细胞增殖及其调控课件.ppt

1、第十二章 细胞增殖及其调控,细胞增殖(cell proliferation)的意义 细胞周期与细胞分裂 细胞周期调控,细胞增殖是生命的基本特征，种族的繁衍、个体的发育、机体的修复等都离不开细胞增殖。一个受精卵发育为初生婴儿，细胞数目增至1012个，长至成年有1014个，而成人体内每秒钟仍有数百万新细胞产生，以补偿血细胞、小肠粘膜细胞和上皮细胞的衰老和死亡。 细胞增殖是通过细胞周期（cell cycle）来实现的，而细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视和调控来保证的。细胞无限制增长对个体来说意味着癌症，个体无限制繁殖对生态系统乃至地球来说意味着灾难。,细胞增殖(cell prolifera

2、tion)的意义,细胞增殖(cell proliferation)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。,第一节 细胞周期与细胞分裂,细胞周期(cell cycle)概述 有丝分裂(mitosis) 胞质分裂(Cytokinesis) 减数分裂(Meiosis),第二节 细胞周期的调控(Cell-Cyc

3、le Control),细胞周期调控系统的主要作用 细胞周期检验点(Cell Cycle Checkpoint) MPF 细胞周期调控因子 Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转 细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控),一、细胞周期(cell cycle)概述,细胞周期 细胞周期中各个不同时相及其主要事件 特异的细胞周期,与有丝分裂直接相关的亚细胞结构 1、中心体(centrosome)： 与微管装配和细胞分裂密切相关，有一对位于细胞中央的中心粒和周围的无定型物质构成。两个中心粒相互成直角，每一个成圆筒状，直径0.2m ，圆筒壁由9组三联管构成，分和微管蛋白，圆筒的周围有蛋白等。

4、中心体连同四射的微管构成“星体”。 中心体G1期末开始复制，S期结束，G2期开始分开并向两级移动。,细胞分裂的中心体循环,中心体在Gl期末复制； 在S期，复制后的一对中心体仍联结在一起； 到G2期，一对中心体开始分离并逐渐向细胞两极移动；细胞分裂结束，于细胞分离，各获得一个中心体。,2、动粒与着丝粒： 动粒又称着丝点（kinetochore）是附在着丝粒上的结构，每条中期染色体上有两个动粒，分别位于着丝粒的两侧，分裂时进入子细胞，S期时动粒复制。电镜下，动粒为园盘状的结构，分内、中、外三层。动粒和着丝粒结构和功能联系紧密，常被称为着丝粒动粒复合体。 已有几种动粒蛋白被分离，包括CENP-A,B

5、,C,E,F等。着丝粒DNA主要由a卫星DNA构成，常深入到动粒的内层。染色体依靠动粒捕捉纺锤体极体微管。,3、纺锤体 与染色体的分离直接相关，主要由微管和微管蛋白组成，两端为星体。动粒微管连接动粒和中心体，极性微管的一端游离，从两级发出的极性微管常在赤道处搭桥。 中心体装配涉及中心体周围微管的装配和中心体分离，中心体分离需要移动素类蛋白(kinesin related proteins KRPs)和细胞质动力蛋白(dynein)的作用。前者负责微管向正极移动，后者负责微管向负极移动。负向运动的蛋白先负责搭桥，将被结合的微管牵拉在一起，正向运动蛋白将纺锤体拉长。,有丝分裂过程中纺锤体和染色体的

6、运动,纺锤体装配过程,A：中心体分离，负向运动动力蛋白与来自姐妹中心体的纺锤体微管结合； B：借助动力蛋白向微管负极运动，将纺锤体微管牵拉在起，形成早期纺锤体； C：正向运动动力蛋白在纺锤体管之间搭桥，借助正向运动，将纺锤体拉长； D：负向运动的动力蛋白在细胞膜和星体微管之间搭桥，借助负向运动，将中心体进一步拉近两极的细胞膜，纺锤体进一步被拉长。,二、有丝分裂(mitosis),前期(prophase) 前中期(prometaphase) 中期(metaphase) 后期(anaphase) 末期(telophase),三、胞质分裂(Cytokinesis),动物细胞胞质分裂 植物细胞胞质分裂

7、,四、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,细胞周期,概念： 细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分完成所经历的一个有序过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。 细胞周期时相组成 细胞周期时间 根据增殖状况，细胞分类三类,细胞周期时相组成,间期(interphase): G1phase，S phase，G2 phase M phase: 有丝分裂期(Mitosis), 胞质分裂期(Cytokinesis) 细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，在间期细胞体积增大(生长)，在 M 期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期

