第十二章细胞周期及细胞分裂.docx

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第十二章细胞周期及细胞分裂

第十一章细胞周期及其调控

（cellcycleandregulation）

教学目的

1、掌握细胞增殖的方式及特点

2、了解细胞周期调控的机理

教学内容

本章从四个方面讨论了细胞周期的机制:

1．细胞周期

2．细胞周期调控

3．有丝分裂

4．减数分裂

计划学时及安排

本章计划4学时。

教学重点和难点

本章是细胞生物学的重点章节，2001年诺贝尔医学和生理学奖颁给了在细胞周期研究中有巨大贡献的三位科学家。

细胞周期与细胞分裂是细胞的生长和增殖的生命活动，与癌的发生有密切关系。

1.将细胞周期分为两个主要的时期:

有丝分裂期（M期）和分裂间期。

根据新细胞从开始生长到分裂前止的分裂间隔期中的生理和生化变化,可将分裂间期分为:

G1期、S期、G2期。

学习和掌握细胞周期的动态关系和基本过程是本节的重点。

2.细胞周期受到严格的控制。

细胞周期的调控机制最早是从酵母中获得突破，发现了细胞周期蛋白和周期蛋白依赖性蛋白激酶，它们控制着细胞周期的进程。

细胞周期的控制有两个主要事件，一个是对DNA复制起始的控制，发生在G1期，该控制点称为START。

第二个事件是对有丝分裂起始的控制，发生在G2期和M期之间。

3.有丝分裂是细胞周期的丝裂期（M期）进行的分裂活动。

在这个时期，通过纺锤丝的形成和运动以及染色体的形成，把在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。

此节的重点是学习和掌握染色体分离的机制。

4.减数分裂是生殖细胞产生配子的分裂，包括两次连续的有丝分裂，形成4个单倍体的子细胞。

相继的两次分裂分别称为减数分裂I和减数分裂Ⅱ。

难点是减数分裂I的染色体行为，在此过程中发生了分子水平的重组和染色体组的重组。

5.本章的核心内容是细胞周期调控和染色体在细胞分裂中的分离机制。

可通过对有丝分裂和减数分裂的比较加深对染色体行为的认识和理解。

教学方法讲授与讨论

教学过程

细胞增殖（cellproliferation）的意义：

⒈细胞增殖（cellproliferation）是细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础。

⒉单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。

⒊多细胞生物由一个单细胞（受精卵）分裂发育而来，细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。

⒋成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞，维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。

⒌机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖细胞增殖。

第一节细胞周期与细胞分裂

（cellcycleandcelldivision）

一、细胞周期概述（Thecellcyclesummarizes）

⒈细胞周期

⑴概念：

指通过细胞分裂产生的新细胞的生长开始到下一次细胞分裂形成子细胞结束为止所经历的过程称为细胞周期.

分为：

物质积累期和细胞分裂期。

⑵细胞周期时相组成

间期（interphase）：

G1phase，Sphase，G2phase

分裂间期，即新细胞的生长期，可分为：

G1期（Gap1phase，即从M期结束到S期开始前的一段间歇期；

S期，即DNA合成期（DNAsyntheticphase）；

G2期（G2phase），即DNA合成后（S期）到有丝分裂前的一个间歇期。

Mphase：

包括有丝分裂期（Mitosis）和胞质分裂期（Cytokinesis）。

细胞沿着G1→S→G2→M→G1周期性运转，在间期细胞体积增大（生长），在M期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。

⑶细胞周期时间

不同细胞的细胞周期时间差异很大

S+G2+M的时间变化教小，细胞周期时间长短主要差别在G1期

有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期

某些真核生物的细胞周期时间

细胞类型

细胞周期时间

早期的蛙胚细胞

30分钟

酵母细胞

～3小时

肠表皮细胞

～12小时

培养的哺乳动物成纤维细胞

～20小时

人的肝细胞

～1年

⑷细胞周期的类型

真核生物细胞分为三类:

●持续分裂细胞,又称周期性细胞,即在细胞周期中连续运转的细胞。

●G0细胞,又称休眠细胞，暂时脱离细胞周期,但在某些条件的诱导下重新进入细胞周期。

●终端分化细胞,即永久性失去了分裂能力的细胞

⒉细胞周期中各个不同时相及其主要事件

⑴G1期

G1期是从有丝分裂完成到DNA复制前的一段时期,又叫合成前期。

此期主要合成rRNA、蛋白质、脂类和碳水化合物。

⑵S期

即DNA合成期。

包括DNA合成、组蛋白的合成,DNA复制所需酶的合成。

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；

⑶G2期

是DNA合成的后期。

大量合成ATP、RNA、蛋白质，包括微管蛋白和成熟促进因子MPF（maturationpromotingfactor）等，为有丝分裂作准备。

⑷M期

M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂（mitosis）和减数分裂（meiosis）。

遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。

过程：

从细胞分裂开始到结束所经历的过程,也就是从染色体的凝缩、分离到平均分配到两个子细胞为止。

特点：

RNA合成停止,蛋白质合成减少,以及染色体高度螺旋化。

结果：

分裂后,S期合成的DNA减半。

⒊细胞周期长短测定

⑴脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法

⑵流式细胞仪测定法（FlowCytometry）

⑶缩时摄像技术，可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期的准确时间。

⒋细胞周期同步化

⑴自然同步化，如有一种粘菌的变形体plasmodia，某些受精卵早期卵裂

⑵人工选择同步化

有丝分裂选择法：

用于单层贴壁生长细胞。

优点是细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。

缺点是分离的细胞数量少。

密度梯度离心法：

根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。

优点是方法简单省时，效率高，成本低。

缺点是对大多数种类的细胞并不适用。

⑶药物诱导法

◆DNA合成阻断法─G1/S-TdR双阻断法：

最终将细胞群阻断于G1/S交界处。

优点是同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。

缺点是诱导过程可造成细胞非均衡生长

◆分裂中期阻断法：

通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。

优点是操作简便，效率高。

缺点是这些药物的毒性相对较大

⑷条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用：

将与细胞周期调控有关的条件依赖性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

⒌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。

⑴爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期

细胞分裂快,无G1期,G2期非常短,S期也短（所有复制子都激活）,以至认为仅含有S期和M期

无需临时合成其它物质

子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小

细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本是一致的

⑵酵母细胞的细胞周期

酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似，酵母细胞周期明显特点:

酵母细胞周期持续时间较短；封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖

⑶植物细胞的细胞周期

植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期。

植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。

植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂

⑷细菌的细胞周期

慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处。

其DNA复制之前的准备时间与G1期类似。

分裂之前的准备时间与G2期类似。

再加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期。

细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾

细胞分裂分为：

无丝分裂（amitosis）

有丝分裂（mitosis）

减数分裂（meiosis）。

◆无丝分裂（amitosis）：

又称为直接分裂（directdivision），由雷马克（R.Remark）1841年首次发现于鸡胚血细胞。

主要表现为细胞核伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂，期间不涉及纺锤体形成及染色体变化，因此称为无丝分裂。

◆有丝分裂（mitosis）：

又称为间接分裂（indirectdivision），由W.Fleming（1882）年首次发现于动物及E.Strasburger（1880）年发现于植物。

特点是有纺锤体的出现和染色体的变化，最终子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物

◆减数分裂（meiosis）

是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（mitosis）

特点：

有丝分裂保证了携带遗传信息的染色体一代代以相同的染色体数目传递下去，从而维持了遗传的稳定性。

过程：

分裂间期和分裂期，其中分裂期包括前期、前中期、中期、后期、末期、胞质分裂期6个阶段。

⒈前期（prophase）

⑴标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩（condensation）形成有丝分裂染色体（mitoticchromosome）

这种染色体由两条染色单体（chromatid）构成

在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复物称为动粒（kinetochore）

⑵第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体（mitoticspindle）开始装配，间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，形成两个中心体。

