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1、第十二章 细胞增殖及其调控,第一节 细胞周期概述 第二节 细胞分裂 第三节 细胞周期的调控,第一节 细胞周期概述,细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一，是生物生长发育和繁殖的基础。 细胞增殖受到严密的调控机制的监控，整个过程表现出严格的顺序性和周期性。,一、细胞周期(cell cycle),从一次细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，叫细胞周期。,细胞周期最重要的功能是准确的复制染色体上的DNA并将两个拷贝精确的分配到两个子细胞中。,二、细胞周期中各个不同时相及其主要事件,间期(interphase),G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间。,S期(synth
2、esis phase)，指DNA复制的时期。,G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。,细胞周期不同时期的主要事件,G1期：子代细胞的生成标志着G1期的开始。此时合成大量细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂类等物质，但不合成DNA。在G1期的晚期有一个检验点，监控着细胞是否进入S期。在芽殖酵母中叫做起始点(start)；在其他真核细胞中，限制点(restriction point,R点)；或检验点(checkpoint)。,The control of the cell cycle. The essential processes, such as DNA repli
3、cation and mitosis and cytokinesis, are triggered by a central cell-cycle control system. By analogy with a washing machine, the control system is drawn as an indicator that rotates clockwise, triggering essential processes when it reaches specific points on the outer dial.,S期，主要进行DNA的复制与核小体组蛋白的合成，并
4、组装成染色质结构。微管蛋白也开始合成。其DNA复制的起始和复制过程受到多种细胞周期调节因素的严密调控。 G2期：此时DNA含量已增加1倍，细胞已做好了进入M期的准备。但也有一个检验点，监控着DNA是否完成了复制和损伤是否得到了修复。 M期，既要把一个细胞分成两个子细胞，又要将两套染色体各分成一套分配到两个子细胞。,分裂期，又称M期(mitosis or division)，从开始到结束，可以分为前期、中期、后期和末期。各个时期都有非常显著的特征。,G1期,G2期,细胞的分类,周期中细胞(cycling cell)，持续分裂的细胞，如干细胞，表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。 G0期细胞(G0 ce
5、ll)，又称静止期细胞(quiescent cell)，暂时退出细胞周期，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，如淋巴细胞、肝、肾细胞和结缔组织的成纤维细胞等。 终末分化细胞(terminally differentiated cells)，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。,三、细胞周期时间的测定,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，细胞周期时间长短差别很大。,周期时间的主要差别在G1期，而S、G2和M期时间相对恒定。,（一）脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法： 这种方法主要适用于细胞构成相对简单，细胞周期时间相对较短，周期运
6、转均匀的细胞群体。 优点：可同时测定细胞周期总时间和各时相时间 缺点：要求有同位素室，细胞还须同步化。 （二）流式细胞仪测定法： 这种方法依据细胞各时期DNA含量的特征及其变化来确定细胞周期时间。 优点：可测定各种细胞的周期时间，测定快速，结果可靠。 缺点：要求有流式细胞仪。,四、细胞周期同步化(synchronization),细胞周期同步化指在自然过程中发生或经人为处理造成细胞群体处于周期中同一个时期的现象或技术。 （一）自然同步化 如：粘菌的多核体等。 某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类。 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）
7、人工同步化,1、选择同步化 1）有丝分裂选择法：M期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。 优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。 缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占1%2%） 。 2）细胞沉降分离法： M期细胞体积大，可用离心分离。 优点：可用于任何悬浮培养的细胞。 缺点：同步化程度较低。,2、诱导同步化 1）DNA合成阻断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成。常用TdR(胸腺嘧啶脱氧核苷)双阻断法： 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TdR。S期细胞被抑制，停在G1/S交界处。移去TdR，释放时间大于TS时，再次加入过量TdR。 优点：同步化程度高 缺点：
8、产生非均衡生长，个别细胞体积增大。 2）中期阻断法 用秋水仙素、nocodazole等细胞分裂抑制剂将细胞阻断在中期。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差。,正常培养细胞2-3d； 加入终浓度2mmol/L胸苷(TdR) ，继续培养15-18h，诱导细胞停留在G1/S期边界； 吸去培养液，洗1-2次，用新鲜培养液培养10h； 加入终浓度2mmol/L TdR ，培养18h； 吸去培养液，洗1-2次，收集G1期细胞； 在诱导的G1期细胞中，加入新鲜的培养液，培养3h，收集S期细胞； 在诱导的G1期细胞中，加入新鲜的培养液，培养8h，收集G2期细胞； 在诱导的G1期细胞中，加入nocodazo
