南农细胞生物学9PPT文档.ppt

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1、第一节 细胞周期与细胞分裂,细胞周期,从一次细胞分裂结束开始，经过物质积累过程，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期。也称为细胞生活周期(cell life cycle)或细胞繁殖周期(cell reproductive cycle),细胞周期的时相,分裂间期(interphase):是细胞增殖的物质准备和积累阶段有丝分裂期(mitosis):是细胞增殖的实施过程。4个时期:即G1期、S期、G2期和 M期。含有这4个不同时期的细胞周期称为标准的细胞周期(standard cell cycle),细胞周期的长短,同种细胞之间，细胞周期时间长短相似或相同；不同细胞种类之间，细胞周期时间长短

2、常差别很大细胞周期时间长短主要差别在G1期，而S期、G2期和M期的总时间相对恒定M期持续的时间更为恒定，常常仅持续半小时左右。,周期中细胞、静止期细胞,多细胞生物，有些细胞可能会持续分裂，即细胞周期持续运转。这些细胞常称为周期中细胞(cycling cell)也有些细胞会暂时离开细胞周期，停止细胞分裂，去执行一定的生物学功能。这些细胞称为静止期细胞(quiescent cell)，或Go期细胞。周期中细胞转化为Go期细胞多发生在G1期。Go期细胞一旦得到信号指使，会快速返回细胞周期,(二)细胞周期中各个不同时期及其主要事件,1G1期,G1期是一个细胞周期的第一阶段G1期细胞开始合成生长所需要的

3、各种蛋白质、糖类、脂质等，但不合成DNA在Gl期的晚期阶段有一个特定时期称为限制点(restriction point，R点)，或检验点(checkpoint)。,2S期,S期即DNA合成期。进入S期后，立即开始合成DNA。新合成的DNA立即与S期合成的组蛋白结合，共同组成核小体串珠结构。,3G2期,DNA复制完成以后，细胞即进入G2期。每个染色体含有4个拷贝的DNA。细胞能否进入M期要受到G2期检验点的控制。,4M期,M期即细胞分裂期。有丝分裂(mitosis)：体细胞减数分裂(meiosis)：成熟过程中的生殖细胞减数分裂是有丝分裂的特殊形式,(三)细胞周期长短测定,1脉冲标记DNA复制和

4、细胞分裂指数观察测定法,应用3HTdR（DNA合成抑制剂）短期饲养细胞，细胞均被标记处于S期,将3HTdR洗脱，置换新鲜培育液并继续培养。被标记的细胞将陆续进入M期。从更换培养液培养开始，到被标记的M期细胞开始出现为止，所经历的时间为G2期时间(TG2，)。从被标记的M期细胞开始出现，到其所占M期细胞总数的比例达到最大值时，所经历的时间为M期时间(TM)。从被标记的 M期细胞数占M期细胞总数的50开始，经历到最大值，再下降到50，所经历的时间为S期时间(Ts)。从被标记的M期细胞开始出现并逐渐消失，到被标记的M期细胞再次出现，所经历的时间为一个细胞周期总时间(Tc)。Tc减去 TG2、TM、T

5、s后所剩余的时间即为TG1,2流式细胞分选仪测定法,流式细胞分选仪可以同时分析细胞种类、DNA、RNA、蛋白质含量以及这些物质在细胞周期中的变化等。还可以用作对某个细胞群体中的各种细胞进行分拣。应用流式细胞分选仪测定细胞周期，可以通过监察细胞DNA含量在不同时间内的变化，从而确定细胞周期时间长短,(四)细胞周期同步化,人工选择同步化是指人为地将处于不同时期的细胞分离开来，从而获得不同时期的细胞群体。,1DNA合成阻断法,是一种采用低毒或无毒的DNA合成抑制剂（TdR和羟基脲）特异地抑制DNA合成，而不影响处于其他时期的细胞进行细胞周期运转，所有细胞即被抑制在S期。,2分裂中期阻断法,秋水仙素、

6、秋水酰胺和nocodazole等，可以抑制微管聚合，因而能有效地抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。缺点是这些药物的毒性相对较大,3条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用,人们已经分离了许多与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株。将这些突变株转移到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞周期中某一特定时期。,(五)特异的细胞周期 特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期。,1早期胚胎细胞的细胞周期,受精卵卵裂球数量增加，总体积并不增加，卵裂球体积将越分越小；每次卵裂所持续的时间，即一个细胞周期所持续的时间，大大短于体细胞,G1期和G2期非常

