细胞生物学-细胞周期pa.ppt

细胞增殖及其调控,王铁东,细胞周期概述,细胞周期时相及类型,间期(interphase) G1期,即从M期结束到S期开始前的一段间歇期; S期,即DNA合成期; G2期, 即 S期到有丝分裂前的一个间歇期; M期,即有丝分裂期。,标准的细胞周期,A typical mammalian cell has a cell cycle time of 24 hours, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M,Some eukaryotic cell cycle times,同种细胞之间，细胞周期时间长短相似或相同；不同细胞种类之间，细胞周期时间长短常差别很大。,TC TG1 TS TG2 TM TC-TG1 小鼠食道上皮 87 75 7.2 4.1 0.7 12 小鼠腹壁上皮 151 139 6.2 5.3 0.5 12 人大肠粘膜 24 10 11.5 2 0.5 14 人宫颈癌 20 8 6.8 4.5 1.5 12 人羊膜 19.4 9.8 6.8 2.2 0.6 9.6 大鼠肝 47.5 28 16 1.8 1.7 15.5 人肺成纤维细胞 16.8 6 6 4 0.8 10.8,就高等生物体的细胞而言，细胞周期时间长短主要差别在G1期，而S期、G2期和M期的总时间相对恒定。尤其是M期持续的时间更为恒定，常常仅持续半小时左右。, 周期中细胞（cycling cell）：是指在细胞周期中连续运转的细胞，又称为连续分裂细胞或可育细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。 终末分化细胞：指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，又称终端细胞，大量的横纹肌细胞，血液多型核白细胞，某些生物的有核红细胞等 。,在多细胞机体中, 细胞的分裂行为有所差异。根据细胞的分裂行为, 可将真核生物细胞分为三类:,指的是暂时离开细胞周期，停止细胞分裂，去执行一定的生物学功能，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期的细胞，又称为G0期细胞或休眠细胞，如淋巴细胞、肝等。,静止期细胞（quiescent cell）,周期中细胞转化为G0期细胞多发生在G1期 。,G1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但不合成DNA。同时染色质去凝集。,S期:DNA, Histones,G2期：DNA复制完成，在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子,细胞周期中各个不同时期及其主要事件,细胞周期的检验点(check point),细胞要分裂，必须正确复制DNA和达到一定的体积，在获得足够物质支持分裂以前，细胞不可能进行分裂。细胞周期的运行，是在一系列称为检验点的严格检控下进行的，这些检验点严格地监视着细胞周期事件的发生、发展过程是否严格按程序进行。,Three “checkpoints” in the cycle,G0,细胞周期同步化,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的同步化。 类型：自然同步化 人工同步化：选择同步化：有丝分裂选择法 细胞沉降分离法 诱导同步化：DNA合成阻断法 中期阻断法,某些水生动物的受精卵：如海胆卵可以同时授精，最初的3次细胞分裂是同步的。 增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。,1、自然同步化,概念：自然界存在的细胞周期同步过程，称为自然同步化。,Early embryo in most invertebrates and a few vertebrates,Fruit fly embryo,人工选择同步化,有些种类的细胞，如裂殖酵母，不同时期的细胞在体积和重量上差别显著，可以采用密度梯度离心方法分离出处于不同时期的细胞。 优点:方法简单省时，效率高，成本低。 缺点:对大多数种类的细胞并不适用。,是指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。,密度梯度离心法：,有丝分裂选择法：,M期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。,优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。 缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占1%2%）,成本高。,细胞同步化可以通过人工诱导而获得，即通过药物诱导，使细胞同步化在细胞周期中某个特定时期。,人工诱导细胞同步化,DNA合成阻断法,采用低毒或无毒的DNA合成抑制剂特异地抑制DNA合成，而不影响处于其它时期的细胞进行细胞周期运转，从而将被抑制的细胞抑制在DNA合成期的实验方法。,常用胸腺嘧啶脱氧核苷掺入 (TdR) 双阻断法： 高浓度的胸腺嘧啶能够阻断DNA合成所需的核苷酸的合成, 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TdR 。