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第12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(cell proliferation)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-Cycle 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 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 细胞周期长短测定 细胞周期同步化 特异的细胞周期,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,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): G1 phase，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。,细胞周期时间,·不同细胞的细胞周期时间差异很大 ·S+G2+M 的时间变化较小，细胞周 期时间长短主要差别在G1期 ·有些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) ·休眠细胞(Go细胞) ·终末分化细胞 G0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G0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,细胞周期长短测定,脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法 流式细胞仪测定法(Flow Cytometry) 缩时摄像技术， 可以得到准确的细胞周期时间及分裂间 期和分裂期的准确时间。,细胞周期同步化,自然同步化，如有一种粘菌的变形体plasmodia， 某些受精卵早期卵裂 人工选择同步化 药物诱导法 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用： 将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移 到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞 周期中某一特定时期。,人工选择同步化,·有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点是细 胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点是 分离的细胞数量少。 ·密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量 上存在差别进行分离。优点是方法 简单省时，效率高， 成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。,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,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,·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 ·无需临时合成其它物质 ·子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小 ·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: 酵母细胞周期持续时间较短； 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； 在一定环境下，也进行有性繁殖,植物细胞的细胞周期,·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。 ·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。 ·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,· 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,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,·这种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(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,·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 ·形成联会复合体(Synaptonemal Complex, SC) ·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,二、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-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,Cyclin-Cdk复合物的多样性,G1 S G2/M Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Budding Yeast CLN1,2,3-CDC28 CLB5,(3,4)-CDC28 CLB1,2(3,4)-CDC28 Fission Yeast CIG1-CDC2 CIG2-CDC2 CIG13-CDC2 Higher Eukaryotes CyclinD1,2,3-CDK4/6 CyclinA-CDK2 CyclinB-CDC2 CyclinE1,2-CDK2,G1 Substrates,S Substrates,G2/M Substrates,Growth and Morphogenesis,DNA Replication,Mitosis,·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 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G1 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。,Experimental demonstration of the coordinated Synthesis of DNA and hitones.,.,MT behavior during formation of the metaphase plate. Initially,MT from opposite poles are different in length.,Experimental demonstration of the importance of mecha- nical tension in metaphase checkpoint control.,a. Electron micrograph of SC of human pachytene bivalent. (K: kinetochore; arrow: recombination nodules); b. Schematic diagram of SC; c. Electron micrograph of SC after treatment with DNase to remove chromasomal fibers.,Visible evidence of crossing over,人M期细胞与袋鼠（Ptk）G1、S、G2期细胞融合诱导PCC：提示M期细胞存在诱导PCC的因子；,处于第六期的爪蟾卵母细胞（RD前期I），具GV。,注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟卵细胞质中，含有卵母细胞成熟的因子，称做MPF。,CDK1的调节与活化; CAK=CDK1-Activiting Kinase,减数分裂 （第一次成熟分裂）,前期： 持续时间长，数周到数十年，进行染色体配对，基因重组，合成一定RNA与蛋白质。分细线，偶线，粗线，双线，终变。 中期 ： 核膜破裂，四分体排列于赤道板，具有四个动粒，姐妹染色单体的动粒位于同一侧。 后期 ： 同源染色体分离。 末期 ，胞质分裂与减数分裂间期： 1，回复到一般间期细胞，但无DNA复制 2，不完全回复到间期，直接进入第二次成熟分裂。,分裂前期分类,细线期 染色质开始凝集 偶线期： 同源染色体配对，形成二价体，也称四分体 其配对过程称联会，联会部位形成联会复合体。 粗线期： 染色体浓缩，DNA片段交换与重组。 双线期： 重组结束，同源染色体基本分离。 终变期 染色体形成短棒状结构,Visible evidence of crossing over,第二次成熟分裂：,与一般有丝分裂相似。 对于不回复到间期的类型，染色体到达两极后，中心粒一分为二，纺锤体重新组装，染色体排列于新的赤道板上，进入中期。 减数分裂后产生四个细胞。,meiosis,