细胞生物学课程第13章细胞增殖和细胞周期 厦门大学

1、第十三章,细胞增殖和细胞周期,第一节,细胞分裂,一、无丝分裂,二、有丝分裂,三、减数分裂,细胞分裂概述,细胞分裂,是,细胞生命活动的重要特征之一,是,一个亲代细胞形成两个子代细胞的过程，通过细,胞分裂，亲代细胞的遗传物质和某些细胞组分相,对均等的分配到两个子代细胞中，有效保证了生,物遗传的稳定性,一、无丝分裂,无丝分裂,又称为,直接分裂,是低等生物的主要,分裂方式，也存在于高等生物中，如植物的胚,乳细胞、动物的胎膜、间充组织及肌肉细胞等,以及创伤、癌变及衰老的细胞,表现为细胞核伸长，高尔基体移位到中心体附,近，核膜不消失并从中部缢缩断裂，然后细胞,质分裂，其间,不涉及纺锤体形成及染色体变化,故

2、称为无丝分裂,二、有丝分裂,有丝分裂，又称为间接分裂，是体细胞分裂的主,要方式,连续的过程，约为,0.5-2,小时，细胞核发生一系,列复杂的变化,DNA,复制，染色体组装等），细,胞通过形成有丝分裂器，将遗传物质平均分配到,两个子细胞中，保证了细胞在遗传上的稳定性,有丝分裂过程,1,前期,细胞从间期进入有丝分裂期时，核膜消,失，染色质凝集成染色体，纺锤体形成,2,中期,染色体排列在细胞赤道面上,3,后期,姐妹染色单体分开并向细胞两极迁移,4,末期,两个子细胞核的形成和胞质分裂,一）前期,染色质凝集成染色体,核膜破裂和核仁消失,分裂极的确定和纺锤体形成,1,染色质凝集成染色体,染色质凝集是细胞,

3、进入有丝分裂前期的标志,2,核膜破裂和核仁消失,3,分裂极的确定和纺锤体形成,中心体在,间期,也进行了复制。前期两个,中心体彼此分开，并分别向两极移动,1,中心体,由一对中心粒和无定形基质组成,具有微管生发中心的作用，形成星体,2,纺锤体的形成,由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管,组合形成的纺锤形结构称为,纺锤体,或,有丝分裂,器,二）中期,所有染色体排列在赤道板上，标志中期的开始,中期染色体,三）后期,主要标志是两个姐妹染色单体完全分开,并向细胞两极迁移,四）末期,染色体的解聚和细胞核的重新形成,胞质分裂最后将细胞分成两个子细胞,主要标志是两个子细胞核的形成和胞质分裂,1,细胞核的重新

4、形成,2,胞质分裂,在赤道板周围细胞膜及相应的胞质开始下陷,形成环形缢缩，称为分裂沟。分裂沟逐渐加深,直至两个子代细胞完全分开,五,染色体准确等分机制,纺锤体是染色体分离和移动的主要机制,1,极间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,微管动力蛋白是染色体运动的动力,六）有丝分裂过程示意图,三、减数分裂,概念,减数分裂是细胞仅进行

5、一次,DNA,复制，随后进行两,次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂,减数分裂主要是生殖细胞的分裂方式,减数分裂的意义,保证染色体数目稳定子代细胞通过受精作用,恢复二倍体,物种适应环境变化不断进化同源染色体间发,生交换，使配子多样化，增加了后代的适应性,一）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,减数分裂的第一次分裂主要标志是同源染色体通过,联会进行片段交换，随后分开，完成染色体数目的,减半和遗传物质的交换；第二次分裂是姐妹染色单,体分开。两次分裂形成,4,个单倍体细胞,1,减数分裂两次分裂的比较,2,有丝分裂与减数分裂的中期比较,二）减数分裂第一次分裂,前期,

