细胞生物学：第十三章细胞周期.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,细胞增殖是生命的基本特征。,初生婴儿,10,12,个细胞，成人,10,14,个，约,200,种类型。,成人每秒钟有数百万新细胞产生。,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 基本概念,MAJOR CONCEPTS,一、什么是细胞周期,细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。分为：,G1,期,(gap1),，分裂完成到,DNA,复制之前。,S,期,(synthesis phase),，,DNA,复制阶段。,G2,期,(gap2),，,DNA,复制完成到分裂之前。,M,期，又称,D,期，分裂开始到结束。,二、细胞周期时间的测定,G,1,期差异较大，,M,期最短，约,0.5,4.5,小时。,周期长短与物种,/,细胞类型有关。,测定方法：标记有丝分裂百分率法（,PLM,），用,3,H TDR,对测定细胞,脉冲,标记、定时取材，通过统计标记有丝分裂细胞百分数来测定细胞周期。,50,100,T,G2,0,T,M,T,s,T,c,T,G2,+1/2T,M,T,PLM,常以（,T,G2,+1/2T,M,）,-T,G2,的方式求出,T,M,三、细胞同步化,（一）自然同步化,1.,多核体：粘菌、疟原虫。,2.,水生动物受精卵：海胆、两栖类。,3.,增殖抑制解除后的同步分裂：真菌休眠孢子。,（二）人工同步化,1.,选择同步化,1,）有丝分裂选择法,优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。,缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占,1%,2%,）。,2,）细胞沉降分离法,优点：可用于任何悬浮培养的细胞。,缺点：同步化程度较低。,2.,诱导同步化,1,）,DNA,合成阻断法：用,DNA,合成抑制剂，可逆阻断细胞周期，然后释放。常用,TDR,双阻断法。,优点：同步化程度高；,缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。,2,）中期阻断法,用秋水仙素等微管抑制剂将细胞阻断在中期。优点是便于观察染色体，缺点是可逆性较差。,第二节 有丝分裂,MITOSIS,一、细胞分裂的类型,无丝分裂：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：又称间接分裂，由,Fleming(1882),和,Strasburger(1880),发现。,减数分裂：,DNA,复制,1,次，细胞连续分裂,2,次。,二、有丝分裂过程,为了便于描述人为的划分为六个时期：,间期（,interphase,）；前期,(prophase),；前中期,(premetaphase),；中期,(metaphase),；后期,(anaphase),；末期,(telophase),。,间期包括,G,1,期、,S,期和,G,2,期，进行,DNA,、中心体复制，细胞体积增大等准备工作。,（一）前期,染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。,S,期中心粒已完成复制，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。,纺锤体的三种微管结构：,极体微管（,polar mt,）；,着丝点微管（,kinetochore mt,；,星体微管（,astral mt,）。,Two centrosomes,and their forming radial arrays of astral microtubules separating on the surface of an early prophase newt lung cell nucleus.,图片来自,www.wadsworth.org/,图片来自,www.wadsworth.org/,（二）前中期,从核膜解体到染色体排列到赤道面上。,（三）中期,染色体排列到赤道面上。,（四）后期,指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期,A,、后期,B,两个过程。,Anaphase A:separation of the sister chromatids.,Anaphase B:separation of the poles.,植物细胞有没有后期,B,？,Microtubules and Motors in the spindle,（五）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。,末期核纤肽,B,去磷酸化，介导核膜重新装配，同时染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。,核分裂与胞质分裂是相继发生的，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。,子核的形成与胞质分裂,动物的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由平行排列的肌动蛋白组成。,用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？,Dividing Muscle Myoblast(primitive muscle cell)(SEM x8,000),植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，形成成膜体。,来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。,第三节 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（,heterotypic division,）或减数分裂（,reductional division,）。,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（,homotypic division,）或均等分裂（,equational division,）。,为了描述方便将减数分裂分为不同时期。