細胞生物學-第十一章 細胞周期和細胞分裂

Chapter12細胞周期和細胞分裂112.1細胞周期12.2細胞周期調(diào)控12.3有絲分裂12.4減數(shù)分裂

綱要☆212.1細胞周期cellcycles通過細胞分裂產(chǎn)生的新細胞的生長開始到下一次細胞分裂形成子細胞結(jié)束為止所經(jīng)歷的過程稱為細胞周期。在這一過程中,細胞的遺傳物質(zhì)復制并均等地分配給兩個子細胞。

342001年諾貝爾生理學/醫(yī)學獎得主5◆利蘭·哈特韋爾發(fā)現(xiàn)了控制細胞周期的基因，其中一種被稱為“START〞的基因?qū)刂聘鱾€細胞周期的最初階段具有決定性的作用。◆保羅·納西的奉獻是發(fā)現(xiàn)了CDK。◆蒂莫西·亨特的奉獻是發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)CDK的功能物質(zhì)Cyclin.2001年諾貝爾生理學與醫(yī)學獎:67

12.1.1細胞周期時相及類型

Phasesofthecellcycle

◆G1期(Gap1phase),即從M期結(jié)束到S期開始前的一段間歇期;◆S期,即DNA合成期(DNAsyntheticphase);◆G2期(Gap2phase),即DNA合成后(S期)到有絲分裂前的一個間歇期;◆M期,即有絲分裂期(mitosisphase)。不一定每種細胞都有四個時期，如胚胎細胞沒有G1期。8Embryoniccellcycles

9Phasesofthecellcycle

10◆持續(xù)分裂細胞

如性細胞、造血干細胞◆終端分化細胞永久性失去了分裂能力的細胞。高度特化的細胞,如哺乳動物的紅細胞、神經(jīng)細胞等。

◆G0細胞

又稱休眠細胞。暫時脫離細胞周期,不進行增殖,也叫靜止細胞群,如某些免疫淋巴細胞,肝,腎細胞等。

細胞周期和細胞類群1112.1.2細胞周期各時相的合成活動◆G1期(Gap1phase)DNA合成前期。主要合成rRNA、蛋白質(zhì)、脂類和碳水化合物。在G1期的后期,DNA合成酶的活性大大增加。

◆S期(synthesisphase)DNA合成期。合成DNA，組蛋白,DNA復制所需的酶都在這一時期合成。12◆G2期(Gap2phase)大量合成ATP、RNA、蛋白質(zhì),包括微管蛋白和成熟促進因子MPF(maturationpromotingfactor)等，為有絲分裂作準備。

◆M期核分裂和胞質(zhì)分裂，并形成兩個子細胞。1312.1.3細胞周期的研究方法細胞同步化(synchronization)◆誘導同步法●DNA合成阻斷法胸腺嘧啶●中期阻斷法秋水仙素◆選擇同步法(selectionsynchrony)●有絲分裂選擇法●細胞沉降別離法◆條件突變(conditionalmutants)1412.2細胞周期調(diào)控

1512.2.1細胞周期調(diào)控概述◆細胞周期的控制系統(tǒng)(cell-cyclecontrolsystem)類似于中央控制系統(tǒng)(centralcontrolsystem)。細胞周期中的根本領(lǐng)件,如DNA復制、有絲分裂、胞質(zhì)分裂都是通過中央的細胞周期控制系統(tǒng)控制的。16細胞周期的控制系統(tǒng)中央控制系統(tǒng)如同一個順時鐘移動的指針,當它到達某一位置時觸發(fā)一個反響。1712.2.2蛋白激酶在細胞周期調(diào)控中的作用細胞周期的控制有兩個主要事件:對DNA復制起始的控制對染色體凝集的控制

細胞融合實驗

◆研究者：1970年，Colorado大學的PotuRao和RobertJohnson

18●DNA復制起始的控制因子使用的細胞系：Hela細胞；①研究方法：G1期細胞同S期細胞融合；

結(jié)果：G1期的細胞質(zhì)受到S期細胞質(zhì)的激活,開始了DNA復制；

結(jié)論：S期細胞的細胞質(zhì)中含有促進G1期細胞進行DNA復制的起始因子。②研究方法：S期細胞與G2期細胞融合結(jié)果：G2期的細胞核不能再啟動DNA的復制。

結(jié)論：S期的細胞質(zhì)中的DNA復制起始因子對已進行了DNA復制的G2期的細胞核沒有作用。19將處于分裂期的細胞〔M期〕與處于細胞周期其他時期〔G1期、S期、G2期〕的細胞融合,M期的細胞質(zhì)總是能夠誘導非有絲分裂的細胞中的染色質(zhì)凝集,這種現(xiàn)象稱為染色體超前凝集?！袢旧w超前凝集(prematurechromosomecondensation,PCC)20G1期細胞與M期細胞融合染色體為單線狀

