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1、第十三章第十三章 细胞分裂与细胞周期细胞分裂与细胞周期(celldivisionandcellcycle)第一节第一节 细胞分裂细胞分裂 细胞的分裂是细胞的基本特征之一，没有细胞的分裂，就没有生物的生长、发育、遗传和进化。 真核细胞的分裂方式可分为；无丝分裂(amitosis)、有丝分裂(mitosis)、减数分裂减数分裂(meiosis)(meiosis)。 一、无丝分裂（一、无丝分裂（amitosis） 无丝分裂过程中间期的细胞核拉长成哑铃状，中央部分变细断开，细胞随之分裂成两个。 无丝分裂不形成纺锤丝，也不形成染色体，因此分裂后遗传物质不一定平均分配给两个子细胞。 二、二、 有丝分裂（有
2、丝分裂（mitosis） 是真核细胞体细胞最基本的分裂方式。 其特征是分裂时期染色质形成丝状或带状的染色体，并形成由纺锤丝组成的纺锤体。 其结果是将染色质等量地分配到两个子细胞，使亲代和子代细胞具有相等的遗传物质，以保证遗传性状的稳定性。 有丝分裂有丝分裂纺锤体纺锤体 根据分裂细胞形态和结构的变化，可将连续的有丝分裂过程认为地划分为前期、前中期、中期、后期、末期及胞质分裂6个时期。有丝分裂有丝分裂有丝分裂有丝分裂（一）前期（一）前期（prophase）主要事件：染色质凝集、分裂极确定、核仁缩小并解体。1.染色质凝集成染色体染色质凝集成染色体已复制的染色质纤维开始螺旋化，逐渐凝集成具有棒状或杆状
3、的染色体。因染色质上的核仁组织中心组装到了染色体中，导致rRNA合成停止，核仁逐渐分解最终消失。凝缩蛋白(condensin）:由5种亚基组成的蛋白复合体，与染色体凝集的发生相关。Smc分子呈卷曲螺旋结构，头部末端具ATP酶活性结构域，凝缩蛋白中的一个Smc分子穿越DNA螺旋结构，与另一Smc分子在尾部末端相连，形成的二聚体呈现V形，三种非Smc蛋白将两个Smc分子头部连接在一起，整个凝缩蛋白复合体形成一种环状结构。凝缩蛋白凝缩蛋白2.分裂极确定分裂极确定在前期，伴随着染色质的凝集，原分布于细胞同一侧的两个中心体开始沿核膜外围分别向细胞两极移动，它们最后所到达的位置将决定细胞分裂极。中心体的极
4、向移动需要多种马达蛋白的参与。马达蛋白与中心体的极向移动马达蛋白与中心体的极向移动主要特征：核膜的崩裂，纺锤体的形成，染色体向赤道面运动。（二）前中期（二）前中期（prometaphaseprometaphase）.核膜破裂、核仁消失核膜破裂、核仁消失 核纤层磷酸化降解核膜消失与核纤层蛋白磷酸化有关。核纤层蛋白磷酸化使核纤层解体，核膜因此破裂，形成许多断片及小泡，分布于胞质中。. .纺锤体纺锤体(spindle)(spindle) 在前期末出现的临时性细胞器。纺锤体纺锤体由两端星体，包括极间微管、动粒微管和星体微管组合形成纺锤样结构。. .染色体向赤道面的运动染色体向赤道面的运动 核膜破裂后，
5、游离于细胞质中的染色体不断振动，捕捉纺锤体微管，如果一条染色体两侧的姊妹着丝粒分别与两极来的微管相连，两侧的纺锤丝对染色体产生拉力，两侧拉力达到平衡时，染色体就排列在赤道面上。 染色体向赤道面的运动染色体向赤道面的运动主要特征： 染色体达到最大的凝集，排列在赤道板上，小的在内侧，大的在外侧。 （三）中期（三）中期（metaphase）主要特征：由于两条染色单体在主缢痕处分开，打断了中期纺锤丝力量的平衡，染色单体开始向两极移动。姐妹染色单体分离的原因主要与其彼此间的连接骤然消失相关，而动粒微管的张力对其的影响不大。（四）后期（四）后期（anaphase）后期后期分离染色单体的极向运动需依靠纺锤体
6、微管的牵引完成，包括两个独立但又相互重叠的过程，即后期A与后期B。后期A发生于染色体极向运动的起始阶段，与动粒微管相关，当动粒微管正端的微管蛋白发生去组装时，其长度将不断地缩短，由此带动染色体的动粒向两极移动。后期B通过使纺锤体拉长，细胞两极间的距离增大，促使染色体发生极向运动。后期与后期后期与后期（五）末期（五）末期（telophase）。主要特点：随着后期末染色体移动到两极，染色体被平均分配，此时染色体上的组蛋白H1发生去磷酸化，高度凝聚的染色体解旋，染色质纤维重新出现，RNA合成恢复，核仁重新形成。分散在胞质中的核膜小泡与染色体表面相连，并相互融合，形成双层核膜，并重新与内质网相连。核孔
