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1、第十三章第十三章 细胞增殖和细胞周期细胞增殖和细胞周期第一节 细胞分裂 一、无丝分裂 二、有丝分裂 三、减数分裂细胞分裂概述n细胞分裂：是细胞生命活动的重要特征之一，是一个亲代细胞形成两个子代细胞的过程，通过细胞分裂，亲代细胞的遗传物质和某些细胞组分相对均等的分配到两个子代细胞中，有效保证了生物遗传的稳定性。一、无丝分裂n无丝分裂又称为直接分裂，是低等生物的主要分裂方式，也存在于高等生物中，如植物的胚乳细胞、动物的胎膜、间充组织及肌肉细胞等，以及创伤、癌变及衰老的细胞。 。n表现为细胞核伸长，高尔基体移位到中心体附近，核膜不消失并从中部缢缩断裂，然后细胞质分裂，其间不涉及纺锤体形成及染色体变化
2、，故称为无丝分裂。二、有丝分裂n有丝分裂，又称为间接分裂，是体细胞分裂的主要方式。n连续的过程，约为0.5-2小时，细胞核发生一系列复杂的变化（DNA复制，染色体组装等），细胞通过形成有丝分裂器，将遗传物质平均分配到两个子细胞中，保证了细胞在遗传上的稳定性。n有丝分裂过程：1.前期：细胞从间期进入有丝分裂期时，核膜消失，染色质凝集成染色体，纺锤体形成2.中期：染色体排列在细胞赤道面上3.后期：姐妹染色单体分开并向细胞两极迁移4.末期：两个子细胞核的形成和胞质分裂（一）前期n染色质凝集成染色体n核膜破裂和核仁消失n分裂极的确定和纺锤体形成。1. 染色质凝集成染色体n染色质凝集是细胞进入有丝分裂前
3、期的标志。2.核膜破裂和核仁消失3.分裂极的确定和纺锤体形成n中心体在间期也进行了复制。前期两个中心体彼此分开，并分别向两极移动。（1）中心体n由一对中心粒和无定形基质组成n具有微管生发中心的作用，形成星体（2）纺锤体的形成n由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管组合形成的纺锤形结构称为纺锤体或有丝分裂器（二）中期n所有染色体排列在赤道板上，标志中期的开始。中期染色体（三）后期n主要标志是两个姐妹染色单体完全分开并向细胞两极迁移。（四）末期n染色体的解聚和细胞核的重新形成n胞质分裂最后将细胞分成两个子细胞n主要标志是两个子细胞核的形成和胞质分裂。1. 细胞核的重新形成2.胞质分裂n在赤道板周
4、围细胞膜及相应的胞质开始下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟。分裂沟逐渐加深，直至两个子代细胞完全分开。（五）染色体准确等分机制n纺锤体是染色体分离和移动的主要机制 1.极间微管重叠区微管之间相互滑动对两极星体产生的推力。 2.动粒微管与染色体动粒之间的相互作用对染色体产生拉力。 3.星体微管与细胞膜之间相互作用使星体稳定在细胞两极的作用力。 4.两条姐妹染色单体在着丝粒处形成的粘着力。n姐妹染色单体分开是染色体向两极运动的重要条件n动粒与微管的连接处是染色体向两极运动的重要作用点n微管动力蛋白是染色体运动的动力（六）有丝分裂过程示意图三、减数分裂概念：n减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随后进行
5、两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。减数分裂主要是生殖细胞的分裂方式。减数分裂的意义：n保证染色体数目稳定子代细胞通过受精作用，恢复二倍体。n物种适应环境变化不断进化同源染色体间发生交换，使配子多样化，增加了后代的适应性。（一）特点n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。n减数分裂的第一次分裂主要标志是同源染色体通过联会进行片段交换，随后分开，完成染色体数目的减半和遗传物质的交换；第二次分裂是姐妹染色单体分开。两次分裂形成4个单倍体细胞。1.减数分裂两次分裂的比较2.有丝分裂与减数分裂的中期比较（二）减数分裂第一次分裂n前期I-染色质凝集，同源染色体间片段交换 细
