细胞增殖及其调控ppt课件.ppt

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1、细胞增殖及其调控,第十一章 细胞增殖及其调控,细胞周期各时相的合成活动 细胞周期长短的测定(不作要求）细胞的同步化 （了解）特异的细胞周期 (不作要求）有丝分裂 减数分裂细胞周期的调控（了解大体走向）,第十一章 细胞增殖及其调控,细胞周期(cell cycle)：由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。细胞周期分为: M期(M phase)和分裂间期(interphase)1、分裂间期：细胞从开始生长起到分裂前止的分裂间隔 G1期(Gap1 phase)：从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间 S期(synthesis phase：DNA复制的时期，即DNA合成期(DNA synt

2、hetic phase) G2期(G2 phase)：DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间 2、M期包括两过程：从细胞分裂开始到结束所经历的过程 有丝分裂：复制的染色体被分到两个细胞核中, 胞质分裂: 将整个细胞一分为二, 形成两个子细胞,从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：连续分裂细胞：在细胞周期中连续运转因而又称为周期细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞休眠细胞暂不分裂：在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等不分裂细胞：不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等等,二、 细胞周期各时相的合成活动, G1期

3、 (Gap1 phase)此期主要合成rRNA、蛋白质、脂类和碳水化合物。在G1期的后期, DNA合成酶的活性大大增加G1期进入S期与S期激活因子有关。 S期 (synthesis phase)DNA合成、合成组蛋白, DNA复制所需的酶DNA复制时, 不同序列的复制先后是不同的: 常染色质: 先; 异染色质: 后; 能转录的DNA: 先; 不能转录的DNA: 后; GC含量高: 先; AT含量高: 后; G2 期 (G2 期) 合成ATP、RNA、蛋白质, 包括微管蛋白和成熟促进因子MPF(maturation promoting factor)等，为有丝分裂作准备 有丝分裂期(mitoti

4、c phase,M 期)从染色体的凝缩、分离到平均分配到两个子细胞为止,三 细胞周期长短的测定（不作要求）,1 标记有丝分裂百分率法（percentage labeled mitoses，PLM）：是一种常用的测定细胞周期时间的方法。其原理是对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。2流式细胞分选仪测定流式细胞分选仪是一种快速测定和分析流体细胞中细胞或者颗粒物各种参数的大型仪器.原理:主要是应用DNA的含量在各个时期的差异：G1G2是1C（2n）；M是2C（4n）,四 细胞的同步化（不作要求）,细胞同步化(synchr

5、onization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化（一）自然同步化1多核体 如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。数量众多的核处于同一细胞质中，进行同步化分裂 2某些水生动物的受精卵 如海胆卵可以同时授精，最初的3次细胞分裂是同步的 3增殖抑制解除后的同步分裂 如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂,（二）人工同步化 选择同步法(selection synchrony)物理方法1） 有丝分裂选择法：使单层培养的细胞处于对数增殖期。有丝分裂细胞变圆隆起，与培养皿的附着性低，此时轻轻振荡，M期细胞脱离器壁，悬浮于培养液中，收集培养液，再加入新鲜培养

6、液，依法继续收集，则可获得一定数量的中期细胞。2） 细胞沉降分离法：不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其半径的平方成正比，可用离心的方法分离。 诱导同步法(induction synchrony)化学方法 1） DNA合成阴断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成，可将细胞群阻断在S期或G/S交界处。2） 中期阻断法：利用破坏微管的药物将细胞阻断在中期，常用的药物有秋水仙素和秋水仙酰胺，,一、细胞分裂的类型,1、无丝分裂(amitosis)又称为直接分裂：由R. Remark（1841）首次发现于鸡胚血细胞表现为细胞核伸长，从中部缢缩，后细胞质分裂，其间不涉及纺

7、锤体形成及染色体变化，故称为无丝分裂。如植物的胚乳细胞、动物的胎膜，间充组织及肌肉细胞等2、有丝分裂，又称为间接分裂：由W.Fleming(1882)年首次发现于动物E. Strasburger（1880）年发现于植物特点是有纺锤体染色体出现，子染色体被平均分配到子细胞，普遍见于高等动植物3、减数分裂：指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式是高等动植物配子体形成的分裂方式,二、有丝分裂,有丝分裂过程是一个连续的过程，人为的划分六个时期：间期、前期、前中期、中期、后期和末期间期：G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制准备工作（一）前期(prophase) 主要事件是：染色质凝缩，每条染色