7、短，以至认为早期胚胎细胞周期仅含有S期和M期，,2酵母细胞的细胞周期,酵母细胞周期也包括G1期、S期、G2期和M期等4个时期酵母细胞周期持续时间较短，大约为90min。在细胞分裂时，细胞核核膜不解聚。与细胞核分裂直接相关的纺锤体不是在细胞质中，而是位于细胞核内。,芽殖酵母以出芽方式进行分裂，根据芽体的大小比例可以粗略估计细胞所处的时期。芽殖酵母细胞分裂为不等分裂，即生成的两个细胞体积大小不等，以芽体逐渐形成的子细胞体积较小。,裂殖酵母有两个鲜明的特点：一是细胞分裂为均等分裂，即分裂后生成的两个细胞大小相等；二是细胞生长仅是细胞长度的增加，细胞直径保持不变。,3植物细胞的细胞周期,也含有G1 期

8、、S期、G2期和M期4个时期。第一，植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常装配纺锤体。第二，植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂。,4，细菌的细胞周期,细菌的细胞周期也基本具备4个时期。在快速生长时，复制的起点不是在一个DNA分子上，而是在两个正在形成中的DNA分子上同时开始。在一个细胞周期中每个DNA分子复制仅能完成一半，经过70min，两个DNA分子完成复制，得到4个DNA分子，细胞完成两轮细胞周期，得到4个细胞。,二、有丝分裂,划分为前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂等6个时期。前5个时期是一个先后相互连续的过程，胞质分裂则相对独立。,(一)有丝分裂过程,1前期(propha

9、se),细胞核染色质开始浓缩(condensation)，由线性染色质，逐渐变短变粗，形成光镜下可辨的两条染色单体在着丝粒处逐渐装配动粒(kinetochore),动粒和着丝粒紧密相连。在中心体的周围，微管开始大量装配。形成星体(aster)。,2前中期(prometaphase),核膜破裂，以小膜泡的形式分散到细胞质中染色体将进一步凝集浓缩，变粗变短，形成明显的X形染色体结构。染色体在一定区域内剧烈运动。并不完全分布于赤道板排列貌似杂乱无章，染色体着丝粒上的动粒逐渐成熟。星体微管逐渐向“细胞核”内侵入。形成动粒微管(kinetochore microtubule)。和极性微管(polarmi

10、crotubule)。共同组成赤道直径相对较大，两极直径的距离也相对较短的前期纺锤体。,3中期(metaphase),纺锤体赤道直径逐渐收缩，两极距离拉长,呈现典型的纺锤样染色体逐渐向赤道方向运动。排列到赤道板上，称为染色体列队(chromosome alignment)。位于染色体两侧的动粒微管长度相等，许多极性微管在赤道区域也相互搭桥，形成貌似连续微管结构。染色体两个动粒分别面向纺锤体的两极。,4后期(anaphase),两条染色单体相互分离，形成子代染色体，并分别向两极运动，在后期A，动粒微管变短，染色体逐渐向两极运动；在后期B，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长。,5末期(tel

11、ophase),染色单体到达两极，动粒微管消失，极性微管继续加长到达两极的染色单体开始去浓缩在每一个染色单体的周围，核膜开始重新装配。形成两个子代细胞核。核仁也开始重新装配。,6胞质分裂(cytokinisis),开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期。胞质分裂开始时，大量的肌动蛋白和肌球蛋白装配成微丝束，环绕细胞，称为收缩环(contractilering)。收缩环收缩，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟(furrow)。分裂沟逐渐加深，直至两个子代细胞完全分开,(二)与有丝分裂直接相关的亚细胞结构,中心体,由一对位于中央的中心粒和其周围的无定型物质构成。两个中心粒相互成直角

12、排列。每一个中心粒为一个圆筒状结构，圆筒的壁由9组三联微管构成。,星体,在间期细胞中，微管围绕中心体装配，如同星光向四周辐射。因而，中心体与四射的微管合称为星体。当细胞走向分裂时，星体参与装配纺锤体,中心体(或中心粒)周期,中心体在 G1期末开始复制。到达S期，细胞已经含有一对中心体，但两者并不分开到达G2期，一对中心体开始分离，并各自向细胞的两极移动，并参与装配纺锤体。到细胞分裂结束，两个子细胞分离，每个子细胞获得一个中心体。,2动粒与着丝粒,动粒(kinetochore)又称为着丝点，是附着于着丝粒上的，合称为着丝粒动粒复合体(centromerekinetochorecomplex)。每