,Meiosis,Concepts:,Gametic meiosis,Sporic meiosis,Zygotic meiosis,减数分裂可分为3种主要类型,配子减数分裂（gametic meiosis），也叫终端减数分裂(terminal meiosis)，其特点是减数分裂和配子的发生紧密联系在一起，在雄性脊椎动物中，一个精母细胞经过减数分裂形成4个精细胞，后者在经过一系列的变态发育，形成成熟的精子。在雌性脊椎动物中，一个卵母细胞经过减数分裂形成1个卵细胞和2-3个极体。,孢子减数分裂（,sporic meiosis,），也叫中间减数分裂,(intermediate meiosis),，见于植物和某些藻类。其特点是减数分裂和配子发生没有直接的关系，减数分裂的结果是形成单倍体的配子体（小孢子和大孢子）。小孢子再经过两次有次分裂形成包含一个营养核和两个雄配子（精子）的成熟花粉（雄配子体），大孢子经过三次有丝分裂形成胚囊（雌配子体），内含一个卵核、两个极核、,3,个反足细胞和两个助细胞。,合子减数分裂（zygotic meiosis），也叫初始减数分裂(initial meiosis),仅见于真菌和某些原核生物，减数分裂发生于合子形成之后，形成单倍体的孢子，孢子通过有丝分裂产生新的单倍体后代。,此外某些生物还具有体细胞减数分裂（somatic meiosis）现象，如在蚊子幼虫的肠道中，有一些由核内有丝分裂形成的多倍体细胞（可高达32X），在蛹期又通过减数分裂降低了染色体倍性，增加了细胞数目。,一、间期,称前减数分裂间期或前减数分裂期,(premeiosis),，也分为,G1,、,S,和,G2,期。,G2,期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。,S,期时间较长，部分,DNA,（约,0.3%,左右）是在合线期合成的。,二、分裂期,（一）减数分裂,I,1.,前期,I,通常分为,5,个时期：,leptotene,，,zygotene,，,pachytene,，,diplotene,，,diakinesis,。,1）细线期:染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。持续时间最长，占减数分裂周期的40%。细线期虽然染色体已经复制，但光镜下分辨不出两条染色单体。由于染色体细线交织在一起，偏向核的一方，所以又称为凝线期(synizesis)，在有些物种中表现为染色体细线一端在核膜的一侧集中，另一端放射状伸出，形似花束，称为花束期(bouquet stage)。,2）合线期：持续时间较长，占有丝分裂周期的20%。亦称偶线期，是同源染色体配对的时期，这种配对称为联会(synapsis)。这一时期同源染色体间形成联会复合体(synaptonemal complex，SC)。在光镜下可以看到两条结合在一起的染色体，称为二价体（bivalent）。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，所以又称为四分体（tetrad）。,3)粗线期：持续时间长达数天，此时染色体变短，结合紧密，在光镜下只在局部可以区分同源染色体，这一时期同源染色体的非姊妹染色单体之间发生交换的时期。在果蝇粗线期SC上具有与SC宽度相近的电子致密球状小体，称为重组节，与DNA的重组有关。,4,）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交叉点,(chiasma),上还保持着联系。双线期染色体进一步缩短，在电镜下已看不到联会复合体。,交叉的数目和位置在每个二价体上并非是固定的，而随着时间推移，向端部移动，这种移动现象称为端化,(terminalization),，端化过程一直进行到中期。,植物细胞双线期一般较短，但在许多动物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。成熟的卵细胞直到受精后，才迅速完成两次分裂，形成单倍体的卵核。,在鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二价体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。,5,）终变期：二价体显著变短，并向核周边移动，在核内均匀散开。所以是观察染色体的良好时期。,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。终变期二价体的形状表现出多样性,如,V,形、,O,形等。,核仁此时开始消失，核被膜解体，但有的植物，如玉米，在终变期核仁仍然很显著。,2,.,中期,I:,核仁消失，核被膜解体，标志进入中期,I,，中期,I,的主要特点是染色体排列在赤道面上。每个二价体有,4,个着丝粒、姊妹染色单位的着丝粒定向于纺锤体的同一极，故称联合定向,(co-orientation),。,3,.,后期,I,：,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,2,23,个。,4,.,末期,I:,染色体到达两极后，解旋为细丝状、核膜重建、核仁形成，同时进行胞质分裂。,5,.,减数分裂间期,:,在减数分裂,I,和,II,之间的间期很短，不进行,DNA,的合成，有些生物没有间期，而由末期,I,直接转为前期,II,。,（二）减数分裂,II,可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。,一个精母细胞形成,4,个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及,2-3,个极体。,Chromosome recombination 1,Chromosome recombination 2,Minimum,number of gamete types=2,n,In humans,n=23,三、联会复合体,SC,由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。,SC,帮助交换的完成，,SC,上有重组节，是交换发生的部位。,SC,主要由碱性蛋白质和,RNA,组成，含有少量,DNA,。,SC,形成合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。在细线期,/,合线期加入,DNA,合成抑制剂，则抑制,SC,形成。,synaptonemal complex,第四节 细胞周期调控,CELL CYCLE CONTROL,一、研究背景,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。