第十二章 细胞增殖及其调控-翟中和.ppt

1、第十二章 细胞增殖及其调控,主要内容,细胞周期与细胞分裂 细胞周期的调控,第一节 细胞周期与细胞分裂,细胞周期 有丝分裂 减少分裂,一 细胞周期概述 概念：是指细胞从上一次分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束所经历的过程。 细胞周期时相组成 M期、S期、G1期和G2期 细胞周期时间（TC）： 细胞周期经历的时间,根据细胞周期可将高等动物细胞分为3类： 连续分裂细胞：表皮细胞，骨髓造血细胞； 休眠细胞：肝细胞、体外培养的细胞、 肿瘤细胞； 不分裂细胞：神经细胞、肌肉细胞。,连续分裂细胞 休眠细胞 不分裂细胞,二 细胞周期的不同时期及其主要事件 G1期：细胞分裂完成到DNA合成之前； S期： DNA

2、合成阶段； G2期: DNA复制完成到分裂之前； M期：细胞分裂开始到结束。,细胞分裂周期图,G1期：细胞分裂完成到DNA合成之前 G1期分为G1早期和G1晚期，两期之间有一个检测 点，是细胞在G1期的重要调控点。 G1早期：细胞生长、生物合成、形成细胞器。 G1晚期：为DNA合成准备。 检测点（check point）：酵母中称start点，哺乳动物中称R点。 相关事件：DNA是否损伤 细胞外环境是否适宜 细胞体积是否足够大,S期：DNA合成阶段 DNA复制 蛋白质合成 DNA合成所需要的酶 组蛋白,G2期: DNA复制完成到分裂之前 为细胞分裂做准备，合成细胞进入M期所必需的 RNA和蛋白

3、质； 检测点 相关事件：是否完成DNA复制 是否有DNA错误复制 细胞体积,M期：细胞分裂开始到结束 RNA和蛋白质的合成几乎全部停止 检测点 相关事件：纺锤体组装检测,三 细胞周期同步化 概念：细胞周期同步化是指自然发生或人工造成的使细胞群体处于同一细胞周期时相的过程。 同步化方法：选择同步法 诱导同步化,诱导同步化 DNA合成阻断法 分裂中期阻断法, DNA合成阻断法：选用DNA合成抑制剂可逆地抑制DNA合成但不影响其它细胞的周期运转，最终将细胞阻抑在G1/S交界处，并经释放获得S期细胞。 DNA合成抑制剂有胸腺嘧啶核苷酸（TdR） TdR双阻断法,TdR双阻断法过程 加入过量TdR，S期

4、细胞被抑制，其它的细胞沿细胞周期运转，最后停在G1/S交界处； 移去TdR，再加入新鲜培养液，进行释放，释放时间大于TS时，使所有被积累在G1/S期和停留在S期的细胞都通过s期； 再次加入过量TdR，细胞群体通过G2，M和G1期的运转，最终被阻滞在G1/S交界处； 将阻断的细胞全部释放，就得到较高同步化的S期细胞。 适用范围：仅适用于TG1+TG2+TM大于TS的细胞,分裂中期阻断法 用细胞分裂抑制剂将细胞阻断在中期 常用药物：秋水仙素，秋水酰胺 可抑制微管的聚合，因而能有效抑制有丝分裂装 置的形成； 优点：操作简单，同步效率高。 缺点：药物的毒性较大，可逆性差。,第一节 细胞周期与细胞分裂,

5、细胞周期 有丝分裂 减数分裂,一 细胞分裂的类型 无丝分裂(amitosis)：又称直接分裂，1841年发现于鸡胚血细胞，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，1882年首次发现于动物，1880发现于植物。 减数分裂(meiosis）：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。,二 有丝分裂的过程 为了便于描述，人为的划分为六个时期： 前期(prophase) 前中期(premetaphase) 中期(metaphase) 后期(anaphase) 末期(telophase) 胞质分裂（cytokinesis）,1

6、 前期 (prophase) 染色质凝缩 纺锤体开始形成中心体彼此分开 核仁消失 核膜开始破裂核纤层纤维磷酸化,星体：中心体具有微管组织中心的作用，其周围聚集大量的放射状排列的微管，称为星体。 星体周围微管可分为三种： 极间微管：是两个星体之间的微管，在赤道附近相互重叠，形成重叠区，重叠区微管之间有动力蛋白。 动粒微管：是从中心体发生并与染色体动粒相连的微管。动粒微管与染色体动粒相连，微管可缩短，将染色单体拉向两极。 星体微管，位于星体周围，其游离端伸向周围胞质。 纺锤体：由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管组合形成的纺锤形结构称为纺锤体。,2 前中期(premetaphase)：从核膜解

