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1、第十一章 细胞增殖及其调控复习题 本章基本内容概要：本章主要讲了两个问题：细胞增殖是生物繁殖和生长发育的基础。细胞周期的时间长短可以通过多种方法测定。细胞周期还可以通过某些方式实现同步化。最重要的人工细胞周期同步化方法包括DNA合成阻断法和分裂周期阻断法。1. 真核细胞的细胞周期一般可分为四个时期，即G1期、S期、G2期和M期。前三个时期合称为分裂间期，M期即分裂期。分裂间期是细胞分裂前重要的物质准备和积累阶段，分裂期即为细胞分裂实施过程。根据细胞繁殖情况，可将机体内所有细胞相对地分为三类，即周期中细胞、静止期细胞和终末分化细胞。周期中细胞一直在进行细胞周期运转。静止期细胞为一些暂时离开细胞周
2、期，去执行其生理功能的细胞。静止期细胞在一定因素诱导下，可以很快返回细胞周期。体外培养的细胞在营养物质短缺时，也可以进入静止期状态。终末分化细胞为那些一旦生成后终身不再分裂的细胞。在一个细胞周期中，DNA只复制一次，发生在S期。在M期，复制的DNA伴随其他相关物质，平均分配到新形成的两个子细胞中。M期也可以人为地划分为前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂等几个时期。减数分裂是一种特殊的有丝分裂方式。生殖细胞在成熟过程中发生减数分裂。其特点是，DNA复制一次，然后发生两次连续的有丝分裂，导致最终生成的子细胞中染色体数目减半。减数分裂I的前期I时间长，过程复杂，因而又分为细线期、偶线期、粗线期
3、、双线期和终变期。由于减数分裂过程中有遗传物质的交换和受精时不同个体遗传物质的混合，而使子代个体具有更大的变异性。2. 细胞周期的调控细胞周期运转受到细胞内外各种因素的精密调控，细胞内因素是调控依据。周期蛋白依赖性CDK激酶是细胞周期调控中重要因素。目前已发现，在哺乳动物细胞内至少存在8种CDK激酶，即CDK1至CDK8。CDK激酶至少含有两个亚单位，即周期蛋白和CDK蛋白。周期蛋白为其调节亚单位，CDK蛋白为其催化亚单位。周期蛋白也有多种，在哺乳动物细胞中包括周期蛋白A、B、C、D、E、F、G和H等，分别与不同的CDK蛋白结合。不同的CDK激酶在细胞周期中起调节作用的时期不同。CDK激酶通过
4、磷酸化其底物而对细胞周期进行调控。CDK激酶活性也受到其他因素的直接调节。除CDK激酶及其直接活性调节因子外，还有不少其他因素参与细胞周期调控过程，如各种检验点等。各种检验点也有专门的调控机制。所有这些因素，可能组成一个综合的调控网络，共同推动着细胞周期的运转。DNA复制起始调控是近十年细胞周期调控研究中的又一大进展。DNA复制起始并不仅仅是在G1期末的起始点处才决定的。早在G1期开始时，许多与DNA复制有关的物质即已表达并与染色质结合，开始了DNA复制的起始调控。目前已经知道，Orc、Cdc6、Cdc45、Mcm等蛋白参与了DNA复制起始调控过程。这一调控过程也需要某些CDK激酶参与，尤其是
5、周期蛋白E-CDK2激酶。分裂后期促进因子APC的发现是细胞周期研究领域的又一重大进展。到达分裂中期后，周期蛋白B/A与CDK1分离，在APC介导下，通过泛素化途径而降解。CDK1激酶活性消失，细胞由分裂中期向后期转化。APC的成份至少分为8种，分别称为APC1APC8。APC活性也受到多种因素的综合调控。其中Cdc20为APC有效的正调控因子。在分裂中期之前，位于动粒上的Mad2可以与Cdc结合并抑制后者的活性。在分裂中期，Mad2 从动粒上消失，解除对Cdc20的抑制作用，促使APC活化，细胞分裂除核分裂外，还要进行胞质分裂。至于胞质分裂与核分裂如何协调，目前还不清楚。动植物细胞的胞质分裂
