細(xì)胞周期與調(diào)控課件

第十一章細(xì)胞增殖及其調(diào)控細(xì)胞增殖的意義細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂細(xì)胞周期調(diào)控細(xì)胞增殖的意義細(xì)胞生命活動(dòng)的重要特征之一,是生物繁育的基礎(chǔ)。單細(xì)胞生物：導(dǎo)致生物個(gè)體數(shù)量的增加。多細(xì)胞生物：由一個(gè)單細(xì)胞（受精卵）分裂發(fā)育而來(lái)，多細(xì)胞生物繁殖基礎(chǔ)。成體生物：主要取代衰老死亡的細(xì)胞，維持個(gè)體細(xì)胞數(shù)量的相對(duì)平衡和機(jī)體的正常功能。機(jī)體創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理組織修復(fù)等?！?細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂細(xì)胞周期(cellcycle)概述有絲分裂(mitosis)胞質(zhì)分裂(cytokinesis)減數(shù)分裂(meiosis)1.1.1細(xì)胞周期1.概念：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(gè)有序過(guò)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。

2.細(xì)胞周期時(shí)相組成：間期（interphase）G1phase、Sphase、G2phaseMphase有絲分裂期（mitosis）胞質(zhì)分裂期（cytokinesis）

細(xì)胞沿著G1→S→G2→M→G1周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，在間期細(xì)胞體積增大（生長(zhǎng)），在M期細(xì)胞先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，完成一個(gè)細(xì)胞周期。4.細(xì)胞分類(lèi)根據(jù)增殖狀況，細(xì)胞分為三類(lèi)：連續(xù)分裂細(xì)胞（cyclingcell）：如表皮生發(fā)層細(xì)胞、部分骨髓細(xì)胞。休眠細(xì)胞（G0細(xì)胞）：暫不分裂，但在適當(dāng)?shù)拇碳は驴芍匦逻M(jìn)入細(xì)胞周期，如淋巴細(xì)胞、肝、腎細(xì)胞。終末分化細(xì)胞：不可逆地脫離細(xì)胞周期，不再分裂的細(xì)胞，又稱(chēng)終端細(xì)胞，如神經(jīng)、肌肉、多形核細(xì)胞。1.1.2細(xì)胞周期中不同時(shí)相及主要事件G1期S期G2期M期1.G1期：與DNA合成啟動(dòng)相關(guān)，開(kāi)始合成細(xì)胞生長(zhǎng)所需要的多種蛋白質(zhì)、RNA、碳水化合物、脂等，同時(shí)染色質(zhì)去凝集。2.S期：

DNA復(fù)制與組蛋白合成同步，組成核小體串珠結(jié)構(gòu)。3.G2期：DNA復(fù)制完成，在G2期合成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)和RNA分子。4.M期：細(xì)胞分裂期，真核細(xì)胞的細(xì)胞分裂主要包括：有絲分裂和減數(shù)分裂。遺傳物質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)其他物質(zhì)分配給子細(xì)胞。1.1.3細(xì)胞周期長(zhǎng)短測(cè)定脈沖標(biāo)記DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂指數(shù)觀察測(cè)定法流式細(xì)胞儀測(cè)定法縮時(shí)攝像技術(shù)可以得到準(zhǔn)確的細(xì)胞周期時(shí)間及分裂間期和分裂期的準(zhǔn)確時(shí)間。標(biāo)記有絲分裂百分率法原理(PercentageLabeledMitoses,PLM)對(duì)測(cè)定細(xì)胞進(jìn)行脈沖標(biāo)記、定時(shí)取材、利用放射自顯影技術(shù)顯示標(biāo)記細(xì)胞，通過(guò)統(tǒng)計(jì)標(biāo)記有絲分裂細(xì)胞百分?jǐn)?shù)的辦法來(lái)測(cè)定細(xì)胞周期。測(cè)定原理待測(cè)細(xì)胞經(jīng)3H-TDR標(biāo)記后，所有S期細(xì)胞均被標(biāo)記。S期細(xì)胞經(jīng)G2期才進(jìn)入M期，所以起初PLM=0。開(kāi)始出現(xiàn)標(biāo)記M期細(xì)胞時(shí)，表示處于S期最后階段的細(xì)胞，已渡過(guò)G2期，所以從PLM=0到出現(xiàn)PLM的時(shí)間間隔為T(mén)G2。S期細(xì)胞逐漸進(jìn)入M期，PLM上升，到達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)候說(shuō)明來(lái)自處于S最后階段的細(xì)胞，已完成M，進(jìn)入G1期。所以從開(kāi)始出現(xiàn)M到PLM達(dá)到最高點(diǎn)的時(shí)間間隔就是TM。當(dāng)PLM開(kāi)始下降時(shí)，表明處于S期最初階段的細(xì)胞也已進(jìn)入M期，所以出現(xiàn)LM到PLM又開(kāi)始下降的一段時(shí)間等于TS。從LM出現(xiàn)到下一次LM出現(xiàn)的時(shí)間間隔就等于TC，TC=TG1+TS+TG2+TM，即可求出TG1長(zhǎng)度。1.1.4細(xì)胞同步化自然同步化人工同步化選擇同步化誘導(dǎo)同步化1.自然同步化

