第十二章　细胞增殖及其调控

null第12章 细胞增殖及其调控第12章 细胞增殖及其调控null单细胞生物细胞增殖与个体生长关系个体数量的增加＝细胞数量的增加多细胞生物个体生长繁育的基础 修复损伤组织，取代衰老细胞第一节 细胞周期第一节 细胞周期一. 细胞周期概述 亲代细胞有丝分裂结束到子细胞有丝分裂完成之间的间隔。 细胞增殖：细胞物质积累与细胞分裂的循环 过程null G1期:有丝分裂结束到 DNA合成开始之 间的间隔期 S 期：DNA合成期 G2期：DNA合成结束到 有丝分裂开始之 间的间隔期 M期：有丝分裂期一个细胞周期分为4个时相：null增殖细胞可分为三类 周期中细胞 G0期细胞 终末分化细胞 null 周期性细胞： 有活跃的分裂能力，可在细胞周期中连续运转的细胞。 如： 早期胚胎细胞，植物分生组织细胞，骨髓干细胞等 null G0期细胞： 暂时脱离细胞周期，停止生长和分裂，但仍能执行生理功能，在适当的刺激下可重新进入细胞周期的细胞 eg.肝细胞，淋巴细胞，肾细胞等null 终末分化细胞： 停止分裂不能再返回细胞周期的细胞。 eg. 神经元，肌纤维，红细胞，表皮细胞等 去分化现象 null细胞周期时间 不同生物细胞的细 胞周期时间有差异， 同一系统中不同细胞 的细胞周期也有差异。 一般: S+G2+M的时间变化较小 M是时间最短的时相 变化最大的是G1期null三. 细胞同步化 自然的，或经人工选择、诱导造成的一个细胞群体按同一时相进行生长和分裂。 细胞同步化自然同步化人工同步化选择性同步化诱导性同步化null四. 细胞周期各时相的主要事件 nullG1期 为DNA合成准备所需要的RNA、蛋白质、脂类、糖类等 蛋白质的磷酸化 染色体解凝集null2. S期 DNA合成(复制) 组蛋白、非组蛋白等 染色体蛋白的合成null3. G2期 有活跃的RNA和蛋白质合成。 eg. 微管蛋白，成熟促进因子null4.M期 DNA、RNA、蛋白质合成停止 细胞发生一系列形态变化、结构建成. 将加倍的DNA平均分配到两个子细胞中。第二节 细胞分裂第二节 细胞分裂 细胞分裂是个体生长和生命延续的基本前提。 原核细胞 　　细胞分裂　　 　 真核细胞null（一）原核细胞的分裂 　原核细胞和真核细胞的细胞分裂方式有很大的不同。原核细胞的分裂方式简单，细胞周期短，在适宜条件下可大量繁殖（如细菌每20分钟就可分裂一次），其分裂方式为一分二或二分裂，习惯上又称无丝分裂或直接分裂。null（二）真核细胞的分裂 　真核细胞的分裂较原核细胞复杂的多，根据细胞在分裂过程中所表现的形式不同 　　　　　　　　　无丝分裂 　　细胞分裂方式 有丝分裂 　　 减数分裂 1. 无丝分裂（amitosis）1. 无丝分裂（amitosis）　　又称直接分裂（direct division）因为这种分裂方式是细胞核和细胞质直接分裂。是发现最早的一种细胞分裂方式。 　　1841年，R.Remak首先在鸡胚血细胞中观察到这种分裂方式。因为在分裂过程中没有出现纺缍丝和染色体的变化，所以1882年，Flemming提出无丝分裂的概念。null2.有丝分裂 有丝分裂是最基本的分裂方式，其特征： 分裂时染色质形成染色体 形成由纺锤丝组成的纺锤体 结果将染色质等量地分配到两个子细胞，使亲代和子代细胞具有相等的遗传物质，保证了遗传的稳定性。null 有丝分裂可分为： 前 期：染色质开始浓集，核仁消失 前中期：核膜破裂，纺锤体组装 中 期：染色体排列在赤道面上形成赤道板， 染色体集缩成典型形态 后 期：染色体的两条染色单体分开并移向两极 末 期：子染色体到达两极 胞质分裂：分裂沟位置的确定，肌动蛋白聚集，收 缩环，细胞膜整合形成两个子细胞nullnullnullnullnullnullnull关于后期染色体分离的有关问题纺锤体微管的类型纺锤体微管的类型极体微管：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开着丝点微管：由中心体发出，连接在染色体着丝点上，着丝点上具有马达蛋白星体微管：由中心体向外放射，末端结合有分子马达，负责两极的分离 后期染色体分离的两个阶段及分离机制后期染色体分离的两个阶段及分离机制Anaphase A and Anaphase BAnaphase A and Anaphase Bnull后期染色体分离的两个阶段： ●后期A 该阶段染色体的分离由微管去聚合假说解释：动粒微管不断解聚缩短,造成的拉力将染色体拉向两极。 