第八章细胞的增殖.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,*,CELL CYCLE,第八章,细胞周期,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10,12,个细胞，成人10,14,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。,.细胞增殖的方式有三种:无丝分裂、有丝分裂和减数分裂,第一节 细胞周期,一、细胞周期的概念及各时相划分,由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，叫细胞周期。分为4个期：,G1期(gap1)，DNA合成前期,S期(synthesis phase)，指DNA合成期。,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。,细胞周期,根据细胞DNA合成和分裂能力不同，可将哺乳动物细胞分为三类：,保持分裂能力细胞：,如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。,暂时离开细胞周期细胞，又称,休眠细胞,：或,G,0,期细胞,，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。,不分裂细胞,：又称,终末分化细胞,，如神经、肌肉细胞等。,（2）S期：,是指从启动DNA复制开始到DNA复制完成这段时间。,此期最主要的特点是DNA进行复制及组蛋白、非组蛋白等染色体组成蛋白的合成。通过DNA复制，精确地将遗传信息传递给M期分裂的子细胞，保证遗传性状的稳定性。所以S期是细胞周期中最关键的阶段。,（3）G,2,期,：,是DNA复制完成到有丝分裂开始的时期。在G,2,期加速合成RNA和直接与有丝分裂相关的蛋白质，如微丝、微管蛋白、有丝分裂调控的重要因子MPF(maturation promoting factor,M-phase promoting factor)，为有丝分裂做准备。,4。M期,：,M期就是细胞有丝分裂期，细胞周期中有丝分裂持续时间最短，一般为0.52小时,在此期间,蛋白质合成明显降低,只有间期20%左右水平.该时期细胞形态变化最大,细胞分裂成两个相同的子细胞,且确保复制后的染色体能够精确均等地分配给两个子细胞核.,第四节 细胞周期调控,一、研究背景,1970s Rao和Johnson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(prematurely condensed chromosome，PCC)。,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。,甚至不同类的,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,(maturation promoting factor，MPF),。,PCC,细胞周期的调控是一个极其复杂的过程,涉及许多因子在多层次上的作用,这些因素主要包括以下几个方面:,一是机体内环境中调控细胞周期的因素如各种生长因子;,二是生长因子受体的传感机制,最终引起细胞内有关增殖基因的表达调控细胞增殖,三是某些基因及其产物对细胞周期的调控,其中包括癌基因、抑癌基因和细胞分裂周期基因等,第二节 细胞的有丝分裂,一、细胞分裂的类型,无丝分裂(amitosis)：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(mitosis)：又称为间接分裂，由Fleming(1882)年首次发现于动物，Strasburger(1880)发现于植物。,减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。,二、有丝分裂,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,)。,其中间期包括,G,1,期、,S,期和,G,2,期，主要进行,DNA,复制、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，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。,纺锤体有三种微管结构：,极体微管（polar mt）两极间的微管,，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达。,着丝点微管（kinetochore mt），是从着丝点到另一极的微管；,星体微管（astral mt），由中心粒放射出来的微管,。,植物没有中心粒和星体，其纺锤体称无星纺锤体。,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,核膜解体到染色体排列到赤道面,(,equatorial plane),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。,末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配。,核分裂与胞质分裂（cytokinesis）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,动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量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(primative 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，并数量增加，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(cell plate)，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几个期和亚期。,Meiosis,Concepts:,Gametic,meiosis,Sporic,meiosis,Zygotic meiosis,称前减数分裂间期或前减数分裂期(premeiosis)。,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，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。,一、间期,.医学生物学 多媒体课件.ppt,二、减数分裂的意义,1、有性生殖过程中形成的精子和卵子都是单倍体，精卵结合为受精卵，保持了生物物种染色体数目的相对稳定，也保证了遗传性状的相对稳定；,2、减数分裂中同源染色体的相互分离，使同源染色体相对位置的等位基因彼此分离，这是孟德尔分离定律的细胞学基础；,3、减数分裂中非同源染色体之间的随机组合，是自由组合定律的细胞学基础；,4、减数分裂中同源染色体之间发生的非姐妹染色单体的部分交换，是基因连锁和互换的细胞学基础。,5、减数分裂中，非同源染色体是否进入同一个生殖细胞是随机的，因此减数分裂是生物变异产生的细胞学基础。