第十一章细胞增殖及其调控.ppt

第十一章第十一章 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控细胞增殖细胞增殖(cell proliferation)(cell proliferation)的意义的意义细胞周期与细胞分裂细胞周期与细胞分裂细胞周期调控细胞周期调控细胞增殖细胞增殖(cell proliferation)(cell proliferation)的意义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要特征之一重要特征之一,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(受受精精卵卵)分分裂裂发发育育而而来来，细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。细胞增殖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，维维持持个个体体细细胞胞数数量量的的相相对对平平衡衡和和机机体体的的正正常常功能。功能。机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要 依赖细胞增殖。依赖细胞增殖。第一节 细胞周期与细胞分裂细胞周期细胞周期(cell cycle)(cell cycle)概述概述有丝分裂有丝分裂(mitosis)(mitosis)胞质分裂胞质分裂(Cytokinesis)减数分裂减数分裂(Meiosis)二、有丝分裂二、有丝分裂有丝分裂的过程有丝分裂的过程与有丝分裂直接相关的亚细胞结构：中心与有丝分裂直接相关的亚细胞结构：中心体、动粒与着丝粒、纺锤体体、动粒与着丝粒、纺锤体有丝分裂过程中染色体运动的动力机制有丝分裂过程中染色体运动的动力机制有丝分裂过程中染色体运动的有丝分裂过程中染色体运动的动力机制动力机制染色体整列：染色体整列：Mad2和和Bub1蛋白：使动粒敏化，促使微蛋白：使动粒敏化，促使微管与动粒接触。管与动粒接触。染色体分离：染色体分离：后期后期A和后期和后期B两个阶段假说。两个阶段假说。n后期后期A，动粒微管变短（解聚，动粒微管变短（解聚)，将染色，将染色体拉向两极。体拉向两极。n后期后期B，极性微管游离端（正极）在，极性微管游离端（正极）在ATP功能情况下与微管蛋白聚合，使极性微功能情况下与微管蛋白聚合，使极性微管加长，形成较宽的极性微管重叠区。管加长，形成较宽的极性微管重叠区。在在KRPs和胞质动力蛋白作用下，两极距和胞质动力蛋白作用下，两极距离拉长。离拉长。第二节第二节 细胞周期的调控细胞周期的调控(Cell-Cycle Control)细胞周期调控系统的主要作用细胞周期调控系统的主要作用MPF周期蛋白周期蛋白Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转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阻遏(细胞周期运转的负调控细胞周期运转的负调控)三、周期蛋白三、周期蛋白特点特点各种周期蛋白均含有一段相当保守的氨基酸各种周期蛋白均含有一段相当保守的氨基酸序列，称为周期蛋白框。介导其与序列，称为周期蛋白框。介导其与CDK结合。结合。M期周期蛋白分子近期周期蛋白分子近N末端含有一段由末端含有一段由9个氨个氨基酸残基组成的特殊序列，称为破坏框。参基酸残基组成的特殊序列，称为破坏框。参与有泛素介导的周期蛋白与有泛素介导的周期蛋白A和和B的降解。的降解。G1期周期蛋白分子期周期蛋白分子C端含有一段特殊的端含有一段特殊的PEST序列。与序列。与G1期周期蛋白的更新有关。期周期蛋白的更新有关。周期蛋白在细胞周期中的积累及其与周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK激酶活性的关系激酶活性的关系n20012001年诺年诺贝尔贝尔生理生理学学/医医学奖学奖得主得主2001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发现了控制细胞周期的基因，哈特韦尔发现了控制细胞周期的基因，其中一种被称为其中一种被称为“START”的基因对控制各个的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。保罗保罗纳西的贡献是发现了纳西的贡献是发现了CDK。蒂莫西蒂莫西亨特的贡献是发现了调节亨特的贡献是发现了调节CDK的功能的功能物质物质CYCLIN一、细胞周期一、细胞周期(cell cycle)(cell cycle)概述概述细胞周期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中各个不同时相及其主要事件细胞周期检验点细胞周期检验点(Cell Cycle Checkpoint)(Cell Cycle Checkpoint)细胞周期长短测定细胞周期长短测定细胞周期同步化细胞周期同步化特异的细胞周期特异的细胞周期（一）、（一）、有丝分裂有丝分裂(mitosis)(mitosis)过程过程前期前期(prophase)(prophase)前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)中期中期(metaphase)(metaphase)后期后期(anaphase)末期末期(telophase)(telophase)前期两个中心体向两级移动前期两个中心体向两级移动中期的光镜和电镜中期的光镜和电镜前前中中期期和和中中期期后后期期姊姊妹妹染染色色体体分分离离末末期期三、胞质分裂三、胞质分裂(Cytokinesis)动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂四、减数分裂四、减数分裂(Meiosis)减数分裂概念与过程减数分裂概念与过程：减数分裂的意义减数分裂的意义减数分裂特点减数分裂特点（一）细胞周期（一）细胞周期概念：概念：细胞从一次有丝分裂结束开始，经过物细胞从一次有丝分裂结束开始，经过物质积累过程，直到下一次细胞分裂结束质积累过程，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期为止，称为一个细胞周期。