第十二讲细胞周期与细胞分裂

第十二讲细胞周期与细胞分裂第1页，共53页，2023年，2月20日，星期二细胞增殖(cellproliferation)的意义◆细胞增殖(cellproliferation)是细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础。◆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(受精卵)分裂发育而来，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，主要取代衰老死亡的细胞，维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。 ◆机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖细胞增殖。第2页，共53页，2023年，2月20日，星期二第一节细胞周期概述一、什么是细胞周期细胞周期指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，所需的时间叫细胞周期时间。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。可分为四个阶段（图13-1）：①G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间；②S期(synthesisphase)，指DNA复制的时期，只有在这一时期H3-TDR才能掺入新合成的DNA中；③G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间；④M期又称D期(mitosisordivision)，细胞分裂开始到结束。第3页，共53页，2023年，2月20日，星期二细胞周期可划分为四个阶段第4页，共53页，2023年，2月20日，星期二细胞周期时间·不同细胞的细胞周期时间差异很大·S+G2+M的时间变化较小，细胞周期时间长短主要差别在G1期·有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期第5页，共53页，2023年，2月20日，星期二从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：①连续分裂细胞，在细胞周期中连续运转因而又称为周期细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。②休眠细胞暂不分裂，这类细胞可长期停留在G1早期而不越过R点，处于增殖静止状态。它们合成具有特殊功能的RNA和蛋白质，使细胞的结构和功能发生分化，但这类细胞并未丧失增殖能力，在一定条件下可以恢复其增殖状态，但需要经过较长的恢复时间，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。③不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等等。第6页，共53页，2023年，2月20日，星期二二、细胞周期时间的测定标记有丝分裂百分率法（percentagelabeledmitoses，PLM）是一种常用的测定细胞周期时间的方法。其原理是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。有关名词：TG1：G1期的持续时间TG2：G2期的持续时间TS：S期的持续时间TM：M期的持续时间TC：一个细胞周期的持续时间PLM：标记的有丝分裂细胞所占的比例TDR：胸腺嘧啶核苷，是DNA的特异前体，能被S期细胞摄入，而掺进DNA中。通常使用的是3H或者14C标记的TDR。第7页，共53页，2023年，2月20日，星期二测定原理（图13-2）：①待测细胞经3H-TDR标记后，所有S期细胞均被标记。②S期细胞经G2期才进入M期，所以一段时间内PLM=0。③开始出现标记M期细胞时，表示处于S期最后阶段的细胞，已渡过G2期，所以从PLM=0到出现PLM的时间间隔为TG2。④S期细胞逐渐进入M期，PLM上升，到达到最高点的时候说明来自处于S最后阶段的细胞，已完成M，进入G1期。所以从开始出现M到PLM达到最高点（≈100%）的时间间隔就是TM。⑤当PLM开始下降时，表明处于S期最初阶段的细胞也已进入M期，所以出现PLM到PLM又开始下降的一段时间等于TS。⑥从PLM出现到下一次PLM出现的时间间隔就等于TC，根据TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的TG1长度。第8页，共53页，2023年，2月20日，星期二细胞周期各阶段的时间与PLM的关系第9页，共53页，2023年，2月20日，星期二◆流式细胞仪测定法(FlowCytometry)结合细胞周期同步化技术，通过监测细胞DNA含量在不同时间内的变化，来确定细胞周期长短。AnalysisofDNAcontentwithafluorescence-activatedcellsorter.

第10页，共53页，2023年，2月20日，星期二三、细胞同步化细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化，前者称自然同步化，后者称为人工同步化。（一）自然同步化1．多核体如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。数量众多的核处于同一细胞质中，进行同步化分裂，使细胞核达108，体积达5~6cm。疟原虫也具有类似的情况。2．某些水生动物的受精卵如海胆卵可以同时授精，最初的3次细胞分裂是同步的，再如大量海参卵受精后，前9次细胞分裂都是同步化进行的。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，它们一起发芽，同步分裂。第11页，共53页，2023年，2月20日，星期二（二）人工同步化1．选择同步化1）有丝分裂选择法：使单层培养的细胞处于对数增殖期，此时分裂活跃，MI高。有丝分裂细胞变圆隆起，与培养皿的附着性低，此时轻轻振荡，M期细胞脱离器壁，悬浮于培养液中，收集培养液，再加入新鲜培养液，依法继续收集，则可获得一定数量的中期细胞。其优点是，操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害，缺点是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：不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其半径的平方成正比，因此可用离心的方法分离。其优点是可用于任何悬浮培养的细胞,省时，效率高，成本低，缺点是同步化程度较低。第12页，共53页，2023年，2月20日，星期二2．诱导同步化1）DNA合成阻断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成，而不影响其他时期细胞的运转，最终可将细胞群阻断在S期或G/S交界处。5-氟脱氧尿嘧啶、羟基脲、阿糖胞苷、氨甲蝶呤、高浓度ADR、GDR和TDR，均可抑制DNA合成使细胞同步化。其中高浓度TDR对S期细胞的毒性较小，因此常用TDR双阻断法诱导细胞同步化：在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR。S期细胞被抑制，其它细胞继续运转，最后停在G1/S交界处。移去TDR。洗涤细胞并加入新鲜培养液、细胞又开始分裂。当释放时间大于TS时，所有细胞均脱离S期，再次加入过量TDR，细胞继续运转至G1/S交界处，被过量TDR抑制而停止。优点是同步化程度高，适用于任何培养体系。可将几乎所有的细胞同步化。缺点是产生非均衡生长，个别细胞体积增大。2）中期阻断法：利用破坏微管的药物将细胞阻断在中期，常用的药物有秋水仙素和秋水仙酰胺，后者毒性较少。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差。第13页，共53页，2023年，2月20日，星期二特异的细胞周期

