第八章细胞的增殖

1、CELL CYCLE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。.细胞增殖的方式有三种:无丝分裂、有丝分裂和减数分裂第一节 细胞周期一、细胞周期的概念及各时相划分 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。分为4个期： G1期(gap1)，DNA合成前期 S期(synthesis phase)，指DNA合成期。 G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂

2、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。细细胞胞周周期期根据细胞根据细胞DNADNA合成和分裂能力不同，合成和分裂能力不同，可将哺乳动物细胞分为三类：可将哺乳动物细胞分为三类：保持分裂能力细胞：保持分裂能力细胞：如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。 暂时离开细胞周期细胞，又称暂时离开细胞周期细胞，又称休眠细胞休眠细胞：或G0期细胞期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。 不分裂细胞不分裂细胞：又称终末分化细胞终末分化细胞，如神经、肌肉细胞等。 Eucaryotic Cell Cycle A typical mammalian cell has a

3、 cell cycle time of 24 hours, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M （1 1）G G1 1期：期：是指从有丝分裂完成到DNA复制之前的这段间隙时间。首先，mRNA、rRNA、tRNA的合成加速，导致结构蛋白和酶蛋白的形成。其次，与DNA合成有关的一些酶如胸腺嘧啶激酶、胸腺嘧啶核苷酸激酶、脱氧胸腺嘧啶核苷酸合成酶、DNA聚合酶等活性增高，为细胞进入S期作好准备。二、细胞周期各时相的动态及特点二、细胞周期各时相的动态及特点 （2 2）S S期：期：是指从启动DNA复制开始到DNA复制完成这段时间。此期最主要的特点

4、是DNA进行复制及组蛋白、非组蛋白等染色体组成蛋白的合成。通过DNA复制，精确地将遗传信息传递给M期分裂的子细胞，保证遗传性状的稳定性。所以S期是细胞周期中最关键的阶段。（3） G2期期：是DNA复制完成到有丝分裂开始的时期。在G2期加速合成RNA和直接与有丝分裂相关的蛋白质，如微丝、微管蛋白、有丝分裂调控的重要因子MPF(maturation promoting factor, M-phase promoting factor)，为有丝分裂做准备。4。 M期期：M期就是细胞有丝分裂期，细胞周期中有丝分裂持续时间最短，一般为0.52小时,在此期间,蛋白质合成明显降低,只有间期20%左右水平.该

5、时期细胞形态变化最大,细胞分裂成两个相同的子细胞,且确保复制后的染色体能够精确均等地分配给两个子细胞核.第四节 细胞周期调控一、研究背景 1970s Rao和Johnson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(prematurely condensed chromosome，PCC)。 G1期PCC为单线状，因DNA未复制。 S期PCC为粉末状，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。 甚至不同类的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(maturation promot

6、ing factor， MPF)。PCC 细胞周期的调控是一个极其复杂的过程细胞周期的调控是一个极其复杂的过程,涉涉及许多因子在多层次上的作用及许多因子在多层次上的作用,这些因素主要包这些因素主要包括以下几个方面括以下几个方面:一是机体内环境中调控细胞周期的因素如各种生长因子;二是生长因子受体的传感机制,最终引起细胞内有关增殖基因的表达调控细胞增殖,三是某些基因及其产物对细胞周期的调控,其中包括癌基因、抑癌基因和细胞分裂周期基因等第二节 细胞的有丝分裂一、细胞分裂的类型 无丝分裂(amitosis)：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

7、丝分裂(mitosis) ：又称为间接分裂，由Fleming (1882)年首次发现于动物，Strasburger(1880)发现于植物。 减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。二、有丝分裂为了便于描述人为的划分为六个时期：间期（interphase）；前期(prophase)；前中期(premetaphase)；中期(metaphase)；后期(anaphase)；末期(telophase)。 其中间期包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制、中心体复制、细胞体积增大等准备工作。（一）前期（一）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。 S期

8、中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。 纺锤体有三种微管结构： 极体微管（polar mt）两极间的微管，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达 。 着丝点微管（kinetochore mt），是从着丝点到另一极的微管； 星体微管（astral mt），由中心粒放射出来的微管。植物没有中心粒和星体，其纺锤体称无星纺锤体。Two centrosomes, and their forming radial arrays of astral microtubules separating on the surface of an

