细胞周期与细胞分裂

1、第十二章：细胞周期与细胞分裂第十二章：细胞周期与细胞分裂 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。12.1 细胞周期细胞周期(cell cycles)由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，叫细胞周期(图12-1)。在这一过程中, 细胞的遗传物质复制并均等地分配给两个子细胞。12.1.1 细胞周期时相及类型细胞周期时相及类型细胞周期是一个相当复杂的过程, 不

2、同类型的细胞周期持续的时间不完全相同, 而且,细胞的分裂状态也各有异。 细胞周期的时相,分为4个期： G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间。 S期(synthesis phase)，指DNA复制的时期。 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(mitosis or division)，细胞分裂开始到结束。图12-1 细胞周期及染色体行为 不同生物的细胞周期时间不同, 同一系统中不同细胞,其细胞周期的时间也有很大的差异。表12-1是几种细胞的细胞周期的比较。 细胞周期和细胞类群细胞周期和细胞类群在正常的情况下, 一个完整的细胞

3、周期应包括四个时期, 细胞沿着G1SG2M期的路线运转,但在多细胞机体中, 细胞的分裂行为有所差异。根据细胞的分裂行为, 可将真核生物细胞分为三类: 持续分裂细胞,又称周期性细胞, 即在细胞周期中连续运转的细胞。此类细胞的分裂周期非常正常, 有丝分裂的活性很高。 终端分化细胞, 即永久性失去了分裂能力的细胞，这些细胞都是高度特化的细胞, 如哺乳动物的红细胞、肌细胞等。 G0细胞,又称休眠细胞，暂时脱离细胞周期,但在某些条件的诱导下重新进入细胞周期。如肝细胞, 外科手术切除部分肝组成后可以诱导进入细胞分裂。根据细胞分裂行为，可将细胞分为几种类型？各有什么特点？细胞类型 细胞周期时间 早期的蛙胚细

4、胞 30分钟酵母细胞 1.53小时 肠表皮细胞 12小时 培养的哺乳动物成纤维细胞 20小时 人的肝细胞 1年 表12-1 某些真核生物的细胞周期时间 12.1.2 细胞周期的研究方法细胞周期的研究方法为了研究细胞周期的不同阶段的生化特性必须获得细胞周期一致性的细胞, 这就是细胞的同步化(synchronization)。细胞同步化分为自然同步化和人工同步化。自然同步化是自然界存在的现象, 人工同步化是利用细胞培养的方法, 用各种理化因素处理获得的同步化生长的细胞。常用的细胞人工同步化的方法分为选择同步化、诱导同步化或两者的结合。 诱导同步法诱导同步法(induction synchrony)

5、控制培养条件, 将非同步培养中的所有或大部分细胞暂时性地阻止在细胞周期的某个阶段, 最终使所有细胞达到同步化生长。常用的手段有改变温度、添加代谢抑制剂等将细胞阻止在细胞周期的某一阶段。 胸腺嘧啶阻断技术(thymidine block technique) 高浓度的胸腺嘧啶能够阻断DNA合成所需的核苷酸的合成, 因此将细胞群体培养在具有高浓度的胸腺嘧啶的培养液，可获得同步化的细胞。 中期阻断法 某些药物，如秋水仙素可抑制微管的聚合, 因而抑制有丝分裂器的形成, 将细胞阻断在有丝分裂的中期。 选择同步法(selection synchrony) 用物理方法将处于细胞周期中同一阶段的细胞从非同步的

6、群体中分离出来。 选择同步化可克服同步化过程中对细胞的毒性影响。常用的方法有： 有丝分裂选择法是根据细胞在细胞周期的不同阶段的生理变化设计的一种方法。此法的优点是不受药物的影响, 同步化程度高, 不足之处是分离的细胞少, 手续繁琐。 细胞沉降分离法 此法主要用于悬浮培养的细胞，也可用于贴壁生长的细胞, 但获得的细胞的同步化程度有限, 因同一时相的细胞大小并非都是一致的。细胞周期时间的测定 标记有丝分裂百分率法（percentage labeled mitoses，PLM）：对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。 从

7、更换培养液开始到开始出现标记有丝分裂器开始的这一段时间即为TG2。 从开始出现有丝分裂标记细胞到PLM达到最大时这段时间即为TM。 从开始出现有丝分裂标记细胞到PLM由最高值开始下降的这段时间即为TS。 两次开始出现有丝分裂细胞的时间间隔即为TC。 TG1=TCTG2TSTM。流式细胞分选仪测定法 原理：G1和G2/M期含有固定的DNA量，分别为1C和2C。S期细胞位 于两者之间。 应用流式细胞分选仪测定细胞周期，可以通过监测细胞DNA含量在不同时期的变化从而确定细胞周期时间的长短。 评价：最先进，最方便 但流式细胞分选仪价格昂贵，严重制约该方法的应用。流式细胞术是对单个微粒（如细胞、微生物和

8、人工合成微球等）进行快速定量分析与分选的一门技术。在分析或分选过程中，包在鞘液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号（分别代表荧光、散射光、光吸收或细胞光阻抗），送入计算机处理，输出统计结果，并可根据这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达99%。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为流式细胞计。 12.1.3 细胞周期各时相的合成活动细胞周期各时相的合成活动在细胞周期的不同阶段中, 生化合成反应是不同的。 G1期期 (Gap1 phase)G1 期是从有丝分裂完成到DNA复制前的一段时期, 又叫合成前期

