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1、第九章细胞的增殖与分化 1 细胞通过增殖增加数量 通过分化增加种类 200余种 2 1014个细胞 构造无比复杂 2 无丝分裂 amitosis 有丝分裂 mitosis 减数分裂 meiosis 第一节细胞分裂 分裂过程中没有染色体组装和纺锤体形成 DNA复制后直接分裂 是低等生物 如细菌 增殖的主要方式 分裂过程中有纺锤体和染色体的形成 子细胞中遗传物质均等分配 是真核细胞主要的增殖方式 有性生殖生物形成生殖细胞时的分裂分式 分裂前 染色体复制一次 细胞连续分裂两次 染色体数目减半 3 一 无丝分裂 amitosis 4 二 有丝分裂 mitosis 5 间期 为了便于描述人为划分 6 M
2、期被细分为六个时期 前期 prophase 前中期 prometaphase 中期 metaphase 后期 anaphase 末期 telophase 胞质分裂 cytokinesis 从后期开始延续至末期 7 染色质凝集成染色体 每条染色体含2姐妹染色单体 以着丝粒相连 至晚前期时外侧形成动粒 核仁分散 逐渐消失 有丝分裂器 纺锤体 星体 形成 1 前期prophase 一 有丝分裂各阶段发生的事件 8 中心粒在S期完成复制 在前期移向细胞两极 两个中心体之间形成纺锤体微管 前期末核膜解体时 中心体已到达两极 并形成纺锤体 9 中心体发出的三种微管结构 极微管 polarmt 动粒微管 k
3、inetochoremt 星体微管 astralmt 10 有丝分裂器 mitoticapparatus 动态结构 由微管及微管结合蛋白组成 在中期细胞中包括两部分 纺锤体 spindle 极微管 动粒微管 星体 aster 星体微管 11 2 前中期prometaphase 始于核膜崩解 纺锤体微管捕获染色体 染色体两侧动粒分别结合来自两侧中心粒的纺锤体微管 染色体剧烈运动 挪向细胞中央 12 13 3 中期metaphase 染色体排列于赤道板 metaphaseplate 上 姐妹染色单体两侧动粒分别结合于相反的纺锤体极 受力均等 14 15 4 后期anaphase 姐妹染色单体分开并
4、向两级迁移 极微管不断延长 动粒微管逐渐缩短 细胞两端的纺锤体极 中心体 进一步远离 16 17 5 末期telophase 子染色体分别到达两极 动粒微管消失 核膜重建 染色质重新疏松 核仁重现 18 6 胞质分裂cytokinesis 始于后期 止于末期 若核分裂后不发生胞质分裂 则形成多核细胞 动物细胞 通过胞质收缩环 contractilering 的收缩实现 收缩环由大量平行排列的肌动蛋白与肌球蛋白等组成 形成的结构也称分裂沟 cleavagefurrow 分裂由外而内 植物细胞 在细胞中央产生细胞板 与周围细胞壁汇合后将细胞分开 分裂由内而外 19 20 二 有丝分裂各阶段发生事件
5、的调节机制 染色体的凝集黏合素 cohesin 介导染色单体结合 凝集素 condensin 在染色体凝集过程中发挥重要作用 21 有丝分裂器的形成与子染色体分离 纺锤体的组装 纺锤体 捕获 染色体 由微管组装和动力 马达 蛋白的共同作用 微管组装与解聚 在 端发生聚合和解聚 调节纺锤体微管的长度 微管动力蛋白 马达蛋白 驱动蛋白 kinesin 向 端运动动力蛋白 dynein 向 端运动 调节极微管之间的滑动 染色体的运动等 前期 中期 22 23 染色体的分离机制 后期A 动粒微管 解聚缩短 拉动染色体移向两级 动粒处的马达蛋白帮助促进染色体移动 后期 24 后期B 极微管 端聚合延长
6、极微管上的马达蛋白促使其互相滑动远离 推动两极更加远离 同时星体微管马达蛋白直接拉动两极更加远离 25 26 核膜的崩解与再组装机制与核纤层蛋白 lamin 的磷酸化与去磷酸化修饰有关 Lamin磷酸化 Lamin去磷酸化 核膜小泡融合 染色质疏松 27 胞质分裂机制 核分裂先于胞质分裂的调控机制1 细胞周期调控系统激活有丝分裂需要的蛋白的同时 使胞质分裂所需要的蛋白失活 2 在形成有功能的收缩环之前不会发生胞质分裂 收缩环的形成需要染色体分至两极后留下的中央纺锤体参与 28 三 减数分裂 meiosis 产生单倍体配子细胞的分裂方式 一 减数分裂的一般过程减数分裂I减数分裂II 同源染色体通
