第十二章细胞周期及细胞分裂.docx

1、第十二章细胞周期及细胞分裂第十一章 细胞周期及其调控（cell cycle and regulation）教学目的1、掌握细胞增殖的方式及特点2、了解细胞周期调控的机理教学内容本章从四个方面讨论了细胞周期的机制:1细胞周期2细胞周期调控3有丝分裂4减数分裂计划学时及安排本章计划4学时。教学重点和难点本章是细胞生物学的重点章节，2001年诺贝尔医学和生理学奖颁给了在细胞周期研究中有巨大贡献的三位科学家。细胞周期与细胞分裂是细胞的生长和增殖的生命活动，与癌的发生有密切关系。1. 将细胞周期分为两个主要的时期: 有丝分裂期（M期）和分裂间期。根据新细胞从开始生长到分裂前止的分裂间隔期中的生理和生化变

2、化, 可将分裂间期分为: G1期、S期、G2期。学习和掌握细胞周期的动态关系和基本过程是本节的重点。2. 细胞周期受到严格的控制。细胞周期的调控机制最早是从酵母中获得突破，发现了细胞周期蛋白和周期蛋白依赖性蛋白激酶，它们控制着细胞周期的进程。细胞周期的控制有两个主要事件，一个是对DNA复制起始的控制，发生在G1期，该控制点称为START。第二个事件是对有丝分裂起始的控制，发生在G2期和M期之间。3. 有丝分裂是细胞周期的丝裂期(M期)进行的分裂活动。在这个时期，通过纺锤丝的形成和运动以及染色体的形成，把在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。此节的重点是学习

3、和掌握染色体分离的机制。4. 减数分裂是生殖细胞产生配子的分裂，包括两次连续的有丝分裂，形成4个单倍体的子细胞。相继的两次分裂分别称为减数分裂I和减数分裂。难点是减数分裂I的染色体行为，在此过程中发生了分子水平的重组和染色体组的重组。5. 本章的核心内容是细胞周期调控和染色体在细胞分裂中的分离机制。可通过对有丝分裂和减数分裂的比较加深对染色体行为的认识和理解。教学方法 讲授与讨论教学过程细胞增殖(cell proliferation)的意义：细胞增殖(cell proliferation)是细胞生命活动的重要特征之一,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。多细胞生物由一个

4、单细胞(受精卵)分裂发育而来， 细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞， 维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，都要依赖细胞增殖。第一节 细胞周期与细胞分裂（cell cycle and cell division）一、细胞周期概述（The cell cycle summarizes）细胞周期概念：指通过细胞分裂产生的新细胞的生长开始到下一次细胞分裂形成子细胞结束为止所经历的过程称为细胞周期.分为：物质积累期和细胞分裂期。细胞周期时相组成间期(interphase)：G1 phase，S phase，G2 p

5、hase分裂间期，即新细胞的生长期，可分为：G1期(Gap1 phase，即从M期结束到S期开始前的一段间歇期； S期，即DNA合成期(DNA synthetic phase)；G2期(G2 phase)，即DNA合成后(S期)到有丝分裂前的一个间歇期。M phase：包括有丝分裂期(Mitosis)和胞质分裂期(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

6、期某些真核生物的细胞周期时间细胞类型细胞周期时间早期的蛙胚细胞30分钟酵母细胞3小时肠表皮细胞12小时培养的哺乳动物成纤维细胞20小时人的肝细胞1年细胞周期的类型真核生物细胞分为三类: 持续分裂细胞,又称周期性细胞, 即在细胞周期中连续运转的细胞。 G0细胞,又称休眠细胞，暂时脱离细胞周期,但在某些条件的诱导下重新进入细胞周期。 终端分化细胞, 即永久性失去了分裂能力的细胞细胞周期中各个不同时相及其主要事件 G1期G1 期是从有丝分裂完成到DNA复制前的一段时期, 又叫合成前期。此期主要合成rRNA、蛋白质、脂类和碳水化合物。 S 期即DNA合成期。包括DNA合成、组蛋白的合成, DNA复制所

7、需酶的合成。DNA复制时，不同序列的复制先后是不同的：常染色质：先；异染色质：后；能转录的DNA：先；不能转录的DNA：后；GC含量高：先；AT含量高：后； G2期是DNA合成的后期。大量合成ATP、RNA、蛋白质，包括微管蛋白和成熟促进因子MPF(maturation promoting factor)等，为有丝分裂作准备。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。过程：从细胞分裂开始到结束所经历的过程, 也就是从染色体的凝缩、分离到平均分配到两个子细胞为止。特点：RNA合成停止

8、, 蛋白质合成减少, 以及染色体高度螺旋化。结果：分裂后, S期合成的DNA减半。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