7、复合体在核膜上重新组装，去磷酸化的核纤层蛋白又结合形成核纤层，并连接于核膜上，至此两个子细胞核形成，核分裂完成。末期末期（六）（六）胞质分裂（胞质分裂（cytokinesis）当细胞分裂末期，在中部质膜的下方，出现大量由肌动蛋白、肌球蛋白等形成的收缩环。收缩环中的肌动蛋白、肌球蛋白纤维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。随着分裂沟不断加深，细胞形状随之变为椭圆形、哑铃形，当分裂沟加深至一定程度时，细胞在此发生断裂。收缩环收缩环第二节第二节细胞周期及其进程细胞周期及其进程 一、细胞周期（一、细胞周期（cellcycle）的概念）的概念 细胞周期是指细胞从一次
8、细胞分裂结束开始生长到下一次分裂终了所经历的过程。 细胞周期包括： G1期：M期与DNA合成开始之间的阶段； S期： 从DNA合成开始，到核DNA含量倍增核染色体复制的完成结束； G2期：S期到有丝分裂开始； M期： 由核分裂和胞质分裂组成。细胞周期细胞周期根据细胞分裂行为的不同，分为根据细胞分裂行为的不同，分为增殖型细胞：能连续分裂，维持组织更新。增殖型细胞：能连续分裂，维持组织更新。G0期细胞：有时细胞可从期细胞：有时细胞可从G1期进入期进入G0期，细胞期，细胞在该期暂不分裂。细胞可停留不同长短的时间，在该期暂不分裂。细胞可停留不同长短的时间，然后在适当条件下返回细胞周期，继续细胞增殖。然
9、后在适当条件下返回细胞周期，继续细胞增殖。不增殖型细胞：结构和功能高度特化，始终不发不增殖型细胞：结构和功能高度特化，始终不发生分裂。生分裂。二、细胞周期各时相点的动态变化二、细胞周期各时相点的动态变化（一）（一）G1期期G1期是细胞DNA复制的准备期。RNA大量合成，包括mRNA、tRNA、rRNA；一些重要的结构蛋白及酶蛋白大量形成，如RNA聚合酶、DNA合成酶等；脱氧核苷酸浓度增加，为DNA合成做好准备。G1期 专 一 的 蛋 白 质 触 发 蛋 白 （ triggerprotein）的积累帮助细胞通过R点（restrictionpoint）进入S期。G1期之末是细胞周期的一个关键时刻，
10、细胞一旦通过这点，就可以进入下面几个时期，G0期细胞不能通过这一点。G1期之末是细胞周期的一个关键时刻，细胞一旦通过就可以进入S期。G0期细胞（暂不增殖细胞）：期细胞（暂不增殖细胞）：在一般情况下不分裂，受到一定刺激后，可进入细胞周期，开始分裂。G0期细胞期细胞（二）（二）S期期 S期是DNA及与DNA合成有关的组蛋白和非组蛋白的合成时期。DNA聚合酶和RNA聚合酶都很活跃，S期DNA复制不同步，较早期GC合成较多，晚期AT合成较多。常染色质复制较早，异染色质复制较晚，复制以多个复制子进行。中心粒在S期完成复制。（三）（三）G2期期G2期为细胞分裂做准备，新的RNA和蛋白质合成，MPF、微管蛋
11、白在此期合成，H1组蛋白磷酸化使染色质凝集。（四）（四）M期期M期为细胞分裂期，H1组蛋白进一步磷酸化。蛋白质合成显著降低，RNA合成被完全抑制。一些酶，如拓扑异构酶活性增加，参与有丝分裂时细胞形态结构的建成和改组。第三节第三节 细胞周期的调控细胞周期的调控细胞周期的进程是高度有序及不可逆的，受到细胞内外多种因素严格的调节、控制。一、细胞周期重要的调节因子一、细胞周期重要的调节因子（一）细胞周期蛋白（一）细胞周期蛋白(cyclin)1.1.细胞周期蛋白的细胞周期蛋白的概念概念是指随细胞周期的变化呈周期性的出现与消失，控制细胞周期运行的一组蛋白质。细胞周期蛋白细胞周期蛋白G1期周期蛋白：cycl