S期细胞被抑制，停在G1/S交界处。移去TdR ，释放时间大于TS时，再次加入过量TdR 。,此方法的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。,分裂中期阻断法：,秋水仙素可抑制微管的聚合, 因而抑制有丝分裂器的形成, 将细胞阻断在有丝分裂的中期， 适当时间后解除秋水仙素的作用，即获得处于中期的同步化的细胞。这一方法称为中期阻断法。,优点:是操作简便，效率高。 缺点:是这些药物的毒性相对较大，若处理的时间过长，所得到的细胞常常不能恢复正常细胞周期运转。,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（受精卵的卵裂过程）,特异的细胞周期,细胞在成熟过程已经积累了大量的物质，不需要临时合成物质。 G1、G2期非常短，以至于认为细胞周期只有S期和M期。 子细胞不生长，越分裂体积越小。 基本的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,-Embryonic cell cycles,有丝分裂，特点是有纺锤体和染色体出现，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物。,二、有丝分裂(mitosis),有丝分裂是包括核分裂和胞质分裂两个过程。 核分裂主要是通过纺锤丝的形成和运动，以及染色体的形成，把在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。由于这一时期的主要特征出现纺锤丝，故称为有丝分裂。,变化：完成DNA的复制和有关蛋白质的合成 结果：每个染色体都形成两个姐妹染色单体，呈染色质形态,间期,间期,间期（interphase）,间期包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制、中心体复制、细胞体积增大等准备工作。,中心体在细胞间期复制。细胞分裂启动，随着染色质浓缩，微管以中心体为核心向四周辐射开始大量组装, 以中心体为核心向四周辐射，如同发出的光芒，因此，中心体与其周围的微管一起被称为星体,两个星体即逐渐向细胞的两极运动。,Stages of mitosis in an animal cell,为了便于描述,人为的划分为六个时期： 前期(prophase) 前中期(premetaphase)； 中期(metaphase)； 后期(anaphase)； 末期(telophase)。 胞质分裂期,有丝分裂前期(Prophase),染色质开始浓缩，形成光镜下两条染色单体可辩的早期染色体结构,核仁在前期末缩小并消失。,前期的较晚时期，在着丝粒处逐渐组装动粒,动粒又称为着丝点，是附着于着丝粒上的一种细胞器，外侧主要用于纺锤体微管附着，内侧与着丝粒相互交织。每条中期染色体上含有两个动粒，分别位于着丝粒的两侧。,前中期（premetaphase ）,是指核膜破裂到染色体排列到赤道板之前的这段时间。核膜破裂，以小膜泡的形式分散在细胞质中；,核纤层也随之解聚成其组成成分核纤层蛋白,前中期的特征是染色体剧烈地活动,个别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。,纺锤体微管捕获染色体,S期中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，核膜解体时，中心粒已到达两极，部分微管侵入到细胞的中心区，结合到染色体的动粒上。,a 负向运动动力蛋白与来自姊妹中心体的纺锤体微管结合； b 负向运动动力蛋白向微管负极运动，将纺锤体微管牵拉在一起，形成早期纺锤体；,纺锤体装配过程,c正向运动动力蛋白在纺锤体微管之间搭桥，借助正向运动，将纺锤体拉长； d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，将中心体进一步拉近两极的细胞膜，纺锤体进一步被拉长。,极性微管:在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达 。 动粒微管 星体微管,纺锤体有三种微管结构：,是指染色体排列到赤道面上，到姊妹染色单体开始分向两极的一段时间，染色体呈辐射状排列。染色体两边的牵引力达到平衡.,中期(metaphase),染色体排列在赤道板上。,形成典型的纺锤体spindle）；,染色体向赤道板上运动的过程称为染色体列队或染色体中板聚合。,染色体排列到赤道板上的机制,外推假说：染色体向赤道板方向的移动，是由于星体的排斥力将染色体外推的结果。染色体距离中心体越近，星体对染色体的外推力越强，当来自两极的推力达到平衡时，染色体被稳定在赤道板上。,牵拉假说：染色体向赤道板方向运动，是由于动粒微管牵拉的结果。动粒微管越长，拉力越大，当来自两极的动粒微管的拉力相等时，染色体被稳定在赤道板上。,.,着丝粒微管动态平衡形成的张力确保染色体正确排列在赤道板上,后期(anaphase),中期染色体的两条染色单体相互分离，形成子代染色体，并分别向两极运动，标志着后期的开始。后期（anaphase）大致可以划分为连续的两个阶段，即后期A和后期B。