第十二章細胞增殖與周期調(diào)控

第十二章細胞增殖及其調(diào)控第一節(jié)細胞周期概述第二節(jié)細胞分裂第三節(jié)細胞周期的調(diào)控當(dāng)前1頁，總共56頁。第一節(jié)細胞周期概述細胞增殖是細胞生命活動的重要特征之一，是生物生長發(fā)育和繁殖的基礎(chǔ)。細胞增殖受到嚴密的調(diào)控機制的監(jiān)控，整個過程表現(xiàn)出嚴格的順序性和周期性。當(dāng)前2頁，總共56頁。一、細胞周期(cellcycle)

從一次細胞分裂結(jié)束到下一次細胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程，叫細胞周期。

細胞周期最重要的功能是準確的復(fù)制染色體上的DNA并將兩個拷貝精確的分配到兩個子細胞中。當(dāng)前3頁，總共56頁。二、細胞周期中各個不同時相及其主要事件間期(interphase)G1期(gap1)，指從有絲分裂完成到期DNA復(fù)制之前的間隙時間。S期(synthesisphase)，指DNA復(fù)制的時期。G2期(gap2)，指DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始之前的一段時間。當(dāng)前4頁，總共56頁。細胞周期不同時期的主要事件

G1期：子代細胞的生成標志著G1期的開始。此時合成大量細胞生長所需要的各種蛋白質(zhì)、糖類、脂類等物質(zhì)，但不合成DNA。在G1期的晚期有一個檢驗點，監(jiān)控著細胞是否進入S期。在芽殖酵母中叫做起始點(start)；在其他真核細胞中，限制點(restrictionpoint,R點)；或檢驗點(checkpoint)。當(dāng)前5頁，總共56頁。Thecontrolofthecellcycle.

Theessentialprocesses,suchasDNAreplicationandmitosisandcytokinesis,aretriggeredbyacentralcell-cyclecontrolsystem.Byanalogywithawashingmachine,thecontrolsystemisdrawnasanindicatorthatrotatesclockwise,triggeringessentialprocesseswhenitreachesspecificpointsontheouterdial.當(dāng)前6頁，總共56頁。S期，主要進行DNA的復(fù)制與核小體組蛋白的合成，并組裝成染色質(zhì)結(jié)構(gòu)。微管蛋白也開始合成。其DNA復(fù)制的起始和復(fù)制過程受到多種細胞周期調(diào)節(jié)因素的嚴密調(diào)控。G2期：此時DNA含量已增加1倍，細胞已做好了進入M期的準備。但也有一個檢驗點，監(jiān)控著DNA是否完成了復(fù)制和損傷是否得到了修復(fù)。M期，既要把一個細胞分成兩個子細胞，又要將兩套染色體各分成一套分配到兩個子細胞。當(dāng)前7頁，總共56頁。分裂期，又稱M期(mitosisordivision)，從開始到結(jié)束，可以分為前期、中期、后期和末期。各個時期都有非常顯著的特征。G1期G2期當(dāng)前8頁，總共56頁。細胞的分類周期中細胞(cyclingcell)，持續(xù)分裂的細胞，如干細胞，表皮生發(fā)層細胞、部分骨髓細胞。G0期細胞(G0cell)，又稱靜止期細胞(quiescentcell)，暫時退出細胞周期，但在適當(dāng)?shù)拇碳は驴芍匦逻M入細胞周期，如淋巴細胞、肝、腎細胞和結(jié)締組織的成纖維細胞等。終末分化細胞(terminallydifferentiatedcells)，指不可逆地脫離細胞周期，不再分裂的細胞，如神經(jīng)、肌肉、多形核細胞等。當(dāng)前9頁，總共56頁。三、細胞周期時間的測定同種細胞之間，細胞周期時間長短相似或相同；不同細胞種類之間，細胞周期時間長短差別很大。周期時間的主要差別在G1期，而S、G2和M期時間相對恒定。當(dāng)前10頁，總共56頁。（一）脈沖標記DNA復(fù)制和細胞分裂指數(shù)觀察測定法：這種方法主要適用于細胞構(gòu)成相對簡單，細胞周期時間相對較短，周期運轉(zhuǎn)均勻的細胞群體。優(yōu)點：可同時測定細胞周期總時間和各時相時間缺點：要求有同位素室，細胞還須同步化。（二）流式細胞儀測定法：這種方法依據(jù)細胞各時期DNA含量的特征及其變化來確定細胞周期時間。優(yōu)點：可測定各種細胞的周期時間，測定快速，結(jié)果可靠。缺點：要求有流式細胞儀。當(dāng)前11頁，總共56頁。四、細胞周期同步化(synchronization)