6、过程有较大差别。本章的学习要求：1. 掌握有丝分裂和减数分裂的过程、细胞周期的同步化方法和成熟促进因子等相关知识。2. 理解细胞周期的关键性事件和细胞周期的有序运转及调控机制。3. 理解各种内在因素和外在因素在细胞周期调控中的作用及其机制，并与细胞信号传导的有关内容联系起来。本章的重点与难点：1 本章的基本内容都是掌握和理解的重点内容。2 本章的难点是：细胞周期时间的测定和细胞周期同步化方法；有丝分裂和减数分裂过程及其生理意义的异同比较；细胞周期蛋白和成熟促进因子及其与细胞周期调控的核心过程及上游事件和下游事件。本章需要掌握的基本概念：1. 细胞周期 指连续进行有丝分裂的细胞从一次分裂结束开始
7、到第二次分裂结束位置的顺序变化过程，一般分为分裂间期和分裂期两个时期。2. 检验点 ：又称做限制点或监控点，指在细胞周期中可使细胞周期时间暂时刹车的位点。他通过特异的机制鉴别细胞周期进程中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行，待错误根除后才允许细胞进入下一个阶段。检验点不仅存在于G1期，也存在于其他时期，如S期检验点、G2期检验点、纺锤体装配检验点等。3. cdc基因： 指与细胞周期过程直接有关的基因，此类基因的有序表达才使得细胞周期运转。Cdc基因的产物是一些蛋白激酶、磷酸酶等。这些酶活性的变化将直接影响到细胞周期的变化。4. 细胞同步化：指自然发生的或人工诱导选择的，使
8、一群细胞共同处于细胞周期的某一阶段的过程或方法。如粘菌的变形体，众多核进行同步的分裂为自然同步化，用秋水仙素将细胞阻断在有丝分裂中期为诱导同步化。5. 染色体列队：又叫染色体中板聚合，指染色体向赤道板上运动的过程。6. 中心体周期：指细胞周期过程中，中心体的复制、变化和分裂分离的整个过程，包括G1期时开始复制，S期时，复制了的中心体并不分开，分裂前期，一对中心体开始分离，并向两极移动，参与装配成纺锤丝。到细胞分裂结束，两个中心体分别进入不同的子细胞，完成一个周期。7. 中心体列队: 中心体分离时，负向运动的动力蛋白在来自姐妹中心体的微管之间搭桥，通过向负极运动，将被结合的微管牵拉在一起，组成纺
9、锤体微管；中心体也自然形成了纺锤体的两极。这一过程称为中心体列队。8. 成熟促进因子（MPF）又称细胞促进分裂因子或M期促进因子，是由细胞周期蛋白与周期蛋白依赖性蛋白激酶组成的复合物，能启动细胞进入M期。9. 星体：指动物细胞在有丝分裂时，细胞两极围绕着中心体形成的辐射排列的微管结构。10. 二价体：指第一次减数分裂前期，由两条同源染色体配对所形成的复合结构，它包含4条染色单体。11. 联会复合体：指第一次减数分裂前期，在同源染色体联会的部位形成的一种特殊复合结构。联会复合体沿同源染色体长轴分布，可能与同源染色体间遗传物质的交换有关。12. 周期蛋白框：指在各种不同的周期蛋白中共有的一段相当保
10、守的氨基酸序列，它介导周期蛋白与CDK结合。不同的周期蛋白框识别不同的CDK，组成不同的周期-CDK复合体，表现出不同的CDK激酶活性。13. 破坏框：指有些周期蛋白分子的近N端含有一段由9个氨基酸组成的特殊序列，主要参与由泛素介导的周期蛋白的降解过程。14. CDK激酶：是细胞周期中的核心调节分子，但在发挥作用时，必须与细胞周期蛋白结合才能发挥作用，将周期蛋白作为他的调节亚基，所以又称为周期蛋白依赖性蛋白激酶。不同的CDK结合不同的周期蛋白形成不同的复合体，通过使用专一靶蛋白磷酸化的方式而启动细胞周期的不同阶段。15. 复制起始点识别复合体：指从酵母细胞到哺乳类细胞中普遍存在的识别DNA复制
11、起始点的蛋白复合物，由6个亚单位组成。16. DNA复制执照因子学说：是用来解释在每个细胞周期中DNA只复制一次的学说，是20世纪80年代末由Ju-lianBlow等通过实验提出的，意思是在细胞质中存在一种执照因子，对细胞核染色质DNA复制发行“执照”。在M 期，细胞核膜破裂，胞质中的执照因子与染色质接触并与之结合，使后者获得DNA 复制所必需的执照。细胞通过G1期后进入S期，DNA开始复制。随着DNA复制的进行，执照信号不断减弱直至消失。到达G2期，细胞核中不再含有执照信号，DNA复制结束也就不再起始了。现在已经发现，执照因子的主要成分是Mcm蛋白。17. zygDNA：即偶线期DNA。指减
