细胞生物学1细胞增殖及其调控.pptx

1CHAPTER 11Cell Proliferation and its Regulation2细胞增殖的意义细胞增殖的意义细细胞胞增增殖殖(cell(cell proliferation)proliferation)是是细细胞胞生生命命活活动动的的重重要要特特征征之一之一,是生物繁育的基础。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。单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。多多细细胞胞生生物物由由一一个个单单细细胞胞即即受受精精卵卵分分裂裂发发育育而而来来，细细胞胞增增殖殖是多细胞生物繁殖基础。是多细胞生物繁殖基础。成成体体生生物物仍仍然然需需要要细细胞胞增增殖殖，主主要要取取代代衰衰老老死死亡亡的的细细胞胞，维维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。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。胞增殖。3OUTLINE11.1 CELL CYCLE11.2 REGULATION OF CELL CYCLE411.1 cell cycles一、细胞周期一、细胞周期细细胞胞周周期期是是指指连连续续分分裂裂的的细细胞胞从从一一次次有有丝丝分分裂裂结结束束后后开开始始生生长长到到下下次次有有丝丝分分裂裂终终止止所所经经历历的的全全过过程程。在在这这一一过过程程中中,细细胞胞的的遗遗传传物物质质进进行复制并均等地分配给两个子细胞。行复制并均等地分配给两个子细胞。52001年诺贝尔生理学与医学奖年诺贝尔生理学与医学奖:利兰利兰哈特韦尔哈特韦尔发现了控制细胞周期的发现了控制细胞周期的基因，其中一种被称为基因，其中一种被称为“START”的基的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。决定性的作用。保罗保罗纳西纳西的贡献是发现了的贡献是发现了CDK。蒂莫西蒂莫西亨特亨特的贡献是发现了调节的贡献是发现了调节CDK的功能物质的功能物质CYCLIN.6Phases of the cell cycle 7v 细胞周期时相及类型细胞周期时相及类型Phases of the cell cycle 间期间期(interphase)G1期期(Gap 1 phase),即即从从M期期结结束束到到S期期开开始始前前的的一一段间歇期段间歇期;S期期,即即DNA合成期合成期(DNA synthetic phase);G2期期(Gap 2 phase),即即DNA合合成成后后(S期期)到到有有丝丝分分裂前的一个间歇期裂前的一个间歇期;M期期,即有丝分裂期即有丝分裂期(mitosis phase)。不不一一定定每每种种细细胞胞都都有有四四个个时时期期，如如胚胚胎胎细细胞胞没没有有G1期。期。8可将高等动物的细胞分为三类：连续分裂细胞，如表皮生发层、部分骨髓细胞。休眠细胞，暂不分裂，但适当刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。不分裂细胞，不再分裂，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。9二二 细胞周期各时细胞周期各时 相的合成活动相的合成活动G1期期(Gap1 phase)S 期期(synthesis phase)G2 期期(Gap 2 phase)M期期10G1G1期期与与DNADNA合成启动相关，开始合成细胞生长所合成启动相关，开始合成细胞生长所 需要的多种蛋白质、需要的多种蛋白质、RNARNA、碳水化合物、脂、碳水化合物、脂 等，同时染色质去凝集。等，同时染色质去凝集。11S 期期 DNADNA复复制制与与组组蛋蛋白白合合成成同同步步，组组成成核核小小体体串串珠珠结结构构 12G2G2期期 DNA DNA复制完成，在复制完成，在G2G2期合成期合成一定数量的蛋白质和一定数量的蛋白质和RNARNA分子分子13M 期期 M期期即即细细胞胞分分裂裂期期，真真核核细细胞胞的的细细胞胞分分裂裂主主要要包包括括两两种种方方式式，即即有有丝丝分分裂裂(mitosis)(mitosis)和和减减数数分分裂裂(meiosis)(meiosis)。遗遗传传物物质质和和细细胞胞内内其其他他物物质质分分配配给给子子细胞。细胞。14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。细胞周期检验点（check point）15细胞周期的时间长短与物种/细胞类型有关。