[农学]第九章 细胞分裂与细胞周期.ppt

第九章 细胞增殖与分化,Cell proliferation and cell differentiation,Medical Cell Biology,主讲 庞实锋 博士/讲师 电话 22896335 Email:,基础学院生物学教研室,细胞分裂 Cell division,是细胞生命活动的重要特征之一,增殖必须受到调控,细胞增殖 cell proliferation,重点内容,细胞增殖 Cell proliferation 细胞分裂 Cell division,细胞增殖的概念 细胞增殖的方式,有丝分裂 mitosis 减数分裂 meiosis,细胞增殖 cell proliferation,概念,细胞通过生长和分裂，产生与母细胞具有相同遗传特性的子细胞，使细胞数目增加的过程。,要点：,实现方式：,遗传物质的复制；细胞数目增加,细胞分裂,细胞增殖的意义,第一、生命不断地延续、繁衍的基础； 第二、生物机体的生长发育依赖细胞增殖； 第三、补充生命活动过程中衰老死亡的细胞； 第四、有机体创伤的修复依靠细胞增殖实现。,细胞增殖的方式 cell proliferation,无丝分裂(amitosis) 直接分裂(direct division) 遗传物质无法平均分配,有丝分裂(mitosis) 间接分裂(indirect division),减数分裂(meiosis) 成熟分裂(maturation division),细胞分裂 Cell division,有丝分裂 mitosis,又称间接分裂，特点是细胞通过有丝分裂装置即纺锤体将遗传物质精确的等分到两个细胞中，以保证细胞的遗传稳定性。,核分裂 胞质分裂,前期、中期、后期、末期,细胞分裂 Cell division,有丝分裂 mitosis,前期 prophase,染色质凝集成染色体 黏合素和凝集素共同 作用的结果,动粒又称着丝点 是动粒微管与染 色体相连的部位,动粒,着丝粒 centromere,动粒微管,细胞分裂 Cell division,有丝分裂 mitosis,前期 prophase,染色质凝集成染色体,核膜破裂和核仁消失,确定分裂极，形成早期纺锤体,细胞分裂 Cell division,与有丝分裂直接相关的亚细胞器,中心体 centrosome,具有微管组织中心的作用 中心体与其周围的微管一起统称为星体,是动物细胞内与微管组装和细胞分裂直接 相关的一种亚细胞器,有丝分裂器(mitotic apparatus),由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管组合形成的临时性纺锤形结构，能确保将已复制好的两套遗传物质平均分配给两个子细胞。,动粒,星体微管,动粒微管,极间微管,中心体,细胞分裂 Cell division,有丝分裂 mitosis,中期 metaphase,形成完整的纺锤体,染色体排列在赤道面,细胞分裂 Cell division,有丝分裂 mitosis,中期 metaphase,细胞分裂 Cell division,有丝分裂 mitosis,后期 anaphase,着丝粒一分为二,姐妹染色单体分离 ,并移向两极,细胞分裂 Cell division,有丝分裂 mitosis,末期 telophase,形成两个子核,胞质分裂,形成分裂沟,由收缩环 由外而内收缩,缢裂,细胞分裂 Cell division,分裂沟,肌动蛋白,肌球蛋白,收缩环,细胞分裂 Cell division,有丝分裂过程中染色体的动力机制,染色体整列（排队）,指染色体整齐的排列到赤道板上的过程,是启动染色体分离并向两个子细胞中平均分配的先决条件,染色体整列,A.Mad和Bub蛋白聚 集在动粒上 B.微管与动粒结合, 两蛋白消失,染色体向赤道板方向移动的机理,A.动粒微管的牵拉作用 B.星体的排斥力作用,细胞分裂 Cell division,有丝分裂过程中染色体的动力机制,染色体分离,后期染色单体分离和向两极移动的运动机制,后期A和后期B两个阶段假说,细胞分裂后期A和后期B产生染色体向两极运动的示意图,有丝分裂过程,小结,前期：染色质凝集成染色体；核膜破裂和核仁消失；确定分裂极，形成早期纺锤体,中期：染色体排列在赤道面；形成完整的纺锤体,后期：着丝粒一分为二；姐妹染色单体分离,并移向两极,末期：形成两个子核；胞质分裂,细胞分裂 Cell division,双倍体,单倍体,只有一套染色体组，一般是生殖细胞。 