9、le(终浓度600ng/ml)的培养液，培养12-14h，收集M期细胞； G0期细胞可在细胞正常培养到90%的覆盖率后，用仅含0.5%小牛血清的培养基饥饿3d后获得。,五、特殊的细胞周期,1.早期胚胎细胞的细胞周期 细胞分裂快，主要由M期与S期两个时期组成。 果蝇的受精卵在前2h每发生一次卵裂仅10min，12h内就可形成50000个细胞；斑马鱼受精卵在前3h每发生一次卵裂仅15min，24h内就可形成具有眼、耳和中枢神经系统及能见到肌肉收缩和心跳的脊椎动物雏形；鲢鱼在24左右，仅20h就可孵化出苗。,发育和增殖所需要的蛋白质、mRNA和其他营养物质已经在其卵子发生过程中预先被储存，细胞分裂没
10、有体积的增加，只需将事先储存有大量卵质分配到不断增多的小细胞中。,2.酵母细胞的细胞周期 在细胞分裂时，细胞核膜不解聚，纺锤体位于细胞核内，纺锤体的装配与S期DNA复制同时进行，而不是在DNA复制之后。,芽殖酵母，不均等分裂。,裂殖酵母，均等分裂，长度增加，直径不变。,3.植物细胞的细胞周期,不含中心体，以形成中间板的形式进行胞质分裂。,4.细菌的细胞周期,快速生长与慢速复制 快速分裂与DNA的慢速复制问题的解决是在上一次细胞分裂结束时，DNA已经复制一半，细胞分裂后，立即进行新一轮的复制。,第二节 细胞分裂 (cell division),细胞分裂的类型,无丝分裂(amitosis)：又称直
11、接分裂，由Remark（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，Strasburger(1880)发现于植物。染色体复制一次，细胞分裂一次。 减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。,一、有丝分裂(mitosis),为了便于描述人为的划分为六个时期： 间期（interphase）； 前期(prophase)； 前中期(premetaphase)； 中期(metaphase)； 后期(anaphase)； 末期(telophase)。 其中间期包括G1期、S期
12、和G2期，主要进行DNA复制、中心体复制、细胞体积增大等准备工作。,（一）前期,浓缩素 condensin,环状蛋白复合物(Cohesin ),染色质凝缩(condensation),星体微管开始装配,Assembly of kinetochore at the end of prophase,Golgi, ER etc. disperse to form vesicles; kinetochore assembly,动力蛋白,(二)前中期(prometaphase),核仁解体，核膜破裂,核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane) 上。,纺锤体的装配,极体微管（polar
13、 mt）两极间的微管，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有马达分子。 动力微管（kinetochore mt），是从着丝点到另一极的微管； 星体微管（astral mt），由中心粒放射出来的微管。植物没有中心粒和星体，其纺锤体称无星纺锤体。,(三)中期( Metaphase),染色体列队(chromosome alignment)或染色体中板聚合(congression),染色体排列到赤道面上,假说1：拉力使染色体列队,假说2：推力使染色体列队,中期动粒微管的动态稳定,（四）后期(anaphase) 指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期A、后期B两个过程。,Anaphase A: sep
14、aration of the sister chromatids.,后期动粒微管的缩短,Anaphase B: separation of the poles.,1. 驱动蛋白从负极走向正极使极微管向 相反方向滑去,2. 动力蛋白与两端的细胞端部结合，从正极走向微管负极，朝细胞端部方向牵拉星体微管,纺锤体变长的动力来源,染色体向两极移动的假说,从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。,（五）末期(telophase),(六)胞质分裂(cytokinisis),胞质分裂开始时，大量的肌球蛋白在两个中心粒的中间处装配成微丝束并以肌球蛋白为动力，逐渐收缩，称
15、为收缩环(contractile ring)。收缩环在细胞表面形成分裂沟。,微管、小膜泡等物质聚集在分裂沟下方，构成一个环形 致密体，称为中间体(midbody)。作用不清楚。,开始于后期，在赤道板周围细胞膜下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟。结束于末期，分裂沟加深，至两个子代细胞完全分开。,植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，并数量增加，形成成膜体。来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板(cell plate)，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。,(七)植物细胞胞质分裂新细胞壁形成,细胞板(cell plate),成膜体 (ph
16、rag- moplast),3.减数分裂,减数分裂是特殊的有丝分裂形式，仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。,(一)减数分裂(meiosis)时期,减数分裂的 第一次分裂 （间期） 减数分裂的 第二次分裂,与有丝分裂相似,间期,G1 S G2,合成大部分DNA，而不是全部,(1)细线期(leptotene),染色质凝集，但两条染色体臂并不分离，呈单线状；染色体上呈现颗粒样结构，称染色粒(chromomere)；端粒通过接触斑与核膜相连，其他部分以袢环状伸到核质中，又称花束期。,同源染色体配对，称为联会(synapsis)；两条同源染色体紧密结合在一起形成复合结构，称为二价体(bivale
17、nt)；二价体共含4条染色单体，称为四分体(tetrad)。合成在S期未合成的约0.3%的DNA(zygDNA)。,(2)偶线期(zygotene),(3)粗线期(pachytene),合成一小部分尚未合成的DNA(P-DNA)；在联会复合体部位的中间，出现重组结(recombination nodule)；合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞型的组蛋白部分或全部置换下来。在卵母细胞中，还要发生rDNA的扩增。,49,重组节,中央成分,侧成分,(4)双线期(diplotene),重组阶段结束，同源染色体相互分离，仅留几处交叉，四分体结构清晰可见。染色体发生部分去凝集，RNA转录活跃(灯刷染色体)。 这一期持续较长，两栖类卵母细胞的双线期可持续近一年，而人的卵母细胞双线期从胚胎期的第5个月开始，短者可持续十几年，长者可达四五十年。,(5)终变期(diakinesis),染色体重新开始凝集，形成短棒状结构。核仁消失，四分体均匀的分布在核中；交叉向端部移行，称端化(terminalization)；同源染色体之间仅在端部和着丝粒处相互联结。,减数分裂第一次分裂的前期中同源染色体联会和去联会,(二)减数分裂期染色体在中期的排列与分离,(三)减数分裂的意义,卵细胞的形成,精子的形成,第三节 细胞周期调控,