細胞周期同步化指在自然過程中發(fā)生或經(jīng)人為處理造成細胞群體處于周期中同一個時期的現(xiàn)象或技術(shù)。（一）自然同步化如：粘菌的多核體等。某些水生動物的受精卵：如海膽、海參、兩棲類。增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入適宜環(huán)境后，它們一起發(fā)芽，同步分裂。當(dāng)前12頁，總共56頁。（二）人工同步化1、選擇同步化1）有絲分裂選擇法：M期細胞與培養(yǎng)皿的附著性低，振蕩脫離器壁收集。優(yōu)點：操作簡單，同步化程度高，細胞不受藥物傷害。缺點：獲得的細胞數(shù)量較少（分裂細胞約占1%～2%）。2）細胞沉降分離法：M期細胞體積大，可用離心分離。優(yōu)點：可用于任何懸浮培養(yǎng)的細胞。缺點：同步化程度較低。當(dāng)前13頁，總共56頁。2、誘導(dǎo)同步化1）DNA合成阻斷法：選用DNA合成的抑制劑，可逆地抑制DNA合成。常用TdR(胸腺嘧啶脫氧核苷)雙阻斷法：在細胞處于對數(shù)生長期的培養(yǎng)基中加入過量TdR。S期細胞被抑制，停在G1/S交界處。移去TdR，釋放時間大于TS時，再次加入過量TdR。優(yōu)點：同步化程度高缺點：產(chǎn)生非均衡生長，個別細胞體積增大。2）中期阻斷法用秋水仙素、nocodazole等細胞分裂抑制劑將細胞阻斷在中期。優(yōu)點是無非均衡生長現(xiàn)象，缺點是可逆性較差。當(dāng)前14頁，總共56頁。正常培養(yǎng)細胞2-3d；加入終濃度2mmol/L胸苷(TdR)，繼續(xù)培養(yǎng)15-18h，誘導(dǎo)細胞停留在G1/S期邊界；吸去培養(yǎng)液，洗1-2次，用新鮮培養(yǎng)液培養(yǎng)10h；加入終濃度2mmol/LTdR，培養(yǎng)18h；吸去培養(yǎng)液，洗1-2次，收集G1期細胞；在誘導(dǎo)的G1期細胞中，加入新鮮的培養(yǎng)液，培養(yǎng)3h，收集S期細胞；在誘導(dǎo)的G1期細胞中，加入新鮮的培養(yǎng)液，培養(yǎng)8h，收集G2期細胞；在誘導(dǎo)的G1期細胞中，加入nocodazole(終濃度600ng/ml)的培養(yǎng)液，培養(yǎng)12-14h，收集M期細胞；G0期細胞可在細胞正常培養(yǎng)到90%的覆蓋率后，用僅含0.5%小牛血清的培養(yǎng)基饑餓3d后獲得。當(dāng)前15頁，總共56頁。五、特殊的細胞周期1.早期胚胎細胞的細胞周期細胞分裂快，主要由M期與S期兩個時期組成。果蠅的受精卵在前2h每發(fā)生一次卵裂僅10min，12h內(nèi)就可形成50000個細胞；斑馬魚受精卵在前3h每發(fā)生一次卵裂僅15min，24h內(nèi)就可形成具有眼、耳和中樞神經(jīng)系統(tǒng)及能見到肌肉收縮和心跳的脊椎動物雛形；鰱魚在24℃左右，僅20h就可孵化出苗。當(dāng)前16頁，總共56頁。發(fā)育和增殖所需要的蛋白質(zhì)、mRNA和其他營養(yǎng)物質(zhì)已經(jīng)在其卵子發(fā)生過程中預(yù)先被儲存，細胞分裂沒有體積的增加，只需將事先儲存有大量卵質(zhì)分配到不斷增多的小細胞中。當(dāng)前17頁，總共56頁。2.酵母細胞的細胞周期在細胞分裂時，細胞核膜不解聚，紡錘體位于細胞核內(nèi)，紡錘體的裝配與S期DNA復(fù)制同時進行，而不是在DNA復(fù)制之后。當(dāng)前18頁，總共56頁。芽殖酵母，不均等分裂。當(dāng)前19頁，總共56頁。

