医学细胞生物学：11-细胞周期

第十五章细胞增殖

学习要点

掌握：①细胞周期的概念及主要事件②细胞周期的调控机制熟悉：细胞分裂的类型和特点了解：细胞周期与疾病的关系第一节细胞周期的基本概念一、细胞周期概念和意义（一）概念：从上一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束所经历的全过程，叫细胞周期。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(synthesisphase)，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(mitosisordivision)，细胞分裂开始到结束。Atypicalmammaliancellhasacellcycletimeof24hours,with12hrG1,6-8hrS,3-4hrG2,and1hrMEucaryoticCellCycle

（二）机体细胞状态

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，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。②休眠细胞暂不分裂，但在适当的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。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、多形核细胞等二、细胞周期的研究（一）细胞周期模型细胞周期研究常用的模型包括：芽殖酵母、裂殖酵母、爪蟾胚胎细胞和体外培养的哺乳动物细胞Fissionyeast

裂殖酵母buddingyeast

芽殖酵母1676年，Leeuwenhock观察到纤毛虫的细胞分裂现象。1855年Virchow题词“细胞来自细胞”的著名论断，揭示了细胞的自我繁殖特性。1953年Howard和Pelc（皮里克）研究了蚕豆根尖细胞分裂，发现32P标记的脱氧核苷酸只在间期特定阶段（S期）掺入细胞，参与DNA的合成，由此建立了G1、S、G2、M

期4个时相的细胞周期概念。

（二）周期研究历史20世纪60～90年代Hartwell运用遗传方法筛选酵母细胞周期相关基因，获得大量的细胞周期突变株,并提出细胞周期检查点（checkpoint）的概念（意指当DNA受到损伤时，细胞周期会停下来）。

1960sLeland

Hartwell,1970sPaulNurse

以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株（在适宜的温度下和野生型一样），

发现几十个与细胞分裂有关的基因(celldivisioncyclegene,CDC)。如：裂殖酵母cdc2、

芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；而cdc25和wee1都发生突变的个体却会正常地分裂。cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行；wee1和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。这也解释了为何cdc25和wee1双重突变的个体可以恢复野生型的表型。Cdc25&Wee1mutantCdc25突变Wee1过表达细胞延长G2延长Wee1突变Cdc25过表达小细胞G2缩短突变Wee1和Cdc25的作用酪氨酸残基苏氨酸残基有活性cdc2无活性cdc2有活性cdc21980sTimothyHunt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(cyclinA和B

)。

Nurse分离出酵母周期蛋白依赖性激酶（cyclin-depentendproteinkinase，Cdk），并发现它的活性受cyclin的调控。LelandH.Hartwell

R.Timothy(Tim)Hunt

SirPaulM.Nurse

2001年10月8日美国人Leland

Hartwell、英国人PaulNurse、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。第二节细胞周期主要事件一、G1期

G1期的主要事件是：细胞生长、分裂决定和复制准备。此期是各种细胞耗时差异最大的一个时期特点：三种RNA合成，各种蛋白质合成。细胞体积迅速增大。R点(restrictionpoint):G1期一个特殊的时期，决定细胞是否增殖。生长因子帮助越过，越过R点，开始做复制准备。（复制前复合体组装、吸引DNA解旋酶和DNA聚合酶）二、S期

DNA复制、染色质组装（组蛋白和非组蛋白等染色质蛋白的合成）、完成中心粒的复制。此过程有S期活化因子的参与。特点：

1）DNA的复制

核内进行，多步骤完成，包括染色质的去组装和组装

过程。先复制常染色质，随后兼性、结构异染色质。

2）组蛋白的合成（质内合成后转运到核内）

DNA+组蛋白→核小体

三、G2期进行复制检查（保证基因组复制的准确性和完整性）和

分裂准备。为M期进行多种物质结构与功能的准备。特点：

1）RNA和蛋白质（MPF、有丝分裂因子）的合成。

2）构成有丝分裂器的微管蛋白（S期起，G2期结束）。

3）中心粒开始移向两级，体积膨大，表明纺锤体微管已经开始组装。

准备完毕后，解除分裂抑制，使细胞进入M期细胞各组分复制（除了染色体)每条染色体分子进行复制细胞双检控：DNA复制是否有错；如有错，是否进行了必要的修复细胞周期停止四、M期

