《细胞的生命历程思维导图》
一、细胞周期 (Cell Cycle)
1.1 周期定义
- 细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束的整个过程。
- 核心：DNA复制和染色体分离。
1.2 周期阶段
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间期 (Interphase)
- G1期 (Gap 1): 细胞生长，合成蛋白质和RNA，为DNA复制做准备。
- 调控点：限制点（Restriction Point，动物细胞）或起始点（Start Point，酵母细胞），决定是否进入S期。
- 生长因子信号通路：决定细胞是否增殖的重要信号。
- S期 (Synthesis): DNA复制，中心体复制。
- 复制起始位点 (Origins of Replication)：DNA复制开始的特定序列。
- 复制叉 (Replication Fork)：DNA双螺旋解开，形成Y字形的结构，进行复制。
- 复制体 (Replisome)：一组蛋白质复合物，负责DNA复制。
- G2期 (Gap 2): 细胞继续生长，合成细胞分裂所需的蛋白质，检查DNA复制是否完成。
- DNA损伤检查点：确保DNA复制的完整性。
- 细胞器复制：如线粒体和高尔基体等。
- G1期 (Gap 1): 细胞生长，合成蛋白质和RNA，为DNA复制做准备。
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分裂期 (M Phase)
- 有丝分裂 (Mitosis): 细胞核分裂，染色体分离。
- 前期 (Prophase): 染色质浓缩成染色体，纺锤体开始形成。
- 前中期 (Prometaphase): 核膜解体，纺锤丝与着丝粒连接。
- 中期 (Metaphase): 染色体排列在赤道板上。
- 后期 (Anaphase): 姐妹染色单体分离，分别向细胞两极移动。
- 末期 (Telophase): 染色体解旋，核膜重建。
- 胞质分裂 (Cytokinesis): 细胞质分裂，形成两个子细胞。
- 动物细胞：通过收缩环（contractile ring）收缩。
- 植物细胞：通过细胞板 (cell plate) 形成新的细胞壁。
- 有丝分裂 (Mitosis): 细胞核分裂，染色体分离。
1.3 调控机制
- 细胞周期蛋白依赖性激酶 (Cyclin-Dependent Kinases, CDKs)
- CDK活性受细胞周期蛋白 (Cyclin) 的调控。
- 不同阶段的CDK与特定的Cyclin结合，形成复合物，调控细胞周期进程。
- CDK抑制剂 (CKIs) 可以抑制CDK活性。
- 检查点 (Checkpoints)
- G1检查点：评估细胞大小、营养状况和DNA完整性。
- G2检查点：评估DNA复制的完整性和细胞大小。
- 纺锤体检查点 (Spindle Assembly Checkpoint, SAC): 确保染色体正确连接到纺锤体上。
- 肿瘤抑制基因
- p53：监测DNA损伤，激活DNA修复、细胞周期阻滞或细胞凋亡。
- Rb (Retinoblastoma protein)：抑制细胞周期进程，直到细胞准备好分裂。
- 生长因子
- 通过信号通路激活细胞周期，促进细胞增殖。
二、细胞分化 (Cell Differentiation)
2.1 分化定义
- 细胞从一种类型转变为另一种类型，获得特定的结构和功能。
- 基因表达调控是细胞分化的核心机制。
2.2 分化类型
- 全能性 (Totipotency)：细胞可以发育成一个完整的个体，如受精卵。
- 多能性 (Pluripotency)：细胞可以发育成多种类型的细胞，如胚胎干细胞。
- 多能性 (Multipotency)：细胞可以发育成一类细胞，如造血干细胞。
- 单能性 (Unipotency)：细胞只能发育成一种类型的细胞，如皮肤干细胞。
2.3 分化机制
- 基因表达调控
- 转录因子：结合到DNA上，调控基因的转录。
- 染色质重塑：改变染色质的结构，影响基因的可及性。
- 表观遗传修饰：DNA甲基化和组蛋白修饰，影响基因的表达。
- RNA加工：选择性剪接 (alternative splicing) 和RNA编辑影响蛋白质的种类。
- 细胞信号通路
- 生长因子、细胞因子等信号分子，通过信号通路调控基因表达。
- 形态发生素 (morphogens)：浓度梯度决定细胞命运。
- 细胞间相互作用
- 相邻细胞之间的信号传递，影响彼此的分化。
- 细胞外基质 (extracellular matrix, ECM) 提供结构支持和信号。
2.4 干细胞 (Stem Cells)
- 具有自我复制和分化潜能的细胞。
- 胚胎干细胞 (Embryonic Stem Cells, ESCs)：来源于早期胚胎，具有多能性。
