細(xì)胞生物學(xué)[第十二章細(xì)胞增殖及其調(diào)控]課程預(yù)習(xí)

第十二章 細(xì)胞增殖及其調(diào)控 一、細(xì)胞周期概述 (一)細(xì)胞周期 細(xì)胞周期是指細(xì)胞從一次有絲分裂結(jié)束到下一次有絲分完成所經(jīng)歷的一個有序過程。其間細(xì)胞遺傳物質(zhì)和其他內(nèi)含物分配給子細(xì)胞。 細(xì)胞周期時相組成：間期(inter phase)：G1期、S期、G2期；有絲分裂期(mitosis phase)：M期；胞質(zhì)分裂期(cytokinesis)。 細(xì)胞沿著G1SG2MG1周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，在問期細(xì)胞體積增大(生長)，在M期細(xì)胞先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，完成一個細(xì)胞周期。 細(xì)胞周期時間：不同細(xì)胞的細(xì)胞周期時間差異很大，S+G2+M的時間變化較小，細(xì)胞周期時間長短主要差別在G1期。 根據(jù)增殖狀況，細(xì)胞分類三類：連續(xù)分裂細(xì)胞(cycling cell)、休眠細(xì)胞(G0細(xì)胞)和終末分化細(xì)胞。 (1)連續(xù)分裂細(xì)胞這類細(xì)胞始終保持旺盛的增殖活性，不停地通過G1期及細(xì)胞周期各時期，完成細(xì)胞分裂，稱為增殖細(xì)胞。這類細(xì)胞代謝水平高，對環(huán)境信號敏感，分化程度都比較低，如：胚胎早期的細(xì)胞、造血干細(xì)胞、上皮基底細(xì)胞，它們對機(jī)體的建立和組織的更新起了十分重要的作用。 (2)休眠細(xì)胞這類細(xì)胞可長期停留在G1早期而不越過R點(diǎn)，處于增殖靜止?fàn)顟B(tài)。它們合成具有特殊功能的RNA和蛋白質(zhì)，使細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生分化，但這類細(xì)胞并未喪失增殖能力，在一定條件下可以恢復(fù)其增殖狀態(tài)，但需要經(jīng)過較長的恢復(fù)時間。通常把這類細(xì)胞稱為G0期細(xì)胞。如：肝、腎的實(shí)質(zhì)細(xì)胞、血液中的淋巴細(xì)胞都屬于這類細(xì)胞。它們通常處于G0狀態(tài)，當(dāng)組織受到損傷或激素的刺激時可重新進(jìn)入細(xì)胞增殖周期。細(xì)胞遺傳學(xué)中常用PHA(植物凝集素)來刺激處于G0狀態(tài)的淋巴細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期，從而獲得大量分裂期細(xì)胞來制備染色體。 (3)終末分化細(xì)胞這類細(xì)胞的結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生高度分化，已經(jīng)喪失增殖能力，終生處于G0期，直到衰老死亡。如：人的紅細(xì)胞、神經(jīng)元細(xì)胞和骨骼肌細(xì)胞等。 (二)細(xì)胞周期中各個不同時期及其主要事件 (1)G1期(DNA合成前期)。 從細(xì)胞分裂完成到DNA合成開始前的階段。是DNA合成前的準(zhǔn)備時期，也是細(xì)胞生長的主要階段。G1早期由于細(xì)胞大量合成RNA和進(jìn)行核糖體組裝，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)蛋白和酶的形成，這些酶控制著用于形成新細(xì)胞成分的代謝活動。進(jìn)入G1后期，則主要合成DNA復(fù)制所需的前體物質(zhì)和酶類，如脫氧核苷酸及胸苷激酶等。這一時期細(xì)胞體積增大，核仁增大。DNA含量是2c(content)。 (2)S期(DNA合成期)。 從DNA合成開始到DNA合成結(jié)束的全過程，一般是68小時。S期是DNA進(jìn)行復(fù)制的階段，使體細(xì)胞的DNA含量由2C增加到4C。主要特點(diǎn)是進(jìn)行DNA復(fù)制及合成與DNA復(fù)制相關(guān)的酶和組蛋白：如：胸苷激酶、胸苷酸合成酶、DNA聚合酶等。同時還合成組蛋白。 (3)C2期(DNA合成后期)。 從DNA合成結(jié)束到有絲分裂期開始之前的階段，是細(xì)胞進(jìn)入有絲分裂前的準(zhǔn)備時期。主要特點(diǎn)是有絲分裂促進(jìn)因子(M-phase promoting factor，MPF)的活化和微管蛋白等有絲分裂器組分的合成，為進(jìn)入M期作準(zhǔn)備。