9、。此期主要合成rRNA、蛋白质、脂类和碳水化合物。在G1期的后期, DNA合成酶的活性大大增加。G1期进入S期与S期激活因子有关。如将S期和早G1期细胞融合,S期细胞可以诱导G1期细胞提前进入S期, 表明早G1期细胞尚未出现S期激活因子。 S期期 (synthesis phase)即DNA合成期。细胞周期中S期是最重要的一个时期, 在此期, 除了DNA合成外, 同时还会合成组蛋白, DNA复制所需的酶都在这一时期合成。在S期, 组蛋白的mRNA水平可增加50倍。也就是说, DNA的合成和组蛋白的合成在时间上是同步的(图12-2), 在密度上是相应的, 从而使新合成的DNA得以及时包装成核小体。

10、另外, 推测组蛋白起到DNA复制延长因子的作用, 没有组蛋白的合成, DNA的复制就会停止。 将大鼠的肝组织部分切除, 诱导肝组织的细胞同步化生长。手术后的不同时间注射3H标记的亮氨酸和14C标记的胸腺嘧啶, 1小时后测定DNA的放射性(实心圆)和组蛋白放射性(空心圆)，结果显示它们的合成是同步的。 此外, 还发现DNA复制时, 不同序列的复制先后是不同的: 常染色质: 先; 异染色质: 后; 能转录的DNA: 先; 不能转录的DNA: 后; GC含量高: 先; AT含量高: 后;图12-2 DNA和组蛋白合成的协同性实验 G2 期期 (G2 期期) 是DNA合成的后期。在这一时期, 主要是大

11、量合成ATP、RNA、蛋白质, 包括微管蛋白和成熟促进因子MPF(maturation promoting factor)等，为有丝分裂作准备。 有丝分裂期有丝分裂期(mitotic phase,M 期期) 从细胞分裂开始到结束所经历的过程, 也就是从染色体的凝缩、分离到平均分配到两个子细胞为止。分裂后, S期合成的DNA减半。这一期的特点是RNA合成停止, 蛋白质合成减少, 以及染色体高度螺旋化。细胞周期的细胞周期的关卡关卡(check point)细胞周期的运转是十分有序的, 是基因有序表达的结果。细胞分裂基因(cdc) 表达的有序性, 受到一些控制系统的监测。如酵母细胞在DNA合成开始的

12、稍前有启动点(start), 在哺乳类细胞中称为R点或限制点(restriction point), 亦称为关卡。这些关卡严格地监视着细胞周期事件的发生、发展过程是否严格按程序进行。 细胞周期中的三个主要关卡细胞周期中的三个主要关卡在典型的细胞周期中, 控制系统是通过细胞周期的关卡来进行调节的。控制系统至少有三个关卡: G1关卡(靠近G1末期)、G2关卡(在G1期结束点)、中期关卡(在中期末)。在每一个关卡,由细胞所处的状态和环境决定细胞能否通过此关卡,进入下一个阶段(图12-19)。 影响G1期关卡的信息主要是新生的细胞生长的是否足够大、内部环境(包括rRNA和蛋白质的合成)是否合适。影响G

13、2关卡的因素有:DNA是否正确复制和是否复制完全、细胞是否生长得足够大。中期关卡则是控制染色体是否完全分离。细胞周期中三个关卡分别起什么作用？ 图12-19 细胞周期关卡及调节信息 特异的细胞周期 1、早期胚胎的细胞周期 G1和G2时间非常短，以致认为早期胚胎细胞周期仅含S期和M期 2、酵母细胞周期 TC持续时间特别短，细胞分裂过程属于封闭式，即细胞分裂时核膜不解聚，纺锤体不是在细胞质中而是位于核内。 2.1 芽殖酵母以出芽方式进行分裂，细胞周期起始点位于G1期后期，经过起始点后，细胞马上出芽进入S期，与此同时，纺锤体开始装配，在S期后短暂的G2期，染色质凝集，纺锤体延长，逐步进入M期，随后芽

14、体不断增长，细胞核一分为二分别分配到母体细胞和子细胞芽体中，胞质分裂不均匀。budding yeast 2.2、裂殖酵母 细胞分裂和芽殖酵母相比有不少相似之处。不同之处：胞质分裂是均等的，即子代细胞体积一样大；芽殖酵母通过两个雌雄二倍体细胞接合，胞质融合后形成四倍体细胞。经起始点出芽生殖、减数分裂后形成四个单倍体，而裂殖酵母通过两个雌雄单倍体接合后，经过减数分裂形成四个单倍体细胞。Fission yeast 3、植物细胞的细胞周期 3.1 纺锤体的形成过程不清 3.2 以中间板的形势进行胞质分裂。 4、细菌的细胞周期12.1.4 细胞周期中细胞形态结构的变化细胞周期中细胞形态结构的变化细胞周期

15、各阶段的生化变化必然会引起细胞的表型变化, 包括外部表型和内部表型。 细胞形态的变化细胞形态的变化在细胞周期的不同阶段，细胞的形态变化很大，如处于S期的细胞多呈扁平状, 紧贴在培养瓶壁上, 细胞表面的微绒毛和小泡很少。进入G2期,特别是G2中后期, 细胞渐渐从贴壁摊平的状态鼓起来, 而细胞表面的微绒毛增多, 此时摇动培养瓶, 细胞很容易与瓶壁脱离。进入M期的细胞, 变成球形。 细胞内部结构的变化细胞内部结构的变化内部结构的最大变化是染色质结构的变化。与染色体复制周期相关联的是核仁的变化。 细胞器的分裂和片段化细胞器的分裂和片段化有丝分裂不仅要保证新形成的子细胞得到全套的遗传物质, 同时要保证子