如精子和卵子。,细胞具有两套染色体组,减数分裂 meiosis,减数分裂维持物种的稳定性,细胞分裂 Cell division,减数分裂 meiosis,减数分裂是特殊的有丝分裂,仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段,细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次细胞分裂,减数分裂前间期：,前期,减数分裂I,中期,G1、S、G2,末期,后期,减数分裂间期,偶线期,细线期,双线期,粗线期,终变期,减数分裂II,中期 ,前期,后期,末期,细胞分裂 Cell division,减数分裂 meiosis,绝大部分染色质进行复制,完成中心粒的复制,细胞核在形态上约增大一倍,细胞分裂 Cell division,减数分裂前间期,细线期,染色质凝集和同源染色体开始配对,前期I prophase I,偶线期,同源染色体 DNA序列不同、无着丝粒连接 父方和母方的染色体之间,姐妹染色体 DNA序列一致、由着丝粒连接 父方或母方的染色体，复制产生,前期I prophase I,偶线期,同源染色体配对和联会，形成二价体和联会复合体（Synaptonemal Complex）。,合成剩余的0.3%染色体DNA。,联会： 同源染色体配对的过程。,二价体： 配对后，两条同源染色体紧密 结合在一起形成的复合结构。,前期I prophase I,联会复合体,联会复合体 Synaptonemal Complex,同源染色体在 联会的部位形 成的特殊复合 结构,与同源染色体 联会和同源重组有关,染色体缩短变粗, 出现四分体。,粗线期,前期I prophase I,染色体缩短变粗, 出现四分体。,粗线期,前期I prophase I,在联会复合体（SC） 中部出现球状椭圆 形重组结。,染色体缩短变粗, 出现四分体。,粗线期,前期I prophase I,非姐妹染色单体发生重组和交换。,合成一小部分P-DNA，编码一些与DNA切口(nicking)和修复有关的酶。,在联会复合体（SC） 中部出现球状椭圆 形重组结。,合成减数分裂期专有的组蛋白。,同源染色体间的联会复合体消失，大部分片断分开，仅留一些连接点，称交叉.,双线期,前期I prophase I,RNA合成活跃。,核仁、核膜消失，纺锤体形成,染色体继续缩短变粗,同源染色体重组完成,终变期,前期I prophase I,四分体较均匀的分布在细胞核中,同源染色体没有完全 分开，端部仍有交叉,成对的同源染色体排列于赤道面上,中期I metaphase I,同源染色体分开并向两极移动,后期I anaphase I,染色体数目减半,223；1/8400000,子细胞核重建，胞质分裂， 形成两个间期子细胞；,立即准备减数第二次分裂,末期I telophase I,减数分裂间期：,前期II：,短暂，没有DNA复制 只有中心体的复制,形成染色体和纺锤体，核膜核仁消失,中期II,染色体凝集，集中在赤道板上,后期II,姐妹染色单体分离，移向两极,末期II,核膜、核仁重建 细胞质分裂，最后形成四个子细胞,染色体数目 与纺锤体的 连接方式 染色体的 分离方式,减数分裂的意义,确保世代间遗传的稳定性.,增加变异机会,确保生物的多样性并增强生物适应环境变化的能力.,是生物有性生殖的基础.,是生物遗传、进化和多样性的重要基础保证.,前期I: 细线期:染色质凝集，同源染色体开始配对 偶线期:同源染色体配对，形成二价体和联会复合体。 粗线期:出现四分体和重组结, 发生重组和交换。 双线期:联会复合体消失，仅留一些连接点，称交叉。 终变期:重组完成;核仁、核膜消失，纺锤体形成;四分体较均匀的分布在细胞核中。 中期I：同源染色体排列于赤道面。 后期I：同源染色体分开向两极移动，染色体数目减半。 末期I：子细胞核重建，胞质分裂，形成两个子细胞。,小结,减数分裂间期：,前期II：,短暂，没有DNA复制，只有中心体的复制,形成染色体和纺锤体，核膜核仁消失,中期II：,各染色体排列在赤道面上,姐妹染色单体分开，并向两极移动,后期II：,形成四个子细胞（遗传物质减半）,末期II：,有丝分裂与减数分裂的区别,所发生的细胞 DNA复制次数 分裂次数 同源染色体的行为变化 子细胞中染色体数目 子细胞中DNA含量 子细胞的数量,复习思考题,1.