崝中，性腺即开始发育，性腺的发育受到体细胞产生的许多转录因子（如GATA4、FOX区、LHX9、WTl、WNT4和SFl)的调控。 324第四篇细胞的基本生命活动原始生殖细胞女气'／7. 图14-2原始生殖细胞及其迁移示意图高等动物和人类原始生殖细胞起源于上胚层（即外胚层），然后不断迁移，先是迁移至靠近尿毅基部的卯黄粱背侧内胚层细胞间，后来，以变形运动方式迁移至背肠系膜，之后原始生殖细胞进入初级性索(primary sex cord)，最后定位于中肾内侧和背肠系膜之间由脏壁中胚层形成的生殖腺崝中在哺乳动物，位于胚胎性腺的原始生殖细胞通过有丝分裂增殖并分化为生殖细胞，生殖细胞经历了两种类型的分裂，即有丝分裂和减数分裂，最终分化为成熟的配子（精子和卵子）。精子和卵子的形成，称为配子发生(gametogenesis)，是指二倍体的生殖细胞发育成单倍体的精子或卯子的过程。也可分别称为精子发生(spermatogenesis)和卯子发生(oogenesis)。 二、精子的发生(—)精子由精原细胞发育而来 在胎儿期，睾丸中的生殖细胞并不进入减数分裂，而是停留在G。/G1期，直到出生后才继续增殖，其中一部分迁移到睾丸的生精小管的基底膜(basement membrane)，并转变为精原细胞(spermatogon ium)或精原干细胞(spermatogonial stem cell)。精原细胞可以通过有丝分裂增殖，并通过减数分裂产生精细胞(spermatid)。这些精细胞通过核凝缩、胞质的减少、顶体和鞭毛的形成，而在功能和形态上成为精子。人类精子的发生开始千青春期，产生于睾丸的生精小管（即曲细精管），然后迁移到附睾中成熟并排出。生精小管是一种特殊的复层上皮管道，称这种上皮为生精上皮(germinal epithelium或serminiferou s epithelium)。生精上皮包含两种类型的生发细胞(germinal cell)，一种是形成精子的生精细胞，自生精小管外表面至腔面分别分布精原细胞、初级精母细胞、次级精母细胞、精子细胞和精子；另一种是起支持、免疫、营养及分泌等功能的支持细胞(sertoli cell)，为精子产生所必需。精原细胞发育为精子的过程称为精子发生，在人类约为64天，其发生过程可分为增殖期、生长期、成熟期和变形期4个时期。1.增殖期为精原细胞的有丝分裂精原细胞位于基膜上，呈圆形，直径约12µ,m，分化程度较低。青春期后，精原细胞开始不断增殖，可分为A、B两型。A别精原细胞不断增殖，一部分保留下来作为干细胞，稳定精原细胞数量和保持活跃的生精能力；另一部分分化为B型精原细胞，可生长分化为精子。精原细胞细胞核中染色体数目为2倍体(2n)，入精原细胞为46条染色体。2.生长期的本质是初级精母细胞的形成与发育B型精原细胞体积增大，形成初级精母细胞，其染色体数目仍为2n。初级精母细胞处于第一次减数分裂期，随着染色质的变化，可分为细线期(leptolene)偶线期(zygoten e)及粗线期(pachytene)精母细胞。粗线期精母细胞的体积可达到细线期的两倍以上。第一次减数分裂的时间较长，在入可达22天，分裂后形成次级精母细胞。3成熟期为精母细胞的减数分裂期初级精母细胞形成后，迅速进入减数分裂I（即第一次分裂），形成2个次级精母细胞(secondary spermatocyte)。次级精母细胞存在的时间较短，很快完成减数第十四章生殖细胞与受精325分裂lI（即第二次分裂），最终形成4个精细胞。上述两次分裂，只在第一次分裂中染色体复制一次，而细胞却分裂两次，结果形成的4个精子细胞中染色体数目都减少一半，由2n变为n（参见图146A)。人的精细胞有23条染色体(n)。4变形期的本质是精细胞特化为成熟的精子精细胞位千生精小管的近腔面，体积更小，细胞呈圆形（称为圆形精子，round spermatid)，细胞不再分裂，经复杂的变态发育后形成精子(elongating sperma ti d)（图14-3)，其过程如下：(1)顶体形成：精细胞的高尔基复合体经过变化形成一个嵌泡，称为顶体损泡。顶体痪泡与核膜相粘并增大，变为半球状毅盖于核前面，不断增大呈帽状，套千核前2/3形成顶体(acroso me)。顶体中含有透明质酸酶、酸性磷酸酶、神经氨酸昔酶及蛋白酶等。顶体具有类似溶酶体的功能，在受精时顶体释放这些酶，消化卵表面的透明带，形成通道，有助千精子穿过透明带进入卵子细胞内。(2)中心粒的变化：中心粒移至顶体的对侧，近侧中心粒保留，远侧中心粒形成轴丝，颈部的外面由漏斗状结构包裹，涌斗的扩大部分固着千核的尾端，而另一端则与精子尾部的中段相连。在轴丝的外侧出现与之平行的9条外周致密纤维，构成主段的纤维鞘。哺乳类动物的远侧中心粒一般在身部形成后将消失。(3)线粒体改变：精子细胞的线粒体体积变小并伸长，且迁移到终端，围绕着中央轴丝形成螺旋状排列的线粒体鞘。线粒体鞘为鞭毛运动提供能量，使精子得以快速运动。(4)细胞核的特化：精子细胞由圆形变为长形，细胞核变为扁平梨形。精子生成过程的早期，DNA与组蛋白结合，但是随后大部分精子中的组蛋白被精蛋白(pro tamjne)所取代，使得染色质以一种特殊的方式包装，浓缩形成精子头部。精蛋白与DNA的结合也抑制了DNA的表达，增加了抗机械损伤的能力。精子在生成过程中，组蛋白被替代是逐步进行的，首先是睾丸特异的组蛋白变异体取代正常的组蛋白，然后转变蛋白(tran s山on protei n)取代组蛋白变异体。最后，精蛋白取代了转变蛋白。受精后，精子中的精蛋白被卵子中的组蛋白重新取代。精蛋白或转变蛋白的缺陷会导致小鼠精子不育或增加不育性。 鞭毛轴丝顶体细胞核外层致密纤维A.纵切而；B中段横切面326第四篇细胞的基本生命活动 (5)尾部形成：构成尾部全长轴心是轴丝，来自位于细胞核后端的基体(basal body)，由“9+2”排列的微管组成，随细胞变长相应伸长。细胞质向尾部汇集并脱落，精子细胞从圆形变为蜊斛状精子。精子包括两个形态与功能不同的区域，即头和鞭毛（头和鞭毛连接处特称为颈部），这些区域均为质膜所包裹。头部(h ead)含有凝缩的单倍体细胞核，被称为顶体(acrosome)的毅泡所包裂，顶体来自高尔基复合体，含有穿透卵外被的蛋白水解酶；鞭毛(flagellum)区域又可细分为中段、主段和端部。中段(body)含有中心粒，富含线粒体，中心粒可作为产生鞭毛的基体，而线粒体产生鞭毛运动所需要的能量。 （二）多种因子影响精子的发生 精子发生是一个高度复杂的细胞分化调节过程，受到诸多因素的影响。一般而言，这些因素可分为外源性的和内源性的。外源性因素主要包括内分泌、旁分泌和自分泌因子的调控，而内源性因素主要是指生精细胞内基因水平的调控。1分泌因子的调控支持细胞、睾丸间质(Leydig)细胞、生殖细胞以及周围的其他细胞分泌的因子都参与了精子的发生。睾丸生成睾酮(testos terone)和精子。下丘脑和垂体以及睾丸本身所产生的激素调节睾酮和精子的产生。下丘脑分泌的促性腺素释放因子(gonadotropin-releasing hormone, GnRH)通过垂体刺激促黄体素(luteinizing hormone, LH)和促卵泡激素(follicle stimulating hormone, FSH)的产生，LH通过血液运输到睾丸，并在睾丸处刺激间质细胞产生睾酮（作为雄激素），睾酮也可环化雌激素。睾酮也可反馈下丘脑和垂体，抑制GnRH等的产生。雄激素和FSH也可以对支持细胞产生效应，形成最适的精子发生环境。2基因的调控从分子水平上来看，精子的发生和成熟分化过程是一系列特定基因程序性表达的结果。近年来发现越来越多的基因参与了精子发生的调控。参与调控的有转录因子基因、细胞周期相关基因、原癌基因、凋亡及自噬相关基因、热休克蛋白基因、细胞骨架蛋白基因、核蛋白转型相关基因等。涉及基因的转录凋控、前体RNA剪切及翻译水平的调控、蛋白质的稳定性调控（如泛素化）等。人类Y染色体上存在一些精子发生所必需的基因，如AZF(azoospermi a factor)DNA序列，可亚分为AZFa、AZFb、AZFc和AZFd四个区域，这四个区域包含至少12个基因。AZFa区域DNA长度为400-600kb，该区域的缺失导致精子发生阻滞在青春期前阶段，表现为唯支持细胞综合征(Sertoli-cell only syndrome)和小睾丸；AZFb区域DNA长度为l-3Mb，其缺失导致精子发生阻滞在减数分裂前或减数分裂期间；AZFc区域DNA长度为3.5Mb，含有无精子缺失基因(deleted in azoospermia, DAZ)家族。又如，Piwi蛋白家族通常在睾丸中表达，它们在小鼠稍子形成中起重要作用。Piwi蛋白家族成员包括MILl,MIWI和MIWI2，任一成员基因的剔除都将通过凋亡的增加而导致生殖细胞的丧失。MILi在精子发生的早期阶段表达，即从精原细胞的有丝分裂到初级精母细胞减数分裂的粗线期，缺失MILi的小鼠则停止在粗线期；MIWI的表达则要晚一些，从粗线期到圆形精细胞期，基因敲除MIWI的小鼠会导致精子发生停止在圆形精细胞期。而基因敲除MIWI2的小鼠表现为减数分裂早期的缺陷。


医学细胞生物学 （二）多种因子影响精子的发生 DNA甲基化、miRNA和组蛋白－精蛋白转变对精子的发生也有重要的作用。例如，生殖细胞的调节基因DAZL在不育精子中甲基化缺陷增加；miR-196和let-7a在不育的精子中表达要高于可育的精子；MTHFR、PAX8、NTF3和SFN等基因启动子处的超甲基化也与精子的浓度、移动性和形态相关；组蛋白精蛋白替换异常可导致精子中染色质凝缩提前、转录停止，甚至不能产生正常的精子。又如pi RNA(P iwi-interacting RNA)是一类长度为24~32核昔酸的小RNA，这些小RNA只有与Pi wi蛋白家族成员相结合才能发挥它的调控作用。piRNA主要分布在包括人类等数种动物睾丸的精原细胞内，它们在减数分裂开始时大址积聚，在成熟的精子产物中消失。研究结果提示，piRNA与Piwi共同作用调控生殖干细胞的自我更新及精子的发育成熟。其主要机制是Piwi-piRNA复合物引起基因沉默、维持基因组稳定。新近研究表明，缺少一种粗线期p iRNA(pachytene piwi-interacting RNA)，精子的发育将受阻。


医学细胞生物学 第十四章生殖细胞与受精327 此外，环境因子影响精子的发生。通常环境因子分为下列类型：雌激素类似物、二氧（杂）芭（二噫英）、邻苯二甲酸盐、多氯化联（二）苯、娠化合物、多环芳经、澳系阻燃剂以及重金属。这些环境因子存在于土壤、空气和河流，可通过呼吸、身体接触、食品和饮用水进入入体，通过不同的分子机制，对男性的生殖细胞和精子的产生产生不利的影响，导致精子质量和浓度下降。 三、卵子的发生 （一）卵子由卵原细胞发育而来、直至受精后才发育成熟卵原细胞(oogonium)发育为卵子的过程称为卵子发生，一般可分为增殖期、生长期、成熟期三个时期。1增殖期的特点是有丝分裂和卵原细胞的形成PGC在生殖啃中，经过多次有丝分裂，成为卵原细胞。卵原细胞通过有丝分裂迅速增殖，在入体中可达到5百万～7百万个细胞，但是其中大部分卵原细胞将会死亡，仅留下约5万个。