G1期持续时间差异较大，M期最短,约0.54.5小时。脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法（PLM）：用3HTDR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的办法来测定细胞周期。三 细胞周期时间的测定16有关名词：TG1：G1期的持续时间TG2：G2期的持续时间TS：S期的持续时间TM：M期的持续时间TC：一个细胞周期的持续时间PLM：标记的有丝分裂细胞所占的比例TDR：胸腺嘧啶核苷，是DNA的特异前体，能被S期细胞摄入，而掺进DNA中。17测定原理:待测细胞经3H-TDR标记后，所有S期细胞均被标记。S期细胞经G2期才进入M期，所以一段时间PLM=0。开始出现标记M期细胞时，表示处于S期最后阶段的细胞，已渡过G2期，所以从PLM=0到出现PLM的时间间隔为TG2。S期细胞逐渐进入M期，PLM上升，到达到最高点的时候说明来自处于S最后阶段的细胞，已完成M，进入G1期。所以从开始出现PLM到PLM达到最高点（100%）的时间间隔就是TM。当PLM开始下降时，表明处于S期最初阶段的细胞也已进入M期，所以出现PLM到PLM又开始下降的一段时间等于TS。从PLM出现到下一次PLM出现的时间间隔就等于TC，根据TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的TG1长度。18（一）自然同步化1、多核体：如：粘菌、疟原虫。2、水生动物的受精卵：如海胆、两栖类。3、增殖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，同步分裂。四 细胞（周期）同步化191、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(密度梯度离心法)优点：省时，效率高，成本低。缺点：同步化程度较低，且对大多数种类细胞不适用。（二）人工同步化202.2.诱导同步化诱导同步化DNADNA合合成成阻阻断断法法 G1/S-TdRG1/S-TdR双双阻阻断断法法：最最终终将将细细胞胞群群阻阻断断于于G1/SG1/S交交界界处处。优优点点:同同步步化化效效率率高高，几几乎乎适适合合于于所所有有体体外外培培养养的的细细胞胞体体系系。缺缺点点:诱诱导导过过程程可可造造成成细细胞胞非非均均衡衡生长生长.分分裂裂中中期期阻阻断断法法：通通过过抑抑制制微微管管聚聚合合来来抑抑制制细细胞胞分分裂裂器器的的形形成成，将将细细胞胞阻阻断断在在细细胞胞分分裂裂中中期期。优优点点:操操作作简简便便，效率高。缺点效率高。缺点:这些药物的毒性相对较大这些药物的毒性相对较大.21五五 特异的细胞周期特异的细胞周期-Embryonic cell cycles 22爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期细细胞胞分分裂裂快快,无无G1G1期期,G2G2期期非非常常短短,S,S期期也也短短(所所有有复复制制子都激活子都激活),),以至认为仅含有以至认为仅含有S S期和期和M M期期无需临时合成其它物质无需临时合成其它物质子细胞在子细胞在G1G1、G2G2期并不生长，越分裂体积越小期并不生长，越分裂体积越小 细细胞胞周周期期调调控控因因子子和和调调节节机机制制与与一一般般体体细细胞胞标标准准的的 细胞周期基本是一致的细胞周期基本是一致的23酵母细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期酵酵母母细细胞胞的的细细胞胞周周期期与与标标准准的的细细胞胞周周期期在在时时相相和调控方面相似和调控方面相似酵酵母母细细胞胞周周期期明明显显特特点点:首首先先，酵酵母母细细胞胞周周期期持持续续时时间间较较短短；细细胞胞分分裂裂过过程程属属于于封封闭闭式式，即即在在细细胞胞分分裂裂时时核核膜膜不不解解聚聚；纺纺锤锤体体位位于于细细胞胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖核内；在一定环境下，也进行有性繁殖2425植物细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期植植物物细细胞胞的的细细胞胞周周期期与与动动物物细细胞胞的的标标准准细细胞胞周周期期非非常常相相似似，含含有有G1G1期期、S S期期、G2G2期期和和M M期期四四个时期。个时期。植植物物细细胞胞不不含含中中心心体体，但但在在细细胞胞分分裂裂时时可可以以正正常组装纺锤体。常组装纺锤体。