细胞周期时相组成细胞周期时相组成细胞周期时间细胞周期时间根据增殖状况，细胞分类三类根据增殖状况，细胞分类三类细胞周期时相组成细胞周期时相组成间期间期(interphase):G1 phase(interphase):G1 phase，S phaseS phase，G2 phaseG2 phaseM M phase:phase:有有 丝丝 分分 裂裂 期期(Mitosis),(Mitosis),胞胞 质质 分分 裂裂 期期(Cytokinesis)(Cytokinesis)细细胞胞沿沿着着G1SG2MG1G1SG2MG1周周期期性性运运转转，在在间间期期细细胞胞体体积积增增大大(生生长长)，在在 M M 期期细细胞胞 先先是是核核分分裂裂，接接着着胞胞质质分分裂裂，完成一个完成一个细胞周期细胞周期。细胞周期时间细胞周期时间不同细胞的细胞不同细胞的细胞周期时间差异周期时间差异很大很大S+G2+M S+G2+M 的时间变化较小，细胞周的时间变化较小，细胞周 期时间长短主要差别在期时间长短主要差别在G1G1期期有些分裂增殖的细胞缺乏有些分裂增殖的细胞缺乏G1G1、G2G2期期根据增殖状况，细胞分类三类根据增殖状况，细胞分类三类连续分裂细胞连续分裂细胞(cycling cell)cycling cell)：周期中细胞：周期中细胞静静止止期期细细胞胞 (Go(Go细细胞胞)：暂暂时时脱脱离离细细胞胞周周期期，不不进进行行增增殖殖，但但在适当刺激下可以重新进入细胞周期的细胞。在适当刺激下可以重新进入细胞周期的细胞。终终末末分分化化细细胞胞：指指终终端端分分化化细细胞胞，发发生生不不可可逆逆的的脱脱离离细细胞胞周周期期，丧失分裂能力，但保持生理机能活动的细胞。丧失分裂能力，但保持生理机能活动的细胞。（二）（二）细胞周期细胞周期中不同时中不同时相及其主要事件及其主要事件 G1G1期期 S S 期期 G2G2期期 M 期期周期中细胞形态结构的变化周期中细胞形态结构的变化n细胞形态的变化：细胞形态的变化：S期细胞呈扁平状，紧贴培期细胞呈扁平状，紧贴培养瓶壁，养瓶壁，M期变圆。期变圆。n细胞内部结构的变化：染色质结构的变化。在细胞内部结构的变化：染色质结构的变化。在S期染色体处于极松散状态，核仁的变化，分期染色体处于极松散状态，核仁的变化，分裂前期到中期，核仁消失，后期重新形成。裂前期到中期，核仁消失，后期重新形成。n细胞器的分裂和片段化：线粒体叶绿体与细胞细胞器的分裂和片段化：线粒体叶绿体与细胞分裂同步，数量加倍；其他膜结合细胞器生长分裂同步，数量加倍；其他膜结合细胞器生长并断成片段。并断成片段。G1G1期期v 与与DNADNA合合成成启启动动相相关关，开开始始合合成成细细胞胞生生长长所所需需要要的的多多种种蛋蛋白白质质、糖糖类类、脂脂质质等等，但但不不合合成成DNADNA。同时染色质去凝集。同时染色质去凝集。v芽芽殖殖酵酵母母（起起始始点点），其其他他真真核核细细胞胞（限限制制点点或检验点）或检验点）G2G2期期DNADNA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，包括微管蛋分子，包括微管蛋白和促成熟因子（白和促成熟因子（MPFMPF）M 期期MM期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)(mitosis)和和减数分裂减数分裂(meiosis)(meiosis)。遗传物质和细胞内其。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。主要特点：染色体凝他物质分配给子细胞。主要特点：染色体凝集，并在纺锤体的作用下，两个姐妹染色集，并在纺锤体的作用下，两个姐妹染色单体被均等地分配到两个子细胞。单体被均等地分配到两个子细胞。S S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 SS期期DNADNA合合成成不不同同步步：常常染染色色质质复复制制先先于于异异染染色色质质，能能转转录录的的DNADNA复复制制先先于于不不能能转转录录的的；GCGC含含量量高的高的DNADNA复制先于复制先于ATAT含量高的。含量高的。细胞周期长短测定细胞周期长短测定脉冲标记脉冲标记DNADNA复制和细胞分裂指数观察测定法复制和细胞分裂指数观察测定法 H H3 3-TdR-TdR标记，洗涤，培养，定时取样，放射自显影分析标记，洗涤，培养，定时取样，放射自显影分析流式细胞仪测定法流式细胞仪测定法(Flow Cytometry)(Flow Cytometry)是是一一种种快快速速测测定定和和分分析析流流体体中中细细胞胞或或颗颗粒粒物物各各种种参参数数的的大大型型实实验验仪仪器器。根根据据DNADNA含含量量分分类类细细胞胞，根根据据类类群群细细胞胞的的数数量量推断时间。推断时间。细胞周期各阶段的时间细胞周期各阶段的时间(细胞周期测定细胞周期测定)TG2G2期时间，期时间，TMM期时间，期时间，TSS期时间，期时间，TC细胞周期时间，细胞周期时间，TG1 TC（TG2 TM TS）流式细胞仪检测细胞周期流式细胞仪检测细胞周期细胞周期同步化细胞周期同步化自然同步化，如有一种粘菌的变形体自然同步化，如有一种粘菌的变形体plasmodiaplasmodia，某些某些受精卵早期卵裂受精卵早期卵裂 人工选择同步化人工选择同步化 人工诱导法人工诱导法 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用：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周期中某一特定时期。