第十二章细胞周期与细胞增殖.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,第十一章 细胞周期与细胞增殖,细胞周期,细胞周期同步化,细胞增殖,细胞周期的调控机制,第一节 细胞周期,细胞周期概念及意义,细胞周期的测定,细胞周期的主要事件,其他细胞的细胞周期,一,、,细胞周期的概念及意义,细胞周期（Cell Cycle）,概念：是指从上一次细胞分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束为止，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,G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间。,S期(synthesis phase)，指DNA复制的时期。,G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。,M期又称D期(mitosis or division)，细胞分裂开始到结束。,Eucaryotic Cell Cycle,A typical mammalian cell has a cell cycle time of 24 hours,with 12 hr G,1,6-8 hr S,3-4 hr G,2,and 1 hr M,根据细胞周期运转的不同，可将多细胞动物的细胞分为三类,：,周期中细胞：细胞持续分裂，细胞周期连续运转。如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。,静止期细胞：细胞暂离开细胞周期，不进行细胞分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称G,0,期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。,终端分化细胞：细胞分化程度很高，一旦成熟，则终生不再分裂的细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。,脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法,对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。放射标记物为,3,H或者,14,C标记的TdR。现在可以用BrdU（溴脱氧尿嘧啶）取代,3,H-TdR标记细胞，然后用抗BrdU抗体进行免疫细胞化学反应进行检测。,流式细胞仪测定法(Flow Cytometry,),流式细胞仪可以监测不同时间内细胞DNA含量变化，从而确定细胞周期的长短。,二、,细胞周期的测定,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,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,芽殖酵母,budding yeast,裂殖酵母,Fission yeast,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,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,无须临时合成其它物质,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,第二节 细胞周期同步化,自然同步化,人工选择同步化,药物诱导法,一、自然同步化,如有一种粘菌的变形体plasmodia，,疟原虫,增殖某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类,抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。,某些受精卵早期卵裂,二,、,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。,三,、,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,第三节 细胞的增殖,有丝分裂,有丝分裂机制,减数分裂,一,、,有丝分裂,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)。,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,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，朝向反方向，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（动粒微管管、极性微管和星体微管）,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。,纺锤体典型化：位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡，许多极性微管在赤道区域互相搭桥。,动粒分别朝向纺锤体两极。,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,，速度为1,2,m/min。,后期(anaphase)持续约数分钟，大致可以划分为连续的两个阶段：,动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动,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,细胞胞质分裂,动物细胞胞质分裂,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。,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)。至分裂末期，分裂沟逐渐加深，最后两个子细胞完全分开，分裂过程结束。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,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，而不是激动蛋白收缩环。,二,、有丝分裂机制,与有丝分裂有关的亚细胞结构：,中心体,、,动粒与着丝粒,、,纺锤体,。,有丝分裂的核心问题是遗传物质 均等地分配给两个子细胞。而这主要是靠纺锤体的形成、运动和解聚来完成的。,中心体,中心体结构:位于中央的中心粒和其周围的无定型物质组成，两个中心粒相互垂直排列。,中心体复制周期,纺锤体,纺锤体是细胞分裂过程中出现的临时结构，两端为星体，中间由动粒微管和极性微管相联。,动粒微管一端与星体相连，一端与动粒相连。,极性微管一端与星体相连，一端游离于纺锤体中部，且常在赤道板处相互搭桥。,动粒与着丝粒,着丝粒,：染色体的主缢痕部位的染色体。,动粒,：附着于着丝粒，内侧与着丝粒相互交织，外侧与纺锤体微管附着。,染色体分离的两个阶段,染色体在纺锤体微管的作用下向极运动，彼此分离。,此过程分为两个：染色体的向极，伴随动粒微管的缩短，通常称为后期A；两极分离的本身伴随着极性微管的延长，称为后期B。,三、减数分裂,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。,减数分裂前间期：减数分裂前的细胞间期。,间期也可分为G1期、S期和G2期。,G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。,减数分裂的S期时间较长，DNA不完全，部分（约0.3%左右）是在合线期合成的。,一、减数分裂的过程,二、减数分裂过程,（一）减数分裂I,1、前期I,减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，通常分为5个时期：细线期（leptotene），合线期（zygotene），粗线期（pachytene），双线期（diplotene），终变期（diakinesis）。,1）细线期：染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。,2）合线期：亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。,概念：联会复合体(synaptonemal complex，SC）二价体（bivalent）四分体（tetrad）。,这一时期合成约0.3%左右的DNA，称为Z-DNA。