医学细胞生物学 三、卵子的发生 2生长期是初级卵母细胞的再发育卵原细胞体积增大并进一步发育成初级卵母细胞(primary oocyte)，在这个时期（通常为哺乳动物出生以前），减数分裂I开始：DNA进行复制，结果是每条染色体由两条姊妹染色单体组成，同源染色体沿其长轴配对，配对的非姊妹染色单体之间发生交换。此后，初级卵母细胞停留在减数分裂I的分裂前期（前期I的双线期），此期可长达数月（小鼠）或数十年（女性）。在绝大多数哺乳类动物中，LH可诱导卵细胞的最后成熟。此后，初级卵母细胞进一步发育，在细胞内积累大量卵黄、RNA和蛋白质等物质，为受精后的发育提供信息、物质和能蜇的准备，其染色体数仍为二倍体(2n)。雌性生殖细胞是在卵泡(follicle)中发育成熟的。初级卵母细胞在原始卵泡和生长卵泡内进一步发育。 328第四篇细胞的基本生命活动 及营养物质成分。卵泡液是由卵泡细胞分泌液和卵泡膜血管渗出液组成的。


医学细胞生物学 328第四篇细胞的基本生命活动 随着卵泡液的增多及卯泡腔扩大，卵母细胞居于卵泡的一侧，并与其周匣的颗粒细胞一起突向卵泡腔，形成卯丘(cumulus oophorus)，此时的卵泡称为近成熟卯泡(premature follicle)。紧贴透明带的一层柱状卵泡细胞呈放射状排列，称放射冠(corona rad iata)；分布在卵泡腔周边的卵泡细胞较小，构成卵泡壁，称为颗粒层(stratum驴·anu losum）。在卵泡生长过程中，卵泡膜分化为内、外两层。卯泡的生长主要受LH和FSH的影响。


医学细胞生物学 328第四篇细胞的基本生命活动 3.成熟期的标志是次级卵母细胞的形成当卵泡增大至直径约l5~20mm时向卵巢表面突出，即为成熟卵泡(mature folli cle)。成熟卵泡的卵泡腔很大，颗粒层甚薄，颗粒细胞也不再增殖。成熟卵泡由卵丘细胞、透明带、卵周腔和卵子细胞组成。成熟卵泡是卵泡发育的最后阶段，通常是在性成熟时期发生的。发育成熟的初级卵母细胞在激素的影响下，细胞开始完成减数分裂I，染色体重新凝缩，核被膜裂解，复制的同源染色体在后期1分离，成为两个子细胞核，每个都包含了原有染色体的一半，但是细胞质不对称分裂产生两个在大小上有很大不同的细胞：一个是小的极体(polar body)（即第一极体），另一个是大的次级卯母细胞。在此阶段，每个染色体仍然是由两个姐妹染色单体构成。


医学细胞生物学 328第四篇细胞的基本生命活动 在大多数哺乳类动物中，次级卵母细胞紧接着进入减数分裂II，并被阻断在减数分裂II的中期，只有在受精后才最终完成减数分裂。人卵巢中的初级卵母细胞大约只有400个能进入成熟期，发育为排卵时停止在减数分裂1I的中期的次级卵母细胞。排卵(ovulation)是指突出千卵巢表面的成熟卵泡发生破裂，包含有卵丘细胞的卵母细胞随卵泡液排除的过程。每月有1个卵细胞成熟并被排出。4次级卵母细胞在受精后完成减数分裂II而形成成熟卵子受精后，次级卵母细胞的姐妹染色单体在减数分裂1I后期分离之后，大的次级卵母细胞的细胞质再次发生不对称分裂产生成熟的卵子和一个小的第二极体。极体与卵子一样，也是单倍体。因在卵细胞发育全过程中，细胞质发生了两次不对称分裂，使卵细胞保持了较大的体积。所形成的三个极体（第一极体仍可分裂为2个极体）体积很小，最终将退化消失（图14-6B)。


医学细胞生物学 328第四篇细胞的基本生命活动 发育成熟的卵子细胞具有显著特征：心在其质膜外有一层卯外被(egg coat)，为一种特殊形式的细胞外基质，主要由大量的糖蛋白分子构成。在哺乳动物卵外被即为透明带；非哺乳动物为卵黄膜。卵外被可以保护卵细胞免受机械损伤，同时又是受精过程中精子的种属特异性屏障，它只允许物种相近或相同的精子进入卵子细胞。＠包括哺乳动物在内，许多卵子细胞在其质膜下靠近胞质外侧的区域为皮层(cmtex)，是一层5µm厚的胶状胞质，内含高浓度的肌动蛋白分子和内含特化的分泌艇泡，即皮层颗粒(cortical granule)。皮层颗粒包含有消化酶、黏多糖、黏性糖蛋白和透明蛋白，当卵子被精子激活时，这些皮层颗粒成分通过胞吐作用(exocytosis)被释放出来，改变卵外被（在哺乳动物为透明带；非哺乳动物为卵黄膜）的性质，以阻止多精入卵。＠成熟卯了中合成了大量的蛋白质、核糖体，以及tRNA和mRNA等，某些mRNA和蛋白质为指导受精卵发育的形态发生因子(morphogenetic factor),它们通常定位于卵细胞的不同区域，呈极性分布，在卵裂过程中被分离到不同的细胞中去，这些成分在胚胎极性的确定及模式形成中起重要作用。 （二）卵母细胞减数分裂的调控 卵母细胞减数分裂的第一个调控位点在第一次减数分裂双线期。卵母细胞可以在该期停留很长时间（在人类可以达到50年），其间染色体去凝聚并进行活跃的转录，转录活性升高可表现为卵母细胞体积明显增大。例如，人卵母细胞在这一时期的直径可达到lOOµm，蛙卵母细胞直径甚至接近1mm。此期中，细胞生长的同时，卵母细胞蓄积大量RNA和蛋白质等支持胚胎早期发育所需要的物质。不同物种的卵母细胞重新进入减数分裂和受精的发生过程是不同的。某些动物的卵母细胞在受精前一直停留在减数分裂I的双线期，在受精后才完成减数分裂。但是，大多数脊椎动物（包括蛙、鼠和入类）的卵母细胞在受到激素刺激后发生减数分裂的恢复，并在受精前完成第一次减数分裂。接着，产生的次级卵母细胞在没有重新形成细胞核，染色体也没有去凝聚的情况下进入第二次减数分裂。然后，大多数脊椎动物卵母细胞又会停滞在减数分裂II中期，并维持在这个时期直到受精。卵母细胞停止在前期I是由于MPF活性低造成的，恢复减数分裂需要MPF的活化。MPF由p34cdc2激酶(CDK l或Cdc2)亚基和周期蛋白Bl所构成。CDKl在G2/M－期转变过程中也是必需的。几种信号转导途径能确保停止在前期I的卵母细胞中的MPF处千低活性状态，然后再活化MPF重新进入减数分裂。在卵母细胞停留在前期I时，壁颗粒细胞(mural granulosa cell)产生Nppc,Nppc刺激卵丘颗粒细胞(cumulus granulosa cell)产生鸟昔酸环化酶NPr2,NPr2催化GTP生成cGMP。cGMP通过Cx37缝隙连接进入卵母细胞，防止了PDE3A在卵母细胞中水解cAMP成为5'－腺昔酸。cAMP活化PKA,PKA转过来活化WeelB激酶，并抑制Cdc25B磷酸酶，WeelB激酶磷酸化CDKl，导致了CDKl的活化，即MPF的活化。APC/CCdhl介导周期蛋白Bl(cyclin Bl)连续降解，阻止了MPF在前期I停止的卵母细胞中的活化。APC/CCdhl(APC/C是一个多亚基的E3泛素连接酶，正向调节蛋白Cdhl是APC/C活化和底物特异性所必需）。前期I停止的卵母细胞中可被Emil蛋白抑制。低MPF活性也有利于PPl的活化，PPl可连续地去除减数分裂蛋白的磷酸化（图l4-5A)。排卵时LH的增加导致了缝隙连接的关闭，阻止了cGMP进入卵母细胞。从而增加了PDE3A介导的cAMP的水解。低水平的cAMP和PKA不再活化WeelB和Cdc25B, CDKl去磷酸化并活化。活化MPF磷酸化并活化PPl，这有利于其他CDKl底物处于磷酸化状态的维持。MPF可磷酸化核纤层蛋白A，从而使核被膜破裂，继续进行减数分裂（图14-5B)。 A．前期1停止期__.-GPCRs卵母细胞颗粒细胞/Gs三勹rB.LH增加后卵母细胞GB,颗粒细胞卵丘颗粒细胞四、哺乳动物的精子和卵子在发生上的差异 尽管精子和卵子的发生过程都经历减数分裂，但在大多数哺乳动物，精子和卵子的产生过程有很大不同，主要表现在：心在发生与成熟的时间上不同，例如，在入类女性，卵原细胞仅在胎儿时期增殖，出生以前就进入了减数分裂I期，并且停留在卵母细胞状态，可以持续50多年。卵细胞按照严格的，儿oij330第四篇细胞的基本生命活动发育程序成熟并定期排卵，基本上从青春期开始第一次排卯，而且排卵后的次级卵母细胞的核仍是二倍的，直到受精后减数分裂才完成；与女性相比，男性精原细胞的减数分裂和精子的形成直到青春期才在睾丸中开始。＠在形成成熟生殖细胞的数量上不同，精子发生中的减数分裂，细胞为对称分裂，产生四个相同的精子细胞；而卵子发生的减数分裂是不对称的，形成一个卵子和三个极体（图14-6)。 剿BA虏＠utA累累雯9@＠原始生殖细胞原始生殖细胞进人生殖腺（睾丸）＠精原细胞卵原细胞/勹盓盓笃芦原细胞森念刘把森尔刹把殖原增卵裂的分体丝倍有二过中通巢胞卵细＠初级精母细胞初级卵母细胞第一次减数分裂时成为停滞在分裂前森念妃噬/:分裂II森{谈蹙森会谈埏第一极体0000精细胞期的初级卵母细胞人减数分裂I初级卵母细胞进一步发育oc次级妇细胞被外卵皮质颗粒次级卵母细胞第二极\\tt分化的精子减数分裂II成熟的卵子 图14-6精子和卵子发生的比较A精子发生过程模式图；B卵子发生模式图受精(fertilization)是精子与卵子融合形成受精卵的过程。成熟的精子和发育中的卵子（处千减数分裂I1中期的次级卯母细胞）如果不发生受精，将会在几分钟或数小时内死亡。受精挽救了精子和卵子，标志着一个新生命的开始。受精与医学关系极为密切，阐明受精的过程与机制，对解决临床适龄妇女或男性的不育症及无害避孕有重要意义。 —、受精的条件 在哺乳动物和人类，受精一般发生在输卵管壶腹部。因此，作为受精的条件，除取决于精子和卵第十四章生殖细胞与受精331子（次级卵母细胞）的发育成熟之外，性交后进入雌性生殖管道的精子必须获得活力，即游动与受精的能力。完成减数分裂变形阶段的精子脱离睾丸的支待细胞，进入曲细精管的管腔中，而后开始迁移，依次通过直细精管、睾网、输出小管进入附睾管和输精管，在附睾尾和输精管内储存、成熟，直至射精。精子在附睾内受其分泌的甘油磷酸胆碱、内毒碱、唾液酸糖蛋白等作用下，逐渐达到功能上的成熟。研究发现，哺乳动物的精子进入雌性生殖管道后并不立即受精，而是停留一段时间，以获得对卵子受精的能力，这一过程称为精子的获能(capacitation)。在人类，精子的获能需要5~6小时。获能后的精子表现为游动和细胞呼吸能力的增加，它们像卫星一样围绕着卵子细胞游动，其运动力的增加提高了精子与卵子细胞相互作用而接近的概率。性交后射出的3亿个人精子中，只有200个能够到达输卵管的受精地点。有证据表明，排卵周酣的卵泡细胞释放化学信号来吸引精子到达卵细胞，但这种化学信号的本质尚不清楚。精子获能的机制尚未完全阐明。一般认为它是由射精后精子所处的雌性生殖管道的液体环境所决定的，其获能的本质是：精子因雌性生殖管道的“特殊条件”而被改变。较多的实验证据表明，在精子进入雌性生殖管道后，先由于某种未知的原因造成精子内部的钾离子外流，引起质膜静息电位发生变化，增加了质膜的不稳定性，致使膜胆固醇脱落，促使雌性生殖管道中的HC03一和Ca2＋进入精子细胞，继而激活了质膜上的腺甘酸环化酶，使精子细胞内cAMP水平升高，通过PKA激活胞内蛋白酪氨酸激酶，促使多种蛋白质产生磷酸化，从而提高了精子的代谢和运动能力，并使细胞膜处千超极化状态。获能也改变了精子细胞膜的脂质和糖蛋白的组分。例如，精液中含有唾液酸糖蛋白，并附着在精子头部的外表面，阻止其顶体酶(acrosomal enzyme)的释放；当精子在子宫和输卵管中运动时，该糖蛋白被此处分泌物中唾液酸酶a和B淀粉酶等降解，使精子获得授精能力。虽然正常悄况下获能在雌性生殖道中发生，但也可用各种实验条件离体诱发，这也是临床上进行人工体外授精得以成功的基础。运用合适的获能液可以使受精在体外进行，并由此在体外受精中得到了广泛应用。体外获能的研究也促进了人类对精子获能的认识。精子的数量和质量是保证受精的条件之一。一次射精的精液中，精子总数大于4xl07，其中能向前运动的大于50%，精子形态正常的大于30%。受精虽然只由一个精子和一个卵子完成，但因精子与卵子的接触有一定的随机性，所以需要较多的精子到达输卵管壶腹部，才能在限定时间内有正常精子完成与卵细胞的结合。 二、受精过程 在哺乳动物和入类，性交后，当获能的精子与发育中的卵子（处于减数分裂I1中期的次级卵母细胞）相遇时，将引发系列连锁反应，包括：精子识别卵细胞并诱发顶体反应，精子穿过卵外被抵达卵细胞膜，精－卵质膜融合后精子细胞核等成分进入卵细胞，次级卵母细胞完成减数分裂，皮层反应阻止多精入卵，以及精－卵核融合等事件（图14-7)。精子与卵子的融合，标志着一个新生命的开始。 （一）精子识别卵细胞并穿过卵外被 1精子－卵子识别诱发顶体反应精子一旦获能，便穿过卵泡细胞层，结合到透明带。透明带是受精的种属屏障，去除透明带就等于消除了这个屏障。例如，如果将大鼠卵子的透明带经酶消化去除后，入类的精子就可以使其受精，当然，这样的杂合子受精卵无法继续发育。哺乳动物卵子的透明带主要由ZPl、ZP2和ZP3这3种糖蛋白质组成，它们均由生长中的卵母细胞产生。3种ZP蛋白在透明带中的排列不是随机的，ZP2和ZP3聚集成长丝状，而ZPl则将这些长丝交联在一起成为三维的网络结构。在这三种蛋白中，ZPl仅具有结构功能，而ZP2和ZP3则同时参与配子间的相互作用。一般认为ZP3是精子与透明带结合的主要受体，可以诱导顶体反应(acrosome reaction);ZP2可作为经过顶体反应的精子的次级受体(secondmy receptor)。ZP3受体的特异性由其肤链上的O－连接寡糖所决定。ZP3缺陷会导致雌性小鼠不育。\n:tl332第四篇细胞的基本生命活动精子与卵细胞透明带上的ZP3受体结合后，将触放射冠发Ca2＋向精子细胞质的内流，进而引发顶体反应，即精子的顶体成分通过胞吐作用被释放出来，所释放的明带多种水解酶可以消化卵子的透明带，以帮助精子穿过卵母细胞透明带；同时顶体反应也把精子中某些能与ZP2结合中期的蛋白质释放到精子的表面，使精子在进入卵子过程中与透明带紧密连接。在顶体反应期间，与ZP3结合的顶体前端发生胞吐作用，致使精子表面与ZP3结合的配体蛋白随之丢失，精子必须继续与透明带结合才能完成穿透过程，此时是通过顶体内膜上的特殊蛋白与透明带中的ZP2糖蛋白结合而实现的。这表明，顶体反应后精子与透明带的结合由ZP3转到ZP2,ZP2作为精子的次级受体进一步加固精子与透明带的结合。


