细胞生物学细胞增殖与周期调控

本章内容提要第一节细胞周期概述第二节细胞分裂第三节细胞周期的调控本文档共97页；当前第1页；编辑于星期二\5点31分第一节细胞周期概述一、细胞增殖的意义二、细胞周期（cellcycle）三、细胞周期中各个不同时相及其主要事件四、细胞周期长短测定五、细胞周期同步化六、特殊的细胞周期本文档共97页；当前第2页；编辑于星期二\5点31分一、细胞增殖的意义细胞增殖(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即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。本文档共97页；当前第3页；编辑于星期二\5点31分二、细胞周期1.细胞周期的概念（conceptofcellcycle）：指从一次细胞分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束所经历的整个过程。分为：物质积累期（间期或静止期）和细胞分裂期。本文档共97页；当前第4页；编辑于星期二\5点31分2.细胞周期时相组成：G1SG2M本文档共97页；当前第5页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第6页；编辑于星期二\5点31分①周期中细胞（cyclingcell）：是指在细胞周期中连续运转的细胞，又称为连续分裂细胞或可育细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。②静止期细胞（quiescentcell）：指的是暂时离开细胞周期，停止细胞分裂，去执行一定的生物学功能，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期的细胞，又称为G0期细胞或休眠细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。③终末分化细胞：指不可逆地脱离细胞周期，丧失分裂能力，保持生理机能活动的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。

3.根据增殖状况，细胞的类型本文档共97页；当前第7页；编辑于星期二\5点31分三、细胞周期中各个不同时期及其主要事件1.G1期与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集。2.S期DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构本文档共97页；当前第8页；编辑于星期二\5点31分3.G2期DNA复制完成，在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子4.M期M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(mitosis)和减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。本文档共97页；当前第9页；编辑于星期二\5点31分四、细胞周期长短测定1.概述同种细胞间周期时间长短相似或相同；不同种类细胞间，周期长短差别很大。S+G2+M的时间变化较小，细胞周期时间长短差别在G1期。部分细胞的细胞周期没有G1、G2期。本文档共97页；当前第10页；编辑于星期二\5点31分2.标记有丝分裂百分数法（percentagelabeledmitoses，PLM）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。放射标记物为3H或者14C标记的TDR。优点：可以测定细胞周期的总时间和各阶段的时间，结果明了易分析。缺点：操作技术有一定的难度；具有一定的危险性；同位素的放射性逐渐衰减，误差较大。本文档共97页；当前第11页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第12页；编辑于星期二\5点31分3.流式细胞分选仪测定法(FlowCytometry)：流式细胞分选仪是一种快速测定和分析流体中细胞或颗粒物各种参数的大型实验仪器。本文档共97页；当前第13页；编辑于星期二\5点31分五、细胞周期同步化1.概念：细胞同步化是指在自然过程中发生的，或经人为处理造成的细胞周期的同步化。2.自然同步化概念：自然界存在的细胞周期同步过程，称为自然同步化。类型：多核体：粘菌、疟原虫。水生动物的受精卵：海胆、海参、两栖类。增殖抑制解除后细胞的同步分裂：真菌的休眠孢子移入适宜环境后，一起发芽，同步分裂。本文档共97页；当前第14页；编辑于星期二\5点31分2.人工同步化(1)选择同步化有丝分裂选择法：M期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。—优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物的伤害。—缺点：获得的细胞数量少。细胞沉降分离法：根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。—优点：可用于任何悬浮培养的细胞。—缺点：同步化程度低。本文档共97页；当前第15页；编辑于星期二\5点31分2.人工同步化(2)药物诱导法DNA合成阻断法─G1/S-TdR双阻断法：最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点是同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱导过程可造成细胞非均衡生长.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，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大.本文档共97页；当前第16页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第17页；编辑于星期二\5点31分六、特异的细胞周期1.爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期细胞在成熟过程已经积累了大量的物质，不需要临时合成物质。G1期、G2期非常短，以至于认为细胞周期只有S期和M期。子细胞在G1期、G2期不生长，越分裂体积越小。参与细胞周期的调控因子和调控机制和标准的细胞周期比较一致。本文档共97页；当前第18页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第19页；编辑于星期二\5点31分2.酵母细胞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。特点：细胞周期持续时间短；封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；在一定的环境下可以进行有性繁殖。本文档共97页；当前第20页；编辑于星期二\5点31分