,3）粗线期：同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。,4）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，交叉开始端化,(terminalization),。联会复合体消失。,补充：植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞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。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二阶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：染色体重新凝集形成棒状结构，交叉端化过程的进一步发展，核仁消失，核被膜解体。,2、中期,I,3,、后期,I,二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。,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,5,、减数分裂间期。,（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。,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,(recombination nodules),，是交换发生的部位。,SC,主要由碱性蛋白质和,RNA,组成，并含有少量,DNA,。,SC,形成合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。,在细线期或合线期加入DNA合成抑制剂，则抑制SC的形成。,三、联会复合体与联会,四、减数分裂过程中的,DNA,重组,染色体组的重组合,发生在减数分裂的中期I。由于染色体在赤道板上排列的随机性，会出现自由组合重组,染色体的交换与交叉,发生在减数分裂的前期I。偶线期，同源染色体发生断裂和重组，同源染色体间发生染色体的交换。出现交叉端化。,五、,减数分裂类型,配子减数分裂,合子减数分裂,孢子减数分裂,配子减数分裂,所有多细胞动物和很多原生生物的减数分裂发生在(生殖细胞）形成过程的最后两次分裂，所以这类生物的减数分裂叫做配子减数分裂。,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。,合子减数分裂,仅发生于某些原生生物真菌和很少的藻类。在受精后，合子发生减数分裂，产生单倍体的孢子，孢子通过有丝分裂形成单倍体的子代。由于这种减数分裂发生在有性生活史的开始，所以又称为始端减数分裂。,孢子减数分裂,发生于所有高等植物和一些藻类。其特点是减数分裂和配子发生、受精作用没有直接的关系，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。,Minimum,number of gamete types=2,n,In humans,n=23,第四节、细胞周期的调控机制,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。,与细胞调控相关的分子,细胞周期运转的调控,一、与细胞调控相关的分子,MPF及其作用,酵母中cdc基因的发现,周期蛋白的发现及特性,CDK激酶及其抑制物,MPF及其作用,MPF：促成熟因子（maturation promoting factor）。与细胞的成熟和分裂有关，是由p32 和p45两种蛋白组成的蛋白激酶，而且只有当p32 和p45结合后，MPF的激酶活性才能表现出来，引起与细胞周期运转相关的蛋白底物磷酸化。,酵母中,cdc,基因的发现,cdk基因：细胞分裂周期(cell division cycle,cdk)基因。其表达产物是一些蛋白激酶、磷酸酶等。这些酶的活性变化将影响到细胞周期的变化，而这些酶活性的变化本身又受到许多内在和外在因素的立体调解。,周期蛋白的发现及特性,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，介导周期蛋白与,CDK,结合。,作用：激活CDK（周期蛋白依赖性蛋白激酶），引导CDK作用于不同底物。,已知30余种，如酵母的Cln1、Cln2、Cln3、Clb1,Clb6,高等动物中为A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。,分为4类：G1 期周期蛋白、G1/S期周期蛋白、S期周期蛋白、M期周期蛋白。,M期周期蛋白的近N端含有一段由9个氨基酸组成的破坏框，破坏框后为一段由40个左右的氨基酸组成的赖氨酸富集区。破坏框主要参与由泛素介导的周期蛋白A和B的降解。,G1 期周期蛋白不含破坏框，但其C端含一段特殊的PEST序列，可能与G1期周期蛋白的更新有关。,CDK,激酶及其抑制物,CDK：周期蛋白依赖性蛋白激酶，不同的CDK激酶要求结合的周期蛋白不同，在细胞中执行调节的功能也不同。,结构特点：一、都含有一段类似的氨基酸序列，其中有一小段的序列相当保守，即PSTAIRE序列，此序列与周期蛋白结合有关。二、都能与周期蛋白结合，并将周期蛋白作为其调节亚基。,CDK激酶抑制物：CDK激酶进行负调控的蛋白。包KIP/CIP家族和INK4家族。,二、,细胞周期运转的调控,G1/S转换,G2/M转换的调控机制,分裂中期向后期的转换与后促进因子,G1/S转换,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，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。cyclinE-CDK2直接参与中心体的复制调控。,在G2-M期，cyclinA与CDK2结合，CDK2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。cyclinA-CDK2位于DNA复制中心，与DNA有关。,DNA,复制执照因子学说,“DNA复制执照因子学说”（DNAreplication-licensing factor theory），20世纪80年代末，Julian Blow和Ronlaskey研究提出在细胞质内存在一种执照因子，对细胞核染色体DNA复制发行“执照”。在M期，细胞核膜破裂，细胞质中的执照因子与染色质接触并与之结合，使后者获得DNA复制所必需的执照。细胞通过G1期后进S期，DNA开始复制。随后DNA复制，执照信号不断减弱直至消失。以后逐渐消失，不在进行复制。再等下一周期重复进行。执照因子主要是Mcm蛋白（Minichromosome maintenance protein）。Mcm蛋白共有6种，分别为Mcm2、Mcm3Mcm7。在细胞中除去任何一种Mcm蛋白，都使细胞失去DNA复制的起始功能。,DNA复制起始点的识别，是DNA复制调控中的重要事件之一。现已发现，从酵母细胞到哺乳类细胞，均存在一种称为复制起始点识别复合体（origin recognition complex，ORC）的蛋白质。Orc含有6个亚单位，分别是Orc1、Orc2、Orc3、Orc4、Orc5和Orc6。Orc识别DNA复制起始点并与之结合，是DNA复制起始所必需的。,Cdc6和Cdc45也是DNA复制所必须的调控因子,DNA,复制延搁检验点,Weel 和Cdc25c共同作用，检验DNA的复制过程，参与DNA复制延搁检验点的调控，实现S/G2/M期的转化,G2/M转换的调控机制,CDK1在细胞周期种含量稳定，只有与cyclin B结合时才有活性,周期蛋白B(cyclin B)同周期蛋白B的含量呈周期性变化，cyclin B一般在G1晚期合成，通过S期，期含量不断增加，到达G2期，期含量达到最大。,C,DK1活性，也逐渐出现、增大，直到最大，维持到M期的中期阶段。,C,DK1活化后使许多蛋白质磷酸化：组蛋白H1-染色体凝集，核纤层蛋白A B C-核纤层解聚，核仁蛋白-核仁解聚等等。,分裂中期向后期的转换与后促进因子,CyclinA、B是通过,泛素途径降解,泛素是一个76个氨基酸组成的热稳定多肽，在进化种高度保守。,APC介导选择性降解的靶蛋白与Ubiquitin结，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。,G1 SG2/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,Growth and,Morphogenesis,S Substrates,DNA Replication,G2/M Substrates,Mitosis,