13、条中期染色体上含有两个动粒，分别位于着丝粒的两侧。细胞分裂后，两个动粒分别被分配到两个子细胞中。,3纺锤体,纺锤体(spindle)主要由微管和微管结合蛋白组成。纺锤体的两端为星体。组成纺锤体的微管可以分为动粒微管和极性微管。动粒微管的一端与中心体相连，另一端与动粒相连。极性微管的一端与中心体相连，而另一端游离。从两极发出的极性微管常在赤道处相互搭桥植物细胞不含中心体，但其纺锤体仍能够像动物细胞一样，维持纺锤样结构。,(三)有丝分裂过程中染色体运动的动力机制,1染色体列队,牵拉(pull)假说和外推(push)假说。牵拉假说认为，染色体向赤道板方向运动，是由于动粒微管牵拉的结果。动粒微管越长，

14、拉力越大，当来自两极的动粒微管的拉力相等时，染色体即被稳定在赤道板上；外推假说认为，染色体向赤道方向移动，是由于星体的排斥力将染色体外推的结果。染色体距离中心体越近，星体对染色体的外推力越强，当来自两极的推力达到平衡时，染色体即被稳定在赤道板上。,2染色体分离,后期A和后期B两个阶段假说。在后期A，动粒微管变短，将染色体逐渐拉向两极。动粒微管变短是由于其动粒端解聚所造成的；在后期B，极性微管蛋白聚合，使极性微管加长，形成较宽的极性微管重叠区。重叠区相互滑动，逐渐变得狭 窄，两极之间的距离逐渐变长。,三、减数分裂(premeioticinterphase)。,减数分裂是一种特殊的有丝分裂形式，仅

15、发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂。分别称为减数分裂期I和减数分裂期。经过减数分裂，两性生殖细胞各自的染色体数减少一半。在两次分裂之间，还有一个短暂的分裂间期。在减数分裂之前的间期阶段，也可以人为地划分为G1 期、S期、G2期等三个时期。但此间期阶段也有其鲜明的特殊性。常称为减数分裂前间期,(一)减数分裂前间期,最大特点在于其S期持续时间较长另一个重要特点是减数分裂前间期的S期仅复制其DNA总量的997999大多数生物，其减数分裂前间期的细胞核大于其体细胞核。染色质也多凝集成异染色质。,(二)减数分裂过程,减数分裂前G2期细胞进入两次有序的细胞分

16、裂，即第一次减数分裂和第二次减数分裂。两次减数分裂之间的间期或长或短，但无DNA合成。,1减数分裂期I,减数分裂期I(meiosisl)也可以人为地划分为前期I，前中期I，中期I，后期I，末期I和胞质分裂I等 6个阶段。,(1)前期I,前期I(prophase I)持续时间较长。在高等生物，其时间可持续数周、数月、数年，甚至数十年。在低等生物虽相对较短，但也比有丝分裂前期持续的时间长得多。要进行染色体配对和基因重组。合成一定量的RNA和蛋白质。根据细胞形态变化，又可以将前期I人为地划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等5个阶段。,细线期(1eptotene，leptonema)：,也称

17、为凝集期(condensation stage)。首先发生染色质凝集，逐渐折叠，螺旋化，变短变粗，包装成在显微镜下可以看到的细纤维样染色体结构。与有丝分裂前期起始阶段的不同之处：两条染色单体的臂并不分离，看不到双线样染色体结构，而是呈细的单线状。在细纤维样染色体上，出现一系列大小不同的颗粒状结构，称为染色粒(chromomere)。染色体端粒(telomere)通过接触斑与核膜相连。而染色体的其他部分以袢状伸延到核质中。,偶线期(zygotene，zygonema)：,又称为配对期(pairings tage)来自父母双方的同源染色体逐渐靠近，沿其长轴相互紧密结合在一起。形成二价体(bival