裂殖酵母细胞周期本文档共97页；当前第21页；编辑于星期二\5点31分芽殖酵母细胞周期本文档共97页；当前第22页；编辑于星期二\5点31分3.植物细胞的细胞周期植物细胞周期的时相和动物细胞的标准细胞周期相似，都含有G1、G2、S、M期。植物细胞没有中心体，但细胞分裂时可以正常组装纺锤体；植物细胞的形态不发生变化，以形成中间板的形式进行胞质分裂。本文档共97页；当前第23页；编辑于星期二\5点31分植物细胞成膜体的形成

本文档共97页；当前第24页；编辑于星期二\5点31分4.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。细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾。本文档共97页；当前第25页；编辑于星期二\5点31分第二节细胞分裂一、细胞分裂的类型二、有丝分裂三、减数分裂本文档共97页；当前第26页；编辑于星期二\5点31分一、细胞分裂的类型细胞分裂分为无丝分裂（amitosis）、有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）三种类型。无丝分裂（amitosis）又称为直接分裂（directdivision），由雷马克（R.Remark）1841年首次发现于鸡胚血细胞。主要表现为细胞核伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂，期间不涉及纺锤体形成及染色体变化，因此称为无丝分裂。本文档共97页；当前第27页；编辑于星期二\5点31分

有丝分裂（mitosis）又称为间接分裂（indirectdivision），由W.Fleming（1882）年首次发现于动物及E.Strasburger（1880）年发现于植物。特点是有纺锤体的出现和染色体的变化，最终子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物。

减数分裂（meiosis）是指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式，是高等动植物配子体形成的分裂方式。本文档共97页；当前第28页；编辑于星期二\5点31分二、有丝分裂有丝分裂是体细胞分裂的主要方式，保证了携带遗传信息的染色体一代代以相同的染色体数目传递下去，从而维持了遗传的稳定性。有丝分裂的整个过程人为地划分成分裂间期和分裂期，其中分裂期包括前期、前中期、中期、后期、末期、胞质分裂期6个阶段。分裂间期(interphase)，包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制等准备工作。本文档共97页；当前第29页；编辑于星期二\5点31分前中期

胞质分裂期本文档共97页；当前第30页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第31页；编辑于星期二\5点31分(一)有丝分裂的过程1.前期（prophase）染色质凝缩：H1组蛋白的磷酸化诱导染色质由线形经过螺旋化，折叠和包装等过程形成早期染色体结构。前期末动粒形成。有丝分裂器开始装配，分裂极确定：中心体复制完成，移向两极，参与纺锤体的装配。核仁解体：核仁在前期末缩小并消失，rDNA缩回染色体的次縊痕处。本文档共97页；当前第32页；编辑于星期二\5点31分前期两个中心体向两极移动

本文档共97页；当前第33页；编辑于星期二\5点31分2.前中期（premetaphase）前中期（premetaphase）是指核膜破裂到染色体排列到赤道板之前的这段时间。染色体凝集变粗，形成X形染色体结构，染色体作旋转，震荡等剧烈运动。核膜破裂，以小膜泡的形式分散在细胞质中；核纤层蛋白的磷酸化使核纤层解聚成核纤层蛋白；前期纺锤体形成：细胞核周围的纺锤体侵入到细胞的中心区，部分纺锤体微管结合到染色体的动粒上。本文档共97页；当前第34页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第35页；编辑于星期二\5点31分3.中期（metaphase）中期是指染色体排列到赤道面上，到姊妹染色单体开始分向两极的一段时间，动物染色体呈辐射状排列。染色体两边的牵引力达到平衡。

