第十一章细胞增殖及其调控.doc

第十一章 细胞增殖及其调控教学目的：1 掌握细胞增殖的方式及特点2 了解细胞周期调控的机理教学重点：1 有丝分裂、减数分裂2 各种调控因子的作用教学难点：细胞周期调控的机理讲授与讨论第一节 细胞周期与细胞分裂一、细胞周期（Cell cycle）（一） 概述细胞周期亦称有丝分裂周期（mitosis cycle），细胞生长到一定程度，不是繁殖就是死亡。细胞分裂后产生的新细胞生长增大，随后又平均地分裂成两个和原来母细胞“一样”的子细胞，细胞这种生长与分裂的循环称细胞周期。1细胞周期的概念 具体地说，细胞周期是指细胞从一次分裂结束开始生长，到下一次分裂终了所经历的过程。又叫细胞的一个生活周期，是一个细胞物质积累与细胞分裂的循环过程。一个周期所占用的时间，即为细胞的一个世代（generation time）。2 细胞周期的划分最早划分细胞周期的是Howard Pelc （19511953），从细胞形态的变化考虑，将细胞周期划分为间期（interphase）和分裂期（mitosis phase或division phase），间期是物质准备和积累阶段，分裂期则是细胞增殖的实施过程。间期难以靠形态学指标划分，Howard发现DNA是在间期的一定时间合成的，于是，他将间期划分为DNA合成前期（G1），DNA合成期（S）和DNA合成后期（G2）。M期依形态学指标分为前、中、后、未四个时期，各个时期又称为时相。整个周期表示为：G1SG2M。从细胞增殖的角度来看，G1期细胞可分为3类：1增殖细胞（周期中细胞、连续分裂的细胞） 有些细胞（少数），可以离开变动期进入固定期，然后进入S期，重新开始分裂增殖，它们是能继续增殖的细胞。在一群细胞中，只有一小部分细胞进入M期。进入M期细胞所占该群细胞的百分数，称有丝分裂指数（mitotic index）。2休止细胞（静止期细胞） 有些细胞通常情况下不能合成DNA，处于静止状态可达数月甚至更久，但当给予某种刺激时，可重新进入细胞周期，可见这些细胞是暂时不继续增殖，但具潜在增殖能力。1963年，Lajtha将这些休止细胞叫Go期细胞，指一种暂不增殖而又保持着分裂潜力的，在一定条件下可恢复增殖能力的细胞。认为它们是暂时退出细胞周期的细胞。如肝、肾细胞、淋巴细胞（Go期）经PHA刺激淋巴母细胞进入分裂周期。3丢失细胞（loss cell） 终端分化细胞或不育细胞、不分裂细胞。这部分细胞终生处于G1期，通过分化、衰老至死亡。如角质细胞、神经细胞、肌细胞、红血细胞等。 （二）细胞周期各时相的主要事件1 G1期 此期可再细分为变动期和固定期。所有通过M期的细胞都要进入G1期的变动期，以后便走向不同的命运。处在G1期的细胞，除丢失细胞外，不管是增殖细胞，还是Go期细胞，当它们待要进入细胞周期时，首先进行旺盛的物质合成，为进入S期作各种准备。2 S期S期长短差异，是与复制单位多少决定的。S期的活动，是由于细胞内产生了一种蛋白质性质的DNA合成诱导者。有人将S期细胞与G1期细胞融合后培养，可引起G1期细胞核DNA复制提前。3 G2期 继续为进入M期创造物质条件细胞能否顺利通过G2期进入M期，受到G2期检验点的控制，这一调控点有人称作R2。有人设想，可能与cAMP有关，也有人认为抑素在该期仍有作用。当这种细胞受适宜刺激后，无需DNA复制，可直接进入周期。4 M期（三）细胞周期的研究方法1 细胞周期各时相长短测定（1）标记有丝分裂百分数法（Percentage of labelled mitosis ，PLM法） 此法目的是测定某一细胞群体的细胞周期的总时间Tc和各个时相的时长。方法简述：给机体注入3HTdR，处于S期细胞吸收3HTdR被标记，随后G2期细胞开始出现标记细胞，接着在一短的tm时间后，出现的全是标记分裂相，并在tstm时间内保持不变，最后标记分裂相聚然消失。依标记分裂指数曲线升降过程，可推求出细胞周期各时相的时长。（2）流式细胞分选仪测定法2 细胞周期同步化法（cell synchrony） 是指将细胞群体阻留在细胞周期同一时相的方法。自然同步（natural synchrony） 在自然界中，有些生物本身有部分地或短时间的细胞分裂同步的现象。人工同步法 指用人为的方法，使培养细胞分裂同步化。（1）诱导同步法（induction synchrony），这一方法是用物理、化学方法处理培养细胞，使之停留在细胞周期的某一时相。a、DNA合成阻断法（代谢抑制法）：过量TdR可将细胞阻止在G1/S交界处。b、中期阻断法（分裂抑制法）秋水仙碱M期缺异亮氨酸G1期（2）选择同步法（selection synchrony） 用人工方法，从细胞群体中选出某一发育时期的细胞。