16、细胞得到其他必备的细胞结构, 包括膜结合细胞器。由于线粒体和叶绿体等不能自我装配, 只能靠已有的线粒体和叶绿体的生长和分裂产生, 所以, 线粒体和叶绿体与细胞分裂同步, 使数量加倍。其他的膜结合细胞器, 如内质网、高尔基体等要伸长并断成片段, 这样增加了均等分配的机会。12.3 有丝分裂有丝分裂(mitosis)细胞分裂(cell division)是细胞增殖的方式。细胞有两种主要的分裂方式:有丝分裂(mitotic division, mitosis)和减数分裂(meiotic division, meiosis),通过有丝分裂产生两个含有相同全套染色体的子细胞, 而减数分裂产生在遗传上有变

17、异的单倍体细胞,用于有性生殖。 12.3.1 有丝分裂过程有丝分裂过程有丝分裂是细胞周期的丝裂期(M期)进行的分裂活动。通常有丝分裂是指整个的细胞分裂而言, 包括核分裂和胞质分裂两个过程, 一般在核分裂之后随之发生胞质分裂。M期持续的时间很短, 但形态变化很大, 根据形态变化的特征, 通常将有丝分裂分为前期、早中期、中期、后期和末期(图12-25)。 图12-25 有丝分裂过程 前期前期(prophase)前期是有丝分裂的第一期, 该期的主要特征是染色质凝缩成具有明显特征的染色体。核仁解体、核膜消失, 与此同时, 细胞质中出现纺锤体。 前中期前中期(prometaphase)核膜解体后, 细胞

18、即进入早中期, 此时期的主要事件是纺锤体(spindle)的装配。纺锤体是由微管装配而成的, 功能是在有丝分裂期间将两套染色体均等分开。纺锤体微管的装配起始于中心体。核周围的纺锤体侵入细胞核的中心区,一部分纺锤体微管的自由端最终结合到着丝粒上, 形成动粒微管。前中期的特征是染色体剧烈地活动, 个别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间，并被纺锤体“捕获”：一侧纺锤体微管的自由端捕获住一条染色体的一侧的动粒, 接着另一侧的纺锤体的自由端捕获了该染色体另一侧的动粒(图12-26)，这一过程是随机发生的。 图中显示了着丝粒、动粒、动粒微管间的关系。在着丝粒区的姐妹染色单体是结合在一起的, 这种结构一

19、直要维持到中期结束,进入后期。 图12-26 有丝分裂染色体的dsli动粒微管 前期前期染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。前中期前中期核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane) 上。 中期中期(metaphase)每一条染色体逐渐向纺锤体中心区移动，最终整齐排列在赤道板上。当两极的纺锤体微管分别同染色体的动粒结合，装配成动粒微管之后，即进入中期。染色体在纺锤体动粒微管的作用下, 逐渐移向纺锤体的中心区, 称为纺锤体赤道(spindle equator)。 染色体移向赤道, 是纺锤体动粒微管相互作用的结果，并且是染色体由不稳定状态向稳定状态转变的过

20、程（图12-27）。图的上部是不正确的纺锤体微管与染色体动粒结合的方式, 是不稳定结合。图的下面部分是正确的结合方式, 是稳定的结合。染色体的动粒只有被两极的纺锤体微管结合,两侧的作用力才会平衡。 图12-27 中期染色体动粒与两极纺锤体微管结合的机理 中期中期染色体排列到赤道面上。 后期后期(anaphase)在后期的开始阶段, 每一染色体的着丝粒在纺锤体微管的作用发生断裂,进而造成染色单体分开, 并移向两极。几乎所有的姐妹染色单体都同时分裂, 此时每条染色单体称为染色体。因此, 这一时期的主要特点是: 着丝粒分开, 染色单体移向两极。 末期末期(telophase)后期结束, 染色单体平均

21、分到纺锤体的两极, 核膜小泡重新包围两组染色体,相互融合形成完整的核膜, 并在两极重新形成新的细胞核。该期的主要特点是:染色体解螺旋形成细丝, 出现核仁和核膜。 胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)将细胞膜、细胞骨架、细胞器以及可溶性蛋白质等分配给两个子细胞称为胞质分裂。 动物细胞的胞质分裂是以缢缩和起沟的方式完成的：肌动蛋白和肌球蛋白装配成收缩环(contractile ring), 通过滑动模型，使肌动蛋白收缩环紧缩，最终将细胞质一分为二(图12-28)。 图12-28 胞质分裂后期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。 末期 从子染色体到达两极，至形

22、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。 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。 用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？Dividing Muscle Myoblast (primative muscle cell) (SEM x8,000) 植物细胞的胞质分裂是靠细胞内新细胞壁的形成。新细胞壁的装配受一种称为成膜体(phragmoplast)的结构引导。来自高尔基体的膜泡(其内充满细胞壁基质所需的多糖和糖蛋白), 沿着微管运向成膜体的赤道, 相互融合形成圆盘状的结构, 并不断向两侧扩大直到与原有的细胞质膜和细胞壁结合, 同

23、时也将细胞质分成两半(图12-29)。 什么是胞质分裂？动物细胞与植物细胞的胞质分裂有何不同？ 图12-29 植物的胞质分裂 12.3.2 有丝分裂的机理有丝分裂的机理 有丝分裂的核心问题是如何均等分配遗传物质给两个新产生的子细胞，整个过程中的所有活动都是围绕这一核心问题进行的。染色体的分裂与分配是靠纺锤体的形成、运动和解聚来完成的。 纺锤体微管的类型及其纺锤体微管的类型及其形成形成 纺锤体又称有丝分裂器(mitotic apparatus)，它是在有丝分裂期间, 从中心粒形成的各种微管, 包括动粒粒微管、极微管、星体微管等(图12-30)，它们的功能是将遗传物质均等分配到两个子细胞。图12-