主要特征：形成典型的纺锤体（spindle）；染色体排列在赤道板上。本文档共97页；当前第36页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第37页；编辑于星期二\5点31分4.后期（anaphase）标志：两个染色单体完全分开，向两极移动。当染色单体到达两极，标志后期结束。后期A，动粒微管变短，两个染色单体向两极运动。后期B，极间微管长度增加，纺锤体两极之间的距离逐渐拉长。本文档共97页；当前第38页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第39页；编辑于星期二\5点31分5.末期

染色体到达两极；动粒微管消失，极性微管继续加长；核膜、核仁和部分细胞器重新装配。本文档共97页；当前第40页；编辑于星期二\5点31分6.胞质分裂（cytokinisis）胞质分裂开始于细胞分裂的后期，完成于细胞分裂的末期。胞质分裂开始时，在赤道板周围细胞膜及相应的胞质开始下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟(furrow)。分裂沟逐渐加深，直至两个子代细胞完全分开。胞质分裂可简单归纳为4个步骤：分裂沟位置确定、肌动蛋白聚集和收缩环形成、收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合形成两个子细胞。本文档共97页；当前第41页；编辑于星期二\5点31分(二)、参与细胞分裂的亚细胞结构1.中心体(centrosome)2.动粒(kinetochore)与着丝粒(centromere)3.纺锤体(splindle)本文档共97页；当前第42页；编辑于星期二\5点31分中心体（centrosome）中心体是动物细胞中的主要的微管组织中心。它由一对相互垂直的中心粒（centrioles）及其周围的基质构成。中心粒由微管构成，呈圆筒状结构，外围基质的主要成分是γ微管蛋白。中心体和外围的微管合成为星体，星体参与纺锤体的装配。中心体周期（centrosomecycle）：G1期末复制；G2期移向细胞两极，并组织星体和纺锤体；细胞分裂结束，分布在两个子细胞中。

本文档共97页；当前第43页；编辑于星期二\5点31分Centrosomecycle本文档共97页；当前第44页；编辑于星期二\5点31分动粒与着丝粒着丝粒：是指染色体主缢痕部位的染色质，它把姊妹染色体单体连接在一起，并把染色体分成两个臂。动粒：是位于着丝粒两侧由蛋白质构成的三层盘状或球状结构。和纺锤体相连，与染色体的向极移动有关。

动粒的结构：内层（着丝粒染色质）中层（细纤维横跨）外层（微管）本文档共97页；当前第45页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第46页；编辑于星期二\5点31分纺锤体（spindle）概念（concept）：由微管和微管蛋白组成的参与染色体向极移动的纺锤式的结构。