确保能够精确、均等地将亲本细胞核染色体分配给两个子细胞，使分裂后的子细胞保持遗传上的一致性。

M期占用的时间最短，但细胞的形态变化最大。第三节细胞分裂celldivision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。毛细血管的形成与细胞增殖的关系红细胞血管内皮细胞内皮细胞形成新的毛细血管分支当伪足生长进入周围组织时，将引导毛细血管形成内皮细胞分裂相邻细胞形成空泡相邻空泡相连，形成生长的毛细血管腔；此过程重复进行可延伸形成毛细血管。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。有丝分裂(mitosis)

：又称为间接分裂，由Strasburger(1880)发现于植物，Fleming(1882)年首次发现于动物。减数分裂（meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。1883年E.van贝内登在动物、1888年E.A.施特拉斯布格在植物发现。一、无丝分裂二、有丝分裂二、有丝分裂为了便于描述人为的划分为五个时期：间期（interphase）；前期(prophase)；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①染色质凝缩，②核仁解体，③核膜崩解消失，

④确立分裂极与纺锤体开始形成。Twocentrosomes,andtheirformingradialarraysofastralmicrotubulesseparatingonthesurfaceofanearlyprophasenewtlungcellnucleus.图片来自http:///（二）中期1.核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorialplane)上。2.染色体排列到赤道面上，形成赤道板。同时形成典型的有丝分裂器结构。有丝分裂器的组成：中心体、纺锤体、星体、染色体星体微管动粒微管极间微管中心体动粒纺锤体有三种微管结构：①极体微管（polarmt）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。②动粒（着丝点）微管（kinetochore

mt），是从着丝点到另一极的微管；③星体微管（astralmt），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。（三）后期指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。（四）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。1.子核的形成：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。核纤层蛋白去磷酸化，介导核膜重新装配。2.胞质分裂：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。动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量肌动蛋白（平行排列）和肌球蛋白组成。收缩时通过肌球蛋白产生动力完成。问题：用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？分裂沟肌动蛋白和肌球蛋白形成的收缩环DividingMuscleMyoblast(primativemusclecell)(SEMx8,000)三、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（heterotypicdivision）或减数分裂（reductionaldivision）。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（homotypicdivision）或均等分裂（equationaldivision）。减数分裂减数分裂间期的特点：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期具有两大特点：①时间较长，②部分DNA（约0.3%左右）是在合（偶）线期合成的。此种DNA称为Z-DNA.（偶线期DNA）减数分裂细胞有有高度的同步性；而有丝分裂的细胞不具同步性，是陆续进行。

（一）减数分裂间期（二）减数分裂过程1.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：①细线期（leptotene

），②合线期（偶线期）（zygotene

），③粗线期（pachytene），④双线期（diplotene），⑤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形成联会复合体时期。概念：联会复合体(synaptonemalcomplex，

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。

概念：减数分裂时，由两条同源染色体配对沿纵轴形成，外观呈梯子状的结构；它是非姐妹染色单体交叉、交换的结构基础，SC上有重组节(recombinationnodules)，是交换发生的部位。化学组成：组蛋白、非组蛋白、RNA、少量的DNA。联会复合体（SC）联会复合体的结构：侧生成分（轴心、与核膜接触）：电子密度高；宽约40nm

中间区：明亮区，宽约100nm

中央成分：比较暗的区域，宽约30nm

侧生成分与中央成分之间有横向排列的纤维称L-C纤维。60~70nm长；纤维间相距20~30nm.侧生成分中间区中央成分侧生成分联会复合体同源染色体（每条含两条姐妹染色单体）同源染色体联会复合体特点：

SC形成于合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。在细线期或合线期加入DNA合成抑制剂，则抑制SC的形成。

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。合成P-DNA（短片段的DNA,交换过程中DNA链的修复、连接均与它有关。）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。染色体重组（示交叉、交换）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。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I（3）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I（5）减数分裂间期。

染色体重组（重组概率）Minimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=232.减数分裂II1）可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。

2）一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成1个卵子及2-3个极体。

有丝分裂与减数分裂的比较①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。②有丝分裂是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。