12、数分裂前的间期，DNA的复制是不完全的，仍留下有百分之0.1 0.3 部分，这部分的等到前期I的偶线期才合成。而且这部分DNA 在偶线期转录活跃，故得名。ZygDNA由500010000个小片段组成，分散存在于整个基因组中，每个片段长约10005000bp。问答题：1. 细胞周期时间是如何测定的？细胞周期时间的长短可用脉冲标记DNA复制和观察细胞分裂指数的方法来测定。这里以体外培养细胞为例介绍该方法的应用。首先3H-TdR短期饲养细胞，数分钟至半小时后，将3H-TdR洗脱，置换新鲜培养液并继续培养，随后，定期取样，做放射自显影观察分析，从而确定细胞周期各时相的长短。因为经3H-TdR暂短标记后
13、，凡是处于S期的细胞均被标记，转换到新鲜培养液中一段时间后，被标记的细胞将陆续进入M期，最先进入M期的标记细胞是被标记的S 期最晚期细胞，所以，从更换培养液培养开始，到被标记的M期细胞开始出现所用的时间应为G2期时间（tG2）.从被标记的M期细胞开始，到其所占M期细胞总数的比例达到最大值是，所经历的时间为M期时间（tM）。从被标记的M期细胞数占M期细胞总数的50%开始，经历最大值，再下降到50%，所经历的时间为S期（tS）。从被标记的M期细胞开始出现并逐渐消失，到被标记的M期细胞再次出现，所经历的时间为一个细胞周期的总时间（tC）。TC减去tG2、tM和tS 即得tG1。2.中期阻断法制备M期
14、同步化细胞的原理。该方法的主要有缺点是什么？有丝分裂中期阻断药物可抑制细胞质微管的聚合，从而抑制纺锤体的形成，将细胞阻断在M期。常用的中期阻断药物有秋水仙素或秋水仙胺。此方法的最大优点是可获得大量的M期同步细胞。缺点是此种阻断可逆性较差阻断时间较长时，解除阻断后许多细胞不能完成正常的有丝分裂。3.纺锤体装置有哪些典型结构？（1） 具有两类纺锤丝。动力微管，她从一极延伸至着丝粒；极性微管，它从一极延伸超过细胞中央一段距离。来自每一极的极性微管蛋白在细胞中相互重叠。（2） 每个染色体上都具有纺锤丝的附着点动粒。一个约400nm长的暗染多蛋白纤维结构附着于着丝粒中特殊的DNA序列和纺锤体装置的动力微
15、管，在前期中，由微管蛋白纤维构成的纺锤体在细胞的两极之间出现。在纺锤体的每一端是一个微管组织中心或中心体。（3） 具有微管组织中心。 在将要进行有丝分裂的动物细胞中，每个MTOC中具有一对叫做中心粒；植物细胞的MTOC中心一般不含有中心粒。每个中心粒在结构上与纤毛和鞭毛的基粒相似。在准备细胞分裂的过程中，每一对中心粒可把微管聚集形成第二对中心粒，这就是所谓的中心粒的复制，但其如何形成的细节目前尚不清楚。在前期纺锤体形成时，复制了的中心体分裂为二，每对中心粒携带缠绕中心体物质移动到两极，形成新的中心体，并随细胞分裂而进入到子细胞。4. 细胞通过什么机制将染色体排列在赤道板上？有和生物学意义？在有
16、丝分裂前期，随着纺锤体的形成，一些微管迅速捕获染色体，并与染色体一侧的动粒结合，形成动粒微管。而另一侧的动粒也与另一极星体发出的微管迅速结合。近期的研究发现，至少有数种蛋白质与上述过程有关。其中首要的两组蛋白称为Mad蛋白和Bub蛋白。Mad2蛋白和Bub蛋白可以使动粒敏化，促使微管与动粒接触，免疫荧光染色发现，Mad1蛋白和Bub1蛋白很快会从动粒上消失。一侧的动粒被微管捕获，一侧的Mad1和Bub1消失；两侧的动粒都被微管捕获，两侧的Mad1和Bub1都消失。如果染色体动粒不被微管捕捉，则Mad1和Bub1不从动粒上消失。因而认为Mad1蛋白和Bub1蛋白与染色体装配入纺锤体有关。当染色体的两个动粒都与纺锤体微管结合后，前期纺锤体的装配才算完成。此时，纺锤体赤道直径相对较大，两级直径的距离也相对较短。与同一条染色体的两个动粒相联接的两极动粒微管并不等长。因而染色