18、ent)又称为四分体(tetrad)。同源染色体配对的过程称为联会(synapsis)。联会初期，同源染色体端粒与核膜相连的接触斑相互靠近并结合。从端粒处开始，这种结合不断向其他部位伸延，直到整对同源染色体的侧面紧密联会。另一个重要事件是合成在S期未合成的约03的DNA(偶线期DNA，即zygDNA)。,粗线期(pachytene，pachynema)：,持续几天至几个星期。染色体进一步浓缩，变粗变短，并与核膜继续保持接触。同源染色体仍紧密结合，并发生等位基因之间部分DNA片段的交换和重组，产生新的等位基因的组合。在联会复合体部位中间，出现一个新的圆球形结构，称为重组结。可能直接参与基因重组。

19、合成一小部分编码与DNA点切(nicking)和修复(repairing)有关的酶的DNA称为PDNA合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部地置换下来。,双线期(diplotene，diplonema)：,重组阶段结束，同源染色体相互分离，仅留几处相互联系（称为交叉crossover，chiasma)）。同源染色体的四分体结构变得清晰可见。持续时间一般较长，两栖类卵母细胞可持续将近一年，而人类的卵母细胞短者可持续十几年，长者可达四五十年。,终变期(diakinesis)：,染色体重新开始凝集，形成短棒状结构。如果有灯刷染色体存在，其侧环回缩，RNA转录停止，核仁消失，四分

20、体较均匀地分布在细胞核中。同时，交叉向染色体臂的端部移行。此移行过程称为端化(terminalization)。到达终变期末，同源染色体之间仅在其端部和着丝粒处相互联结。,(2)中期I,到核膜破裂，标志着中期I的开始。在此过程中，要进行纺锤体装配。与一般有丝分裂过程中的相类似。纺锤体微管侵入核区，捕获分散于核中的四分体。每个四分体含有4个动粒。四分体逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面(equatorialplane)上。,(3)后期I,同源染色体对相互分离并向两极移动，标志着后期I(anaphasel)的开始。到达每一 极的染色体的数量为细胞内染色体总数量的一半。同源染色体向两极移动是一个随

21、机的过程，因而到达两极的染色体会出现许许多多的排列方式。,(4)末期I，胞质分裂I和减数分裂间期,第一种类型 染色体到达两极，并逐渐进行去凝集。核被膜重新装配，形成两个子细胞核。细胞质也开始分裂，完全形成两个间期子细胞。此间期细胞不再进行DNA复制，也没有G1、S和C2期之分。持续时间一般较短，特将其称为减数分裂间期(interkinesis)第二种类型 即细胞进入末期后，不是完全回复到间期阶段，而是立即准备进行第二次减数分裂。,2第二次减数分裂,第二次减数分裂过程与有丝分裂过程非常相似。即经过分裂前期、中期、后期、末期和胞质分裂等几个过程。经过第二次减数分裂，共形成4个子细胞。在雄性动物，4

22、个子细胞大小相似，称为精子细胞。在雌性动物，第一次分裂后产生一个大的卵母细胞和一个小的极体，极体将很快死亡解体，卵母细胞将继续进行第二次减数分裂，产生一个卵细胞和一个极体。极体没有功能，很快解体。因此，雌性动物减数分裂仅形成一个有功能的卵细胞。高等植物减数分裂与动物减数分裂类似，即雄性产生4个有功能活性的精子，而雌性仅产生一个有功能活性的卵细胞。,(三)减数分裂过程的特殊结构及其变化,1性染色体的分离,对于含有两条 XX性染色体的细胞，两条XX染色体像常染色体一样进行正常配对、交换和分离。对于含有同源区段的 XY染色体，如人类的XY染色体，在前期I可以进行配对。不管XY染色体配对与否，两者都将

23、和常染色体一样，在分裂中期I排列到赤道面上。其后，随常染色体分离而相互分离，并各自移向两极。,2联会复合体和基因重组,联会复合体是同源染色体之间在减数分裂前期联会时所形成的一种临时性结构。在同源染色体联会处沿同源染色体长轴分布，由位于中间的中央成分(central element)和位于两侧的侧成分(Lateral element)共同构成。联会复合体被认为从细线期开始装配，到偶线期形成明显的联会复合体结构。到达粗线期，重组结开始装配。,第二节 细胞周期的调控,一、MPF的发现,20世纪70年代初期发现。1988年，Mailer实验室的Lohka等人以非洲爪蟾卵为材料，分离获得了微克级的纯化M

