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细胞分裂和细胞周期,细胞分裂的类型,无丝分裂(amitosis)：又称直接分裂，1841发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化。有丝分裂(mitosis)：又称为间接分裂，由Fleming(1882)年首次发现于动物，1880发现于植物。减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。,主要内容,第一节 细胞周期第二节 染色质和染色体第三节 纺锤体第四节 植物细胞的减数分裂,第一节 细胞周期,一、细胞周期概述二、细胞周期各时相的动态变化三、细胞周期的调控四、细胞周期与医学的关系,一、细胞周期概述 1.细胞周期的概念 细胞周期是指连续分裂的细胞，从一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束为止所经历的整个生命过程称为细胞周期。细胞周期所需要的时间称为细胞周期时间，简写为Tc。,2.细胞周期的划分,细胞分裂间期 细胞有丝分裂期,请画一下一个细胞周期中DNA含量变化曲线图,细胞周期,G1期,M期,G2期,S 期,间期,后期,中期,前期,末期,G1期(gap1)：从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间。S期(synthesis phase)：指DNA复制的时期。G2期(gap2)：DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间M期又称D期(mitosis or division)：细胞有丝分裂期。计4期,练一练,在细胞周期的哪一个阶段DNA能被H3-TDR标记 A.G1期(gap1)B.S期(synthesis phase)C.G2期(gap2)D.M期(mitosis),B,3.细胞周期时间,细 胞 类 型,结肠上皮细胞,直肠上皮细胞,胃上皮细 胞,骨 髓 细 胞,Tc,TG1,TS,TG2+M,25,9,14,2,48,24,18,33,9,2,10,5,12,3,12,4,哺乳动物细胞周期时间,结 论,细胞周期的长短因细胞 种类而异 G1期时间变化最大，这个时期是调节细胞周期的关键时期,R点（限制点检验点调控点）,在G1向S期转变过程中，存在一个特定的时期，如果G1期细胞通过该期，则可顺利进入S期进行DNA复制，并继续前进，直到完成细胞分裂。这一特定时期被称为限制点或检验点、调控点。（RNA含量、蛋白质因子、离子浓度）,G1期细胞的三种命运,继续增殖细胞（周期中细胞）；暂不增殖细胞（静止期细胞或G0期细胞）；永不增殖细胞（终端分化细胞）,按细胞周期划分的细胞类型,周期中细胞（皮肤生发层细胞）；静止期细胞或G0期细胞（为暂时脱离细胞周期，不进行增殖，但在适当刺激下可重新进入细胞周期的细胞，如某些免疫淋巴细胞，肝、肾细胞等，）；终端分化细胞（是指那些不可逆地脱离细胞周期，丧失分裂能力，保持生理机能活动的细胞，如神经、肌肉细胞、多形核白细胞等）。,二 细胞周期各时相的变化,RNA大量合成，导致蛋白质含量明显增加。如DNA聚合酶。蛋白质的磷酸化作用较为突出。如组蛋白、非组蛋白、蛋白激酶等。,G1 期（DNA合成前期）,2、S期（DNA合成期）,组蛋白合成的主要时期；组蛋白还在持续磷酸化；中心粒复制时期；DNA复制阶段，各种酶活性、含量明显增高；,成熟促进因子（核膜破裂、染色体凝集）；微管蛋白（纺锤体微管）。,3、G2 期（DNA合成后期）,主要合成和分裂期相关的蛋白质,二、细胞周期的调控（一）细胞周期蛋白（cyclin）细胞周期蛋白是一类随细胞周期呈周期性出现与消失的蛋白质.