细胞增殖及调控细胞五.ppt

细胞增殖及调控细胞五,细胞增殖(cell proliferation)是生命的基本特征，种族的繁衍、个体的发育、机体的修复等都离不开细胞增殖。 单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加,维持物种的存在。 多细胞生物由一个单细胞(受精卵)分裂发育而来， 细胞增殖是多细胞生物繁殖基础(1 1012 1014) 成人体内每秒钟仍有数百万细胞更新，以补偿血细胞、小肠粘膜细胞和上皮细胞的衰老和死亡。另外,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。,细胞增殖是通过细胞周期(cell cycle)来实现的，细胞沿着G1SG2MG1周期性的运转，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。而细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视和调控来保证的。 细胞无限制增长对个体来说意味着癌症，个体无限制繁殖对地球来说意味着灾难。 可见，严格的细胞增殖调控是整个生命活动的最基本保证。,第一节. 细胞周期概述 细胞周期: 细胞周期是指细胞从一次分裂结束开始，经过物质积 累到下一次细胞分裂结束为止，所经历的一个有序过程。 其间细胞遗传物质和其它内含物分配给子细胞。,细胞分裂与细胞周期,二. 细胞周期中各个不同时相及其主要事件: G1期(gap1) :指从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间，染色质去凝集，合成某些RNA及蛋白质，为DNA复制作准备。 G1期存在限制点(Restriction point, R点)，也称检验点(Checkpoint)被认为是G1期晚期的一个基本事件。细胞只有在内因和外因共同作用下才能完成这一基本事件,顺利通过G1期,进入S期并合成DNA。 影响R点的外因主要包括营养供给和相关的激素刺激；内因主要是一些与细胞分裂周期基因(cell division cycle gene，cdc基因，其产物是一些蛋白激酶、磷酸酶等) 调控过程相关的因素及DNA损伤。 检查点不仅存在于G1期，也存在于S期、G2期及纺锤体装配检查点等。,2. S期(synthesis phase) :指DNA复制的时期.进 行DNA和组蛋白合成，共同组成核小体串珠结 构。同时，细胞核结构(核骨架、核纤层、核膜 等)开始调整。 S期检验点检查DNA复制是否完成。,The DNA replication checkpoint: Entry into mitosis is blocked by incomplete DNA replication,The experiments of DNA replication checkpoint in the mammalian cells in culture were treated with caffeine and hydroxyurea.,3. G2期(gap2) :指DNA复制完成(双倍体四倍体)到有丝分裂开始之前的一段时间.合成某些RNA及蛋白质，其它结构物质和亚细胞结构也为细胞分裂进行了必要的准备。 G2/M期检查点：DNA是否完全复制，DNA是否有损伤；细胞大小是否合适；环境因素是否有利于细胞 分裂。细胞能否顺利进入M期，受G2期检查点的控制。 4. M期(mitosis) :又称D期(division),指细胞分裂开始到结束.细胞浆移动，染色体分离。真核细胞的细胞分裂包括有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。 中-后期检验点：纺锤体组装检验点。,细胞周期检查点,Some eukaryotic cell cycle times,细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关，如：早期胚胎细胞无G1 和G2，细胞周期最短；小鼠十二指肠上皮细胞的周期为10小时；人类胃上皮细胞24小时；骨髓细胞18小时；培养的人成纤维细胞18小时；HeLa细胞21小时。 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。,三.细胞分类: 根据增殖状况的不同，高等动物的细胞可分三类: 1.连续分裂细胞(周期中细胞cycling cells): 在细胞周期中连续分裂的细胞,如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞及干细胞。 2.G0期细胞(静止期细胞quiescent cells): 暂不分裂的细胞,但在适当的刺激下可重新进入细胞周期,也称休眠细胞,如淋巴细胞、肝、肾细胞等。 3.终末分化细胞(Terminally Differentiated cells): 指不可逆地脱离细胞周期，高度特化，不再分裂的细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。,四. 细胞周期同步化: 细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化，前者称自然同步化，后者称为人工同步化。 1.自然同步化: 多核体:如粘菌只进行核分裂,而不发生胞质分裂,形成多核体。 数量众多的核处于同一细胞质中,进行同步化分裂,细胞核可多达达 108个,体积达5-6cm3。疟原虫也具有类似的情况。 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,再如大量海参卵受精后,前9次细胞分裂都是同步化 进行的。 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。,2.人工同步化 .人工选择同步化:人为将处于不同时期的细胞分离出来 有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。 