细胞生物学第12章.ppt

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1、第十二章 细胞增殖及其调控,细胞增殖是生物繁育的基础 细胞增殖受到严密的调控机制所监控。,细胞增殖是生命的基本特征，种族繁衍、个体发育、机体修复等都离不开细胞增殖。 初生婴儿有1012个细胞，成人1014个，约200种类型。 成人体内每秒钟有数百万新细胞产生，以补偿衰老和死亡的细胞。 一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。,细胞增殖（cell proliferation）包括细胞分裂及其物质准备两个连续进行的过程。 细胞增殖调控是整个生命活动的最基本特征。 任何细胞，其增殖过程都必须遵守一定的规律。 在高等生物中，细胞增殖调控更为复杂，不仅要遵循细胞自身的

2、增殖调控规律，还有遵守生物体整体调控机制的调节。否则，不受约束而生成的细胞将被机体免疫系统清除，或者癌变，威胁整个生命。,第一节 细胞周期概述,从一次细胞分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期。 细胞周期包括物质积累和细胞分裂的循环过程。,1.1 细胞周期,细胞周期的分期 有丝分裂期（mitosis）； 分裂间期（interphase）：G1、S、G2； 细胞增殖状况 周期中细胞（cycling cell）； G0期细胞，或静止期细胞（quiescent cell）； 终末分化细胞；,1.2 细胞周期中各个不同时期及其主要事件,G1期 物质合成 起始点、限制点、检验点： 细胞

3、内存在的一系列监控机制，可以鉴别细胞周期进程中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行。,S期主要事件,DNA合成 复制受到多种细胞周期调节因素的严密调控，同时与细胞核结构如核骨架、核纤层、核膜等关系密切。 复制表现出严格的有序性：常染色质先复制，异染色质后复制；富含GC的序列先复制，富含AT的序列后复制。 真核细胞新合成的DNA立即与组蛋白结合，共同组成核小体结构。 新的组蛋白合成、中心粒的复制也是发生在S期。,G2期、M期主要事件,各种物质和细胞结构为细胞进入M期作准备； G2期检验点：要检查DNA是否完成复制，细胞是否已生长到合适大小，环境因素是否利于细胞分裂等。 只有当

4、所有有利于细胞分裂的因素得到满足后，细胞才能顺利实现从G2到M期的转化。 M期 分裂期,1.3 细胞周期长短测定,脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法 适用范围：细胞种类简单；周期时间较短；周期运转均匀； 原理：短暂标记后，当时处于S期的全部细胞均被标记；以后陆续进入M期。,T,PLM,常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM,细胞周期长短测定,流式细胞分选仪测定法 通过监测细胞DNA含量在不同时间内的变化，从而确定细胞周期时间长短； 原理因为G1期和G2/M期细胞含有固定的DNA含量，分别为1C和2C，而S期细胞的DNA含量介于1C和2C之间。 通过直接标记DNA复制，通过统计

5、细胞数量和被标记的分裂期细胞百分比，对细胞周期进行综合分析。,1.4 细胞周期同步化,应用某些药物处理，将细胞抑制在细胞周期中的某个特定时期，然后，将细胞从抑制中释放出来，所有细胞将会同步运转。 自然同步化 人工选择同步化 人工诱导同步化,人工选择同步化,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。 处于对数生长期的单层培养细胞，分裂期的细胞收集，离心，将其培养，细胞即开始同步分裂，并进行细胞周期运转，即可得到不同时相的细胞。 缺点：效率低，成本高； 密度梯度离心法：某些细胞如裂殖酵母，不同时期的细胞在体积和重量上差别显著，可以采用密度梯度离心方法分离出处于不同时期的细胞。