a、分裂细胞收获法： b、细胞沉降分离法：c、选择性失活法：d、膜淘洗法： 3 细胞融合法 利用不同时相细胞间的融合，可以探讨各时相的生化变化及调控。（四）特异的细胞周期卵裂之特点：1周期短，几乎只有S、M。2卵内物质重新分布而无细胞的生长。3核质比例越来越大渐近正常细胞。二、细胞分裂（cell division）（一）原核细胞的分裂原核细胞和真核细胞的细胞分裂方式有很大的不同。原核细胞的分裂方式简单，细胞周期短，在适宜条件下可大量繁殖（如细菌每20分钟就可分裂一次），其分裂方式为一分二或二分裂，习惯上又称无丝分裂或直接分裂。（二）真核细胞的分裂真核细胞的分裂较原核细胞复杂的多，根据细胞在分裂过程中所表现的形式不同，大体分为三种类型，无丝分裂，有丝分裂和减数分裂。1 无丝分裂（amitosis）又称直接分裂（direct division）因为这种分裂方式是细胞核和细胞质直接分裂。是发现最早的一种细胞分裂方式。早在1841年，R.Remak首先在鸡胚血细胞中观察到这种分裂方式。因为在分裂过程中没有出现纺缍丝和染色体的变化，所以1882年，Flemming提出无丝分裂的概念。2 有丝分裂（mitosis）最初称这种分裂方式为核分裂（karyokinesis），因为在分裂过程中出现纺缍丝和染色体等一系列变化，然后才出现细胞的真正分裂，所以又称为间接分裂（indirect division）或有丝分裂。1882年Flemming提出，还由于这种分裂方式是多细胞生物体的体细胞的分裂方式，故又称体细胞分裂。有丝分裂过程的分析有丝分裂是一连续的复杂动态过程，为叙述方便，根据形态学上的变化，按这些过程的先后顺序分为前期（前中期）、中期、后期和未期。下面以动物细胞的分裂为例，说明各期特点胞质分裂（cytokinesis）除特殊组织细胞外，多数细胞在染色体解旋和核膜形成的同时，便进行细胞体的分裂，或称胞质分裂。但也有胞质分裂与核分裂不同步的。动物细胞的胞质分裂，是以缢缩和起沟的方式进行的，缢缩的动力推测是由于在细胞质周边有一个微丝组成的“收缩环”，它的紧缩使细胞产生缢束，在缢束处起沟，使细胞一分为二。植物细胞的胞质分裂，因带有细胞壁的缘故，另具特点。是靠形成细胞板来完成的。在分裂未期，赤道面处的纺缍丝保留下来，并增加微管数量，向四周扩展，形成桶状结构成膜体（phragmoplast）。来自内质网和高尔基复合体的含有多糖的小泡移向成膜体，小泡膜融合在一起而成为细胞板（cell plate）。一些充满果胶类物质的小泡，继续向细胞板间添充，形成中胶层及初生壁成分。最后细胞板两层膜和亲体细胞的质膜融合，将细胞一分为二。3 减数分裂（meiosis）meiosis是真核细胞中一种特殊类型的细胞分裂，出现在进行有性生殖的生物的生殖细胞中，是1883年Beneden最先阐述的，指通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂方式。由于发生在生殖细胞成熟过程中，所以又有成熟分裂（maturation division）之称。通过减数分裂使亲代与子代之间的染色体数目保持恒定，保证了物种的相对稳定性；另外在减数分裂过程中，发生非同源染色体的重新组合，以及同源染色体间的部分交换，从而使配子的遗传基础多样化，这就为生物的变异及其对环境条件的适应性提供了重要的物质基础。因此，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。（1）由mitosisi向meiosis的转变精原细胞和卵原细胞是进行mitosis的，为什么到了初级性母细胞就改为减数分裂了呢？是什么因素控制调节这种分裂方式的转变的呢？这些问题尚不清楚，推测可能是多因素的综合作用结果，不过根据有些学者初步实验，可以断定这种转变是发生在前减数分裂的G2期。减数分裂前间期的G2期。（2）减数分裂过程的分析第一次减数分裂或减数分裂（first meiotic division，meiosis）包括：前期、中期、后期、未期和胞质分裂六个阶段。然后，通过一个短暂的间期进入减数分裂。第二次减数分裂或减数分裂（second meiotic division，meiosis）包括：前期、中期、后期、未期）减数分裂有其鲜明特点，主要表现在前期染色体配对和基因重组。减数分裂与一般有丝分裂雷同。前期根据染色体的形态变化可划分为以下几个时期：细线期偶线期（合线期）粗线期双线期4 Meiosis的生物学意义及其与Mitosis之比较5 影响细胞分裂的因素能够影响细胞分裂的因素很多，而且极为复杂，目前还没达到对其全面认识的水平，下面仅就已取得的资料作一介绍。