细胞增殖的概念和方式,2. 如何保证遗传物质的精确等分,3. 有丝分裂与减数分裂的区别,第八章 细胞增殖与分化,Cell proliferation and cell differentiation,Medical Cell Biology,基础学院生物学教研室,cell cycle,细胞周期,主讲 庞实锋 讲师/博士 电话 22896335 Email:,细胞周期 cell cycle,细胞周期概述 细胞周期运转调控机制 检查点在细胞周期调控中的作用,细胞周期概述,从一次细胞分裂结束开始，经过物质积累过程，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期(cell cycle)。,概念：,又称细胞生活周期或细胞增殖周期,标准的细胞周期,细胞周期,间期,有丝分裂期,DNA合成前期,cell cycle,interphase,mitotic phase M期,G1期 gap1 phase,DNA合成期,S期 synthesis phase,DNA合成后期,G2期 gap2 phase,前期 prophase,中期 metaphase,后期 anaphase,末期 telophase,细胞周期时间 (cell cycle time,TC),指一个细胞周期所经历的时间，用TC表示。,TG1 TS TG2 TM,+ + + =TC,不同细胞的细胞周期时间,1：G0期细胞：长期停留在G0期，暂不增殖,细胞在体内的增殖特性：,2：终末分化细胞：失去了增殖能力,3：周期性细胞：连续不断分裂,细胞周期概述,成纤维细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞等,心肌细胞、神经细胞、血红细胞等,造血干细胞、表皮细胞、消化道上皮细胞等,细胞周期各时相及其主要事件,细胞周期概述,G1期 (gap1 phase),DNA合成前期,S期 (synthesis phase),DNA合成期,G2期 (gap2 phase),DNA合成后期,M期 (mitotic phase),有丝分裂期,G1期 (gap1 phase),细胞周期中时间最长,变化最大,DNA合成前期,细胞的生长,R,检查点,主要是RNA、蛋白质、脂类和糖类的合成,G1早期:,G1晚期:为DNA合成作准备,合成DNA聚合酶、触发蛋白,存在检查点(checkpoint, R),细胞周期各时相及其主要事件,R,RNA和蛋白质的合成,暂不增殖细胞 (G0期细胞),继续增殖细胞 (周期性细胞),不再增殖细胞 (不育细胞),R,G1期控制点的作用,S期 (synthesis phase),进行DNA复制，DNA含量增加一倍,DNA合成期,进行中心体的复制,合成组蛋白和非组蛋白,细胞周期各时相及其主要事件,成熟促进因子MPF,合成新的RNA和蛋白质分子,合成剩余的0.3%染色体DNA,合成微管蛋白,G2期 (gap2 phase),DNA合成后期,细胞周期各时相及其主要事件,周期蛋白(cyclin),周期蛋白依赖性 激酶(cyclin- dependent kinase,CDK),MPF,M期 (mitotic phase),时间最短，但形 态结构变化最大,包括核分裂和胞 质分裂,将遗传物质均等地 分到两个子细胞中,分为前期、中期、 后期、末期,有丝分裂期,细胞周期各时相及其主要事件,细胞周期各事件小结,G1期:是细胞生长、细 胞器形成、RNA和蛋 白质合成时期； S期:是DNA合成期， 合成染色质相关蛋白， 中心粒复制。 G2期：剩余DNA的复 制，合成新的RNA和 蛋白质。 M期 ：包括前期、中期、 后期和末期，将遗传物质均等地分到两个子细胞中 。