细胞生物学第十二章.细胞分裂和细胞周期1

第十二章细胞增殖及其调控,第十二章细胞增殖及其调控,第十二章细胞增殖及其调控,第十二章细胞增殖及其调控,本章教学目的与要求,了解：细胞周期长短测定、同步化特殊的细胞周期掌握：细胞周期细胞周期中各个不同时相及其主要事件有丝分裂、减数分裂的过程细胞周期的调控重点：细胞周期中各个不同时相及其主要事件有丝分裂、减数分裂的过程细胞周期的调控难点：细胞周期运转中各种周期蛋白依赖性CDK激酶在细胞周期调控中的作用。,细胞生长和分裂也称细胞增殖，是生命活动的重要特征。生长表现在细胞体积的增大。分裂表现在细胞数目的增多。,细胞增殖的意义,1个受精卵初生婴儿（1012个）成年（1014个）,1.产生子代；多细胞生物体生长发育,2.更新衰老、凋亡细胞和受损组织,红细胞120天白细胞714天血小板79天角质层28天肝细胞500天脑与骨髓的神经细胞几十年,每天有1011个红细胞死亡每秒有200万个干细胞在分裂,第一节细胞周期概述cellcycle,细胞周期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（cellcycle）。,细胞周期,间期（interphase）,分裂期（mitosis）-M,G1SG2,标准的细胞周期（standardcellcycle）：含有4个不同时相的细胞周期。,G1期(gap1)：指从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间；S期(synthesisphase)：指DNA复制时期；G2期(gap2)：指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间；M期又称D期(mitosisordivision)：细胞分裂开始到结束。,细胞周期长短,细胞周期时间长短主要差别在G1期。小鼠食管上皮细胞T=115hG1=103h十二指肠上皮细胞T=15hG1=6h,细胞在体内的增殖特性,根据增殖特点，细胞分三类：（1）周期中细胞（cyclingcell）连续增殖的周期中细胞，主要包括造血干细胞、皮肤的表皮细胞、消化道细胞等。（2）Go期细胞(静止期细胞，quiescentcell)一般情况下不增殖，当受到损伤后，又重新进入细胞周期，如肝细胞、血管内皮细胞等。（3）终末分化细胞完全失去了增殖能力，如成人心肌细胞、神经细胞等。,二、细胞周期中各个不同时相及其主要事件,G1期是细胞生长和DNA合成准备期进行RNA、糖类、脂类和蛋白质的合成，细胞体积增大，dNTP积累，合成S期所需要的一些蛋白质因子，为细胞进入S期做好充分准备。起始点（start）限制点（restrictionspoint，R点）或检验点（checkpoint）,G2期检验点：细胞大小DNA复制,纺锤体组装检验点：染色体与纺锤体结合,G1期检验点：细胞大小营养供给生长因子受损DNA,静止状态,静止状态,G1检验点:芽殖酵母（起始点）；哺乳动物:限制点,S期为DNA合成期DNA复制是S期的主要事件，DNA量加倍。蛋白质合成活跃-包括DNA合成所需要的酶以及组蛋白等。G2期为有丝分裂准备期合成大量蛋白-着丝粒蛋白质、细胞周期蛋白B和微管蛋白等。M期为使染色体等分到两个子细胞中去的过程核膜破裂，核仁消失，染色质形成染色体，子染色体移向两极，随后松散开，在两极形成子核，形成两个子细胞。,三、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基本原理是选择细胞周期中有变化规律的物质作标记，通过观察这些标记物在细胞周期中的变化，间接计算细胞周期各时相的时间。3H-TdR（胸腺嘧啶核苷）标记的有丝分裂标记法,BrdU标记斑马鱼消化道上皮细胞(绿:S期),流式细胞分选测定法通常与细胞同步化方法相结合，监测细胞DNA含量在不同时间的变化，从而确定细胞周期时间的长短。,四、细胞周期同步化,概念：细胞周期同步化是指在自然或实验条件下使一个细胞群体中所有细胞都处于细胞周期的同一时相的过程。(cellsynchronization),自然同步化：黏菌的变形体plasmodia-核分裂而不进行胞质分裂。,果蝇胚胎,人工同步化：（1）选择性细胞同步化如震荡法（有丝分裂摇落法）收集M期细胞（2）化学法DNA合成阻断法-TdR和羟基脲分裂中期阻断法-秋水仙素、秋水酰胺和nocodazole条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用,五、特殊的细胞周期,1.早期胚胎细胞的细胞周期（从第2次卵裂到第12次卵裂）G1期和G2期非常短，以至认为早期胚胎细胞仅含S期和M期。,30min/细胞周期非洲爪蟾,卵裂,2.酵母细胞的细胞周期芽殖酵母和裂殖酵母-4个时相核膜不分裂，纺锤体位于细胞核内3.植物细胞的细胞周期4个时相不含中心体，纺锤体装配微区启动，细胞板胞质分裂4.细菌的细胞周期慢速生长快速生长35min？