（1）细胞大小（2）抑素（3）cAMP （4）激素 （5）接触抑制（contact inhibition） 第二节 细胞周期的调控真核细胞周期有两个基本事件：一是S期进行染色体复制，二是M期将复制的染色体分到两个子细胞中去。在这两个基本事件前，均有一段间隙期，即G1期和G2期。在这两个间隙期，细胞进行着复杂的决定过程。在G1晚期，作为一个新周期的开始点，亦即细胞决定启动新一轮自我复制的位点（Start point或restriction Point）受到复杂精细的调控，根据发育需要，或者开始新一轮增殖，或者退出周期分化为特殊功能的细胞或暂时进入G0期，决定要进入分化状态或G0期的细胞，不能越过“Start”或“restriction”位点。而要增殖的细胞必须有生长因子的作用，命令细胞通过“start”位点，启动新一轮自我复制。因此，细胞周期存在着G1/S转换和G2/M转换两个重要的控制点。一、MPF的发现及其作用1 染色体超前凝集实验细胞促分裂因子2 非洲爪蟾卵细胞质注射实验促成熟因子（MPF）1971年，利用非洲爪蟾卵细胞质注射实验，发现在成熟的卵细胞的细胞质中，必然有一种物质可以诱导卵细胞的成熟。他们把这种活性物质称为卵细胞促成熟因子（maturation promoting factor）或细胞促分裂因子（mitosis-promoting factor）或M期促进因子（M phase-promoting factor）,用 MPF表示。二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系裂殖酵母的cdc2基因，是第一个被分离出来的cdc基因，它的表达产物是一种相对分子量为34103的蛋白，被称为p34cdc2。进一步研究发现，p34cdc2具有蛋白激酶活性（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶），可以使多种蛋白质底物磷酸化，因而被称为p34cdc2激酶。在G1/S转换和G2/M转换两个地方都发挥作用（即阻断细胞周期在晚G1期或G2期）。芽殖酵母的cdc28基因是继cdc2基因之后第二个被分离出来的cdc基因，它的表达产物也是一种相对分子量为34103的蛋白，被称为p34cdc28。它也是一种蛋白激酶，在G2/M转换过程中起中心调节作用，同时对G1/S转换也是必需的。后来的实验不断证明，p34cdc2和MPF是同源物，都具有蛋白激酶活性并促进G2/M转换。三、周期蛋白与此同时，另有科学家以无脊椎动物海胆卵为材料进行细胞周期调控的研究。1983年报道，通过35S-Met标记示踪，在海胆卵中发现两种特殊蛋白质（分子量约4560KD），其含量随细胞周期进程变化而变化，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期又重复这一消长现象。即在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M期结束突然被水解掉，下一轮间期又重新积累合成。把这两种蛋白质命名为细胞周期蛋白（cyclin），简称周期蛋白。揭示cyclin是细胞周期调控者，是诱导细胞进入M期所必需。进一步的实验又证明，周期蛋白可能参与MPF的功能调节。MPF的生化成分包括两个亚单位，即Cdc2蛋白和周期蛋白。当两者结合后，表现出蛋白激酶活性。Ccd2为催化亚基，周期蛋白为调节亚基。四、CDK激酶和CDK激酶抑制物1 CDK激酶在分离的10多个cdc2相关基因所编码的蛋白质（Cdc2）都含有两个共同特点：一个是它们都含有一段类似的氨基酸序列，另一个是它们都可以与周期蛋白结合，并将周期蛋白作为其调节亚基，进而表现出蛋白激酶活性。因而它们被统称为周期蛋白依赖性蛋白激酶（Cyclin-dependent kinase），简称CDK激酶。所以后来又将cdc基因称为CDK基因。实际上CDK是cdc2（细胞分裂周期基因）等基因编码的蛋白激酶（P34cdc2激酶、P34cdc28激酶等）。2 CDK激酶抑制物指细胞内存在的一些对CDK激酶活性起负性调控的蛋白质（Cyclin-dependent kinase inhibitors，CDKIS）。是能与CDKS结合并抑制其活性的一类蛋白质，是CDKS的负调控因子，具有确保细胞周期高度时序性的功能，在细胞周期的负调控过程中扮演重要角色。目前已发现多种。细胞周期“驱动器”：指推动细胞周期的进程及各个时相间过渡的一组全酶复合物，包括CDKS，CDKIS及CDKS的正调控因子周期蛋白（cyclin）。五、细胞周期运