目前发现，Cyclin有八个成员，分别叫做Cyclin A、B、C、D、E、F、G、H，它们可在细胞周期的不同阶段相继表达，与细胞中的CDK结合后，参与细胞周期相关活动的调节。,周期蛋白依赖性激酶是一种依赖周期蛋白才可表现出活性的蛋白激酶。是否和周期蛋白结合是该酶表现活性的先决条件。目前发现，CDK有七个成员，分别叫做CDK1-7。不同的周期蛋白和不同的CDK相结合，表现出不同的激酶活性，在不同时期驱动细胞周期前进。,(二)周期蛋白依赖性激酶（CDK）,cyclinD,CDK4、5、6,cyclinD/CDK4、5、6,促进G1向S期转化,cyclinB,CDK1,cyclinB/CDK1,促进G2向M期转化,细胞周期的两个主要调控点,（三）成熟促进因子（maturation promoting factor,MPF）,成熟促进因子是一种在G2期形成、能够促进M期启动的调控因子。,未成熟的爪蟾卵母细胞,成熟的爪蟾母卵细胞,成熟的爪蟾卵母细胞的细胞质,注射,1.MPF的组成,2.MPF的作用 参与有丝分裂的启动和染色质的凝集；核纤层结构解体。,周期蛋白B,CDK1,MPF,核纤层蛋白：磷酸化 去磷酸化 分裂前期 分裂末期,细胞周期检验点,细胞周期的运行，是在一系列称为检验点（check point）的严格检控下进行的。主要检验点包括G1/S检验点:在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点控制G1进入DNA合成期，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期检验点（纺锤体组装检验点）：任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会引起细胞周期中断。,细胞周期中MPF的浓度变化MPF的活性在细胞周期中波动很大,在有丝分裂前急剧升高,但在有丝分裂后急剧下降直到零。周期蛋白浓度在细胞周期中是浮动的,呈周期性变化。同样,MPF的活性与周期蛋白一样在细胞周期中呈现周期性变化,六、细胞周期与医学的关系,（一）细胞周期与组织再生,组织再生,生理性再生,补偿性再生,（二)细胞周期与肿瘤,人体正常器官、组织的细胞周期进程中发生R点的消失、自分泌大量生长因子等异常情况时，其生长、分裂将失去控制，由此形成赘生物 肿瘤,1、细胞周期与肿瘤生长,肿瘤细胞的类型,增值型细胞 A,暂不增殖型细胞 B,不增殖型细胞 C,肿瘤的增殖比率,肿瘤的生长快,是因为有高的增殖比率,而不是肿瘤细胞的Tc缩短，恰恰相反，肿瘤细胞的Tc比正常细胞的要长。,正常人细胞与肿瘤细胞的Tc比较,第二节 染色质和染色体,染色质（Chromatin）和染色体（Chromosome）是细胞核内同一物质（遗传物质）在细胞增殖周期中不同阶段的存在形式。,何时为染色质？何时为染色体？有何意义？,染色质：间期细胞，网状不规则，有利于复制和表达染色体：细胞分裂过程中，棒状结构，有利于平均分配,主要内容,一、染色质和染色体的化学成分 及组成二、染色质和染色体的形态,一、染色质和染色体的化学成分及组成,生化分析证明，染色质的主要成分是：DNA、组蛋白、非组蛋白、少量RNA,染色质和染色体都由相同的化学物质组成。,（一）脱氧核糖核酸（DNA）,三种构像：B-DNA、Z-DNA、A-DNA。,外形 适中 细长 粗短螺旋方向 右手 左手 右手,带正电荷，含Arg，Lys，属碱性蛋白。分类：根据Arg/Lys比例分5种核心组蛋白（core histone）：H2A、H2B、H3、H4；连接组蛋白（linker histone）：H1。,（二）组蛋白（histone）,结构：组蛋白高度保守，H4极为保守。核心组蛋白由球形部和尾部构成，球形部借Arg与磷酸戊糖骨架间的静电作用使DNA分子缠绕在组蛋白核心上，形成核小体，尾部含有大量Arg和Lys，为组蛋白翻译后进行修饰的部位。