医学细胞生物学 （一）精子识别卵细胞并穿过卵外被 顶体反应是一种特殊的细胞胞吐过程。研究表明，精子中顶体的系列变化自获能的精子接触放射冠皮质反应，卵细胞完成第二次减数分裂时即开始。获能的精子首先与卵子周围的放射冠接触。这时精子顶体的前膜即与表面的细胞膜融合，继而破裂形成许多小孔，顶体内含的酶（酸性水解酶）逐渐释放出来。当精子与透明带上的ZP3受体结合后，导致顶体破裂，内含物完全释放。在精子接触透明带之前，卵丘细胞分泌的孕酮启动顶体反应，而精子与透明带结合后启动顶体反应的是ZP3。如此，顶体反应中释放的顶体酶先解离放射冠的卵泡细胞，继而分解透明带，形成一个精子穿过的通道。2.精子穿过透明带抵达卵细胞膜在卵子的受精过程中，精子以种特异性的方式结合到透明带上，从而完成顶体反应，穿过透明带到达质膜，精子与卵子细胞膜的直接接触，标志受精的开始。（二）精卵融合1.精－卵质膜融合、精子细胞核等成分进入卵细胞受精开始时，精子头侧面的细胞膜与卵细胞膜融合，随即精子的细胞核和细胞质进入卵内。


医学细胞生物学 （一）精子识别卵细胞并穿过卵外被 扫描显微镜观察发现，卵子细胞膜表面覆盖有许染色体排列千赤道平面，卵裂开始多的微绒毛，精子首先作用于微绒毛顶端的细胞质图14-7哺乳动物受精过程膜，邻近的微绒毛随即迅速地伸长、聚丛，包绕着精子，从而保证精子与卵子紧密结合并发生质膜融合。当精子质膜与卵子质膜融合时，微绒毛被吸收，精子以头部先入的方式进入卵子细胞质中。精－卵质膜融合的机制至今尚不清楚。迄今人们在精子中的ADAM(a disintegrin and metallopro tease)家族成员和卵子细胞膜上的整联蛋白(integrin)在精－卵质膜融合中的作用，进行了较多研究。研究发现，小鼠精子细胞膜上存在有ADAM家族成员受精素(fertilin)，它是在顶体反应后暴露千精子细胞表面的跨膜蛋白，能够帮助精子结合到卵子质膜并促进精－卵质膜融合。受精素由两个糖基贫o·1·化的跨膜亚单位a链和B链组成，它们之间以非共价键结合。受精素的细胞外N－端区域能够同卵子^ 0宁雄0了。第十四章生殖细胞与受精333


医学细胞生物学 0宁雄0了。第十四章生殖细胞与受精333 质膜上的整联蛋白(a6阳）结合，使精子黏附在卯子的表面以便为精－卵融合做准备。受精素a亚单位的胞外部分含有一个疏水区，它在结构上类似千介导病毒与感染细胞融合的病毒融合蛋白，该区域的人工合成多肤能够诱导试管内的精－卵质膜融合。也有研究表明，受精素缺失的雄性鼠是不育的，它们的精子同卵子质膜的结合能力比正常的精子低8倍，与卵子融合的能力只有正常的50%。然而一些体外实验发现，受精素缺失的精子仍然可以使卵子受精，这提示尚存在其他精子蛋白参与到精卵质膜融合过程。剔除基因lzumo l的小鼠是完全不育的，尽管这些小鼠的精子能够穿过透明带，但是不能与卵子融合形成受精卯，提示lzumol是精－卵融合所必需的。进一步的实验标明，lzumo突变的精子与活化的卵子融合并不影响合子的发育。睾丸生殖细胞特异表达的Tssk6(testis-specific serine kinase6)的基因剔除小鼠，其精子不能结合透明带，对lzumol蛋白在精子中的分布也无调节作用。新近发现，卵细胞膜上的整联蛋白相关蛋白CD9在精－卵质膜融合中起重要作用。


医学细胞生物学 0宁雄0了。第十四章生殖细胞与受精333 2次级卵母细胞完成减数分裂过程精子进入卵子后，激发次级卵母细胞迅速完成第二次减数分裂，形成一个成熟的卵子和一个第二极体，卵子细胞单倍染色体向中央移行，核膜形成，形成雌原核(female pronucleus)。精子进入卯后，核膜崩溃，尾部退化消失，细胞染色质解聚，核内精蛋白被组蛋白替换，新形成的原核膜包在染色质外周，形成雄原核(male pronucleus)。


医学细胞生物学 0宁雄0了。第十四章生殖细胞与受精333 3精卵膜融合后发生皮层反应阻止多精入卵虽然有许多精子可以与卵子结合，但通常只有一个精子能够与卵子的胞膜融合并向卵子细胞质内释放出它的细胞核和其他细胞器。如果有多余一个的精子与卵子融合，则称为多精入卵(polyspermy)，此时多极或过多的纺锤体形成，将导致细胞分裂时染色体的错误分配、非二倍体细胞的产生以及发育的停滞。迄今研究表明，有两个调控机制可以确保只有一个精子与卵子结合。一是卵子与第一个精子融合后将引起卵子质膜的快速去极化，以阻止其他精子与已受精卵子的融合，这是一个快速的早期阻止多精入卵的机制。但卵子质膜的极性在受精作用后很快恢复正常，因此需要另外一个作用时间长的机制来阻止多精入卵，这就是卵子的皮层反应(cortical reaction)，即卵子通过胞吐作用将其皮质颗粒释放出来，改变卵外被结构。哺乳动物的研究表明，皮层颗粒中的糖昔酶降解透明带中的ZP3为ZP3f,ZP3f缺少糖基，致使精子膜表面蛋白无法识别；皮层颗粒中的蛋白酶降解ZP2为ZP2f, ZP2f不能与顶体反应精子结合，使多余的精子不能进入，从而阻止多精入卵。


医学细胞生物学 0宁雄0了。第十四章生殖细胞与受精333 卵子细胞中储存的Ca2•的释放与皮层反应直接相关。精子与卵子的质膜融合，将激活胞内内质网上存在的Ca2＋通道，引起储存Ca"的释放，导致卵子局部细胞质内游离Ca2＋浓度的增加，并形成钙波(calcium wave)传播到整个卵子，启动皮层反应。在卵子发生过程中，透明带蛋白是泛素化的。用泛素蛋白酶体抑制剂处理卵子，可阻止精子进入卵子的透明带，表明去泛素化也可阻止多精入卵。 （三）精卵核融合完成受精过程 卵子一旦受精后即为合子。只有当两个单倍体的细胞核（雄原核和雌原核）融合在一起，并且它们的染色体“混合”成为一个二倍体的细胞核时，受精过程才算完成。在哺乳动物，受精卵内的两个原核并不像其他物种那样直接融合，它们彼此接近但是保持距离，这种状态一直持续到合子细胞准备进行第一次有丝分裂（即卵裂）时为止。此时，在卵子胞质中的微管和微丝作用下，雌原核、雄原核相互靠近，接触处原核膜呈指状，相互交错对插；同时染色体浓缩，原核膜崩解、消失，精－卵染色体组合在一起，形成合子染色体组，定位千纺锤体上。此时细胞即为受精卵，受精至此完成。


医学细胞生物学 （三）精卵核融合完成受精过程 多数动物（包括人类）在受精时，精子为合子提供的不仅仅是DNA，它还提供中心粒（在人类未受精的卵子里不存在）。精子中心粒伴随着细胞核和尾端进入卵子，并在其周围形成中心体。在人类，精子中心粒进行复制并且组织合子细胞第一次有丝分裂的纺锤体装配。这也解释了在多精入卵时为什么有多极现象和多余的纺锤体形成（由于多个精子的中心粒进入卵子）。受精具有重要意义：心受精使卵子的缓慢代谢转入代谢旺盛期，从而启动细胞不断地分裂；＠精334第四篮细胞的基本生命活动子与卵子的结合，恢复了二倍体，维持物种的稳定性；＠受精决定性别，带有Y染色体的精子与卵子结合发育为男性，带有X染色体的精子与卵子结合则发育为女性；＠受精的染色体来自父母双方，加之生殖细胞在成熟分裂时曾发生染色体联会和片断交换，使遗传物质重新组合，使新个体具有与亲代不完全相同的性状。