24、PF，其主要含有p32和p45两种蛋白。证明MPF是一种蛋白激酶。MPF卵细胞促成熟因子(maturation-promoting factor)，细胞促分裂因子(mitosis-promoting factor)，M期促进因子(M phase-promoting factor)。,二、MPF的成分,周期蛋白(Cyclin)周期蛋白依赖性蛋白激酶（CDK）,Cyclin-周期蛋白的结构特点,周期蛋白框(cyclin box)存在于周期蛋白中的一段相当保守的100个左右氨基酸序列，主要参与介导周期蛋白与周期蛋白依赖性蛋白激酶(CDK)结合。破坏框(destruction box，RXXLGXIX

25、N)存在于M期周期蛋白近N端由9个氨基酸组成的特殊的序列，主要参与泛素 介导的周期蛋白A和B的降解。G1期周期蛋白不含周期蛋白在细胞周期中表达的时期不同，并与不同的CDK结合，调节不同的CDK激酶活性。,CDK-周期蛋白依赖性蛋白激酶,cdc(cell division cycle)基因。与细胞分裂和细胞周期调控有关的基因，p34cdc2cdc2基因的表达产物,相对分子质量为34X103。p34cdc28 cdc28基因的表达产物,相对分子质量为34X103。p34cdc属于周期蛋白依赖性蛋白激酶（CDK1）。,CDK和CDK抑制物(CDKI),CDK 与周期蛋白结合表现出激酶活性的蛋白质。C

26、DK包括CDK1（Cdc2）、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6、CDK7和CDK8等。CDK抑制物 对CDK激酶活性起负性调控的蛋白质。p21主要对CDK2、CDK3、CDK4和CDK6起抑制作用。p16主要抑制CDK4和CDK6激酶活性。,四、细胞周期运转调控,CDK激酶对调控细胞周期起着核心性作用。CDK激酶由不同种类的周期蛋白与CDK结合构成。CDK激酶在细胞周期的不同时期表现出不同的活性。,G2M期转化调控,G2M期转化受CDK1激酶CDK1激酶活性依赖于CDK1蛋白和周期蛋白B含量。CDK1蛋白在细胞周期中的含量稳定周期蛋白B的含量在细胞周期中的呈现周期性变化。周期蛋

27、白B到达G2期，含量达到最大值。CDKl激酶活性达到最大CDKl激酶使下游某些蛋白质磷酸化，调控细胞周期,M期中期/M后期转化,细胞周期运转到M中期后，M期周期蛋白A和B将迅速降解，CDK1激酶活性丧失被CDK1激酶磷酸化的蛋白质去磷酸化，细胞周期便从M期中期向后期转化。周期蛋白的降解是通过泛素化途径来实现的。周期蛋白分子中的破坏框起着重要的调节作用。,G1S期转化,Gl期向S期转化受G1期CDK激酶所控制。G1期CDK激酶包括G1期周期蛋白和Gl期CDK蛋白周期蛋白主要包括周期蛋白D、E、A。CDK蛋白主要包括CDK2、CDK4和CDK6等。周期蛋白D主要与CDK4和 CDK6结合。周期蛋白

28、E周期蛋白A与CDK2结合。,为什么DNA复制一周期一次,胞质内存在一种执照因子蛋白，对细胞核染色质DNA复制发行“执照”。在M期，核膜破裂，胞质中的执照因子与染色质接触并与之结合，使染色质获得DNA复制执照。到达S期，DNA开始复制。随DNA复制过程的进行，“执照”信号不断减弱直到消失。到达G2期，细胞核不再含有执照信号，DNA复制结束并不再起始。只有等到下一个M期，染色质与执照因子接触，重新获得执照，细胞核才能开始新一轮的DNA复制,为什么在DNA复制未完成，细胞不能开始SG2M期转化呢?,细胞中存在一系列检查DNA复制进程的检控机制。DNA复制不完成，细胞周期便不能向下一个阶段转化。有实验表明，当DNA复制尚未完成时，M期 CDK激酶的活性不能够表现出来。,六、其他因素在细胞周期调控中的作用,癌基因非正常表达可导致细胞转化，增殖过程异常，甚至癌变。抑癌基因表达产物对细胞增殖起负性调节作用离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、pH变化等。,