多核體：如粘菌只進(jìn)行核分裂，而不發(fā)生胞質(zhì)分裂，形成多核體。瘧原蟲(chóng)也具有類(lèi)似的情況。某些水生動(dòng)物的受精卵：如大量海參卵受精后，前9次細(xì)胞分裂都是同步化進(jìn)行的。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。2.選擇同步化有絲分裂選擇法使單層培養(yǎng)的細(xì)胞處于對(duì)數(shù)增殖期，此時(shí)分裂活躍，有絲分裂細(xì)胞變圓隆起，與培養(yǎng)皿附著性低，輕輕振蕩，M期細(xì)胞脫離器壁，懸浮于培養(yǎng)液中，收集培養(yǎng)液，再加入新鮮培養(yǎng)液，依法繼續(xù)收集，可獲得一定數(shù)量的中期細(xì)胞。優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，同步化程度高，細(xì)胞不受藥物傷害；缺點(diǎn)：效率低(占1%～2%)密度梯度離心法不同時(shí)期的細(xì)胞體積不同，而細(xì)胞在給定離心場(chǎng)中沉降的速度與其半徑的平方成正比。優(yōu)點(diǎn)：用于任懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞，缺點(diǎn)：同步化程度較低。4.條件依賴(lài)性突變株的應(yīng)用將與細(xì)胞周期調(diào)控有關(guān)的條件依賴(lài)性突變株轉(zhuǎn)移到限定條件下培養(yǎng)，所有細(xì)胞便被同步化在細(xì)胞周期中某一特定時(shí)期。1.2有絲分裂(mitosis)前期（prophase）前中期（prometaphase）中期（metaphase）后期（anaphase）末期（telophase）特征2細(xì)胞骨架解聚，有絲分裂紡錘體開(kāi)始裝配。特征3Golgi體、ER等細(xì)胞器解體，形成小的膜泡。2.前中期特征1核膜破裂成小的膜泡，這一過(guò)程是由核纖層蛋白中特異的Ser殘基磷酸化導(dǎo)致核纖層解體。特征2紡錘體微管與染色體的動(dòng)粒結(jié)合，捕捉住染色體。每個(gè)已復(fù)制的染色體有兩個(gè)動(dòng)粒，朝相反方向，保證與兩極的微管結(jié)合；紡錘體微管捕捉住染色體后，形成三種類(lèi)型的微管。（動(dòng)力/極間/星體微管）特征3不斷運(yùn)動(dòng)的染色體開(kāi)始移向赤道板。細(xì)胞周期也由前中期逐漸向中期運(yùn)轉(zhuǎn)。3.中期特征1所有染色體排列到赤道板(MetaphasePlate)上。紡錘體檢驗(yàn)點(diǎn)(spindlecheckpoint)：所有染色體的動(dòng)粒都被動(dòng)粒微管捕獲時(shí)，染色單體才分離，細(xì)胞分裂向后期進(jìn)行；否則分裂暫停在中期。4.后期特征1排列在赤道面上的染色體的姐妹染色單體分離產(chǎn)生向極運(yùn)動(dòng)。大致可劃分為連續(xù)的兩個(gè)階段，即后期A和后期B。后期A：動(dòng)粒微管變短，染色體產(chǎn)生兩極運(yùn)動(dòng)；后期B：極間微管延長(zhǎng)，兩極之間的距離逐漸拉長(zhǎng)，介導(dǎo)染色體向兩極運(yùn)動(dòng)。5.末期特征1染色單體到達(dá)兩極，到達(dá)兩極的染色單體開(kāi)始去濃縮。特征2核膜開(kāi)始重新組裝。特征3Golgi體和ER重新形成并生長(zhǎng)。特征4核仁也開(kāi)始重新組裝，RNA合成功能逐漸恢復(fù),有絲分裂結(jié)束。1.3胞質(zhì)分裂動(dòng)物細(xì)胞胞質(zhì)分裂植物細(xì)胞胞質(zhì)分裂1.動(dòng)物細(xì)胞胞質(zhì)分裂胞質(zhì)分裂始于細(xì)胞分裂后期，完成于末期。在赤道板周?chē)?xì)胞表面下陷，形成環(huán)形縊縮，稱(chēng)分裂溝。分裂溝的形成和收縮環(huán)有關(guān)。胞質(zhì)分裂開(kāi)始時(shí)，大量肌動(dòng)蛋白和肌球蛋白在中體處組裝成微絲并相互組成微絲束，環(huán)繞細(xì)胞，稱(chēng)為收縮環(huán)。2.植物細(xì)胞胞質(zhì)分裂植物細(xì)胞胞質(zhì)分裂是在細(xì)胞內(nèi)形成新的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁而將細(xì)胞分開(kāi)，以形成細(xì)胞板的形式完成。1.4減數(shù)分裂減數(shù)分裂概念與過(guò)程減數(shù)分裂的意義減數(shù)分裂特點(diǎn)脊椎動(dòng)物配子發(fā)生過(guò)程1.4.1減數(shù)分裂概念與過(guò)程概念減數(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。過(guò)程1.4.2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(huì)，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。1.4.3減數(shù)分裂特點(diǎn)前期I：細(xì)線期、偶線期、粗線期、雙線期、終變期細(xì)線期染色體呈細(xì)線狀（單線），具有念珠狀的染色粒。雖然染色體已經(jīng)復(fù)制，但光鏡下分辨不出兩條染色單體。在有些物種中表現(xiàn)為染色體細(xì)線一端通過(guò)端粒和核膜相連，另一端放射狀伸出，形似花束，稱(chēng)為花束期。偶線期(zygotene)同源染色體配對(duì)的時(shí)期，稱(chēng)為聯(lián)會(huì)(synapsis)。同源染色體間形成聯(lián)會(huì)復(fù)合體(synaptonemal

