细胞生物学第12章讲解材料

细胞生物学第细胞生物学第1212章讲解材料章讲解材料 第十二章细胞增殖及其调控细胞增殖是生物繁育的基础细胞增殖受 到严密的调控机制所监控 细胞增殖是生命的基本特征 种族繁衍 个体发育 机体修复等都 离不开细胞增殖 初生婴儿有1012个细胞 成人1014个 约200种类型 成人体内每秒钟有数百万新细胞产生 以补偿衰老和死亡的细胞 一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次 并保持这一速度 则两天即可 超过地球的重量 细胞增殖 cell proliferation 包括细胞分裂及其物质准备两个连续进行的过程 细胞增殖调控是整个生命活动的最基本特征 任何细胞 其增殖过程都必须遵守一定的规律 在高等生物中 细胞增殖调控更为复杂 不仅要遵循细胞自身的增 殖调控规律 还有遵守生物体整体调控机制的调节 否则 不受约束而生成的细胞将被机体免疫系统清除 或者癌变 威胁整个生命 第一节细胞周期概述从一次细胞分裂结束开始 到下一次细胞分裂 结束为止 称为一个细胞周期 细胞周期包括物质积累和细胞分裂的循环过程 1 2细胞周期中各个不同时期及其主要事件 G1期 物质合成 起始点 限制点 检验点 细胞内存在的一系列监控机制 可以鉴别细胞周 期进程中的错误 并诱导产生特异的抑制因子 阻止细胞周期进一 步运行 S期主要事件 DNA合成 复制受到多种细胞周期调节因素的严密调控 同时与细胞核结构如核骨架 核纤层 核膜等关系密切 复制表现出严格的有序性常染色质先复制 异染色质后复制 富含 GC的序列先复制 富含AT的序列后复制 真核细胞新合成的DNA立即与组蛋白结合 共同组成核小体结构 新的组蛋白合成 中心粒的复制也是发生在S期 G2期 M期主要事件 各种物质和细胞结构为细胞进入M期作准备 G 2期检验点要检查DNA是否完成复制 细胞是否已生长到合适大小 环境因素是否利于细胞分裂等 只有当所有有利于细胞分裂的因素得到满足后 细胞才能顺利实现 从G2到M期的转化 M期 分裂期1 3细胞周期长短测定 脉冲标记DNA复制和细胞分裂指 数观察测定法 适用范围细胞种类简单 周期时间较短 周期运转均 匀 原理短暂标记后 当时处于S期的全部细胞均被标记 以后陆 续进入M期 50100T G20T MT sT cT G2 1 2T MT PLM常以 T G2 1 2T M T G2的方式求出T M细胞周期长短测定 流式细胞分选仪测定法 通过监测细胞DNA含量 在不同时间内的变化 从而确定细胞周期时间长短 原理因为G1期 和G2 M期细胞含有固定的DNA含量 分别为1C和2C 而S期细胞的DNA 含量介于1C和2C之间 通过直接标记DNA复制 通过统计细胞数量和被标记的分裂期细胞 百分比 对细胞周期进行综合分析 1 4细胞周期同步化 应用某些药物处理 将细胞抑制在细胞周期中 的某个特定时期 然后 将细胞从抑制中释放出来 所有细胞将会 同步运转 自然同步化 人工选择同步化 人工诱导同步化人工选择同步化 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 处于对数生长期的单层培养细胞 分裂期的细胞收集 离心 将其 培养 细胞即开始同步分裂 并进行细胞周期运转 即可得到不同 时相的细胞 缺点效率低 成本高 密度梯度离心法某些细胞如裂殖酵母 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 缺点适用范围十分有限 人工诱导同步化 通过药物诱导 使细胞 同步化在细胞周期中某个特定时期 DNA合成阻断法 DNA合成抑制剂TdR 羟基脲 HU 方法将一定 剂量的抑制剂加入培养液并继续培养一定时间 TG2 TM TG1 所有细胞即被抑制在S期 分裂中期阻断法 药物秋水仙素 秋水仙 胺 nocodazole 将细胞阻断在细胞分裂的中期 处于间期的细胞 受药物的影响相对较弱 常可以继续运转到分裂期 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用 将突变株转移到限 定条件下培养 所有细胞便同步化在细胞周期中某一特定时期 第二节细胞分裂2 1有丝分裂1 2 1有丝分裂过程 前期 prophase 前中期 premetaphase 中期 metaphase 后期 anaphase 末期 telophase 一 前期 染色质凝缩 分裂极确立与纺锤体开始形成 核仁解体 核膜消失 二 前中期 核膜解体到染色体排列到赤道面 equatorial plane 上 三 中期 染色体排列到赤道面上 图片 wadsworth 四 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 五 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 Dividing MuscleMyoblast primative