专题一 细胞增殖及其调控课件

细胞增殖及其调控 前言 v细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一 ，是生物繁育的基础。 v各种细胞在分裂之前，还必须进行一定的 物质准备。物质准备和细胞分裂是一个相互 连续的过程，这一过程即为细胞增殖(cell proliferation)。 v需要在细胞中必须有一个严格的监控系统 ，监控着细胞周期运转中每一个环节，从而 保证遗传的稳定。 研究细胞周期与细胞分裂的意义 v绝大多数真核生物个体生长繁殖的基础； v使遗传物质DNA在细胞世代中得以延续的保证； v高等生命通过细胞的有丝分裂结合细胞分化，形 成组织、器官、系统完成生命活动； v此过程机制复杂，搞清楚对癌症治疗具重大意义 ； 细胞增殖有十分精确的调控机制，表现出严格的时间 和空间的顺序性，如果异常就会产生疾病。 v如造血细胞生成的速率小于血液中细胞死亡的速率，就 会造成贫血； v机体局部细胞无休止的分裂就会产生肿瘤； v细胞增殖过程中染色体分配异常就会导致染色体病。 所以探讨细胞增殖的机理对于医学的理论和实践有 十分重要的意义。 第一节 细胞周期与细胞分裂 一、细胞周期 (一)细胞周期概述 1细胞周期的发现： v 细胞有丝分裂期(mitosis)和位于两次分裂期之间的分裂 间期(interphase)或静止期； v 1953年，Howard和Pelc的32P标记蚕豆实生苗根尖实验 发现：DNA的复制仅发生在静止期中的一个区段； v 将细胞周期划分为4个时期：S期(DNA合成期)、 M期( 有丝分裂期)、 G1期(M期结束到 S期之间的间隙)、 G2期 (S期结束到 M期之间的间隙)。细胞在细胞周期中顺序经 过 G1-S-G2-M而完成其增殖。 2、细胞周期 v是指连续分裂的 细胞从一次有丝分 裂结束到下一次有 丝分裂完成所经历 的整个序贯过程。 在这一过程中，细 胞遗传物质复制， 各种组分加倍，然 后平均分配到两个 子细胞中。 细胞周期时间 v 不同生物细胞的细胞周期时间有差异，同一系统中不同细胞，其 细胞周期时间也有很大差异。一般说来，S+G2+M的时间变化小，而 G1期的持续时间差异可能很大。有的细胞如胚胎细胞可能缺乏G1期 ， V79-8系细胞为G1和G2期的缺乏细胞系。 3周期中细胞，终端分化细胞， G。期细胞 从增殖的角度，细胞可分为三类：连续分裂的细胞，静 止期细胞和终端分化细胞。 连续分裂的细胞即在细胞周期中连续运转的细胞，因而 又称周期中细胞。小肠绒毛上皮隐窝细胞，表皮基底层 细胞，部分骨髓细胞够均属此类。 静止期细胞为暂时脱离细胞周期，不进行增殖，但在适 当刺激下可重新进入细胞周期的细胞，如某些免疫淋巴 细胞，肝、肾细胞等，也称为 G。期细胞。 终端分化细胞是指那些不可逆地脱离细胞周期，丧失分 裂能力，保持生理机能活动的细胞，如神经、肌肉细胞 、多形核白细胞等。 (二)、细胞周期时相及其主要事件 1细胞周期检验点(cell cycle checkpoint) v细胞周期的有序运转是 cdc（cell division cycle)基因有序表达的结果 ，cdc基因的有序表达是受 周期中一些检验点或称为调 控点调节的。 v通过上述各个检验点保证 了产生具有正常遗传性能和 生理功能的子代细胞，如果 这些调控途径异常，导致遗 传性能紊乱、增殖分化异常 和细胞癌变，甚至导致死亡 。 Cell cycle 2. G1期关键事件 v合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂 质等，但不合成DNA。 v限制点(restriction point，R点)，或检验点 (check point)是G1期晚期的一个基本事件： l 影响这一事件的外在因素主要包括营养供给和 相关的激素刺激等；而内在因素则主要是一些与 cdc基因调控过程相关因素。 l 肿瘤抑制基因p53等监控细胞DNA完整性，在G1 期检验点中起负调控作用。 v染色体处于复制前感受状态或允许(licensing) 状态。 3S期关键事件 (1)S期的启动- S期促进因子(S-phase promoting factor， SPF) （2）真核生物染色体的复制 真核生物 DNA复制的特点 v多个复制起点成簇活化，向两个方向以复制叉 方式进行延长； vS期DNA复制的不同步特性： l 大多数有转录活性的常染色质复制较早，异染 色质复制晚。早S期复制的DNA GC含量较高，晚S 期复制的DNA AT含量较高。呈周期性重现； v大多数与DNA合成有关的酶系在G1S交界或早 S期升高。 组蛋白的合成与核小体的组装 v组蛋白的合成主要在 S期，在 S期组蛋白 mRNA 的水平可增加50倍。与DNA合成之间存在联动反馈 机制，保证组蛋白形成的数量能相应于新合成的 DNA数量。 v核小体组装与“半核小体” 复制模型 v组蛋白合成后被修饰，可进行磷酸化、乙酰化、 甲基化和ADP-核糖基化作用，其中组蛋白的磷酸化 和乙酰化被认为在调节细胞周期前进中和基因表达 方面起重要作用。 4G2期关键事件 主要与细胞进入M期所需的多种结构与功能 的准备有关： v M期染色体凝集的相关事件，如由于H1组蛋白磷酸化的 缺陷，阻止了染色体的凝集，导致停止在G2期。 v 有丝分裂纺锤体的形成与发挥作用的相关事件。 