24、30 有丝分裂器的组成 Two centrosomes, and their forming radial arrays of astral microtubules separating on the surface of an early prophase newt lung cell nucleus. 图片来自/图片来自/ 中期有丝分裂器的半数纺锤体微管源自极中心体, 因此, 有丝分裂器的形成首先依赖于中心体的复制, 并分别移动到两极。中心体在细胞周期中具有复制周期，这一过程称为中心体循环(cen

25、trosome cycle)。 中心体循环始于G1期(图12-31)。 在G1期, 一对亲代中心粒分开, 到S期和G2期, 子代中心粒从亲代中心粒上生长出来,并逐渐长大, 但仍在同一个中心体中。有丝分裂早期, 中心体裂开,每对中心粒移向细胞相反的两端, 然后装配成有丝分裂器。图12-31 中心体的复制与细胞分裂的关系 核的解体与重建机理核的解体与重建机理 核解体H1组蛋白和核纤层蛋白的磷酸化导致染色体的凝集和核膜的解体，它们的磷酸化作用主要由激活的MPF催化的。 核重建核重建是核解体的相反过程(图12-32)。后期末,子代染色体已经分成相等的两组, 分别移到了纺锤体的两极。在有丝分裂的末期,

26、前期核解体时形成的核被膜小泡此时又围绕染色体聚集和融合形成两个子代细胞核膜。在核被膜重建过程中, 同样要重新构建核孔。此外，前期磷酸化的核纤层蛋白经去磷酸化后重新形成核纤层。 图12-32 核膜的解体与重建 后期后期A与后期与后期B 在有丝分裂过程中染色体被拉向两极是受两种力的作用:一种是动粒微管去装配产生的拉力，另一种是极微管的聚合产生的推力。 根据所使用的力，有丝分裂的后期可分为两个阶段 后期A和后期B。 在后期A，染色体运动的力主要是由动粒微管的去装配产生的,此时的染色体运动称为向极运动。在后期B，染色体运动的力主要是由极微管的聚合产生的，此时的运动称为染色体极分离运动(图12-33)。

27、 图12-33 后期姐妹染色体被分开的两个过程 纺锤体微管运动机理纺锤体微管运动机理 后期A：微管去聚合作用假说 主要是用于解释后期A向极运动而提出的一种模型。这种模型可能的机理是 微管的正端插入动粒的外层, 微管蛋白分子和动粒蛋白分子有亲和性, 微管蛋白在此端可以组装和去组装。在动粒中, ATP分子水解可以提供能量, 驱动微管上的动力蛋白马达分子向两极移动, 结果是将染色体拉向两极（图12-34）。 图12-34 染色体向极运动的微管去聚合假说 纺锤体微管滑动假说这一假说认为：极-极分离是由极微管的两种不同类型的变化引起的。首先，极微管在+端添加微管二聚体进行聚合延长，使两极的极微管产生重叠

28、的带(overlap zone)。第二，极微管间产生滑动，形成将两极分开的力(图12-35)。电子显微镜观察到微管表面有突出的短丝伸到相邻的微管上, 形成横桥(cross bridges), 横桥上有较高的ATP酶活性, 推测横桥是发电机蛋白，可在两极微管间产生滑动。由于两极微管的端不断聚合，微管延长，重叠区保持不变，这样就不断将染色体推向两极。 什么是后期A和后期B？在这两个时期，染色体分离的机理有何不同？图12-35 纺锤体微管滑动模型 胞质分裂的机制胞质分裂的机制 研究发现胞质分裂是一个信号诱导的过程，并且信号是由星微管传递的，说明胞质分裂是由星微管决定的。星微管传递的信号决定肌动蛋白在

29、分裂细胞中间装配成收缩环。虽然星微管传递的信号本质还不清除，推测涉及蛋白激酶，钙调蛋白和肌球蛋白是这种蛋白激酶的作用底物。 胞质分裂的机理可用肌球蛋白与肌动蛋白之间的滑动模型来说明。收缩环是由一束肌动蛋白组成，肌动蛋白之间有肌球蛋白的存在，通过肌球蛋白基因的缺失或用抗肌球蛋白的抗体处理分裂中的细胞证明参与胞质分裂的是肌球蛋白而不是肌球蛋白。 12.4 减数分裂减数分裂(meiosis)有性生殖是通过两个配子的融合产生新的生物个体的过程，这两个配子一个来自父本(雄配子)，另一个来自母本(雌配子)，配子是通过减数分裂产生的。12.4.1 减数分裂的一般特点减数分裂的一般特点减数分裂是生殖细胞产生配

30、子的分裂包括两次连续的有丝分裂，形成4个单倍体的子细胞。相继的两次分裂分别称为减数分裂I(或第一次有丝分裂)和减数分裂(或第二次有丝分裂)。在这两次分裂之间有一个很短的间歇期，但不进行DNA的合成，因而也不发生染色体的复制。由于细胞核分裂了两次，而染色体只是在第一次减数分裂前的间期复制了一次，所以细胞经过减数分裂导致染色体数目减少一半。第一次减数分裂可分为前期、 中期、 后期、 末期。第二次减数分裂可分为前期、 中期、 后期、 末期（图12-36）。图12-36 减数分裂过程 12.4.2 减数分裂的主要类型减数分裂的主要类型 不同的真核生物，减数分裂有显著的差异。根据减数分裂在细胞周期中发生