人工选择同步化人工选择同步化有丝分裂选择法有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点是细：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。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。优点是方法上存在差别进行分离。优点是方法 简单省时，效率高，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。成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。药物诱导法药物诱导法 DNADNA合成阻断法合成阻断法 G1/S-TdR G1/S-TdR双阻断法：最终将双阻断法：最终将 细胞群阻断于细胞群阻断于G1/SG1/S交界处。优点是同步化效率高，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是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对 较大较大TdR阻断法进行细胞同步化阻断法进行细胞同步化特异的细胞周期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有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细 胞周期。胞周期。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 酵母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植物细胞的细胞周期 细菌的细胞周期细菌的细胞周期爪蟾爪蟾早期胚胎细胞早期胚胎细胞的细胞周期的细胞周期细胞分裂快细胞分裂快,G1,G1期和期和G2G2期非常短期非常短,S,S期也短期也短(所有复所有复 制子都激活制子都激活),),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明显特点酵母细胞周期持续时间较短；酵母细胞周期持续时间较短；封闭式细胞分裂封闭式细胞分裂 ，即细胞分裂时核膜不解聚；，即细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖在一定环境下，也进行有性繁殖裂殖酵母细胞周期裂殖酵母细胞周期 芽殖酵母细胞周期芽殖酵母细胞周期植物细胞植物细胞的细胞周期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常相似，含有非常相似，含有G1G1期、期、S S期、期、G2G2期和期和M M期四个时期。期四个时期。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常组装纺锤体。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植物细胞成膜体的形成植物细胞成膜体的形成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定相似之处。其一定相似之处。其DNADNA复制之前的准备时间与复制之前的准备时间与G1G1期期类似。分裂之前的准备时间与类似。分裂之前的准备时间与G2G2期类似。再加上期类似。再加上S S期和期和M M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期 细细菌菌在在快快速速生生长长情情况况下下，如如何何协协调调快快速速分分裂裂和和最最 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前期前期(prophase)(prophase)标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩 (condensation)(condensation)形形成成有有丝丝分分裂裂染染色色体体(mitotic(mitotic chromosomechromosome）第二个特征细胞骨架解聚，第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)(mitotic spindle)开始装配开始装配GolgiGolgi体、体、ERER等细胞器解体，形成小的膜泡等细胞器解体，形成小的膜泡这种染色体由这种染色体由两条染色单体两条染色单体(chromatid)(chromatid)构成构成 在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复合物称为合物称为动粒动粒(kinetochore)(kinetochore)间期动物细胞含一个间期动物细胞含一个MTOCMTOC，即中心体，在，即中心体，在 G1 G1期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一期末，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，个中心粒，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个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生并同时组织微管生 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，最后形成极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体有丝分裂纺锤体。