植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂26细菌的细胞周期细菌的细胞周期 慢慢生生长长细细菌菌细细胞胞周周期期过过程程与与真真核核细细胞胞周周期期过过程程有有一一定定相相似似之之处处。其其DNADNA复复制制之之前前的的准准备备时时间间与与G1G1期期类类似似。分分裂裂之之前前的的准准备备时时间间与与G2G2期期类类似似。再再加加上上S S期期和和M M期期，细细菌菌的的细细胞胞周周期期也也基基本本具具备备四四个个时时期期 细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最 基本的基本的DNADNA复制速度之间的矛盾复制速度之间的矛盾2711.2 细胞分裂无 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：又称为间接分裂，由Fleming(1882)和Strasburger(1880)发现。减数分裂：DNA复制一次，细胞连续分裂两次。28Stages of mitosis in an animal cell 29一、有丝分裂（一）有丝分裂过程 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)和胞质分裂。301.前期前期染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。31间期动物细胞含一个间期动物细胞含一个MTOCMTOC，即，即中心体，在中心体，在S S期末，两个中心粒在期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，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，形成两个中心体。当前期开始时，2 2个中心体移向细胞两极，并同时个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管组织微管生长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正通过微管结合蛋白在正 极末端相连，最后形成有丝分裂极末端相连，最后形成有丝分裂纺纺锤体锤体。322.前中期前中期从核膜解体到染色体排列到赤道面上。33前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)核核膜膜破破裂裂成成小小的的膜膜泡泡，这这一一过过程程是是由由核核纤纤层层蛋蛋白白中特异的中特异的SerSer残基磷酸化导致残基磷酸化导致核纤层解体核纤层解体纺纺锤锤体体微微管管与与染染色色体体的的动动粒粒结结合合，捕捕捉捉住住染染色色体体，每每个个已已复复制制的的染染色色体体有有两两个个动动粒粒，朝朝相相反反方方向向，保保证证与与两两极极的的微微管管结结合合；纺纺锤锤体体微微管管捕捕捉捉住住染染色色体体后后，形形成成三三种种类类型型的的微微管管，一一部部分分纺纺锤锤体体微微管管的的自自由由端端最最终终结结合合到到着丝点上着丝点上,形成动粒微管。形成动粒微管。前前中中期期的的特特征征是是染染色色体体剧剧烈烈地地活活动动,个个别别染染色色体体剧剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。34纺锤体微管的类型纺锤体微管的类型353.3.中期中期(metaphase)(metaphase)主主要要特特点点是是姐姐妹妹染染色色单单体体位位于于赤赤道道板板上上,着着丝丝粒粒分分别别被被两两端端的的中中心心体体发发出出的的纤纤维维连连接接。（所所有有染染色色体体排排列列到到赤赤道道板板(Metaphase Plate)上）上）染染色色体体进进一一步步凝凝缩缩,并并移移到到赤赤道道附附近近,排排列列在在赤赤道道板板；姐姐妹妹染染色色单单体体的的着着丝丝粒粒分分别别与与一一条条或或多多条条来来自自对对面面的的纤纤维维结结合合,成成为为被争夺的对象被争夺的对象36染色体排列到赤道面上。374.后期后期(anaphase)3839后期后期(anaphase)排排列列在在赤赤道道面面上上的的染染色色体体的的姐姐妹妹染染色色单单体体分分离离产产生生向向极运动极运动 主要特点是主要特点是:着丝粒分开着丝粒分开,染色单体移向两极。染色单体移向两极。