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1、第十一章第十一章 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控细胞增殖细胞增殖( (cell proliferation)cell proliferation)的意义的意义细胞周期与细胞分裂细胞周期与细胞分裂细胞周期调控细胞周期调控细胞增殖细胞增殖( (cell proliferation)cell proliferation)的意义的意义细细胞胞增增殖殖( (cell cell proliferation)proliferation)是是细细胞胞生生命命活活动动的的重要特征之一重要特征之一, ,是生物繁育的基础。是生物繁育的基础。单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。单细胞生物细胞增殖导致生物个体数
2、量的增加。多多细细胞胞生生物物由由一一个个单单细细胞胞(受受精精卵卵)分分裂裂发发育育而而来来， 细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。成成体体生生物物仍仍然然需需要要细细胞胞增增殖殖，主主要要取取代代衰衰老老死死亡亡的的细细胞胞， 维维持持个个体体细细胞胞数数量量的的相相对对平平衡衡和和机机体体的的正正常常功能。功能。机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要 依赖细胞增殖。依赖细胞增殖。第一节 细胞周期与细胞分裂细胞周期细胞周期( (cell cycle)cell cycle)概述概述有丝分裂有丝分裂( (mitosis)
3、mitosis)胞质分裂胞质分裂(Cytokinesis)减数分裂减数分裂(Meiosis) 第二节第二节 细胞周期的调控细胞周期的调控(Cell-Cycle Control)细胞周期调控系统的主要作用细胞周期检验点(Cell Cycle Checkpoint)MPFCyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控)一、细胞周期一、细胞周期( (cell cycle)cell cycle)概述概述细胞周期细胞周期细胞周期中各个不同时相及其主要事件细胞周期中各个不同时相及其主要事件5,85,8细胞周期同步化细胞周期同步化特异的细胞周期特异的细胞周期二、有丝
4、分裂二、有丝分裂( (mitosis)mitosis)前期前期( (prophase)prophase)前中期前中期( (prometaphaseprometaphase) )中期中期( (metaphase)metaphase)后期后期(anaphase) 末期末期( (telophasetelophase) )三、胞质分裂三、胞质分裂(Cytokinesis)动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂四、减数分裂四、减数分裂(Meiosis)减数分裂概念与过程：减数分裂的意义减数分裂特点细胞周期细胞周期概念：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
5、程。其间细胞遗传物 质和其他内含物分配给子细胞。细胞周期时相组成细胞周期时间根据增殖状况，细胞分类三类细胞周期时相组成间期(interphase): G1 phase，S phase，G2 phaseM phase: 有 丝 分 裂 期 (Mitosis), 胞 质 分 裂 期(Cytokinesis) 细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，在间期细胞体积增大(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+G2+M 的时间变化较小，细胞周 期时间长短主要差别在G1期有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期根据增殖状况，细胞分类三类连续
6、分裂细胞(cycling cell)休眠细胞(Go细胞)终末分化细胞 G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前可能被认为是G0期细胞。细胞周期中不同时细胞周期中不同时相及其主要事件及其主要事件 G1G1期期 S S 期期 G2G2期期 M 期期G1G1期期与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所 需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂 等，同时染色质去凝集。G2G2期期DNA复制完成，在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子M 期期M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。遗传物质
7、和细胞内其他物质分配给子细胞。S S期期 DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构 S期DNA合成不同步细胞周期长短测定细胞周期长短测定脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法流式细胞仪测定法(Flow Cytometry)缩时摄像技术，可以得到准确的细胞周期时间及分裂间 期和分裂期的准确时间。细胞周期同步化细胞周期同步化自然同步化，如有一种粘菌的变形体plasmodia， 某些受精卵早期卵裂 人工选择同步化 药物诱导法 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用： 将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移 到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞 周期中某一特定时期。 人工选择同步
8、化l有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。处于对数生长期的细胞，细胞分裂活跃，大量处于分裂期的细胞变圆、隆起，与瓶壁附着力减弱，很容易分离。优点是细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点是 分离的细胞数量少。l密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。优点是方法 简单省时，效率高，成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。人为地将处于不同时期的细胞分离开来，从而获得不同时期的细胞群体。药物诱导法lDNA合成阻断法 ：G1/S-TdR双阻断法：最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点是同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱导过程可造成细胞非均衡生长l分
9、裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大特异的细胞周期特异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。 爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期 酵母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植物细胞的细胞周期 细菌的细胞周期细菌的细胞周期爪爪蟾蟾早期胚胎细胞早期胚胎细胞的细胞周期的细胞周期细胞分裂快,无G1期, G2期非常短,S期也短(所有复 制子都激活), 以至认为仅含有S期和M期无需临时合成其它物质子细胞在G1、G2期并不
