细胞生物学：细胞周期与细胞分裂- 课上演示版

1、细胞周期细胞周期 引言引言 “Where a cell arises, there must be a previous cell, just as animals can only arise from animals and plants from plants.” Rudolf Virchow 1858 引言引言 Cell cycle：duplicate contents and divides in twoCell division：essential process by which all living things reproduce 引言引言 Most fundamental

2、task: copy and pass on the genetic information to the next generation of cells Major questions How do cells duplicate their contents? How do cells partition the duplicated contents and split in two? How do cells coordinate the above two processes? 内容提要内容提要 细胞周期概述1 细胞周期调控系统2 各时期特点及主要事件3 流式细胞术及细胞周期同步化

3、4 特殊的细胞周期5 细胞周期的定义及持续时间细胞周期的定义及持续时间 v细胞周期（cell cycle）：从一次分裂完成开始到 下一次分裂结束所经历的全过程。 v不同种类细胞间细胞周期的持续时间差别极大。 细胞周期的时相划分细胞周期的时相划分 间期物质储备间期物质储备 v间期：M期的物质储备 合成代谢 摄取营养物质 vS期：遗传物质储备 vG1/G2：非遗传物质储备 多细胞生物的细胞分群多细胞生物的细胞分群 v细胞社会 细胞周期运行状态 v周期中细胞（cycling cell） 细胞周期持续运转 上皮组织基底层细胞 vG0期细胞/静止期细胞（quiescent cell） G0 G1 结缔组

4、织成纤维细胞 v终末分化细胞（terminally differentiated cell） 永不分裂 肌细胞 多型核白细胞 内容提要内容提要 细胞周期概述1 细胞周期调控系统细胞周期调控系统 2 各时期特点及主要事件3 流式细胞术及细胞周期同步化4 特殊的细胞周期5 细胞周期的调控细胞周期的调控 v细胞周期调控系统（cell cycle control system） 调控蛋白（ regulatory proteins ） 反馈信号（ Feedback signal ） 触发或延迟（trigger or delay） v细胞周期检验点（cell cycle checkpoints） 细胞周期

5、调控系统细胞周期调控系统 主要成员及管理层次划分1 Cyclin & CDK2 细胞周期调控的分子机制3 主要成员及管理层次划分主要成员及管理层次划分 v核心调控蛋白：Cyclin + Cdk = Cyclin-CDK complex v效应蛋白：完成细胞周期各项任务 v磷酸化激活效应蛋白 响应速度快 v上游（辅助）调控蛋白：CDK(去)磷酸化 Cyclin 降解 CDK抑制因子 Cyclin & CDK v细胞周期蛋白（cyclin） 多种 无酶活性 蛋白浓度随细胞周期运行而变化 v 细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase, CDK) 多种 酶活性依赖于c

6、yclin，随cyclin浓度变化而变化 Cyclin-CDK complex v一种Cyclin只识别与之对应的CDK 形成cyclin- CDK complex v一种Cyclin-CDK复合物只激活与之对应的一系列 效应蛋白，启动细胞周期内一个时期的细胞事件。 Cyclin与与CDK的分子接口的分子接口 vCyclin：周期蛋白框序列 CDK：PSTAIRE序列 Major questions vHow do cells direct the cyclically activation of CDK? Top manager: (de)phosphorylation ubiquitina

7、tion vHow do cells make decision to switch to the next cell cycle process? Top director: Checkpoints molecular brakes Cyclin & CDK curve vCyclin: 缓起快落 CDK：快起快落 (De)Phosphorylation of CDKs vCDK complex accumulate with cyclin expression. vCDK activity switch on by phosphorylation and dephosphorylation

8、. vInhibitory CDK kinase: wee1 vActivating CDK kinase：CAK vActivating CDK phosphatase：cdc25 Degradation of cyclins v 合成慢 降解快 v Ubiquitination Proteasome v APC: M A&B 破坏框 SCF: 间期 D&E PEST CDK1（M-CDK）活性调控）活性调控 CDK inhibitor：molecular brakes v节奏 与 质量 CKI 检验点（checkpoint） vG1 checkpoint： Start point More