（70min）,第二节细胞分裂,细胞分裂的概念一个细胞分裂成两个子代细胞的过程。在真核细胞中通常包括细胞核分裂和紧随其后的细胞质分裂。,细胞分裂的方式有丝分裂mitosis是体细胞分裂的主要方式无丝分裂amitosis是一种少见的细胞分裂方式减数分裂miosis是发生于生殖细胞成熟阶段的细胞分裂方式,一、有丝分裂,细胞通过纺锤体将遗传物质精确地等分到两个子细胞中去，以保证细胞在增殖的过程中保持遗传稳定。,动物细胞有丝分裂过程,植物细胞有丝分裂过程,有丝分裂,前期（Prophase）前中期（Prometaphase）中期（Metaphase）后期（Anaphase）末期（Telophase）胞质分裂（Cytokinesis）,1.前期（prophase）染色质凝集形成染色体，动物细胞的星体开始形成并逐渐向两极运动。,着丝粒：连接两个染色单体形成有丝分裂染色体的主缢痕部位。（着丝粒DNA）动粒：前期的较晚时期，在着丝粒处逐渐组装一种蛋白质复合体结构。星体：中心体与其周期的微管一起称为星体。,早期染色体由两条棒状的染色单体并列而成，中间有着丝粒(centromere)相连。着丝粒的外侧部附有动粒（kinetochore），动粒是染色体与纺锤体中的动粒微管相连的部位。,2.前中期（prometaphase）核膜破裂，纺锤体装配，染色体在动粒微管牵引下向细胞的赤道板移动（染色体列队）。,星体周围微管可分为三种：极微管：一端与中心体相连，另一端游离。从两极发出的极微管常在赤道板处相互重叠搭桥。动粒微管：一端与中心体相连，另一端与动粒相连。星体微管：位于星体周围，其游离端伸向周围胞质。,由两端星体、星体微管、极微管和动粒微管组合形成的纺锤形结构称为纺锤体或有丝分裂器。,组成：中心粒(一对)、无定形基质。周期变化：在间期（S期）完成复制，在前期移向两极，参与形成纺锤体。功能：生成星体周围微管。,中心体centrosome,中心体在G1期末复制S期复制后的中心体联结在一起。G2期，向两极移动细胞分裂结束，子细胞各获得一个中心体。,半保留复制,中心体周期,中心体周期,3.中期（metaphase）,所有染色体排列在赤道板上，标志中期的开始。纺锤体呈典型的纺锤样。位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。,纺锤体,纺锤体和中期染色体,中期染色体,中期染色体,中期染色体,4.后期（anaphase）,标志：两个染色单体完全分开，向两极移动。当染色单体到达两极，标志后期结束。,后期A，动粒微管缩短；姐妹染色单体向两极运动；作用力主要位于动粒处。,动粒微管解聚,动粒向两极运动,动粒,动粒微管正极解聚,后期B，极微管长度增加，纺锤体两极之间的距离逐渐拉长。,5.末期(telophase),子染色体到达纺锤体两极即进入末期。主要形态学变化：染色体开始去凝集形成染色质；动粒微管消失，极微管继续加长；核纤层、核膜和核仁重新形成；Golgi体和ER重新形成。,6.胞质分裂（cytokinesis）,胞质分裂开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期。胞质分裂开始时，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟(furrow)。分裂沟逐渐加深，直至两个子代细胞完全分开。,蛙受精卵的卵裂（胞质分裂沟）,有丝分裂（核分裂）,肌动蛋白和肌球蛋白参与了分裂沟的形成和整个胞质分裂过程。大量的肌动蛋白和肌球蛋白组装形成微丝束，环绕细胞，称为收缩环(contractilering)。收缩环收缩，分裂沟加深，直至两个子细胞相互分离。,动物细胞,收缩环,收缩环-胞质分裂环,培养细胞的胞质分裂,植物细胞,细胞膜,高尔基体分泌小囊泡,成膜体,新细胞壁形成,细胞壁,如何保证遗传物质准确分配给子细胞？,纺锤体产生的合力-决定染色体运动的方向1.极微管重叠区微管之间相互滑动对两极星体产生的推力。2.动粒微管与染色体动粒之间的相互作用对染色体产生拉力。3.星体微管与细胞膜之间相互作用使星体稳定在细胞两极的作用力。4.两条姐妹染色单体在着丝粒处形成的粘着力。姐妹染色单体分开是染色体向两极运动的重要条件动粒与微管的连接处是染色体向两极运动的重要作用点微管马达蛋白是染色体运动的动力,减数分裂,概念：减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次细胞分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。减数分裂仅发生于性生殖细胞形成过程中。,减数分裂的意义：保证染色体数目稳定；物种适应环境变化不断进化。通过受精作用，恢复二倍体。同源染色体间发生交换，使配子多样化，增加了后代的适应性。,减数分裂特点,遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半S期持续时间较长减数分裂的第一次分裂主要标志是同源染色体的分开，第二次分裂是姐妹染色单体分开。