H1多样性，最少保守，具有种属和组织特异性。,（三）非组蛋白（non-histone）,特性：属酸性蛋白质，含有较多酸性氨基酸，带负电荷，。整个细胞周期都进行合成，组蛋白只在S期合成。能识别特异的DNA序列，识别与结合靠氢键和离子键。故称序列特异性DNA结合蛋白。,功能：帮助DNA折叠，参与染色体构建；协助启动DNA的复制；调控基因的表达,组成：结构蛋白 调节蛋白 各种酶类,（四）核糖核酸（RNA）,含量很低，占13，在不同物种变化也很大。染色质RNA与细胞核5的DNA杂交。,二、染色质和染色体的形态,（一）染色质,间期核中，染色质以两种状态存在：常染色质（enchromatin）：位于核中央，伸展开的呈电子透亮状态，一定条件下可活跃的复制转录。异染色质（heterochromatin）：一般是卷曲凝缩状态。,一条染色体有常染色质，也有异染色质。,在间期核中处于凝缩状态，无转录活性、是遗传惰性区。在细胞周期中表现为晚复制、早凝缩（异固缩现象）。分为两类：结构（恒定）异染色质 兼性（功能）异染色质,异染色质的特点：,结构异染色质（constitutive heterochromatin）：各种细胞中总处于凝缩状态 不转录 染色体着丝粒、端粒功能：染色体结构形成及染色体配对,兼性异染色质（facultative heterochromatin）：某些细胞或发育阶段呈浓缩状态 如：哺乳动物的X染色体雄性动物：1个X染色体，完全是常染色质雌性动物：2个X染色体，1个是常染色质，另1个在胚胎发育到一定时间(人为第16天)变为凝缩的异染色质(巴氏小体),常、异染色质的区别,核小体（nucleosome）：一种串珠状结构。构成：200bpDNA、5种组蛋白核心：4种组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）各2个分子组成八聚体核心颗粒；圆盘形相邻核小体：H1组蛋白结合60bp连接DNA H1锁住DNA分子进出口，稳定结构,1.染色质的基本结构单位核小体,核小体核心颗粒的DNA分子双螺旋同4种组蛋白有一定的相互作用部位，只有H3和H4也能同DNA结合成类似的核小体;但只有H2AH2B则形不成核小体颗粒。核小体的核心较稳定，而连接区易被核酸酶所消化。连接区具有柔性，为染色质丝的进一步折曲提供了方便。各种组织的核小体核心部分的DNA长度很恒定；连接区的DNA长度各个物种有所不同。由核小体重复单位靠拢排列组成11nm粗的核小体丝，即染色质丝。,注意：,通过核小体，DNA长度压缩7倍，形成11nm的纤维。但是在电镜下观察用温和方法分离的染色质是直径30nm的纤维，这种纤维的形成有两种解释：由核小体螺旋化形成，每6个核小体绕一圈，长度压缩6倍；由核小体纤维Z字形折叠而成，长度压缩40倍。,2、染色质纤维：,染色质一级结构：核小体连接而成，形似串念珠,外经11nm染色质二级结构：螺线管，外经30nm 核小体串珠链螺旋盘绕，每圈6个核小体染色质三级结构：超螺线管，圆筒状结构，直径0.4m。染色质四级结构：中期染色单体,染色质结构：,solenoid,Chromatin Packing,Chromatin Packing,（二）染色体,在细胞周期的大部分时间内，遗传物质是以染色质的形式存在的。在整个细胞周期中，染色体进行着凝缩和松展的周期性变化。在细胞有丝分裂的中期，染色质形成高度凝缩的染色体。在中期具有特定形态结构的染色体称为中期染色体。,中期染色体的结构,1、染色单体（chromatid）：,中期染色体由两条染色单体构成，并在着丝粒处相连。,2、着丝粒(centromere)：在两个染色单体相连处，有丝分裂时纺锤丝附着的部位。着丝粒处的染色体较细，称为主缢痕。着丝粒是染色体的一个组成部分，,染色体由着丝粒划分为两部分，即两个臂。染色体组中各对染色体的着丝粒位置不同，故各染色体两臂的长度不同。