前期两个中心体向两极移动前期两个中心体向两极移动前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)指由核膜解体到染色体排列到赤道面指由核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane)这一阶段这一阶段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中特特异异的的SerSer残残基基磷磷酸酸化导致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染色体后，形成住染色体后，形成三种类型的微管三种类型的微管不不断断运运动动的的染染色色体体开开始始移移向向赤赤道道板板。细细胞胞周周期期也也由由前前中中期期逐逐渐渐向向中中期期运转。运转。中期中期(metaphase)(metaphase)指从染色体排列到赤道面上，到姊妹染色单体开始分向两极指从染色体排列到赤道面上，到姊妹染色单体开始分向两极的一段时间，纵向观动物染色体呈辐射状排列。的一段时间，纵向观动物染色体呈辐射状排列。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，标标志志着着细细胞胞分裂已进入中期。染色体的整列或染色体的中板集合。分裂已进入中期。染色体的整列或染色体的中板集合。该该期期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中心体发出的纤维连接的中心体发出的纤维连接什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？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着丝粒微管动态平衡形成的张力 中期的主要特征中期的主要特征后期后期(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向极运动后后期期(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，即即后后期期A和和后期后期B后后期期A，指指染染色色体体向向两两极极移移动动的的过过程程。动动粒粒微微管管去去装装配配变变短短，染染色体产生两极运动。微管去聚合作用假说。色体产生两极运动。微管去聚合作用假说。后后期期B，指指两两极极间间距距离离拉拉大大的的过过程程。极极间间微微管管长长度度增增加加，两两极极之之间的距离逐渐长，介导染色体向极运动间的距离逐渐长，介导染色体向极运动。纺锤体微管滑动学说纺锤体微管滑动学说。这一时期的主要特点是这一时期的主要特点是: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。后期的主要特征后期的主要特征末期末期(telophase)(telophase)染色单体到达两极，即进入了末期（染色单体到达两极，即进入了末期（telophasetelophase）,到达两极的染色单体开始去浓缩到达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 Golgi Golgi体和体和ERER重新形成并生长重新形成并生长核仁也开始重新组装，核仁也开始重新组装，RNARNA合成功能逐渐恢复合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束有丝分裂结束该期的主要特点是该期的主要特点是: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。末期的主要特征末期的主要特征动物细胞动物细胞胞质分裂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，完完成成于于细细胞胞分分裂裂末末期期。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锤体体极极性性微管和钙离子浓度升高的变化有关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间体胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中间体 处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为 收缩环收缩环（contractile ring)contractile ring)。收缩环收缩、收缩环。收缩环收缩、收缩环 处细胞膜融合并形成两个子细胞处细胞膜融合并形成两个子细胞胞质分裂的过程胞质分裂的过程n分裂沟位置的确定分裂沟位置的确定n肌动蛋白聚集和收缩环形成肌动蛋白聚集和收缩环形成n收缩环收缩收缩环收缩n收缩环处细胞质膜融合收缩环处细胞质膜融合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细质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和细 胞壁而将细胞分开胞壁而将细胞分开减数分裂概念与过程减数分裂概念与过程概念：减数分裂是细胞仅进行一次概念：减数分裂是细胞仅进行一次DNADNA复制，随复制，随 后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的 有丝分裂有丝分裂减数分裂减数分裂过程过程减数分裂的意义减数分裂的意义确保世代间遗传的稳定性；确保世代间遗传的稳定性；增增加加变变异异机机会会，确确保保生生物物的的多多样样性性，增增强强生生物物适应环境变化的能力。