细胞的增殖与调控.pptx

第二节 细胞分裂,有丝分裂,(mitosis),减数分裂,(meiosis),第三节 细胞周期的调控,(Cell-Cycle Control),MPF,细胞周期调控系统的主要作用,细胞周期检验点,(Cell Cycle Checkpoint),细胞周期运转的阻遏,(,细胞周期运转的负调控,),Cyclin-Cdk,复合物的多样性及细胞周期运转,第一节 细胞周期,(cell cycle),概述,细胞周期,细胞周期中各个不同时相及其主要事件,细胞周期长短测定,细胞周期同步化,特异的细胞周期,一、有丝分裂,(mitosis),(,一,),有丝分裂过程,(,二,),与有丝分裂直接相关的亚细胞结构,(,三,),与有丝分裂过程中染色体运动的动力机制,(,一,),有丝分裂过程,前期,(prophase),前中期,(prometaphase),中期,(metaphase),后期,(anaphase),末期,(telophase),胞质分裂,(cytokinesis),(,二,),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,(,三,),与有丝分裂过程中染色体运动的动力机制,染色体整列,Mad,蛋白，,Bub,蛋白,:,与微管捕捉染色体有关的蛋白质,“推拉”理论,染色体分离,马达蛋白沿微管向极运动,胞质分裂,(cytokinesis),胞质分裂开始于细胞分裂后期,完成于细胞分裂末期,胞质分裂开始时,在赤道板周围细胞表面下陷,形成环形缢缩,称为分裂沟,(furrow).,逐步加深,直到两个子代细胞完全分开,.,中间体,(midbody),收缩环,(contractile ring),减数分裂,(meiosis),减数分裂概念与过程,减数分裂的意义,减数分裂特点,脊椎动物配子发生过程,细胞周期,概念：,细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分,完成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,细胞周期时间,根据增殖状况，细胞分类三类,细胞周期时相组成,Interphase:,间期，,G1 phase,，,S phase,，,G2 phase,M phase:,有丝分裂期,(Mitosis),胞质分裂期,(Cytokinesis),细胞沿着,G1SG2MG1,周期性运转，在间期细胞体积增大,(,生长,),，在,M,期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个,细胞周期,。,细胞周期时间,不同细胞的细胞,周期时间差异,很大,S+G2+M,的时间变化教小，细胞周期时间长短主要差别在,G1,期,有些分裂增殖的细胞缺乏,G1,、,G2,期,根据增殖状况，细胞分类三类,连续分裂细胞,(cycling cell),休眠细胞,(Go,细胞,),终末分化细胞,Go,期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划,分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前,可能被认为是,Go,期细胞。,细胞周期中不同时,相,及其主要事件,G1,期,S,期,G2,期,M,期,G1,期,与,DNA,合成启动相关，开始合成细胞生长所,需要的多种蛋白质、,RNA,、碳水化合物、脂类,等，同时染色质去凝集。,G2,期,DNA,复制完成，在,G2,期合成一定数量的蛋白质和,RNA,分子,M,期,M,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,(mitosis),和,减数分裂,(meiosis),。遗传物质和细胞内其,他物质分配给子细胞。,S,期,DNA,复制与组蛋白合成同步,，组成核小体串珠结构,S,期,DNA,合成不同步,细胞周期长短测定,脉冲标记,DNA,复制和细胞分裂指数观察测定法,流式细胞仪测定法,(Flow Cytometry),缩时摄像技术，,可以得到准确的细胞周期时间及分裂间,期和分裂期的准确时间。,细胞周期同步化,自然同步化，如有一种粘菌的变形体,plasmodia,，,某些,受精卵早期卵裂,人工选择同步化,药物诱导法,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,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,。,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。,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,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,有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细,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,植物细胞的细胞周期,细菌的细胞周期,爪蟾,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,无需临时合成其它物质,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,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,:,酵母细胞周期持续时间较短；,封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；,纺锤体位于细胞核内；,在一定环境下，也进行有性繁殖,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,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,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,这种染色体由,两条染色单体,(chromatid),构成,在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复,合物称为,动粒,(kinetochore),间期动物细胞含一个,MTOC,，即中心体，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，朝相反方向，