,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。,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,(MPF),。,prematurely condensed chromosome,，,PCC,G1,S,G2,Hartwell 1960s,Nurse 1970s,分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因,(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；,cdc2,和,cdc28,都编码,34KD,的蛋白激酶，促进细胞周期进行，,weel,和,cdc25,分别表现为抑制和促进,cdc2,的活性。,FISSION YEAST,BUDDING YEAST,Cdc 25&Wee1 mutant,T.Hunt 1980s,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,cyclin A,和,B,，其,mRNA,能诱导蛙卵成熟。,1988,年,Lohka,将非洲爪蟾的,MPF,纯化。经鉴定,MPF,由,32KD,和,45KD,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+clyclin B,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。,二、,CDK,cdc2,与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性激酶,(CDK),。,cdc2,又称,CDK1,，可将特定蛋白磷酸化，如：,将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；,将,H1,磷酸化导致染色体的凝缩等。,在动物中已知,7,种,CDK,。均含,PSTAIRE,保守序列，与周期蛋白的结合有关。,三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子,CKI,对细胞周期起负调控作用，分为：,Ink4:,抑制,cdk4cyclin D1,cdk6cyclin D1,。,Kip,：抑制大多数,CDK,。其中,P21,cip1,还能与,DNA,聚合酶,的辅助因子,PCNA,结合，直接抑制,DNA,的合成。,四,、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，介导与,CDK,结合。,作用：激活和引导,CDK,作用于不同底物。,已知,30,余种，分为,4,类：,G1,型、,G1/S,型、,S,型、,M,型。,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,CDK4,、,CDK6,结合，使下游的蛋白质如,Rb,磷酸化，释放转录因子,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，激活,DNA,复制。,G2-M,期，,cyclinA,、,cyclinB,与,CDK1,结合，,CDK1,引起染色体凝缩、核膜解体等。,G1 CDK activate transcription factor E2F,CELL CYCLE REGULATION,中期当,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。,分裂期周期蛋白,N,端具有降解盒。,泛素由,76,个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白能被蛋白酶体识别和降解，是细胞内短寿命蛋白和异常蛋白降解的普遍途径。,Destruction Box in Cyclins,26S,蛋白酶体是大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。,M,期,CDK,的激活起始于分裂期,cyclin,的积累。,结合,cyclin B,的,CDK1,被,Wee1,将,Thr14,和,Tyr15,磷酸化而不具有活性，使,CDK/cyclin,不断积累。,在,M,期，,Wee1,的活性下降，,cdc25,使,CDK,去磷酸化，去除了,CDK,活化的障碍。,CDK,的激活需要,Thr161,的磷酸化，它是在,CDK,激酶,(CDK activating kinase CAK),的作用下完成的。,五、,M,期,CDK,的激活,CDK ACTIVATING,六、细胞周期检验点（,check point,）,组成：感受器、信号传导通路、效应器。,主要检验点：,G1/S,检验点：,DNA,是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称,start,点，在哺乳动物中称,R,点,(restriction point),。,S,期检验点：,DNA,复制是否完成？,G2/M,检验点：,DNA,是否损伤？细胞体积是否足够大？,中,-,后期检验点：纺锤体组装检验点。,FOUR CHECKPOINTS,ATM,（,ataxia telangiectasia-mutated gene,）,最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，人类中大约有,1%,的人是,ATM,缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。,ATM,编码一个蛋白激酶，结合在损伤的,DNA,上，其信号通路有两条。,激活,Chk1,（,checkpoint kinase,）,使,cdc25,的,Ser216,磷酸化失去活性，抑制,M-CDK,的活性，中断细胞周期。,激活,Chk2,，使,P53,被磷酸化而激活，然后,P53,作为转录因子，导致,P21,表达，,P21,抑制,G1-S,期,CDK,的活性，中断细胞周期。,七、生长因子对细胞增殖的影响,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。,作用方式：旁分泌。,信号通路：,ras,、,cAMP,、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,cyclin D,、,SCF,、,E2F,等,G1-S,有关的基因表达，细胞进入,G1,期。,