人體細(xì)胞的G2期一般要經(jīng)歷25小時。 (4)M期(有絲分裂期)。 有絲分裂是遺傳傳物質(zhì)已經(jīng)復(fù)制完備的母細(xì)胞，進(jìn)一步將染色質(zhì)加工、包裝成染色體，并把它們均等地分配給成兩個子細(xì)胞的過程。 (三)細(xì)胞周期長短測定 細(xì)胞周期的測定方法有： (1)脈沖標(biāo)記DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂指數(shù)觀察測定法。 (2)流式細(xì)胞儀分選測定法。 (四)細(xì)胞周期同步化 自然同步化：如有一種粘菌的變形體plasmodia，某些受精卵早期卵裂。 人工選擇同步化： (1)DNA合成阻斷法； (2)分裂中期阻斷法； (3)條件依賴性突變株在細(xì)胞周期同步化中的應(yīng)用。 (五)特殊的細(xì)胞周期 特異的細(xì)胞周期是指那些特殊的細(xì)胞所具有的與標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞周期相比有著鮮明特點(diǎn)的細(xì)胞周期。例如早期胚胎細(xì)胞的細(xì)胞周期、酵母細(xì)胞的細(xì)胞周期、植物細(xì)胞的細(xì)胞周期、細(xì)菌的細(xì)胞周期。 二、細(xì)胞分裂 (一)有絲分裂 1有絲分裂過程 根據(jù)該過程出現(xiàn)的形態(tài)學(xué)特征，可劃分為前期、中期、后期和末期四個時期。 (1)前期(prophase)。這一時期的主要表現(xiàn)是染色體的凝集，分裂極的確定的和核膜、核仁的解體。 (2)前中期(prometaphase)。指由核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorial plane)這一階段。 (3)中期(metaphase)。染色體最大程度地壓縮，呈現(xiàn)出典型的中期染色體形態(tài)特征。 (4)后期(anaphase)。染色體的著絲粒發(fā)生斷裂，姐妹染色單體在紡錘絲的牽引下分別移向兩極。 (5)末期(telophase)。染色體到達(dá)細(xì)胞兩極，即進(jìn)入未期。此時染色體開始解旋伸展變?yōu)榧?xì)絲，最后恢復(fù)成染色質(zhì)狀態(tài)。同時，核纖層蛋白去磷酸化，子細(xì)胞核膜重建。染色質(zhì)上的核仁組織區(qū)也進(jìn)行rRNA轉(zhuǎn)錄，進(jìn)行核糖體亞單位的裝配，核仁重新出現(xiàn)。 (6)細(xì)胞質(zhì)分裂(cytokinesis)。 動物細(xì)胞胞質(zhì)分裂：兩個子細(xì)胞核形成后，細(xì)胞膜從中部凹陷形成分裂溝(furrow)，繼而細(xì)胞質(zhì)分割成兩部分，形成兩個子細(xì)胞。新形成的兩個子細(xì)胞進(jìn)入新的細(xì)胞周期。 植物細(xì)胞胞質(zhì)分裂：與動物細(xì)胞胞質(zhì)分裂不同的是，植物細(xì)胞胞質(zhì)分裂是因?yàn)樵诩?xì)胞內(nèi)形成新的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁而將細(xì)胞分開。 2與有絲分裂直接相關(guān)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu) (1)中心體(centrosome)是一種與微管裝配和細(xì)胞分裂密切相關(guān)的細(xì)胞器。 中心體的組成：中心粒+周圍的無定型物質(zhì)。 中心粒組成：中心粒呈圓筒狀結(jié)構(gòu)，圓筒的壁由9組三聯(lián)微管構(gòu)成。中心體與四射的微管合 稱為星體。當(dāng)細(xì)胞走向分裂時，星體參與裝配紡錘體。 中心體(或中心粒)周期(eentrosome cycle，centriole cycle)。 中心粒的復(fù)制：G1期末到S期復(fù)制；晚G2期到M期，子中心粒長大并逐漸分離；有絲分裂前期分離成為一個生長輻射狀微管的核心。 (2)動粒(kinetochore，又稱著絲點(diǎn))。動粒外側(cè)主要用于紡錘體微管附著，內(nèi)側(cè)與著絲粒相互交織。細(xì)胞進(jìn)入S期后，動粒再次復(fù)制。 動粒在細(xì)胞分裂過程中起到相當(dāng)重要的作用：染色體依靠動粒捕捉由紡錘體極體發(fā)出的微管。沒有動粒的染色體不能與紡錘體微管發(fā)生有機(jī)聯(lián)系，也不能和其他染色體一起向兩極運(yùn)動。用藥物caffeine處理細(xì)胞，可以使動粒與染色體脫離，等到分裂期，動粒則單獨(dú)向兩極移動。 (3)紡錘體(spindle)。