适应环境变化的能力。减减数数分分裂裂是是生生物物有有性性生生殖殖的的基基础础，是是生生物物遗遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。传生物进化和生物多样性的重要基础保证。减数分裂减数分裂特点特点遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，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导致染色体数目减半S S期持续时间较长期持续时间较长同同源源染染色色体体在在减减数数分分裂裂期期I I(MeiosisI)配配对对联联会会、基因重组基因重组减数分裂前减数分裂前S S期与有丝分裂前期与有丝分裂前S S期长度比较期长度比较前期前期I I分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，终变期等终变期等五个阶段五个阶段形成形成联会复合体联会复合体(Synaptonemal Complex,SC)(Synaptonemal Complex,SC)同源染色体间遗传物质重组同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组合产生新的基因组合思 考 题 n n1.什么叫细胞周期？各阶段的主要变化什么叫细胞周期？各阶段的主要变化是什么？是什么？n n2.细胞周期同步化的方法有哪些？细胞周期同步化的方法有哪些？n n3.动物、植物和细菌的细胞分裂方式有动物、植物和细菌的细胞分裂方式有何不同？列表说明何不同？列表说明 在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶 和蛋白和蛋白,然后自身失活然后自身失活确保每一时相事件的全部完成确保每一时相事件的全部完成 对对外外界界环环境境因因子子起起反反应应(如如多多细细胞胞生生物物对对增增殖殖信号的反应信号的反应)一、细胞周期调控系统的主要作用一、细胞周期调控系统的主要作用（三）、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成并与外界环境因素相联系 细胞周期检验点及其作用细胞周期检验点及其作用 G1G1期期检检验验点点：酵酵母母StartStart；动动物物细细胞胞Restriction Restriction PointPoint二、二、MPF(Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor)MPF(Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor)的的发发现现及及其其生生化化实质实质Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能复合物的活化与功能MPF的发现及其生化实质的发现及其生化实质细胞融合细胞融合与与PCC(Premature chromosomal condense)爪蟾卵子成熟过程爪蟾卵子成熟过程 MPF的发现的发现MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；由由M期期CyclinCdk(Cyclin-dependent protein kinase)形成的形成的复合物复合物。MPF=CDK1=cdc2+cyclinBnCdc2:裂殖酵母，表达产物是相对分子质裂殖酵母，表达产物是相对分子质量为量为34103的蛋白质，称为的蛋白质，称为p34cdc2nCdc28：芽殖酵母，表达产物也是相对：芽殖酵母，表达产物也是相对分子质量为分子质量为34103的蛋白质，称为的蛋白质，称为p34cdc28细胞融合实验细胞融合实验研究者：研究者：1970年，年，Colorado 大学的大学的Potu Rao 和和 Robert Johnson n研究思路研究思路n研究方法研究方法Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能复合物的活化与功能 活化活化 随随Cyclin浓度变化而变化浓度变化而变化 激酶与磷酸酶的调节激酶与磷酸酶的调节，活化的活化的MPF可使更多的可使更多的MPF活化活化 功能功能：启动细胞从：启动细胞从G2期进入期进入M期的相关事件期的相关事件四、四、Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转复合物的多样性及细胞周期运转Cyclin-Cdk复合物的多样性复合物的多样性 Cyclin-Cdk-调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白与不同的与不同的CDK结合，构成不同的结合，构成不同的Cyclin-Cdk；不同的不同的Cyclin-Cdk在不同的时相表现活性，影响不同在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。的下游事件。