9、 early prophase newt lung cell nucleus. 图片来自/图片来自/（二）前中期（二）前中期核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane) 上。（三）中期（三）中期染色体排列到赤道面上。（四）后期（四）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。 Anaphase A: separation of the sister chromatids. Anaphase B: separation of the poles. 植物细胞有没

10、有后期B ？Microtubules and Motors in the spindle （五）末期 从子染色体到达两极，至形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。 末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配。 核分裂与胞质分裂（cytokinesis）是相继发生的，属于两个分离的过程，如： 大多数昆虫的卵，核可进行多次分裂而无胞质分裂，某些藻类的多核细胞可长达数尺，以后胞质才分裂形成单核细胞。子核的形成与胞质分裂子核的形成与胞质分裂 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

11、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)植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，并数量增加，形成成膜体。来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板(cell plate)，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。第三节 减数分裂Meiosis 由连续两次分裂构成： 通常减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂（heterotypic division）或减数分裂（reductional d

12、ivision）。 减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂（homotypic division）或均等分裂（equational division）。 为了描述方便将减数分裂分为几个期和亚期。MeiosisConcepts:Gametic meiosisSporic meiosis1. Zygotic meiosis 称前减数分裂间期或前减数分裂期(premeiosis)。 间期也可分为G1期、S期和G2期。 G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。 减数分裂的S期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。一、间期.医学生物学 多媒体课件.ppt二、

13、减数分裂的意义二、减数分裂的意义 1、有性生殖过程中形成的精子和卵子都是单倍体，精卵结合为受精卵，保持了生物物种染色体数目的相对稳定，也保证了遗传性状的相对稳定； 2、减数分裂中同源染色体的相互分离，使同源染色体相对位置的等位基因彼此分离，这是孟德尔分离定律的细胞学基础； 3、减数分裂中非同源染色体之间的随机组合，是自由组合定律的细胞学基础； 4、减数分裂中同源染色体之间发生的非姐妹染色单体的部分交换，是基因连锁和互换的细胞学基础。 5、减数分裂中，非同源染色体是否进入同一个生殖细胞是随机的，因此减数分裂是生物变异产生的细胞学基础。三、配子的发生三、配子的发生 1、精子的发生、精子的发生（1）

14、增殖期46,XY46,XY46,XY46,XY46,XY46,XY46,XY（2）生长期46,XY（3）成熟期（4）变形期23,X23,Y23,X23,X23,Y23,Y 1、卵子的发生、卵子的发生（1）增殖期46,XX46,XX46,XX46,XX46,XX46,XX46,XX（2）生长期46,XX（3）成熟期23,X23, X23,X23,X23, X23, X胎儿自第胎儿自第5个月至出生后个月至出生后,卵巢中的母细胞开始退变卵巢中的母细胞开始退变,青春期已减少到约青春期已减少到约4万个万个,性成熟后性成熟后,每月仅有一个每月仅有一个卵泡成熟排放卵泡成熟排放,其中的次其中的次级卵母细胞停留

15、在第二次级卵母细胞停留在第二次减数分裂中期减数分裂中期,受精后才受精后才完成第二次减数分裂完成第二次减数分裂,如如未受精未受精,次级卵母细胞就次级卵母细胞就不能完成第二次分裂而死不能完成第二次分裂而死亡亡.第四节细胞增殖与医学 一、疾病的诊断与治疗 二、细胞增殖与肿瘤肿瘤细胞最显著的特点是生长失控和幼稚化（即不分化）。 1 1、肿瘤细胞分类、肿瘤细胞分类 增殖的细胞群：增殖的细胞群：是肿瘤中处于连续增殖的细胞，与肿瘤生长直接相关，该群细胞对药物高度敏感，是化疗药物最易攻击的细胞群。 暂不增殖的细胞群：暂不增殖的细胞群：该群细胞处于G0期或延长了的G1期，肿瘤细胞在G0期时，生化代谢不活跃，对药

16、物不敏感，致使化疗不易取得成功。但在一定条件下细胞可进入增殖状态，是肿瘤治疗后复发的根源。不增殖的细胞群：不增殖的细胞群：该类细胞完全丧失了增殖能力，不再进入细胞周期，最终通过分化、衰老直至死亡。2、细胞周期肿瘤治疗 1. 抑制G1期cyclins（细胞周期蛋白）的过度表达 G1期cyclins反义核酸，在体外和裸鼠体内都可抑制肺癌的增殖。反义DNA可以与基因结合而阻止基因的转录，反义的RNA可与mRNA结合，而抑制其翻译，都可以达到抑制肿瘤细胞增殖的目的。RNA干扰(RNA interference ，RNAi )是将双链RNA(double strand RNA ，dsRNA)导入细胞内引