31、的时期和单倍体持续的时间，减数分裂可分为三个主要类型（图12-37）： 图12-37 三类不同生物的减数分裂发生阶段和时期的比较 配子或终末减数分裂配子或终末减数分裂（Gametic or terminal meiosis）行此种减数分裂的生物包括所有的多细胞动物和多数原生生物，它们的减数分裂都是为了生成配子（图12-38）。例如，在雄性脊椎动物中，刚好在精母细胞分化之前发生减数分裂，精原细胞经过减数分裂形成初级精母细胞，然后再经过两次有丝分裂生成四个为分化的精子细胞（spermatid）,每个精子细胞经过复杂的分化过程形成高度特化的精细胞（sperm cell）。在雌性脊椎动物中，卵原细胞形

32、成初级卵母细胞，然后进入一个相当长时间的减数分裂期，在前期卵母细胞生长，扩充卵黄和其他物质。只有当卵细胞完全分化之后才发生减数分裂。脊椎动物的卵通常在减数分裂完成之前的某个阶段（中期）进行受精，受精之后减数分裂才完成。 合子或起始减数分裂（合子或起始减数分裂（Zygotic or initial meiosis）此类减数分裂的生物只包括原生生物和真菌，它们只是在受精之后发生减数分裂，产生单倍体的孢子。孢子通过有丝分裂产生单倍体的子代。二倍体时期仅限制在受精后且仍是合子这样一个极短的时期。 孢子或中间减数分裂（孢子或中间减数分裂（Sporic or intermediate meiosis）所有

33、的植物和藻类都属于此种减数分裂的生物，减数分裂发生在一个既与配子形成无关、又与受精作用无关的阶段（图12-38中）。当雄性配子（如花粉粒）和雌配子（卵）结合开始新的生命周期时，二倍体的合子经过有丝分裂发育成一个二倍体的孢子体（diploid sporophyte）。在孢子体发育的某个阶段，发生孢子生殖（包括减数分裂），产生能够直接发育成单倍体配子体（gametophyte）的孢子。单倍体的配子体通过有丝分裂产生配子。 12.4.3 第一次减数分裂第一次减数分裂 第一次减数分裂有两个主要特点（图12-38）：一对同源染色体分开，分别进入两个子细胞，同源染色体分开之前通常要发生交换和重组。在染色体

34、组中，同源染色体的分离是随机的，也就是说染色体组要发生重组合。 图12-38 第一次减数分裂过程 前期前期I 第一次减数分裂的前期变化最为复杂, 呈现许多减数分裂的特征变化，如持续时间长、胞核显著增大、同源染色体进行配对、交换等。该期可分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等(图12-39)。 图12-39 前期I的染色体行为 细线期(leptotene stage)又称凝集期(condensation stage)，此期在光学显微镜下可逐渐见到染色体，染色质在凝集前已复制，但仍呈单条细线状，看不到成双的结构染色体。但在电子显微镜下，可观察到此期的染色体是由两条染色单体构成的。 偶线期(z

35、ygotene stage)染色质进一步凝集，同源染色体(homologous chromosomes)发生配对，称为联会(synapsis)，所以此期又称配对期(pairing stage)。配对从同源染色体上的若干接触点开始，进而像拉链一样迅速扩展到整个染色体所有的同源片段(图12-40)。 图12-40 偶线期的染色体形态结构 粗线期(pachytene stage, pachynema)前期I的第三个阶段是粗线期，又称重组期(recombination stage)。该阶段开始于同源染色体联会之后，染色体明显变粗变短（至少缩短了四分之一），结合紧密，此期染色体形态是一个明显的四分体。细

36、线期和偶线期一般持续几小时，而粗线期要持续几天或几周，甚至几月。此期要发生染色体的交换重组，并可见到在联会复合体的梯状结构中出现的重组节(recombination nodules)。 双线期(diplotene stage)此期染色体长度进一步变短，联会复合体因发生去组装而逐渐消失，紧密配对的同源染色体相互分开，而在非姊妹染色单体之间的某些部位上，可见其相互间有接触点，称为交叉(chiasma, 图12-41)，交叉被认为是粗线期交换发生的细胞形态学证据，其数目决定于物种类型及染色体长度，在人类，平均每对染色体的交叉数为23个；若染色体较长，则其交叉也较多。 图12-41 双线期的染色体交叉

37、Chromosome recombination 1Chromosome recombination 2Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23 终变期(diakinesis) 又称再凝集期(recondensation stage)，是前期的最后一个阶段，此期染色质又被包装压缩成染色体。大多数核仁消失，四分体均匀地分布在核中。染色体交叉逐步向染色体端部移动, 称为端化(terminalization)。最后四分体只靠端部交叉使其结合在一起, 姐妹染色单体通过着丝粒连接在一起。 当前期即将结束时, 象有丝分裂一样, 中心粒已

38、经加倍, 中心体移向两体, 并形成纺锤体，核被膜破裂和消失，标志前期的结束。 从形态上看，减数分裂前期分为几个阶段？各有什么特点？ 中期中期I纺锤体侵入核区, 分散于核中的四分体开始向四分体的中部移动；此时四分体上有四个着丝点, 一侧纺锤体只和同侧的两个着丝点相连。最后染色体排列在赤道板上。 后期后期I进入后期后，同源染色体在两极纺锤体的作用下分开, 并逐渐移向两极。由于每条染色体仍含有两条染色单体, 因而每个极仍含有两套染色体。不同的同源染色体对向两极的移动是随机的, 独立的, 所以父方、母方来源的染色体此时会发生随机组合， 即染色体组的重组，这种重组有利于减数分裂产物的基因组变异。 末期末