,在后期A，动粒微管变短，染色体逐渐向两极运动； 在后期B，在后期B，极性微管长度增加，两极间距离逐渐拉长；,后期A:微管去聚合假说,动力蛋白,该模型的可能机理是微管的正端插入动粒的外层, 后期开始时，动力蛋白沿动粒微管向微管负极行走，带动染色单体向极部运动,当动粒越过后，动粒微管末端降解，染色单体与两极之间的距离逐渐拉近,有丝分裂后动粒沿动粒微管向极部运动,后期B纺锤体微管滑动假说,首先，极微管在+端添加微管二聚体进行聚合延长，使两极的极微管产生重叠的带。 第二，KRPs与在极性微管之间搭桥,向正极行走，促使来自极性微管在重叠区相互滑动，两极之间的距离逐渐变长。 第三，胞质动力蛋白在星体微管和细胞膜之间搭桥，并向星体微管负极运动，进一步将两极之间的距离拉长。,Microtubules and Motors in the spindle,（五）末期(Telophase),从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。,主要特点是:染色体解螺旋形成细丝,出现核仁和核膜。,核膜开始重新组装，子细胞核形成,分裂沟,细胞胞质分裂(cytokinesis ),胞质分裂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。,胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环是由大量平行排列的肌动蛋白和肌球蛋白组装成微丝束，环绕细胞.,用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？,收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞,收缩环,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.仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。,四、减数分裂,减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。,两个基本特点 1.染色体组数目减半 2.发生遗传重组,减数分裂前间期 (premeiosis) ： 细胞的有丝分裂间期相似，细胞核中的染色体完成自我复制，每一条染色体经过自我复制成为两条姐妹染色单体。,特点： S期持续的时间比较长，DNA进行不完全复制，并且复制总量的99.7%99.9%。细胞核大于其体细胞核。,减数分裂过程,由减数分裂前G2期细胞进入两次有序的细胞分裂，即第一次减数分裂和第二次减数分裂。两次减数分裂之间的间期或长或短，但无DNA合成。,减数分裂期： 减数分裂期：前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂期等6个阶段。 减数分裂期：前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂期等6个阶段。,前期（prophase ）,前期I（prophaseI）持续时间较长。在这漫长的时间过程中，要进行染色体配对和基因重组。此外，也要合成一定量的RNA和蛋白质。,根据细胞形态的变化分为：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期5个阶段。,1) 细线期（leptotene stage）,染色体端粒与核膜相连,而染色体的其它部分以袢状伸延到核质中。,又称凝集期(condensation stage)，此期在光学显微镜下可逐渐见到染色体，染色质在凝集前已复制，但仍呈单条细线状，看不到成双的结构染色体。,偶线期：主要发生同源染色体配对，即来自父母双方的同源染色体逐渐靠近，沿其长轴相互紧密结合在一起。因而，偶线期又称为配对期。,2) 偶线期（zygotenen）,合成在S期未合成的约0.3的DNA:偶线期DNA（zygDNA）,联会的部位形成一种特殊复合结构，称为联会复合体。联会复合体沿同源染色体长轴分布，宽约1.52mm。,联会复合体（synaptonemal complex）结构,由两条同源染色体沿纵轴形成 主要由碱性蛋白质和RNA组成，并含有少量DNA 形成合线期，成熟于粗线期，消失于双线期,在电镜下联会复合体细微结构,3)粗线期（pachytene）,染色体进一步浓缩，变粗变短，并与核膜继续接触. 同源染色体上形成重组节，染色体发生交换和重组。 在粗线期，也合成一小部分尚未合成的DNA，称为P-DNA编码一些与DNA点切和修复有关的酶类,保持染色体的完整性。 合成减数分裂期专用的组蛋白，并把体细胞类型的组蛋白部分或全部置换下来。,主要特征：,4)双线期（dipleotene stage）,主要特征：,重组阶段结束，同源染色体相互分离，联会复合体消失，同源染色体仅留几处相互联系。 染色体与核被膜脱离接触。 染色体或多或少地去凝集， RNA合成活跃。,又称合成期,同源染色体仍然相联系的部位称为交叉（crossover，chiasma）,5)终变期（diakinesis stage）,主要特征：, 交叉端化，二价体变短，在核内均匀散开, 到达终变期末，同源染色体之间仅在其端部和着丝粒处相互联结. 核仁消失，核膜解体。 中心体复制完成，并开始移向两极。,姐妹染色单体的交叉随时间的推移向末端移动，这