裂殖酵母，均等分裂，長度增加，直徑不變。當(dāng)前20頁，總共56頁。

3.植物細胞的細胞周期不含中心體，以形成中間板的形式進行胞質(zhì)分裂。當(dāng)前21頁，總共56頁。4.細菌的細胞周期快速生長與慢速復(fù)制快速分裂與DNA的慢速復(fù)制問題的解決是在上一次細胞分裂結(jié)束時，DNA已經(jīng)復(fù)制一半，細胞分裂后，立即進行新一輪的復(fù)制。當(dāng)前22頁，總共56頁。第二節(jié)細胞分裂

(celldivision)當(dāng)前23頁，總共56頁。細胞分裂的類型無絲分裂(amitosis)：又稱直接分裂，由Remark（1841）發(fā)現(xiàn)于雞胚血細胞，不涉及紡錘體形成及染色體變化。有絲分裂(mitosis)：又稱為間接分裂，由Fleming(1882)年首次發(fā)現(xiàn)于動物，Strasburger(1880)發(fā)現(xiàn)于植物。染色體復(fù)制一次，細胞分裂一次。減數(shù)分裂(meiosis）：染色體復(fù)制一次，細胞連續(xù)分裂兩次。當(dāng)前24頁，總共56頁。一、有絲分裂(mitosis)

為了便于描述人為的劃分為六個時期：間期（interphase）；前期(prophase)；前中期(premetaphase)；中期(metaphase)；后期(anaphase)；末期(telophase)。其中間期包括G1期、S期和G2期，主要進行DNA復(fù)制、中心體復(fù)制、細胞體積增大等準備工作。當(dāng)前25頁，總共56頁。（一）前期濃縮素condensin環(huán)狀蛋白復(fù)合物(Cohesin)染色質(zhì)凝縮(condensation)當(dāng)前26頁，總共56頁。星體微管開始裝配當(dāng)前27頁，總共56頁。AssemblyofkinetochoreattheendofprophaseGolgi,ERetc.dispersetoformvesicles;kinetochoreassembly當(dāng)前28頁，總共56頁。動力蛋白當(dāng)前29頁，總共56頁。(二)前中期(prometaphase)核仁解體，核膜破裂核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorialplane)上。當(dāng)前30頁，總共56頁。紡錘體的裝配極體微管（polarmt）兩極間的微管，在紡錘體中部重疊，重疊部位結(jié)合有馬達分子。動力微管（kinetochoremt），是從著絲點到另一極的微管；星體微管（astralmt），由中心粒放射出來的微管。植物沒有中心粒和星體，其紡錘體稱無星紡錘體。當(dāng)前31頁，總共56頁。(三)中期(Metaphase)染色體列隊(chromosomealignment)或染色體中板聚合(congression)染色體排列到赤道面上當(dāng)前32頁，總共56頁。假說1：拉力使染色體列隊假說2：推力使染色體列隊當(dāng)前33頁，總共56頁。中期動粒微管的動態(tài)穩(wěn)定當(dāng)前34頁，總共56頁。（四）后期(anaphase)指妹妹染色體單體分開并移向兩極的時期。分為后期A、后期B兩個過程。當(dāng)前35頁，總共56頁。AnaphaseA:separationofthesisterchromatids.當(dāng)前36頁，總共56頁。后期動粒微管的縮短當(dāng)前37頁，總共56頁。AnaphaseB:separationofthepoles.當(dāng)前38頁，總共56頁。1.驅(qū)動蛋白從負極走向正極使極微管向相反方向滑去2.動力蛋白與兩端的細胞端部結(jié)合，從正極走向微管負極，朝細胞端部方向牽拉星體微管紡錘體變長的動力來源