6、线期 偶线期 粗线期 双线期 终变期n中期I染色体排列在赤道面上n后期I染色体分离向两极运动n末期I及间期染色体到达两极n第一次分裂完成的标志是：同源染色体分离1.前期 In减数分裂第一次分裂的几个时期中，以前期细胞发生的生化和形态变化最为复杂，又可细分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等几个时期。n主要特征：持续时间长，从数周到几十年不等胞核显著增大染色质凝集染色体配对片段交换（1）细线期n染色质开始凝集n同源染色体配对（2）偶线期n同源染色体之间形成联会复合体。n同源染色体通过联会复合体连接后由4条染色单体组成，称为四分体。联会复合体n在联会的同源染色体之间，沿纵轴方向形成了一种特殊
7、的结构，成为联会复合体。n联会复合体的组分两个侧生组分：同源染色体DNA和蛋白质一个中央组分：非组蛋白侧生成分与中央成分之间由横向排列被称为L-C的纤维细丝相连。（3）粗线期n染色体连续缩短变粗，同时在四分体内，同源染色体上的一条染色单体与另一条染色单体之间发生了DNA的片断交换，从而导致了父母基因的互换，产生了基因重组，但每个染色单体上仍都具有完全相同的基因。（4）双线期n同源染色体交叉和RNA合成活跃n联会复合体结构消失，仅留一些连接点，称为交叉n持续时间长，人卵母细胞可在该期停留几十年（5）终变期n同源染色体重组完成n同源染色体以四分体形式散在于细胞核内n核膜，核仁消失，纺锤体形成2.中
8、期In各成对的同源染色体双双移向细胞中部，排列在赤道板上。细胞质中形成纺锤体n与有丝分裂不同的是：动粒位于一对姐妹染色单体的同一侧，并与同侧微管相连3.后期In由纺锤丝的牵引，使成对的同源染色体各自发生分离，并分别移向两极n非同源染色体之间以随机自由组合的方式进入两极4.末期In到达细胞两极的同源染色体去凝集成为丝状的染色质纤维，重现核膜、核仁，然后细胞分裂为两个子细胞。（三）短暂的间期n减数第二次分裂与减数第一次分裂紧接，也可能出现短暂停顿。此期间不发生DNA合成，染色体不再复制，细胞中染色体数目已经减半。n某些生物第一次减数分裂结束后，可以不经过这一间期，直接进入第二次减数分裂。（四）减数
9、分裂第二次分裂n减数分裂第二次分裂与有丝分裂过程相似。n前期：n中期：n后期：n末期：（五）减数分裂过程示意图（六）减数分裂与有丝分裂比较第二节 细胞周期一、细胞周期的概念n细胞周期的概念：细胞周期的概念： 连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的整个过程，在这一过程中，遗传物质复制，其它细胞组分加倍，平均分配到两个子细胞中。（一）细胞周期的时相n细胞周期分为四个阶段：细胞周期分为四个阶段： G1期期(gap1)，指从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间； S期期(synthesis phase)，指DNA复制的时期，只有在这一时期H3-TDR才能掺入新合成的DNA中；
10、G2期期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间； M期期 (mitosis)，细胞分裂开始到结束。n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。（二）典型的人的体细胞的细胞周期人的体细胞的细胞周期时间一般是24小时。G1 期约11小时S期约8小时G2期约4小时M期约1小时（三）哺乳动物细胞周期时间表n不同类型细胞细胞周期时间长短不同。n一般说来，S+G2+M的时间变化较小；而G1期持续时间的差异可能很大。 例：小鼠的食管上皮细胞115小时（G1,103hr） 小鼠的十二指肠上皮细胞15小时（G1
11、，6hr）nG1期的时间是影响细胞周期长短的关键。（四）不同增殖能力的三类细胞周期细胞：周期细胞：在细胞周期中连续运转不断进行分裂的细胞，如，表皮基底层细胞，部分骨髓细胞等；G0G0期细胞：期细胞：暂时脱离细胞周期，不进行增殖的细胞，但在适当刺激下重新进入细胞周期，如，肝、肾细胞等；终端分化细胞：终端分化细胞：永久失去增殖能力，通过分化而具备了某种特定生理功能的细胞，如，神经、肌肉细胞等。二、细胞周期的主要事件n在G1期、S期和G2期发生DNA遗传物质的复制和整个细胞结构组分的加倍，主要表现为分子水平的变化n在M期发生DNA遗传物质精确的等分到两个子细胞中，主要表现为形态学上的变化（一）G1期