17、起特异基因的mRNA降解的一种细胞反应过程。属于转录后基因沉默的一种。短双链RNA(short interfering RNA，siRNA)是dsRNA的一种，因长度较短而得名。其每条链的碱基数30bp，可以在哺乳动物细胞中引发特异性的基因沉默。发夹环状RNA(small hairpin RNA ，shRNA)也是RNAi技术应用的一种，它是在短双链RNA的一端加上9个核苷酸，形成一个环状结构，形似发夹，所以称为发夹状RNA。也可以在哺乳动物细胞内引发高效的特异性的基因沉默。 因为 RANi的巨大的优势和广阔的应用前景，它的发现被美国science杂志评为2002年世界十大科技之首。 2. 2

18、. 促使肿瘤细胞表达正常的促使肿瘤细胞表达正常的CKIsCKIs有报道用正常的P16、P21、P27基因与腺病毒载体重组，将重组的腺病毒导入肿瘤细胞，重组的腺病毒在肿瘤细胞内表达有功能的P16、P21和P27蛋白，抑制CDKs的活性，使肿瘤细胞停止在G0G1，抑制肿瘤细胞增殖。 3. 3. 抑制抑制E2FE2F的活性的活性把对E2F有高度亲和性的双链DNA片段导入细胞，该DNA能够结合游离状态的E2F生成一种复合物，复合物中的E2F不再与有关基因的启动子结合，从而阻断这些基因的表达，抑制细胞增生。二、分裂期 （一）减数分裂I 1、前期I 减数分裂的特殊过程主要发生在前期I ，通常分为5个时期：

19、细线期（leptotene ），合线期（zygotene ），粗线期（pachytene），双线期（diplotene），终变期（diakinesis）。 1）细线期：染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。 2）合线期：亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。 概念：联会复合体(synaptonemal complex， SC）二价体（bivalent）四分体（tetrad）。 这一时期合成约0.3%左右的DNA，称为Z-DNA。 3）粗线期：同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。 4）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，交叉开始端化(terminalization)。联会复合体消失。

20、 补充：植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期，排卵年龄大约在12-50岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。 5）终变期：二阶体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失，核被膜解体。2、中期I3、后期I 二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。 同源染色体随机分向两极，染色体重组，人类染色体重组概率有223个。4、末期I5、减数分裂间期。 （二）减数分裂II可分为前

21、、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。 Chromosome recombination 1Chromosome recombination 2Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23 1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene, CDC)。 如： 裂殖酵母cdc2、 芽殖酵母cdc28突变型在限

22、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cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。Fission yeast budding yeast Cdc 25 & Wee1 mutant 1980s Timothy Hunt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，命名为周期蛋白(cyclin A和B)。后来发现各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。 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，

23、是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。 进一步的研究发现MPF=CDC2+clyclin BLeland 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。二、CDK CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)。 CDC2又被称为CDK1，可将特定蛋白磷酸化，促进细胞周期运行，又称作细胞周期引擎。 如将核纤层蛋白

24、磷酸化导致核纤层解体、核膜消失； 将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。 在动物中已知7种CDK。均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，与周期蛋白的结合有关。三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子 CDK inhibitor, CKI对细胞周期起负调控作用，分为： Ink4(Inhibitor of cdk 4): P16ink4a, P15ink4b, P18ink4c, P19ink4d。特异性抑制cdk4cyclin D1, cdk6cyclin D1。 Kip(Kinase inhibition protein)：P21cip1 (cyclin inhibitio

25、n protein 1）P27kip1、P57kip2，抑制大多数CDK的激酶活性。P21cip1还能与DNA聚合酶的辅助因子PCNA（proliferating cell nuclear antigen）结合，直接抑制DNA的合成。四、细胞周期蛋白cyclin 特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。 作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。 已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3 、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等。 分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。不同类型的CDK/cyclin复合体 *包括

26、D1-3，各亚型cyclin D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。 G1期，在生长因子的刺激下，cyclin D表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。 G1-S期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞进入S期。CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期。 在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体。 cell cycle regulation 在中期当MPF活性达到最高时，激活后期促进因子APC，将泛素连接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶体(proteasome)降解，完成一个细胞周期。 分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒(destruction box)。 泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。 26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。Destruction Box in Cyclins M期CDK的激活起始于分裂期cy