complex,SC)。在光鏡下可以看到兩條結(jié)合在一起的染色體，稱(chēng)為二價(jià)體。每一對(duì)同源染色體都經(jīng)過(guò)復(fù)制，含四個(gè)染色單體，所以又稱(chēng)為四分體。這一時(shí)期合成約0.3%左右的DNA，稱(chēng)為zygDNA。粗線期（pachytene）持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)數(shù)天，此時(shí)染色體變短，結(jié)合緊密，在光鏡下只在局部可以區(qū)分同源染色體，這一時(shí)期同源染色體的非姊妹染色單體之間發(fā)生交換的時(shí)期。粗線期SC上具有與SC寬度相近的電子致密球狀小體，稱(chēng)為重組節(jié)，與DNA的重組有關(guān)。這一時(shí)期合成少量的DNA，稱(chēng)為P-DNA。并合成減數(shù)分裂專(zhuān)有的組蛋白。雙線期聯(lián)會(huì)的同源染色體相互排斥、開(kāi)始分離，但在交叉上還保持著聯(lián)系。植物細(xì)胞雙線期一般較短，許多動(dòng)物卵細(xì)胞中雙線期停留的時(shí)間非常長(zhǎng)。人的卵母細(xì)胞在五個(gè)月胎兒中已達(dá)雙線期，而一直到排卵都停在雙線期。魚(yú)類(lèi)、兩棲類(lèi)、爬行類(lèi)、鳥(niǎo)類(lèi)以及無(wú)脊椎動(dòng)物的昆蟲(chóng)中，雙線期的二價(jià)體解螺旋而形成燈刷染色體，這一時(shí)期是卵黃積累的時(shí)期。終變期二價(jià)體顯著變短。由于交叉端化過(guò)程的進(jìn)一步發(fā)展，故交叉數(shù)目減少，通常只有一至二個(gè)交叉。核仁此時(shí)開(kāi)始消失，核被膜解體。聯(lián)會(huì)復(fù)合體SC由兩條同源染色體沿縱軸形成，外觀呈梯子狀。SC上有重組節(jié)，是交換發(fā)生的部位。SC在細(xì)線期開(kāi)始裝配，形成于偶線期，成熟于粗線期，消失于雙線期。聯(lián)會(huì)復(fù)合體是減數(shù)分裂偶線期兩條同源染色體之間形成的一種結(jié)構(gòu)，它與染色體的配對(duì)，交換和分離密切相關(guān)。前期I特點(diǎn)：a.ElectronmicrographofSCofhumanpachytenebivalent