- 成体干细胞 (Adult Stem Cells)：存在于成体组织中，具有多能性或单能性。
- 诱导多能干细胞 (Induced Pluripotent Stem Cells, iPSCs)：通过基因工程将体细胞重编程为多能干细胞。
三、细胞衰老 (Cellular Senescence)
3.1 衰老定义
- 细胞停止分裂，但仍然存活，并表现出特定的表型。
- 不可逆的细胞周期阻滞。
3.2 衰老诱导因素
- 端粒缩短 (Telomere Shortening)：每次DNA复制后，端粒会缩短，当端粒达到临界长度时，细胞会进入衰老。
- DNA损伤 (DNA Damage)：持续的DNA损伤会激活DNA损伤反应，导致细胞衰老。
- 氧化应激 (Oxidative Stress)：活性氧 (reactive oxygen species, ROS) 的积累会损伤DNA、蛋白质和脂质，诱导细胞衰老。
- 癌基因激活 (Oncogene Activation)：某些癌基因的激活会诱导细胞衰老，作为一种肿瘤抑制机制。
3.3 衰老表型
- 细胞周期阻滞：通常发生在G1期。
- 衰老相关分泌表型 (Senescence-Associated Secretory Phenotype, SASP)：分泌炎症因子、生长因子和蛋白酶，影响周围细胞和组织。
- β-半乳糖苷酶活性升高：一种衰老相关的标志物。
- 形态变化：细胞变大，扁平。
- 线粒体功能障碍：线粒体数量减少，功能下降。
3.4 衰老意义
- 肿瘤抑制：衰老可以阻止受损细胞的增殖，防止肿瘤发生。
- 组织修复：SASP因子可以促进组织修复。
- 衰老相关疾病：衰老细胞的积累会导致组织功能下降，增加衰老相关疾病的风险，如关节炎、动脉粥样硬化和老年痴呆症。
四、细胞死亡 (Cell Death)
4.1 细胞死亡类型
- 凋亡 (Apoptosis)：程序性细胞死亡，受基因调控。
- 坏死 (Necrosis)：非程序性细胞死亡，通常由外部因素引起。
- 自噬 (Autophagy)：细胞通过降解自身成分来维持生存。
- 焦亡 (Pyroptosis)：一种炎症性的程序性细胞死亡。
4.2 凋亡 (Apoptosis)
- 凋亡通路
- 内源性通路 (Intrinsic Pathway)：由线粒体释放的细胞色素c激活。
- Bcl-2家族蛋白调控线粒体外膜的通透性。
- 凋亡蛋白酶激活因子-1 (Apaf-1) 与细胞色素c结合，形成凋亡小体。
- 凋亡小体激活caspase-9。
- 外源性通路 (Extrinsic Pathway)：由死亡受体 (death receptor) 激活。
- 肿瘤坏死因子受体 (TNFR) 家族的成员，如Fas和TRAIL受体。
- 配体结合死亡受体，激活caspase-8。
- Caspases：一类半胱天冬酶，是凋亡的关键执行者。
- 起始caspase (initiator caspases)：如caspase-8和caspase-9，激活下游的执行caspase。
- 执行caspase (executioner caspases)：如caspase-3，切割细胞内的底物，导致细胞死亡。
- 内源性通路 (Intrinsic Pathway)：由线粒体释放的细胞色素c激活。
- 凋亡特征
- 细胞皱缩，细胞骨架崩解。
- 染色质浓缩，DNA断裂。
- 细胞膜起泡，形成凋亡小体。
- 凋亡小体被吞噬细胞清除。
4.3 坏死 (Necrosis)
- 坏死原因
- 缺血、缺氧、感染、毒素、物理损伤等。
- 坏死特征
- 细胞肿胀，细胞膜破裂。
- 细胞内容物释放，引起炎症反应。
- DNA随机断裂。
4.4 自噬 (Autophagy)
- 自噬过程
- 自噬体 (autophagosome) 形成：双层膜结构的囊泡，包裹细胞内的成分。
- 自噬体与溶酶体融合，形成自噬溶酶体 (autolysosome)。
- 溶酶体酶降解自噬体内的成分。
- 自噬功能
- 清除受损的细胞器和蛋白质。
- 为细胞提供能量和营养。
- 参与细胞凋亡的调控。
4.5 焦亡 (Pyroptosis)
- 焦亡通路
- 通常由炎症小体 (inflammasome) 激活。
- 炎症小体激活caspase-1。
- caspase-1激活IL-1β和IL-18，促进炎症反应。
- gasdermin D (GSDMD) 被caspase-1切割，N端片段形成膜孔，导致细胞膜破裂。
- 焦亡特征
- 细胞肿胀，细胞膜破裂。
- 细胞内容物释放，引起强烈的炎症反应。
- DNA断裂。
五、细胞生命历程总结
细胞的生命历程是一个动态的过程，包括细胞周期、细胞分化、细胞衰老和细胞死亡。 这些过程相互关联，共同维持组织的稳态和生物体的健康。 对这些过程的深入理解有助于我们更好地理解疾病的发生机制，并开发新的治疗方法。