特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期。◆爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期◆酵母细胞的细胞周期◆植物细胞的细胞周期◆细菌的细胞周期第14页，共53页，2023年，2月20日，星期二爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期·细胞分裂快,G1、G2期非常短,S期也短(所有复制子都激活),

以至认为其仅含有S期和M期；·无需临时合成其它物质；·子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小；

细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本一致；第15页，共53页，2023年，2月20日，星期二第16页，共53页，2023年，2月20日，星期二酵母细胞的细胞周期·酵母细胞周期明显特点:♦细胞周期持续时间较短；♦封闭式细胞分裂:细胞分裂时核膜不解体；♦纺锤体位于细胞核内；♦在一定环境下，可进行有性繁殖。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；第17页，共53页，2023年，2月20日，星期二植物细胞的细胞周期·与动物细胞的标准细胞周期相似，含有G1、S、G2和M期。特点：♦不含中心体，但在分裂时可以正常组装纺锤体；♦以形成中板的形式进行胞质分裂。第18页，共53页，2023年，2月20日，星期二细菌的细胞周期·

慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处：其DNA复制之前的准备时间与G1期类似；分裂之前的准备时间与G2期类似；再加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期。快速生长细菌如何协调快速分裂和较慢的DNA复制速度之间的矛盾?第19页，共53页，2023年，2月20日，星期二第二节细胞分裂

前期前中期中期后期末期一、有丝分裂第20页，共53页，2023年，2月20日，星期二前期(prophase)①染色质开始浓缩(condensation)成具两条染色单体的有丝分裂染色体(mitoticchromosome），前期末，主缢痕部位形成动粒；②细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体(mitoticspindle)开始装配；③Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡；第21页，共53页，2023年，2月20日，星期二前中期(prometaphase)◆核膜破裂成小膜泡:由核纤层蛋白中特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体而引起；◆纺锤体微管与动粒结合，捕捉住染色体此时染色体有两个动粒，朝相反方向，分别与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管；◆染色体开始移向赤道板，逐渐由前中期向中期运转。第22页，共53页，2023年，2月20日，星期二中期(metaphase)◆所有染色体排列到赤道板(MetaphasePlate)上，标志着细胞分裂已进入中期.◆染色体如何正确排列在赤道板上？

·牵拉和外推假说第23页，共53页，2023年，2月20日，星期二后期(anaphase)

◆排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产生向极运动◆后期(anaphase)大致可划分为连续的两个阶段:

·后期A:动粒微管去装配变短，染色体向两极运动;·后期B:极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长，介导染色体极向运动;第24页，共53页，2023年，2月20日，星期二末期(telophase)◆染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）,到达两极的染色单体开始去浓缩◆核膜开始重新组装◆Golgi体和ER重新形成并生长◆核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束。第25页，共53页，2023年，2月20日，星期二二、减数分裂(Meiosis)●减数分裂概念与过程：●减数分裂的意义●减数分裂特点●脊椎动物配子发生过程第26页，共53页，2023年，2月20日，星期二减数分裂概念与过程◆概念：减数分裂是细胞仅进行一次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。 ◆减数分裂过程第27页，共53页，2023年，2月20日，星期二第28页，共53页，2023年，2月20日，星期二减数分裂的意义◆确保世代间遗传的稳定性； ◆增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力。◆减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。第29页，共53页，2023年，2月20日，星期二减数分裂特点◆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◆S期持续时间较长◆同源染色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会、基因重组◆减数分裂同源染色体配对排列在赤道板上,第一次分列时,同源染色体分开。第30页，共53页，2023年，2月20日，星期二一个精原细胞可形成4个精细胞，由精细胞进一步分化形成4个精子；一个卵原细胞分裂形成配子过程中，由于胞质不均匀分裂，在细胞一侧形成胞质极少的小细胞，无功能，称为极体(polarbody)，胞质集中于一个大的卵细胞中，发育成为有功能的卵，最终只形成一个卵子。脊椎动物配子发生过程第31页，共53页，2023年，2月20日，星期二精原细胞有丝分裂减数分裂初级精母细胞精子细胞次级精母细胞精子第32页，共53页，2023年，2月20日，星期二三、胞质分裂(Cytokinesis)●动物细胞胞质分裂●植物细胞胞质分裂第33页，共53页，2023年，2月20日，星期二动物细胞胞质分裂◆胞质分裂(cytokinesis)始于分裂后期，赤道板周围的细胞表面下陷，形成环形缢缩，即分裂沟(furrow)，其位置与纺锤体极性微管和钙离子浓度升高的变化有关。◆分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环（contractilering)。收缩环收缩致使细胞膜融合，形成两个子细胞。第34页，共53页，2023年，2月20日，星期二第35页，共53页，2023年，2月20日，星期二第36页，共53页，2023年，2月20日，星期二植物细胞胞质分裂

◆与动物细胞同，植物细胞胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开。成膜体(phragmoplast)：由有丝分裂纺锤体在赤道板处残余的微管形成。

一些小囊泡及从Golgi衍生而来的较大囊泡(内含细胞壁基质所需的多聚糖类和糖蛋白)均沿微管被转运至成膜体处，互相融合成一个圆盘状的由膜包围结构，该结构进一步融合，并向外延伸扩展，最终到达细胞质膜和原初细胞壁，质膜和围绕新细胞壁的膜融合，将细胞分裂为二，形成两个子细胞。第37页，共53页，2023年，2月20日，星期二成膜体第38页，共53页，2023年，2月20日，星期二第39页，共53页，2023年，2月20日，星期二第40页，共53页，2023年，2月20日，星期二

间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在S期末，两个中心粒自我复制完成,形成两个中心体。前期时，2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。第41页，共53页，2023年，2月20日，星期二－＋星体纺锤体极

第42页，共53页，2023年，2月20日，星期二第43页，共53页，2023年，2月20日，星期二

Captureofkinetochoresbymicrotubules.

Thekinetochorebindstothesideofagrowingmicrotubuleandslidesalongittowardthespindlepole.Ontheleft,theredarrowindicatesthedirectionofmicrotubulegrowth,whilethegrayarrowindicatesthedirectionofchromosomesliding.第44页，共53页，2023年，2月20日，星期二纺锤体极动粒微管极性微管星体微管第45页，共53页，2023年，2月20日，星期二

.

星体

A牵拉（pull）假说:

染色体运动是由于动粒微管的牵拉作用,微管越长拉力越大；B外推（push）学说：由于星体的排斥作用，将染色体外推向赤道方向移动，离星体越近，推力越大；当两侧的力达到平衡时染色体即排列到赤道板上。第46页，共53页，2023年，2月20日，星期二动粒微管逐渐变短极性微管延长Thetwoprocessesthatseparatesisterchromatidsatanaphase.

InanaphaseAthechromatidsarepulledtowardoppositepolesbyforcesassociatedwithshorteningoftheirkinetochoremicrotubules.Theforcedrivingthismovementisthoughttobegeneratedmainlyatthekinetochore.InanaphaseBthetwospindlepolesmoveapart.ItislikelythattheforcesdrivinganaphaseBaresimilartothosethatcausethecentrosometosplitandseparateintotwospindlepolesatprophase.TwoseparateforcesareresponsibleforanaphaseB:theelongationandslidingofthepolarmicrotubulespastoneanotherpushesthetwopolesapart,andoutwardforcesexertedbytheastralmicrotubulesateachspindlepoleacttopullthepolesawayfromeachother,towardthecellsurface.

第47页，共53页，2023年，2月20日，星期二Twoalternativemodelsofhowthekinetochoremaygenerateapolewardforceonitschromosomeduringanaphase.

(A)MicrotubulemotorproteinsarepartofthekinetochoreandusetheenergyofATPhydrolysistopullthechromosomealongitsboundmicrotubules.(B)Chromosomemovementisdrivenbymicrotubuledisassembly:astubulinsubunitsdissociate,thekinetochoreisobligedtoslidepolewardinordertomaintainitsbindingtothewallsofthemicrotubule.

ATP驱动的染色体运动,促使微管解聚微管解聚驱动了染色体运动动粒

动力蛋白动粒微管上驱动动粒向两极运动的摩托蛋白种类第48页，共53