细胞生物学教程细胞周期.pptx

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,第十三章,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。,第一节 基本概念,一、什么是细胞周期,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),，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,从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：,连续分裂细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。,休眠细胞暂不分裂，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。,不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等,细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关。通常,G,1,期持续时间差异较大，,M,期最短约,0.5,4.5,小时。,标记有丝分裂百分率法（,percentage labeled mitoses,，,PLM,）：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,。,二、细胞周期时间的测定,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,细胞同步化,(synchronization),是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化。,（一）自然同步化,1,、多核体：如：粘菌、疟原虫。,2,、某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、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，它们一起发芽，同步分裂。,三、细胞同步化,1,、选择同步化,1,）有丝分裂选择法：,M,期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。,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：,M,期细胞体积大，可用离心分离。,优点：可用于任何悬浮培养的细胞。,缺点：同步化程度较低。,（二）人工同步化,2,、诱导同步化,1,）,DNA,合成阻断法：选用,DNA,合成的抑制剂，可逆地抑制,DNA,合成。常用,TDR,双阻断法：,在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量,TDR,（,Hela 2mol/L,；,CHO 7.5mol/L,）。,S,期细胞被抑制，停在,G,1,/S,交界处。移去,TDR,，释放时间大于,T,S,时，再次加入过量,TDR,。,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,用秋水仙素等细胞分裂抑制剂将细胞阻断在中期。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差。,第二节 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,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,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,synaptonemal complex,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,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。,