12、inDG1/S周期蛋白：cyclinES期周期蛋白：cyclinA存在于所有真核细胞中M期周期蛋白：cyclinB2.细胞周期蛋白类型细胞周期蛋白类型细胞周期蛋白类型细胞周期蛋白类型 细胞周期蛋白框：细胞周期蛋白框：aa组成保守，由100个左右aa残基组成。介导周期蛋白与周期蛋白依赖性激酶形成复合物。破坏框破坏框:由9个aa残基构成，介导cyclinA、B的快速降解。PEST序列：序列：介导cyclin发生降解。3.细胞周期蛋白的结构细胞周期蛋白的结构细胞周期蛋白的结构细胞周期蛋白的结构（二）周期蛋白依赖性激酶（二）周期蛋白依赖性激酶(cyclindependentkinase,Cdk)1.周
13、期蛋白依赖性激酶的概念周期蛋白依赖性激酶的概念为一类能被细胞周期蛋白激活、调节细胞周期活动的激酶。周期蛋白依赖性激酶周期蛋白依赖性激酶2.周期蛋白依赖性激酶的活化周期蛋白依赖性激酶的活化无活性的Cdk分子中含有一弯曲的T环结构，将Cdk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环结构位移、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将完全激活还需T环上的特定位点发生磷酸化。周期蛋白依赖性激酶的活化周期蛋白依赖性激酶的活化Cdk激酶抑制物（CKI）（三）（三）cyclin-Cdk复合物对细胞周期的调控复合物对细
14、胞周期的调控cyclin-Cdk复合物是细胞周期调控体系的核心；其周期性的形成及降解，引发了细胞周期进程中特定事件的出现，并促成了G1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-Cdk复合物结构与功能复合物结构与功能结构：结构：调节亚单位:cyclin催化亚单位:Cdk功能：功能：在细胞周期不同阶段,选择性地磷酸化不同蛋白,进而对细胞周期进程进行调节。2.cyclin-Cdk复合物在复合物在G1/S转化中的作用转化中的作用限制点:G1晚期的一个特定时期，只有越过此点，细胞才能进入S期。 在G1期起主要作用的cyclin-Cdk复合物是由G1期周期蛋白D、E与Cd
15、k4/6结合构成，这些复合物能使G1晚期的细胞跨越限制点，向S期发生转换。cyclin-Cdk复合物复合物cyclinD在在G1/S转化中的关键作用转化中的关键作用在一些向S期转变的G0期细胞中，存在cyclinD的转录及表达，而当cyclinD抗体加入后，G0期细胞的这一转变将受阻。cyclinD首先在细胞中大量合成，Cdk4、6与其结合，通过激酶活性磷酸化Rb蛋白，使其失活。与Rb蛋白结合的转录因子E2F被释放，S期启动相关的基因开始转录，G1/S期、S期cyclin大量合成，G1/S-Cdk、S-Cdk复合物活化，致使与DNA复制相关的蛋白及酶大量的合成，DNA复制启动，细胞进入S期。c
16、yclin-Cdk复合物在复合物在G1/S转化中的关键作用转化中的关键作用3.cyclin-Cdk复合物对复合物对S期的调节期的调节cyclinA-Cdk2复合物是S期中最主要的cyclin-Cdk复合物，能启动DNA的复制，并阻止已复制的DNA再发生复制。当细胞进入S期后，cyclin-Cdk复合物发生的主要变化包括：cyclinD/E-Cdk复合物中的cyclin发生降解、cyclinA-Cdk复合物形成。因cyclinD/E的降解是不可逆的，使得已进入S期的细胞将无法向G1期逆转。cyclinA-Cdk复合物启动DNA复制的机制，目前认为与真核细胞DNA分子复制起始点及其附近DNA序列上
17、一个由多种蛋白构成的结构，即前复制复合体有关。cyclinA-Cdk复合物利用其激酶活性可使ORC发生磷酸化，由此激活复制起始点，DNA合成启动。cyclinA-Cdk复合物复合物启动启动DNA复制复制4.cyclin-Cdk复合物对复合物对M期的调节期的调节成熟促进因子（成熟促进因子（MPF）：为cyclinB-Cdk复合物，在启动M期起着关键作用。（1）MPF的发现的发现有丝分裂促进因子（有丝分裂促进因子（M-Phase-promoting，MPF）：）：M期及间期细胞融合：间期细胞染色质均会出现早熟凝集，都能向M期转换。（2）MPF活性的周期性变化活性的周期性变化MPF活性增加：细胞进入