10、生长，越分裂体积越小 细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的 细胞周期基本是一致的酵母细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似酵母细胞周期明显特点: 酵母细胞周期持续时间较短； 封闭式细胞分裂 ，即细胞分裂时核膜不解聚； 纺锤体位于细胞核内； 在一定环境下，也进行有性繁殖植物细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期。植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂细菌的细胞周期细菌的细胞周期l 慢生长细菌细胞周期过程与真
11、核细胞周期过程有一定相似之处。其DNA复制之前的准备时间与G1期类似。分裂之前的准备时间与G2期类似。再加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期l细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾？第一次DNA复制起始之后立即开始新一轮的DNA复制起始，使两个DNA分子同时复制，细胞分裂后，形成两个各含DNA复制完成一半路程的子细胞。前期前期( (prophase)prophase)标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩 (condensation)形成有丝分裂染色体(mitotic chromosome） 第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体(mitotic
12、 spindle)开始装配Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡这种染色体由两条染色单体(chromatid)构成 在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复合物称为动粒(kinetochore)间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在 S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，形成两个中心体。当前期开始时， 2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生 长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正 极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。前中期前中期( (prometaphaseprometaphase) )核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中 特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体
13、纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体 每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保 证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后， 形成三种类型的微管：星体微管、动粒微管、极微管、 不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由前中期 逐渐向中期运转。中期中期( (metaphase)metaphase)所有染色体排列到赤道板(Metaphase Plate)上， 标志着细胞分裂已进入中期 是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？ 着丝粒微管动态平衡形成的张力 后期后期(anaphase) 排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离 产生向极运动后期(anaphase)大致可以划分为连续的两
14、个阶段，即后期A和后期B 后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动 后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉 长，介导染色体向极运动末期末期( (telophasetelophase) )染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）, 到达两极的染色单体开始去浓缩核膜开始重新组装 Golgi体和ER重新形成并生长核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复, 有丝分裂结束 动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在 赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为 分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体极性微管和 钙离子浓度升高的
15、变化有关胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体 处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为 收缩环（contractile ring)。收缩环收缩、收缩环 处细胞膜融合并形成两个子细胞植物细胞胞质分裂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 胞壁而将细胞分开减数分裂概念与过程概念：减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随 后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的 有丝分裂减数分裂过程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
16、物进化和生物多 样性的重要基础保证。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(MeiosisI)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前S期与有丝分裂前S期长度比较前期I分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，终变期等五个阶段形成联会复合体(Synaptonemal Complex, SC)同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组合在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶 和蛋白,然后自身失活(正调控)确保每一时相事件的全部完成(负调控) 对外界环境因子起反应(如多细胞生物对
17、增殖信号的反应)一、细胞周期调控系统的主要作用二、细胞周期检验点(checkpoint) 细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制, 主要是确保周期每一时相事件的有序、全部完 成并与外界环境因素相联系 细胞周期检验点及其作用 G1期检验点：酵母Start；动物细胞Restriction Point三、三、MPF (Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor)卵细胞促成熟因子卵细胞促成熟因子或细胞促分裂因子或或细胞促分裂因子或M期促进因子期促进因子MPF(Maturation-promoting factor， Mitosis-prom