9、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细胞分裂快,无G1

10、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

11、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细胞分裂分为：无丝分裂（amitosis） 有丝分裂（mitosis）减数分裂（meiosis）。无丝分裂（amitosis）：又称为直接分裂（direct division），由雷马克（R. Remark）1841年首次发现于鸡胚血细胞。主要表现为细胞核伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂，期间不涉及纺锤体形成及染色体

12、变化，因此称为无丝分裂。有丝分裂（mitosis）：又称为间接分裂（indirect division），由W. Fleming （1882）年首次发现于动物及E. Strasburger（1880）年发现于植物。特点是有纺锤体的出现和染色体的变化，最终子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物减数分裂（meiosis）是指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式，是高等动植物配子体形成的分裂方式。二、有丝分裂（mitosis）特点：有丝分裂保证了携带遗传信息的染色体一代代以相同的染色体数目传递下去，从而维持了遗传的稳定性。过程：分裂间期和分裂期，其中分裂期包括前期、前中期、

13、中期、后期、末期、胞质分裂期6个阶段。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）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物称为动粒(kinetochore)第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)开始装配，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

14、末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡前中期(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(a

15、naphase) 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。 胞质分裂(cytokinesis)期将细胞膜、细胞骨架、细胞器以及可溶性蛋白质等分配给两个子细胞称为胞质分裂。三、胞质分

16、裂（Cytokinesis）动物细胞胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为 分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体极性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体处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环（contractile ring)。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞。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。有丝分裂的机理 纺锤体微管的类型及其形成纺锤体又称有丝分裂器(mitotic appar

17、atus)，它是在有丝分裂期间, 从中心粒形成的各种微管。包括动粒粒微管、极微管、星体微管等，功能是将遗传物质均等分配到两个子细胞。 核的解体与重建机理 核解体H1组蛋白和核纤层蛋白的磷酸化导致染色体的凝集和核膜的解体，它们的磷酸化作用主要由激活的MPF催化的。 核重建核重建是核解体的相反过程，前期磷酸化的核纤层蛋白经去磷酸化后重新形成核纤层。 后期A与后期B在有丝分裂过程中染色体被拉向两极是受两种力的作用:一种是动粒微管去装配产生的拉力，另一种是极微管的聚合产生的推力。有丝分裂的后期可分为两个阶段后期A和后期B。在后期A，染色体运动的力主要是由动粒微管的去装配产生的,此时的染色体运动称为向极

18、运动。在后期B，染色体运动的力主要是由极微管的聚合产生的，此时的运动称为染色体极分离运动 。 纺锤体微管运动机理 后期A：微管去聚合作用假说 纺锤体微管滑动假说 胞质分裂的机制胞质分裂是一个信号诱导的过程，由星微管传递的，说明胞质分裂是由星微管决定的。星微管传递的信号决定肌动蛋白在分裂细胞中间装配成收缩环。 四、减数分裂（Meiosis ）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间期：S期持续的时间比较长，并且DNA进行不 完全复制，复制总量的%。减数分裂分裂期：减数分裂期：前期、中期、后期、末期。

19、 减数分裂期：前期、中期、后期、末期。第一次减数分裂：两个主要特点：一对同源染色体分开，分别进入两个子细胞，同源染色体分开之前通常要发生交换和重组。在染色体组中，同源染色体的分离是随机的，也就是说染色体组要发生重组合。 前期I特点：持续时间长、胞核显著增大、同源染色体进行配对、交换等。类型：细线期偶线期粗线期双线期终变期 细线期(leptotene stage)又称凝集期(condensation stage)，染色质在凝集前已复制，呈单条细线状，看不到成双的结构染色体。在电子显微镜下，可观察到染色体是由两条染色单体构成的。 偶线期(zygotene stage)染色质进一步凝集，同源染色体(

20、homologous chromosomes)发生配对，称为联会(synapsis)，所以此期又称配对期(pairing stage)。 粗线期(pachytene stage, pachynema)又称重组期(recombination stage)。染色体明显变粗变短，结合紧密，此期染色体形态是一个明显的四分体。 双线期(diplotene stage)此期染色体长度进一步变短，联会复合体因发生去组装而逐渐消失，紧密配对的同源染色体相互分开，而在非姊妹染色单体之间有交叉(chiasma）。 终变期(diakinesis)又称再凝集期(recondensation stage)，染色质又被包