v 核糖体的存在与数目对于完成 G2期和进入有丝分裂的 进程也是起重要作用的。 l细胞周期调控分子活化，通过 G2M期 检验点(G2M checkpoint)，使细胞进入M 期 。 (三)测定细胞周期及各时相时间的方 法 （1）标记有丝分裂百分数法（PLM）： v标记有丝分裂百分率法对测定细胞进行脉冲标记 、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞， 通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细 胞周期。放射标记物为3H或者14C标记的TDR。 50 100 TG2 0 TM Ts Tc TG2 +1/2TM T PLM 常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM （2）流式细胞分选仪测定法 vOne of the earliest applications of flow cytometry was the analysis of cell cycle position by quantitation of cellular DNA. vFlow cytometry is still the method of choice for fast, accurate determination of cell cycle distributions. Laser Fluorescence Detectors Fluorescence FALS Sensor Fluorescence detector (PMT3, PMT4 etc.) Univariate Cell Cycle Methods vIn the simplest method, cellular DNA is detected using a fluorescent dye that binds preferentially to DNA. vPropidium iodide is most commonly used. It undergoes a dramatic increase in fluorescence upon binding DNA. It requires permeabilization of the plasma membrane. vHoechst 33342 can be used where labeling of unpermeabilized (live) cells is desired. GG 2 2 MMGG 0 0 GG 1 1 s s 0 200 400 600 8001000 GG 0 0 GG 1 1 s s GG 2 2 MM DNA AnalysisDNA Analysis DNA content C o u n t 2N2N4N4N Normal Cell Cycle Purdue University Cytometry Laboratories 0 200 400 600 8001000 PI Fluorescence DNA Analysis 2N2N4N4N Purdue University Cytometry Laboratories 488 nm laser +- Fluorescence Activated Cell Sorting Charged Plates Single cells sorted into test tubes FALS Sensor Fluorescence detector (四)、细胞周期同步化 （一） 细胞同步化的概念 细胞同步化是指在自然过程中发生的，或经人 为处理造成的细胞周期同步化。前者称为自然同步 化，后者称为人工同步化。 1.自然同步化 在自然界中，细胞自然同步化的现象在动、植 物及粘菌中都有所发现，它们不受人为条件的干扰 ，因而有可能在接近自然的条件下进行观察。 多核体 粘菌(Physarum polycephalum)的变形体 (plasmodia)只进行核分裂而不同时伴有细胞质 的分裂，因而形成多核体；数量众多的核处于同 一细胞质环境中进行同步化分裂，核可多达107， 细胞大小可达5-6cm。如果将其切成许多小块， 每一小块中的核进行同步分裂，而不同小块之间 并非同步，若将不同小块融合在一起则又进行同 步化分裂。 某些水生动物受精卵的同步分裂 增殖抑制解除后细胞的同步分裂 2. 人工同步化的原理及分类 人工同步化大致可分为选择同步化，诱导同步化或 两者的结合。 （1）人工选择同步化 有丝分裂选择法（反复振摇法）： Prescott(1956)利用有丝分裂细胞变圆隆起，与培 养皿的附着性降低的特点。 此法的特点是细胞不受药物等的伤害，同步化程度 高，放入37环境中收集的细胞即可同步分裂。 缺点是分裂细胞一般占1%-2，对于一些生化分析 仍感细胞数不够。 密度梯度离心法： 在某一离心力场中的沉降速度与其半 径平方成正比：周期时相不同而细胞大小 不同。 将高密度单个细胞悬液置于事先制备 好的蔗糖密度梯度上，然后离心沉降或重 力自然沉降。分层收集即可获得不同周期 阶段的细胞。 此法的优点是可适用于任何系统包括 悬浮生长的细胞。缺点是同步程度有限， 因同一时相的细胞大小并非都一致。 （2）人工诱导同步化 DNA合成阻断法：选用DNA合成抑制剂可逆地 抑制DNA合成而不影响其他期细胞沿周期运转， 最终可将细胞群体阻断在S期。 5-氟脱氧尿嘧啶，羟基脲，阿糖胞苷，氨甲 喋吟，5-氨基尿嘧啶，高浓度AdR，GdR和TdR， 均可抑制 DNA合成而使细胞同步化。其中高浓度 TdR对S期细胞的毒性较小，阻断效果较好，因此 成为较常使用的 S期阻断剂。 TdR双阻断法: 是最常使用的方 法 v 向对数增殖期的培养细胞的培液中加入TdR，使细胞阻于S期和G1- S期交界处。 v 当移去TdR，洗涤细胞。当释放时间大于ts时，所有细胞均脱离S 期，这时再给予第二次 TdR阻断。 v 细胞群体再经过G2+M+G1的时间，则细胞阻断于G1-S交界处的一个 狭窄的区段中（ tG1+tG2+tmts ） 。 v 优点是同步化程度高，适用于任何培养体系，可将几 乎所有的细胞同步化。 v 缺点是诱导过程造成细胞非均衡生长(蛋白质、 RNA合 成并不停止)，细胞体积增大，较正常细胞在周期上有差 异，有时出现有丝分裂和染色体的异常。 分裂中期阻断法： v某些药物可抑制微管的聚合，将细胞阻断于有 丝分裂中期。 v非平衡生长问题不十分明显。但长时阻断释放 后许多细胞不能完成正常的有丝分裂而进行异常 分裂。 v中期阻断药物最常用者为秋水仙素或其衍生物 秋水仙酰胺。 （3）条件依赖性突变株 (五)、特异的细胞周期 1早期胚胎细胞的细胞周期 v早期胚胎细胞的细胞周期主要指受精卵在卵裂 过程中的细胞周期。 v显著的特点： n当受精以后，受精卵便开始迅速卵裂，卵裂球 数量增加，但其总体积并不增加，因而，卵裂球 体积将越分越小； n每次卵裂所持续的时间，即一个细胞周期所持 续的时间，大大短于一个体细胞周期所持续的时 间； n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。 2酵母细胞的细胞周期 酵母细胞周期的特点： v酵母细胞周期运转过程也包括G1期、S期、G2 期和M期等4个时期。参与调控细胞周期的基因 与高等生物也基本相同。 v酵母细胞周期持续时间较短，大约为90min。 v细胞分裂过程属于封闭式，即在细胞分裂时， 细胞核核膜不解聚。与细胞核分裂直接相关的纺 锤体不是在细胞质中，而是位于细胞核内。 v在一定环境因素作用下，也进行有性繁殖。 v植物细胞的细胞 周期也含有G1期、 S期、G2期和M期4 个时期。 v植物细胞无中心 粒和星体，由许多 微极组织纺锤体； v有丝分裂后期的 纺锤体中央区域出 现成膜体 (phragmoplast)： 植物细胞的细胞周期 细菌的细胞周期 n细菌细胞周期也基本具备4个时期； n在快速生长时，细菌每分裂一次仅需要35min，而理论上却需要 70min（10min复制起始准备 + 40min DNA复制 + 20min 染色体分离和 细胞分裂）。 二 有丝分裂(mitosis) v细胞分裂是个体生长和生命延续的基本保证。 v细胞分裂包括核分裂和胞质分裂（ cytokinesis)两个过程。 v细胞分裂经过长期的生物进化过程由简单而逐 渐臻于完善，出现了无丝分裂(amitosis)、有丝 分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。 v随着真核细胞的演化，有丝分裂的机构也随着 复杂化，高等真核生物某些种类的器官和组织， 在自然状态下有丝分裂存在某些变异。 一、有丝分裂的特征是有丝分裂器的产生 v 有丝分裂器：指有丝分裂时产生的由微管及其结合蛋白 所组成的星体(aster)和纺锤体(spindle)。 v星体：围绕中心体外 辐射状发射的微管。 v纺锤体：由大量微管 在赤道面垂直排列组成 的中部宽阔，两极缩小 的细胞器，形如纺锤， 因而得名。 组成纺锤体的微管可以分为两种类型，即动粒微管和极性 微管。 二、有丝分裂中两个重要的细胞器： 中心粒(centroile)和动粒 (kinetochore) 1.中心粒 v是一对互相成直角的圆筒 状小体，直径0.25m，长 度不定，邻近核膜胞质中。 筒壁为9组大约呈30度倾斜 排列的三联微管组成。 v中心粒本身对组织微管是 不起作用的，例如植物中心 体全然缺少中心粒，小鼠早 期的卵裂丢失中心粒。 v 中心粒周围是一团透明的电子 密度高、不定形的物质，称为中 心粒周围物质(pericentriolar material，PCM) 或中心体基质 。 v 含有一套特异性蛋白质的PCM 具有微管组织中心(microtubule organizing center， MTOC)的 作用，是中心体最关键的部分。 间期时，以中心体基质为核心向 胞质发出微管射线，伸向细胞边 缘， PCM处为负端，周缘端为正 端。 v At a certain point in G1 phase the two centrioles separate by a few micrometers. v During S phase a daughter centriole begins to grow near the base of each old centriole and at a right angle to it. v The elongation of the daughter centriole is completed by G2 phase. v The two centriole pairs remain close together in a single centrosomal complex until the beginning of M phase, v when the centrosome splits in two and the two halves begin to separate. 