(K:kinetochore;arrow:recombinationnodules)

b.SchematicdiagramofSC;

c.ElectronmicrographofSCaftertreatmentwithDNaseto

removechromasomalfibers.同源染色體間遺傳物質(zhì)重組,產(chǎn)生新的基因組合。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。減數(shù)分裂前間期的S期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，少量DNA沒(méi)有復(fù)制。前期Ⅰ變化復(fù)雜，同源染色體配對(duì)、聯(lián)會(huì)、重組，產(chǎn)生遺傳多樣性。第一次分裂時(shí),同源染色體分開(kāi)。減數(shù)分裂時(shí)間較長(zhǎng)。1.4.4脊椎動(dòng)物配子發(fā)生過(guò)程§2細(xì)胞周期的調(diào)控細(xì)胞周期調(diào)控系統(tǒng)的主要作用細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)(CellCycleCheckpoint)MPFCyclin-Cdk復(fù)合物的多樣性及細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)的阻遏（細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)調(diào)控）在適當(dāng)時(shí)候激活細(xì)胞周期各個(gè)時(shí)相的相關(guān)酶和蛋白,然后自身失活(正調(diào)控)確保每一時(shí)相事件的全部完成(負(fù)調(diào)控)對(duì)外界環(huán)境因子起反應(yīng)（如多細(xì)胞生物對(duì)增殖信號(hào)的反應(yīng)）2.1細(xì)胞周期調(diào)控系統(tǒng)的主要作用2.2細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)概念

細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)是細(xì)胞周期調(diào)控的一種機(jī)制,主要是確保周期每一時(shí)相事件的有序全部完成，并與外界環(huán)境因素相聯(lián)系。2.3MPF

MPF(Maturation-promotingfactor,Mitosis-promotingfactor)的發(fā)現(xiàn)及其生化實(shí)質(zhì)MitoticCyclin-Cdk復(fù)合物與功能2.3.1MPF的發(fā)現(xiàn)及其生化實(shí)質(zhì)細(xì)胞融合與PCC(Prematurechromosomalcondense)爪蟾卵子成熟過(guò)程和MPF的發(fā)現(xiàn)MPF是一種使多種底物蛋白磷酸化的蛋白激酶，由M期Cyclin-Cdk(Cyclin-dependentproteinkinase)形成的復(fù)合物：MPF=p34cdc2+cyclinB2.3.1.1細(xì)胞融合與PCC概念用M期細(xì)胞和間期細(xì)胞（G1、S、G2）進(jìn)行融合，可以使間期細(xì)胞核出現(xiàn)類(lèi)似于有絲分裂期的形態(tài)變化：染色質(zhì)凝集、核膜破裂及核仁消失等，這種經(jīng)過(guò)誘導(dǎo)，在間期細(xì)胞中形成的染色體產(chǎn)物稱(chēng)為早熟凝集染色體(prematurelycondensedchromosome,PCC)。PCC現(xiàn)象Rao,Johnson將Hela細(xì)胞同步于不同階段，然后與M期細(xì)胞混合，在滅活仙臺(tái)病毒介導(dǎo)下，誘導(dǎo)細(xì)胞融合，發(fā)現(xiàn)與M期細(xì)胞融合的間期細(xì)胞產(chǎn)生了形態(tài)各異的早熟凝集染色體(PCC)，這種現(xiàn)象叫做早熟染色體凝集。

人M期細(xì)胞與袋鼠G1、S、G2期細(xì)胞融合誘導(dǎo)