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。 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（裂殖酵母）。 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。 .药物诱导法:通过药物诱导,使细胞同步在细胞周期的某个时期,分裂中期阻断法: 采用药物(秋水仙素,秋水仙胺)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:操作简便，效率高，无非均衡生长现象 缺点:药物的毒性相对较大，可逆性较差 3.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。,第二节. 细胞分裂 真核细胞的分裂方式有： 无丝分裂(amitosis) 有丝分裂(mitosis) 减数分裂(meiosis) 一.无丝分裂(amitosis):无丝分裂是低等生物的主要增殖形式,又被称为直接分裂(direct division)。 特点：1.无纺缍体, 不形成染色体; 2.分裂迅速,能量消耗 少; 3.易造成遗传物质分配不均等。,二. 有丝分裂(mitosis): 由核分裂(karyokinesis)和胞质分裂(cytokinesis)组成，它是一个连续的分裂过程。 1.有丝分裂器(mitotic apparatus):包括纺缍体、中心体 纺缍体(spindle)由微管构成,包括以下四种纤维:动粒丝、连续丝、中间丝和星体丝。,2.有丝分裂器功能： 有丝分裂器由中心体形成，是一个暂时性的细胞器，专门执行有丝分裂功能，在ATP提供能量下产生推拉力量，以确保两套遗传物质能均等地分配给两个子细胞。 3.有丝分裂分期： 间期(interphase) 前期(prophase) 前中期(premetaphase) 中期(metaphase) 后期(anaphase) 末期(telophase) 其中间期包括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。,. 前期: 染色质凝缩(condensation), 在前期末,染色体主缢痕(primary constriction)部位形成一种蛋白复合物动粒(kinetochore); 细胞骨架解聚,分裂极确立, 星体形成，两个星体逐渐向细胞的两极运动, 有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)开始装配、形成; 核仁解体,核膜消失, Golgi体,ER等细胞 器解体,形成小的膜泡。,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，微管通过微管结合蛋白在正极末端相连，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。,纺锤体有三种微管结构： 极体微管(polar mt)两极间的微管,在纺锤体中部重叠,重叠部位结合有分子马达 。 着丝点微管(kinetochore mt),是从着丝点到另一极的微管； 星体微管(astral mt),由中心粒放射出来的微管。植物没有中心粒和星体，其纺锤体称无星纺锤体。,.前中期: 核膜解体至染色体排列到赤道面(equatorial plane)上,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的两个动粒，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 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。 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,.中期 染色体排列到赤道面上。,.后期 指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期A、后期B两个过程。,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:极性微管长度增加,两极之间的距离逐渐拉长,介导染色 体向极运动,分裂沟位置的确立,收缩环形成,收缩环收缩,收缩环处细胞膜融合 并形成两个子细胞,Anaphase A: The movement of the chromosomes toward the poles; Kinetochore MT disaassenble at both ends during anaphase A. Anaphase B: The two spindle poles move farther apart. Both pushing and pulling forces contribute to anaphase B,The events of Anaphase: Both anaphase A and anaphase B contribute to the movement of chromosome toward the spindle poles,Anaphase B: The two spindle poles move farther apart,Metaphase,Late anaphase,The sliding of overlap MT at anaphase,A model explains the chromosome movement in anaphase,Two alternative models of how the kinetochore may generate a poleward force on its chromosome during anaphase A.,.