2.动粒和着丝粒 v动粒又称着丝点是 细胞分裂的重要细胞 器， v是有丝分裂时纺锤 体微管附着于染色体 的部位。 v后期时动粒微管变 短，将两条染色单体 拉向两极，遗传物质 平均地分配到两个子 细胞中去。 v动粒结构中主要 是蛋白质(发现有微 管蛋白、CaM、动力 蛋白以及糖酵解的烯 醇酶等)其中有少量 的RNA和DNA的存在 。 动粒蛋白CENP(Centromere Protein) CENP在进化上有高度保守性，但分子量，随动物种类、 不同发育阶段、不同细胞周期有所差异： v CENP-A是着丝粒区域的一种特殊组蛋白，与组蛋白H3 有一些进化上的关系；推测它可能直接参与着丝粒-动粒 复合体的染色质的包装及功能。 v CENP-B是DNA结合蛋白，并和微管蛋白相联系。 v CENP-C主要位于动粒的三层结构的内层，只存在于活 性着丝粒染色体上，有CDC2激酶磷酸化位点和微管结合 蛋白(MAP)激酶作用位点。 v CENP-E是一种驱动蛋白(kinesin)，定位于动粒外层表面 的冠上。被认为在促使染色体与来自两极的微管相联结 过程中起重要作用 。 v CENPF是一种核骨架蛋白，在分裂前期，转移到动 粒上。 三、有丝分裂过程 v有丝分裂是一个核改组的连续过程，根据形态 学特征，人为地分为前期、早中期、中期、后期 及末期。 1.前期(prophase) v 标志：染色质不断浓集包装，中心粒出现远离。 v 事件：有丝分裂器的形成，纺锤体出现线状纤维;核仁 消失，核膜崩解。 v 特征：每条染色体形成2条染色单体的成双结构，出现 主缢痕 。 v New microtubules grow out in random directions from two nearby centrosomes. The microtubules are anchored to the centrosome by their minus ends. Their plus ends are “dynamically unstable“ and switch suddenly from uniform growth (outward- pointing red arrows) to rapid shrinkage (inward-pointing red arrows), during which the entire microtubule often depolymerizes. When two microtubules from opposite centrosomes interact in an overlap zone, microtubule-associated proteins are thought to cross-link the microtubules together (black beads) in a way that caps their plus ends, stabilizing them by decreasing their probability of depolymerizing. There is evidence that the cross-linking proteins are plus-end-directed microtubule motor molecules that tend to drive the microtubules in the directions that push the poles of the spindle apart. 2.早中期(prometaphase) v 标志：核膜崩解。 v 事件：纺锤体微管自由端最终结合到动粒上，形成染 色体牵丝。 v 特征：染色体剧烈地活动。 The kinetochore binds to the side of a growing microtubule and slides along it toward the spindle pole. Two hypotheses for how chromosomes line up at the metaphase plate. In both cases the chromosomes enter the spindle randomly during prometaphase. In (A) the chromosomes eventually line up at the equator (the metaphase plate) because a pulling force on each kinetochore increases as it gets farther from a pole. In (B) the chromosomes end up at the equator because the astral