细胞生物学课件：第十章细胞周期

1、第十章 细胞生长、分裂 和细胞周期,物质准备和细胞分裂的连续过程。通过细胞分裂产生与母细胞遗传特性相同的子细胞, 使细胞数目增加的过程。,细胞增殖 (cell proliferation),有机体的生长发育,成熟个体生命活动的维持,机体损伤的恢复,都需进行 细胞增殖,细胞增殖是有机体生命活动重要特征。,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。 一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持 这一速度，则两天即可超过地球的重量。,第一节 细胞分裂

2、,无丝分裂（amitosis),有丝分裂（mitosis),减数分裂（meiosis),细胞分裂的方式,直接分裂,间接分裂,成熟分裂,无丝分裂过程示意图,2.遗传物质不一定平均分配到两个 子细胞,一、无丝分裂（amitosis）,特点：,1.不形成纺缍体和染色体,二、有丝分裂,核分裂,胞质分裂,真核细胞的主要增殖方式，细胞 分裂过程中通过有丝分裂器以确保 遗传物质平均分配到两个子细胞， 确保遗传物质的连续性和稳定性。,三、减数分裂,有性生殖个体在生殖细胞成熟过程中 所发生的一种特殊的细胞分裂方式。,特点：,染色体复制一次，细胞连续分裂两次， 子细胞染色体数目只有母细胞的一半。,1.有丝分裂的过

3、程,间 期,早 前 期,晚 前 期,1）前期（prophase）,核仁、核膜解体（标志前期结束）,分裂极的确定（纺锤体形成）,染色质凝集（M期开始标志）,中 期,2） 中期（metaphase）,染色体排列到赤道面（quatorial plane）上,形成完整的有丝分裂器 （mitotic apparatus）,由纺缍体、中心体和染色体共同组成的复合装置,纺缍体（spindle） 由动粒微管、星体微管、极间微管构成 （kinetochore, astral, polar microtuble),有丝分裂器的功能： 是一个暂时性的细胞器，专门执行有丝分裂功能，在ATP提供能量下产生推 拉力量，以

4、确保两套遗传物质能均等地分配给两个子细胞。,后 期,3）后期（anaphase）,微管解聚学说,动粒微管 不断解聚，动粒微管缩短 ，染色体呈“V”字形被拉向两极。,极移动学说,认为染色体在后期的移动是由动粒 微管和极间微管的滑动实现的。,末 期,4）末期（telophase）,子核的形成,染色体解螺旋成染色质,核仁重现,核膜重新形成,胞质分裂（cytokinesis） 出现在后期末或末期初，动物细胞 是通过收缩环实现的，在细胞中部发 生缢缩，致使细胞膜在此处断裂，形 成两个子细胞。,与有丝分裂直接相关的亚细胞结构,三种周期,细胞核周期（染色体周期）：遗传物质 复制和均等分配的过程。,细胞质周期

5、：细胞质生长、分裂交替进 行的过程,中心体周期：子中心粒的“新生”、生长、 成熟以及中心粒的分离、移动、组装 纺锤体至分配到两个子细胞的过程。,中心粒的结构示意图,中心体,中心体周期,中心体周期,G1期：一对互相垂直的中心粒,S 期：两个中心粒稍有分离，在每一 个中心粒的基部垂直方向生长 出一个子中心粒,G2期：子中心粒不断长大,M 期：两个中心粒对逐渐分离，并包 埋在一团中心粒周围物质中， 形成单个中心体，成为微管组 织中心，组织纺锤体 及星体， 到M末期每个子细胞各获得一 对中心粒。,动粒与着丝粒,纺锤体,生殖细胞的发生与减数分裂,一、生殖细胞的发生,（一）精子的发生,精原细胞,2n,初级

