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1、第十二章 细胞增殖及其调控一、细胞周期概述(一)细胞周期细胞周期是指细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分完成所经历的一个有序过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。细胞周期时相组成：间期(inter phase)：G 1期、S 期、G 2期；有丝分裂期(mitosis phase)：M 期；胞质分裂期(cytokinesis)。细胞沿着 G1SG 2MG 1周期性运转，在问期细胞体积增大(生长)，在M 期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。细胞周期时间：不同细胞的细胞周期时间差异很大，S+G 2+M 的时间变化较小，细胞周期时间长短主要差别在 G1期。根据增殖状况，细胞分类
2、三类：连续分裂细胞(cycling cell)、休眠细胞(G0细胞)和终末分化细胞。(1)连续分裂细胞这类细胞始终保持旺盛的增殖活性，不停地通过 G1期及细胞周期各时期，完成细胞分裂，称为增殖细胞。这类细胞代谢水平高，对环境信号敏感，分化程度都比较低，如：胚胎早期的细胞、造血干细胞、上皮基底细胞，它们对机体的建立和组织的更新起了十分重要的作用。(2)休眠细胞这类细胞可长期停留在 G1早期而不越过 R 点，处于增殖静止状态。它们合成具有特殊功能的 RNA 和蛋白质，使细胞的结构和功能发生分化，但这类细胞并未丧失增殖能力，在一定条件下可以恢复其增殖状态，但需要经过较长的恢复时间。通常把这类细胞称为
3、 G0期细胞。如：肝、肾的实质细胞、血液中的淋巴细胞都属于这类细胞。它们通常处于 G0状态，当组织受到损伤或激素的刺激时可重新进入细胞增殖周期。细胞遗传学中常用 PHA(植物凝集素)来刺激处于 G0状态的淋巴细胞进入细胞周期，从而获得大量分裂期细胞来制备染色体。(3)终末分化细胞这类细胞的结构和功能发生高度分化，已经丧失增殖能力，终生处于 G0期，直到衰老死亡。如：人的红细胞、神经元细胞和骨骼肌细胞等。(二)细胞周期中各个不同时期及其主要事件(1)G1期(DNA 合成前期)。从细胞分裂完成到 DNA 合成开始前的阶段。是 DNA 合成前的准备时期，也是细胞生长的主要阶段。G 1早期由于细胞大量
4、合成 RNA 和进行核糖体组装，导致结构蛋白和酶的形成，这些酶控制着用于形成新细胞成分的代谢活动。进入G1后期，则主要合成 DNA 复制所需的前体物质和酶类，如脱氧核苷酸及胸苷激酶等。这一时期细胞体积增大，核仁增大。DNA 含量是 2c(content)。(2)S 期(DNA 合成期)。从 DNA 合成开始到 DNA 合成结束的全过程，一般是 68 小时。S 期是 DNA进行复制的阶段，使体细胞的 DNA 含量由 2C 增加到 4C。主要特点是进行 DNA复制及合成与 DNA 复制相关的酶和组蛋白：如：胸苷激酶、胸苷酸合成酶、DNA聚合酶等。同时还合成组蛋白。(3)C2期(DNA 合成后期)。
5、从 DNA 合成结束到有丝分裂期开始之前的阶段，是细胞进入有丝分裂前的准备时期。主要特点是有丝分裂促进因子(M-phase promoting factor，MPF)的活化和微管蛋白等有丝分裂器组分的合成，为进入 M 期作准备。人体细胞的 G2期一般要经历 25 小时。(4)M 期(有丝分裂期)。 有丝分裂是遗传传物质已经复制完备的母细胞，进一步将染色质加工、包装成染色体，并把它们均等地分配给成两个子细胞的过程。 (三)细胞周期长短测定细胞周期的测定方法有：(1)脉冲标记 DNA 复制和细胞分裂指数观察测定法。(2)流式细胞仪分选测定法。(四)细胞周期同步化自然同步化：如有一种粘菌的变形体 p