39、期I及分裂间期及分裂间期在末期，每一个极接受一套随机组合的染色体组。但在自然界中,有两种类型的末期, 一种是没有明显可见的染色体去凝集, 另一种是完全逆转到间期核的状态, 后者染色体要去凝集、重新形成核被膜。两次减数分裂之间的时期称为分裂间期（interkinesis）, 是一个极短的时期。在动物中，处于分裂间期的细胞被称为次级精子细胞或次级卵细胞，因为它们只含有一套染色体，所以是单倍体；但由于姐妹染色单体没有分开，实际上，它们携带两套基因组。 12.4.4 第二次减数分裂第二次减数分裂 通过分裂间期即进入第二次减数分裂。第二次减数分裂分为前期、中期、后期、末期期，最后形成四个单倍体细胞。 如

40、果在末期重新形成了核被膜，则在前期要将核被膜解体，重新包装压缩染色体。在中期，染色体排列在赤道板，姐妹染色单体中的动粒被两极的纺锤体结合。在后期，着丝粒对称断裂，姐妹染色单体被拉向两极。在末期，染色体完全移到两极，开始去凝集，并重新形成核膜。 12.4.5 减数分裂过程中的遗传重组及其机理减数分裂过程中的遗传重组及其机理 在减数分裂过程中发生了两种方式的遗传重组 同源染色体的部分交换和染色体分离时的自由组合。 同源染色体间的交换重组同源染色体间的交换重组 同源染色体间的交换重组发生在第一次减数分裂的前期，是由于同源染色体配对形成联会复合体时发生的。 联会(synapsis)与联会复合体（syn

41、aptonemal complex,SC）联会是在减数分裂的偶线期两条同源染色体侧面紧密相帖并进行配对的现象。联会染色体间的配对是专一性的, 可以同时发生在分散的几个点上。电子显微照片揭示，染色体联会伴随一种复杂结构的形成：联会复合体。SC是一种梯状结构，在电镜下可见其由三个平行的部分组成（图12-42）。多年来一直以为SC的作用是将每对同源染色体结合在一起，并促使伸进联会复合体中的DNA在适当的位置进行遗传重组。新的研究表明这种看法并不正确，有酵母突变体丧失SC组装能力的照样能够进行同源染色体间的遗传信息的交换。 实际上，同源染色体联会在细线期就开始了，在偶线期可以在光学显微镜下观察染色体的

42、联会排列，在粗线期见到装配成的联会复合体。在双线期，联会复合体开始去装配，终变期时完全消失。在大多数生物中，联会在每对同源染色体的一端开始，然后沿染色体向另一端延伸。图12-42 联会复合体的结构 重组节(recombination nodules) 在电子显微镜下观察,，发现在SC结构的中央有很多间隔不规则、电子密集的的小体（图12-43）。由于这些小体是交叉发生的部位，所以称作重组节。 重组节是同源染色体配对联会复合体中的球形、椭圆型或棒状的结节, 直径约为90nm, 内含蛋白质, 结构不清楚。重组节中含有催化遗传重组的酶类，因此推测某些重组节与染色体重组有关。 图12-43 联会复合体中

43、的重组节 染色体重组-交换与交叉 在同源染色体联会期间，同源染色体要发生断裂和重接，在此过程中发生同源染色体间的交换，随着双线期的进行，交叉开始远离着丝粒，并逐渐向染色体臂的端部移动（图12-44），称为交叉端化(tenninalization)。交叉是交换的结果，因为交换是在联会时发生的，即同源染色体紧密结合在一起时发生的，无法观察，所以观察到交叉时，同源染色体已经完成了交换开始分离了。 图12-44 同源染色体联会时的交换和交叉 染色体组的重组合 减数分裂中染色体组的重组发生在减数分裂的中期。此时染色体组中的每对同源染色体由于配对，所以在中期的赤道板上的排列，就有两种可能（图12-45中的

44、小染色体），这样在一套基因组中由于染色体体在赤道板上的随机性，就会有不同的自由组合方式，也就是重组。由于重组是随机的，重组的结果不一定都是有利的，要经过自然选择起作用。 图12-45 减数分裂中染色体组的自由组合重组 染色体断裂重接的分子机理染色体断裂重接的分子机理 关于同源染色体在减数分裂的前期发生交叉的机理，提出了两种重组模型. 单链断裂重组模型（model of single-strand breaks recombination） 在这个模型中，同源染色体在联会期间，各有一条单链DNA断裂然后要发生重接，不过在重接的过程中发生了错误，不是原来断开的染色体重新连接起来而是交换连接，最后形

45、成不同类型的重组体。这一模型是Holliday提出的，所以又称为Holliday重组模型(图12-46)。 图12-46 断裂重组的Holliday模型 双链断裂重组模型（model of double-strand breaks recombination） 在双链断裂模型中，一条染色体的两条链都发生了断裂，DNA断裂之后由核酸外切酶扩大缺口。接着是断裂链的游离3端插入到具有完整双链的同源染色体中，形成D-环结构。在DNA聚合酶的作用下，断裂的两条链分别以完整链为模板开始合成。最后再通过断裂重接过程完成重组(图12-47)。 图12-47 双链断裂重组模型 12.4.6 减数分裂的生物学意义

46、减数分裂的生物学意义 减数分裂与有丝分裂的比较减数分裂与有丝分裂的比较减数分裂与有丝分裂的共同点都是通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞的分裂。但二者之间有许多差异(图12-48)有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要是细胞产生配子的过程(生殖细胞也有有丝分裂)。有丝分裂是一次细胞周期, DNA复制一次, 分裂一次, 染色体由2n2n;减数分裂是两次细胞周期, DNA复制一次, 细胞分裂两次, 染色体由2n1n。有丝分裂中, 每个染色体是独立活动;在减数分裂中, 染色体要配对、联会、交换和交叉。有丝分裂之前, 经DNA合成, 进入G2期后才进行有丝分裂; 减数分裂之前, DNA合成时间很长(