18、oting factor)的发现及其生化实质Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能 MPF的发现及其生化实质1970年，Johnson和Rao将 HeLa细胞同步化并与M期细胞融合发现M期细胞有促细胞分裂因子，1971年Masui和Markert在爪蟾实验中提出MPF概念细胞融合与PCC(Premature chromosomal condense) 爪蟾卵子成熟过程 MPF的发现MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶； 由M期Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein kinase) 形成的复合物。MPF=p34cdc2蛋白激酶+cyclinB
19、周期蛋白Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能 活化 随Cyclin浓度变化而变化 激酶与磷酸酶的调节， 活化的MPF可使更多的MPF活化 功能：启动细胞从G2期进入M期的相关事件四、四、Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转复合物的多样性及细胞周期运转Cyclin-Cdk复合物的多样性 Cyclin：细胞周期蛋白：1983年发现。有100个氨基酸残基的周期蛋白框，周期蛋白框介导周期蛋白与Cdk结合，有A，B，D，E等CDK：周期蛋白激酶Cyclin-Cdk-调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白与 不同的CDK结合，构成不同的Cyclin-Cdk； 不同的Cyclin-
20、Cdk在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。周期细胞M-Cyclin的调控Cyclin-Cdk复合物的多样性 G1 S G2/M Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Budding Yeast CLN1,2,3-CDC28 CLB5,(3,4)-CDC28 CLB1,2(3,4)-CDC28 Fission Yeast CIG1-CDC2 CIG2-CDC2 CIG13-CDC2 Higher Eukaryotes CyclinD1,2,3-CDK4/6 CyclinA-CDK2 CyclinB-CDC2 CyclinE1,2-CDK2G1 Substrate
21、sS SubstratesG2/M SubstratesGrowth and MorphogenesisDNA ReplicationMitosisAPC介导选择性降解的靶蛋白与Ubiquitin结合 (通过泛素依赖性途径降解) APC主要介导两类蛋白降解: Anaphase Inhibitors和Mitotic Cyclin. 前者维持姐妹染色单体粘连, 抑制后期启动；后者的降解意味着有丝分裂即将结束，即染色体开始去凝集，核膜重建。 Cdc20 和Mad2蛋白位于动粒上，在染色体结合有丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放，由于Mad2与Cdc20结合而抑制APC的活性。所以只有所有染色体都与纺锤
22、体结合后，APC才有活性，才启动细胞向后期转换。五、细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控)细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转： Cdk抑制蛋白(CDI)阻止Cyclin-Cdk复合物的装配或活 性；周期调控系统组分停止合成。CDI包 括 CIP/KIP家 族 和 INK4家 族 ， 其 作 用 是 抑 制Cyclin-Cdk复合物的装配或活性，而将细胞阻止在不同的 检 验 点 。 如 DNA受 损 后 ， 细 胞 将 停 留 于 G1 Checkpoint 让DNA修复或者凋亡 周期调控系统组分停止合成，如G0细胞，大部分Cyclin和Cdk都消失，这在多细胞生物尤其明显。Exp
23、erimental demonstration of the coordinated Synthesis of DNA and histones. . .MT behavior during formation MT behavior during formation of the metaphase plate. of the metaphase plate. Initially,MT from opposite Initially,MT from opposite poles are different in lengthpoles are different in length. .Ex
24、perimental demonstration of the importance of mecha- nical tension in metaphase checkpoint control.a. a. Electron micrograph of SC of human Electron micrograph of SC of human pachytene pachytene bivalent.bivalent.(K:(K: kinetochore kinetochore; arrow: recombination nodules); arrow: recombination nod
25、ules);b. b. Schematic diagram of SC; Schematic diagram of SC; c. c. Electron micrograph of SC after treatment with Electron micrograph of SC after treatment with DNaseDNase to remove to remove chromasomal chromasomal fibers.fibers.Visible evidence of crossing overVisible evidence of crossing over人人M
26、M期细胞与袋鼠（期细胞与袋鼠（PtkPtk）G1G1、S S、G2G2期细胞融合诱导期细胞融合诱导PCCPCC：提示提示MM期细胞存在诱导期细胞存在诱导PCCPCC的因子；的因子；处于第六期的爪蟾卵母细胞（处于第六期的爪蟾卵母细胞（RDRD前期前期I I），），具具GVGV。MasuiMasui和和MarkertMarkert用孕酮诱导卵母细胞成熟，并用成熟卵用孕酮诱导卵母细胞成熟，并用成熟卵母细胞的细胞质注射到卵母细胞，发现可以促进卵母细母细胞的细胞质注射到卵母细胞，发现可以促进卵母细胞成熟，继续用该卵母细胞细胞质诱导新的卵母细胞，胞成熟，继续用该卵母细胞细胞质诱导新的卵母细胞，仍然可以促进
27、卵母细胞成熟。因而他们推测成熟卵母细仍然可以促进卵母细胞成熟。因而他们推测成熟卵母细胞中必然有一种物质可以诱导卵母细胞成熟，即胞中必然有一种物质可以诱导卵母细胞成熟，即MPFMPF。CDK1的调节与活化; CAK=CDK1-Activiting Kinase MPF由p34cdc2蛋白和周期蛋白B结合而成， p34cdc2蛋白在周期中的含量相对稳定，而周期蛋白B的含量则随细胞周期呈现周期变化， 只有和周期蛋白B结合才表现出激酶活性。周期蛋白B在G1期开始合成，通过S期到G2期达到最大含量，MPF开始表现激酶活性，到G2晚期MPF活性到达最大并维持到M期的中期阶段。随后M期周期蛋白A、B迅速降解，细胞从M中期进入后末期。DNA