末期 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。 动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成。 用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？,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,三. 减数分裂(meiosis): 减数分裂(meiosis)是有性生殖个体形成 生殖细胞过程中发生的一种特殊分裂方式。经两次细胞分裂，而DNA只复制一次，因此子细胞中染色体数目减半(2n n)。,减数分裂,1.间期: 称前减数分裂间期或前减数分裂期(premeiosis)。 间期也可分为G1期、S期和G2期。 G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。 减数分裂的S期时间较长，部分DNA (约0.3%左右)是在合线期合成的。,2.减数分裂I: 前期I: 减数分裂的特殊过程主要发生在前期I ，通常分为5个时期:细线期(leptotene);合线期(zygotene);粗线期(pachytene);双线期(diplotene);终变期(diakinesis),细线期:染色质呈细丝状,(每条染色体已经过复制),染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。持续时间最长，占减数分裂周期的40%。 特点：染色质凝集，但两条染色单体不分离，在显微镜下看不到双线样染色体结构，而是呈细的单线状; 染色体端粒通过接触斑与核膜相连，而染色体的其它部分以袢状伸延到核质中。花束期(bouquet stage) 。,偶线期(合线期):同源染色体(homologous chromosome)配对(pairing) 联会(synapsis)偶线期发生的另一个重要事件是合成在S期未合成的约0.3%的DNA(偶线期DNA,即zygDNA) 联会:细线期中两条同源染色体随机排列,到了偶线期同源染色体与核膜相连的部分移位在一起,然后它们的侧面沿中轴紧密相贴进行配对,形成四分体。 联会复合体:在联会部位(紧密相贴处)形成一种特殊结构,沿同源染色体纵轴分布,该结构由蛋白质构成,可分为侧生组分和中央组分,是一暂时性的结构。,粗线期:染色体明显变粗变短;同源染色体的非姊妹染色单体间发生DNA的片断互换(crossing-over),在光镜下可看到交叉(chiasma)现象,可产生新 的等位基因组合。,同源染色体仍紧密结合,并发生等位基因之间部分DNA片段的交换和重组，产生新的等位基因组合， 出现重组节，与DNA的重组有关。 粗线期也合成一小部分DNA,称为P-DNA, 编码与DNA点切和修复有关的酶类。 粗线期的另一个重要的生化活动是，合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部地替换下来。,双线期:同源染色体开始逐渐分开,但仍有几处相连,联会复合体消失。,联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交叉点(cross over, chiasma)上还保持着联系。 在鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二价体去凝集而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。,终变期:染色体进一步浓缩，交叉端化。,二价体显著变短，并向核周边移动，在核内均匀散开。所以是观察染色体的良好时期。交叉向染色体的端部移行, 故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。终变期二价体的形状表现出多样性,如V形、O形等。 核仁此时开始消失，核被膜解体，但有的植物，如玉米，在终变期核仁仍然很显著。,中期 二价体排列在赤道面上,染色体的形态因着丝粒位置不同而异,后期 同源染色体在纺缍丝牵引下 向两极移动,非同源染色体自由 组合 末期 两极各得到n条染色体,数目 由2nn,染色体到达两极,逐渐去凝集,在染色体周围,核膜重新装配, 细胞质已开始分裂,完全形成两个间期子细胞(具有间期细胞的基本结构特征,但不进行DNA复制,也没有G1,S和G2期之分). 细胞进入末期后,不完全恢复到间期阶段,而是立即准备进行第二次减数分裂.,3.间期: 染色体不进行复制 4.减数分裂II: 可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。 一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。,Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23,5.减数分裂的生物学意义: 使有性生殖生物体的染色体数目世代保持恒定。 同源染色体配对、交换重组、非同源染色体自由组合形成了众多的由不同染色体组成的配子（223），增加了变异性，扩大了后代的变异范围，增强了个体对环境的适应性。 为遗传三大定律的细胞学基础。,6.精子的发生: 精巢的曲细精管 上皮的精原细胞,初级精母细胞,两个次级精母细胞,四个精细胞,变形,四个精子,分化,7.卵子的发生: 卵巢生发上皮 的卵原细胞,初级卵母细胞,次级卵母细胞 + 第一极体,卵细胞 + 3个第二极体,分化,第三节. 细胞周期的调控 一.MPF的发现及其作用: Rao和Johnson(1970、1972、1974)将HeLa细胞同步于不同 阶段,然后与M期细胞混合,在灭活仙台病毒介导下,诱导细胞融合, 发现与M期细胞融合的间期细胞产生了形态各异的早熟凝集染色体 (prematurely condensed chromosome, PCC),这种现象叫早熟 染色体凝集(premature chromosome condensation)。