6、I,染色质凝集，同源染色体间片段交换,细线期,偶线期,粗线期,双线期,终变期,中期,I,染色体排列在赤道面上,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,第一次分裂完成的标志是：同源染色体分离,1,前期,I,减数分裂第一次分裂的几个时期中，以前期细,胞发生的生化和形态变化最为复杂，又可细分,为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期,等几个时期,主要特征,持续时间长，从数周到几十年不等,胞核显著增大,染色质凝集,染色体配对,片段交换,1,细线期,染色质开始凝集,同源染色体配对,2,偶线期,同源染色体之间形成联会复合体,同源染色体通过联会复合体连接后由,4,条染色,单体组成，称

7、为四分体,联会复合体,在联会的同源染色体之间，沿纵轴方向形成了,一种特殊的结构，成为联会复合体,联会复合体的组分,两个侧生组分：同源染色体,DNA,和蛋白质,一个中央组分：非组蛋白,侧生成分与中央成分之间由横向排列被称为,L-C,的纤维细丝相连,3,粗线期,染色体连续缩短变粗，同时在四分体内，同源,染色体上的一条染色单体与另一条染色单体之,间发生了,DNA,的片断交换，从而导致了父母基,因的互换，产生了基因重组，但每个染色单体,上仍都具有完全相同的基因,4,双线期,同源染色体交叉和,RNA,合成活跃,联会复合体结构消失，仅留一些连接点，称为,交叉,持续时间长，人卵母细胞可在该期停留几十年,5,

8、终变期,同源染色体重组完成,同源染色体以四分体形式散在于细胞核内,核膜，核仁消失，纺锤体形成,2,中期,I,各成对的同源染色体双双移向细胞中部，排列,在赤道板上。细胞质中形成纺锤体,与有丝分裂不同的是：动粒位于一对姐妹染色,单体的同一侧，并与同侧微管相连,3,后期,I,由纺锤丝的牵引，使成对的同源染色体各自发,生分离，并分别移向两极,非同源染色体之间以随机自由组合的方式进入,两极,4,末期,I,到达细胞两极的同源染色体去凝集成为丝状的,染色质纤维，重现核膜、核仁，然后细胞分裂,为两个子细胞,三）短暂的间期,减数第二次分裂与减数第一次分裂紧接，也可,能出现短暂停顿。此期间不发生,DNA,合成，染

9、,色体不再复制，细胞中染色体数目已经减半,某些生物第一次减数分裂结束后，可以不经过,这一间期，直接进入第二次减数分裂,四）减数分裂第二次分裂,减数分裂第二次分裂与有丝分裂过程相似,前期,中期,后期,末期,五）减数分裂过程示意图,六）减数分裂与有丝分裂比较,第二节,细胞周期,一、细胞周期的概念,细胞周期的概念,连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束到下一,次有丝分裂完成所经历的整个过程，在这一过,程中，遗传物质复制，其它细胞组分加倍，平,均分配到两个子细胞中,一）细胞周期的时相,细胞周期分为四个阶段,G1,期,gap1,指从有丝分裂完成到,DNA,复制之前的,间隙时间,S,期,synthesis ph

10、ase,指,DNA,复制的时期，只有,在这一时期,H,3,TDR,才能掺入新合成的,DNA,中,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,mitosis,细胞分裂开始到结束,细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，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,二）典型的人的体细胞的细胞周期,人的体细胞的细胞周期时间一般是,24,小时,G1,期约,11,小时,S,期约,8,小时,G2,期约,4,小时,M,期约,1,小时,三）哺乳动物细胞周期时间表,不同类型细胞细胞周期时间长短不同,一般说来,S+G2+M,的时间变化较小