musclecell SEM x8 000 胞质分裂 胞质分裂 cytokinesis 开始于分裂后期 完成 于分裂末期 分裂沟 中间体分裂沟下方由微管 小泡膜聚集构成 的一个环形致密层 收缩环肌动蛋白和肌球蛋白而成 植物细胞 末期近两极处纺锤丝消失 中间微管保留 并数量增加 形成成膜 体 高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间 融合形成板细胞板 cell plate 囊泡的内含物形成初生壁和中胶层 囊泡膜形成质膜 融 合留下的管道形成丝胞间连丝 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 胞质分裂过程 分裂沟位置的确立 肌动蛋白聚集和收缩环形成 收缩环收缩 收缩环处质膜融合并形成两个子细胞 分裂沟的定位 分裂沟的定位与纺锤体的位置明显相关 极性微管参与分裂沟的 形成两极发出的星体微管末端相互重合 微管末端对细胞皮层刺激 促进分裂沟的形成 2 1 2与有丝分裂直接相关的亚细胞结构 中心体 星体中心体与 四射的微管合称星体 当细胞走向分离时 星体参与装配纺锤体 中心体功能 微管装配 MTOC 细胞分裂 中心体周期G1 S 完成复制 G2期一对中心体开始分离 细胞分裂结束 每一个细胞 含有一个中心体 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 并形成纺锤体 动粒和着丝粒 动粒周期每条中期染色体含有两个动粒 分别位 于着丝粒的两侧 细胞分裂后 两个动粒分别被分配到两个子细胞 中 当细胞再次进入S期后 动粒又会重新复制 动粒功能染色体依靠动粒捕捉纺锤体微管 没有动粒的染色体不能 与纺锤体微管发生有机联系 也不能和其它染色体一起向两极运动 纺锤体 主要成分微管和微管结合蛋白 动力蛋白在中心体微 管之间搭桥 正向动力蛋白 如KRPs 借助向微管正极运动 将纺 锤体拉长 负向动力蛋白 如细胞质动力蛋白 借助向负极运动 将被结合 的微管牵拉在一起 组成纺锤体微管 中心体自然构成纺锤体的两 极 在细胞膜与星体微管之间搭桥 借助负向运动 将星体接近两极 的细胞膜 纺锤体拉长 星体微管 两端为星体微管 动粒微管 中间是纺锤体微管一端与中 心体相连 另一端与动粒相连 极微管 一端与中心体相连 另一 端游离 搭桥 纺锤体微管类型纺锤体的装配 中心体列队负向运 动的动力蛋白在姐妹中心体的微管之间搭桥 通过向负极运动 将 被结合的微管牵拉在一起 组成纺锤体微管 纺锤体拉长正向运动 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 一定程度后 负向一定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 2 1 3有丝分裂过程中染色体运动的机制 染色体列队 微管捕获 染色体 动粒微管 染色体移动至赤道板 牵拉假说染色体向赤道板方向 的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 两极的动粒微管的拉力相等时 染色体即被稳定在赤道面上 外推 假说染色体向赤道板方向的运动是由于星体微管排斥力 染色体距 离中心体越近 推力越大 当两极的推力达到平衡时 染色体即被 稳定在赤道板上 2 1 3有丝分裂过程中染色体运动的机制 染色体分离 后期A 动 力蛋白向极部运动 动粒微管解聚 染色单体彼此分离 后期B 极性微管加长 KRPs向微管正极行走 极性微管重叠区变窄 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 两极之间的距离变长 Anaphase A separation ofthe sisterchromatids Anaphase B separation ofthe poles 植物细胞有没有后期B 2 2减数分裂 定义减数分裂是一种特 殊形式的有丝分裂 是生殖细胞成熟过程的重要阶段 一次减数分 裂包括两次连续的有丝分裂 但DNA只复制一次 结果一个细胞产生 4个子细胞 每个细胞中染色体数减数了一半 意义既有效地获得父母双方的遗传物质 保持后代的遗传性 又可 以增加更多的变异机会 确保生物的多样性 增强生物适应环境变 化的能量 因此减数分裂是有性生殖的基础 是生物遗传 生物进化和生物多 样性的重要基础保证 减数分裂同源染色体分离姐妹染色单体分离减数分裂过程间期末期I I后期II中期II末期I后期I中期I前期I细线期终变期双线期粗线期偶 线期第一次减数分裂 间期 DNA的复制 细胞含4n染色体 前期 中期 有丝分裂器 后期 二分体中每一条染色单 体上DNA组成不同 末期 产生2个子细胞 每个细胞中含有n个二 分体前期 细线期染色粒 染色线 偶线期联会 二价体 联 会复合体 粗线期四分体 交叉和交换 双线期交叉的端化 终变 期核膜 核仁消失 二价体高度螺旋化 扩散 联会复合体 同源染 色体之间形成的结构 