根据着丝粒的位置不同，将染色体分为四种：(1)近中着丝粒染色体(2)亚中着丝粒染色体(3)近端着丝粒染色体(4)端着丝粒染色体,近中着丝粒,亚中着,近端,端,3、次缢痕(secondary constriction)：除着丝粒区主缢痕以外的其他缢痕。由于此部分DNA发生松解，故而变细。每种生物的染色体组中至少有一条或一对染色体有次缢痕，可作为鉴定某条染色体的标志。有些次缢痕可形成核仁组织区。人染色体的次缢痕常见于1、3、9、16号及Y染色体。,4、核仁组织区(nucleolar-organizing region,NOR)：核仁组织区位于近端着丝粒染色体短臂次缢痕部位(并非所有的次缢痕都是NOR)，此处伸出DNA袢环(含有rRNA的基因)，与核仁的形成有关。人类NOR位于13、14、15、21、22号染色体短臂的次缢痕上。,5、随体(satellite)：指近端着丝粒染色体短臂末端的球形或圆柱形的片段结构，通过次缢痕与染色体的主要部分相连。为识别染色体的重要特征之一。,6、端粒(telomere)：端粒为染色体端部的特化部分，位于染色体的端部，由端粒DNA与端粒蛋白构成。功能：与维持染色体的稳定性、保证DNA的完全复制和染色体在核内的分布有关。在同源染色体配对时，端粒能结合在核膜上；端粒长时，细胞能分裂和存活；端粒短时，细胞不能分裂甚至不能存活。,7、染色体DNA关键序列 染色体要确保在细胞世代中保持稳定，必须具有什么能力？自主复制、保证复制的完整性、遗传物质能够平均分配到2个子细胞中的能力，与这些能力相关的结构序列是：,(1)自主复制DNA序列：20世纪70年代末首次在酵母中发现。自主复制DNA序列具有一复制起始点，能确保染色体在细胞周期中能够自我复制，从而保证染色体在世代传递中具有稳定性和连续性。,(2)着丝粒DNA序列：着丝粒DNA序列与染色体的分离有关。着丝粒DNA序列能确保染色体在细胞分裂时能被平均分配到2个子细胞中去。,(3)端粒DNA序列：为一段短的正向重复序列，在人类为TTAGGG的高度重复序列。端粒DNA功能是保证染色体的独立性和遗传稳定性。,Three key regions of a chromosome,问题引领,果蝇有几对染色体？人有几对染色体？如何区分？,8、染色体组型(核型)：Karyotype,染色体组在有丝分裂中期的表型，包括染色体数目、大小形态特征的总和。染色体组型分析是在对染色体进行测量计算的基础上，进行分组、排队、配对，并进行形态分析的过程。主要根据染色体形态和着丝粒位置的差别来进行的。但有时染色体不易精确地识别和区分，怎么办？,9、染色体带(Banding technique),1970年代发展出细胞学技术，对细胞遗传的研究有很大的贡献它用特殊的染色方法，使染色体呈现深浅不同的条纹(band)每一对染色体由于DNA和蛋白质的结合不同，出现的条纹型的(banding pattern)也不同,染色体带的种类,Q band、G band、R band Q band Q代表荧光染料Quinacrine mustard 染色体先用quinacrine染色后，于荧光显微镜下（UV），出现荧光条纹，背景是暗的亮处富含AT碱基对,G band,G代表用吉姆萨染料染色(Giemsa staining)医院常用G-band来检查人类遗传疾病明暗条纹一般与Q带相符既有Q band,又何必有G band？,R band,R代表与G band相反(reverse to G bands)G band 染色深的部位，在R band是浅的。R band没有G band清晰，较少 用来鉴定染色体助于研究染色体的结构，尤其是染色 体的尖端部位染得很清楚，可用来鉴定染色体是否发生端点缺失(terminal deletion)。