医学细胞生物学 三、辅助生殖技术 在临床工作中发现，一些适龄妇女或男性患有不育症，这为患者本人及其家庭带来巨大痛苦。目前受精过程及其机制的研究成果在临床上的应用，为患者及其家庭带来了福音。这得益于辅助生殖技术(assisted reproductive technology, ART)。ART是指应用现代生物医学知识、技术及方法对配子、合子及胚胎进行人工操作，代替人类自然生殖过程中的某些步骤，以达到受孕目的的一项技术，主要包括体外受精、胚胎移植及其衍生技术。辅助生殖技术的应用不仅从技术上解决了长期困惑医学界的不孕不育难题，也给无数家庭带来了欢乐。


医学细胞生物学 迄今辅助生殖技术已催生出四代试管婴儿： (1)第一代试管婴儿：1978年，英国学者利用体外受精(in vitro fertilization, IVF)技术，产生了世界上第一例试管婴儿。体外受精是指分别将卵子与精子取出后，置于试管内使其受精，经过数天的生长后（卵裂期或痰胚期），再将胚胎移植(embryo transfer, ET)到母体子宫内发育成胎儿并分挽的技术，该技术统称为常规IVF-ET，最终分挽的婴儿称为试管婴儿（第一代试管婴儿）。该成果在2010年获得诺贝尔医学奖。IVF-ET的适用范围是：心因女性因素所致不孕问题，如各种原因导致的输卵管不通或功能障碍（输卵管切除、输卵管阻塞、盆腔严重粘连及输卵管结扎再通术失败等）；＠男方少、弱精子症；＠不明原因的不育；＠免疫性不孕等。IVF-ET的受精率只有30%-40%。


医学细胞生物学 迄今辅助生殖技术已催生出四代试管婴儿： (4)第四代试管婴儿：有些女性虽然有排卯功能，但是身体条件不好，或年龄偏大，致使卵子质量不高、活力差、线粒体异常等，不适合使用上述技术。这时可从新鲜的卵子抽出细胞质，输入另一位健康女性卯细胞质形成一个新的优质卵细胞，将此新的卵子与其丈夫精子结合成受精卯，植入子宫内，妊娠分挽。此技术称为卵浆置换(exchange of cytoplasmic and nucleus)技术（第四代试管婴儿）。目前，世界上已普遍开展了精子和胚胎的冷冻和复融技术，而卵子的冷冻和复融成功率较低，正在探索中。国内现在大部分IVF实验室也相继建立了精子及胚胎冻融技术。ART有利千解决不孕症，但也引发许多伦理问题，如生育与性行为的分离，传统家庭模式的解体，亲子关系的破裂，代孕母亲的利弊，精子库、卵子库的功过、胚胎的地位、服务分配的公正、辅助生殖技术与领养孤儿的伦理冲突，知情同意和保密，儿童的身心健康，等等。 小．结 生殖是生命的基本特征之一。生殖分为无性生殖和有性生殖，有性生殖需要配子参与。哺乳动物中的配子系精子和卵子，精－卵结合形成合子或受精卵，由受精卵发育成新的个体。


医学细胞生物学 小．结 配子发生是指二倍体的生殖细胞发育成为单倍体的卵子或精子？分别称为卵子发生和精子发生。原始生殖细胞未自上胚层，并迁移至生殖崝，在生殖崝中增殖并分化为生殖干细胞，同时开始生物的性别决定。原始生殖细胞的迁移和增殖受到许多因子的调控。卵原细胞发育为卵子的过程一般可分为增殖期、生长期、成熟期三个时期，经过一系列变化特别是减数分裂过程，由二倍体的卵原细胞转变为单倍体的卵子。精原细胞发育为精子的过程与此类似，但是形态差异极大。Cdkl/cyclin B复合体及细胞静止因子在卵母细胞分裂调控中起重要作用；精子的发生受多种基因调控，如AZF、P皿及piRNA等。受精过程一般可分为三个主要步骤，笫一步是荻能的精子与卵子细胞外被（如透明带）的识别与结合，笫二步是通过顶体反应穿过卵被，笫三步是精子与卵子质膜的结合和融合。受精过程涉及许多基因编码的蛋白的作用，如ZPl~3、生育素(Fertilin)、整联蛋白(a6但）及整联蛋白相关蛋白CD9等。


医学细胞生物学 小．结 辅助生殖技术(ART)是指应用现代生物医学知识、技术及方法对配子、合子及胚胎进行人工操作，代替人类自然生殖过程中的某些步骤，以达到受孕目的的一项技术，主要包括体外受精、胚胎移植及其衍生技术。ART在治疗不育等方面起着越来越重要的作用，但同时也带来了新的技术挑战和伦理问题。 （范礼斌）第十五章细胞分化 脊椎动物和人体由约200多种不同类型的细胞组成，如神经元伸出长的突起，并在末端以突触方式与其他细胞接触，具有传导神经冲动的功能；肌细胞呈梭形，含有肌动蛋白和肌球蛋白，具有收缩功能；红细胞呈双凹面的圆盘状，能够合成携带氧气的血红蛋白；胰岛细胞则合成调节血糖浓度的胰岛素，等等。这些由单个受精卵产生的细胞，在形态结构、生化组成和功能等方面均有明显的差异，形成这种稳定性差异的过程称为细胞分化(cell differentiation)。由一个受精卵来源的细胞为什么会变得如此多样与不同？一直是数百年来许多生命科学家付出毕生精力而至今尚未完全解决的课题。细胞分化是个体发育的核心事件。阐明细胞分化的机制，对于认识个体发育的机制和寻找新的疾病防治措施具有重要意义。第一节细胞分化的基本概念—、多细胞生物个体发育过程与细胞分化潜能细胞分化是个体发育过程中细胞在结构和功能上发生差异的过程。多细胞生物的个体发育一般包括胚胎发育和胚后发育两个阶段，前者包括卵裂、翍胚、原肠胚、神经轴胚期及器官发生等阶段，衍生出与亲代相似的幼小个体；后者则是幼体从卵膜孵化出或从母体分挽以后，经幼年、成年、老年直至衰老、死亡的过程。细胞分化贯穿千个体发育的全过程，其中胚胎期最明显。（－）动物和入类胚胎的三胚层代表不同类型细胞的分化去向卵细胞在受精后立刻进入反复的有丝分裂阶段，这一快速的分裂时期称为卵裂(cleavage)。动物早期胚胎发育中受精卵经过卵裂被分割成许多小细胞，这些小细胞组成的中空球形体被称为埏胚(blastula）。翍胚形成后，便进入原肠形成(gastrulation)期。原肠胚期之前，细胞间并无可识别的明显差异。在原肠胚期，产生了内、中、外三个胚层，它们具有不同的发育和分化去向：内胚层(endoderm)将发育为消化道及其附属器官、唾液腺、胰腺、肝脏以及肺等的上皮成分；中胚层(mesoderm)将发育成骨骼、肌肉、纤维组织和真皮，以及心血管系统和泌尿系统；外胚层(ectoderm)则形成神经系统、表皮及其附属物（图15-1)。


医学细胞生物学 （范礼斌）第十五章细胞分化  受稍卵原肠胚表皮经元细胞细胞肌肉细胞第十五章细胞分化337 （二）细胞分化的潜能随个体发育进程逐渐“缩窄＇，随着个体发育进程，来源于单一受精卯的细胞逐渐产生出形态结构、功能和生化特征各不相同的细胞类群，其结果在空间上细胞产生差异，在时间上同一细胞和从前的状态有所不同。研究表明，两栖类动物在裳胚形成之前的卵裂球细胞、哺乳动物桑甚胚的8细胞期之前的细胞和其受精卵一样，均能在一定条件下分化发育成为完整的个体。通常将具有这种特性的细胞称为全能性细胞(totipotent cell)。在三胚层形成后，由于细胞所处的空间位置和微环境的差异，细胞的分化潜能受到限制，各胚层细胞只能向本胚层组织和器官的方向分化发育，而成为多能细胞(pluripotent cell)。经过器官发生(organogenesis)，各种组织细胞的命运最终确定，呈单能(unipotency)化。这种在胚胎发育过程中，细胞逐渐由“全能”到“多能”，最后向“单能”的趋向，是细胞分化的一般规律。


医学细胞生物学 受稍卵原肠胚表皮经元细胞细胞肌肉细胞第十五章细胞分化337 近些年从襄胚内细胞团(inner cell mass, ICM)中分离到的胚胎干细胞(embryonic stem cell, ES细胞），它们具有分化成熟为个体中所有细胞类型的能力，但不能分化为胎盘和其他一些发育时所需的胚外组织，这种早期胚胎细胞被称为多能干细胞(pluripotent stem cell, multipotential stem cell)。因此，从干细胞角度看细胞分化，细胞呈现出由“全能干细胞”到“多能干细胞＂，最后向“定向干细胞”和“前体细胞＂的趋向（图15-2)。 多潜能细胞Q：多潜能干细胞定向干细胞亡前体细胞八外胚层中胚层内胚层勺？分化细胞 图15-2细胞分化潜能逐渐缩窄示意图A细胞分化的过程犹如从山顶到谷底的飞流直下的瀑布；B细胞分化的节点或路径应当指出的是，大多数植物和少数低等动物（如水螅）的体细胞仍具有全能性；而在高等动物和人类，至成体期，除一些组织器官保留了部分微分化的组织干细胞之外，其余均为终末分化细胞。


医学细胞生物学 （三）终末分化细胞的细胞核具有全能性 动物受精卵子代细胞的全能性随其发育过程逐渐受到限制而变窄，即由全能性细胞转化为多能和单能干细胞，直至分化为终末细胞。但在细胞核则完全不同，终末分化细胞的细胞核仍然具有全能性，谓之全能性细胞核(totipotent nucleus)。20世纪60年代初期，用非洲爪赡为材料，进行的核移植实验首次证明了终末分化细胞的细胞核具有全能性（见本章经典实验和图15-3)。1997年，英国爱丁堡Roslin研究所工作人员将成年绵羊乳腺上皮细胞的细胞核移植到另一只羊的去核卵细胞中，成功地克隆出世界上第一只哺乳动物一一“多莉"(Dolly)羊（见：第十八章，图18-7)。继之，世界上有多个实验室培育出包括非人灵长类动物称猴在内的多种体细胞克隆动物。这些实验结果表明，已特化的体细胞的细胞核仍保留形成正常个体的全套基因，具有发育成一个有机体的潜能。


医学细胞生物学 338第四篇细胞的基本生命活动未受精的卵（含2个核仁）蜊料（含1个核仁）二、细胞决定与细胞分化_＿＿ 圈一～亡(—)细胞决定先千细胞分化并制约着将肠上皮细胞核分化的方向移植到去核的卵在个体发育过程中，细胞在发生可识别的分化特征之前就已经确定了未来的发育命肠上皮细胞核运，只能向特定方向分化的状态，称之为细胞去核的宿主卵细胞决定(cell determination)。在原肠期的内、中、外三胚层形成时，虽然在形态上看不出有23什么差异，但此时形成各器官的预定区已经确定，每个预定区决定了它只能按一定的规律发育分化成特定的组织、器官和系统。埏胚痪胚埏胚不分裂细胞决定可通过胚胎移植实验(grafting4experime nt)予以证明。例如在两栖类胚胎，如果将原肠胚早期预定发育为表皮的细胞i配_（供体）移植到另一个胚胎（受体）预定发育蜊斜i为脑组织的区域，供体表皮细胞在受体胚胎蜊料（死亡）中将发育成脑组织，而到原肠胚晚期阶段移异常胚胎植时则仍将发育成表皮。这表明，在两栖类的早期原肠胚和晚期原肠胚之间的某个时期便开始了细胞决定，一旦决定之后，即使外界的因素不复存在，细胞仍然按照巳经决定的图15-3爪蟾细胞核移植实验证明了已分化细胞的细胞核具有全能性命运进行分化（图15-4)。细胞的分化去向源于细胞决定，是什么因素决定了胚胎细胞的分化方向？迄今尚不清楚。现有研究资料提示，有两种因素在细胞决定中起重要作用：一是卵细胞的极性与早期胚胎细胞的不对称分裂，二是发育早期胚胎细胞所处的位置差异及胚胎细胞间的相互作用。细胞的不对称分裂是指存在于核酸蛋白颗粒(RNP)中的转录因子mRNA在细胞质中的分布是不均等的，当细胞分裂时，这些决定因素(mRNA)被不均匀地分配到两个子细胞中，结果造成两个子细胞命运的差异。（二）细胞决定具有遗传稳定性细胞决定表现出遗传稳定性，典型的例子是果蝇成虫盘细胞的移植实验。成虫盘是幼虫体内已在明显分化之前。