主要由微管和微管結(jié)合蛋白組成，兩端為星體，紡錘體的微管分為三種類型，即動粒微管、極性微管和星體微管。動粒微管的一端與中心體相連，另一端與動粒相連。極性微管的一端與中心體相連，而另一端游離。 有絲分裂器(mitotic apparatus)：由中心體、紡錘體和染色體和共同組成的暫時性結(jié)構(gòu)。它是在細(xì)胞分裂過程中專門執(zhí)行有絲分裂功能的結(jié)構(gòu)，在維持染色體的平衡、運(yùn)動以及均等分配過程中起著極為重要的作用。 3有絲分裂過程中染色體運(yùn)動的動力機(jī)制 (1)染色體列隊(duì)。 1)牽拉假說：認(rèn)為染色體向赤道板的運(yùn)動，是由于動粒微管的牽拉，動粒微管越長，拉力越大，當(dāng)兩極動粒微管拉力相等時，染色體便穩(wěn)定在赤道板上。 2)外推假說：認(rèn)為染色體向赤道方面的運(yùn)動，是由于二個星體的排斥將染色體外推的結(jié)果，染色體距中心體越近，星體的推力越強(qiáng)，當(dāng)來自兩極推力達(dá)到平均時，染色體被穩(wěn)定在赤道板上。 (2)染色體分離機(jī)制。 1)后期A：動粒微管逐漸變短，將染色體移向兩極。動粒微管的縮短，是由于動粒端微管蛋白解聚造成的，蛋白解聚又是由于dynein蛋白拖著動粒盤向著極部運(yùn)動引起的。 2)后期B：極性微管不斷增長，使兩極間距離逐漸拉長。在后期B，Kinesin蛋白與來自一端的極性微管結(jié)合，同時與來自另一端的極性微管搭橋，當(dāng)Kinesin蛋白帶著連接的微管沿著另一根微管向著正極運(yùn)動時，可使兩根微管之間產(chǎn)生相互滑動，由此使兩極間的距離逐漸變長。 (二)減數(shù)分裂 1減數(shù)分裂概念 減數(shù)分裂是細(xì)胞僅進(jìn)行一次DNA復(fù)制，隨后進(jìn)行兩次分裂，染色體數(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂。用以形成配子。 2減數(shù)分裂過程 (1)減數(shù)分裂I。 1)前期I。減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在前期I，通常人為劃分為5個時期：細(xì)線期(leptotene)、合線期(zygotene)、粗線期(pachytene)、雙線期(diplotene)、終變期(diakinesis)。必須注意的是這5個階段本身是連續(xù)的，它們之間并沒有截然的界限。 2)中期I。核仁消失，核被膜解體，標(biāo)志進(jìn)入中期I，中期I的主要特點(diǎn)是染色體排列在赤道面上。每個二價體有4個著絲粒、姊妹染色單位的著絲粒定向于紡錘體的同一極，故稱聯(lián)合定向 (co-orientation)。 3)后期I。二價體中的兩條同源染色體分開，分別向兩極移動。由于相互分離的是同源染色體，所以染色體數(shù)目減半。但每個子細(xì)胞的DNA含量仍為2C。同源染色體隨機(jī)分向兩極，使母本和父本染色體重所組合，產(chǎn)生基因組的變異。 4)末期I。染色體到達(dá)兩極后，解旋為細(xì)絲狀、核膜重建、核仁形成，同時進(jìn)行胞質(zhì)分裂。 5)減數(shù)分裂間期。在減數(shù)分裂I和之間的問期很短，不進(jìn)行DNA的合成，有些生物沒有問期，而由末期I直接轉(zhuǎn)為前期。 (2)減數(shù)分裂?？煞譃榍啊⒅?、后、末四個四期，與有絲分裂相似。通過減數(shù)分裂一個精母細(xì)胞形成4個精子。而一個卵母細(xì)胞形成一個卵子及23個極體。 3減數(shù)分裂特點(diǎn)和意義。 減數(shù)分裂特點(diǎn)：遺傳物質(zhì)只復(fù)制一次，細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，導(dǎo)致染色體數(shù)目減半；s期持續(xù)時間較長；同源染色體在減數(shù)分裂期I配對聯(lián)會、基因重組；減數(shù)分裂同源染色體配對排列在中期板上，第一次分列時，同源染色體分開。 減數(shù)分裂的意義：確保世代間遺傳的穩(wěn)定性；增加變異機(jī)會，確保生物的多樣性，增強(qiáng)生物適應(yīng)環(huán)境變化的能力；減數(shù)分裂是生物有性生殖的基礎(chǔ)，是生物遺傳、生物進(jìn)化和生物多樣性的重要基礎(chǔ)保證。 三、細(xì)胞周期的調(diào)控 (一)MPF的發(fā)現(xiàn)及其作用 1970年，Johnson和Rao將HeLa細(xì)胞同步化在細(xì)胞周期中的不同階段，然后將M期細(xì)胞與其他問期細(xì)胞在仙臺病毒介導(dǎo)下融合，并繼續(xù)培養(yǎng)一定時間。