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,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,是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,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,后期,(anaphase),大致可以划分为连续的两个阶段，即后期,A,和后期,B,后期,A,，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动,后期,B,，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,减数分裂概念与过程,概念：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,过程,减数分裂的意义,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,特点,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,S,期持续时间较长,同源染色体在减数分裂期,I(MeiosisI),配对联会、基因重组,减数分裂同源染色体配对,排列在中期板,上,第,一次分列时,同源染色体分开,减数分裂前,S,期与有丝分裂前,S,期长度比较,前期,I,分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，,终变期等,五个阶段,形成,联会复合体,(Synaptonemal Complex,SC),同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组合,细胞周期调控系统的主要作用,在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶,和蛋白,然后自身失活,(,正调控,),确保每一时相事件的全部完成,(,负调控,),对外界环境因子起反应,(,如多细胞生物对增殖信号的反应,),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,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,细胞周期检验点及其作用,G1,期检验点：酵母,Start,；动物细胞,Restriction Point,MPF(Maturation-promoting factor,，,Mitosis-promoting factor),MPF,的,发现及其生化实质,Mitotic Cyclin-Cdk,复合物的活化与功能,MPF,的发现及其生化实质,细胞融合与,PCC,(Premature chromosomal condense),爪蟾卵子成熟过程,MPF,的发现,MPF,是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；,由,M,期,Cyclin-Cdk,(Cyclin-dependent protein kinase),形成的,复合物,。,MPF=CDK1=p34,cdc2,+cyclinB,Mitotic Cyclin-Cdk,复合物的活化与功能,活化,随,Cyclin,浓度变化而变化,激酶与磷酸酶的调节,，,活化的,MPF,可使更多的,MPF,活化,功能,：启动细胞从,G2,期进入,M,期的相关事件,Cyclin-Cdk,复合物的多样性及细胞周期运转,Cyclin-Cdk,复合物的多样性,Cyclin-Cdk-,调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白与,不同的,CDK,结合，构成不同的,Cyclin-Cdk,；,不同的,Cyclin-Cdk,在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。,G1 Cyclin-Cdk,复合物对,Rb,蛋白磷酸化而调控,G1,检验点,Mitotic Cyclin-Cdk,复合物激活,Anaphase Promoting Complex(,APC,),调控纺锤体装配检验点,周期细胞,M-Cyclin,的调控,细胞周期调控模型总结,Cyclin-Cdk,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-CDK2,G1 Substrates,S Substrates,G2/M Substrates,Growth and,Morphogenesis,DNA Replication,Mitosis,APC,介导选择性降解的靶蛋白与,Ubiquitin,结合,(,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。,细胞周期运转的阻遏,(,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：,Cdk,抑制蛋白,(CDI),阻止,Cyclin-Cdk,复合物的装配或活,性；周期调控系统组分停止合成。,CDI,包括,CIP/KIP,家族和,INK4,家族，其作用是抑制,Cyclin-Cdk,复合物的装配或活性，而将细胞阻止在不同的检验点。如,DNA,受损后，细胞将,停留于,G1,Checkpoint,让,DNA,修复或者凋亡,周期调控系统组分停止合成，如,G0,细胞，大部分,Cyclin,和,Cdk,都消失，这在多细胞生物尤其明显。,Experimental demonstration of the coordinated,Synthesis of DNA and histones.,.,MT behavior during formation of the metaphase plate.Initially,MT from opposite poles are different in length,.,Experimental demonstration of the importance of mecha-nical tension in metaphase checkpoint control.,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,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；,处于第六期的爪蟾卵母细胞（,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,