医学细胞生物学 338第四篇细胞的基本生命活动未受精的卵（含2个核仁）蜊料（含1个核仁）二、细胞决定与细胞分化_＿＿  宿主＼宿主＼在明显分化之后第十五章细胞分化339 决定的尚未分化的细胞团，在幼虫发育的变态期之后，不同的成虫盘可以逐渐发育为果蝇的腿、翅、触角等成体结构。如果将成虫盘的部分细胞移植到一个成体果蝇腹腔内，成虫盘可以不断增殖并一直保待于未分化状态，即使在果蝇腹腔中移植多次、经历1800代之后再移植到幼虫体内，被移植的成虫盘细胞在幼虫变态时，仍能发育成相应的成体结构。这说明果蝇成虫盘细胞的决定状态是非常稳定并可遗传的。人们在认识到细胞决定的稳定性和可遗传性的同时，也开始探索细胞决定的可逆性。在果蝇研究中发现，有时某种培养的成虫盘细胞会出现不按已决定的分化类型发育，而是生长出不是相应的成体结构，发生了转决定(transdetermination)。探讨转决定的发生机制对了解胚胎细胞命运的决定具有重要意义。


医学细胞生物学 宿主＼宿主＼在明显分化之后第十五章细胞分化339 细胞命运的决定机制一直是细胞分化研究的重要课题。近年来有关细胞命运决定的主要研究策略：一是利用模式生物，分析选择性干预（如基因敲除）早期胚胎中某个基因的表达对内、中、外三胚层形成的影响；二是基于ES细胞，寻找决定ES细胞向三胚层细胞分化的决定因子。 三、细胞分化的可塑性 一般地，细胞分化具有高度的稳定性。细胞分化的稳定性(s tab山ty)是指在正常生理条件下，已经分化为某种特异的、稳定类型的细胞一般不可能逆转到未分化状态或者成为其他类型的分化细胞。例如，神经元在整个生命过程中都保持着特定的分化状态。已分化的终末细胞在形态结构和功能上保持稳定是个体生命活动的基础。细胞分化的稳定性还表现在离体培养的细胞，例如，一个离体培养的皮肤上皮细胞保持为上皮而不转变为其他类型的细胞；黑色素细胞在体外培养30多代后仍能合成黑色素。然而，在特定条件下细胞分化又表现出一定的可塑性。细胞分化的可塑性(plasti c i ty)是指巳分化的细胞在特殊条件下重新进入未分化状态或转分化为另一种类型细胞的现象。细胞分化的可塑性是目前生物医学研究的热点领域。


医学细胞生物学 （一）已分化的细胞可发生去分化 一般情况下，细胞分化过程是不可逆的。然而在某些条件下，分化了的细胞也不稳定，其基因活动模式也可发生可逆性的变化，而又回到未分化状态，这一变化过程称为去分化(dedifferentiation)。高度分化的植物细胞可失去分化特性，重新进入未分化状态，成为能够发育分化为一株完整植物的全能性细胞，这可以在实验室的培养条件下达到，也可以在营养体繁殖过程中出现。在动物和人类，体细胞部分去分化的例子较多（如蛛螺肢体再生时形成的胚芽细胞及人类的各种肿瘤细胞等），但体细胞通常难以完全去分化而成为全能性细胞。目前，尽管入们对生物个体中发生去分化现象机制的认识不清，但近些年干细胞领域研究的进步，已能通过人为手段成功地将分化成熟细胞逆转为未分化细胞，此即细胞重编程(cellular reprogramming)。前面讲到的基于体细胞核移植技术进行的动物克隆实验就是细胞重编程的例子。然而细胞重编程概念的真正形成和发展，源于2006年日本科学家S. Yamanaka（山中伸弥）等入的工作。山中伸弥借助逆转录病毒载体，将四个转录因子(Oct3/4、Sox2、c-Myc、Klf4)基因导入小鼠皮肤成纤维细胞(fibroblast)中，可以使来自胚胎小鼠或成年小鼠的成纤维细胞获得类似胚胎干细胞(emb1-yonic stem cell)的多能性。一般将通过这种方法获得的多能性细胞称为诱导多能干细胞(induced pluripotent stem cells, iPS细胞）（详见第十七、十八章）。继山中伸弥的工作之后，有关基于基因转移技术的细胞重编程研究成果层出不穷。应用细胞重编程技术直接将体细胞（成纤维细胞）转变为组织干细胞如造血干细胞、神经干细胞及肝干细胞等也是近年来的热点领域。此外，在细胞重编程策略研究上，许多研究者也寄希望绕开基因转移步骤，试图寻找能够启动细胞发生重编程的小分子化合物。


医学细胞生物学 （一）已分化的细胞可发生去分化 （二）特定条件下已分化的细胞可转分化为另一种类型细胞在高度分化的动物细胞中还可见到另一种现象，即从一种分化状态转变为另一种分化状态这种吐{t}340第四篇细胞的基本生命活动情况称为转分化(transdifferentiation)。细胞通过转分化能形成一种发育相关的细胞类型。典型的例子可见于肾上腺的嗜辂细胞。体积较小的嗜铭细胞源千神经峙并且分泌肾上腺素入血。在培养条件下，加入糖皮质激素可以维持嗜铭细胞的表型，但是当去除肖体激素并在培养基中加入神经生长因子之后，嗜铅细胞转分化成交感神经元，这些神经元比嗜铭细胞大，带有树突样和轴突样突起，并且分泌去甲肾上腺素而非肾上腺素（图15-5)。另一个转分化的例子是，如果把鸡胚视网膜色素上皮细胞置于特定培养条件下，细胞色素则渐渐消失并且细胞开始呈现晶体细胞的结构特征，并产生晶体特异性蛋白一晶体蛋白。上面的两个例子，通过转分化生成了一种发育相关的细胞类型：交感神经元和嗜铭细胞均来源于神经啃；色素细胞和晶体细胞均来源千外胚层并且涉及眼的发育。


医学细胞生物学 转分化为交感神经元肾上腺嗜铭细胞从培养基中去除糖皮质激素并加入神经生长因子 肾上腺素—_辜｀，去甲肾上腺素通过转分化形成不同发育类型细胞的例子也较常见。例如，水母横纹肌可由一种细胞类型连续转分化成两种不同类型的细胞。离体的横纹肌与其相关的细胞外基质共同培养时，可以保持横纹肌的状态。在用能降解细胞外基质的酶处理培养组织之后，细胞将形成一个聚合体，其中有些细胞在l~2天内转分化为平滑肌细胞，继续培养时，可形成第二种类型的细胞一神经元。另一些例子是：经生肌蛋白(myogen i n)基因MyoD转染的成纤维细胞或脂肪细胞可转分化为成肌细胞；生命周期较长的神经元，一且分化就不再分裂，且分化状态稳定许多年，但近些年研究发现，在特定条件下可转变为血细胞和脂肪细胞。


医学细胞生物学 转分化为交感神经元肾上腺嗜铭细胞从培养基中去除糖皮质激素并加入神经生长因子 必须指出的是，无论是动物还是植物，细胞分化的稳定性是普遍存在的，可以认为分化具有单向性、序列性和终末性（一般情况下都会到达分化的目标终点，成为终末分化细胞），而去分化是逆向运动，转分化是转序列运动。发生细胞的转分化或去分化是有条件的：心细胞核必须处于有利于分化逆转环境中立）分化能力的逆转必须具有相应的遗传物质基础。通常情况下，细胞分化的逆转易发生于具有增殖能力的组织中。 四、细胞分化的时空性 在个体发育过程中，多细胞生物细胞既有时间上的分化，也有空间上的分化。一个细胞在不同的发育阶段可以有不同的形态结构和功能，即时间上的分化；同一种细胞的后代，由于每种细胞所处的空间位置不同，其环境也不一样，可以有不同的形态和功能，即空间上的分化。在高等动植物个体胚胎发育过程中，随着细胞数目的不断增加，细胞的分化程度越来越复杂，细胞间的差异也越来越大；同一个体的细胞由于所处的空间位置不同而确定了细胞的发育命运，出现头与尾、背与腹等不同。这些时空差异为形成功能各异的多种组织和器官提供了基础。


医学细胞生物学 五、细胞分裂与细胞分化 细胞分裂和细胞分化是多细胞生物个体发育过程中的两个重要事件，两者之间有密切的联系。彷叮1通常细胞在增殖（细胞分裂）的基础上进行分化，而早期胚胎细胞的不对称分裂所引起的细胞质中转录因子的差异制约着细胞的分化方向和进程。细胞分化发生千细胞分裂的GI期，在早期胚胎发育阶段特别是卵裂过程中，细胞快速分裂，GI期很短或几乎没有GI期，此时细胞分化减慢。细胞分裂旺盛时分化变缓，分化较高时分裂速度减慢是个体生长发育的一般规律。例如哺乳动物的表皮角化层细胞等终末细胞分化程度较高，分裂频率明显减慢，而高度分化的细胞，如神经元和心肌细胞则很少分裂或完全失去分裂能力。


医学细胞生物学 五、细胞分裂与细胞分化 第二节细胞分化的分子基础一、基因组的活动模式（一）基因的选择性表达是细胞分化的普遍规律细胞分化的实质是细胞的特化，即分化的细胞表达特异性蛋白（保持特化特征）。人们在认识细胞分化机制中，曾根据少数分化细胞的染色体丢失现象而错误地认为细胞分化的本质是源于遗传信息的丢失或突变。后来大量的实验证明，细胞分化过程中一般并不伴有基因组的改变。比较著名的实验，如体细胞核移植实验，即将动物体细胞的核移植到去核的卵细胞或受精卵的细胞质中，然后观察重组的卵细胞（有新的细胞核）是否能够发育成为成体，如此相继克隆出爪蟾、多莉羊等动物，证明了细胞分化并不是由于基因丢失或永久性地失去活性造成的，维持发育所需要的基因并没有发生不可逆的改变，当体细胞核暴露于卵细胞质中之后，它的作用就如同一个受精卵的细胞核基因一样。此外，细胞转分化现象的发现，以及细胞融合实验等也表明细胞分化过程中一般不发生基因组的改变。


医学细胞生物学 五、细胞分裂与细胞分化 一经典实验：细胞核移植与细胞分化机制研究}研完背景:细胞分化的本质和规律一直是细胞生物学家和发育生物学家关注的的重要研究领域。在:早期研究中，细胞分化过程中是否伴随基因组的改变一直困扰着生物学家，特别是在果蝇的一些细胞中观察到基因组的扩增，在马蛔虫发育过程中发现染色体的不断丢失；同时在早期胚胎细胞的全能性研究中，因实验条件的限制，所荻得的实验结果也各异。这就要求生命科学工作者回答，细胞分化的本质是什么，已分化细胞的细胞核是否具有全能性。1938年，诺贝尔奖荻得者H. Spemann在他所著的《胚胎发育和诱导》一书中，提出了一个设想性方案：将一个分化了的细胞核导入到去核的卵细胞中，然后观察其发育情况。但这类工作直到14年之后才开始进行。1952至1962年间，R. Briggs、T. King和J. Gurdon等开展了细胞核移植实验。Gurdon成功地克隆出了成体爪榜。