6、精母细胞,2n,次级精母细胞,精细胞,精子,n,n,n,增殖期,生长期,成熟期,变形期,有丝 分裂,（减数分裂）,（二）卵子的发生,卵原细胞,2n,初级卵母细胞,2n,次级卵母细胞,卵细胞,（n）,增殖期,生长期,成熟期,有丝 分裂,第一极体,第二极体,（n）,第二极体,（n）,（n）,（减数分裂）,（n）,2、减数分裂,有性生殖：通过雌雄生殖细胞的结合产生后代的生殖过程称有性生殖。是高等动、植物的生殖方式。 一、配子发生：即精子、卵子的形成过程。 一)精子的发生 1、发生部位：睾丸曲细精管上皮中。 2、发生过程：增殖期、生长期、成熟期、变形期。,二)卵子的发生过程 1、 发生部位：卵巢的生殖

7、上皮中。 2、 发生过程：增殖、生长、成熟期。 三)精、卵发生的异同点 1、 相同点：1)在成熟期均经过两次 连续的分裂(减数分裂)，子细胞的染色体数目均减半。 2)都具有增殖、生长、成熟等时期。,2、不同点： 1)数目不同：一个初级精母细胞 4个精子(2个x、2个y)而一个初级卵母细胞1个卵子和3个第2极体。 2)精子分裂子细胞是均等的，卵子分裂是不均等分裂，子细胞大小不同。 3)精子发生的时间只需6070天，而卵子发生需要少则十几年，多则几十年的时间。 4)精子发生过程中有变形期，卵子发生无。,意义： 1、保持物种上下代之间遗传物质的相对稳定。 2、生物界生物类型多样化的遗传物质基础。 3

8、、减数分裂是遗传三大基本规律的细胞学基础。 四、受精：精子与卵子结合成合子的过程。一个人一生中产生的精子可达10个。精子在阴道时，精液对顶体酶释放抑制解除。顶体酶释放，头部钻入卵细胞膨大成雄原核与卵子的雌原核结合，两核结合完成受精。,减数分裂：是有性生殖个体的生殖 细胞在形成过程中所进行的特殊分 裂方式。细胞连续分裂两次，DNA 只复制一次，结果产生染色体数目 减半的生殖细胞（配子：精子或 卵子）。,（一）减数分裂过程,减数分裂,第一次减数分裂,第二次减数分裂,前期,中期,后期,末期,细线期,偶线期,粗线期,双线期,终变期,前期,中期,后期,末期,减数分裂 I,前 期 I,前 期 I,前 期

9、I,细线期：染色体呈细线状,偶线期：同源染色体联会,粗线期：非姐妹染色单体交叉互换,双线期：同源染色体开始分离, 端化,终变期：染色体最短、最粗 核仁、核膜消失,细线期(leptotene)核内出现细长如线的染色体，染色体围绕核仁凝聚呈“半月形”。 由于染色体在间期已经复制,这时每个染色体都是由共同的一个着丝点联系的两条染色单体组成,偶线期(zygotene)同源染色体（homologous chromosomes）开始配对pairing）和重组（recombination），形成开始后联会复合体(SC）。染色体仍主要集在核仁周围，但开始有所散开。,粗线期(pachytene) 完全联会配对（

10、fully synapsed），染色体明显缩短变粗，分散在核液中，易于鉴别。因为二价体实际上已经包含了四条染色单体,故又称为四分体.在二价体中一个染色体的两条染色单体,互称为姊妹染色体。而不同染色体的染色单体,互称为非姊妹染色单体。此时非姊妹染色单体间出现相互交换(reciprocal recombination)。 二价体是指同源染色体对应部位相互紧密排列,并纵向联结在一起,这样联会的一对同源染色体就称为二价体。,双线期(diplotene) 同源染色体分开，但交叉处仍相连（the homologous chromosomes separate but remain associated b

11、y chiasmata）, 这种交叉现象是非姊妹染色单体之间某些片段在粗线期发生相互交换的结果.,终变期（diakinesis) 染色体纵向收缩（chomosovnes contract lengthwise），高度浓缩变粗。此时每个二价体分散在整个核内，可以一一区分开来，所以是鉴定染色体数目的最好时期（数目为体细胞的半数）。,中期 I,后期 I,末期 I,减I,前期I,中期I：四分体排列在赤道中央。,后期I：同源染色体彼此分离， 随机分配给两个子细胞。,末期I：染色体解旋, 核膜核仁重现， 子细胞形成。,减数分裂间期,无DNA复制，只进行动粒的组装 和中心粒复制,减数分裂II,前 期 II,