当前期开始时，2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。

⑶Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡

⒉前中期（prometaphase）

⑴核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体

⑵纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管。

⑶不断运动的染色体开始移向赤道板。

细胞周期也由前中期逐渐向中期运转。

⒊中期（metaphase）

⑴所有染色体排列到赤道板（MetaphasePlate）上，标志着细胞分裂已进入中期

⑵是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？

着丝粒微管动态平衡形成的张力

⒋后期（anaphase）

⑴排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产生向极运动

⑵后期（anaphase）大致可以划分为连续的两个阶段，即后期A和后期B

后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动

后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长，介导染色体向极运动

⒌末期（telophase）

⑴染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）,到达两极的染色单体开始去浓缩。

⑵核膜开始重新组装。

⑶Golgi体和ER重新形成并生长。

⑷核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束。

⒍胞质分裂（cytokinesis）期

将细胞膜、细胞骨架、细胞器以及可溶性蛋白质等分配给两个子细胞称为胞质分裂。

三、胞质分裂（Cytokinesis）

⒈动物细胞胞质分裂

⑴胞质分裂（cytokinesis）开始于细胞分裂后期，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟（furrow）。

分裂沟的位置与纺锤体极性微管和钙离子浓度升高的变化有关

⑵胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环（contractilering）。

收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞。

⒉植物细胞胞质分裂

与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开。

有丝分裂的机理

■纺锤体微管的类型及其形成

纺锤体又称有丝分裂器（mitoticapparatus），它是在有丝分裂期间,从中心粒形成的各种微管。

包括动粒粒微管、极微管、星体微管等，功能是将遗传物质均等分配到两个子细胞。

■核的解体与重建机理

●核解体

H1组蛋白和核纤层蛋白的磷酸化导致染色体的凝集和核膜的解体，它们的磷酸化作用主要由激活的MPF催化的。

●核重建

核重建是核解体的相反过程，前期磷酸化的核纤层蛋白经去磷酸化后重新形成核纤层。

■后期A与后期B

在有丝分裂过程中染色体被拉向两极是受两种力的作用:

一种是动粒微管去装配产生的拉力，

另一种是极微管的聚合产生的推力。

有丝分裂的后期可分为两个阶段∶

后期A和后期B。

在后期A，染色体运动的力主要是由动粒微管的去装配产生的,此时的染色体运动称为向极运动。

在后期B，染色体运动的力主要是由极微管的聚合产生的，此时的运动称为染色体极分离运动。

■纺锤体微管运动机理

●后期A：

微管去聚合作用假说

●纺锤体微管滑动假说

■胞质分裂的机制

胞质分裂是一个信号诱导的过程，由星微管传递的，说明胞质分裂是由星微管决定的。

星微管传递的信号决定肌动蛋白在分裂细胞中间装配成收缩环。

四、减数分裂（Meiosis）

⒈减数分裂概念与过程：

⑴概念：

减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。

⑵减数分裂过程

减数分裂间期：

S期持续的时间比较长，并且DNA进行不完全复制，复制总量的%—%。

减数分裂分裂期：

减数分裂期Ⅰ：

前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ。

减数分裂期Ⅱ：

前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ。

第一次减数分裂：

两个主要特点：

①一对同源染色体分开，分别进入两个子细胞，同源染色体分开之前通常要发生交换和重组。

②在染色体组中，同源染色体的分离是随机的，也就是说染色体组要发生重组合。

■前期I

特点：

持续时间长、胞核显著增大、同源染色体进行配对、交换等。

类型：

细线期

偶线期

粗线期

双线期

终变期

●细线期（leptotenestage）

又称凝集期（condensationstage），染色质在凝集前已复制，呈单条细线状，看不到成双的结构染色体。

在电子显微镜下，可观察到染色体是由两条染色单体构成的。

●偶线期（zygotenestage）

染色质进一步凝集，同源染色体（homologouschromosomes）发生配对，称为联会（synapsis），所以此期又称配对期（pairingstage）。