医学细胞生物学 实验内谷 为证明细胞分化过程中是否伴随遗传信息（基因）的不可逆变化，在20世纪60年代初期，Gurd on用非洲爪浇为材朴，进行了著名的细胞核移植实验。他从一种突变型蜊蚌（细胞核中只有1个核仁）的肠上皮细胞中取出细胞核，将其移植到事先用紫外线照射的胞核有2个核仁的野生型爪蟾的未受精卵中（紫外线照射破坏了野生型未受精卵中的细胞核），这种含有肠上皮细胞核的受精卵有的能发育成棠胚，其中有少数可发育成蜊蚌和成体爪榜，成体爪榜中的细胞核均含一个核仁。该实验结果表明，已分化的肠上皮细胞核中仍然保持着能分化出成体爪榜各种组织细胞的全部基因（见图15-3)。 （二）基因组改变是细胞分化的特例 早期的研究显示，一些分化的细胞例如果蝇的卵巢滤泡细胞，在其分化过程中基因组发生了量的变化，表现为特定基因的选择性扩增；在果蝇的其他一些细胞，像卵巢滋养细胞、唾液腺细胞和马尔皮基氏管细胞的发育过程中，还呈现出基因组扩增现象，染色体(DNA)多次复制，形成多倍体(polypl o id)和多线体(polyteny)。


医学细胞生物学 （二）基因组改变是细胞分化的特例 与上述情况相反，一些细胞在分化过程中则发生遗传物质（染色质或染色体）的丢失。典型的例子是来源于对马蛔虫(Ascaris equorum)发育过程的研究。在马蛔虫个体发育中，只有生殖细胞得到了完整染色体，而体细胞中的染色体只是部分染色体片段，其余的染色体丢失了。在其他的一些例子中，还可观察到完整的染色体或完整的核丢失。例如在摇蚊发育中，许多体细胞丢失了最初40条染色体中的38条；而哺乳动物（除骆驼外）的红细胞以及皮肤、羽毛和毛发的角化细胞则丢失了完整的核。在脊椎动物和人类免疫细胞发育研究中发现，执行抗体分泌功能的B淋巴细胞分化的本质是由于编码抗体分子的基因发生了重排。在B淋巴细胞分化期间，胚细胞DNA通过体重组(somatic recombination)，使DNA序列中不同部位的部分基因片段连接在一起，组成产生抗体mRNA的DNA序列，从而产生多种多样的抗体分子。基于以上事例，人们对细胞分化的机制曾提出过一些假说，如基因扩增、DNA重排和染色体丢失等。但这些现象并不是细胞分化的普遍规律。


医学细胞生物学 二、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式 (—)母体效应基因产物的极性分布决定了细胞分化与发育的初始命运一些研究提示，成熟的卵细胞中储存有20000~50000种RNA，其中大部分为mRNA。这些mRNA直到受母源bicoid mRNA精后才被翻译为蛋白质。其中部分mRNA在卵质中的分布不均，如爪蟾未受精卵中，有些mRNA特异地分布于动p物极，有些则分布在植物极，它们在细胞初始发育命运的决定中起重要作用。通常将这些在卵质中呈极性分布、在受精后被翻译为在胚胎发育中起重要作用的转录因子和翻译调节蛋白的mRNA分子称为母体因子。编码母体因BICOID蛋白子的基因谓之母体效应基因(maternal effect gene)，也称“母体基因(maternal gene)，即在卵子发生过程中表达，表p达产物（母体因子）存留千卵子中，受精后通过这些母体因子影响胚胎发育的基因。在果蝇中，母体效应基因得到了比较深入的研究。果蝇和一般的脊椎动物有所不同，其母体效应基因预先决定了子代未来的相互垂直的前～后轴和背－腹轴。例如果蝇bicoid基因的mRNA，在未受精时，它定位千卵母细胞的一端，即将来发育为胚胎的前端。受精后加oid mRNA被翻译为蛋白质，因有限的扩散，建立了BICOID I A p蛋白梯度：BICOID蛋白沿胚胎前－后轴呈浓度梯度分布，越靠近胚胎的前端，其浓度越高（图15-6)。BICOID蛋图15-6受精前后bicoid基因mRNA白含有一个螺旋－转角－螺旋结构域(helix-turn-helix do及其翻译蛋白的浓度梯度分布果蝇胚胎的核酸原位杂交（上图）和免疫main)，它与卯前部区域的胚胎细胞核染色质DNA结合组化（中图）照片；下图为受精前后浓度（果蝇的早期胚胎为多个细胞核共存于一个细胞质中的梯度分布示意图（A：前端；P：后端）合胞体），高浓度的BICOID蛋白启动了头部发育的特异性基因的表达，而低浓度的BICOID蛋白则与形成胸部的特异性基因表达有关。（二）胚胎细胞分裂时胞质的不均等分配影响细胞的分化命运在胚胎早期发育过程中，细胞质成分是不均质的，胞质中某些成分的分布有区域性。当细胞分裂时，细胞质成分被不均等地分配到子细胞中，这种不均一性胞质成分可以调控细胞核基因的表达，在一定程度上决定细胞的早期分化。例如在果蝇感觉器官的发育过程中，细胞命运的决定物之一是numb基因编码的转录因子。该转录因子蛋白在感觉性母细胞的胞质中呈非对称分布，以致细胞在第一次分裂时只有一个子细胞中含有numb蛋白，这个子细胞在第二次分裂时产生了神经元及鞘层细胞，而缺乏numb蛋白的细胞则分化为支持细胞（图15-7)。numb蛋白对神经元及鞘层细胞的形成是


医学细胞生物学 二、胞质中的细胞分化决定因子与传递方式 必需的。在缺乏numb蛋白的胚胎中，那些本应该发育成神经元和鞘层细胞的细胞却发育成为外层的支持细胞。@344第四篇细胞的基本生命活动支持细胞感觉性鞘层神经元细胞三、基因选择性表达的转录水平调控在多细胞生物个体发育过程中，基因的表达具有严格的时间和空间（或组织）特异性。在不同分化类型的细胞中，基因的表达差异很大。某个基因在一类细胞中激活而在另一种细胞中却相反。那么，是什么因素决定了分化细胞中的特异性基因表达呢？研究表明，细胞分化的基因表达调控主要发生在转录水平。调节基因转录的因素有很多（详见第九章），这里主要介绍在细胞分化过程中基因表达调控的特点。 （一）基因的时序性表达 某一特定基因表达严格按照一定的时间顺序发生，这称为基因表达的时间特异性(temporal speci如ty)。从受精卵到组织、器官形成的各个不同发育阶段，都会有不同的基因严格按照自己特定的时间顺序开启或关闭，表现为分化、发育阶段一致的时间性，也称为阶段特异性(stage specificity)。关千基因时序性表达的机制，人们在血红蛋白的表达和形成过程中得到了较深入的研究。


医学细胞生物学 （一）基因的时序性表达 表达血红蛋白是红细胞分化的主要特征。脊椎动物的血红蛋白由2条a－珠蛋白链和2条B－珠蛋白链组成。a－珠蛋白和B－珠蛋白基因分别定位于不同染色体上，它们都由一个基因簇（基因家族）构成。在哺乳动物，每个家族的不同成员都在发育的各个时期被表达，这样，在胚胎、胎儿和成体中分别生成不同的血红蛋白。入B－珠蛋白基因簇包括五个基因—6、C'Y、A'Y、8和f3，这些基因在发育的不同时期表达：e在早期胚胎的卵黄襄中表达；为和A'Y在胎儿肝脏中表达心和B基因在成人骨髓红细胞前体细胞中表达。所有这些基因的蛋白质产物都与由a－珠蛋白基因编码的a－珠蛋白结合，从而在发育的三个时期中分别形成有不同生理特性的血红蛋白（图15-8)。在个体发育过程中依次有不同的B－珠蛋白基因的打开和关闭，这与B－珠蛋白基因簇上游的基因座控制区(locus control region, LCR)有关（图15-8)。LCR最初是应用DNase I消化实验鉴定的。在成体，只有红细胞（前体细胞）中的LCR对DNase I敏感。对DNase I如此敏感意味着在该区域的染色质没有被紧密包裹，转录因子易于接近DNA。B－珠蛋白基因簇中每个基因的有效表达，除受到每个基因5端上游的启动子和调控位点及基因下游(3'端）的增强子控制之外，还将受到远离B－珠蛋白基因簇上游的LCR的严格制约。LCR距离c基因的5'末端约10OOObp以上。研究发现，LCR可使任何与它相连的B－家族基因呈高水平表达，即使B－珠蛋白基因本身距离它约50OOObp,LCR也能指导转基因小鼠中整个B－珠蛋白基因簇的顺序表达。有研究者认为，LCR区和珠蛋白基因启动子之间的DNA呈拌环状，这样，结合到LCR的蛋白能够比较容易地与结合到珠蛋白基因启动子上的蛋白发生相互作用。例如，在胚胎的卵黄埏细胞中，LCR将与c基因的启动子相互作用，在胎肝中则与两个'Y基因启动子相互作用，最后在骨髓来源的红细胞中，与B基因启动子相互作用。


医学细胞生物学 （一）基因的时序性表达 在LCR区域中含有分别为300bp左右的4个“核心＂控制区，其中的每个区都有与少数几个特异胚胎期（卵黄襄）胎儿肝脏成人骨髓图15-8LCR控制的p珠蛋白基因活化的可能机制A人珠蛋白基因结构；B. LCR控制的B－珠蛋白基因活化，LCR在发育的不同阶段依次与每个基因的启动子相互作用，从而控制它们的时间顺序性表达性转录因子的结合位点，如转录因子NF-E2和在红细胞中高水平表达的GATA-I。


医学细胞生物学 （二）基因的组织细胞特异性表达 在个体发育过程中，同一基因产物在不同的组织器官中表达多少是不一样的。一种基因产物在个体的不同组织或器官中表达，即在个体的不同空间出现，这就是基因表达的空间特异性(spatial spec ifi c i ty)。不同组织细胞中不仅表达的基因数量不相同，而且基因表达的强度和种类也各不相同，这就是基因表达的组织特异性。一般地，发育中基因的转录要求激活因子结合千基因的调控区(control region，启动子区和其他能调节基因表达的DNA位点）。与基因表达调控区相结合的转录因子可区分为通用转录因子和组织细胞特异性转录因子两大类，前者是指为大量基因转录所需要并在许多细胞类型中都存在的因子；后者则是为特定基因或一系列组织特异性基因表达所需要，并在一个或很少的几种细胞类型中存在的因子。


医学细胞生物学 （二）基因的组织细胞特异性表达 通过替换组织特异性（表达）基因的调控区实验就可证明组织特异性转录因子的存在。例如，在小鼠中弹性蛋白酶仅在胰腺中表达，而生长激素只在脑垂体中形成，将人生长激素基因的蛋白编码区连接于小鼠弹性蛋白酶基因的调控区之后，再将此重组的DNA注射到小鼠受精卵中，使其整合到基因组中，在由此发育而来的转基因小鼠的胰腺组织中可检测到人生长激素，表明胰腺组织中的特异转录因子通过作用于弹性蛋白酶基因调控区，启动了胰腺细胞表达人生长激素。迄今已鉴定出一些组织特异性转录因子，如在红细胞中表达的血红蛋白的EFI因子、在胰岛中表达的胰岛素的Isl-I因子、在骨骼肌中表达的肌球蛋白的MyoD I因子等。通常情况下，细胞特异性的基因表达是由千仅存于那种类型细胞中的组织细胞特异性转录因子与基因的调控区相互作用的结果。