③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。④有丝分裂时间短,1-2小时;减数分裂时间长,几十小时、几年甚至十几年。第四节有丝分裂与减数分裂的比较第四节细胞周期的调控细胞周期各阶段事件的启、承、转、接都受到复杂而精细的自动调控，形成明显的细胞周期节律。细胞周期节律的分子驱动力可归结为：一系列蛋白质的周期性表达、激活和降解。各时相的依次转换则是细胞内外信号作用于检查点信号途径，最终影响CDK蛋白激酶的结果。一、周期性基因表达

——细胞周期原动力

周期性基因表达（转录与翻译）与产物活性的相互调控，是驱动细胞周期的原动力。特定阶段cyclin的表达可激活CDK启动下一阶段的细胞周期事件。继而导致下一阶段cyclin的表达。采用细胞周期微阵列技术发现人类周期性表达的基因有300多个。主要编码:

周期蛋白（cyclin）、前复制复合物、DNA聚合酶、组蛋白等。（一）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。有人认为PEST序列与G1期周期蛋白的更新有关降解盒作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。种类：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5类：G0/G1型（cyclinC)

G1型（cyclinD)

G1/S型（cyclinE)、

S型（cyclinA)、

G2型（cyclinB)（二）周期蛋白依赖性激酶（Cdk）

Cdk（cyclin-dependentkinase）是一组丝/苏氨酸蛋白激酶，必须与周期蛋白结合，才具有酶的活性，通过磷酸化多种与细胞周期相关的蛋白质调控周期的运行。

在动物中至少有9种CDK。即Cdk1~Cdk9，Cdk家族成员有两个方面的共同特点：①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。②PSTAIRE序列可与周期蛋白框结合，并将周期蛋白作为其调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性。二、周期性蛋白磷酸化周期性蛋白磷酸化是指由Cyc-Cdk蛋白质构建的磷酸化调控系统，它们被称为细胞周期引擎。此复合物可通过磷酸化靶蛋白启动相应的细胞周期事件。两种组分的作用：●Cyc：周期蛋白，为调节亚基

●Cdk：周期蛋白依赖性激酶，为催化亚基（驱动细胞周期的关键因子）

细胞周期各时相的cyc-cdk复合物1.G1期：CycD-Cdk4/6

在生长因子的刺激后，在cyclinC-CDK3的作用下，进入G1期，cyclinD表达，开始积累，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb（视网膜母细胞瘤蛋白，是一种转录因子抑制蛋白）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CDK2的基因。如下页图示

CyclinD与CDK4/6结合使Rb磷酸化释放结合的转录因子E2F

2.G1-S期：cycE-Cdk2

cyclinE与CDK2结合，进一步加强Rb和E2F的磷酸化，促进细胞进入S期。（cyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期）3.S期-G2：

cycA-Cdk2cyclinA-CDK2增多，使得cyclinD和cyclinE磷酸化降解。可防止复制重复启动。促进细胞进入G2期。4.G2:cycA/cycB-CDK1

cyclinA、cyclinB-CDK1结合，在细胞质内缓慢积累，但活性受到抑制不能进入细胞核。细胞质中微弱的cycA/cycB-CDK1

激酶活性可以促使翻译，加速分裂所需蛋白的合成5.M期：cycA/cycB-CDK1

在真核细胞中，由G2晚期向M期转换的过程中，起关键作用的是cycB-CDK1

，又被称为成熟促进因子（maturationpromotingfactor,MPF）或有丝分裂因子。

MPF广泛存在于酵母到哺乳动物的细胞中。

1970sRao和Johnson发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，此凝缩的染色体被称为早熟凝集染色体(prematurelycondensedchromosome，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(maturationpromotingfactor，

MPF)。

M期调控因子——MPF的发现PCC●1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD（CDC2）和45KD（cyclinB）两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。●进一步的研究发现：