,M期细胞与G1期细胞融合,M期细胞与S期细胞融合,M期细胞与G2期细胞融合,早熟凝集染色体的形成,提示M期细胞存在诱导染色体凝集(PCC)的物质,即成熟促进因子(maturation promoting factor,MPF)。,G1期PCC为单线状，因DNA未复制。,S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。,G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。,非洲爪蟾卵细胞成熟过程、受精和第一次卵裂示意图,1971年，Masui和Markert明确提出了MPF这一概念，非洲爪蟾卵母细胞成熟过程可以人为地划分为六个时期，第I至IV期为各级生长卵母细胞，第IV期卵母细胞在孕酮作用下向第V，VI期转化，进而进行第I第II次成熟分裂。成熟卵母细胞受精后，很快便开始第一次卵裂。GV：Germinal vesicle，生发泡；GVBD：GV broken down, 生发泡破裂。,成熟卵细胞质移植发现MPF的存在,注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟卵细胞质中，含有卵母细胞成熟的因子，称做MPF。 进一步研究发现，在有蛋白质合成抑制剂存在的情况下，孕酮不能诱导卵母细胞的成熟，而成熟卵细胞的细胞质则不需要蛋白质合成。 1988年，Maller实验室的Lohka等人发现：MPF=p32+p45，具有蛋白激酶活性，可以使多种蛋白质底物磷酸化，从而证明，MPF是一种蛋白激酶。,二. P34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系:,芽殖酵母细胞周期 1960s Leland Hartwell以芽殖酵母为实验材料，利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株 (在适宜的温度下和野生型一样), 分离出了几十个与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene, cdc)。如芽殖酵母的cdc28基因，在G2/M转换点发挥重要的功能。,裂殖酵母细胞周期 1970s Paul Nurse等人以裂殖酵母为实验材料, 同样发现了许多细胞周期调控基因, 如: 裂殖酵母cdc2的突变型在限制的温度下无法分裂; 导致细胞停留在G2/M交界处。,进一步的研究发现cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，二者为同源物其本身并不具备激酶活性，只有当其与有关蛋白（p56cdc13）结合后，才能表现出激酶活性，促进细胞周期的进行。,1983年Timothy Hunt首次发现海胆卵受精后,在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈振荡,在每一轮间期开始合成,G2/M时达到高峰,M结束后突然消失,下轮间期又重新合成,故命名为周期蛋白(cyclin)。后来在青蛙、爪蟾、海胆、果蝇和酵母中均发现类似的情况,各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。 1988年M. J. Lohka 纯化了爪蟾的MPF,经鉴定由32KD和45KD两种蛋白组成,是一种丝氨酸/苏氨酸激酶,二者结合可使多种蛋白质磷酸化。后来, Paul Nurse(1990)进一步的实验证明p32实际上是CDC2的同源物,而P45是cyclinB的同源物,序列分析表明cyclinB与p56为同源物,从而将细胞周期三个领域的研究联系在一起 。最终发现, MPF = Cdc2蛋白(催化亚单位) + clyclinB(调节亚单位),MPF,p34/p56,CyclinB,p32,？,p34,p45,？,p56,？,Cyclin B,2001年10月8日美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖。,The Nobel Assembly at Karolinska Institute has awarded the Nobel Prize in Physiology or Medicine jointly to Leland Hartwell, Tim Hunt and Paul Nurse for their discoveries of “key regulators of the cell cycle“. Using genetic and biochemical methods, they identified the molecules CDK and cyclin that control the cell cycle in eukaryotic organisms. These fundamental discoveries have a profound impact on many aspects of biology and medicine. CDK and cyclin are key molecules that control and coordinate DNA-synthesis, chromosome separation and cell division. CDK and cyclin together drive the cell from one cell cycle phase to the next.,The Nobel Prize in Physiology or Medicine 2001,三. 细胞周期蛋白cyclin,特点: 在细胞周期中呈周期性变化, 不同的周期蛋白均含有一段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