12、中 期 II,后期 II,末期 II,减II,前期II：纺锤体形成，核膜消失,中期II：二分体排列在细胞中央,后期II：着丝粒分裂，姐妹染色 单体分离,末期II：单分体移向两极，解旋， 胞质分裂,（二）减数分裂的生物学意义,1、保持生物物种染色体数目的相 对稳定,2、为遗传规律提供了细胞学基础,3、为生物的多样性提供了源泉,（三）比 较,减数分裂,有丝分裂,两次连续的细胞分裂,同源染色体分离,姐妹染色单体分离,姐妹染色单体分离,一次细胞分裂,染色体数目减半,染色体数目不变,有同源染色体的联会 非姐妹染色单体之间 遗传物质的交换,同源染色体的行为 是独立的，无联会 一般也无交换,第二节 细胞周期

13、,一、概述,细胞周期是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的整个过程,（一）细胞周期（cell cycle),细胞周期,分裂间期 （interphase),G1期（Gap I, DNA合成前期),S期（synthetic phase, DNA合成期）,G2期（Gap II, DNA合成期）,有丝分裂期 （丝裂期，M期） （mitotic phase),前期（prophase),中期（metaphase),后期（anaphase),末期（telophase),（三）细胞周期活动,细胞生长：DNA复制，细胞结构、 功能单位的合成,细胞分裂：细胞核质的分裂,二、细胞周期各时相

14、的特点,细胞周期最重要的事件有二个： DNA在S期复制。 （染色体复制） 2.遗传物质平均分配到两个子细胞。,（在M期，染色体平均分配到两个 子细胞）,（一）G1期,G1期是指有丝分裂完成后与S期开始 之间的间歇时期，又称为DNA 合成前期。,1）G1期的时间长度变化大,1、G1期的主要特点：,2）G1期的生化活动活跃,3）限制点调节细胞增殖,2、G1期的主要生化活动,G1A态 （初期）,合成蛋白质与糖类,合成RNA(三种）,cAMP与cGMP相互形成,G1B态 （晚期）,合成钙调素（CaM） （与细胞进入S期及DNA合 成有直接相关性）,合成DNA复制所需要的原料 （脱氧核苷酸、DNA聚合酶

15、 胸苷激酶等）,3、限制点（restriction point,R点）,G1期时间变化最大的最根本原因 是具有一个调节细胞增殖周期开和 关的 “阀门”，即限制点。,由于R点的限制作用，使细胞群体 中存在如下三种不同增殖活性的细胞：,1） 继续增殖细胞,3） 不增殖细胞,由于R点作用，暂时脱离细胞周期不进行 增殖（G0期)，但给予适当刺激后可重新 进入细胞周期。如淋巴细胞、肝、肾细胞,2） 暂不增殖细胞,在细胞周期中连续运转的细胞。 如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。,指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细 胞，又称终末分化细胞，如神经、肌肉、 多形核细胞等。,（二）S期,完成DNA复制、组蛋白合成

16、 染色质在S期复制成相同的两份,主要特点：,1. DNA复制是细胞分裂的基础,半保留复制，保证了遗传物质的 稳定性。,特点：,以复制单位（复制子）方式进行,双向复制,各区段的复制子之间有恒定的顺 序性,2. 组蛋白的合成与DNA的复制同步 进行,羟 基 脲 阿糖胞苷,DNA 合 成抑制物,S期,DNA合成停止,组蛋白合成停止,环己亚胺嘌呤霉素,蛋白质合 成抑制物,S期,DNA合成停止,组蛋白合成停止,3. 核小体组装,DNA合成后2分钟内就和组蛋白 参与核小体的形成，组蛋白合成后转 移至核内，共同完成核小体组装。,（三）G2期,1. SPF失活,保证一个周期中DNA只复制一次,2. 能量准备,