exclusion forces push them there. In both cases the chromosomes are held under tension at the equator by balanced forces. While the kinetochore microtubules tend to pull the chromosomes poleward, another, more mysterious force acts in an opposite direction, repelling any large object that approaches the poles too closely. The origin of this “astral exclusion force,“ or “polar wind,“ is not known. It may be the result of pushing by the growing ends of the free microtubules that are nucleated continually at the pole; alternatively, the freed chromosome arms may bind plus-end-directed microtubule motors and migrate along such microtubules; or some other cell components may be moving in that way and sweeping the chromosome arms along with them. 3.中期(metaphase) v 标志：染色体排列在赤道面上 。 v 事件：连续微管和动粒微管持续延长，纺锤体不断远 离。 v 特征：染色体牵丝作用于染色体上的力量持平。 Experiment demonstrating that metaphase kinetochore molecules add subunits at their kinetochore-attached (plus) end. In this experiment fluoroscein-labeled tubulin was injected into a living cell, where it became incorporated into the spindle microtubules (green). Rhodamine-labeled tubulin was then introduced into the cell at metaphase, where it became incorporated into kinetochore microtubules at the kinetochore- attached (plus) end (orange). Some incorporation is also seen at the centrosome. v 微管的延长是微管蛋白、二聚体的组装大于去组装 的结果，由G2期末到中期，星体和纺锤体微管均靠（+） 端的延长推动中心粒分向两极。 v 组成纺锤体的微管数目不等，酵母细胞可少到16条，高 等植物可达5000条. Microtubules in a mitotic cell. During prophase, fibroblasts were extracted by a series of solutions of detergents and concentrated salts so that only the microtubules remain. The individual microtublues are seen radiating from the centriolar region. woman chromosome 4.后期(anaphase) v 标志：姐妹染色单体突然同时分裂。 v 事件：动粒受到不断缩短的染色体牵丝的牵引而产生 染色体的向极移动。 v 特征：动粒在前，两臂拖后，视动粒在染色体上的位 置不同，而呈V、L或J型。 Mad和Bub可以使动粒敏化 ，促使微管与动粒接触。 免疫荧光染色发现，Mad2 和Bub1位于前期和前中期 染色体的动粒上。如果染 色体被纺锤体微管捕获， Mad2和Bub1很快会从动粒 上消失。 染色体不能被微管及时捕 捉，Mad2和Bub1不能从这 些染色体的动粒上消失， 后期则不能启动，染色单 体不能相互分离。 Mad2可以与后期促进因子 复合体(APC)及其他相关物 质结合，抑制APC的活性， 阻止细胞周期向下一个阶 段发展。 v以微束激光打击中期染色体的动粒之一时，这 一对染色体单体立即移向另一动粒面向的一极， 动粒微管缩短，类似后期发生的事件。 v 染色体的向极运动称为后期A。两极间的距离增加称为 后期B。这两者是完全独立的运动类型，例如用低浓度的 水合氯醛处理，可以阻止极间牵丝的延长和极向两极移 动，而完全不影响染色体牵丝的作用。 