18、活性增加：细胞进入M期期MPF活性达高峰（活性达高峰（M期中期）：染色单体分开期中期）：染色单体分开MPF活性下降：活性下降：细胞退出细胞退出M期期（3）MPF启动启动M期的相关分子机制期的相关分子机制MPF中Cdk1为一种Ser/Thr（丝氨酸/苏氨酸）激酶，可催化蛋白质Ser与Thr残基磷酸化，是MPF的活性单位。 在细胞由G2期进入M期后，依赖于其蛋白激酶活性，MPF可对M期早期细胞形态结构变化产生直接或间接的作用。MPF可通过磷酸化组蛋白H1上与有丝分裂有关的特殊位点，诱导染色质凝集，启动有丝分裂。MPF也可直接作用于染色体凝缩蛋白，散在的DNA分子结合于磷酸化的凝缩蛋白上后，沿其表面
19、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。 Cdk类型类型 结合的结合的cyclin 主要作用时期主要作用时期 作用特点作用特点 Cdk1 cyclinA G2 促进促进G2期向期向M期转换期转换 cyclinB G2 、M 磷酸化多种与有丝分裂磷酸化多种与有丝分裂 相关的蛋白，促进相关的蛋白，促进G2期期 向向M期转换期转换 Cdk2 cyclinA S 能启动能启动S期的期的DNA的复制，的复制， 并阻止已复制的并阻止已复制的DNA再发生再发生 复制复制 cyclin E G1晚期晚期 使晚使晚G1期细胞跨越限制点期细胞跨越限制点 向向S期发生转换期发生转换 Cdk3 ?
20、 G1 Cdk4 cyclinD(D1D2D3) G1中、晚期中、晚期 使晚使晚G1期细胞跨越限制点期细胞跨越限制点 向向S期发生转换期发生转换 Cdk5 ? G0 ？ Cdk6 cyclinD(D1D2D3) G1中、晚期中、晚期 使晚使晚G1期细胞跨越限制点期细胞跨越限制点 向向S期发生转换期发生转换 cyclin-Cdk复合物对细胞周期调节总结复合物对细胞周期调节总结CDK/cyclin复合物在细胞周期的作用复合物在细胞周期的作用二、二、细胞周期检测点监控细胞周期的活动细胞周期检测点监控细胞周期的活动（一）细胞周期检测点细胞周期检测点（checkpoint）概念概念为了保证细胞染色体数目
21、的完整性及细胞周期正常运转，细胞中存在着一系列监控系统，可对细胞周期发生的重要事件及出现的故障加以检测，只有当这些事件完成、故障修复后，才允许细胞周期进一步运行，该监控系统即为检测点。包括未复制DNA检测点、纺锤体组装检测点、染色体分离检测点及DNA损伤检测点。（二）细胞周期检测点细胞周期检测点类型阿齐兹阿齐兹桑贾尔图册桑贾尔图册检测点类型检测点类型作用特点作用特点与作用相关的主要蛋白质与作用相关的主要蛋白质未复制未复制-DNA检测点检测点监控监控DNA复制，决定细胞是否复制，决定细胞是否ATR、Chl1、Cdc25、进入进入M期期cyclinA/B-Cdk1纺锤体组装检测点纺锤体组装检测点
22、监控纺锤体组装，决定细胞是否监控纺锤体组装，决定细胞是否进入后期进入后期Mad2、APC、securin染色体分离检测点染色体分离检测点监控后期末子代染色体在细胞中的监控后期末子代染色体在细胞中的位置，决定细胞是否进入末期及位置，决定细胞是否进入末期及Tem1、Cdc14、M期期cyclin发生胞质分裂发生胞质分裂DNA损伤检测点损伤检测点监控监控DNA损伤的修复，决定细胞损伤的修复，决定细胞ATM/ATR、ChK1/2、p53周期是否继续进行周期是否继续进行 Cdc25 、cyclinE/A-Cdk2细胞周期检测点的特点及作用机制细胞周期检测点的特点及作用机制三、与细胞周期调控相关的多种因子
23、三、与细胞周期调控相关的多种因子（一）生长因子（一）生长因子（Growthfactor）生长因子是一类由细胞自分泌或旁分泌产生的多肽类物质，在与细胞膜上特异性受体结合后，经信号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蛋白的表达，参与细胞周期的调节。生长因子的作用为细胞周期正常进程所必需。G1期早期的细胞如果缺乏生长因子的刺激，将不能向S期转换，转而进入静止状态，成为G0期细胞。（二）抑素（二）抑素（chalone）。抑素是一种由细胞自身分泌的，能抑制细胞周期进程的糖蛋白，主要在G1期末及G2期对细胞周期的产生调节作用。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