结构组成：动粒微管：一端和中心体相连，另一端和动粒相连。极性微管：一端和中心体相连，另一端游离或者是相互搭桥。

装配：微管在中心体周围的装配：γ微管蛋白中心体的分离：移动素类蛋白（KRPs）胞质动力蛋白（dynein）本文档共97页；当前第47页；编辑于星期二\5点31分纺锤体的形态结构本文档共97页；当前第48页；编辑于星期二\5点31分纺锤体的装配本文档共97页；当前第49页；编辑于星期二\5点31分(三)、细胞分裂过程中染色体运动的动力机制1.染色体列队牵拉假说：染色体向赤道板方向运动，是由于动粒微管牵拉的结果。动粒微管越长，拉力越大，当来自两极的动粒微管的拉力相等时，染色体被稳定在赤道板上。外推假说：染色体向赤道板方向的移动，是由于星体的排斥力将染色体外推的结果。染色体距离中心体越近，星体对染色体的外推力越强，当来自两极的推力达到平衡时，染色体被稳定在赤道板上。本文档共97页；当前第50页；编辑于星期二\5点31分正端正端本文档共97页；当前第51页；编辑于星期二\5点31分2.染色体的分离(1)后期A，微管去聚合假说动粒微管不断解聚缩短,造成将染色体拉向两极。微管的正端插入动粒的外层,微管蛋白分子与动粒蛋白分子有亲和性,微管蛋白在此端去组装。在动粒中,ATP分子水解可以提供能量,驱动微管上的马达分子向极部移动,拉动染色体向极移动。(2)后期B，纺锤体微管滑动假说极-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的带(overlapzone)。然后极微管产生滑动，产生将两极分开的力。本文档共97页；当前第52页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第53页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第54页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第55页；编辑于星期二\5点31分概念：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发生分裂的细胞：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子三、减数分裂本文档共97页；当前第56页；编辑于星期二\5点31分减数分裂间期：S期持续的时间比较长，并且DNA进行不完全复制，复制总量的99.7%—99.9%。减数分裂分裂期：减数分裂期Ⅰ：前期Ⅰ、前中期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ和胞质分裂期Ⅰ等6个阶段。减数分裂期Ⅱ：前期Ⅱ、前中期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ和胞质分裂期Ⅱ等6个阶段。(一)减数分裂的过程本文档共97页；当前第57页；编辑于星期二\5点31分前期Ⅰ所发生的主要变化主是合成一定量的RNA和蛋白质，并进行染色体配对和基因重组。根据细胞形态的变化分为：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期5个阶段。前期I本文档共97页；当前第58页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第59页；编辑于星期二\5点31分(1)细线期染色质凝集，显微镜下呈细丝状，分辨不出两条染色单体，细纤维状的染色体上分布有念珠状的染色粒。在这个时期，由于染色体细线交织在一起，偏向核的一方，所以又称为凝线期（synizesis）。染色体端粒通过接触斑和核膜相连，而其它部分以半环状延伸到核基质中，对于接触斑位于细胞核一侧的物种来说形似花束，称为花束期（bouquetstage）。(2)偶线期（zygotenen）

同源染色体配对，形成联会复合体。在光镜下可以看到两条结合在一起的染色体，称为二价体（bivalent）。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，所以又称为四分体。合成偶线期DNA（zygDNA）。本文档共97页；当前第60页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第61页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第62页；编辑于星期二\5点31分(3)粗线期（pachytene）染色体进一步浓缩，变粗变短，结合紧密，在光镜下只在局部可以区分同源染色体。重组节形成，染色体发生交换和重组。合成一小部分未合成的DNA（P-DNA），保持染色体的完整性，防止断裂。合成减数分裂期专用的组蛋白，并把体细胞类型的组蛋白部分或全部置换下来。本文档共97页；当前第63页；编辑于星期二\5点31分(4)双线期（diplotene）联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交叉点（chiasma）上还保持着联系。染色体进一步缩短，在电镜下看不到联会复合体。(5)终变期（diakinesis）