The behavior of kinetochore microtubules at metaphase and anaphase （A）在动粒中 ATP分子水解可以提供能量驱动微管上 的“行走蛋白”(walking protein)，即类动力蛋白马 达分子向极部移动，拉动染色体向极移动。（B）随着 动粒端的微管去组装，动粒倾向于向极滑行以恢复“ 袖筒”壁与微管的结合而拉着染色体向极部运动。 Model of How Microtubule Motor Proteins Are Thought to Act in Anaphase B. v In (A) plus-end-directed motor proteins of the kinesin family cross- link adjacent, overlapping, anti- parallel polar microtubules and slide the microtubules past each other, thereby pushing the spindle poles apart. The black arrows indicate the direction of microtubule sliding. v In (B) minus-end-directed motor proteins bind to the cell cortex and to those astral microtubules that point away from the spindle and pull the spindle poles apart. 移动素类蛋白(knesinrelated proteins，KRPs)和细胞质动力蛋白 (dynein)的作用 KRPs为向微管负极运动的蛋白，而 细胞质动力蛋白为向微管正极运动 的蛋白。 中心体分离时，负向运动的动力蛋 白在来自姐抹中心体的微管之间搭 桥，并向负极运动； 正向运动的动力蛋白在纺锤体微管 之间搭桥，借助向微管正极运动， 将纺锤体拉长，中心体之间的距离 逐渐加大。 当纺锤体拉长到一定程度后，负向 运动的动力蛋白在细胞膜和星体微 管之间搭桥，借助负向运动，将星 体拉近两极的细胞膜，纺锤体也进 一步被拉长。 有丝分裂过程中纺锤体的动态变化 及其与染色体运动的关系？ v 早期：纺锤体的形成（动态变化，负向动力蛋白）； v 早中期：染色体的捕捉和赤道面排列（拉推平衡）； v 中期：连续微管和动粒微管持续延长，纺锤体不断远 离（正端负端，正向动力蛋白）； v 后期： l纺锤体不断远离 连续微管延长（正端负端，正向动力蛋白）； 星体微管缩短（正端负端，负向动力蛋白）； l染色体分离，移向两极； 动粒微管缩短（正端负端，负向动力蛋白）； 5.末期(telophase) v 标志：染色体平均地分到纺锤体的两极 。 v 事件：形成核膜，RNA合成恢复，核仁重新出现。 v 特征：染色质去螺旋化，高度分散在间期核中。 v A typical time course for mitosis and cytokinesis (M phase) in a mammalian cell. The times vary for different cell types and are much shorter in embryonic cell cycles. Note that cytokinesis begins before mitosis ends. The beginning of prophase (and therefore of M phase as a whole) is defined as the point in the cell cycle at which condensed chromosomes first become visible - a somewhat arbitrary criterion, since the extent of chromosome condensation appears to increase continuously during late G2. 6.胞质分裂(cytokinesis) v 在动物细胞方面，虽然 核分裂和胞质分裂是相继 发生的，但是属于两个分 离过程。 v 在细胞中部微管反而增 加，其中掺杂有浓密物质 和囊状物，这一结构称为 中体。 v 后期细胞质膜下贮存有 大量的泡状质膜备用。 v 由中、晚后期开始，在细胞中部赤道面处胞质向下起 沟，形成环状缢缩，为肌动蛋白和肌球蛋白分子的相互 滑行所致。 v 后期时在细胞收缩环质膜下方有肌动蛋白与肌球蛋白 成分已形成备用。 v 在分裂的海胆卵中已分离出具有 ATP酶活性的肌动蛋 白，说明胞质分裂和 ATP分解供能有关。 