机理：微管的正端插入动粒的外层, 微管在此端去组装。动粒中的ATP水解提供能量,驱动微管上的马达分子向极部移动,拉动染色体向极移动。 null后期Anull●后期B 该阶段染色体的分离由极（纺锤体）微管滑动假说 解释：染色体的运动由极微管的聚合所产生推力造成。 机理：极微管在+端添加微管二聚体进行聚合延长，使两极的极微管产生重叠的带；极微管产生滑动，产生将两极分开的力。 微管间的横桥能够提供机械-化学的活动。横桥上有较高的ATP酶活性,推测是一种分子马达。 纺锤体微管滑动假说纺锤体微管滑动假说后期Bnull后期染色体分离动物细胞的胞质分裂动物细胞的胞质分裂高等植物细胞的胞质分裂高等植物细胞的胞质分裂null３. 减数分裂 指DNA和染色体复制一次后连续进行两 次细胞分裂,使子细胞染色体数减半的分裂 方式。主要发生在生殖细胞形成和成熟过 程中。 减数分裂Ⅰ 减数分裂 减数分裂Ⅱnull 　meiosis是真核细胞中一种特殊类型的细胞分裂，出现在进行有性生殖的生物的生殖细胞中。 　　1883年Beneden最先阐述，指通过两个细胞周期使染色体数目减少一半的细胞分裂方式。由于发生在生殖细胞成熟过程中，所以称为成熟分裂（maturation division）null　通过减数分裂使亲代与子代之间的染色体数目保持恒定，保证了物种的相对稳定性； 　在减数分裂过程中，发生非同源染色体的重新组合，以及同源染色体间的部分交换，从而使配子的遗传基础多样化，这就为生物的变异及其对环境条件的适应性提供了重要的物质基础。 　减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、进化和生物多样性的重要基础保证。null（一）减数分裂Ⅰ 前期Ⅰ 中期Ⅰ 后期Ⅰ 末期Ⅰnull 前期Ⅰ 细线期：染色质凝集成细纤维染色体结构 偶线期：同源染色体配对（联会）；合成0.3%的 DNA(Z-DNA) 粗线期：染色体进一步浓缩；发生DNA交换重组； 合成减数分裂专有的组蛋白；在卵细胞 中发生rDNA扩增 双线期：重组结束，同源染色体分离，四分体结 构清晰；发生部分染色体去凝集，进行 RNA转录 终变期：染色体重新凝集，核仁消失，交叉端化 返回null 联会复合体：同源染色体配对形成的的一种临时结构。由位于中间的中央成分和位于两侧的侧成分构成。nullnull中期Ⅰ 核膜破裂标志中期Ⅰ开始，纺锤丝捕捉同源染色体，四分体逐渐向赤道移动并最终排列在赤道面上。 每条同源染色体上两条单体各有一个着丝点，且位于同一侧，分别与来自同一侧的纺锤丝（纺锤体微管）相连。后期Ⅰ 同源染色体分离并移向两极。到达两极的染色体均含有两条染色单体。null末期Ⅰ 到达两极的染色体去凝集，重建核膜、核仁，形成新的子核。之后，有的进行细胞质分裂形成两个新的子细胞；有的直接进入减数分裂Ⅱ后再进行细胞质分裂。null减数间期 减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ之间的间期很短，而且不进行DNA合成和染色体复制。有的生物没有间期，直接进入减数分裂Ⅱ。