6、lasmodia，某些受精卵早期卵裂。人工选择同步化：(1)DNA 合成阻断法；(2)分裂中期阻断法；(3)条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用。(五)特殊的细胞周期特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期。例如早期胚胎细胞的细胞周期、酵母细胞的细胞周期、植物细胞的细胞周期、细菌的细胞周期。二、细胞分裂(一)有丝分裂1有丝分裂过程根据该过程出现的形态学特征，可划分为前期、中期、后期和末期四个时期。(1)前期(prophase)。这一时期的主要表现是染色体的凝集，分裂极的确定的和核膜、核仁的解体。(2)前中期(prometaphase)。指由核膜解体
7、到染色体排列到赤道面(equatorial plane)这一阶段。(3)中期(metaphase)。染色体最大程度地压缩，呈现出典型的中期染色体形态特征。(4)后期(anaphase)。染色体的着丝粒发生断裂，姐妹染色单体在纺锤丝的牵引下分别移向两极。(5)末期(telophase)。染色体到达细胞两极，即进入未期。此时染色体开始解旋伸展变为细丝，最后恢复成染色质状态。同时，核纤层蛋白去磷酸化，子细胞核膜重建。染色质上的核仁组织区也进行 rRNA 转录，进行核糖体亚单位的装配，核仁重新出现。(6)细胞质分裂(cytokinesis)。动物细胞胞质分裂：两个子细胞核形成后，细胞膜从中部凹陷形成分
8、裂沟(furrow)，继而细胞质分割成两部分，形成两个子细胞。新形成的两个子细胞进入新的细胞周期。植物细胞胞质分裂：与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开。2与有丝分裂直接相关的亚细胞结构(1)中心体(centrosome)是一种与微管装配和细胞分裂密切相关的细胞器。中心体的组成：中心粒+周围的无定型物质。中心粒组成：中心粒呈圆筒状结构，圆筒的壁由 9 组三联微管构成。中心体与四射的微管合 称为星体。当细胞走向分裂时，星体参与装配纺锤体。中心体(或中心粒)周期(eentrosome cycle，centriole cycle)。中心粒的复制
9、：G 1期末到 S 期复制；晚 G2期到 M 期，子中心粒长大并逐渐分离；有丝分裂前期分离成为一个生长辐射状微管的核心。 (2)动粒(kinetochore，又称着丝点)。动粒外侧主要用于纺锤体微管附着，内侧与着丝粒相互交织。细胞进入 S 期后，动粒再次复制。动粒在细胞分裂过程中起到相当重要的作用：染色体依靠动粒捕捉由纺锤体极体发出的微管。没有动粒的染色体不能与纺锤体微管发生有机联系，也不能和其他染色体一起向两极运动。用药物 caffeine 处理细胞，可以使动粒与染色体脱离，等到分裂期，动粒则单独向两极移动。(3)纺锤体(spindle)。主要由微管和微管结合蛋白组成，两端为星体，纺锤体的微
10、管分为三种类型，即动粒微管、极性微管和星体微管。动粒微管的一端与中心体相连，另一端与动粒相连。极性微管的一端与中心体相连，而另一端游离。有丝分裂器(mitotic apparatus)：由中心体、纺锤体和染色体和共同组成的暂时性结构。它是在细胞分裂过程中专门执行有丝分裂功能的结构，在维持染色体的平衡、运动以及均等分配过程中起着极为重要的作用。3有丝分裂过程中染色体运动的动力机制(1)染色体列队。1)牵拉假说：认为染色体向赤道板的运动，是由于动粒微管的牵拉，动粒微管越长，拉力越大，当两极动粒微管拉力相等时，染色体便稳定在赤道板上。2)外推假说：认为染色体向赤道方面的运动，是由于二个星体的排斥将染
11、色体外推的结果，染色体距中心体越近，星体的推力越强，当来自两极推力达到平均时，染色体被稳定在赤道板上。(2)染色体分离机制。1)后期 A：动粒微管逐渐变短，将染色体移向两极。动粒微管的缩短，是由于动粒端微管蛋白解聚造成的，蛋白解聚又是由于 dynein 蛋白拖着动粒盘向着极部运动引起的。 2)后期 B：极性微管不断增长，使两极间距离逐渐拉长。在后期B，Kinesin 蛋白与来自一端的极性微管结合，同时与来自另一端的极性微管搭桥，当 Kinesin 蛋白带着连接的微管沿着另一根微管向着正极运动时，可使两根微管之间产生相互滑动，由此使两极间的距离逐渐变长。(二)减数分裂1减数分裂概念减数分裂是细胞