21S期細胞與M期細胞融合為粉末狀

22G2期細胞與M期細胞融合染色體為雙線

23

成熟促進因子MPF(maturationpromotingfactor)的發(fā)現(xiàn)卵細胞提取物注射實驗24后來稱為成熟促進因子MPF(maturationpromotingfactor，MPF)，是指M期細胞中存在的促進細胞分裂的因子。在M期的細胞中有促進細胞分裂的因子存在,在最初時稱之為M-期促進因子(M-phasepromotingfactor,MPF),25是由兩個不同的亞基組成的異質(zhì)二聚體:●催化亞基▲是絲氨酸/蘇氨酸型蛋白激酶▲其活性有賴于周期蛋白，故蛋白稱為周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,Cdks);●調(diào)節(jié)亞基：周期蛋白(cyclin)。

MPF的結(jié)構(gòu)組成26●獲得同步化的受精的海膽卵細胞●在有放射性氨基酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)●每10分鐘取一次樣別離純化蛋白質(zhì)進行分析◆實驗結(jié)果●發(fā)現(xiàn)了周期蛋白B(cyclinB)：●周期蛋白B的cDNA克隆與周期蛋白B的鑒定

細胞周期蛋白的鑒定27Accumulationanddegradationofcyclinsinseaurchinembryos

28蛙胚細胞發(fā)生同步分裂時,早期發(fā)育的周期性變化

酵母的一次細胞周期

●細胞周期中MPF和周期蛋白的濃度變化29有絲分裂的退出：周期蛋白B的降解

◆細胞周期蛋白基因的cDNA分析●N端破壞框(destructionbox)30

◆多遍在蛋白化作用(polyubiquitination)●遍在蛋白活化酶(ubiquitin-activatingenzyme,E1)●遍在蛋白綴合酶(ubiquitin-conjugatingenzyme,E2)●遍在蛋白連接酶(ubiquitinligase,E3)，又稱為促后期復合物(anaphase-promotingcomplex,APC)?！舻鞍酌阁w的降解作用

遍在蛋白與周期蛋白的降解31Polyubiquitination多遍在蛋白化作用

促后期復合物32◆當MPF的活性在有絲分裂中期到達最頂峰時,它將APC磷酸化并將其激活；◆接著發(fā)生周期蛋白B遍在蛋白多聚化,引起周期蛋白B的降解；◆由于周期蛋白B是MPF的一個必需亞基,它的降解勢必導致MPF的失活；◆在G1期的后期,APC失活,使得周期蛋白B的濃度升高,同時提高MPF的活性,以便進入下一個有絲分裂期。

APC的活性調(diào)節(jié)控制周期蛋白B的降解P51833RegulationofmitoticcyclinlevelsincyclingcellsP51834◆三類周期蛋白-CDK復合物:●G1期周期蛋白-CDK復合物●S期周期蛋白-CDK復合物●M期周期蛋白-CDK復合物◆三個關(guān)鍵的過渡●G1期→S期●中期→后期●后期→末期及胞質(zhì)分裂期過渡

真核生物細胞周期調(diào)控的一般模型35CurrentmodelforregulationoftheeukaryoticcellcycleP52036裂殖酵母的細胞周期調(diào)控

◆溫度敏感突變型,可分成兩類：●cdc突變〔celldivisioncycle,cdc細胞分裂周期〕這類突變在非允許的溫度下培養(yǎng),形成特別長的細胞;●wee突變這種突變長得特別小而不能分裂。

酵母的細胞周期基因突變37ThefissionofS.pombe38cdc2突變的表型cdc突變wee突變39◆對突變體的研究發(fā)現(xiàn),沒有Cdc2的活性,細胞不能進入有絲分裂◆序列分析說明該基因編碼一個相對分子質(zhì)量為34kDa的蛋白,該蛋白又稱為p34cdc2蛋白；◆研究發(fā)現(xiàn)酵母Cdc2蛋白是一種蛋白激酶◆cdc13+基因該基因的產(chǎn)物也是裂殖酵母進入有絲分裂必需的；◆Cdc13和Cdc2蛋白能夠形成異質(zhì)二聚體,并且具有蛋白激酶的活性，相當于非洲爪蟾的MPF。