6、 缺点：适用范围十分有限；,人工诱导同步化,通过药物诱导，使细胞同步化在细胞周期中某个特定时期。 DNA合成阻断法 DNA合成抑制剂：TdR；羟基脲（HU）； 方法：将一定剂量的抑制剂加入培养液并继续培养一定时间（TG2TM TG1），所有细胞即被抑制在S期； 分裂中期阻断法 药物：秋水仙素、秋水仙胺、nocodazole； 将细胞阻断在细胞分裂的中期，处于间期的细胞，受药物的影响相对较弱，常可以继续运转到分裂期。 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用 将突变株转移到限定条件下培养，所有细胞便同步化在细胞周期中某一特定时期。,第二节,细胞分裂,2 . 1 有丝分裂,1.2.1 有丝分裂过程

7、 前期(prophase)； 前中期(premetaphase)； 中期(metaphase)； 后期(anaphase)； 末期(telophase)。,（一）前期 染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。,（二）前中期 核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane) 上。,（三）中期 染色体排列到赤道面上。,图片来自http:/www.wadsworth.org/,（四）后期 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。,（五）末期 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。,Dividin

8、g Muscle Myoblast (primative muscle cell) (SEM x8,000),胞质分裂,胞质分裂（cytokinesis）开始于分裂后期，完成于分裂末期； 分裂沟 中间体：分裂沟下方由微管、小泡膜聚集构成的一个环形致密层； 收缩环：肌动蛋白和肌球蛋白而成；,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。,动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成。

9、,胞质分裂过程,分裂沟位置的确立； 肌动蛋白聚集和收缩环形成； 收缩环收缩； 收缩环处质膜融合并形成两个子细胞；,分裂沟的定位,分裂沟的定位与纺锤体的位置明显相关； 极性微管参与分裂沟的形成：两极发出的星体微管末端相互重合，微管末端对细胞皮层刺激，促进分裂沟的形成。,2.1.2 与有丝分裂直接相关的亚细胞结构, 中心体 星体：中心体与四射的微管合称星体，当细胞走向分离时，星体参与装配纺锤体。 中心体功能：微管装配（MTOC）；细胞分裂； 中心体周期：G1S完成复制；G2期一对中心体开始分离；细胞分裂结束，每一个细胞含有一个中心体。,S期中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体

10、微管，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。, 动粒和着丝粒,动粒周期：每条中期染色体含有两个动粒，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。当细胞再次进入S期后，动粒又会重新复制。 动粒功能：染色体依靠动粒捕捉纺锤体微管，没有动粒的染色体不能与纺锤体微管发生有机联系，也不能和其它染色体一起向两极运动。, 纺锤体,主要成分：微管和微管结合蛋白； 动力蛋白在中心体微管之间搭桥； 正向动力蛋白（如：KRPs）：借助向微管正极运动，将纺锤体拉长。 负向动力蛋白（如：细胞质动力蛋白）：借助向负极运动，将被结合的微管牵拉在一起，组成纺锤体微管，中心体自然构成纺锤体的两极。

11、在细胞膜与星体微管之间搭桥，借助负向运动，将星体接近两极的细胞膜，纺锤体拉长。,星体微管 两端为星体微管 动粒微管 中间是纺锤体微管：一端与中心体相连，另一端与动粒相连； 极微管 一端与中心体相连，另一端游离（搭桥）；,纺锤体微管类型,纺锤体的装配,中心体列队：负向运动的动力蛋白在来自姐妹中心体的微管之间搭桥，通过向负极运动，将被结合的微管牵拉在一起，组成纺锤体微管； 纺锤体拉长：正向运动的动力蛋白在纺锤体微管之间搭桥，借助向微管正极运动，将纺锤体拉长，中心体之间的距离逐渐加大。一定程度后，负向一定的动力蛋白在细胞膜和星体微管之间搭桥，借助负向运动，将星体拉近两极的细胞膜，纺锤体也进一步被拉长