MPF=CDC2（Cdk1）+cyclinB

cycB-CDK1进入细胞核，CDK1使底物蛋白磷酸化。激活M期的一系列重要事件：①RNA聚合酶Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ磷酸化后停止转录，有利于前期染色质的凝集和核仁的解体；②组蛋白H1磷酸化相互结合，导致核小体聚集，形成二级结构——螺线管；③凝集蛋白磷酸化则进一步促进染色体高级结构的形成。④核纤层蛋白磷酸化使核膜解体，细胞核解体。⑤CDK1的蛋白激酶活性还引发后期启动复合体（APC）的激活、姐妹染色单体的分离和cyclinA/B的降解，最终导致分裂完成。MPF的作用TheMammalianCellCycle（MPF）哺乳动物细胞周期转录抑制因子转录因子复制开始后降解CycD/E等因子，以防止复制的重复启动CAK激活（CDK活化激酶）入核启动M期的进行，故而被称为M期的驱动器暂不入核，在细胞质内加速分裂所需蛋白的合成转录停止，DNA开始复制转录生长因子不同类型的CDK/cyclin复合体*包括D1-3，各亚型cyclinD在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。细胞周期调控简图细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子CKI（CDKinhibitor）

对细胞周期起负调控作用，分为：

1）Cdk结合蛋白，可直接抑制Cdk活性。主要包括：①Ink4家族(Inhibitorofcdk4):P16ink4a,P15ink4b,P18ink4c,P19ink4d。特异性抑制cdk4·cyclinD1,cdk6·cyclinD1。②WAF/Kip家族(Kinaseinhibitionprotein)：P21cip1(cyclininhibitionprotein1）P27kip1、P57kip2，抑制大多数CDK的激酶活性。P21cip1【还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA（proliferatingcellnuclearantigen：增殖细胞核抗原

）结合】直接抑制DNA的合成。

P21cip1抑制CDK和PCNADNA损伤P53水平提升抑制进入周期抑制DNA复制增值细胞核抗原

2）Cdk

蛋白磷酸化激酶通过磷酸化Cdk蛋白抑制其活性。主要包括：激酶Myt1,Wee1,Waf1和Cip1

CKI的作用示意图分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒(destructionbox)。泛素（ubiquitin）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。三、周期性蛋白的降解当两性分子如磷脂和鞘脂分散于水相时，分子的疏水尾部倾向于聚集在一起，避开水相，而亲水头部暴露在水相，形成具有双分子层结构的的封闭囊泡DestructionBoxinCyclins蛋白（水解）酶体泛素化修饰过程：1.泛素激活酶（E1）：水解ATP激活泛素2.泛素结合酶（E2）：与泛素结合3.泛素连接酶（E3）：将泛素共价连接到特定蛋白质表面的赖氨酸残基其中：E3是蛋白质降解的关键

细胞周期的泛素连接酶E3主要是APC和SCF

SCF（skp1-cullin-F-boxprotein，三个蛋白构成的复合体）

:

泛素化降解G1期和S期的靶蛋白

APC(anaphasepromotingcomplex)

:

泛素化降解M期和G1期的靶蛋白蛋白质泛素化降解过程示意图刚进入S期时，cyclinD/E被磷酸化，引发SCF对其进行泛素化降解。在中期当MPF活性达到最高时，休眠的APC被Cdc20活化，引导分离酶的抑制因子securin降解，分离酶催化降解染色单体的连接蛋白cohesin,导致姐妹染色单体分离。当后期启动以后，Cdc20被Cdh1取代，形成APC-Cdh1,将泛素连接在cyclinA/B上，cyclinA/B被蛋白酶体(proteasome)降解，使细胞周期顺利完成。周期蛋白的降解CyclinB的降解途径cyclinB合成高含量的cyclinB高活性的MPF低含量的cyclinB低活性的MPF蛋白酶体多聚泛素化蛋白激酶亚基（CDK1)中期后期末期间期前期四、生长因子信号转导系统

——细胞周期的外动力主要作用：在G0期、G1期或S期通过信号转导途径激活或抑制细胞周期相关基因的表达和蛋白质活性的改变。主要效应：激活CycD

的表达。生长因子对细胞增殖的影响单细胞生物的增殖取决于营养，多细胞生物细胞的增殖与信号途径有关。生长因子：是与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（mitogen），如EGF、NGF。作用方式：旁分泌。信号通路：ras途径，cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclinD、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。生长因子合成D型的cyclins限制点主要检验点：—DNA损伤检查点—DNA复制检查点—纺锤体组装检查点—染色体分离检测点四、细胞周期检验点（checkpoint）

R点（G1期）细胞外环境是否适宜？体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称