●粗线期（pachytenestage,pachynema）

又称重组期（recombinationstage）。

染色体明显变粗变短，结合紧密，此期染色体形态是一个明显的四分体。

●双线期（diplotenestage）

此期染色体长度进一步变短，联会复合体因发生去组装而逐渐消失，紧密配对的同源染色体相互分开，而在非姊妹染色单体之间有交叉（chiasma）。

●终变期（diakinesis）

又称再凝集期（recondensationstage），染色质又被包装压缩成染色体。

大多数核仁消失，四分体均匀地分布在核中，姐妹染色单体通过着丝粒连接在一起。

■中期I

纺锤体侵入核区,分散于核中的四分体开始向四分体的中部移动；此时四分体上有四个着丝点,一侧纺锤体只和同侧的两个着丝点相连。

最后染色体排列在赤道板上。

■后期I

同源染色体在两极纺锤体的作用下分开,并逐渐移向两极。

由于每条染色体仍含有两条染色单体,因而每个极仍含有两套染色体。

■末期I及分裂间期

在末期Ⅰ，每一个极接受一套随机组合的染色体组。

两次减数分裂之间的时期称为分裂间期（interkinesis）,是一个极短的时期。

第二次减数分裂：

通过分裂间期即进入第二次减数分裂。

最后形成四个单倍体细胞。

前期Ⅱ：

核被膜解体，重新包装压缩染色体；

中期Ⅱ：

染色体排列在赤道板，姐妹染色单体中的动粒被两极的纺锤体结合；

后期Ⅱ：

着丝粒对称断裂，姐妹染色单体被拉向两极；

末期Ⅱ：

染色体完全移到两极，开始去凝集，并重新形成核膜。

⒉减数分裂与有丝分裂的比较

共同点：

都是通过纺锤体同染色体的相互作用进行细胞的分裂。

不同点：

①有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要是细胞产生配子的过程（生殖细胞也有有丝分裂）。

②有丝分裂是一次细胞周期,DNA复制一次,分裂一次,染色体由2n→2n;减数分裂是两次细胞周期,DNA复制一次,细胞分裂两次,染色体由2n→1n。

③有丝分裂中,每个染色体是独立活动;在减数分裂中,染色体要配对、联会、交换和交叉。

④有丝分裂之前,经DNA合成,进入G2期后才进行有丝分裂;减数分裂之前,DNA合成时间很长%合成,%未合成）,一旦合成,即进入减数分裂期,G2期短或没有。

⑤有丝分裂时间短,1-2小时;减数分裂时间长,几十小时至几年。

⒊减数分裂的意义

⑴确保世代间遗传的稳定性；

⑵增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力。

⑶减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。

⒋脊椎动物配子发生过程

第二节细胞周期调控

（Regulationandcontrolofcellcycle）

一、细胞周期调控系统的主要作用

（Themainactionofcellcycleregulatesandcontrolsystem）

⒈在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶和蛋白，然后自身失活（正调控）

⒉确保每一时相事件的全部完成（负调控）

⒊对外界环境因子起反应（如多细胞生物对增殖信号的反应）

二、细胞周期检验点（CellcycleCheckpoint）

⒈细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制，主要是确保周期每一时相事件的有序、全部完成并与外界环境因素相联系

⒉细胞周期检验点及其作用

G1期检验点：

酵母——Start；动物细胞——RestrictionPoint

三、MPF

Maturation-promotingfactor&Mitosis-promotingfactor

⒈MPF（Maturation-promotingfactor，Mitosis-promotingfactor）的发现及其生化实质

⑴细胞融合与PCC（Prematurechromosomalcondense）

⑵爪蟾卵子成熟过程

⑶MPF的发现

◆称为M-期促进因子（M-phasepromotingfactor,MPF）,后来称为成熟促进因子。

◆MPF首先发现于蛙的卵细胞。

⑷MPF的结构：

◆MPF：

异质二聚体；

催化亚基：

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蛋白激酶（cyclin-dependentproteinkinases,Cdks）;