12、。,2.1.3 有丝分裂过程中染色体运动的机制, 染色体列队 微管捕获染色体动粒微管； 染色体移动至赤道板； 牵拉假说：染色体向赤道板方向的运动是由于动粒微管牵拉的结果，动粒微管越长，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面上； 外推假说：染色体向赤道板方向的运动是由于星体微管排斥力，染色体距离中心体越近，推力越大，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。,2.1.3 有丝分裂过程中染色体运动的机制, 染色体分离 后期A 动力蛋白向极部运动；动粒微管解聚；染色单体彼此分离； 后期B 极性微管加长，KRPs向微管正极行走，极性微管重叠区变窄； 胞质动力蛋白

13、在星体微管和细胞膜之间搭桥，并向星体微管负极运动；两极之间的距离变长；,Anaphase A: separation of the sister chromatids.,Anaphase B: separation of the poles.,植物细胞有没有后期B ？,2.2 减数分裂,定义：减数分裂是一种特殊形式的有丝分裂，是生殖细胞成熟过程的重要阶段，一次减数分裂包括两次连续的有丝分裂，但DNA只复制一次，结果一个细胞产生4个子细胞，每个细胞中染色体数减数了一半。 意义：既有效地获得父母双方的遗传物质，保持后代的遗传性，又可以增加更多的变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能量

14、。 因此减数分裂是有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。,减数分裂,同源染色体分离,姐妹染色单体分离,减数分裂过程,第一次减数分裂,间期 DNA的复制，细胞含4n染色体。 前期 中期 有丝分裂器 后期 二分体中每一条染色单体上DNA组成不同 末期 产生2个子细胞，每个细胞中含有n个二分体,前期,细线期：染色粒、染色线； 偶线期：联会二价体； 联会复合体 粗线期：四分体；交叉和交换； 双线期：交叉的端化； 终变期：核膜、核仁消失；二价体高度螺旋化、扩散；,联会复合体,同源染色体之间形成的结构 重组节 与交换有关的结构，含有大量的与DNA重组有关的酶，是一个多酶复合体。其

15、数目与交换的数目大致相当,联会复合体结构 3条纵带（侧体 2、 中央成分） 横纤维,synaptonemal complex,第二次减数分裂,前期 中期 后期 末期,2.3 有丝分裂与减数分裂比较,有丝分裂与减数分裂的意义,有丝分裂：子细胞保持了母细胞完全相同的遗传物质，有利于多细胞生物的个体发育，以及物种的稳定性 减数分裂: 使有性生殖成为可能（产生含半数染色体的配子）；其间的遗传重组使生物的变异空间极大，是生物进化的物质基础,染色体重组 1,染色体重组 2,Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23,第三节 细胞周期的调控

16、,3.1 研究背景,MPF的发现及其作用 MPF称为卵细胞促成熟因子或细胞促分裂因子或M期促进因子； MPF的实质：MPF是一种蛋白激酶，主要含p32和p45。 p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 cdc（cell division cycle）基因产物促进G2/M的转换； cdc2的产物即p34cdc2，当其与有关蛋白结合后，其激酶活性才能表现出来； 结论：MPF含有两个亚单位，即Cdc2蛋白和周期蛋白。当二者结合后，表现出蛋白激酶活性。cdc2为其催化亚基，周期蛋白为其调节亚基。,早熟凝集染色体 (prematurely condensed chromosome，PCC),Lela

17、nd H. Hartwell,R. Timothy (Tim) Hunt,Sir Paul M. Nurse,2001年10月8日美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。,MPF(M-Cdk): p34cdc2 cyclinB,Two subunits: Catalytic subunit transfers P from ATP to Ser and Thr; Regulatory subunit called cyclin (Marine Biological Lab.at Woods Hol

18、e and UC Berkeley Univ. of Oxford-yeast),3.2 周期蛋白,周期蛋白其含量随细胞周期进程变化而变化，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期消失，在下一个细胞周期中又重复这一消长现象，称为细胞周期蛋白（cyclin）。 周期蛋白分子结构特点： 周期蛋白框（cyclin box）：介导周期蛋白与CDK结合。 破坏框 PEST序列 周期蛋白的功能：不同的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。作用于细胞周期不同阶段的进程。,Destruction Box in Cyclins,3.3 CDK激酶和CDK激酶抑制物,CDK