11、；而,G1,期持续时间的差异可能很大,例：小鼠的食管上皮细胞,115,小时,G1,103hr,小鼠的十二指肠上皮细胞,15,小时,G1,6hr,G1,期的时间是影响细胞周期长短的关键,四,不同增殖能力的三类细胞,周期细胞,在细胞周期中连续运转不断进行分裂,的细胞，如，表皮基底层细胞，部分骨髓细胞等,G0,期细胞,暂时脱离细胞周期，不进行增殖的细,胞，但在适当刺激下重新进入细胞周期，如，肝,肾细胞等,终端分化细胞,永久失去增殖能力，通过分化而,具备了某种特定生理功能的细胞，如，神经、肌肉,细胞等,二、细胞周期的主要事件,在,G1,期,S,期和,G2,期发生,DNA,遗传物质的复制和,整个细胞结构

12、组分的加倍，主要表现为分子水,平的变化,在,M,期发生,DNA,遗传物质精确的等分到两个子细,胞中，主要表现为形态学上的变化,一,G1,期是,DNA,合成的准备期,G1,早期细胞的生长,RNA,蛋白质、脂类和糖类大量合成，形成大,量的细胞器和其它结构,G1,晚期为,S,期的,DNA,合成作准备,DNA,复制所需的各种酶类的合成,二,S,期完成,DNA,复制,DNA,合成的启动,DNA,复制是,S,期的主要事件,蛋白质合成活跃,三,G2,期为有丝分裂准备期,大量合成,RNA,及细胞分裂相关的蛋白质如促有,丝分裂因子,MPF,，微管蛋白。为细胞分裂,作准备,四,M,期是细胞分裂期,细胞染色质凝集，

13、分离并平均分配到两个子代,细胞，细胞一分为二,细胞增殖的直接实施阶段,第三节,细胞周期的调控,细胞如何从细胞周期的一个时相进入下一个时,相,为什么不同种类的细胞或不同环境下的细胞其,细胞周期时间不同,为什么有的细胞长期休止在,G0,期,为什么在细胞周期内,DNA,复制和细胞分裂不能,重复进行,一、研究初期的重要发现,MPF,成熟促进因子）的发现,早熟染色体凝集,PCC,CdC2,的发现,Cyclin,周期蛋白）的发现,1970s Rao,等发现与,M,期细胞,Hela,融合的间期,细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体,PCC,G1,期,PCC,为单线状，因,DNA,未复制,S,期,PCC,为

14、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,不同类的,M,期细胞也可诱导,PCC,产生，说明,M,期,细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成,熟促进因子,MPF,Hartwell,1960s,Nurse,1970s,分别以芽殖酵母,和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现,许多与细胞分裂有关的基因,cdc,如,裂殖酵母,cdc2,芽殖酵母,cdc28,突变型在限制温度下无法分裂,wee1,突变型则提早分裂,cdc25,突变型细胞体积增大而不分裂,cdc2,和,cdc28,都编码一个,34KD,的蛋白激酶，促进细胞周期的进行,weel,和

15、,cdc25,分别表现为抑制和促进,cdc2,的活性,T. Hunt 1980s,发现海胆的卵裂过程中两种蛋,白质的含量随细胞周期振荡，命名为,cyclin A,和,B,其,mRNA,能诱导蛙卵成熟,1988,年,Lohka,将非洲爪蟾的,MPF,纯化。经鉴定,MPF,由,32KD,和,45KD,两种蛋白组成，是一种丝氨,酸,苏,氨,酸,激,酶,进,一,步,的,研,究,发,现,MPF=cdc2+clyclin,B,二、细胞周期调控蛋白,细胞周期蛋白,Cyclin,细胞周期蛋白依赖性激酶,CDK,CDK,抑制因子,CKI,一）细胞周期蛋白,细胞周期蛋白，在细胞周期中呈周期性变化,含有一段约,10

16、0,个氨基酸的保守序列，称为周,期蛋白框，介导与,CDK,的结合，使,CDK,磷酸化,和活化。细胞周期蛋白通过调节,CDK,活性作用,间接调节细胞周期的运行,不同的,Cyclin,在细胞周期的不同时期表达，从,而激活不同时期的,CDK,激酶活性，表现为不同,的调节功能,G1,期,cyclin,cyclinD,G1/S,期,cyclin,cyclinE,S,期,cyclin,cyclinA,M,期,cyclin,cyclinB,也包括,cyclinA,二,细胞周期蛋白依赖性激酶,CDK,周期蛋白依赖激酶，与细胞周期蛋白结合才具,有激酶活性，在细胞中,CDK,相对稳定,CDK,与,Cyclin,结