occur not only in the conventional relation to each of the two subsequent mitotic spindles (yellow arrowheads) but also between the two adjacent asters that are not linked by a mitotic spindle (but in this abnormal cell share the same cytoplasm)(red arrowhead). Apparently, the contractile bundle of actin filaments that produces the cleavage furrow always forms in the region midway between two asters, which implies that the asters somehow alter the adjacent region of cell cortex. An experiment that shows the influence of the position of microtubule asters on the subsequent plane of cleavage. If a mitotic spindle is mechanically pushed to one side of the cell, the membrane furrowing is incomplete, failing to occur on the opposite side of the cell. Subsequent cleavages v 细菌：附着在质膜上的子染色体通过 它们之间的膜的生长而分离； v 原始涡鞭毛虫：虽然产生了纺锤体， 只是成束地平行通过若干为核膜围成的 细胞质隧道。此时纺锤体只是有助于确 定分裂方向。 v 进化的涡鞭毛虫：只有中央一个隧道 ，中心体之间有纺锤体通过隧道，染色 体动粒和核内膜结合，并且通过终止于 核外膜的动粒微管纺锤体间接交互作用 。 v 酵母和硅藻：核膜完整，核内形成纺 锤体，两极附于核膜，极体和着丝粒之 间只有一条着丝粒微管。 v 高级有机体：核膜崩解，允许染色体 直接附着于动粒微管 有丝分裂的变异 高等真核生物某些种类的器官和组织，在自然状 态下有丝分裂存在某些变异，常见的类型有： 胞质不分裂，形成二核或多核细胞，见于横纹 肌、体外培养细胞和某些植物雌配子的八核胚囊 。 姊妹染色单体不分离，形成双份染色体。偶见 于培养的人体细胞、植物花粉粒。 细胞周期中缺乏M期，核染色质反复加倍而不 分开，结果形成多线染色体，典型的例子是果蝇 晚期幼虫唾腺细胞。 体细胞减数分裂，可以产生单倍体。见 于蚊肠上皮细胞、玉米和水稻根尖细胞。 多极分裂，由纺锤体极部纵裂并转向， 引起三极乃至更多极的核分裂。如果胞质 也随着分开，便形成几个染色体数减少了 的细胞。如果胞质未相应地分裂，则产生 一个多核细胞。多极分裂普遍存在于培养 的癌细胞中。 减数分裂(meiosis) v雌雄配子的融合，把不同遗传背景的父母双方 的遗传物质混在一起，其结果既稳定了遗传性， 又添加了诸多新的变异，大大增强了生物对千变 万化的环境的适应能力。 v染色体数为2n的体细胞通过一种特殊的有丝分 裂即减数分裂方式产生出染色体数为n的精、卵 ，精、卵融合后又恢复2n。减数分裂是一次 DNA 复制继而两次细胞分裂，结果染色体数减少一半 。 v每次减数分裂均分为前期、中期、后期和末期 。两次分裂之间的分裂间期或长或短，但无DNA 合成。 一、减数分裂前间期 v减数分裂前间期(premeiosis interphase)也分 为G1，S，G2期。决定有丝分裂向减数分裂的转变 的原因尚不十分清楚，但这种转变和减数分裂前 的间期活动有密切关系。 v减数分裂前间期S期特别长，如蝾螈的S期由原 来的12小时增长到10天。此种延长并非由于复制 叉的运动减慢，而是由于每单位长度DNA复制单位 的启动数量减少所致。 v在减数分裂间期时性染色体的DNA复制从S期之 末变为早S期复制。另一令人瞩目的现象是在百合 中，减数分裂前 S期只合成全部染色体DNA的99.7 ，其余的0.3在偶线期合成。 二、减数分裂过程 （一）第一次减数分裂 1.前期I v 变化最为复杂，呈现许多减数分裂的特征形态 变化，时间长，可达几周，几月，甚至几年，几 十年。 v 其结果发生了染色体的重组；合成了为配子 所需要的，或胚胎早期发育所需要的全部或大部 RNA、蛋白质及碳水化物。 (1)细线期(leptotene stage，1eptonema)或称凝 集期(condensation stage):染色质凝集(染色 线和染色粒）。 (2)偶线期(zygotene stage zygonema)又称配对 期(pairing stage)：两条 同源染色体侧面紧密相贴 进行配对，此现象称为联 会(synapsis)。形成联会 复合体（synaptonemal complex, SC). Z-DNA合成 及2价体（四分体）形成 。 SC的形成与组装 v G2期和早前期减数分裂信号刺激SC的单体在胞质中合成； v 在核内受到染色体上因子的作用，组成侧生组分轴心。 v 两条侧生组分轴心逐渐靠拢，距离达100nm左右时，借大量横向垂直伸 出的纤维，互相交错形成中央组分。 v 继而单链 Z-DNA顺序或 RNA、蛋白质顺序识别分子组合到 SC之中，进 一步促进同源染色体紧密地整列。 （3）粗线期(pachytene stage， pachynema)又称重组期(recombination stage) v SC结构中间出现重组小节 ，含有多种酶，为球形，椭 圆形或棒状，直径90nm，结 构尚不清楚。通过它发生活 跃的重组过程。 v 粗线期另一个重要的生化 活动是，合成减数分裂期专 有的组蛋白 。 