第13章 细胞周期及细胞分裂

1、1第十三章第十三章细胞周期与细胞分裂细胞周期与细胞分裂2细胞增殖的意义细胞增殖的意义单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。多细胞生物由一个单细胞即受精卵分裂发育而多细胞生物由一个单细胞即受精卵分裂发育而来，来， 细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞，亡的细胞， 维持个体细胞数量的相对平衡和机体维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。的正常功能。 机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖细

2、胞增殖。都要依赖细胞增殖。32001年诺贝尔生理学与医学奖年诺贝尔生理学与医学奖:利兰利兰哈特韦尔哈特韦尔发现了控制细胞周期的发现了控制细胞周期的基因，其中一种被称为基因，其中一种被称为“START” 的的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。有决定性的作用。保罗保罗纳西纳西的贡献是发现了的贡献是发现了CDK。蒂莫西蒂莫西亨特亨特的贡献是发现了调节的贡献是发现了调节CDK的功能物质的功能物质CYCLIN.4第一节细胞周期第一节细胞周期一、细胞周期概述一、细胞周期概述 细胞周期细胞周期: :是指连续分裂的细胞从是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开

3、始生长到下一次有丝分裂结束后开始生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。次有丝分裂终止所经历的全过程。在这一过程中在这一过程中, ,细胞的遗传物质进细胞的遗传物质进行复制并均等地分配给两个子细胞。行复制并均等地分配给两个子细胞。 图图5Phases of the cell cycle 6可将高等动物的细胞分为三类： 周期中细胞：连续分裂细胞，如表皮生发层、部分骨髓细胞。 静止期细胞（又称为休眠细胞）：暂不分裂，但适当刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。 终末分化细胞：不再分裂，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。7二、二、 细胞周期中各时相及其主要事件细胞周期

4、中各时相及其主要事件G1期期 (Gap1 phase)S 期期 (synthesis phase)G2 期期(Gap 2 phase) M期期8G1G1期期开始合成细胞生长所需要的多种开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、碳水化合物、脂等，同时蛋白质、碳水化合物、脂等，同时染色质开始去凝集。染色质开始去凝集。9S 期期 DNADNA复制与组蛋白合成复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结同步，组成核小体串珠结构构 10G2G2期期 DNA DNA复制完成，在复制完成，在G2G2期合成少量的蛋白质和期合成少量的蛋白质和RNARNA分子；细胞周期某些分子；细胞周期某些调控分子活化（调控分子活化（CDK

5、1CDK1）11M 期期 M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂 主 要 包 括 两 种 方 式 ， 即 有 丝 分 裂裂 主 要 包 括 两 种 方 式 ， 即 有 丝 分 裂(mitosis)(mitosis)和减数分裂和减数分裂(meiosis)(meiosis)。遗传物。遗传物质和细胞内其它物质分配给子细胞。质和细胞内其它物质分配给子细胞。12 主要检验点：G1/S检验点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在芽殖酵母中称start点，在其它真核细胞中称限制点 (restriction point，R点)S/G2期检验点：DNA复制是否

6、完成？G2/M检验点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期检验点（纺锤体组装检验点）：检验纺锤体组装是否完整13 （一）自然同步化 1.多核体：如：粘菌、疟原虫。 2.水生动物的受精卵：如海胆、两栖类。 3.增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，同步分裂。三、 细胞（周期）同步化141、选择同步化1）有丝分裂选择法优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占1%2%） 。2）细胞沉降分离法(密度梯度离心法)优点：省时，效率高，成本低。缺点：同步化程度较低，且对大多数种类细胞不适用。（二）人工同步化152 2、诱导同步化、诱导

7、同步化1 1）DNADNA合成阻断法合成阻断法 G1/S-TdRG1/S-TdR双阻断法：双阻断法：最终将细胞群阻断于最终将细胞群阻断于G1/SG1/S交界处。优点交界处。优点: :同步化效率高，几乎适合于所有体外培养同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点的细胞体系。缺点: :诱导过程可造成细胞诱导过程可造成细胞非均衡生长非均衡生长. .2 2）分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合）分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点细胞分裂中期。优点: :操作简便，效率高。操作简便，效率高。缺点缺点: :这些药物

8、的毒性相对较大这些药物的毒性相对较大. .16四、四、 特殊的细胞周期特殊的细胞周期-Embryonic cell cycles 17（一）爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期（一）爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期细胞分裂快细胞分裂快, ,无无G1G1期期, G2, G2期非常短期非常短,S,S期期也短也短( (所有复制子都激活所有复制子都激活), ), 以至认为仅以至认为仅含有含有S S期和期和M M期期无需临时合成其它物质无需临时合成其它物质子细胞在子细胞在G1G1、G2G2期并不生长，越分裂体期并不生长，越分裂体积越小积越小 细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的

9、细胞周期基本是一致的细胞标准的细胞周期基本是一致的18( (二）酵母细胞的细胞周期二）酵母细胞的细胞周期 图图酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似在时相和调控方面相似酵母细胞周期明显特点酵母细胞周期明显特点: :首先，酵母细首先，酵母细胞周期持续时间较短；细胞分裂过程属胞周期持续时间较短；细胞分裂过程属于封闭式，即在细胞分裂时核膜不解聚；于封闭式，即在细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖也进行有性繁殖1920（三）植物细胞的细胞周期（三）植物细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期与