17、合形成异源二聚体复合物，在,一些蛋白激酶和磷酸酶参与下，经过磷酸化和,去磷酸化作用,CDK,表现出激酶活性，在二聚,体中,Cyclin,是调节亚基,CDK,是催化亚基，只,有二者形成复合体时才有活性,激酶复合体,脊椎动物,Cyclin,CDK,G1-CDK,Cyclin D,CDK4,6,G1/S-CDK,Cyclin E,CDK2,S-CDK,Cyclin A,CDK2,M-CDK,Cyclin B,CDK1(CDC2,三,CDK,抑制因子,CKI,CKI,与,CDK,或,cyclin/CDK,复合物结合，抑制,CDK,的激酶活性，阻断或延迟细胞周期的运行。在,特定的时期特定的情况下将细胞周

18、期阻断。如,当细胞的,DNA,受损伤时,CKI,通过与,Cyclin/Cdk,复,合物相结合而抑制其活性,CKI,有两家族,Cip/Kip,家族和,Ink4,家族,Cip/Kip,家族作用对象广泛，包括,P21,cip1,P27,kip1,P57,kip2,等,Ink4,家族作用专一，特异性抑制,cdk4/cyclin,D1, cdk6/cyclin D1,复合体。包括,p15,p16,等,P16,ink4a,P15,ink4b,P18,ink4c,P19,ink4d,四）细胞周期调控蛋白作用示意图,三、细胞周期调控的机制,Cyclin-CDK,复合物是调控细胞周期的引擎：不,同的周期蛋白与不

19、同的,CDK,结合，构成不同的,Cyclin,CDK,复合物，它们周期性的形成和降,解，引发了细胞周期进程中特定事件的发生,影响不同的下游事件，促进了,G1,向,S,期,G2,向,M,期、中期向后期等关键过程的不可逆转换,四、细胞进出,M,期的调控,Cyclin B,合成增加，激活,CDK1,Cyclin B/CDK1,激发,M,期事件使细胞进入,M,期,促后期蛋白复合体,APC,促进染色单体分开,Cyclin B/CDK1,活性下降导致细胞出,M,期,一,MPF,的分子结构,二,MPF,的形成与激活,CDK1,和新合成的,CyclinB,形成复合物,G2,期,wee1,将,cdc2,CDK1

20、,的,Thr14,和,Tyr15,磷酸化,抑制其活性,CDK,活化激酶将,CDK1,的,Thr161,磷酸化，这种没,有活性的,CDK1-CyclinB,复合物即为,pre-MPF,M,期磷酸酶,Cdc25,使,CDK1,的,Thr14,和,Tyr15,去磷酸,化,MPF,激活,三,M,期中,MPF,复合物的作用,MPF (CyclinB-Cdk1,复合物,对,M,期早期细胞形,态结构变化、中期细胞向后期的转换以及细胞,推出,M,期都起到重要作用,1,MPF,对,M,期早期细胞形态结构,变化的作用,MPF,通过磷酸化作用促进染色体的凝集、核膜,裂解以及纺锤体形成,2,MPF,促进中期细胞向后期的转换,MPF,使,APC,泛素连接酶,E3,磷酸化，引起,securin,蛋白降解，释放出来的分离酶分解,scc1,着丝粒分离，进入后期,3,MPF,在细胞推出,M,期中的作用,CyclinB,在激活的泛素连接酶,E3(APC,的作用下,经多聚泛素化途径被降解,MPF,解聚、失活,促进向末期转化,五、细胞周期检验点的调控,检测点,checkpoint,：细胞中存在一系列监,控系统，可对细胞周期发生的重要事件及出现,的故障进行检测，只有当事件完成或