17、3. 合成RNA和有丝分裂相关的蛋白质,如微管蛋白的合成,高浓度的放线菌素D,G2细胞,抑制RNA聚合酶,mRNA停止转录,蛋白质合成停止,细胞不进入M期,4. MPF的活化,M期促进因子（M-phase Promoting factor，MPF)，是有丝分裂调控因子，使细胞从G2M, M期完成后，MPF失活，细胞进入间期。,（四）M期,M 期 的 主要特点,染色质组装成染色体 有丝分裂器的形成 核仁和核膜的消失与重建 染色体的平均分配 子细胞的形成,二、 细胞周期的调控,多细胞生物依靠细胞自主复制进行个体的生长、发育和繁殖，细胞增殖是一个多阶段，多因子参与高度精确、有序的活动过程，而这个过程

18、是由不同基因严格按照时间顺序表达的结果，也是基因与环境因子相互作用的结果。,(一)细胞周期蛋白(cyclin)是一类周期的变化呈周期性的出现与消失的蛋白质。真核生物中，细胞周期蛋白可分为A、B、C、D、E。,C、D、E驱动通过G1。 A促进G1 S B促进G2 M,早熟染色体凝集 （premature chromosome condensation),细胞周期调控因子MPF M期促进因子 可诱导间期细胞产生PCC， 促进染色质凝集成染色体。,组成,细胞周期蛋白依赖激酶（cdk1) (32kD),细胞周期蛋白B (cyclin B) (62kD),M期促进因子（MPF）,Cdk1: 又称P34蛋

19、白，催化亚单位，连续 合成，含量稳定,cyclin B: 又称P56蛋白，调节亚单位， 其合成和降解随细胞周期变化，G1期开 始合成，G2/M达到很高水平，M中期达 到峰位，M后期下降，使MPF失活，细 胞退出M期。cyclinB含量规律性的升降 调节着MPF的活性，对有丝分裂过程起 着“开关”的作用。,细胞分裂周期基因 (cell division cycle gene, cdc gene),编码细胞周期各时相中的各种不同 功能的蛋白质的基因。现已发现有40 多个基因产物影响细胞周期运转,芽生酵母细胞分裂周期cdc基因,细胞周期控制系统,组 成,细胞周期蛋白（cyclin),细胞周期蛋白依赖

20、激酶 （cyclin-dependent kinase, CDK),cdk抑制因子（cdk inhibitor, CKI),1、cyclin的种类和特性,已鉴定有8类12种：cyclin A（A1 A2) B(B1、B2、B3)、C、D(D1、D2、D3) E(E1 E2)、F、G、H,G1期cyclin (C、D、E),M期cyclin (A、B),cyclin,2、CDK的调节,CDK家族有CDK 1-7等7种 每种CDK结合不同类型的cyclin形成复合物，调节细胞从G1期过渡到S期或G2期过渡到M期以及退出M期的进程。,3、CKI的调节,CKI能结合和钝化cyclin-CDK 复合物，

21、从而调节细胞周期进程。,哺乳动物中目前所知的ckI按结构分为：,p21家族：p21、p27,p16家族：p16、p15,CKI,细胞周期检验点（check point),细胞周期调控因子,外源性 因 子,生长因子（growth factor, GF),抑素（chalone),cAMP与cGMP,钙调素（calmodulin, CaM),内源性 遗传因子,细胞分裂周期蛋白,原癌基因和癌基因,抗癌基因（抑癌基因）,生长因子（growth factor, GF),生长因子是一类通过与特异的，高亲和性的细胞膜受体结合，把调节增殖的信息传递到细胞内部，最终调节细胞生长的多肽类物质。,1、定义:,2、生长

22、因子的特性,生长因子无种属特异性，但有一定的组织特异性，不同种类的细胞需要不同的生长因子，并具有不同的生长因子受体。而每种细胞可以有几种不同的受体，接受不同生长因子的顺序性调节。,内分泌型：通过血液携带作用于远处 的细胞。如表皮生长因子,旁分泌型：作用于邻近细胞,自分泌型：源于产生生长因子的细胞 本身。如肿瘤细胞,根据体内生长因子产生细胞和接受细 胞之间的关系分为三种模式：,3、类型,4、常见的生长因子,5、生长因子的作用,生长因子对细胞增殖的调节是 通过与生长因子受体结合，激活 细胞内一系列信号通路，引起细 胞增殖的反应。,表皮生长因子受体,伸出膜外与EGF结合的氨基端区域 （621个AA)