當(dāng)前39頁，總共56頁。染色體向兩極移動的假說當(dāng)前40頁，總共56頁。

從子染色體到達兩極，至形成兩個新細胞為止的時期。涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個方面。（五）末期(telophase)當(dāng)前41頁，總共56頁。(六)胞質(zhì)分裂(cytokinisis)胞質(zhì)分裂開始時，大量的肌球蛋白在兩個中心粒的中間處裝配成微絲束并以肌球蛋白為動力，逐漸收縮，稱為收縮環(huán)(contractilering)。收縮環(huán)在細胞表面形成分裂溝。微管、小膜泡等物質(zhì)聚集在分裂溝下方，構(gòu)成一個環(huán)形致密體，稱為中間體(midbody)。作用不清楚。開始于后期，在赤道板周圍細胞膜下陷，形成環(huán)形縊縮，稱為分裂溝。結(jié)束于末期，分裂溝加深，至兩個子代細胞完全分開。當(dāng)前42頁，總共56頁。

植物細胞末期近兩極處紡錘絲消失，中間微管保留，并數(shù)量增加，形成成膜體。來自高爾基體囊泡沿微管轉(zhuǎn)運到成膜體中間。融合形成細胞板(cellplate)，囊泡的內(nèi)含物形成初生壁和中膠層，囊泡膜形成質(zhì)膜，融合留下的管道形成胞間連絲。(七)植物細胞胞質(zhì)分裂－新細胞壁形成細胞板(cellplate)成膜體(phrag-moplast)當(dāng)前43頁，總共56頁。3.減數(shù)分裂減數(shù)分裂是特殊的有絲分裂形式，僅發(fā)生于有性生殖細胞形成過程中的某個階段。當(dāng)前44頁，總共56頁。(一)減數(shù)分裂(meiosis)時期減數(shù)分裂的第一次分裂

（間期）

減數(shù)分裂的第二次分裂

與有絲分裂相似細線期(leptotene)偶線期(zygotene)粗線期(pachytene)雙線期(diplotene)終變期(diakinesis)前期中期后期末期間期G1SG2合成大部分DNA，而不是全部當(dāng)前45頁，總共56頁。(1)細線期(leptotene)

染色質(zhì)凝集，但兩條染色體臂并不分離，呈單線狀；染色體上呈現(xiàn)顆粒樣結(jié)構(gòu)，稱染色粒(chromomere)；端粒通過接觸斑與核膜相連，其他部分以袢環(huán)狀伸到核質(zhì)中，又稱花束期。當(dāng)前46頁，總共56頁。同源染色體配對，稱為聯(lián)會(synapsis)；兩條同源染色體緊密結(jié)合在一起形成復(fù)合結(jié)構(gòu)，稱為二價體(bivalent)；二價體共含4條染色單體，稱為四分體(tetrad)。合成在S期未合成的約0.3%的DNA(zygDNA)。(2)偶線期(zygotene)當(dāng)前47頁，總共56頁。Transversefilement(橫向纖維):兩端的球形頭和盤繞的中部(coiledcoil)中央成分側(cè)成分側(cè)成分含有多種cohes