12、仅进行一次 DNA 复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。用以形成配子。2减数分裂过程(1)减数分裂 I。1)前期 I。减数分裂的特殊过程主要发生在前期 I，通常人为划分为 5 个时期：细线期(leptotene)、合线期(zygotene)、粗线期(pachytene)、双线期(diplotene)、终变期(diakinesis)。必须注意的是这 5 个阶段本身是连续的，它们之间并没有截然的界限。2)中期 I。核仁消失，核被膜解体，标志进入中期 I，中期 I 的主要特点是染色体排列在赤道面上。每个二价体有 4 个着丝粒、姊妹染色单位的着丝粒定向于纺锤体的同一极，故称联合
13、定向 (co-orientation)。3)后期 I。二价体中的两条同源染色体分开，分别向两极移动。由于相互分离的是同源染色体，所以染色体数目减半。但每个子细胞的 DNA 含量仍为2C。同源染色体随机分向两极，使母本和父本染色体重所组合，产生基因组的变异。4)末期 I。染色体到达两极后，解旋为细丝状、核膜重建、核仁形成，同时进行胞质分裂。5)减数分裂间期。在减数分裂 I 和之间的问期很短，不进行 DNA 的合成，有些生物没有问期，而由末期 I 直接转为前期。(2)减数分裂。可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。通过减数分裂一个精母细胞形成 4 个精子。而一个卵母细胞形成一个卵子及 23
14、 个极体。3减数分裂特点和意义。减数分裂特点：遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半；s 期持续时间较长；同源染色体在减数分裂期 I 配对联会、基因重组；减数分裂同源染色体配对排列在中期板上，第一次分列时，同源染色体分开。减数分裂的意义：确保世代间遗传的稳定性；增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力；减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。三、细胞周期的调控(一)MPF 的发现及其作用1970 年，Johnson 和 Rao 将 HeLa 细胞同步化在细胞周期中的不同阶段，然后将 M 期细胞与其他问期细胞在仙台病毒介导
15、下融合，并继续培养一定时间。他们发现，与 M 期细胞融合的间期细胞发生了形态各异的染色体凝集，称之为早熟染色体凝集(PCC)。不同时相的见其细胞与 M 期细胞融合，产生的：PCC 形态各异。1971 年，Masui 和 Markert 用非洲爪蟾卵做实验，明确提出了 MPP 这一概念；1988 年，Maller 实验室分离出毫克级的纯化 MPF，并证明其主要含 p32 和p45 两种蛋白，它们结合后表现出蛋白激酶活性。(二)p34 cdc2激酶的发现及其与 MPF 的关系与此同时，科学家通过对裂殖酵母和芽殖酵母的突变体分析，发现了一种p34 cdc2激酶，并证明 p34 cdc2跟 MPF 中
16、的 p32 是同源物。MPP 的化学成分被证实含有两个亚单位，即 Cdc2 蛋白和周期蛋白 B，当二者结合之后，表现出蛋白激酶活性。(三)周期蛋白周期蛋白是一个家族，各个周期蛋白间具有一些共同的分子结构特点，如它们含有一段相当保守的氨基酸序列(约 100 个氨基酸)，称为周期蛋白框(cyclin box)，该框介导周期蛋白与 CDK 激酶结合。各个周期蛋白也有其特性：在细胞周期时相表达不同，其结构上也具有不同特性。G 1期周期蛋白分子中不含有破坏框，但其 C 端含有一段特殊的 PEST 序列，该序列可能对 G1期周期蛋白的降解起促进作用。不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时期不同，并与不同的 CDK 激酶结合，调节不同的 CDK 激酶活性。(四)CDK 激酶和 CDK 激酶抑制物CDK 激酶是一个家族，其成员有 CDK1(即 Cdc2)、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6、CDK7、CDK8、CDK9。这个家族的成员含有两