10、动物细胞的标准细植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有胞周期非常相似，含有G1G1期、期、S S期、期、G2G2期和期和M M期四个时期。期四个时期。植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。以正常组装纺锤体。植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂裂21（四）细菌的细胞周期（四）细菌的细胞周期慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处。其过程有一定相似之处。其DNADNA复制之前的准复制之前的准备时间与备时间与G1G1期类似。分裂之前的准备时间期

11、类似。分裂之前的准备时间与与G2G2期类似。再加上期类似。再加上S S期和期和M M期，细菌的细期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期胞周期也基本具备四个时期 细菌在快速生长情况下，如何协调快速分细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本的裂和最基本的DNADNA复制速度之间的矛盾复制速度之间的矛盾22第二节 细胞分裂 无丝分裂：又称直接分裂，由Remark（1841）发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化 。 有丝分裂：又称为间接分裂，由Fleming (1882)和Strasburger(1880)发现。 减数分裂：DNA复制一次，细胞连续分裂两次。23一、有丝分裂 （一）有丝分

12、裂过程 为了便于描述人为的划分为六个时期： 前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂。241.前期前期 图图1 图图2染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成25当前期开始时，当前期开始时，2 2个中心体移个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生向细胞两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管通过微管长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连，最后结合蛋白在正极末端相连，最后形成有丝分裂形成有丝分裂纺锤体纺锤体。262.前中期前中期.核膜解体完成纺锤体装配27前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白核膜破裂成小的膜泡，这

13、一过程是由核纤层蛋白中特异的中特异的SerSer残基磷酸化导致残基磷酸化导致核纤层解体核纤层解体纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体，纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体，每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证与每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管，一部分纺锤体微管的自由端最终结合到种类型的微管，一部分纺锤体微管的自由端最终结合到着丝点上着丝点上, ,形成动粒微管。形成动粒微管。 前中期的特征是染色体剧烈地活动前中期的特征是染色体剧烈地活动, ,个别染色体

14、剧个别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。283.3.中期中期 主要特点是姐妹染色单体位于赤道板上主要特点是姐妹染色单体位于赤道板上, ,着丝粒分别被两端的着丝粒分别被两端的中心体发出的纤维连接。（中心体发出的纤维连接。（所有染色体排列到赤道板所有染色体排列到赤道板( (Metaphase Plate) )上）上）染色体进一步凝缩染色体进一步凝缩, ,并移到赤道附近并移到赤道附近, ,排列在赤道板；排列在赤道板；姐妹染姐妹染色单体的着丝粒分别与一条或多条来自对面的纤维结合色单体的着丝粒分别与一条或多条来自对面的纤维结合, , 成为成为被争夺的对象被争夺的对象

15、 图图29染色体排列到赤道面上。30图片来自/31是什么机制确保染色体正确排列是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？在赤道板上？ Mad蛋白和蛋白和Bub蛋白促使染色体蛋白促使染色体被动力微管捕捉。被动力微管捕捉。 牵拉假说和外推假说。牵拉假说和外推假说。图图32334.后期后期 图图3435后期后期排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产生向产生向极运动极运动 主要特点是主要特点是: :着丝粒分开着丝粒分开, ,染色单体移向两极。染色单体移向两极。 后期后期(anaphase) 可以划分为连续的两个阶段

16、，即后期可以划分为连续的两个阶段，即后期A和后期和后期B 后期后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动动 后期后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉 长，介导染色体向极运动长，介导染色体向极运动36后期后期A A：动粒微管不断解聚缩短动粒微管不断解聚缩短, ,造成将染色体拉向两极。造成将染色体拉向两极。37后后期期B B: :极极微微管管的的滑滑动动385.5.末期末期(telophase)(telophase)39末期末期(telophase)(telophase)染色单体到达两极，即进入了末期（染色

17、单体到达两极，即进入了末期（telophasetelophase）, ,到达到达两极的染色单体开始去浓缩两极的染色单体开始去浓缩核膜开始重新组装核膜开始重新组装 GolgiGolgi体和体和ERER重新形成并生长重新形成并生长核仁也开始重新组装，核仁也开始重新组装，RNARNA合成功能逐渐恢复合成功能逐渐恢复, ,有丝分裂有丝分裂结束结束 主要特点是主要特点是: :染色体解螺旋形成细丝染色体解螺旋形成细丝, ,出现核仁和核膜。出现核仁和核膜。 406.6.胞质分裂胞质分裂动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在赤

18、道板开始于细胞分裂后期，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟分裂沟(furrow)(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体和钙离子浓度的变化。分裂沟的位置与纺锤体和钙离子浓度的变化有关有关胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在分裂沟处胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在分裂沟处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环收缩环（contractile ring)contractile ring)。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞并形成两个子细胞41分