8、。,细胞周期时间,不同细胞的细胞周期时间差异很大 S+G2+M 的时间变化教小，细胞周 期时间长短主要差别在G1期 有些快速分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期,根据增殖状况，细胞分类三类,连续分裂细胞(cycling cell) ，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。 休眠细胞暂不分裂(Go细胞) ，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称Go期细胞，如淋巴细胞、肝细胞等。 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。 Go期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前可能被认为是

9、Go期细胞。,细胞周期中不同时相及其主要事件, G1期 S 期 G2期 M 期,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。,G2期,DNA复制完成，在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子,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。,S期,DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构 S期DNA合成不同步,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

10、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,爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期,1.细胞分裂快,无G1期, G2期非常短,S期也短(所有复制子都激活), 以至认为仅含有S期和M期 2.无需临时合成其它物质 3.子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小 4.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是一致的,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 酵母细胞周期明显特点: 1.酵母细胞周期持续时间较短； 2.封闭式细胞分裂 ，即细胞分裂时核膜不解聚； 3.纺锤体位于细胞核内； 4.在一定环境下，也进行有性繁殖,植物细

11、胞的细胞周期,1.植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期 非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期。 2.植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常 组装纺锤体。 3.植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂,细菌的细胞周期,1.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 2.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,前期(prophase),标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩(condensation)形成有丝

12、分裂染色体(mitotic chromosome） 第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体 (mitotic spindle)开始装配 Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡,中期染色体由两条染色单体(chromatid)构成 在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复 合物称为动粒(kinetochore),间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，形成两个中心体。 当前期开始时，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。,前中期和中期,后期姊妹染色体分离,末期,细

13、胞有丝分裂周期,前中期(prometaphase),核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中 特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体 纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体 每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保 证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后， 形成三种类型的微管 不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由前中期 逐渐向中期运转。,中期(metaphase),所有染色体排列到赤道板(Metaphase Plate)上，标志着细胞分裂已进入中期 是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？ 着丝粒微管动态平衡形成的张力,后期(anaphase),排列在赤道面上的染色体的

14、姐妹染色单体分离产生向极运动 后期(anaphase)大致可以划分为连续的两个阶段，即后期A和后期B 后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动 后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长，介导染色体向极运动,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,动物细胞胞质分裂,胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在 赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为 分裂沟(furrow)。分裂沟的位

15、置与纺锤体极性微管和钙离子浓度升高的变化有关,胞质分裂开始时，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（contractile ring)。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞,植物细胞胞质分裂,与动物细胞胞质分裂不同的是，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,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,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

16、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。,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中期板上,第 一次分列时,同源染色体分开,减数分裂前S期与有丝分裂前S期长度比较,1.前期I分为细线期，偶线期，粗线期，双线期， 终变期等五个阶段 2.形成联会复合体(Synaptonemal Complex, SC) 3.同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组合,在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶 和蛋白,然后自身失活(正调控) 确保每一时相事件的

17、全部完成(负调控) 对外界环境因子起反应(如多细胞生物对增殖信号的反应),一、细胞周期调控系统的主要作用,现有研究发现与细胞周期调控有关的分子主要有3大类，分别是 1.细胞周期蛋白(cyclins) 2.细胞周期蛋白依赖性激酶(CDKs) 3.细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子(CDIs) 在这些因子中，细胞周期蛋白依赖性激酶(CDKs)是调控网络的核心，cyclins对CDKs具有正性调控作用，对CDIs有负性调控作用，这些因子共同构成了细胞周期调控的分子基础。,细胞周期蛋白(cyclin)最早是由Evans等人于1983年在海胆卵细胞中发现的特殊蛋白质（cyclinA、cyclinB），它们的

18、含量随细胞周期的进程变化而消长，一般在细胞间期内积累，在分裂期消失，是细胞进入M期必须的成分。 目前在不同物种中发现的细胞周期蛋白已有数十种，其中研究较为深入的有8种，分别命名为cyclin AH。它们分别在细胞周期不同时期程序性地合成和释放。 作为调节亚基，cyclins需与催化亚基CDK形成复合物，在细胞周期的相应时期发挥调节作用 。 cyclins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。,CDKs为细胞周期（cell division cycle，cdc）基因编码的蛋白质产物。cdcs是酵母生物学家首先发现的与酵母细胞分裂和细胞周期调控有关的一序列基

19、因，其编码的蛋白质产物CDKs具有潜在的蛋白激酶活性。 研究者分别从人类、非洲爪蟾和果蝇的cDNA文库中分离到十多个，目前命名的有8个成员，分别为CDK 18。 不同cdc基因编码的CDK各不相同，但它们都含有一段相似的氨基酸序列，都能与Cyclin结合从而表现出蛋白激酶活性，并且必须与Cyclin结合后，才能表现出激酶活性，因而CDKs被称为周期蛋白依赖性激酶。,Fission yeast,budding yeast,与Cyclins相比，CDKs在细胞周期中的含量较为恒定。不同的CDK既能与相应的Cyclin结合促进细胞周期运转，也能与CDI抑制因子结合，抑制细胞周期停滞于某一时相。此外，