重组节与交换有关的结构 含有大量的与DNA 重组有关的酶 是一个多酶复合体 其数目与交换的数目大致相当联会复合体结构3条纵带 侧体 2 中央成分 横纤维synaptonemal plex第二次减数分裂 前期 中期 后期 末期 2 3有丝分裂与 减数分裂比较有丝分裂减数分裂DNA复制1次1次纺锤体有有细胞核 染色体周期变化有有姐妹染色单体分离有有分裂次数1次2次子细胞 染色体数2n n联会无有遗传重组无有有丝分裂与减数分裂的意义 有丝分裂子细 胞保持了母细胞完全相同的遗传物质 有利于多细胞生物的个体发 育 以及物种的稳定性 减数分裂 使有性生殖成为可能 产生含半 数染色体的配子 其间的遗传重组使生物的变异空间极大 是生 物进化的物质基础染色体重组1染色体重组2Minimum numberof gametetypes 2n In humans n 23第三节细胞周期的调控3 1研究背景 MPF的发现及其作 用 MPF称为卵细胞促成熟因子或细胞促分裂因子或M期促进因子 M PF的实质MPF是一种蛋白激酶 主要含p32和p45 p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 cdc cell divisioncycle 基因产物促进G2 M的转换 cdc2的产物即p34cdc2 当其与有关蛋白结合后 其激酶活性才能表现出来 结论MPF含 有两个亚单位 即Cdc2蛋白和周期蛋白 当二者结合后 表现出蛋白激酶活性 cdc2为其催化亚基 周期蛋白为其调节亚基 早熟凝集染色体 prematurely condensedchromosome PCC Leland H Hartwell R Timothy Tim Hunt SirPaul M Nurse xx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获诺贝尔生理医学奖 MPF M Cdk p34cdc2cyclinB Two subunits Catalytic subunittransfers P fromATP toSer andThr Regulatory subunitcalled cyclin Marine BiologicalLab at WoodsHole andUC BerkeleyUniv of Oxford yeast 3 2周期蛋白 周期蛋白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 在细胞分裂期消失 在下一个细胞周期中 又重复这一消长现象 称为细胞周期蛋白 cyclin 周期蛋白分子结构特点 周期蛋白框 cyclin box 介导周期蛋白与CDK结合 破坏框 PEST序列 周期蛋白的功能不同的周期蛋白在细胞周期中表 达的时期不同 并与不同的CDK结合 调节不同的CDK激酶活性 作用于细胞周期不同阶段的进程 Destruction Boxin Cyclins3 3CDK激酶和CDK激酶抑制物 CDK激酶即周期蛋白依赖性蛋 白激酶 CDK激酶有两个亚基 二者结合表现出激酶活性 周期蛋白作为调节亚基 CDK蛋白作为催化亚基 CDK激酶的结构 C DK激酶结构域保守程度不一 其中的PSTAIRE序列相当保守 此序列 与周期蛋白的结合有关 磷酸化位点其上的磷酸化修饰 对CDK激酶活性起重要调节作用 CDK activatingCdk的三种活性状态 A 失活状态T loop B 半活性状态T loop被移除 C 活性状态磷酸化3 4细胞周期运转调控 CDK激酶对细 胞周期起核心调控作用 不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结 合 构成不同的CDK激酶 不同的CDK激酶在细胞周期的不同时期表 现出活性 因而对细胞周期的不同时期进行调节 CDK激酶活性的调 节 激活 周期蛋白白起激活作用 抑制 细胞中存在一些对CDK激酶活性起负调控作用的蛋白质 称为CDK激 酶抑制物 CDKI 3 4 1G2 M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用 CDK1激酶活性依赖于周期蛋白B含量的积累 CDK1激酶活性 通过 使某些蛋白质磷酸化 改变其下游的蛋白质的结构和活性 实现其 调控作用 CDK激酶活性受到多种因素的综合调节 周期蛋白的结合 是先决条件 weel mik1激酶和CDK激酶催化CDK磷酸化 Thr14和T yr15去磷酸化 至此 CDK激酶才能表现出激酶活性 3 4 2分裂中期 分裂后期转化 APC 后期促进因子APC1 APC8 APC活化 泛素化活性 降解M期周期蛋 白 使M期CDK激酶活性丧失 解除对姐妹染色单体分离的抑制 细 胞由中期向后期转化 APC活性受到多种因素的综合调节 M期CDK激酶活性可能对APC的 活性起调节作用APC的多个成分被M期CDK激酶磷酸化 Cdc20为AP C有效的正调控因子 Cdc20位于染色体动粒上