他們發(fā)現(xiàn)，與M期細(xì)胞融合的間期細(xì)胞發(fā)生了形態(tài)各異的染色體凝集，稱之為早熟染色體凝集(PCC)。不同時相的見其細(xì)胞與M期細(xì)胞融合，產(chǎn)生的：PCC形態(tài)各異。 1971年，Masui和Markert用非洲爪蟾卵做實(shí)驗(yàn)，明確提出了MPP這一概念；1988年，Maller實(shí)驗(yàn)室分離出毫克級的純化MPF，并證明其主要含p32和p45兩種蛋白，它們結(jié)合后表現(xiàn)出蛋白激酶活性。 (二)p34cdc2激酶的發(fā)現(xiàn)及其與MPF的關(guān)系 與此同時，科學(xué)家通過對裂殖酵母和芽殖酵母的突變體分析，發(fā)現(xiàn)了一種p34 cdc2激酶，并證明p34 cdc2跟MPF中的p32是同源物。 MPP的化學(xué)成分被證實(shí)含有兩個亞單位，即Cdc2蛋白和周期蛋白B，當(dāng)二者結(jié)合之后，表現(xiàn)出蛋白激酶活性。 (三)周期蛋白 周期蛋白是一個家族，各個周期蛋白間具有一些共同的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如它們含有一段相當(dāng)保守的氨基酸序列(約100個氨基酸)，稱為周期蛋白框(cyclin box)，該框介導(dǎo)周期蛋白與CDK激酶結(jié)合。 各個周期蛋白也有其特性：在細(xì)胞周期時相表達(dá)不同，其結(jié)構(gòu)上也具有不同特性。G1期周期蛋白分子中不含有破壞框，但其C端含有一段特殊的PEST序列，該序列可能對G1期周期蛋白的降解起促進(jìn)作用。不同的周期蛋白在細(xì)胞周期中表達(dá)的時期不同，并與不同的CDK激酶結(jié)合，調(diào)節(jié)不同的CDK激酶活性。 (四)CDK激酶和CDK激酶抑制物 CDK激酶是一個家族，其成員有CDK1(即Cdc2)、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6、CDK7、CDK8、CDK9。這個家族的成員含有兩方面的共同特點(diǎn)： (1)它們含有一段類似的CDK激酶結(jié)構(gòu)域(CDK-kinase domain)，在該結(jié)構(gòu)域中有一段保守序列，即PSTAIRE區(qū)域； (2)該序列可與周期蛋白框結(jié)合，并將周期蛋白作為其調(diào)節(jié)亞單位，進(jìn)而表現(xiàn)出蛋白激酶活性。 CDK激酶抑制物(cyclin-dependent kinase inhibitors，CDK1)：除了周期蛋白和修飾性因子對CDK激酶活性進(jìn)行調(diào)控外，細(xì)胞內(nèi)還存在一些對CDK激酶活性起負(fù)性調(diào)控的蛋白。到目前為止，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)多種對CDK激酶起負(fù)性調(diào)控的CDK1，分別歸為Cip/Kip家族和INK4家族。Cip/Kip家族成員主要包括p21Cip/WAF1、p27Kip1和p57Kip2，p21Cip/WAF1等；INK4家族成員主要包括p16、p15、p18和p19等，p16為此家族的典型代表，p16主要抑制CDK4和CDK6激酶活性。 (五)細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)調(diào)控 1以CDK1為例來看CDK激酶在細(xì)胞周期中視如何被激活并執(zhí)行調(diào)控功能： (1)CDK蛋白本身不具有蛋白激酶活性。 (2)當(dāng)周期蛋白BA含量積累到一定值時，二者相互結(jié)合形成復(fù)合體，但不表現(xiàn)出激酶活性。 (3)在WeekMik1和CAK激酶的催化下CDKThr14、Tyr15、Thr161磷酸化，形成高度磷酸化的周期蛋白CDK復(fù)合體，但仍不具備激酶活性。 (4)在磷酸酶Cdc25的催化下，Thr14和Tyr15去磷酸化，CDK激酶活性才能表現(xiàn)出來。Thr161位點(diǎn)保持磷酸化狀態(tài)是CDK1激酶活性表現(xiàn)所必需的。 (5)CDK活化后，CDK1使底物蛋白磷酸化，如將組蛋白H1磷酸化導(dǎo)致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等下游細(xì)胞周期事件。 (6)分裂中期過后，周期蛋白降解，CDK失去活性。 2細(xì)胞周期調(diào)控系統(tǒng)的主要作用 (1)在適當(dāng)時候激