7、体到染色体排列到赤道面上 核被膜崩解； 纺锤体进一步装配动粒微管结合染色体不同侧面的动粒； 染色体进一步浓缩，变短变粗，向赤道方向运动。,3 中期(metaphase) 所有染色体排列到赤道板上； 纺锤体呈现典型的纺锤样； 位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。,4 后期(anaphase) 姊妹染色单体分开并移向两极； 分为后期A、后期B两个过程： 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。,5 末期(telophase) 动粒微管消失，极性微管继续加长。 染色单体去浓缩 核膜、核仁重新装配。,6 胞质分裂（cytoki

8、nesis） 开始于细胞分裂后期，结束于细胞分裂末期。 步骤： 分裂沟位置确定 肌动蛋白、肌球蛋白聚集形成收缩环 收缩环收缩 收缩环处细胞膜融合形成两个子细胞,胞质分裂沟,第一节 细胞周期与细胞分裂,细胞周期 有丝分裂 减数分裂,一 减数分裂的意义 保证物种染色体数目稳定 物种适应环境变化不断进化,二 减数分裂的特征 遗传物质复制一次，细胞连续分裂两次，产生四个子细胞； 来自双亲的遗传信息是混合的，每一个单倍体细胞具有独特的基因组合； 减数分裂的第一次分裂主要标志是同源染色体的分开，第二次分裂是姐妹染色单体分开； S期持续时间较长； 少量DNA在减数分裂前期复制。,三 减数分裂的过程 1 减数

9、分裂I：前期I、中期I、后期I、末期I。 前期I：细线期I、偶线期I、粗线期I、双线期I、 终变期I。 细线期I 染色体开始凝集，呈细丝状；,偶线期I 同源染色体配对，形成二价体或四分体； 联会复合体同源染色体配对和联会的结构 基础； 少量DNA的合成。,粗线期I 染色体变粗变短，结合紧密； 同源染色体间的非姐妹染色单体之间发生交 换 (crossing over)； 重组结联会复合体中间的结构。,双线期I 同源染色体分开，联会复合体分解； 同源染色体间的非姐妹染色单体之间发生交叉； 双线期持续时间一般较长。,终变期I 染色体凝集紧密，RNA转录停止，核仁消失，四 分体均匀分布于核中。 终变期

10、的完成标志着减数分裂前期I的结束,中期I： 核仁核膜已经消失； 出现纺锤体，纺锤丝与着丝粒相连； 每个二价体中两个着丝粒分别位于赤道面的两侧。 后期I： 同源染色体分离，分别被拉向两极； 染色体数目减半，染色体数由2n减为n。 末期I： 染色体到达细胞的两极； 核仁核膜又重新出现，逐渐形成两个新的细胞核。,对比：精子的发生和卵子的发生,主要内容,细胞周期与细胞分裂 细胞周期的调控,第二节 细胞周期的调控,MPF的发现及其作用 P34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 CDK和细胞周期蛋白 细胞周期运转调控 肿瘤细胞周期,一 MPF的发现及其作用 卵细胞促成熟因子(maturation-pro

11、moting factor) 细胞促分裂因子(mitosis-promoting factor) M期促进因子(M phase-promoting factor） 1970s Rao等发现与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。 染色体超前凝集（PCC）：与M期细胞融合的间期细胞发生了形态各异的染色体凝集现象。,染色体超前凝集 （ prematurely condensed chromosome，PCC ）,G1,S,G2,人M期细胞与袋鼠G1、S、G2期细胞融合诱导PCC,不仅同类M期细胞可以诱导PCC，不同类的M期细胞也可以诱导PCC产生:,这就意味着M期细

12、胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因 子，称为细胞促分裂因子。,1971年,Masui和Markert用非洲爪蟾做实验，将卵细胞发育过程分为六个阶段：、和期。前四个时期为卵母细胞生成和生长阶段。其中第期时细胞核较大，称为生发泡(germinal vesicle,GV),此时细胞就停留在该时期，等待成熟。,进一步实验表明：在未成熟卵母细胞中，MPF已经存在，只是处于非活性状态，称为前体MPF (preMPF) 。非活性态的前体MPF通过翻译后修饰，可以转化为活性态的MPF。,蛋白质合成抑制剂存在的情况下，孕酮不能诱导卵细胞成熟； 成熟卵细胞的细胞质诱导卵细胞成熟，不需要蛋白质合成； 在蛋白质合成抑