12、是DNA合成的准备期nG1早期细胞的生长 RNA、蛋白质、脂类和糖类大量合成，形成大量的细胞器和其它结构nG1晚期为S期的DNA合成作准备 DNA复制所需的各种酶类的合成（二）S期完成DNA复制nDNA合成的启动nDNA复制是S期的主要事件n蛋白质合成活跃（三）G2期为有丝分裂准备期n大量合成RNA及细胞分裂相关的蛋白质如促有丝分裂因子（MPF），微管蛋白。为细胞分裂作准备。（四）M期是细胞分裂期n细胞染色质凝集，分离并平均分配到两个子代细胞，细胞一分为二。n细胞增殖的直接实施阶段。第三节 细胞周期的调控n细胞如何从细胞周期的一个时相进入下一个时相？n为什么不同种类的细胞或不同环境下的细胞其细
13、胞周期时间不同？n为什么有的细胞长期休止在G0期？n为什么在细胞周期内DNA复制和细胞分裂不能重复进行？一、研究初期的重要发现1.MPF（成熟促进因子）的发现2.早熟染色体凝集（PCC）3.CdC2的发现4.Cyclin（周期蛋白）的发现n1970s Rao等发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体（PCC）。nG1期PCC为单线状，因DNA未复制。nS期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。nG2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。n不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子( MPF)。nH
14、artwell 1960s, Nurse 1970s 分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因( cdc)。如：n裂殖酵母cdc2、 芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；nwee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；ncdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进cdc2的活性。nT. Hunt 1980s发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为cyclin A和B，其mRNA能诱导蛙卵成熟。n1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定
15、MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸 /苏 氨 酸 激 酶 。 进 一 步 的 研 究 发 现MPF=cdc2+clyclin B二、细胞周期调控蛋白n细胞周期蛋白（Cyclin）n细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）nCDK抑制因子（CKI）（一）细胞周期蛋白n细胞周期蛋白，在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导与CDK的结合，使CDK 磷酸化和活化。细胞周期蛋白通过调节CDK活性作用间接调节细胞周期的运行。n不同的Cyclin在细胞周期的不同时期表达，从而激活不同时期的CDK激酶活性，表现为不同的调节功能。G1期cyclin：cycl
16、inD；G1/S期cyclin：cyclinE；S期cyclin： cyclinA；M期cyclin：cyclinB（也包括cyclinA）。（二）细胞周期蛋白依赖性激酶CDKn周期蛋白依赖激酶，与细胞周期蛋白结合才具有激酶活性，在细胞中CDK相对稳定nCDK与Cyclin结合形成异源二聚体复合物，在一些蛋白激酶和磷酸酶参与下，经过磷酸化和去磷酸化作用， CDK表现出激酶活性，在二聚体中Cyclin是调节亚基， CDK是催化亚基，只有二者形成复合体时才有活性。激酶复合体脊椎动物CyclinCDKG1-CDKCyclin D CDK4 、6G1/S-CDKCyclin ECDK2S-CDKCyc