47、99.7%合成, 0.3%未合成), 一旦合成,即进入减数分裂期, G2期短或没有。有丝分裂时间短, 1-2小时; 减数分裂时间长, 几十小时至几年。 图12-48 有丝分裂与减数分裂的比较 减数分裂的生物学意义减数分裂的生物学意义 减数分裂保证了有性生殖生物在世代交替中染色体数目的恒定 减数分裂是遗传重组的原动力，增加了生物多样性减数分裂的生物学意义何在？ 17. 减数分裂的生物学意义何在？（答案） 答: 减数分裂的生物学意义主要在两个方面：减数分裂保证了有性生殖生物在世代交替中染色体数目的恒定有性生殖是生物在长期进化历程中较无性生殖更为进步的一种繁殖方式。雌雄配子的融合, 把不同遗传背景的

48、父母双方的遗传物质混在一起, 其结果既稳定了遗传,又添加了诸多新的遗传变异, 大大增强生物对千变万化环境的适应能力。然而, 如果没有一种机制使精卵细胞染色体数减少一半, 那么精卵细胞的融合, 将使染色体数倍增下去, 细胞的体积也就不断地膨胀, 细胞将不能适应环境而遭淘汰。减数分裂保证了生殖细胞在细胞周期中染色体的单倍化，然后通过受精作用还原为二倍体。,没有减数分裂，有性生殖将是不可能的。减数分裂是遗传重组的原动力，增加了生物多样性减数分裂也是遗传变异产生的主要原因。在生物进化过程中，如果没有遗传变异的话，生物就不能适应环境的变化，就会失去长期生存的能力。在减数分裂过程中，有两种方式发生遗传重组

49、。一种是通过亲代染色体在单倍体细胞中的自由组合，产生的配子所含的染色体在组成上既有祖父的也有祖母的。第二种方式是同源染色体配对时发生的DNA交换。这种遗传重组过程产生的单个染色体中既有父本的也有母本的基因。减数分裂就是通过这样两种机制产生遗传上独特的四个单倍体细胞，每个细胞都含有新重组的遗传信息。 12.5 细胞周期调控细胞周期调控 细胞周期的研究不仅是基础细胞生物学的重要研究课题,而且对于癌症的研究也有十分重要的意义，癌实际上是破坏了细胞分裂调控能力的一种疾病。 2001年诺贝尔生理学与医学奖授予了美国科学家利兰哈特韦尔和英国科学家蒂莫西亨特、保罗纳西，以表彰他们发现了细胞周期的关键调节机制

50、。 美国科学家利兰哈特韦尔和英国科学家蒂莫西亨特、保罗纳西在细胞周期调控研究中各自的贡献是什么？ 答: 利兰哈特韦尔发现了“START”基因；保罗纳西的贡献是发现了CDK。蒂莫西亨特的贡献是发现了调节CDK的功能物质CYCLIN。 Leland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2001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。12.5.1 细胞周期调控概述细胞周期调控概述细胞周期的调控操作就象一部全自动的洗衣机。洗衣

51、机的基本操作是加水、洗涤、漂洗和甩干。洗衣机的这些基本循环同细胞周期中的DNA复制、有丝分裂等的基本循环是相似的。在这两种情况下, 都是通过中央控制系统(central control system)控制的。在原理上, 洗衣机细胞周期的控制操作都象是一部定时器, 但实际上, 无论是洗衣机还是细胞周期, 它们都是根据在不同过程中的信息反馈来进行自我调节。在每一个过程中, 都是通过检测器的作用, 向控制中心发回信号（图12-3）。细胞周期中的基本事件, 如DNA复制、有丝分裂、胞质分裂都是通过中央的细胞周期控制系统控制的。中央控制系统如同一个顺时钟移动的指针, 当它到达某一位置时触发一个反应。 图

52、12-3 细胞周期控制模拟系统 关于细胞周期调控的方式,早期有两种观点, 一种是连锁反应,另一种是协同反应(图12-4)。 图12-4 细胞周期调控的两种模式骨牌代表细胞周期的基本事件，如DNA复制、染色体凝集、纺锤体形成等。（A）一个事件的发生触发下一个事件的发生；（B）一个事件的发生并不意味着下一个事件必然发生，但可作为下一个事件发生的起因，这要通过控制系统进行调节。（B）较（A）更为合理。 12.5.2 蛋白激酶在细胞周期调控中的作用蛋白激酶在细胞周期调控中的作用 细胞周期调节因子的发现细胞周期调节因子的发现细胞周期的控制有两个主要事件，一个是对DNA复制起始的控制，发生在G1期和 S期

53、之间。第二个事件是对染色体凝集的控制，发生在G2期和M期之间。1970年，Colorado 大学的Potu Rao 和 Robert Johnson 通过一系列的细胞融合实验打开了认识细胞周期中这两个事件的大门。 DNA复制起始的控制因子首先他们将同步培养的G1期的Hela细胞同S期的Hela细胞进行融合,发现,G1期的细胞质受到S期细胞质的激活, 开始了DNA复制, 这一实验结果表明, 正在进行复制的细胞的细胞质中含有促进G1期细胞进行DNA复制的起始因子。与此相反, 他们将S期的细胞与G2期的细胞进行融合, 发现G2期的细胞核不能再启动DNA的复制, 这表明, S期的细胞质中的DNA复制起