8、体包含2个染色单体 分裂极确立与纺锤体开始形成，S期两个中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，当核膜解体时，两对中心粒已到达两极，并在两者之间形成纺锤体 核仁解体 核膜消失,（二）前中期(prometaphase)主要事件是纺锤体(spindle)的装配纺锤体微管的装配起始于中心体（三）中期(metaphase)主要事件是染色体排列到赤道面上（纺锤体的中心区 ）,左，前中期； 右，中期,纺锤体微管的类型及其形成,纺锤体又称有丝分裂器(mitotic apparatus)当核膜解体时，两对中心粒已到达两极，并在两者之间形成纺锤体，纺锤体微管包括 ： 着丝点微管（kine

9、tochore mt）：也叫动粒微管由中心体发出，连接在着丝点上，负责将染色体牵引到纺锤体上，着丝点上具有马达蛋白, 星体微管（astral mt）：由中心体向外放射出，末端结合有马达蛋白负责两极的分离，同时确定纺锤体纵轴的方向 极体微管（polar mt或overlap mt）：也叫极微管；由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有马达蛋白负责将两极推开,（四）后期(anaphase) 主要事件是着丝粒分开, 染色单体移向两极后期可以分为两个方面：后期A，指染色体向两极移动的过程移动原因染色体着丝点微管在着丝点处去组装而缩短，在分子马达的作用下染色体向两极移动后期B，指两极间距离拉大的过

10、程。移动原因：一方面极体微管延长，推动两极分离；另一方面星体微管去组装而缩短，结合在星体微管正极的马达蛋白牵引两极距离加大,后期姊妹染色单体分离,后期A染色体分离，后期B两极延伸,（五）末期(telophase) 主要事件是染色体解螺旋形成细丝, 出现核仁和核膜末期涉及子核的形成和胞质分裂两个方面1、子核的形成末期子核的形成，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成核仁由染色体上的核仁组织中心形成（NORs），几个NORS共同组成一个大的核仁前期核膜解体后，核纤层蛋白B与核膜残余小泡结合，末期核纤层蛋白B去磷酸化，介导核膜的重新装配,2、胞质分裂（cytokinesis）动物细胞的胞质分裂是以形

11、成收缩环的方式完成收缩环在后期形成，由大量平行排列的肌动蛋白和结合在上面的myosin II（肌球蛋白）等成分组成通过滑动模型，使肌动蛋白收缩环紧缩，最终将细胞质一分为二,动细胞的胞质收缩环,植物胞质分裂的机制：末期两极处微管消失，中间微管保留，并数量增加，形成桶状的成膜体(phragmoplast)来自于高尔基体的囊泡沿微管转运到成膜体中间，融合形成细胞板囊泡内的物质沉积为初生壁和中胶层囊泡膜形成新的质膜，由于两侧质膜来源于共同的囊泡，因而膜间有许多连通的管道，形成胞间连丝源源不断运送来的囊泡向细胞板融合，使细胞板扩展，形成完整的细胞壁，将子细胞一分为二,植物细胞成膜体的形成,有丝分裂,减数

12、分裂,减数分裂（Meiosis）的特点是DNA复制一次，细胞连续分裂两次，细胞经过减数分裂导致染色体数目减少一半减数分裂可分为3种主要类型：一、配子减数分裂（gametic meiosis），也叫终端减数分裂(terminal meiosis)，其特点是减数分裂和配子的发生紧密联系在一起行此种减数分裂的生物包括所有的多细胞动物和多数原生生物 在雄性脊椎动物中，1个精母细胞经过减数分裂形成4个精细胞，后者在经过一系列的变态发育，形成成熟的精子在雌性脊椎动物中，1个卵母细胞经过减数分裂形成1个卵细胞和2-3个极体脊椎动物的卵通常在减数分裂完成之前的某个阶段（中期）进行受精，受精之后减数分裂才完成,