19、裂沟分裂沟收缩环收缩环42植物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞 质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和胞 壁而将细胞分开壁而将细胞分开43二、减数分裂二、减数分裂 图图 概念：减数分裂是细胞仅进行一次概念：减数分裂是细胞仅进行一次DNADNA复制，随后进行复制，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两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂发生分裂的细胞发生分裂的细胞 生殖细胞进行的产生配子的分裂过程，生殖细胞进行的产生配子的分裂过程， 其结果是产生了染色体组数目减半的配

20、子；其结果是产生了染色体组数目减半的配子；连续的两次分裂连续的两次分裂 第一次减数分裂第一次减数分裂 第二次减数分裂第二次减数分裂两个基本特点两个基本特点 染色体组数目减半染色体组数目减半 发生遗传重组发生遗传重组44MEIOSIS45（一）减数分裂前间期（一）减数分裂前间期与有丝分裂相比与有丝分裂相比S S期持续时期持续时间较长间较长S S期只复制其期只复制其DNADNA总量的总量的99.799.799.946（二）减数分裂过程（二）减数分裂过程1.减分减分I 第一次减数分裂的两个特点第一次减数分裂的两个特点 一对复制了的同源染色体分开一对复制了的同源染色体分开，分别进入两个子细胞，同源染色

21、，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重组。体分开之前通常要发生交换重组。 在染色体组中，同源染色体的在染色体组中，同源染色体的分离是随机的，同源染色体组要发分离是随机的，同源染色体组要发生重组合。生重组合。 图图47减数分裂的染色体行为减数分裂的染色体行为48减分减分I过程过程（1 1）前期）前期I I主要事件是完成同源染色体的配对，主要事件是完成同源染色体的配对， 在此过程中要发生配对同源染色体在此过程中要发生配对同源染色体 间的分子重组间的分子重组该期细分为细线期、偶线期、粗线该期细分为细线期、偶线期、粗线 期、双线期、终变期等期、双线期、终变期等。图1 图249Stag

22、es of the prophase of meiosis I Micrographs illustrating the morphology of chromosomes of the lily. 50减数分裂的前期减数分裂的前期I51细线期细线期 又称凝集期或花束期又称凝集期或花束期 主要特点：主要特点： 染色体染色体已加倍已加倍,并凝缩成细线状并凝缩成细线状,但但 看不到染色体的双重性。看不到染色体的双重性。染色体端粒通过接触斑与核膜相连染色体端粒通过接触斑与核膜相连52 偶线期偶线期(配对期配对期)主要特点是：主要特点是：联会与联会复合体联会与联会复合体 联会联会(synapsis)

23、联会复合体联会复合体(synatonemal complex)二价体与四分体二价体与四分体合成约合成约0.3DNA(zygDNA)53同源染色体配对（联会）同源染色体配对（联会）54联会复合体联会复合体55粗线期粗线期(重组期重组期)主要特点：主要特点：持续时间长持续时间长同源染色体之间发生同源染色体之间发生DNA片段的交换片段的交换, 产生重产生重组的基因组合组的基因组合,可见重组节可见重组节合成小部分合成小部分DNA（P-DNA）并编码一些与）并编码一些与DNA点切及修复有关的酶点切及修复有关的酶合成减数分裂专有的组蛋白，并将体细胞类型合成减数分裂专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白全部置

24、换。的组蛋白全部置换。56同源染色体间的交换重组同源染色体间的交换重组57双线期双线期( (合成期合成期) ) 主要特点：主要特点： 同源染色体分开，明显可见四分同源染色体分开，明显可见四分体；体； 出现交叉出现交叉58A bivalent chromosome at the diplotene stage The bivalent chromosome consists of paired homologous chromosomes. Sister chromatids of each chromosome are joined at the centromere. 59终变期终变期又称再

25、凝集期又称再凝集期 主要特点主要特点: : 染色体变成紧密凝集状态；染色体变成紧密凝集状态； 核仁消失核仁消失, ,交叉出现端化交叉出现端化, , 姐妹染色姐妹染色体借着着丝粒连接在一起。体借着着丝粒连接在一起。60（2 2）中期）中期I I 相似于有丝分裂相似于有丝分裂 与有丝分裂的不同：配对的同源染色体分别与有丝分裂的不同：配对的同源染色体分别在赤道板的两侧在赤道板的两侧（3 3）后期）后期I I 相似于有丝分裂相似于有丝分裂 与有丝分裂的不同：配对的同源染色体分别与有丝分裂的不同：配对的同源染色体分别向两极移动向两极移动61（4 4）末期）末期I I及间期及间期在自然界中在自然界中, ,末期末期和间期的类型有两种：和间期的类型有两种：一种是没有明显可见的染色体去凝集一种是没有明显可见的染色体去凝集, , 另一种另一种是完全逆转到间期核的状态。是完全逆转到间期核的状态。大多数种类大多数种类, ,末期末期和间期是在第一次及第二和间期是在第一次及第二次减数分裂期之间的短暂停顿次减数分裂期之间的短暂停顿, ,在所知的生物在所知的生物中中, ,未见有未见有DNADNA的合成。的合成。622. 减分减分II 第二次减数分裂分为前期第二次减数分裂分为前期