9、 to the story。 vFrom environmental signal to CDK activity more complicated multiple fashion 内容提要内容提要 细胞周期概述1 细胞周期调控系统2 各时期特点及主要事件各时期特点及主要事件 3 流式细胞术及细胞周期同步化4 特殊的细胞周期5 各时期特点及主要事件各时期特点及主要事件 检验点1 S期2 M期概述3 核分裂4 胞质分裂5 DNA damage checkpoint v多位点检查：确保遗传信息准确性 vG1 DNA damage checkpoint G1期基因损伤 vS DNA damage

10、checkpoint S期内部检验点 S期基因损伤 DNA复制检验点 复制错误 vG2 DNA damage checkpoint G2期基因损伤 G1 DNA damage checkpoint vP53 P21 G1/S-CDK，S-CDK G1 arrest S G2 DNA damage checkpoint vInhibit cdc25a/c（activating protein phosphatase） Major task in S phase v启动DNA复制过程 v确保DNA复制只进行一次 v绑定姐妹染色单体 v检查遗传信息准确性 复制前 复制后 DNA复制控制复制控制 v复

11、制起点（origins of replication） v复制起点识别复合物（ORC） 调节蛋白结合平台 vCdc6 low levels except early G1 v复制前复合物（pre-RC） 执照因子Mcm vTrigger：S-CDK（CyclinA+CDK2） DNA复制控制复制控制 Pre-RC解体： S-CDK Cdc6降解： S-CDK M-CDK 绑定姐妹染色单体绑定姐妹染色单体 v黏连蛋白（cohesin） 蛋白环 边复制边组装 核分裂后期崩解 有助于姐妹染色单体分离 Overview of M phase v“Show time” in the cycle vMaj

12、or task：to split everything vMajor problem： accurately segregate chromosomes CDK1（M-CDK）活性调控）活性调控 Cyclin表达： after S phase G2 Positive feedback loop Explosive increase of M-CDK activity M期期 “演员表演员表” vM-CDK 磷酸化的底物（效应蛋白） p305 磷酸化位点： 丝氨酸：S 苏氨酸：T 核纤层蛋白A-C： 核纤层解聚 组蛋白H1： 染色体凝缩 SMC家族与染色体凝缩家族与染色体凝缩 vSMC家族 染色

13、体结构维持复合物 ATP参与 v黏连蛋白（cohesin） v凝缩蛋白（condensin） 分裂装置分裂装置 v由细胞骨架构成两套临时性分裂装置 纺锤体（spindle） 收缩环（contractil ring） M期的时期划分及各时期特点概述期的时期划分及各时期特点概述 短片：植物细胞分裂（百合）短片：植物细胞分裂（百合） 短片：动物细胞分裂（肺上皮细胞）短片：动物细胞分裂（肺上皮细胞） 双极化微管网络结构 星体微管（astral microtubule） 向四周辐射 与皮层区微丝骨架结合 极间微管（interpolar microtubule） 星体微管正极端相互作用形成 反向平行 动粒

14、微管（kinetochore microtubule） 星体微管捕获染色体动粒形成 纺锤体分裂极（spindle pole） 动物细胞：有星纺锤体 植物细胞：无星纺锤体 纺锤体（纺锤体（spindle）的结构）的结构 kinesin-5： 极间微管正极端 N-驱动蛋白 向正极移动 驱动纺锤体两极分离 Kinesin-14： 极间微管正极端 C-驱动蛋白 向负极移动 驱动纺锤体两极靠近 Kinesin-4&10：染色体驱动蛋白（chromokinesins） 极间微管 与染色体臂结合 N-驱动蛋白 向正极移动 驱动染色体向纺锤体中央赤道面移动-染色体整列 dynein： 星体微管正极端 与皮层区