21、装压缩成染色体。大多数核仁消失，四分体均匀地分布在核中，姐妹染色单体通过着丝粒连接在一起。 中期I纺锤体侵入核区, 分散于核中的四分体开始向四分体的中部移动；此时四分体上有四个着丝点, 一侧纺锤体只和同侧的两个着丝点相连。最后染色体排列在赤道板上。 后期I同源染色体在两极纺锤体的作用下分开, 并逐渐移向两极。由于每条染色体仍含有两条染色单体, 因而每个极仍含有两套染色体。 末期I及分裂间期在末期，每一个极接受一套随机组合的染色体组。两次减数分裂之间的时期称为分裂间期（interkinesis）, 是一个极短的时期。第二次减数分裂：通过分裂间期即进入第二次减数分裂。最后形成四个单倍体细胞。前期：

22、核被膜解体，重新包装压缩染色体；中期：染色体排列在赤道板，姐妹染色单体中的动粒被两极的纺锤体结合；后期：着丝粒对称断裂，姐妹染色单体被拉向两极；末期：染色体完全移到两极，开始去凝集，并重新形成核膜。减数分裂与有丝分裂的比较共同点：都是通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞的分裂。不同点：有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要是细胞产生配子的过程(生殖细胞也有有丝分裂)。有丝分裂是一次细胞周期, DNA复制一次, 分裂一次, 染色体由2n2n;减数分裂是两次细胞周期, DNA复制一次, 细胞分裂两次, 染色体由2n1n。有丝分裂中, 每个染色体是独立活动;在减数分裂中, 染色体要配对、联会、交换

23、和交叉。有丝分裂之前, 经DNA合成, 进入G2期后才进行有丝分裂; 减数分裂之前, DNA合成时间很长%合成, %未合成), 一旦合成,即进入减数分裂期, G2期短或没有。有丝分裂时间短, 1-2小时; 减数分裂时间长, 几十小时至几年。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。脊椎动物配子发生过程第二节 细胞周期调控（Regulation and control of cell cycle）一、 细胞周期调控系统的主要作用（The main action o

24、f cell cycle regulates and control system）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)二、 细胞周期检验点（Cell cycle 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三、 MPFMaturation-promoting factor&Mitosis-promo

25、ting factorMPF(Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor)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的发现称为M-期促进因子(M-phase promoting factor, MPF),后来称为成熟促进因子。 MPF首先发现于蛙的卵细胞 。MPF的结构：MPF：异质二聚体；催化亚基：将磷酸基团从ATP转移到特定底物的丝氨酸和苏氨酸残基上, 这种蛋白激酶后来被称为周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein

26、kinases, Cdks); 调节亚基：周期蛋白(cyclin)。 周期蛋白的结构特点 蛋白的氨基酸序列中, 靠近N端都有一个称为破坏框(destruction box)的同源区。有丝分裂周期蛋白在遍在蛋白介导下降解促使细胞退出有丝分裂。 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期的相关事件四、细胞周期的调控 真核生物细胞周期调控的一般模型真核细胞主要通过三类周期蛋白-Cdk复合物的作用，控制细胞周期，分别是：G1期、S期和有丝分裂Cdk复合物。细胞周期中三个关键的

27、过渡，即G1期S期、中期后期、后期末期及胞质分裂期的过渡。 裂殖酵母的细胞周期调控裂殖酵母是研究细胞周期的极好材料，因为酵母中与细胞周期相关基因的突变很容易被识别：如细胞的温度敏感突变。Cdc2蛋白又称为p34cdc2 蛋白。裂殖酵母的Cdc2-Cdc13相当于非洲爪蟾的MPF。 芽殖酵母的细胞周期调控 芽殖酵母是以出芽的方式进行增殖的. 芽殖酵母在G1期发动细胞周期的点称为起点(START)。 哺乳动物细胞周期的控制哺乳动物的细胞周期受一个小型Cdks家族的调节。分别命名为Cdk1、Cdk2 、Cdk3等 细胞周期的关卡(check point)细胞周期中的三个主要关卡：G1期关卡:新生的细

28、胞生长的是否足够大、内部环境(包括rRNA和蛋白质的合成)是否合适。G2关卡:DNA是否正确复制和是否复制完全、细胞是否生长得足够大。中期关卡:控制染色体是否完全分离。五、Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转 Polymorphism of Cyclin-Cdks complex and cell cycle runCyclin-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G

29、1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

30、，APC才有活性，才启动细胞向后期转换。周期细胞M-Cyclin的调控细胞周期调控模型总结六、 细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控)Minus regulation and control of cell cycle run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。同源染色体（homologous chromosome )：成对的染色体，它们含有相同的线性基因顺序，在有丝分裂过程中易于配对或联会。二倍体细胞核内成对染色体中的两条染色体（父本与母本染色体）就是同源染色体。存在于二倍体细胞中的每一形态类型染色体的两个拷贝中的一个,也叫作“homologue”。每个同源染色体来自双亲的另一方。