,三、配子的发生,1、精子的发生,（1）增殖期,46,XY,46,XY,46,XY,46,XY,46,XY,46,XY,46,XY,（2）生长期,46,XY,（3）成熟期,（4）变形期,23,X,23,Y,23,X,23,X,23,Y,23,Y,1、卵子的发生,（1）增殖期,46,XX,46,XX,46,XX,46,XX,46,XX,46,XX,46,XX,（2）生长期,46,XX,（3）成熟期,23,X,23,X,23,X,23,X,23,X,23,X,胎儿自第5个月至出生后,卵巢中的母细胞开始退变,青春期已减少到约4万个,性成熟后,每月仅有一个卵泡成熟排放,其中的次级卵母细胞停留在第二次减数分裂中期,受精后才完成第二次减数分裂,如未受精,次级卵母细胞就不能完成第二次分裂而死亡.,第四节细胞增殖与医学,一、疾病的诊断与治疗,二、细胞增殖与肿瘤,肿瘤细胞最显著的特点是生长失控和幼稚化（即不分化）。,1、肿瘤细胞分类,增殖的细胞群：,是肿瘤中处于连续增殖的细胞，与肿瘤生长直接相关，该群细胞对药物高度敏感，是化疗药物最易攻击的细胞群。,暂不增殖的细胞群：,该群细胞处于G,0,期或延长了的G,1,期，肿瘤细胞在G,0,期时，生化代谢不活跃，对药物不敏感，致使化疗不易取得成功。但在一定条件下细胞可进入增殖状态，是肿瘤治疗后复发的根源。,不增殖的细胞群：,该类细胞完全丧失了增殖能力，不再进入细胞周期，最终通过分化、衰老直至死亡。,2、细胞周期肿瘤治疗,1.抑制G1期cyclins（细胞周期蛋白）的过度表达,G1期cyclins反义核酸，在体外和裸鼠体内都可抑制肺癌的增殖。反义DNA可以与基因结合而阻止基因的转录，反义的RNA可与mRNA结合，而抑制其翻译，都可以达到抑制肿瘤细胞增殖的目的。,RNA干扰,(RNA interference，,RNAi,),是将双链RNA(double strand RNA，dsRNA)导入细胞内引起特异基因的mRNA降解的一种细胞反应过程。属于转录后基因沉默的一种。,短双链RNA(short interfering RNA，,siRNA,),是dsRNA的一种，因长度较短而得名。,其每条链的碱基数30bp，可以在哺乳动物细胞中引发特异性的基因沉默。,发夹环状RNA(small hairpin RNA，shRNA)也是RNAi技术应用的一种，它是在短双链RNA的一端加上9个核苷酸，形成一个环状结构，形似发夹，所以称为发夹状RNA。也可以在哺乳动物细胞内引发高效的特异性的基因沉默。,因为 RANi的巨大的优势和广阔的应用前景，它的发现被美国,science,杂志评为2002年世界十大科技之首。,2.促使肿瘤细胞表达正常的CKIs,有报道用正常的P16、P21、P27基因与腺病毒载体重组，将重组的腺病毒导入肿瘤细胞，重组的腺病毒在肿瘤细胞内表达有功能的P16、P21和P27蛋白，抑制CDKs的活性，使肿瘤细胞停止在G0G1，抑制肿瘤细胞增殖。,3.抑制E2F的活性,把对E2F有高度亲和性的双链DNA片段导入细胞，该DNA能够结合游离状态的E2F生成一种复合物，复合物中的E2F不再与有关基因的启动子结合，从而阻断这些基因的表达，抑制细胞增生。,二、分裂期,（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：二阶体显著变短。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。核仁此时开始消失，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。,Chromosome recombination 1,Chromosome recombination 2,Minimum,number of gamete types=2,n,In humans,n=23,1960s LelandHartwell,1970s,Paul Nurse,以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因,(cell division cycle gene,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都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行，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,1980s Timothy Hunt,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，命名为周期蛋白,(cyclin A,和,B),。后来发现各类动物来源的细胞周期蛋白,mRNA,均能诱导蛙卵的成熟。,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(cyclin-dependent kinase，CDK)。,CDC2又被称为CDK1，可将特定蛋白磷酸化，促进细胞周期运行，又称作细胞周期引擎。,如将核纤层蛋白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。均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，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,CDK inhibitor,CKI,对细胞周期起负调控作用，分为：,Ink4(Inhibitor of cdk 4),:,P16,ink4a,P15,ink4b,P18,ink4c,P19,ink4d,。特异性抑制,cdk4cyclin D1,cdk6cyclin D1,。,Kip(Kinase inhibition protein),：,P21,cip1,(cyclin inhibition protein 1）P27,kip1,、,P57,kip2,，抑制大多数,CDK,的激酶活性。,P21,cip1,还能与,DNA,聚合酶的辅助因子,PCNA,（,proliferating cell nuclear antigen,）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，介导周期蛋白与,CDK,结合。,作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。,已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。,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，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。,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,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,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。,六、细胞周期检验点（check point）,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的表达，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,单细胞生物的增殖取决于营养，多细胞生物细胞的增殖与信号途径有关。,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，又称有丝分裂原（mitogen），如EGF、NGF。,作用方式：旁分泌。,信号通路：ras途径，cAMP途径、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。,