15、微丝骨架结合 向负极移动 驱动纺锤体两极分离 纺锤体中的马达蛋白种类及功能纺锤体中的马达蛋白种类及功能 纺锤体的组装及功能行使都依赖于马达蛋白 驱动蛋白相关蛋白（kinesin-related protein，KRPs） 胞质动力蛋白（dynein） 力的对抗：纺锤体长度调节力的对抗：纺锤体长度调节 v分离：kinesin-5 dynein v靠近：kinesin-14 纺锤体组装过程中的两个主要阶段纺锤体组装过程中的两个主要阶段 v核膜崩解前： 依赖于中心体的早期纺锤体组装 纺锤体两极确立 v核膜崩解后： 依赖于染色体的晚期纺锤体组装 纺锤体自我组织 复制形式：半保留复制 只复制一次 检查方

16、式：某些细胞依赖于DNA复制过程 中心体复制中心体复制 中心体周期（centrosome cycle）中心体复制起始于G1期末/S期初 完成于S期 由G1/S-CDK触发 前期：前期：M-CDK触发早期纺锤体组装触发早期纺锤体组装 v中心体成熟： -tubulin ring complex 数量增多 成核能力升高 v微管动力学不稳定性升高： 动态平衡更倾向于微管的解聚 v星体：成熟中心体向四周高频辐射较短的，不稳 定性高的星体微管。有利于纺锤体结构的形成。 核被膜：纺锤体组装的最后屏障核被膜：纺锤体组装的最后屏障 v核内：染色体复制，包装 v核外：中心体成熟，纺锤体两极建立并分离 v核被膜崩解

17、后： 星体微管进入核区域 星体微管通过kinesin-5相互交联形成极间微管 星体微管捕获染色体动粒形成动粒微管 分裂期染色体：不只是乘客分裂期染色体：不只是乘客 vRan-GTP cloud： 激活微管稳定系统 启动微管成核反应 v动物细胞：稳定极间微管和动粒微管正极端 v植物细胞：反客为主 纺锤体组装的起始点 无星纺锤体形成过程概述无星纺锤体形成过程概述 v Ran-GTP启动染色体区 域的微管成核与生长 v Kinesin-5反向交联相邻 微管 极间微管 v Kinesin-4&5&10外推微 管负极端 极间微管 v Dynein & kinesin-14交 联微管负极端形成纺锤 体两极

18、 染色体动粒结构染色体动粒结构 v 动粒的位置 主缢痕 着丝粒区域 双侧各一 v 多个蛋白亚基 聚合而成 v 动粒微管结合 位点 1-40个不等 动粒微管结合位点动粒微管结合位点 v与动粒微管正极端管壁结合 蛋白项圈（protein collar） 可沿管壁滑动 v动粒微管正极端暴露于结合位点内部 前中期/中期 聚合 后期 解聚 有星纺锤体动粒微管的捕获行为有星纺锤体动粒微管的捕获行为 动粒精确捕获的挑战动粒精确捕获的挑战 正确捕获：一对姐妹染色单体的两个动粒分别被 来自两极的动粒微管捕获。每个动粒只被同一极 发出的动力微管捕获，同一极发出的动粒微管只 捕获一个动粒。 错误1：来自同一极的多条

19、动粒微管同时捕获了一 对姐妹染色单体的两个动粒 错误2：一个动粒同时被来自两极的动粒微管捕获 结构上尽量避免：两动粒背靠背分布 错误仍会发生 基于动粒张力的捕获筛查机制基于动粒张力的捕获筛查机制 v高张力：抑制信号封闭 紧密结合 v低张力：抑制信号激活 微管末端脱离结合位点 Kinesin-4&10 在极间微管上 向正极拖动染色体臂 消耗ATP 总是指向赤道板 前中期染色体整列 微管流动（microtubule flux） 负极端不断解聚 前中期/中期正极端聚合 后期/正极端解聚 无需ATP 前中期动粒张力 后期姐妹染色单体分离 驱动染色体沿纺锤体移动的三种力驱动染色体沿纺锤体移动的三种力 动