裂殖酵母的MPF40◆Cdc25蛋白激活裂殖酵母的MPF的活性；◆Wee1蛋白抑制裂殖酵母的MPF活性；◆Cdc2蛋白亞基上有兩個磷酸化與去磷酸化位點

裂殖酵母的MPF活性調(diào)節(jié)41Cdc25andWee1haveopposingeffectsonS.pombeMPFactivity.42◆Cdc2-Cdc13復合物：無活性◆Weel激酶將Cdc2的Tyr15(Y15)磷酸化◆CAK〔Cdc2-activatingkinase)激酶將Cdc2的Thr161〔T161)磷酸化◆Cdc25使Y15去磷酸化◆Weel、Cdc25相互競爭：關(guān)鍵因素？●細胞生長得是否足夠大？●DNA復制是否正確、完全？裂殖酵母MPF的活性調(diào)節(jié)43裂殖酵母MPF的活性調(diào)節(jié)4412.2.4Regulationofthecellcycleofbuddingyeast

◆芽殖酵母(S.cerevisiae)生活史◆cdc-28突變◆START點：45CellcycleofSaccharomycescerevisiae46芽殖酵母中START調(diào)節(jié)點47◆START代表一個決定點，細胞是否有足夠的營養(yǎng)來完成細胞周期進程中的剩余局部?！糁匾募毎芷谡{(diào)節(jié)點，處于G1期末，控制G1期向S期的進行?！糇畛踉谘恐辰湍钢斜昏b定?！粢坏┩ㄟ^START，細胞將不可逆地進入S期進行DNA復制，最終完成一個細胞周期。◆細胞通過START需要外部信號〔如營養(yǎng)〕和細胞體積大小的調(diào)節(jié)。48芽殖酵母的Cdc28蛋白的突變

49◆芽殖酵母cdc28和裂殖酵母cdc2基因高度同源，蛋白功能相似。均為CDK

三種G1周期蛋白與Cdc28形成S期促進因子◆S期促進因子(Sphase-promotingfactor,SPF),◆SPF也是異質(zhì)二聚體：一個是Cdc28,另一個是在G1期起作用的周期蛋白；◆有三種G1周期蛋白：CLN1、CLN2、CLN3。

芽殖酵母的Cdc28蛋白p52550芽殖酵母細胞周期中的Cdc28蛋白5112.2.4芽殖酵母的細胞周期調(diào)控

芽殖酵母(S.cerevisiae)生活史P52352芽殖酵母中START調(diào)節(jié)點53◆START是重要的細胞周期調(diào)節(jié)點，處于G1期末，控制G1期向S期的進行?！糇畛踉谘恐辰湍钢斜昏b定?！粢坏┩ㄟ^START，細胞將不可逆地進入S期進行DNA復制，最終完成一個細胞周期?！艏毎ㄟ^START需要外部信號〔如營養(yǎng)〕和細胞體積大小的調(diào)節(jié)。54芽殖酵母的Cdc28蛋白的突變

55◆芽殖酵母cdc28和裂殖酵母cdc2基因高度同源，蛋白功能相似。均為CDK

三種G1周期蛋白與Cdc28形成促S期因子◆促S期因子(Sphase-promotingfactor,SPF),◆SPF也是異質(zhì)二聚體：一個是Cdc28,另一個是在G1期起作用的周期蛋白；◆有三種G1周期蛋白：CLN1、CLN2、CLN3。

芽殖酵母的Cdc28蛋白(p525)56芽殖酵母細胞周期中的Cdc28蛋白5712.2.5哺乳動物細胞周期的控制◆哺乳動物細胞體外培養(yǎng)時，需要添加多肽生長因子促進細胞的分裂；◆如果缺少生長因子,就會被阻止在G0階段,一旦在培養(yǎng)基中添加了生長因子,這些細胞在14～16小時后通過細胞周期限制點；◆細胞一旦通過了G1期的某一點〔限制點〕,這些細胞就能夠進入S期并完成其后的細胞周期過程；◆由此推測,哺乳動物細胞周期的限制點相當于酵母的START點。哺乳動物細胞周期的限制點〔restrictionpoint〕58◆TheproliferationofmostanimalcellsissimilarlyregulatedintheG1phaseofthecellcycle.Inparticular,adecisionpointinlateG1,calledtherestrictionpointinanimalcells,functionsanalogouslytoSTARTinyeasts59◆細胞周期受一個小型Cdks家族的調(diào)節(jié)：●CDK1、CDK2、CDK3、……等；◆多種周期蛋白:●周期蛋白A：S期和M期周期蛋白●周期蛋白B：M期周期蛋白●周期蛋白D1、D2、D3：G1中周期蛋白●周期蛋白E：晚G1期、S期周期蛋白

哺乳動物細胞周期受多種CDKs和周期蛋白的調(diào)控6012.2.6細胞周期的關(guān)卡◆與細胞分裂有關(guān)的基因稱為細胞分裂周期(celldivisioncycle,cdc)基因。這些基因表達的有序性,受一些控制系統(tǒng)的監(jiān)測：●如酵母細胞在DNA合成開始的前有啟動點(START)；●在哺乳類細胞中稱為R點或限制點(restrictionpoint),亦稱為關(guān)卡(checkpoint)。61CellCycleCheckpoints62◆G1關(guān)卡(靠近G1末期)◆G2關(guān)卡(在G2期結(jié)束點)◆中期關(guān)卡(在中期末)