医学细胞生物学 （二）基因的组织细胞特异性表达 应该指出的是，在个体发育或细胞分化期间被激活的基因通常有复杂的调控区。一个转录因子是否影响特定基因的活动取决千许多因素，除了基因的调控区是否含有该转录因子的结合位点之外，346第四篇细胞的基本生命活动转录因子的转录活性还受到转录因子调节蛋白的严格制约。在调控区上不同转录调节因子（转录因子和转录因子调节蛋白）的相互作用决定了基因是否被激活。（三）细胞分化过程中基因表达调控的复杂性动物受精卵第一次卵裂后的裂球，在个体发育中通过细胞分裂产生大蜇多代各种成体细胞，祖细胞与分化细胞的先后连续的宗系关系被称为细胞谱系(cell lineage)。在特定谱系细胞形成过程中，转录因子（或转录调节蛋白）比较普遍的作用方式是：CD一个表达的转录因子能同时调控几个基因的表达，表现为同时发生的某些基因的激活和某些基因的关闭；＠组合调控(combin atm-y control)，即转录起始受一个基因调节蛋白的组合而不是单个基因调节蛋白调控的现象。这两种转录水平的调控方式在细胞分化过程中起重要作用。1一个关键基因调节蛋白的表达能够启动特定谱系细胞的分化在个体发育过程中，一个关键基因调节蛋白的表达能够引发一整串下游基因的表达。这种调控方式表现为某些基因的永久性关闭和一些基因的持续性激活，同时作为转录因子的基因产物本身起正反馈调节蛋白作用。这样一来，维持一系列细胞分化基因的活动只需要激活基因表达的起始事件，即特异地参与某一特定发育途径的起始基因。该基因一旦打开，它就维持在活化状态，表现为能充分的诱导细胞沿着某一分化途径进行，从而导致特定谱系细胞的发育。具有这种正反馈作用的起始基因通常称为细胞分化主导（或主控）基因(master control gen e)。例如，在哺乳动物的成肌细胞向肌细胞分化过程中，myoD基因起重要作用。myoD在肌前体细胞和肌细胞中表达，它的表达将引起某一级联反应，包括MRF4、myogenin基因的顺序活化，导致肌细胞分化（图15-9)。myoD、MRF4和myogenin都编码一个含有碱性螺旋—环—螺旋(bHLH)的DNA结合域的转录因子。一般将myoD基因视为肌细胞分化的主导基因。有趣的是，经myoD基因转染的成纤维细胞以及其他一些类型的细胞也能够转分化为肌细胞。研究资料也表明myf-5具有myoD的类似功能。在正常情况下，myoD的表达对myf-5的表达有抑制效应，Myf-5蛋白能补偿MyoD功能的缺失。


医学细胞生物学 （二）基因的组织细胞特异性表达 细胞命运决定细胞扩增细胞停止扩增细胞融合、分化细胞有肌肉（通过激活myoD（生长因子(MRF4,myogenin(Meltrin和肌肉继续融合收缩功能或myf-5)作用）依次激活，同时需要特异性蛋白表达）细胞粘附因子参与）图15-9沓椎动物骨骼肌细胞分化机制外部信号（旁分泌因子Wnt,Shh)通过myoD和myf-5基因启动肌细胞分化，这两个基因中的哪一个优先表达取决于物种的不同，它们的基因活化形成交互抑制并维持自身状态，其编码蛋白进一步激活MRF4和myogenin基因，最终导致肌细胞特异性蛋白表达单个基因调节蛋白不仅在特定谱系细胞的分化过程中起重要作用，而且还能触发整个器官的形成。这种结果来自于对果蝇、小鼠和人类眼器官发育的研究。在眼发育过程中，有一个基因调节蛋白（在果蝇中称为Ey，在脊椎动物中称为Pax-6)很关键，如果在适当的情况下表达，Ey能触发形成的不只是一种类型细胞，而是由不同类型细胞组成的在三维空间中正确组织起来的整个器官（眼）。


医学细胞生物学 （二）基因的组织细胞特异性表达 2一些基因调节蛋白的组合能产生许多类型的细胞组合调控的一个条件是许多基因调节蛋白必须能共同作用来影响最终的基因转录速率。不仅每个基因拥有许多基因调节蛋白来调控它，而且每个基因调节蛋白也参与调控多个基因。虽然有些基因调节蛋白对单个细胞类型特异（如myoD),但大多数基因调节蛋白存在千多种类型细胞，在体内多个部位和发育期间多次打开。图15-10显示了组合调控能够以相对较少的基因调节蛋白产生多种类型细胞。


医学细胞生物学 第十五章细胞分化347调控蛋白G)的诱导工o~细胞分裂＼七．，二|^|细胞A调控蛋白＠和＠的诱导`细胞C细胞D细胞E细胞F1。^@`调i蛋白＠和＠的`1`I细胞G细胞H细胞I细胞J细胞K细胞L细胞M细胞N```｀动心心心 图15-10发育过程中—些基因调节蛋白的组合能产生许多细胞类型在这个简单且理想化的体系中，每一次细胞分裂之后就会做出一个决定，合成一对不同基因凋节蛋白的其中一个（用标上数字的圆圈表示）。调控蛋白O可因（受精后）母体效应基因产物的诱导产生，随后胚胎细胞感受到其所在胚胎中的相对位置，朝向胚胎左侧的子细胞常常诱导合成每对蛋白质中的偶数蛋白，而朝向胚胎右侧的子细胞诱导合成奇数蛋白。假设每种基因调节蛋白的合成一旦起始就自我待续下去，通过细胞记忆，逐步建立最终的组合指令。在图中假设的例子中，利用5种不同的基因调节蛋白最终形成8种细胞类型(G-N)3.同源异形框基因的时空表达确定了机体前－后轴结构的分化与发育蓝固1983年，瑞士Gehring实验室的工作人员在研究绘制果蝇触角足复合体(Antennapedia complex, Antp，昆虫中对胸部和头部体节的发育具有调节作用的基因群）基因外显子图谱过程中发现，Antp cDNA不仅与A几tp基因编码区杂交，也与同一染色体上相邻的fiz(fushi匡azu，如）基因杂交，提示在Antp和如基因中都含有一个共同的DNA片段。随后利用这个DNA片段为探针，相继发现在果蝇的许多同源异形基因(ho meotic gene)中都含有这个相同的DNA片段。序列分析显示这个共同的DNA片段为180bp，具有相同的开放读码框架，编码高度同源的由60个氨基酸组成的结构单元。后来，这－DNA序列又相继在小鼠、入类、甚至酵母的若干基因中被发现。这个共同的180bp DNA片段被称为同源异形框(homeo box)，含有同源异形框的基因谓之同源异形框基因(homeobox gene)。迄今为止，已发现的同源异形框基因有300多种，它们广泛分布于从酵母到人类的各种真核生物中，如果蝇的HOM基因，动物和人类的Hox基因。由同源异形框基因编码的蛋白称为同源异形域蛋白(homeodo main protein)。同源异形域蛋白含有同源异形域(homeodomain)和特异结构域(specific domain)，特异结构域通常位千同源异形结构域的上游，靠近蛋白的N端，而同源异形结构域则靠近蛋白的C端，这两个结构域在其蛋白作为转录因子发挥作用时均起决定性的作用。研究发现，由高度保守的60个氨基酸组成的同源异形结构域，表现为一种拐弯的螺旋－回折－螺旋(HLH)立体结构，其中的9个氨基酸片段（第42~50位）与DNA的大沟相吻合，即它能识别其所控制的基因启动子中的特异序列（应答元件），从而引起特定基因表达的激活或阻抑。


医学细胞生物学 第十五章细胞分化347调控蛋白G)的诱导工o~细胞分裂＼七．，二|^|细胞A调控蛋白＠和＠的诱导`细胞C细胞D细胞E细胞F1。^@`调i蛋白＠和＠的`1`I细胞G细胞H细胞I细胞J细胞K细胞L细胞M细胞N```｀动心心心  348第四篇细胞的基本生命活动 目前认为，HOM或Hox基因产物是一类非常重要的转录调节因子，其功能是将胚胎细胞沿前－后轴分为不同的区域，并决定各主要区域器官的形态建成。例如，果蝇HOM基因的功能是决定一组细胞发育途径的一致性，确保体节或肢芽的典型特点。当HOM基因突变时，可发生同源异形转变(homeosis)，即由于与发育有关的某一基因错误表达，导致一种器官生长在错误部位的现象。例如果蝇的第三胸节转变为第二胸节，形成像第二胸节一样的翅膀（双翅膀果蝇）。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 果蝇的HOM基因位于3号染色体上，由两个独立的复合体组成，即触角足复合体和双胸复合体(bi thorax co mplex)，含有这两个复合体的染色体区域通常称为同源异形复合体(homeotic complex, HOM-C)。由于进化，果蝇HOM基因在哺乳动物中出现了4次：Hox-A,Hox-B,Hox-C,Hox-D，分别定位于人的7,17,12和2号染色体；在小鼠则分别定位于6,11,15和2号染色体上。HOM或Hox基因在染色体上的排列顺序与其在体内的不同时空表达模式相对应，即：这些基因激活的时间顺序表现为越靠近前部的基因表达越早，而靠近后部的基因表达较迟；这些基因表达的空间顺序表现为头区的最前叶只表达该基因簇的第一个基因，而身体最后部则表达基因簇的最后一个基因（图15-11)。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 图15-11同源异形框基因在果蝇和小鼠染色体上的排列顺序及其基因表达的解剖顺序数字与颜色表示跨越两种动物之间的结构相似性；基因的表达顺序与其在染色体上的排列顺序相对应，越靠近前部表达的基因转录越早（四）染色质成分的化学修饰在转录水平上调控细胞的特化基因表达的激活，首先需要将致密压缩的染色质或核小体舒展开来，该过程涉及染色质成分的化学修饰，以及具有酶活性的蛋白复合体参与。染色质成分的化学修饰，包括DNA甲基化和组蛋白修饰等，都会引起染色质结构和基因转录活性的变化。染色质成分(DNA和组蛋白）的修饰性标记在细胞分裂过程中能够被继承并共同作用决定细胞表型，因此被称为表观遗传(epigenetics, DNA序列变化以外的可遗传的基因表达改变）。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 1. DNA甲基化在转录水平上调控细胞分化的基因表达在甲基转移酶催化下，DNA分子中的胞啥唗可转变成5－甲基胞啼唗，这称为DNA甲基化。甲基化常见千富含CG二核昔酸的CpG岛。甲基化是脊椎动物基因组的重要特征之一，它可以通过DNA复制直接遗传给子代DNA。哺乳动物基因组中约70%-80％的CpG位点是甲基化的。甲基化主要集中千异染色质区，其余则散在千基因组中。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 DNA甲基化对基因活性的影响之一是启动子区域的甲基化。研究表明，甲基化程度越高，DNA转录活性越低，而绝大多数管家基因持续表达，它们多处千非甲基化状态。DNA甲基化参与转录调控的直接证据，来自对基因的活化与胞啼唗甲基化程度的直接观察。例如，在人类红细胞发育中，与珠蛋白合成有关的DNA几乎无甲基化，而在其他不合成珠蛋白的细胞中，相应的DNA部位则高度甲基化。在胚胎期卵黄痰，e－珠蛋白基因的启动子未甲基化，而丫－珠蛋白基因的启动子则甲基化，因此在胚胎期e－珠蛋白基因开放，Y－珠蛋白基因关闭；至胎儿期，在胎儿肝细胞中与合成胎儿血红蛋白有关的基因，如丫－珠蛋白基因没有甲基化，但在成体肝细胞中相应的基因则被甲基化（图15-12)。这说明在发育过程中，当某些基因的功能完成之后，甲基化可能有助千这些基因的关闭。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 未甲基化启动子甲基化启动子5'e－珠蛋白基因y－珠蛋白基因3'失活甲基化启动子活化玉丫－珠蛋白DNA甲基化导致基因失活（或沉默）的可能机制是：心甲基化直接干扰转录因子与启动子中特定的结合位点的结合。＠甲基化导致的基因沉默可能是由特异的转录抑制因子直接与甲基化DNA结合引起的。人们利用随机甲基化DNA序列作探针进行凝胶阻滞实验，在哺乳动物细胞中找到了与甲基化DNA结合的多个蛋白，如MeCP-1(met hyl cytosine binding protein1)、MeCP-2。＠甲基化导致的基因沉默是由染色质结构的改变引起的。研究表明，DNA甲基化只有在染色质浓缩形成致密结构以后才能对基因的转录产生抑制作用。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 甲基化作用也与基因组印记(genomi c imprinting)有关。哺乳动物细胞是二倍体，含有一套来自父方的基因和一套来自母方的基因。在某些情况下，一个基因的表达与其来源有关，即只允许表达其中之一，这种现象称为基因组印记，与之相关的基因谓之印记基因(imprinted gene)。印记基因在哺乳动物的发育过程中普遍存在。多数情况下来源于父方和母方的等位基因都同时表达，但印记基因仅在特定的发育阶段和特定的组织中表达等位基因中的一个，即在某种组织细胞中，有些仅从父源染色体上表达，有些仅从母源染色体上表达。例如编码胰岛素样生长因子2的基因(Igf2)即是印记基因，来自母本的Igf2基因拷贝是沉默的。研究资料显示，在小鼠配子生成和胚胎发育早期，印记基因是选择表达还是关闭，其可能机制是在特定发育时期对印记基因的甲基化。\I,`t:350第四觞细胞的基本生命活动此外，在哺乳动物（雌性）和人类女性的两条X染色体中，其中一条灭活（钝化）的X染色体就与DNA的甲基化有关，去甲基化可以使钝化的X染色体基因重新活化。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 2组蛋白的化学修饰影响基因的转录与细胞分化在第九章我们讨论了组蛋白的共价化学修饰，如组蛋白的氨基酸残基能够被乙酰化、甲基化、磷酸化、泛素化、sumo化(sumoylation)及糖基化。这些修饰将引起染色质结构改变（即染色质重塑），而导致基因转录或沉默。近年研究表明，组蛋白的化学修饰所引起的染色质结构的动态变化能够影响细胞的分化状态的转变(transition)。例如，在ES细胞向神经元分化过程中，组蛋白的甲基化和乙酰化状态，特别是一些与神经元分化相关的因子（如Mashl、Pax6)的启动子区域组蛋白的修饰状态呈现出明显差异。在果蝇研究中发现，scrawny基因（因突变的成熟果蝇的外观而得名）的编码产物为泛素蛋白酶(ubiquitin protease)，其功能是通过抑制组蛋白H2B的泛素化而沉默细胞分化关键基因，使果蝇的多个干细胞（生殖干细胞、皮肤上皮和肠道的组织干细胞）维持于未分化状态。在scrawny功能缺失的果蝇突变体，其生殖组织、皮肤和肠道组织中过早失去了它们的干细胞。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 3.染色质成分的共价修饰具有时空性已如上述，基因表达的激活，首先需要将致密压缩的染色质／核小体舒展开来，该过程涉及组蛋白的化学修饰、DNA甲基化，以及具有酶活性的功能蛋白复合体参与。影响染色质结构变化的因素，除组蛋白修饰和DNA甲基化之外，还包括组蛋白组分的改变、染色质重建子(remode ler)和非编码RNA等。这些因素或染色质上的这些标记在细胞分裂过程中能够被继承并共同作用决定细胞的表型，即表观遗传。表观遗传是近些年形成的研究领域，从分子或机制上可将其定义为“在同一基因组上建立的能将不同基因转录和基因沉默模式传递下去的染色质模板变化的总和＂。在由单个受精卵发育为多细胞个体（如脊椎动物）过程中，从一个受表观遗传调控的单基因组逐渐演变为存在于200多种不同类型细胞中的多种表观基因组（图15-13)。这种程序性的变化被视为组成了一种“表观遗传密码”，从而使经典遗传密码中所隐藏的信息得到了扩展。可以认为，染色质的共价化学修饰和非共价机制（如组蛋白组分改变、染色质重建子和非编码RNA作用）相互结合促使形成一种染色质状态，使其在细胞的分化和发育过程中能够作为模板。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 非编码RNA在染色质重塑中的作用已得到初步阐释。例如，miRNA通过调控染色质状态而发挥转录抑制的机制是，miRNA与蛋白质复合体－RITS(RNA-induced transcriptional silencing)结合，解离后的一条miRNA链将RITS复合体引导至miRNA同源基因处，通过募集组蛋白甲基转移酶，使组蛋白H3的赖氨酸－9发生甲基化，导致异染色质形成，最终抑制基因的转录（详见第九章图9-24)。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 染色质的共价修饰在细胞分化与发育中的作用是目前研究的前沿领域，涉及的机制才刚刚被人们加以阐释。人们在哺乳动物的发育过程中了解到：在生殖细胞发育后期将发生DNA甲基化，包括亲本特异性的基因印记。受精后，雄原核基因组迅速去甲基化，而雌原核基因组则维持不变。受精卵中的雄原核被包装上组蛋白，但其组蛋白上缺乏H3K9me2和H3K27me3，而此时雌原核则具有这些标记。合子细胞基因组后续的去甲基化发生于前着床发育期，直至毅胚期。在毅胚期，内细胞团开始出现DNA甲基化，组蛋白H3K9me2和H3K27me3水平上升；而由滋养外胚层(troph ectoderm)发育而来的胎盘则表现出相对较低的甲基化水平。