null （二）减数分裂Ⅱ 与有丝分裂过程相似： 前期Ⅱ：较短 中期Ⅱ：染色体排列于赤道板上，且染色体 由两条染色单体组成 后期Ⅱ：2条染色单体分开，移向两极 末期Ⅱ：染色体解螺旋，核仁、核膜出现； 胞质分裂，完成减数分裂的过程     nullnullnull第三节　细胞周期调控 细胞周期调控研究过程的重要事件： MPF的发现 P34cdc2激酶的发现 周期蛋白的研究 CDK激酶MPF:maturation promoting factor OR mitosis promoting factorMPF:指M期细胞中存在 的促进细胞分裂的因子第三节　细胞周期调控2001年医学/生理学诺贝尔奖 2001年医学/生理学诺贝尔奖 美国科学家Hartwell、英国科学家Hunt和 Nurse因发现细胞周期关键分子的调节作用而获得。 Hartwell是发现了控制细胞周期的start基因 Hunt是发现了细胞周期关键调节物CDK Nurse是发现了调节CDK功能的Cyclinnull真核细胞周期有两个基本事件： 　　一是S期进行染色体复制 　　二是M期将复制的染色体分到两个子细胞中去。 　　在这两个基本事件前，均有一段间隙期，即G1期和G2期。 　　在这两个间隙期，细胞进行着复杂的决定过程。null　　在G1晚期，作为一个新周期的开始点，亦即细胞决定启动新一轮自我复制的位点（Start point或restriction Point）受到复杂精细的调控，根据发育需要： 　　１.开始新一轮增殖，有生长因子的作用，允许细胞通过“start”位点，启动新一轮自我复制 　　２.退出周期，分化为特殊功能的细胞或暂时进入G0期，不能越过“Start”或“restriction”位。 　　因此，细胞周期存在着G1/S转换和G2/M转换两个重要的控制点。一、MPF的发现及其作用MPF（卵细胞促成熟因子）。 Johnson和 Rao(1970)将Hela细胞同步于不同阶段，然后与M期细胞混合，在灭活仙台病毒介导下，诱导细胞融合，发现与M期细胞融合的间期细胞产生了形态各异的PCC一、MPF的发现及其作用null1 染色体超前凝集实验——细胞促分裂因子染色体超前凝集(premature chromosome condensation, PCC ） 与M期细胞融合的间期细胞发生了形态各异的染色体凝集，称之为染色体超前凝集。 G1期PCC为细单线状 S期PCC为粉末状 G2期PCC为双线染色体状。 nullG1期细胞与M期细胞融合S期细胞与M期细胞融合G2期细胞与M期细胞融合不同类的M 期细胞也可以诱导PCC 产生null2 非洲爪蟾卵细胞质注射实验—促成熟因子(MPF) 1971年，Masui利用非洲爪蟾卵细胞质注射实验，发现在成熟的卵细胞的细胞质中，必然有一种物质可以诱导卵细胞的成熟。 他们把这种活性物质称为卵细胞促成熟因子 (MPF,Maturation Promoting Factor) null 1988年，从非洲爪蟾卵中，分离获得了微克级的纯化MPF,并 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 其主要含有P32和P45两种蛋白。P32和P45结合后，表现出蛋白激酶活性，可能使多种蛋白底物磷酸化。因而证明，MPF是一种蛋白激酶。　null 1960s L. Hartwell以芽殖酵母为实验材料，利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株（在适宜的温度下和野生型一样），分离出了几十个与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene，cdc)，如芽殖酵母的cdc28基因，在G2/M转换点发挥重要的功能。Hartwell还通过研究酵母菌细胞对放射线的感受性，提出了checkpoint（细胞周期检验点）的概念，意指当DNA受到损伤时，细胞周期会停下来。二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系null 以P.Nurse为代表的另一批酵母生物学家研究不同温度下培养的裂殖酵母，也分离出数十种温度敏感的突变体。