在每一個關(guān)卡,由細胞所處的狀態(tài)和環(huán)境決定細胞能否通過此關(guān)卡,進入下一階段。

細胞周期中的三個主要關(guān)卡63●在G1關(guān)卡(在酵母中稱START,而在哺乳動物中稱限制點或commitmentpoint)，主要是監(jiān)測細胞的大小和營養(yǎng)狀態(tài)；●G1關(guān)卡是細胞周期的主要控制點,它決定著細胞能否分裂；◆G1關(guān)卡(START或限制點):

64◆G2關(guān)卡

●主要監(jiān)測DNA復制是否完畢；●使沒有完成DNA復制的細胞停留在G2期，只有當DNA復制完成后才能解除G2期抑制進入分裂期。65●主要監(jiān)測所有的染色體是否都與紡錘體相連并排列在赤道板上；●保證每個子細胞能夠精確分配到一套完整的染色體?！糁衅陉P(guān)卡(Mphasecheckpoint):66◆DNA復制不完全◆紡錘體裝配不正?！鬌NA損傷●p53的作用

其他影響細胞周期的事件67Roleofp53inG1arrestinducedbyDNAdamageDNAdamage,suchasthatresultingfromirradiation,leadstorapidincreasesinp53levels.Theproteinp53thensignalscellcyclearrestattheG1checkpoint.68Inductionofp21byDNAdamage在出現(xiàn)損傷DNA時，P53作為轉(zhuǎn)錄激活因子誘導P21基因的表達，P21蛋白能夠同CDK－周期蛋白復合物結(jié)合并將細胞阻止在G1期或G2期。同時，P21與增殖細胞核抗原〔PCNA〕,一種DNA聚合酶亞基的相互作用抑制DNA的復制。69

MPF的作用機制◆促進染色體凝集◆核纖層磷酸化◆核被膜解體◆細胞相關(guān)的酶與蛋白質(zhì)磷酸化70TargetsofMPF71MPF與核纖層解體72MPF激活肌球蛋白促進胞質(zhì)分裂中期間期后期7312.3有絲分裂12.3.1有絲分裂概述◆有絲分裂是指整個細胞分裂,包括核分裂和胞質(zhì)分裂兩個過程。◆通常將有絲分裂分為前期、中期、后期和末期?！艉笃诘闹饕攸c是:著絲粒分開,染色單體移向兩極。74后期的主要特征7512.3.2有絲分裂的機理

紡錘體微管類型及形成◆紡錘體又稱為有絲分裂器(mitoticapparatus)●動粒微管Kinetochoremicrotubules●極微管Polarmicrotubules●星微管Astralmicrotubules◆中心?！裰行牧４_定分裂極●形成紡錘體76紡錘體微管的類型動粒微管極微管星微管77中心粒的復制周期78◆染色體別離的力●拉力：由動粒微管去裝配產(chǎn)生●推力：由極微管的聚合所產(chǎn)生◆后期可分為兩個階段∶●后期A●后期B◆力產(chǎn)生的機制：●后期A，微管去聚合假說●后期B，紡錘體微管滑動假說染色體別離的兩個階段：后期A與后期B79AnaphaseAandAnaphaseB微管去聚合假說紡錘體微管滑動假說80

◆微管去聚合作用假說●該假說的特點是∶動粒微管不斷解聚縮短,造成將染色體拉向兩極?！裨撃Ｐ偷目赡軝C理是∶微管的正端插入動粒的外層,微管蛋白分子與動粒蛋白分子有親和性,微管蛋白在此端去組裝。在動粒中,ATP分子水解可以提供能量,驅(qū)動微管上的動力蛋白向兩極移動,結(jié)果將染色體拉向兩極?！睵536〕

紡錘體微管運動機理81后期A:微管去聚合假說82這種假說認為∶極-極別離是由極微管的兩種不同類型的變化引起的?！袷紫?極微管在+端添加微管二聚體進行聚合延長，使兩極的極微管產(chǎn)生重疊的帶(overlapzone)?！竦诙?，極微管產(chǎn)生滑動，產(chǎn)生將兩極分開的力?！裎⒐荛g的橫橋能夠提供機械-化學的活動。橫橋上有較高的ATP酶活性,推測是一種分子馬達?！艏忓N體微管滑動假說83紡錘體微管滑動假說84本章要點：1、細胞有絲分裂后期染色體別離及分向兩極的機制。2、細胞周期調(diào)控機理85一、填空1、真核生