7、过联会实现染色体部分片段的交换 然后分开 姐妹染色单体分开 29 30 1 减数分裂I 1 前期I 31 细线期leptotene 染色质开始凝集 光镜下呈细线状 具有念珠状的染色粒 32 偶线期zygotene 同源染色体配对 联会 synapsis 粗线期pachytene 始于联会完成时 光镜下已能看清姐妹染色单体 同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换 联会复合体二价体四分体 33 每对同源染色体间通过联会复合体 synaptonemalcomplex SC 结合 称为二价体 bivalent 含四条姐妹染色单体 称为四分体 tetrad SC 34 电镜下为3条纵带状结构 两边侧生组分
8、 中间中央组分 互相以横纤维相连 SC上有重组小节 recombinationnodules 含有多种酶 非姐妹染色单体的染色质在此处局部结合 发生DNA交换 SC形成于偶线期 成熟于粗线期 消失于双线期 联会复合体 synaptonemalcomplex SC 35 双线期diplotene 联会复合体消失 同源染色体分离 只有少数点仍连接 称为交叉 chiasmata 交叉逐渐移向染色体两端 称为端化 terminalization 36 双线期RNA合成异常活跃 部分染色体解旋 如两栖类 爬行类 鸟类等卵母细胞中 RNA合成活跃 二阶体解螺旋而形成灯刷染色体 这一时期是卵黄积累的时期 许
9、多动物卵细胞在双线期停留的时间非常长 如人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期 而一直到排卵期 12 50岁 都停在双线期 37 终变期diakinesis 染色体再凝集 核仁消失 四分体交叉端化进一步发展 交叉数目减少 通常仅存于端部 纺锤体组装形成 38 2 中期I 核膜消失 每条同源染色体上的姐妹染色单体的动粒融合在一起 二价体的两个动粒分别连接于两极的纺锤体微管 二价体端部交叉仍结合在一起 39 3 后期I 同源染色体分开 分别向两极移动 同源染色体随机分向两极 染色体上带重组成分 姐妹染色单体仍然相连 40 4 末期I 染色体到达两极 多数仍保持凝集状态 或去凝集程度很低 少数细胞发生
10、去凝集 产生的两个子细胞只含单倍数染色体 但含二倍数DNA 41 2 减数分裂II 分为前期II 中期II 后期II 末期II 过程与有丝分裂相似 一个精母细胞形成4个精子 一个卵母细胞形成一个卵子及2 3个极体 42 二 减数分裂的特征和意义 1 DNA复制一次细胞分裂两次 保证人类染色体数目稳定 非同源染色体随机组合 保证物种多样性 配子种类至少为2n 在人类细胞中n 23 43 减数分裂与有丝分裂比较 44 2 同源染色体的配对与分离 使同源染色体间发生遗传重组 极大增加遗传的多样性 保证同源染色体准确分离 3 性染色体配对 雄性个体X Y染色体末端存在一个同源的小区域 可介导二者产生区
11、域配对并交叉互换 45 三 异常的减数分裂 产生染色体缺失的单倍体细胞或多拷贝细胞 融合后产生异常胚胎 多数死亡 或发育成疾病成体 如人类的唐氏综合征 减数分裂中的分离错误较易发生于雌性个体 且错误概率随母体年龄增长而增高 46 第二节细胞周期 一 细胞周期 cellcycle 的基本概念 一个细胞经过一系列生化事件而复制他的组分 然后一分为二 这种周期性的复制和分裂过程 间期M期 47 48 细胞生长的主要阶段 物质代谢极为活跃 合成大量的RNA和蛋白质等 G1晚期合成DNA复制所需的酶类 以及G1 S转变所需的各类蛋白 触发蛋白 钙调蛋白和细胞周期蛋白等 G1期是决定细胞增殖状态的关键阶段