13、二、孢子减数分裂（sporic meiosis）也叫中间减数分裂(intermediate meiosis)见于植物和某些藻类其特点是减数分裂和配子发生没有直接的关系减数分裂的结果是形成单倍体的配子体（小孢子和大孢子）。小孢子再经过两次有次分裂形成包含一个营养核和两个雄配子的成熟花粉，大孢子经过三次有丝分裂形成胚囊（雌配子体）三、合子减数分裂（zygotic meiosis），也叫初始减数分裂(initial meiosis)仅见于真菌和某些原核生物它们只是在受精之后发生减数分裂，产生单倍体的孢子。孢子通过有丝分裂产生单倍体的子代二倍体时期仅限制在受精后且仍是合子的这样一个极短的时期,减数分裂

14、时相,减数分裂由紧密连接的两次分裂构成减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂（heterotypic division）减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂（homotypic division）或均等分裂（equational division）,一、间期,进入减数分裂之前要经过一个较长的间期，称前减数分裂间期(premeiotic interphase)或前减数分裂期(premeiosis)也可分为G1期、S期和G2期 DNA不仅在S期合成，而且也在前期（偶线期和粗线期 ）合成一小部分二、分裂期 （一）、减数分裂I两个主要特点 一对同源染色体分开，分别进

15、入两个子细胞，同源染色体分开之前通常要发生交换和重组在染色体组中，同源染色体的分离是随机的 染色体组要发生重组合,1、前期I,减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，人为划分为5个时期：细线期（leptotene）偶线期(zygotene stage)粗线期（pachytene）双线期（diplotene）终变期（diakinesis） 1）细线期(leptotene stage): 又称凝集期(condensation stage) 特点:电镜下，染色体是由两条染色单体构成的。染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒,2）偶线期(zygotene stage)又叫合线期（zygotene） ：特点:同

16、源染色体(homologous chromosomes)配对(也叫联会(synapsis) 同源染色体间形成联会复合体(synaptonemal complex，SC) 在光镜下可以看到两条结合在一起的染色体，称为二价体（bivalent）。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，所以又称为四分体（tetrad）3) 粗线期(pachytene stage, pachynema)：又称重组期(recombination stage)。特点:同源染色体的非姊妹染色单体之间发生染色体的交换重组在联会复合体的梯状结构中出现的重组节(recombination nodules),偶线期的染色体形态

17、结构,联会复合体中的重组节,4） 双线期(diplotene stage)： 特点:联会的同源染色体开始分离，但在交叉点(chiasma) 交叉的数目和位置在每个二价体上而随着时间推移，向端部移动，这种移动现象称为端化(terminalization)，端化过程一直进行到中期 5）终变期(diakinesis)：又称再凝集期(recondensation stage) ： 特点:二价体显著变短，染色质包装压缩成染色体核仁消失 中心体移向两体, 并形成纺锤体核被膜破裂和消失,双线期的染色体交叉,2、中期I主要特点:染色体排列在赤道面上每个二价体(四分体)有4个着丝粒3、后期I主要特点:同源染色体

18、在两极纺锤体的作用下分开, 逐渐移向两极染色体数目减半4、末期I 有两种类型的末期1）没有明显可见的染色体去凝集2）完全逆转到间期核的状态：染色体要去凝集、重新形成核被膜染色体到达两极后，解旋为细丝状、核膜重建、核仁形成，同时进行胞质分裂,5、减数分裂间期 有些生物没有间期，而由末期I直接转为前期II在减数分裂I和II之间的间期很短，不进行DNA的合成 （二）、减数分裂II 可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似 如果在末期重新形成了核被膜，则在前期要将核被膜解体，重新包装压缩染色体,减数分裂的生物学意义 减数分裂保证了有性生殖生物在世代交替中染色体数目的恒定 减数分裂是遗传重组的原动力

19、，增加了生物多样性,有丝分裂与减数分裂的比较,第二节 细胞周期的调控,细胞周期中的基本事件, 如DNA复制、有丝分裂、胞质分裂都是通过中央的细胞周期控制系统控制的中央控制系统如同一个顺时钟移动的指针, 当它到达某一位置时触发一个反应,细胞周期控制模拟系统,成熟促进因子(MPF)、细胞分裂有关的基因（CDC）、周期蛋白(cyclin)的发现,一、早熟染色体凝集： Rao和Johnson(1970、1972、1974)将Hela细胞的M期细胞与间期细胞融合，发现融合的间期细胞产生了形态各异的早熟凝集染色体(prematurely condensed chromosome，PCC) 这种现象叫做早熟