54、始因子对于已进行了DNA复制的G2期的细胞核没有作用。 染色体早熟凝集 将处于分裂期的细胞与处于细胞周期其他阶段的细胞融合, M期的细胞质总是能够诱导非有丝分裂的细胞中的染色质凝集（图12-5）, 这种现象称为染色体早熟凝集(premature chromosome condensation,PCC)。 什么是染色体早熟凝集实验？为什么同步化的M期细胞与其他时期的细胞融合，早熟凝集的染色体形态不同？ 图12-5 早熟染色体凝集实验将同步化培养的M期Hela细胞分别与间期不同阶段同步化的细胞融合，产生形态各异的早熟染色体。（a）M+G1;(b)M+S;(c)M+G2。 成熟促进因子成熟促进因子M

55、PF(maturation promoting factor，MPF)的发现的发现为了进一步研究促使G1期细胞DNA复制以及诱导细胞提前进入有丝分裂的调节因子的本质, 用蛙和无脊椎动物的卵母细胞及早期的胚进行了一系列的实验。 注射实验实验中，在细胞周期的特定阶段分离蛙的卵细胞, 并从蛙卵细胞中制备提取物。为了检测蛙卵提取物的生物活性,将它注射到非洲爪蟾的卵母细胞(未受精卵的不成熟的前体),观察这些提取物对细胞周期的影响。发现注射来自M期卵细胞中的提取物, 可使卵母细胞进入M期。而用来自细胞周期其他阶段的提取物注射卵母细胞则不能诱导进入M期(图12-6), 这是首次发现在M期的细胞中有促进细胞分

56、裂的因子存在, 由于当时对这种因子的化学本质和作用机制都不清楚, 只是简单地称为M-期促进因子(M-phase promoting factor, MPF),后来称为成熟促进因子。虽然MPF首先发现于蛙的卵细胞, 但在所实验国的所有动物细胞中都发现了MPF, 说明这种因子是普遍存在的。 图12-6 MPF活性测试实验(a)用非洲爪蟾M期的卵细胞细胞提取物注射非洲爪蟾的卵母细胞,注射的细胞提取物驱使卵母细胞进入M期, 使核破裂, 并形成纺锤体。(b)用细胞间期的提取物注射卵母细胞, 不能驱使卵母细胞进入M期。 MPF的结构 由于MPF的纯化工作困难,所以对它的纯化工作持续了好几年, 最后用柱层析

57、纯化了MPF, 实际上MPF是两个不同的亚基组成的异质二聚体(图12-7), 一个是催化亚基, 它能够将磷酸基团从ATP转移到特定底物的丝氨酸和苏氨酸残基上, 这种蛋白激酶后来被称为周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases, Cdks);另一个亚基称作周期蛋白(cyclin)。 图12-7 周期蛋白-Cdk复合的组成 细胞周期中MPF的浓度变化通过注射实验还发现, MPF的活性在有丝分裂前急剧升高, 但在有丝分裂后急剧下降直到零。由于MPF蛋白激酶亚基不能单独起作用, 它需要与细胞周期蛋白结合才有功能。周期蛋白浓度在细胞周期中是浮动的, 呈周期性

58、变化。同样, MPF的活性与周期蛋白一样在细胞周期中呈现周期性变化(图12-8)。 注射实验的推论注射实验的结果表明：当细胞周期蛋白的浓度降低时, 蛋白激酶由于缺少与之结合的底物,而失活。当周期蛋白的浓度上升时, 蛋白激酶被激活, 促使细胞进入有丝分裂。因此推测：细胞周期的进程依赖于一种酶的激活, 而这种酶的惟一活性是使其他蛋白磷酸化;酶的活性受一种亚基的控制, 它的浓度在细胞周期的不同阶段是不同的。 图12-8 在细胞周期中周期蛋白和MPF的波动(a) 蛙胚细胞发生同步分裂时, 早期发育的周期性变化。上部是有丝分裂和分裂间期的周期变化; 中间曲线是MPF活性的周期性变化; 下部曲线是控制MP

59、F激酶相对活性的周期蛋白的浓度的周期性变化。(b)在酵母的一次细胞周期中MPF的活性和周期蛋白浓度变化的对应关系。 周期蛋白的鉴定周期蛋白的鉴定 在海胆的早期胚细胞中第一次鉴定到与MPF结合的周期蛋白。实验中将同步化的受精的海胆卵培养在有放射性氨基酸的培养液中, 然后每10分钟取样一次、分离纯化蛋白质、凝胶电泳、放射自显影进行蛋白分析。发现, 经过几轮细胞周期之后, 放射性标记的蛋白质的量稳定增加, 但是, 其中有一种蛋白峰在有丝分裂的早期特别高, 到了有丝分裂后期就急剧下降。然后在下一个细胞周期又慢慢积累直到有丝分裂前达到高峰。后来将这种蛋白命名为周期蛋白B(cyclin B)，通过基因工程技术从海胆中分离了周期蛋白B的cDNA克隆, 并通过抗体技术证明了非洲爪蟾中MPF的一个亚基的确是周期蛋白B。 遍在蛋白介导的有丝分裂周期蛋白的降解促使细遍在蛋白介导的有丝分裂周期蛋白的降解促使细胞退出有丝分裂胞退出有丝分裂 周期蛋白的结构特点有三种周期蛋白激发非洲爪蟾卵母细胞成熟: 周期蛋白A和两个结构相似的周期蛋白B。不同来源的编码周期蛋白的cDNA序列分析表明, 所有这些蛋白的氨基酸序列中, 靠近N端都有一个称为破坏框(destruction box)的同源区(图12-9a)。有丝分裂周期蛋白在遍在蛋白介导下降解促使细胞退出有丝分裂（图12-9b）。 遍在蛋白介导周期蛋白的降解有丝