G1 Cyclin-CdkG1 Cyclin-Cdk复合物对复合物对RbRb蛋白磷酸化而调控蛋白磷酸化而调控G1G1检验点检验点Mitotic Cyclin-Cdk复合物激活复合物激活 Anaphase Promoting Complex(APC),调控纺锤体装配检验点调控纺锤体装配检验点周期细胞周期细胞M-CyclinM-Cyclin的调控的调控细胞周期调控模型总结细胞周期调控模型总结与与cdc2类似的类似的CDK蛋白分子图解蛋白分子图解Cyclin-Cdk复合物的多样性复合物的多样性 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-CDK2G1 SubstratesS SubstratesG2/M SubstratesGrowth and MorphogenesisDNA ReplicationMitosis多种周期蛋白多种周期蛋白:周期蛋白周期蛋白A：S期和期和M期周期蛋白期周期蛋白周期蛋白周期蛋白B：M期周期蛋白期周期蛋白周期蛋白周期蛋白D1、D2、D3：G1中周期蛋白中周期蛋白周期蛋白周期蛋白E：晚：晚G1期、期、S期周期蛋白期周期蛋白APCAPC介导选择性降解的靶蛋白与介导选择性降解的靶蛋白与UbiquitinUbiquitin结合结合(通过通过泛素依赖性途径降解泛素依赖性途径降解)APCAPC主要介导两类蛋白降解主要介导两类蛋白降解:Anaphase Inhibitors和和Mitotic Cyclin.前者维持姐妹染色单体粘连前者维持姐妹染色单体粘连,抑抑制后期启动；后者的降解意味着有丝分裂即将结制后期启动；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。束，即染色体开始去凝集，核膜重建。Cdc20 和和Mad2蛋白位于动粒上，在染色体结合有蛋白位于动粒上，在染色体结合有丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放，由于丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放，由于Mad2与与Cdc20结合而抑制结合而抑制APC的活性。所以只有所有染色的活性。所以只有所有染色体都与纺锤体结合后，体都与纺锤体结合后，APC才有活性，才启动细胞才有活性，才启动细胞向后期转换。向后期转换。五、细胞周期运转的阻遏五、细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控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：细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转：Cdk抑抑制制蛋蛋白白(CDI)阻阻止止Cyclin-Cdk复复合合物物的的装装配配或或活活性；周期调控系统组分停止合成。性；周期调控系统组分停止合成。CDICDI包包 括括 CIP/KIPCIP/KIP家家 族族 和和 INK4INK4家家 族族，其其 作作 用用 是是 抑抑 制制Cyclin-Cdk复复合合物物的的装装配配或或活活性性，而而将将细细胞胞阻阻止止在在不不同同的的检检验验点点。如如DNA受受损损后后，细细胞胞将将停停留留于于G1 Checkpoint 让让DNA修复或者凋亡修复或者凋亡 周周期期调调控控系系统统组组分分停停止止合合成成，如如G0细细胞胞，大大部部分分Cyclin和和Cdk都消失，这在多细胞生物尤其明显。都消失，这在多细胞生物尤其明显。DNA和组蛋白合成的协同性实验和组蛋白合成的协同性实验掺掺入入组组蛋蛋白白中中的的3-H标标记记的的亮亮氨氨酸酸（）肝部分切除后肝部分切除后/H掺掺入入DNA中中14-C标标记记的的胸胸腺腺嘧嘧啶啶的的量量（.）.MT behavior during formation MT behavior during formation of the metaphase plate.of the metaphase plate.Initially,MT from opposite Initially,MT from opposite poles are different in length.poles are different in length.Experimental demonstration of the importance of mecha-nical tension in metaphase checkpoint control.后后期期姊姊妹妹染染色色单单体体分分离离后其A染色体分离，后期B两极延伸后其A染色体分离，后期B两极延伸马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离1.间期间期2.前期前期1 进行染色体的配对和基因重组，进行染色体的配对和基因重组，合成一定量的合成一定量的RNA和蛋白质和蛋白质3.中期中期1 纺锤体装配纺锤体装配4.后期后期1 同源染色体对相互分离并向两极同源染色体对相互分离并向两极移动移动5.末期末期1 胞质分裂胞质分裂I和减数分裂间期和减数分裂间期6.染色体到两极，并凝集；细胞质开始分染色体到两极，并凝集；细胞质开始分裂，形成两个间期子细胞裂，形成两个间期子细胞第二次减数分裂与有丝分裂过程相似第二次减数分裂与有丝分裂过程相似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其他影响细胞周期的事件其他影响细胞周期的事件nDNA复制不完全复制不完全n纺锤体装配不正常纺锤体装配不正常nDNA损伤损伤人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；G1期与M期G2期与M期S期与M期处于第四期的爪蟾卵母细胞（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真核生物细胞周期调控的一般模型真核生物细胞周期调控的一般模型三类周期蛋白三类周期蛋白-CDK-CDK复合物复合物:GG1 1期周期蛋白期周期蛋白-CDK-CDK复合物复合物SS期周期蛋白期周期蛋白-CDK-CDK复合物复合物有丝分裂周期蛋白有丝分裂周期蛋白-CDK-CDK复合物复合物三个关键的过渡三个关键的过渡GG1 1期期SS期期中期中期后期后期后期后期末期及胞质分裂期过渡末期及胞质分裂期过渡Polyubiquitination