17、lin ACDK2M-CDKCyclin BCDK1(CDC2)（三） CDK抑制因子CKICKI，与CDK或cyclin/CDK复合物结合，抑制CDK的激酶活性，阻断或延迟细胞周期的运行。在特定的时期特定的情况下将细胞周期阻断。如当细胞的DNA受损伤时CKI通过与Cyclin/Cdk复合物相结合而抑制其活性。CKI有两家族： Cip/Kip家族和Ink4家族。Cip/Kip家族作用对象广泛，包括P21cip1 、P27kip1、P57kip2 等Ink4家族作用专一，特异性抑制cdk4/cyclin D1, cdk6/cyclin D1复合体。包括p15,p16等P16ink4a, P15i
18、nk4b, P18ink4c, P19ink4d。（四）细胞周期调控蛋白作用示意图三、细胞周期调控的机制nCyclin-CDK复合物是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复合物，它们周期性的形成和降解，引发了细胞周期进程中特定事件的发生， 影响不同的下游事件，促进了G1向S期、G2向M期、中期向后期等关键过程的不可逆转换。四、细胞进出M期的调控nCyclin B合成增加，激活CDK1nCyclin B/CDK1激发M期事件使细胞进入M期n促后期蛋白复合体（APC）促进染色单体分开nCyclin B/CDK1活性下降导致细胞出M期（一）MPF的分
19、子结构（二)MPF的形成与激活nCDK1和新合成的CyclinB形成复合物（G2期）nwee1将cdc2（CDK1）的Thr14和Tyr15磷酸化 ，抑制其活性；nCDK活化激酶将CDK1的Thr161磷酸化，这种没有活性的CDK1-CyclinB复合物即为pre-MPFnM期磷酸酶Cdc25使CDK1的Thr14和Tyr15去磷酸化，MPF激活。(三)M期中MPF复合物的作用nMPF (CyclinB-Cdk1复合物)对M期早期细胞形态结构变化、中期细胞向后期的转换以及细胞推出M期都起到重要作用。1、MPF对M期早期细胞形态结构变化的作用nMPF通过磷酸化作用促进染色体的凝集、核膜裂解以及纺
20、锤体形成。2、MPF促进中期细胞向后期的转换nMPF使APC（泛素连接酶E3)磷酸化，引起securin蛋白降解，释放出来的分离酶分解scc1，着丝粒分离，进入后期。3、MPF在细胞推出M期中的作用nCyclinB在激活的泛素连接酶E3(APC)的作用下经多聚泛素化途径被降解，MPF解聚、失活，促进向末期转化。五、细胞周期检验点的调控n检测点（checkpoint）：细胞中存在一系列监控系统，可对细胞周期发生的重要事件及出现的故障进行检测，只有当事件完成或故障修复后，才允许细胞周期进一步运行，该监测系统称为检测点。nDNA复制检验点：防止未完成DNA复制的细胞进入M期n纺锤体连接检验点：纺锤体
21、组装不完全或错误，细胞不能出M期nDNA损伤检验点： DNA损伤可防止细胞进入S期和M期六、细胞周期研究方法n细胞周期的时间测定n细胞周期同步化方法（一）细胞周期时间测定n基本原理是选择细胞周期中有变化规律的物质作标记，通过观察这些标记物在细胞周期中的变化，间接计算细胞周期各时相的时间。n3H-TdR（胸腺嘧啶核苷）标记的有丝分裂标记法n流式细胞仪测定法n缩时摄像技术（二）细胞同步化n细胞同步化：是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期一致的现象。n同步化方法：1、选择同步化 有丝分裂选择法 细胞沉降分离 2、诱导同步化 DNA合成阻断法：TDR双阻断 中期阻断法：秋水仙素第四节 细胞增殖异常与疾病n细胞增殖抑制性疾病n细胞增殖失控性疾病一、细胞周期调控异常与肿瘤n细胞周期调控异常导致肿瘤发生的主要机制：1、生长因子来源的肿瘤基因2、生长因子受体来源的肿瘤基因3、细胞内信号传递系统来源的肿瘤基因4、细胞核内转录因子来源的肿瘤基因5、细胞周期基因来源的肿瘤基因n细胞周期是肿瘤化疗的理论基础1、细胞周期是抗肿瘤药物分类的主要依据2、细胞周期理论指导联合化疗方案的制定3、细胞周期理论为研制肿瘤药物提供新的靶点4、细胞周期理论推动了肿瘤基因治疗的进展二、细胞增殖与再生医学n干细胞工程是根据细胞增殖分化特点建立的生物工程技术n以细胞增殖为理论基础建立的组织工程技术