同源染色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会、基因重组,(一)减数分裂I同源染色体分开,前期I-染色质凝集，同源染色体间片段交换细线期-花束期偶线期-联会粗线期-等位基因交换和重组双线期终变期中期I染色体排列在赤道板上后期I染色体分离向两极运动末期I及间期染色体到达两极,(二)减数分裂II,与有丝分裂过程类似（前期、中期、后期、末期、胞质分裂）不发生DNA复制子细胞中，有23条以单体为单位的染色体，DNA含量为n,三、无丝分裂,在低等动物中较常见，而在哺乳动物和人中少见。也进行DNA复制，但染色质不凝集。主要是细胞核拉长，中间变窄成核颈，最后形成哑铃状，核颈进一步变细，最后断开形成两个子核。细胞膜和细胞质在中间形成环状缢缩，最后断开形成两个子细胞。无丝分裂不能将遗传物质等分给子细胞。,第三节细胞周期的调控,MPF的发现及其作用,Maturation-promotingfactor卵细胞促成熟因子/成熟促进因子Mphase-promotingfactorM期促进因子G2期M期,1970、1972、1974Rao和JohnsonHela细胞M期细胞,灭活的仙台病毒,细胞融合,M期HeLa细胞与G1、S和G2期小鼠细胞融合诱导PCCPCC-早熟染色体凝集,G1期（细单线状）S期（粉末状）G2期（双线染色体状）,1971年，Masui和Markert用非洲爪蟾卵做实验,生发泡,孕酮,减数第一次分裂,减数第二次分裂,卵,将M期细胞质注射到期,检测到细胞内出现纺锤体,卵母细胞,卵母细胞进入M期,将间期细胞质注射到期,卵母细胞停留在G2期,明确提出MPF概念,MPF分离纯化,MPF,P32,P45,蛋白激酶,MPF活性,1970s，PaulNurse等人以裂殖酵母为实验材料，发现了许多细胞周期调控基因（cdcgene，celldivisioncycle）。,裂殖酵母细胞周期,温度敏感型突变株temperature-sensitive（ts）mutants,cdc基因过表达野生型裂殖酵母cdc基因突变,cdc：celldivisioncycle细胞周期调控基因cdc2、cdc25、cdc28等,1982年，Hartwell在裂殖酵母中发现cdc28基因。,基因蛋白质,cdc2p34cdc2（分子量34KD）cdc28p34cdc28（分子量34KD）p34cdc2+p56cdc13激酶活性p32与p34cdc2为同源物p45与p56cdc13？,1983年，TimHunt以海胆卵为材料，发现了cyclin（周期蛋白）。,周期蛋白在细胞间期积累，在细胞分裂期消失。,周期蛋白（cyclin）,Cell33:389-396,1983,p34cdc2激酶、周期蛋白与MPF关系？,MPF纯化:1988(Xenopusegg非洲爪蟾卵)MPF=32kD+45kDMPF具有蛋白激酶活性,p34cdc2,周期蛋白B,MPF,周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependentkinase，CDK）周期蛋白（cyclin）,2001年诺贝尔生理医学奖获得者-发现细胞周期的关键调控因子,4种类型周期蛋白,G1期周期蛋白G1/S期周期蛋白S期周期蛋白M期周期蛋白,周期蛋白框（cyclinbox）：一段相当保守的氨基酸序列（100Aa），介导与CDK结合。破坏框（destructionbox）：9Aa,周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependentkinase，CDK）,概念：含有一段类似的氨基酸序列（PSTAIRE)，可以与周期蛋白结合，并将周期蛋白作为其调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性。P428,CDK激酶抑制物（cyclin-dependentkinaseinhibitors，CDKI/CDI),概念细胞中还具有细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CDKinhibitor，CKI）对细胞周期起负调控作用。INK4(Inhibitorofcdk4)：如p16ink4a、p15ink4b、p18ink4c、p19ink4d，特异性抑制CDK4cyclinD1、CDK6cyclinD1复合物。Cip/Kip(Kinaseinhibitionprotein)：包括p21Cip/WAF1、p27Kip1、p57Kip2等，能抑制大多数CDK的激酶活性;p21Cip/WAF1还能与DNA聚合酶的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成（图13-21）。,细胞周期运转调控G2/M期转化-MPF激活,依赖周