后后期期(anaphase)大大致致可可以以划划分分为为连连续续的的两两个个阶阶段段，即即后期后期A和后期和后期B 后期后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动 后期后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉，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长，介导染色体向极运动40Anaphase A:separation of the sister chromatids.41Anaphase B:separation of the poles.植物细胞有没有后期B？425.5.末期末期(telophase)(telophase)43（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44末期末期(telophase)(telophase)染染色色单单体体到到达达两两极极，即即进进入入了了末末期期（telophasetelophase）,到到达达两极的染色单体开始去浓缩两极的染色单体开始去浓缩核膜开始重新组装核膜开始重新组装 GolgiGolgi体和体和ERER重新形成并生长重新形成并生长核核仁仁也也开开始始重重新新组组装装，RNARNA合合成成功功能能逐逐渐渐恢恢复复,有有丝丝分分裂裂结束结束 主要特点是主要特点是:染色体解螺旋形成细丝染色体解螺旋形成细丝,出现核仁和核膜。出现核仁和核膜。456.6.胞质分裂胞质分裂动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂胞胞质质分分裂裂(cytokinesis)(cytokinesis)开开始始于于细细胞胞分分裂裂后后期期，在在赤赤道道板板周周围围细细胞胞表表面面下下陷陷，形形成成环环形形缢缢缩缩，称称为为分分裂裂沟沟(furrow)(furrow)。分分裂裂沟沟的的位位置置与与纺纺锤体和钙离子浓度的变化有关锤体和钙离子浓度的变化有关胞胞质质分分裂裂开开始始时时，大大量量肌肌动动蛋蛋白白和和肌肌球球蛋蛋白白在在分分裂裂沟沟处处组组装装成成微微丝丝并并相相互互组组成成微微丝丝束束，环环绕绕细细胞胞，称称为为收收缩缩环环（contractile contractile ring)ring)。收收缩缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞46分裂沟分裂沟收缩环收缩环47植物细胞胞质分裂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胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和胞 壁而将细胞分开壁而将细胞分开48（二二）、染染色色体体运运动动的的动动力力机制机制 1、染色体列队机制、染色体列队机制 是是什什么么机机制制确确保保染染色色体体正正确排列在赤道板上？确排列在赤道板上？Mad蛋白和蛋白和Bub蛋白促使蛋白促使染色体被动力微管捕捉。染色体被动力微管捕捉。牵拉假说和外推假说。牵拉假说和外推假说。49502 2、染色体分离机制、染色体分离机制后期后期A A 染染色色体体分分离离的的力力-拉拉力力：动动粒粒微微管管去聚合假说去聚合假说后期后期B B 两两极极距距离离变变长长的的力力-推推力力：纺纺锤锤体体微管滑动假说微管滑动假说51Anaphase A and Anaphase B52 微管去聚合作用假说微管去聚合作用假说该该假假说说的的特特点点是是动动粒粒微微管管不不断断解解聚聚缩缩短短,造成将染色体拉向两极。造成将染色体拉向两极。该该模模型型的的可可能能机机理理是是微微管管的的正正端端插插入入动动粒粒的的外外层层,微微管管蛋蛋白白分分子子与与动动粒粒蛋蛋白白分分子子有有亲亲和和性性,微微管管蛋蛋白白在在此此端端去去组组装装。在在动动粒粒中中,ATP,ATP分分子子水水解解可可以以提提供供能能量量,驱驱动动微微管管上上的的马马达达分分子子向向极极部部移移动动,拉拉动动染染色色体体向极移动。向极移动。53后期后期A:A:微管去聚合假说微管去聚合假说54后期后期B:纺锤体微管滑动假说纺锤体微管滑动假说 这这种种假假说说认认为为 极极-极极分分离离是是由由极极微微管管的的两两种种不同类型的变化引起的。不同类型的变化引起的。首首先先,极极微微管管在在+端端添添加加微微管管二二聚聚体体进进行行聚聚合合延延长长，使使两两极极的的极极微微管管产产生生重重叠叠的的带带(overlap zone)。第第二二，极极微微管管产产生生滑滑动动，产产生生将将两两极极分分开开的力。的力。微微管管间间的的横横桥桥能能够够提提供供机机械械-化化学学的的活活动动。横横桥桥上上有有较较高高的的ATP酶酶活活性性,推推测测是是一一种种分分子马达。子马达。55纺纺锤锤体体微微管管滑滑动动假假说说