20、CDK还可以通过自身的磷酸化状态的改变来调节其活性，如CDKs分子中Tyr残基磷酸化和Tyr残基去磷酸化，可使CDK激活，而活化的TyrI残基去磷酸化则使CDK失活,CDIs为细胞内CDKs蛋白激酶活性的负性调控蛋白因子，目前研究较为深入的抑制蛋白大致分为两类： 一类是对外源信号显示出重要作用的；另一类是细胞周期调控，特别是关卡调控中的内源性CDIs分子，如：以p21为代表的CIPKIP家族，主要对G1期的CDKs起抑制作用；以p16为代表的INK家族，主要抑制CDK4和CDK6激酶活性，这些CDIs与相应的CDK-Cyclin结合，使相应的配体CDK失活，从而抑制细胞增殖，促进细胞分化。,二

21、、细胞周期检验点(checkpoint),细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制, 主要是确保周期每一时相事件的有序、全部完 成并与外界环境因素相联系 细胞周期检验点及其作用 G1期检验点：酵母-Start；动物细胞-Restriction Point,三、MPF(Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor),MPF(Maturation-promoting factor， Mitosis-promoting factor)的发现及其生化实质 Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能,MPF的发现及其生化实质,细胞融合

22、与PCC(Premature chromosomal condense) 爪蟾卵子成熟过程 MPF的发现 MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶: 由M期Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein kinase) 形成的复合物。MPF=CDK1=p34cdc2+cyclinB,Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能,活化 随Cyclin浓度变化而变化 激酶与磷酸酶的调节 活化的MPF可使更多的MPF活化 功能：启动细胞从G2期进入M期的相关事件,四、Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转,Cyclin-Cdk复合物的多样性 Cyclin

23、-Cdk-调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白与不同的CDK结合，构成不同的Cyclin-Cdk；不同的Cyclin-Cdk在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。 G1 Cyclin-Cdk复合物对Rb蛋白磷酸化而调控G1检验点 Mitotic Cyclin-Cdk复合物激活 Anaphase Promoting Complex (APC), 调控纺锤体装配检验点 周期细胞M-Cyclin的调控 细胞周期调控模型总结,不同类型的CDK/cyclin复合体,*包括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

24、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。

25、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,APC介导选择性降解的靶蛋白与Ubiquitin结合 (通过泛素依赖性途径降解) APC主要介导两类蛋白降解: Anaphase Inhibitors 和Mitotic Cyclin. 前者维持姐妹染色单体粘连, 抑 制后期启动；后者的降解意味着有丝分裂即将结

26、束，即染色体开始去凝集，核膜重建。 Cdc20 和Mad2蛋白位于动粒上，在染色体结合有 丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放，由于Mad2 与Cdc20结合而抑制APC的活性。所以只有所有染色 体都与纺锤体结合后，APC才有活性，才启动细胞 向后期转换。,五、细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控),细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转： Cdk抑制蛋白(CDI)阻止Cyclin-Cdk复合物的装配或活性；周期调控系统组分停止合成。 CDI包括CIP/KIP家族和INK4家族，其作用是抑制Cyclin-Cdk复合物的装配或活性，而将细胞阻止在不同的检验点。如DNA受损后，细胞将停留于G

27、1 Checkpoint 让DNA修复或者凋亡 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，这在多细胞生物尤其明显。,肠上皮细胞,Experimental demonstration of the coordinated Synthesis of DNA and hitones.,有两类马达蛋白参与染色体和分裂极的分离，一类是动力蛋白（dynein），另一类是驱动蛋白（kinesin）。 植物没有中心粒和星体，其纺锤体叫作无星纺锤体，分裂极的确定机理尚不明确。,.,MT behavior during formation of the metaphase plate

28、. Initially,MT from opposite poles are different in length.,Experimental demonstration of the importance of mechanical tension in metaphase checkpoint control.,染色体运动的动力机制 有数种蛋白与染色体的排队有关，包括Mad和Rub，他们可使动粒敏感化，便于微管与动粒接触。动粒被微管捕捉后如何排列在赤道板上有两种解释，即牵拉假说和外推假说。,染色体列队,Mad 蛋白和Bub蛋白使动粒敏感化，使动粒与微管接触,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，染色体即被稳定在赤道板上(图A)； 外推假说： 染色体向赤道方向移动，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，染色体即被稳定在赤道板上(图B)。,马达蛋白和微管蛋白共同协作，使染色体分离,Dividing Muscle Myoblast (primitive muscle cell