19、激酶即周期蛋白依赖性蛋白激酶 CDK激酶有两个亚基，二者结合表现出激酶活性。 周期蛋白作为调节亚基 CDK蛋白作为催化亚基,CDK激酶的结构： CDK激酶结构域：保守程度不一，其中的PSTAIRE序列相当保守，此序列与周期蛋白的结合有关。 磷酸化位点：其上的磷酸化修饰，对CDK激酶活性起重要调节作用。,CDK activating,Cdk的三种活性状态,失活状态：T-loop; 半活性状态 ：T-loop 被移除 活性状态 ：磷酸化,3.4 细胞周期运转调控,CDK激酶对细胞周期起核心调控作用； 不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结合，构成不同的CDK激酶； 不同的CDK激酶在细胞周期的不同

20、时期表现出活性，因而对细胞周期的不同时期进行调节；,CDK激酶活性的调节,激活周期蛋白起激活作用； 抑制细胞中存在一些对CDK激酶活性起负调控作用的蛋白质，称为CDK激酶抑制物（CDKI）；,3.4.1 G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用,CDK1激酶活性依赖于周期蛋白B含量的积累； CDK1激酶活性 通过使某些蛋白质磷酸化，改变其下游的蛋白质的结构和活性，实现其调控作用； CDK激酶活性受到多种因素的综合调节： 周期蛋白的结合是先决条件； weel/mik1激酶和CDK激酶催化CDK磷酸化； Thr14和Tyr15去磷酸化； 至此，CDK激酶才能表现出激酶活性。,3.4.2 分裂中

21、期分裂后期转化,APC后期促进因子：APC1APC8; APC活化(泛素化活性)，降解M期周期蛋白，使M期CDK激酶活性丧失；解除对姐妹染色单体分离的抑制，细胞由中期向后期转化。 APC活性受到多种因素的综合调节： M期CDK激酶活性可能对APC的活性起调节作用：APC的多个成分被M期CDK激酶磷酸化； Cdc20为APC有效的正调控因子；Cdc20位于染色体动粒上，为姐妹染色单体分离所必需； 纺锤体装配检验点的检控；,3.4.3 G1/S期转化与G1期cyclin依赖性CDK激酶,细胞由G1期向S期转化主要受G1期周期蛋白依赖性CDK激酶所控制。 cyclinD为细胞G1/S转化所必需； c

22、yclinECDK2激酶活性为S期启动所必需，直接参与了中心体复制的起始调控； cyclinACDK2与DNA复制有关，是S期主要的CDK激酶； “DNA复制执照因子学说”： M期胞质中的执照因子与染色质接触并与之结合，使后者获得DNA复制所必需的执照；随着DNA复制过程的进行，“执照”信号不断减弱直到消失。,3.4.4 DNA复制延搁检验点参与调控S/G2/M期转化,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，细胞周期就不能向下一个阶段转化。 当DNA复制尚未完成，M期CDK激酶的活性不能表现出来； Weel和Cdc25c参与DNA复制延搁检验点的调控过程： Weel活性高CDK1的Thr14和Tyr15磷酸化，而无活性； Cdc25c活性低使CDK1的Thr14和Tyr15不能去磷酸化，CDK1无法激活；,细胞周期调控的总结,3.5 其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用,癌基因和抑癌基因 癌基因非正常表达会导致细胞转化，增殖过程异常、甚至癌变。 癌基因表达产物包括蛋白激酶、多肽类生长因子、膜表面生长因子受体和激素受体、信号转导器、转录因子、类固醇和甲状腺激素受体、核蛋白等类型。 细胞和机体外界因素 离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、pH变化等；,