医学细胞生物学 348第四篇细胞的基本生命活动 已如上述，基因表达的转录水平调控极其复杂，新的转录调控机制被不断揭示。新近研究发现，增强子在细胞特化中的作用还表现为多个增强子丛(cluste1)组合在一起形成超级增强子(super-enhancers)而发挥功能。超级增强子是具有转录活性增强子的一个大簇，富集高密度的关键转录因子(master tran scrip tion factors)、辅因子(cofactor)和增强子表观修饰标记(histone mod山cation marks)。在功能上超级增强子能够驱动控制细胞身份(cell i denti ty)基因的表达，可以用来解释细胞类型特异的表达模式。目前已经在哺乳动物细胞中鉴别出超过一百万个控制基因表达的增强子，这些增强子控制着数以万计的基因表达，其中只有数百个超级增强子控制赋予每个细胞特性和功能的大多数关键基因的表达。现有研究资料提示，在发育过程中超级增强子的活性被不断地打开或关闭，旧的超级增强子失活、新的超级增强子活化，驱动了细胞身份的变化。超级增强子对细胞分化的转录调控是一个染色质经共价和非共价修饰而归类的信息 >25000个基因归相同的


医学细胞生物学 >25000个基因归相同的 -5一霆－曝＼)???类型的细胞图15-13表观基因组与细胞分化基因组：某一个体不变的DNA序列（双螺旋）。表观基因组：染色质模板的总体构成，分别对应特定细胞中的整个染色体。表观基因组随细胞类型的不同而变化，并能对其收到的内、外界信号发生反应。表观基因组会在多细胞生物由一个受精卯发育到许多已分化细胞这一过程中发生变化。图中的......表示分化或去分化的转变需要细胞的表观基因组重编程新兴领域，可以认为，本领域研究的不断深入，将有助于阐明基因表达盘的改变或基因表达水平的临界值与细胞表型特化的关系，同时也将促进对既往研究中鉴定的基因座控制区(locus control region)、DNase I超高敏位点(DNase I super-hypersensitive s ites)等在调控细胞分化中所起作用的认识。


医学细胞生物学 四、基因选择性表达的转录后调控 生物体发育和细胞分化的过程，实质上也是特异蛋白质不断合成的过程。在真核生物，基因的表达，也即基因向蛋白质的信息流向，在转录之后，还存在RNA加工、RNA转运、mRNA降解、蛋白质翻译及蛋白质活性修饰等调控过程，它们均涉及生物体发育和细胞分化。在此仅从RNA剪接和mRNA降解两个方面阐述基因选择性表达的转录后调控在细胞分化中的作用。1. RNA剪接与细胞分化RN A剪接对细胞分化的一种调控方式为可变剪接(alternative splic ing，也称选择性剪接），即在同一基因中，其剪接位点和拼接方式可以改变，从而导致一个基因能产生多个具有明显差异的相关蛋白产物。例如，RNA可变剪接能使B－原肌球蛋白(~-tropmyosin)基因编码出骨骼肌细胞和成纤维细胞两种形式的蛋白。B－原肌球蛋白的前体核RNA含有11个外显子，其中外显子1~5、8和9是表达这一基因的所有mRNA共有的，外显子7和10被用于骨骼肌的B原肌球蛋白合成中，而外显子6和11则被用在成纤维细胞和平滑肌细胞中（图15-14)。


医学细胞生物学 四、基因选择性表达的转录后调控 2.非编码RNA与细胞分化非编码RNA(non-coding RNA)在细胞分化中的作用是近些年被揭示的。哺乳动物基因组中近98％不与蛋白质编码基因相对应。在入类，虽然基因组组成多达约32亿个碱基，但编码蛋白质的基因仅约2万～3万个，其余绝大部分为非编码序列。这些非编码序列是产生微小RNA(microRNA, mi RNA)、内源性siRNA（称endo-siRNA)、piRNA(Piwi-interacting RNA)等非编码小RNA，以及长链非编码RNA(long non-coding RNA, ln cRNA)的基础。非编码小RNA主要在转录后水平调控细胞的分化。小RNA通过与靶基因mRNA3'端UTR互补352第四篇细胞的基本生命活动纠1|2|3|4|5|7|8|9|10卢z、'·',2|3|415|6|8|9|11户成纤维和平滑肌细胞P－肌球蛋白图15-14~－原肌球蛋白mRNA前体的可变剪接图解在骨骼肌细胞中，外显子6和11被当作内含子剪接掉了；而在成纤细细胞和平滑肌细胞中，外显子7和10被当成内含子，6和11则被用作外显子结合，抑制靶基因的蛋白质合成或促使靶基因的mRNA降解，从而参与细胞分化与发育的基因表达调控。小RNA在生物体发育中的调控作用，起初是在研究秀丽隐杆线虫(C. elegan)细胞命运的时间控制过程中被发现的：高浓度的转录因子LIN-14可特异性地促进早期幼虫器官的蛋白质合成，但在后续的发育中，尽管体内一直存在侐－14mRNA却检测不到LIN-14蛋白。后来发现在线虫的第一、二龄幼虫期存在一个22nt的miRNA，即lin-4RNA。Lin-4RNA通过与lin-14mRNA3'端UTR互补结合，短暂下调LIN-14蛋白水平，促进线虫从第一龄幼虫期向第二龄幼虫期发育。如果lin-4基因突变而失去功能，那么线虫幼虫体内可持续合成LIN-14蛋白，使线虫长期停滞在幼虫的早期发育阶段。随后在线虫体内又发现了另一个miRNA—let-7RNA。let-7RNA长为21nt，存在于线虫的第三、四龄幼虫期及成虫期，其功能是决定线虫从幼虫向成虫的形态转变。后续研究发现，let-7RNA不仅存在于线虫，也存在于脊椎动物和入类。越来越多的研究资料表明，小RNA广泛地存在于哺乳动物，具有高度的保守性。目前在各种生物中已发现数千中miRNA，大部分miRNA的产生机制和功能尚有待阐明。迄今已鉴定了系列与细胞分化有关的miRNA，如miR-143和miR-145参与调控平滑肌细胞的分化；miR-126特异性表达千内皮细胞，调控血管形成。piRNA与PIWI蛋白家族成员的结合在调节精子成熟发育中起重要作用。非编码小RNA与细胞分化和发育的关系也是目前生物学研究中的热点领域，有待探索的问题很多。


医学细胞生物学 四、基因选择性表达的转录后调控 长链非编码RNA与细胞的分化和发育密切相关。细胞中lncRNA的来源极其复杂，有资料显示，哺乳动物基因组序列中4%~9％的序列产生的转录本是lncRNA。lncRNA可通过多种方式调控基因表达，如通过在蛋白编码基因上游启动子区发生转录，千扰下游基因的表达；通过抑制RNA聚合酶II或者介导染色质重建，影响下游基因表达；通过与蛋白编码基因的转录本形成互补双链而干扰mRNA的剪接；通过结合到特定蛋白质上，调节相应蛋白的活性。已有研究表明，在细胞分化与发育过程中lncRNA能调控基因组印记和X染色体失活；许多lncRNA在Hox基因座的选择性表达中发挥重要调控作用，它们决定这些基因座染色质结构域中组蛋白甲基化修饰是否会发生、染色质结构是否允许RNA聚合酶转录等。 第三节细胞分化的影响因素一、细胞间相互作用对细胞分化的影响 在个体发育过程中，随着胚胎细胞数目的不断增加，细胞之间的相互作用对细胞分化的影响越来越重要。原肠胚以后，三个胚层的发育前途虽已确定，但各胚层进一步发育还有赖于细胞群之间的相互作用，这种作用可视为细胞外的因素对细胞分化的调节。胚胎细胞间的相互作用协调了细胞分化的方向。