12、 G1期进程受多种细胞内外因素影响 G1期长短在不同细胞中差异较大 1 G1期 二 细胞周期各时相的动态关系与生物大分子的合成 49 从增殖的角度来看 可将高等动物的细胞分为三类 连续分裂细胞 如表皮生发层细胞 部分骨髓细胞 不分裂细胞 指不可逆地脱离细胞周期 不再分裂的细胞 又称终端细胞 如神经 肌肉 多形核细胞等 静止休眠细胞 暂不分裂 但在适当的刺激下可重新进入细胞周期 称G0期细胞 如淋巴细胞 肝 肾细胞等 50 2 S期 DNA合成的阶段 组蛋白 非组蛋白等染色质组成蛋白亦在此期合成 并入核与DNA组装成核小体 中心粒也在S期复制 3 G2期 合成进入M期所需的蛋白质 为细胞分裂作准
13、备 G2期合成的MPF对于M期进入非常关键 51 成熟促进因子 maturationpromotingfactor MPF 一种促进M期启动的蛋白激酶 通过促进靶蛋白的磷酸化而改变其生理活性 为异二聚体 由一个催化亚基 p34cdc2 具有激酶活性 和一个调节亚基 细胞周期蛋白B cyclinB 组成 52 4 M期 染色体分离及胞质分裂 53 三 细胞周期的调控 一 研究细胞周期调控的常用真核细胞系统 1 裂殖酵母与芽殖酵母单细胞真菌 其周期调控过程与人类细胞类似 且增殖迅速 利于研究 2 爪蟾胚胎细胞受精卵与早期胚胎细胞个体大 含大量细胞分裂所需蛋白质 增殖迅速 几乎无G1与G2期 且个体
14、大易于操作 3 体外培养的哺乳动物细胞避免动物体实验的复杂与困难 54 55 二 细胞周期调控系统的组成 可将特定蛋白磷酸化 促进细胞周期运行 其活性受到cyclin的调节 必须与cyclin结合才能被激活 Cdk活性的周期性改变 启动或调节DNA复制 有丝分裂 胞质分裂等细胞周期主要事件 目前已知Cdk家族成员有Cdk1 cdc2 Cdk2 Cdk3 Cdk9 1 细胞周期蛋白与细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶 Cdk cyclin dependentkinase 细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶 56 是一类蛋白激酶 但必须与cyclin结合并且特定的氨基酸残基处于合适的磷酸化状态后才可能具有激酶活性
15、 通过磷酸化多种与细胞周期相关的蛋白 在细胞周期调控中起关键作用在细胞周期的不同阶段 不同的CDK分子被激活 由此引发或调控细胞周期的主要事件 57 2 Cyclin 细胞周期蛋白 在每一个细胞周期都经历了合成和降解的循环过程 含量呈周期性变化 在脊椎动物中已知有cyclinA B C D E F G H T等 都有周期蛋白框 cyclinbox Cyclin不仅能与特定Cdk结合而使其活化 而且还 指引 Cdk到达特定的靶蛋白 从而诱导特定细胞周期事件的发生 分为 类 G1 G1 S型 S型 M型 58 表3 9 1主要的cyclin和Cdk CyclinD包括D1 3 各亚型cyclinD
16、在不同细胞中的表达量不同 但具有相同的功效 59 脊椎动物细胞周期调控系统主要成员 CyclinB Cdk1 60 3 Cdk活化激酶与Cdk活性抑制因子 Cdk活化激酶 Cdkactivatingkinase CAK 一种蛋白复合物 磷酸化Cdk 使之激活 Cdk活性抑制因子 Cdk抑制激酶 Cdk抑制蛋白 Cdkinhibitor CKI 61 激酶Kinase add P 磷酸化 磷酸酶Phosphatase remove P 去磷酸化 Cdk抑制激酶 62 Cdk抑制蛋白 Cdkinhibitor CKI 包括 CIP KIP P21cip1 P27kip1 P57kip2 INK4 P16ink4a P15ink4b P18ink4c P19ink4d 与Cdk cyclin复合物结合 抑制Cdk的活性 对细胞周期起负调控作用 63 4 促进Cdk调节因子降解的酶复合物 泛素 ubiquitin 蛋白水解酶复合物 proteasome 通路 Cdk调节蛋白的降解主要依赖两种复合物 SCF和APC 需要降解的蛋白质 在特定Aa上被连上一串泛素 结合了泛素的蛋白质被蛋白水解酶复合