PCC：提示M期細(xì)胞存在誘導(dǎo)PCC的因子；G1期PCC為單線狀：DNA未復(fù)制。S期PCC為粉末狀：正在復(fù)制的DNA容易受損傷，是DNA斷裂的結(jié)果。G2期PCC為雙線染色體，說(shuō)明DNA復(fù)制已完成。不同類(lèi)的M期細(xì)胞也可誘導(dǎo)PCC產(chǎn)生，推測(cè)M期細(xì)胞具有促進(jìn)間期細(xì)胞進(jìn)行分裂的因子，即促成熟因子(MPF)2.3.1.2爪蟾卵子成熟過(guò)程和MPF的發(fā)現(xiàn)處于第六期的爪蟾卵母細(xì)胞，需要激素刺激才能進(jìn)行減數(shù)分裂，成為成熟的卵細(xì)胞（egg）。注射實(shí)驗(yàn)表明：孕酮誘導(dǎo)卵母細(xì)胞成熟；成熟卵細(xì)胞質(zhì)中含有卵母細(xì)胞成熟的因子，稱(chēng)做MPF。顯微注射實(shí)驗(yàn)說(shuō)明：成熟卵細(xì)胞中含有能促使卵母細(xì)胞成熟的因子：MPF；卵母細(xì)胞分裂前，MPF已經(jīng)存在，但處于非活性狀態(tài)，稱(chēng)preMPF。不僅同類(lèi)M期細(xì)胞可以誘導(dǎo)PCC，不同類(lèi)的M期細(xì)胞也可以誘導(dǎo)PCC產(chǎn)生，這就意味著M期細(xì)胞具有某種促進(jìn)間期細(xì)胞進(jìn)行分裂的因子，即成熟促進(jìn)因子（MPF）。2.3.1.3MPF=p34cdc2+cyclinB2.3.2MitoticCyclin-Cdk復(fù)合物與功能CDC基因及CyclinCyclin&CDK功能2.3.2.1CDC基因及Cyclin1960sLelandHartwell,1970sPaulNurse以芽殖酵母和裂殖酵母為實(shí)驗(yàn)材料，發(fā)現(xiàn)許多與細(xì)胞分裂有關(guān)的基因(celldivisioncyclegene,cdc)。–裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突變型在限制溫度下無(wú)法分裂；cdc2和cdc28都編碼一個(gè)34KD的蛋白激酶，促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)行。MPF=p34cdc2（或p34cdc28）+clyclinB2001年10月8日美國(guó)人LelandHartwell、英國(guó)人PaulNurse、TimothyHunt因發(fā)現(xiàn)細(xì)胞周期調(diào)控的關(guān)鍵因子的研究而榮獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。2.3.2.2Cyclin&CDKCyclin特點(diǎn)：在細(xì)胞周期中呈周期性變化。含有一段約100個(gè)氨基酸的保守序列，稱(chēng)為周期蛋白框，介導(dǎo)周期蛋白與CDK結(jié)合。作用：激活CDK，引導(dǎo)CDK作用于不同底物。已知30余種cyclin在細(xì)胞周期的不同時(shí)期表達(dá)，從而激活不同時(shí)期的CDK激酶活性，表現(xiàn)為不同的調(diào)節(jié)功能。－G1期：cyclinD；－G1/S期：cyclinE；－S期：cyclinA；－M期：cyclinB（也包括cyclinA）。M期cyclin在N端含有一段由9個(gè)aa殘基組成的特殊序列，稱(chēng)為破壞框，和泛素介導(dǎo)的cylinA、B的降解有關(guān)。CDK

CDC2與細(xì)胞周期蛋白結(jié)合才具有激酶的活性，故名細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶（CDK）。cdc2又被稱(chēng)為CDK1，其它CDK和它比較而命名。如：CDK2、CDK3…CDK8等。2.3.2.3功能啟動(dòng)細(xì)胞從G2期進(jìn)入M期的相關(guān)事件2.4Cyclin-Cdk復(fù)合物的多樣性

及細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)不同的周期蛋白與不同的CDK結(jié)合，構(gòu)成不同的Cyclin-CDK；不同的Cyclin-CDK在不同的時(shí)相表現(xiàn)活性，影響不同的下游事件。G1/S的轉(zhuǎn)化S期，DNA當(dāng)且僅當(dāng)復(fù)制一次G2/M期轉(zhuǎn)化M期由中期向后期轉(zhuǎn)化2.4.1G1/S的轉(zhuǎn)化G1期在生長(zhǎng)因子的刺激下，cyclinD表達(dá)，并與CDK4,CDK6結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，Rb釋放出轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進(jìn)許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE,cyclinA和CDK1的基因。G1-S期cyclinE與CDK2結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞通過(guò)R點(diǎn)進(jìn)入S期。2.4.2S期，DNA當(dāng)且僅當(dāng)復(fù)制一次S期主要的CDK激酶為CyclinA-CDK2，它的活化為DNA復(fù)制所必需。2.4.3G2/M期轉(zhuǎn)化G2/M期的轉(zhuǎn)化和CDK1-cyclinB激酶密切相關(guān)。CDK1-cyclinB激酶：MPF=p34cdc2（或p34cdc28）+clyclinB。cdc2蛋白在細(xì)胞周期中含量穩(wěn)定，而CyclinB的含量呈周期性變化，故CDK1-cyclinB激酶活性呈周期性變化，在G2期晚期階段達(dá)到最大值并持續(xù)到M期的中期階段。CDK1-cyclinB激酶使底物蛋白磷酸化，從而啟動(dòng)細(xì)胞從G2期進(jìn)入M期的相關(guān)事件：如－如將組蛋白H1