20、染色体凝集(premature chromosome condensation)G1期PCC为单线状，因DNA未复制S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成,同类M期细胞可以诱导PCC不同类的M期细胞也可以诱导PCC产生，如人和蟾蜍的细胞融合时同样有PCC产生即说明M期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(MPF)1、细胞分裂有关的基因（CDC）1960s Leland Hartwell（利兰哈特韦尔）以芽殖酵母为实验材料分离出了细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene，CDC)。如芽殖酵母的cd

21、c28基因，在G2/M转换点发挥重要的功能Hartwell还提出了checkpoint（细胞周期检验点）的概念，指当DNA受到损伤时，细胞周期会停下来 1970s Paul Nurse等人分离出了裂殖酵母cdc2、cdc25,2、周期蛋白(cyclin)：1983年Timothy Hunt（蒂莫西亨特）首次发现海胆卵受精后，在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈振荡在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M结束后突然消失，下轮间期又重新合成，故命名为周期蛋白(cyclin)3、MPF的实质1988年M. J. Lohka 纯化了爪蟾的MPF，经鉴定由32KD和45KD两种蛋白组成，二者

22、结合可使多种蛋白质磷酸化后来Paul Nurse（1990）进一步的实验证明P32实际上是CDC2的同源物，而P45是cyclinB的同源物，从而将细胞周期三个领域的研究联系在一起即MPF = CDC2 + Cyclin B,MPF的实质,2001年诺贝尔生理学与医学奖授予了美国科学家利兰哈特韦尔细胞分裂有关的基因（CDC）英国科学家蒂莫西亨特周期蛋白(cyclin)英国科学家保罗纳西MPF的实质：MPF=CDC2+Cyclin B 以表彰他们发现了细胞周期的关键调节机制,MPF,MPF的结构 ： MPF=CDC2+Cyclin B MPF是两个不同的亚基组成的异质二聚体1、CDC2是催化亚基

23、（CDC基因所编码的蛋白质）, 要与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性它能够将磷酸基团从ATP转移到特定底物的丝氨酸和苏氨酸残基上, 这种蛋白激酶后来被称为周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinases, Cdks)目前发现的CDK在动物中有7种。各种CDK分子均含有一段相似的激酶结构域，这一区域（即PSTAIRE）与周期蛋白的结合有关因此CDC2又被称为CDK1，激活的CDK1可将靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应，如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失，将H1磷酸化导致染色体的凝缩等等,2、另一个亚基称作周期蛋白(cyclin)周期蛋白不仅仅起激活CDK的作用，还决

24、定了CDK何时、何处、将何种底物磷酸化，从而推动细胞周期的前进这种周期性变化是靠对周期蛋白的降解来调控的周期蛋白的降解是通过对后期促进复合物（也叫后期促进因子）(anaphase-promoting complex,APC)活性的控制进行调节的。APC作用是将泛素（也叫遍在蛋白）连接到周期蛋白上来启动周期蛋白的降解具有较高活性的APC复合物中有几个亚基是被磷酸化的通过调控APC的磷酸化来控制周期蛋白的泛素化从而控制周期蛋白的降解,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原因是：周期蛋白浓度在细胞周期中呈周期性变化,周期细胞中有丝分裂周期蛋白水平的调

25、节,不同类型的周期蛋白,周期蛋白连接泛素详细过程,E1、E2、E3的参与（不作要求）,细胞周期检验点,细胞要分裂，必须正确复制DNA和达到一定的体积，在获得足够物质支持分裂以前，细胞不可能进行分裂细胞周期的运行，是在一系列称为检验点（check point）的严格检控下进行的当DNA发生损伤，复制不完全或纺锤体形成不正常，周期将被阻断细胞周期检验点由感受异常事件的感受器、信号传导通路和效应器构成，主要检验点包括： 1、G1/S检验点:在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restriction point) 控制细胞由静止状态的G1进入DNA合成期 相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外

26、环境是否适宜？细胞体积是否足够大？,2、S期检验点：DNA复制是否完成？3、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？4、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，都会抑制APC的活性，引起细胞周期中断细胞周期中三个主要的检验点： G1/S检验点、 G2/M检验点、中-后期检验点,三个主要的检验点的调控,1、在G1-S期， cyclinE与CDK2结合，促进细胞通过G1/S限制点而进入S期2、在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件,