24、传递，进而对细胞周期相关蛋白的表达产生影响。（三）（三）MicroRNA(miRNA)与细胞周期的调控与细胞周期的调控新近研究表明，在机体发育及生理过程中有重要作用的MicroRNA(miRNA)，也参与了对细胞周期的调控。通过调节cyclin、Cdk、CKI等的表达，miRNA可直接影响细胞周期的进程，尤其是G1向S期的转换。MicroRNA(miRNA)与细胞周期的调控与细胞周期的调控在细胞周期的进程中，多种蛋白或酶直接或间接地参与了细胞周期事件的调控，编码这些蛋白或酶的基因有规律、特异性的表达构成细胞周期调控的遗传基础。四、细胞周期调控的遗传基础四、细胞周期调控的遗传基础（一）（一）细胞
25、分裂周期基因细胞分裂周期基因（celldivisioncyclegene，Cdcgene）细胞分裂周期基因是一类产物表达具细胞周期依赖性或直接参与了细胞周期调控的基因，主要包括前面述及的，处于细胞周期调控中心地位的cyclin、Cdk及CKI等基因。与DNA复制密切相关的DNA聚合酶基因、DNA连接酶基因均属Cdc基因。通过弥补酵母Cdc基因突变的方法可将Cdc基因分离。用野生型酵母基因库的DNA片段构建质粒，并将其转染入上述温度敏感突变株细胞中，将突变细胞置于高温下培养，仅有少数突变细胞中因转入了野生型细胞Cdc基因，可以存活并增殖成克隆。而大多数突变细胞因转入的是其他非Cdc基因，而不能增
26、殖。将含有Cdc基因的突变细胞中的质粒分离后，即可对其所携带的Cdc基因并加以分析、鉴定。（二）癌基因（二）癌基因（oncogene）癌基因是一类在正常情况下为细胞生长、增殖所必需，突变或过度表达后将导致细胞增殖异常，引起癌变的基因。癌基因可分为生长因子类蛋白（sis基因的产物）、生长因子受体类蛋白（V-erb-B、c-fms、trk等基因的产物）、与细胞内信号转导相关的蛋白（raf、mos等基因的产物）及转录因子类蛋白（c-jun、c-fos、c-myc等基因的产物）。（三）抑癌基因（三）抑癌基因（antioncogene）抑癌基因为正常细胞所具有的、一类能抑制细胞恶性增殖的基因。这类基因编
27、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，从多种途径影响细胞周期相关蛋白的合成及DNA复制，调节细胞周期的进程。一、肿瘤细胞周期的特点一、肿瘤细胞周期的特点cellcycle第四节第四节细胞周期与医学的关系细胞周期与医学的关系肿瘤的细胞周期也由G1、G2、S、M期构成，细胞周期时间与正常细胞相近或更长一些，这主要与G1期变长有关。人正常人正常细胞与胞与肿瘤瘤细胞周期胞周期时间的比的比较正常细胞周期时间（h）肿瘤细胞周期时间（h）食道上皮144食管癌250.8胃上皮66胃癌80结肠上皮2428结肠癌22125骨髓细胞2440急性白血病4896肿瘤细胞群体包括了三类细胞周
28、期行为不同的细胞，即：增殖型细胞、暂不增殖型细胞与不增殖型细胞。增殖型细胞在肿瘤中所占的数量比例，将决定肿瘤恶性的程度。暂不增殖型细胞可因外界某些环境因素的刺激，而重新进入细胞周期，是肿瘤复发的根源。除高增殖比率外，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增殖无限性的又一重要原因。二、肿瘤细胞周期调控异常二、肿瘤细胞周期调控异常在肿瘤细胞中，一些能够在G1期限制点发挥作用的蛋白，如cyclinD1、p53等也常发生表达异常。三、细胞周期理论是肿瘤治疗的三、细胞周期理论是肿瘤治疗的重要理论依据重要理论依据根据肿瘤细胞增殖细胞的比例，确定治疗方法：细胞为主：先诱导其进入周期，在进行治疗。期细胞为主：化疗（抑制的合成）。期细胞为主：因对放射线敏感，采用放疗。期细胞为主：化疗（秋水仙素、长春化碱使微管解聚，纺锤体不能形成，细胞分裂终止于中期）。