23、,构成：,锚定在细胞膜上的中间跨膜区域 （23个AA),具有蛋白激酶结构域的细胞质内 羧基端区域（524个AA),表皮生长因子受体结构图解,生长因子催化S6蛋白磷酸化示意图,6、生长因子的协同性,正常细胞增殖活动需多种生长因子 的共同调控，不同的生长因子在细 胞周期的不同阶段发挥作用。,如G0期的3T3细胞,G0,PDGF,启动因子,G1,EGF IGF,推进因子,R点,S,抑 素,一类由细胞自身产生的、终止 细胞增殖的信号分子，属于分泌 型蛋白。,1、生物学特性,1）抑素作用的组织本身产生的生 理性抑制因子,2）作用可逆，对细胞本身无毒,3）具严格的细胞系特异性,4）无种属特异性,各种组织的

24、提取物对小鼠 耳廓表皮有丝分裂活性的影响,组 织 提 取 物,表皮,肝,肾,肺,脑,有无抑制,+,表皮 提 取 物,小鼠,大鼠,豚鼠,兔,有无抑制,+,+,+,+,四种动物的表皮提取物 对小鼠表皮有丝分裂的影响,2、抑素的作用,G1期抑素：作用于G1期，阻碍细胞 进入S期,G2期抑素：作用于G2期，阻碍细胞 进入M期,两种抑素无交叉作用,3、癌细胞对抑素的反应,1）对抑素的敏感性大大下降,2）自身产生的抑素量下降，仅为正 常细胞的1/10 1/40,3）膜受体改变，不能结合抑素,1 CaM的分布 1）因细胞类型不同而有所变化 2）在细胞周期的不同时相分布不同 间 期 :细胞质的纤维性结构 前

25、期 :分散于细胞质中 中/后期:染色体与纺锤体极之间 末 期 :细胞的两极,钙调素（calmodulin, CaM),2、CaM的功能,1)参与DNA合成和细胞增殖的调控 2)在DNA修复过程中起作用 3)参与基因选择性表达 4)参与有丝分裂过程中微管的组装及 染色体运动的调节,原癌基因和癌基因,1、癌基因(oncogene，onc) 是存在于病毒或各种动物细胞中的一类在一定条件下能使正常细胞转变为癌细胞的基因。,病毒癌基因 (virus-oncogene,v-onc.) 细胞癌基因 (cellular-oncogene,c-onc),2、原癌基因(proto-oncogene) 控制细胞生长

26、、发育的正常细胞癌基因称为原癌基因，在正常情况下，是细胞进行正常生命活动必不可少的。,原癌基因产物及其作用, 生长因子类 如p28sis ,与PDGF的链有92%的同源性,可模拟PDGF的作用, 生长因子受体类 如erb-B编码的蛋白是一个截顶的 EGF受体,在没有EGF作用的条件下不 断提供生长信号, 酪氨酸蛋白激酶类 src、abl、fes等编码的产物具酪氨酸蛋白激酶活性,是信息传递的传感器, GTP结合蛋白类 ras基因产物有类似G蛋白的作用,对鸟苷酸有高亲和性,有两种结合形式 一是与GTP结合的活性形式 二是与GDP结合的非活性形式 ras基因突变时,突变产物p21蛋白可长时间与GTP结合,保持p21-GTP结合的活性形式, 核内转录因子 myc、fos、jun等编码的产物为核内转录因子,PDGF、EGF等,3T3细胞,myc转录mRNA,调节蛋白,增殖调节（G1/S),是一类能抑制细胞生长并能潜 在抑制癌变作用的基因，这类基 因的丢失或失活会导致细胞癌变。 如Rb基因和P53基因,3、抗癌基因(anti-oncogene),1）Rb基因：编码产物(p105Rb )的分 子量为105kD。,p105Rb,磷 酸 化：失活状态，使细胞 进入增殖周期,去磷酸化：活化状态，可抑制 细胞增殖,2）