调节亚基：

周期蛋白（cyclin）。

周期蛋白的结构特点

◆蛋白的氨基酸序列中,靠近N端都有一个称为破坏框（destructionbox）的同源区。

◆有丝分裂周期蛋白在遍在蛋白介导下降解促使细胞退出有丝分裂。

⒉MitoticCyclin-Cdk复合物的活化与功能

⑴活化

随Cyclin浓度变化而变化

激酶与磷酸酶的调节，活化的MPF可使更多的MPF活化

⑵功能：

启动细胞从G2期进入M期的相关事件

四、细胞周期的调控

■真核生物细胞周期调控的一般模型

◆真核细胞主要通过三类周期蛋白-Cdk复合物的作用，控制细胞周期，分别是：

G1期、S期和有丝分裂Cdk复合物。

◆细胞周期中三个关键的过渡，即G1期→S期、中期→后期、后期→末期及胞质分裂期的过渡。

裂殖酵母的细胞周期调控

裂殖酵母是研究细胞周期的极好材料，因为酵母中与细胞周期相关基因的突变很容易被识别：

如细胞的温度敏感突变。

Cdc2蛋白又称为p34cdc2蛋白。

裂殖酵母的Cdc2-Cdc13相当于非洲爪蟾的MPF。

芽殖酵母的细胞周期调控

◆芽殖酵母是以出芽的方式进行增殖的.

◆芽殖酵母在G1期发动细胞周期的点称为起点（START）。

哺乳动物细胞周期的控制

哺乳动物的细胞周期受一个小型Cdks家族的调节。

分别命名为Cdk1、Cdk2、Cdk3等

■细胞周期的关卡（checkpoint）

细胞周期中的三个主要关卡：

◆G1期关卡:

新生的细胞生长的是否足够大、内部环境（包括rRNA和蛋白质的合成）是否合适。

◆G2关卡:

DNA是否正确复制和是否复制完全、细胞是否生长得足够大。

◆中期关卡:

控制染色体是否完全分离。

五、Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转

PolymorphismofCyclin-Cdk'scomplexandcellcyclerun

⒈Cyclin-Cdk复合物的多样性

Cyclin-Cdk---调控细胞周期的引擎：

不同的周期蛋白与不同的CDK结合，构成不同的Cyclin-Cdk；不同的Cyclin-Cdk在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。

⒉G1Cyclin-Cdk复合物对Rb蛋白磷酸化而调控G1检验点

⒊MitoticCyclin-Cdk复合物激活AnaphasePromotingComplex（APC）,调控纺锤体装配检验点

⑴APC介导选择性降解的靶蛋白与Ubiquitin结合（通过泛素依赖性途径降解）

APC主要介导两类蛋白降解:

AnaphaseInhibitors和MitoticCyclin.前者维持姐妹染色单体粘连,抑制后期启动；后者的降解意味着有丝分裂即将结束，即染色体开始去凝集，核膜重建。

⑵Cdc20和Mad2蛋白位于动粒上，在染色体结合有丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放，由于Mad2与Cdc20结合而抑制APC的活性。

所以只有所有染色体都与纺锤体结合后，APC才有活性，才启动细胞向后期转换。

⒋周期细胞M-Cyclin的调控

⒌细胞周期调控模型总结

六、细胞周期运转的阻遏（细胞周期运转的负调控）

Minusregulationandcontrolofcellcyclerun

⒈细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转：

Cdk抑制蛋白（CDI）阻止Cyclin-Cdk复合物的装配或活性；周期调控系统组分停止合成。

⒉CDI包括CIP/KIP家族和INK4家族，其作用是抑制Cyclin-Cdk复合物的装配或活性，而将细胞阻止在不同的检验点。

如DNA受损后，细胞将停留于G1Checkpoint让DNA修复或者凋亡

⒊周期调控系统组分停止合成，如G0细胞，大部分Cyclin和Cdk都消失，这在多细胞生物尤其明显。

同源染色体（homologouschromosome）：

成对的染色体，它们含有相同的线性基因顺序，在有丝分裂过程中易于配对或联会。

二倍体细胞核内成对染色体中的两条染色体（父本与母本染色体）就是同源染色体。

存在于二倍体细胞中的每一形态类型染色体的两个拷贝中的一个,也叫作“homologue”。

每个同源染色体来自双亲的另一方。