这些不同的突变体在限定温度下，会滞留在细胞周期的某个阶段。 null 　　裂殖酵母的cdc2 基因，是第一个被分离出来的cdc基因，它的表达产物是一种相对分子量为34×103的蛋白，被称为p34cdc2。进一步研究发现，p34cdc2具有蛋白激酶活性（丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶），可以使多种蛋白质底物磷酸化，因而被称为p34cdc2激酶。在G1/S转换和G2/M转换两个地方都发挥作用（即阻断细胞周期在晚G1期或G2期）。null 芽殖酵母的cdc28基因是第二个被分离出来的cdc基因，它的表达产物也是一种相对分子量为34×103的蛋白，被称为p34cdc28。 它也是一种蛋白激酶，在G2/M转换过程中起中心调节作用，同时对G1/S转换也是必需的。 无论p34cdc2还是p34cdc28 ，其本身本没有激酶活性，只有与其它蛋白结合后，才表现出激酶的活性。 　 之后，J.Maller和P.Nurse实验室立即合作，很快证明爪蟾卵中的p32与p34cdc2是同源物。null三、周期蛋白 　　 　1983年Timothy Hunt报道，通过35S-Met标记示踪，在海胆卵中发现两种特殊蛋白质(分子量约45－60KD)，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，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期又重复这一消长现象。 　　即在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M期结束突然被水解掉，下一轮间期又重新积累合成。把这两种蛋白质命名为细胞周期蛋白（cyclin），　　　揭示cyclin是细胞周期调控者，是诱导细胞进入M期所必需。null　进一步的实验证明，周期蛋白为诱导细胞进入M期所必需，因此可能参与了MPF的功能调节。 MPF的生化成分包括两个亚单位，即Cdc2蛋白和周期蛋白。当两者结合后，表现出蛋白激酶活性。Ccd2为催化亚基，周期蛋白为调节亚基。null CDK激酶含有两个亚基： 一个是Cdc蛋白，为催化亚单位 另一个是周期蛋白cyclins, 为调节亚单位 CDK蛋白有12种：CDK1至CDK12 周期蛋白也有多种：cyclinA、B、C、D、 E、F、G、H等null 在分离的10多个cdc2相关基因所编码的蛋白质都含有两个共同特点： 1.它们都含有一段类似的氨基酸序列 2.它们都可以与周期蛋白结合，并将周期蛋白作为其调节亚基，进而表现出蛋白激酶活性,因而它们被统称为周期蛋白依赖性蛋白激酶（Cyclin-dependent kinase ）,简称CDK激酶。null周期蛋白分子结构特征null 调控发生在细胞周期的一些被称为检验点的关键点上，不同的点涉及不同的CDK和cyclin。各种CDK蛋白分别与不同的cyclin结合，在细胞周期的不同时期起调节作用。 CDK激酶通过磷酸化其底物对细胞周期进行调控。null 不同周期蛋白的表达时期不同，与不同的CDK结合，调节不同CDK激酶的活性。 部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK激酶活性的关系。null　　　周期蛋白B（cyclinB）发生周期性变化,在G1 期周期蛋白B 逐渐积累，当积累达到某个阈值时与Cdk 结合，二者形成有丝分裂促进因启子（MPF），MPF 启动细胞进入分裂期。与此同时MPF 又激活一种遍在性蛋白依赖性蛋白水解系统，引起周期蛋白B 的降解破坏，使分裂进入后期。之后B 又逐渐积累，重新进入下一个变动周期。 小　　结小　　结细胞周期 细胞分裂 MPF的组成 MPF调控机制（CDK激酶）