13、制剂存在的情况下，也可诱导卵细胞成熟；,分离纯化出MPF 直到1988年，Maller实验室的Lohka等人才以非洲爪蟾为材料，分离得到了微克级的纯化的MPF。 证明其含有p32和p45两种蛋白，是一种蛋白激酶，可以使多种蛋白质底物磷酸化。,二 P34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 另一批生物学家以酵母为材料, 对细胞周期调控进行着深入研究。L.Hartwell以芽殖酵母为实验材料, P.Nurse以裂殖酵母为实验材料。 CDC(cell division gene)：与细胞分裂和周期调控有关的基因被称为cdc基因。 cdc2基因裂殖酵母分离出来的cdc基因，编码34kDa的蛋白，称p3

14、4cdc2。 Cdc28基因芽殖酵母分离出来的cdc基因，编码34kDa的蛋白，称p34cdc28。,但研究者很快发现，p34cdc28 或p34cdc2单独并不具有激酶活性，需要同相关蛋白结合后才具有活性。 p34cdc2p56cdc13 J.Maller和P.Nurse实验室立即合作，很快证明爪蟾卵中的p32与p34cdc2是同源物。 MPF： p32 p45 p34cdc2 p56cdc13 J.Maller和T.Hunt实验室合作，证明与p45和p56cdc13为同原物。,同源物,同源物,（周期蛋白B）,由此MPF的生化成分得到确定： MPF=p34cdc2+cyclinB,（催化亚单

15、位）,（调节亚单位）,三 CDK和细胞周期蛋白 1 CDK（cyclin-dependent protein kinase）：细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶。 目前发现的CDK： cdc2（ cdk1 ）、 cdk2、 cdk3、 cdk4、 cdk5、 cdk6、 cdk7、 cdk8、 cdk9。,2 CDK抑制因子（CDK inhibitor, CDKI） 主要有p16，p21，p24，p27，p15，p18，p19， p57等。 其中p16， p21与CDK4紧密结合，对CDK4的激酶活性具有抑制作用。 P24可与CDK1和CDK2紧密结合 P27可与cyclin-cdk形成复合体，抑制各

16、种cyclin-cdk复合体蛋白激酶的活性 P15只与CDK4和CDK6紧密结合,细胞阻遏细胞周期运转机制： Cdk抑制蛋白(CKI)阻止Cyclin-Cdk复合物的装配或活性,而将细胞阻止在不同的检验点。 周期调控系统组分停止合成，周期调控系统组分停止合成，如G0细胞，大部分Cyclin和Cdk都消失。 CDK抑制因子可与CDK激酶和周期蛋白，组成三元复合体，抑制CDK激酶的活性。,3 细胞周期蛋白 概念：能与CDK结合，通过调节CDK的活性，间接调节细胞周期的运行。 目前已发现的周期蛋白有: 酵母细胞中的Cln1、Cln2、Cln3、Clb1-Clb6， 哺乳动物细胞中的A、B、C、D、E

17、、F、G、H和T。 分类：根据其在细胞周期中不同的调控阶段分为G1期和M期周期蛋白。,特点: 细胞周期中呈周期性变化 含有100个左右的保守氨基酸序列周期蛋白框 作用：激活和引导CDK作用于不同底物。,裂殖酵母细胞周期的调控,人细胞周期的调控,四 细胞周期运转调控 G1/S G2/M M期,G1/S期 cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合； cyclinE与CDK2结合，激活DNA复制； G1期CDK活性较低的原因： CDKI作为细胞周期的抑制因子直接与CDK或Cdk蛋 白复合体结合，抑制Cdks的活性。 由于Cyclin转录活性下降，引起Cdks活性下降。 Cdks活性下降的意义：

18、 可防止细胞在G1期启动DNA复制和细胞分裂等事件，保证细胞有足够时间完成G1期的事件。,G1 CDK activate transcription factor E2F,G2/M CDK1激酶的调控,CDK1激酶活性综合调控示意图,M期 Wee1激酶的活性下降，cdc25c使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍; 当MPF活性达到最高时，激活APC，通过泛素化途径降解cyclin B，完成细胞周期; APC是一种遍在蛋白连接酶, 使CyclinB发生遍在蛋白多聚化（泛素化），使蛋白酶体能识别并降解CyclinB。,Leland H. Hartwell,R. Timothy (Tim) Hunt,Sir Paul M. Nurse,2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人Paul Nurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。,哈特韦尔发现了大 量控制细胞周期的 基因，被称为START 的基因对控制各个 细胞周期的起始具 有决定性的作用。,纳斯的贡献是在哈 特韦尔的基础上， 通过分子生物学的 方法发现了调节细 胞周期的关键物质。,