v 许多染色体上发生DNA合 成，主要用于DNA链的修补 、连接，称为P-DNA。出现 rDNA的扩增及活跃的rRNA 合成。 同源染色体的联会复合体的结构 SC位于两条同源染色体之间 ，沿纵轴方向延伸(碱性蛋白 、RNA，微量DNA). v两侧为侧生组分，宽为20- 40nm，电子密度高。 v中间区，宽100nm，中间区 的中央为中央组分，比较暗 ，宽约20 -30nm。 v侧生组分和中央组分之间为 L-C纤维，60-70nm。 基因重组发生的机制 v细胞经过染色体重组的结果，造成同源染色体 之间染色体片断的物理交换的结果。 v两同源染色体均向SC中央组分伸出袢环，达到 距离约lnm时分子可以互相识别，连续比较，直 到同源序列排在一起。 v在分子水平上发生DNA链的断裂，交换，最后 达到DNA的重组。 v触发一系列与DNA重组相关的酶促活动。 v粗线期有P-DNA合成，由非常短的断片组成， 如抑制此种DNA的合成则染色体断裂。 （4）双线期(diplotene stage， diplonema)：又称合成期( synthesis stage) v 同源染色体分开，可看到四分 体。 SC消失，同源染色体间存在 接触点，染色体与核被膜脱离接 触。 v 同源染色体之间的接触点称为 交叉(chiasmata)。此种交叉的数 量和部位，在同一种类的不同细 胞中也有所不同，至少有一个交 叉。 v 染色体或多或少地去凝集，RNA 合成活跃。双线期持续时间一般 较长，其长短变化很大。 v 偶线期联会由核膜一端开始、像拉链样使2条染色体联会到一起。 v 联会后在粗线期进行 DNA重组，同源染色体之间交换染色质断片 ，有同源染色体交叉出现。 v 双线期同源染色体之间分开、SC去组装. v 多数单体分散到核质及胞质。少数种类亚单位局部重组为多聚复 合体，暂时贮存，直到崩解. （5）终变期(diakinesis)又称再凝集期 (recondensation stage) v 核仁消失，四分体较均匀地 分布在核中，染色体凝集成短 棒状。 v 交叉向染色体臂的端部移行 ，称为端化，最后四分体只靠 端部交叉使其结合在一起，姐 妹染色单体借着丝粒连接在一 起。 v 形成纺锤体。雄性动物的纺 锤体十分像有丝分裂。卵母细 胞纺锤体的形成无中心粒的参 与，纺锤体形态类似植物细胞 。 第一次减数分裂前期的主要变化小结 分期细线细线 期偶线线期粗线线期双线线期终变终变 期 凝集期配对期重组期合成期再凝集期 染色体 染色线 染色粒 2价体片段交换四分体 短棒状 四分体 配对对 联会丝 复合体 重组小节交叉端化 DNAZ-DNA P-DNA rDNA扩增 蛋白质质 v no anaphase without G1; v monitoring of DNA damage and block of cell cycle progress; 11.3.1细胞周期的调控机 制 （一）G1/S调控点的调控 1、调控相关蛋白 (1)周期蛋白(cyclin):cyclin D、E、A； (2)周期蛋白依赖激酶(cyclin- dependent kinase ， Cdk): Cdk2、Cdk4、Cdk6、Cdk7； (3)周期蛋白抑制蛋白（cyclin-dependent kinase inhibitor,CKI):p16、p15、p18、p19(Ink4家族） ；p21、p27、p57(Cip/Kip家族）。 (4)抑癌基因表达蛋白：pRb和p53. （1）Rb与细胞周期G1/S的调 控 vKundson对视网膜母细胞瘤（retinoblastoma, RB)研究时，发现该肿瘤的形成需要第13号染色 体上（13q14.2）一对等位基因的同时缺失或失 活，表明该基因具有抑制肿瘤形成的作用，称 为Rb基因（人 200kb, 转录物4.7kb）。编码的蛋 白质为pRb，928个氨基酸，分子量110kDa，具 有多种转录因子的结合位点，如E2F、A1F、 RBF1。 vRb磷酸化后释放与其结合并抑制的蛋白，主要是转录因子 E2F家族以及具有激酶活性的C-Ab蛋白等，游离的E2F进入核 内结合一系列具有特殊序列的基因启动子区（如c-myc、c-fos 、cdc2、二氢叶酸还原酶、TK的启动区），促进这些基因的 表达。这些基因产物促进细胞通过G1/S调控点。 v Control of G1/S transition. D-type cyclins thought to be induced by mitogenic signals, complex with Cdk4 or 6 to carry out initial phosphorylation of pRb, leading to derepression of cyclin E. Expression of cyclin E activates Cdk2 and further inactivates pRb by phosphorylating it. The activity of cyclin E Cdk2 drives the cell into S phase. Counteracting cyclins are two classes of CKIs, which are thought to be induced by negative growth signals