,细胞周期调控,细胞周期关键事件,DNA复制,细胞分裂,细胞周期的运行是在严格的调控下进行的，这是一个精细而复杂的过程,细胞周期调控系统,细胞周期调控蛋白,成熟促进因子(maturation promoting factor, MPF),发现,细胞周期调控系统,细胞周期调控蛋白 发现,Cdk 细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶 （cyclin-dependent protein kinase） （催化亚基）,Cyclin 细胞周期蛋白 （调节亚基）,MPF是控制细胞进入M期的关键因素,成熟促进因子(maturation promoting factor, MPF),2001年10月8日,L. Hartwell、P. urse、T. Hunt 荣获诺贝尔生理医学奖,细胞周期调控蛋白 种类,CDK:细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶 以磷酸化的形式作用于细胞周期事件,Cyclin: 细胞周期蛋白 使 CDK磷酸化和活化的蛋白,CKI: (CdK inhibitor) CDK抑制因子 抑制CDK 活性,阻断或延迟细胞周期的进行,细胞周期调控系统,Cyclin周期蛋白 含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合，不同的周期蛋白框识别不同的CDK,组成不同的周期蛋白复合体，表现不同的CDK激酶活性。,周期蛋白分子结构特征,不同周期蛋白的表达时期不同，与不同的CDK结合，调节不同CDK激酶的活性。 部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK激酶活性的关系。,CDK激酶,CDK激酶统称为周期蛋白依赖性蛋白激酶，有两个共同的特点： 一是含有一段类似的氨基酸序列 二是都可以同周期蛋白结合。 已经命名的CDK激酶包括：CDK1-8。cdc2最早被发现，被命名为CDK1。 CDK激酶的效应是多方面的，如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失，将H1磷酸化导致染色体的凝缩等等。,与cdc2类似的CDK蛋白分子图解,不同类型的CDK/cyclin复合体,CDKI抑制因子：负调控作用，分两大家族： Ink4(Inhibitor of cdk 4)，如:P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d CIP/Kip(Kinase inhibition protein)：包括P21cip/waf1 (cyclin inhibition protein 1)、P27kip1(kinase inhibition protein 1)、P57kip2等 这些抑制因子与cyclinCDK复合物结合后能抑制大多数CDK的激酶活性。,CKI: (CdK inhibitor) CDK抑制因子,CDK的激活需要Thr14和Tyr15的去磷酸化Tyr161的磷酸化,Weel1可以促进Thr14和Tyr15的磷酸化 Cdc25可以促进Thr14和Tyr15的去磷酸化,细胞周期调控,分子开关：不同的Cyclin-CDK复合物,G1CDK：通过起始点或R点,G1/SCDK：触发DNA的复制，G1S期的转化,SCDK：进出S期的调控,M-CdK：启动M期的开始,G1/S期的转化,Cyclin 转录活性下降,CKI直接与CDK或CdK蛋白复合体结合,G1-CdK活性升高,进一步激起G1/S-CdK 和S-CdK蛋白复合体的活化,G1早期: Cyclin-CDK保持灭活状态,G1晚期:G1期 Cyclin转录活性逐渐升高,细胞周期调控,进出S期的调控,S-CdK通过控制DNA复制的启动以防止重复复制,S-CdK对DNA复制启始的调控,细胞周期调控,Pre-RC (pre-replication complex)复制前蛋白复合体的结构保证DNA复制的精确性,在一个S期内，Pre-RC只行使一次功能,Pre-RC,ORC (origin recognition complex) 复制起始点识别复合体,CDC6 蛋白,MCM 蛋白复合体,与复制起始点DNA结合,在早G1期高表达并与ORC特异性结合,在CDC6存在的条件下与ORC结合,DNA复制起始调控,每个周期 DNA仅复制一次,S-CDK:启动DNA的合成 引发CDC6与ORC解离,S-CdK活性持续到M期,M-CDK也具抑制活性,Pre-RC在DNA合成后 保持解离状态,M末期：M-CdK和 S-CdK活性均下降至零,G2/M期的转化,M期 cyclin的合成及活性升高并与M-CDK结合,细胞周期调控,M-CdK的活化,CAK=CDK-Activiting Kinase,M-Cdk激酶的活性,核纤层蛋 白磷酸化,染色体凝集 蛋白磷酸化,微管结合蛋 白磷酸化,GM130 磷酸化,活化的M-CdK激发,核膜 破