20、粒内动粒微管正极端解聚 向两极移动 无需ATP 后期姐妹染色单体分离 前中期染色体整列前中期染色体整列 v染色体向赤道面运动的 过程成为染色体整列 v外推：kinesin-4&10 v牵拉：微管流动 M期调控蛋白的势力划分期调控蛋白的势力划分 vM-CDK & APC 分界线：姐妹染色单体分离 APC泛素化途径触发姐妹染色单体分离泛素化途径触发姐妹染色单体分离 分子锁：黏连蛋白 钥匙：分离酶（separase） 后期促进因子复合体（APC） 分离酶抑制蛋白（securin） APC泛素化securin Securin降解释放并 激活separase Separase剪切黏连 蛋白 纺锤体组装检

21、验点纺锤体组装检验点 v检查内容：纺锤体正确装配 机制不明 v判断标准：正确装配的动粒张力高 错误装配的动粒张力低 v反馈信号：低张力动粒传递扩散性抑制信号 抑制APC泛素化酶活性的激活 后期后期A 与与 后期后期B 后期A： 动粒微管缩短 染色单体向两极移动 驱动力： 动粒内的动粒微管正 极端解聚 微管流动 后期B： 极间微管变长 两极间距变大 驱动力： Kinesin-5 dynein 后期A与后期B的相互关系： 1. 时间上部分重叠 A在前 B在后 2. 对染色体分离的贡献程度在不同细胞 间变化较大 核分裂的收尾阶段：末期核分裂的收尾阶段：末期 v与后期之间无明显界限和检验点 v依赖于M

22、-CDK的失活和效应蛋白的去磷酸化 v主要事件： 纺锤体解体 染色体解聚成染色质 核膜重新形成 基因转录恢复 减数分裂（减数分裂（meiosis） v特殊的有丝分裂形式 仅发生于有性生殖细胞形成 过程 v根据减数分裂发生的阶段不同分为三类： 配子/终末减数分裂（gametic/terminal meiosis） 孢子/居间减数分裂（sporic/intermediate meiosis） 合子/起始减数分裂（zygotic/initial meiosis） 减数分裂前间期 类似于有丝分裂间期 减数分裂间期 很短，无G1 S G2 减数分裂I前期 细线 偶线 粗线 双线 终变 减数分裂时期划分减

23、数分裂时期划分 DNA复制一次 细胞分裂两次 减数分裂I ： 同源染色体分离 减数分裂II ： 姐妹染色单体分离 同源染色体配对同源染色体配对 v 同源互补序列间相互作用 配对位点（pairing sites） 二价体（bivalent） v 常染色体 & XX 配对位点遍布整条染色体 v XY 配对位点集中分布在染色 体末端同源区域 再近点，再牢固点。再近点，再牢固点。 v程序性DNA切割DNA双链断裂损伤（DSB） vDSB募集重组复合物寻找同源序列并拉近 （400nm）联会复合体组装（100nm） vCrossing-over发生于400nm时期，完成于联会复 合体装配后 染色体配对的五

24、个时期染色体配对的五个时期 v细线期 偶线期 粗线期 双线期 终变期 同源染色体末端移动同源染色体末端移动 v前期I 端粒与核被膜内侧相连 接触斑 v接触斑的动态移动 机制不明 分散集中（配对） 分散 减数分裂减数分裂I 谁来替代动粒？谁来替代动粒？ v联会复合体解聚后 谁来连接同源染色体？ 承受来自微管的张力？ v交叉（chiasma） 同源染色体分离同源染色体分离 v姐妹染色单体的动粒被同一极发出的动粒微管捕 获。 v同源染色体分子锁 交叉 v后期I水解 交叉 大部分粘连蛋白 保留着丝粒区域粘连蛋白 胞质分裂期（胞质分裂期（cytokinesis） v起始于后期 终止于末期结束之后 M期的终点 分裂沟（分裂沟（furrow）从何处开始？从何处开始？ v 总是出现在纺锤体赤道面外围 v 起始位置由纺锤体结构本身触发 后续收缩与纺锤体无关 胞质收缩环（胞质收缩环（contractile ring） 在胞质分裂期产生的由反相平行排列的微丝及 其间的肌球蛋白组成的临时性收缩装置 极间微管一直存