,染色体带的价值,助于做染色体组型(karyotyping)：每一对染色体有独特的条纹型式，经条纹技术处理后较易区分助于研究染色体内部的变化：染色体若发生倒转(inversion)，易位(translocation)，缺失(deletion)等，由条纹型的变化，很容易判断出来助于演化上的研究：比较不同生物染色体的条纹型式，可以研究演化上的关系,染色体带的价值,助于决定基因图(gene mapping)的研究人类的染色体约可做出900 bands，若某人缺乏某种酶，做条纹技术分析，若发现染色体缺乏某一条纹，便可推出制造该酶的基因是位在该条纹上纤维囊肿病变(cystic fibrosis)基因位在染色体7的长臂:q21&q31之间。全长25万bases大部份为非密码区，真正密码区只占2%肌肉萎缩症Dmd基因位在X染色体短臂Xp21 全长200万bp，其中大部份为intron，密码区只占1%大部份病人是dmd基因内几个bases改变，少数是因dmd 基因完全缺失或部份缺失。,细胞分裂的类型,无丝分裂(amitosis)：又称直接分裂，1841发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化。有丝分裂(mitosis)：又称为间接分裂，由Fleming(1882)年首次发现于动物，1880发现于植物。减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。,第三节 纺锤体,一、纺锤体的组成二、形成纺锤体的徽管类型三、在染色单体分离过程中纺锤体的变化四、影响纺锤体的药物,一、纺锤体的组成,由微管和与微管结合的蛋白质组成微管是细胞骨架的成分之一，是宽约24nm的中空长管状纤维，是微管蛋白按螺旋排列，盘绕而成一层分子的微管管壁,二、形成纺锤体的徽管类型极间微管（polar mt）两极间的微管，在纺锤体中部重叠；动粒微管（kinetochore mt），是从动粒到另一极的微管；星体微管（astral mt），由中心粒放射出来的微管。高等植物没有中心粒和星体，其纺锤体称无星纺锤体。中间微管，子染色体之间的微管不与两极和着丝点相连。,三、在染色单体分离过程中纺锤体的变化,动粒微管缩短，比中期短20%极微管延长，使纺锤体本身延长,四、抑制纺锤体形成的药物,秋水仙素(colchicine)长春花碱(vinblastine)紫杉醇(taxol),总结：与细胞分裂有关的细胞器,核糖体中心体(动物细胞与低等植物细胞)高尔基体(植物细胞),第四节 植物细胞减数分裂,花的结构雄配子体的产生雌配子体的产生减数分裂发生的时间,P107,雄配子体的产生,花粉(小孢子)母细胞(2n)小孢子(n)营养细胞(n)生殖细胞(n)2个精子(n)花粉粒,减数分裂,有丝分裂,有丝分裂,雌配子体的产生,大孢子母细胞(2n)大孢子(n)珠孔3个核(n)中央2个核(n)另一端3个核(n)1个卵细胞和2个助细胞(n)1个中央细胞 3个反足细胞胚囊,减数分裂,细胞核3次有丝分裂,围以细胞质,雄花,雌花,P107,2、基因型为AABB的父本和基因型为aabb的母本杂交，对所结果实各部分的基因型进行分析，填表：,AB,ab,aabb,AaaBbb,aabb,AaBb,子叶、胚芽、胚轴、胚根,减数分裂发生的时间,终端减数分裂 如动物中间减数分裂 如种子植物始端减数分裂 如衣藻、绿藻等藻类,b.雌蕊,花柱,P107,重要概念生活史（life history）：植物一生中所经历的发育和繁殖阶段，前后相续，有规律地循环的全部过程，称为生活史或生活周期。世代交替（alternation of generation）：二倍体的孢子体阶段（或无性世代）和单倍体的配子阶段（或有性世代），在生活史中有规则地交替出现的现象。被子植物的生活史：从“种子到种子”这一全部历程称为被子植物的生活史或生活周期。无性世代：孢子体阶段也是植物体的无性阶段，所以也称无性世代。有性世代：单倍体植物阶段，一般可称为配子体阶段，也称有性世代。孢子体阶段：二倍体植物阶段（2n），一般称为孢子体阶段。,