交叉向端部移动，发生端化，二价体显著变短，并向核周边移动，在核内均匀散开，是观察染色体的良好时期。核仁消失，核膜解体。中心体复制完成，并开始移向两极。本文档共97页；当前第64页；编辑于星期二\5点31分中期Ⅰ同源染色体的每一对姊妹染色单体在着丝粒处并连在一起，1对动粒朝向同一极，同源染色体的两个染色体通过动粒微管分别连向不同的极。四分体逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面上。本文档共97页；当前第65页；编辑于星期二\5点31分后期Ⅰ同源染色体的两个染色体分离，分别移向一极。每极的染色体数比亲代细胞减少了一半，为1n。第1染色体为1二分体，仍由2条染色单体组成，因而每极的DNA含量仍是2C（C代表1个基因组或单倍的DNA量）。本文档共97页；当前第66页；编辑于星期二\5点31分末期Ⅰ，胞质分裂和减数分裂间期细胞进一步的变化主要有两种类型：①染色体到达两极，并逐渐进行去凝集。核被期重新装配，形成两个子细胞核。此时的间期细胞不再进行DNA复制，称为减数分裂间期；②细胞进入末期后，不是完全回复到间期阶段，而是立即准备进行第二次减数分裂。第一次分裂后，产生2个细胞。有的生物细胞质不分裂。本文档共97页；当前第67页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第68页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第69页；编辑于星期二\5点31分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中期板上，第一次分列时，同源染色体分开(二)减数分裂的特点本文档共97页；当前第70页；编辑于星期二\5点31分(三)减数分裂和有丝分裂的比较有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要是产生配子的过程;有丝分裂是一次细胞周期，DNA复制一次，分裂一次，染色体由2n→2n；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2n→1n；有丝分裂中，每个染色体是独立活动；减数分裂,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，才进行有丝分裂；减数分裂之前，DNA合成时间很长(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，20多小时至几年。本文档共97页；当前第71页；编辑于星期二\5点31分(四)减数分裂的生物学意义有丝分裂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。本文档共97页；当前第72页；编辑于星期二\5点31分第三节细胞周期的调控一、细胞周期中的检验点二、MPF的发现及其作用三、细胞周期运转调控本文档共97页；当前第73页；编辑于星期二\5点31分一、细胞周期中的检验点1.G1/S检验点：start点或R点，控制细胞由静止状态的G1进入DNA合成期，检查DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？2.S期检验点：DNA复制是否完成？3.G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点，检查DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？4.中-后期检验点（纺锤体组装检验点）本文档共97页；当前第74页；编辑于星期二\5点31分Fourcheckpoints本文档共97页；当前第75页；编辑于星期二\5点31分二、MPF的发现及其作用1.概念：成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF）,早期称为M-期促进因子(M-phasepromotingfactor,MPF)，是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子。2.MPF的发现本文档共97页；当前第76页；编辑于星期二\5点31分一、MPF的发现及组成把M期细胞的细胞质注射到卵细胞，发现可以促进卵细胞成熟分裂，继续用该卵细胞细胞质诱导新的卵细胞，仍然可以促进卵细胞成熟分裂。因而他们推测M期细胞中必然有一种物质可以诱导卵细胞成熟分裂，即促细胞成熟因子（maturationpromotingfactor,MPF）。本文档共97页；当前第77页；编辑于星期二\5点31分cdc基因本文档共97页；当前第78页；编辑于星期二\5点31分本文档共97页；当前第79页；编辑于星期二\5点31分周期蛋白（cyclin）本文档共97页；当前第80页；编辑于星期二\5点31分CyclinsA2B1CDECln3FGDestructionBox

R

42PESTPESTPEST

PEST

PEST

48kDa48kDa33kDa32kDa44kDa66kDa87kDa29kDathemolecularfeaturesofCyclinsCYCLINBOX本文档共97页；当前第81页；编辑于星期二\5点31分3.MPF的结构组成是由两个不同的亚基组成的异质二聚体:催化亚基：是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶，其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,Cdks);调节亚基：周期蛋白(cyclin)。本文档共97页；当前第82页；编辑于星期二\5点31分不同类型的周期蛋白激酶复合体脊椎动物芽殖酵母CyclinCDKCyclinCDKG1-CDKCyclinD*CDK4、6Cln3CDK1(CDC28)G1/S-CDKCyclinECDK2Cln1、2CDK1(CDC28)S-CDKCyclinACDK2Clb5、6CDK1(CDC28)M-CDKCyclinBCDK1(CDC2)Clb1-4CDK1(CDC28)周期蛋白的结构本文档共97页；当前第83页；编辑于星期二\5点31分

不同的周期蛋白与不同的CDK结合，调节不同的CDK激酶的活性。本文档共97页；当前第84页；编辑于星期二\5点31分三、细胞周期运转调控G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用首先依赖于周期蛋白B含量的积累。本文档共97页；当前第85页；编辑于星期二\5点31分MPFCdk=M-CdK=CdK1(CDK1)=cdc2kinaseMPFcyclin=M-cyclin=CyclinB,浓度随细胞周期变化而变化CAK=CDK1-ActivitingKinase,①细胞进入G2期，CyclinB浓度及活性升高，它与CDK1结合，使CDK1的活性位点暴露出来，此时CAK进