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细胞生物学教程 第十三章+细胞周期 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望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。第一节基本概念一、什么是细胞周期由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。分为4个期：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(synthesisphase)，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。M期又称D期(mitosisordivision)，细胞分裂开始到结束。Eucaryotic Cell Cycle Atypicalmammaliancellhasacellcycletimeof24hours,with12hrG1,6-8hrS,3-4hrG2,and1hrM从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：连续分裂细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。休眠细胞暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关。通常G1期持续时间差异较大，M期最短约0.54.5小时。标记有丝分裂百分率法（percentagelabeledmitoses，PLM）：对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。放射标记物为3H或者14C标记的TDR。二、细胞周期时间的测定50100TG20TMTsTcTG2+1/2TMTPLM常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化。（一）自然同步化1、多核体：如：粘菌、疟原虫。2、某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类。3、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。三、细胞同步化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。（二）人工同步化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双阻断法：在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR（Hela2mol/L；CHO7.5mol/L）。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：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。第二节有丝分裂一、细胞分裂的类型无 丝 分 裂(amitosis)：又 称 直 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。减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。二、有丝分裂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（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。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微管，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。纺锤体有三种微管结构：极体微管（polarmt）两极间的微管，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达。着丝点微管（kinetochoremt），是从着丝点到另一极的微管；星体微管（astralmt），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。Twocentrosomes,andtheirformingradialarraysofastralmicrotubulesseparatingonthesurfaceofanearlyprophasenewtlungcellnucleus.图片来自http:/www.wadsworth.org/图片来自http:/www.wadsworth.org/（二）前中期（二）前中期核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorialplane)上。（三）中期（三）中期染色体排列到赤道面上。（四）后期（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。AnaphaseA:separationofthesisterchromatids.AnaphaseB:separationofthepoles.植物细胞有没有后期B？MicrotubulesandMotorsinthespindle（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。末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配。核分裂与胞质分裂（cytokinesis）是相继发生的，属于两个分离的过程，如：大多数昆虫的卵，核可进行多次分裂而无胞质分裂，某些藻类的多核细胞可长达数尺，以后胞质才分裂形成单核细胞。子核的形成与胞质分裂子核的形成与胞质分裂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。用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？DividingMuscleMyoblast(primativemusclecell)(SEMx8,000)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(cellplate)，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。第三节减数分裂Meiosis由连续两次分裂构成：通常减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂（heterotypicdivision）或减数分裂（reductionaldivision）。减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂（homotypicdivision）或均等分裂（equationaldivision）。为了描述方便将减数分裂分为几个期和亚期。MeiosisConcepts:1.Gameticmeiosis2.Sporicmeiosis3.Zygoticmeiosis称前减数分裂间期或前减数分裂期(premeiosis)。间期也可分为G1期、S期和G2期。G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。减数分裂的S期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。一、间期二、分裂期（一）减数分裂I1、前期I减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，通常分为5个时期：细线期（leptotene），合线期（zygotene），粗线期（pachytene），双线期（diplotene），终变期（diakinesis）。1）细线期：染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。2）合线期：亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。概 念：联 会 复 合 体(synaptonemal complex，SC）二 价 体（bivalent）四分体（tetrad）。这一时期合成约0.3%左右的DNA，称为Z-DNA。3）粗线期：同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。4）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，交叉开始端化(terminalization)。联会复合体消失。补充：植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期，排卵年龄大约在12-50岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。5）终变期：二阶体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失，核被膜解体。2、中期I3、后期I二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。同源染色体随机分向两极，染色体重组，人类染色体重组概率有223个。4、末期I5、减数分裂间期。（二）减数分裂II可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。Chromosomerecombination1Chromosomerecombination2Minimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=23SC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。SC帮 助 交 换 的 完 成，SC上 有 重 组 节(recombinationnodules)，是交换发生的部位。SC主要由碱性蛋白质和RNA组成，并含有少量DNA。SC形成合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。在细线期或合线期加入DNA合成抑制剂，则抑制SC的形成。三、联会复合体synaptonemalcomplex第四节细胞周期调控一、研究背景1970sRao和Johnson发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体(prematurelycondensedchromosome，PCC)。G1期PCC为单线状，因DNA未复制。S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。甚至不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)。PCC1960sLelandHartwell,1970sPaulNurse以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(celldivisioncyclegene,CDC)。如：裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。FissionyeastbuddingyeastCdc25&Wee1mutant1980sTimothyHunt发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为周期蛋白(cyclinA和B)。后来发现各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。进一步的研究发现MPF=CDC2+clyclinBLeland H.Hartwell R.Timothy(Tim)Hunt Sir Paul M.Nurse 2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人PaulNurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。二、CDKCDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependentkinase，CDK)。CDC2又被称为CDK1，可将特定蛋白磷酸化，促进细胞周期运行，又称作细胞周期引擎。如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。在动物中已知7种CDK。均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，与周期蛋白的结合有关。三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子CDKinhibitor,CKI对细胞周期起负调控作用，分为：Ink4(Inhibitorofcdk4):P16ink4a,P15ink4b,P18ink4c,P19ink4d。特异性抑制cdk4cyclinD1,cdk6cyclinD1。Kip(Kinaseinhibitionprotein)：P21cip1(cyclininhibitionprotein1）P27kip1、P57kip2，抑制大多数CDK的激酶活性。P21cip1还能与DNA聚 合 酶 的 辅 助 因 子 PCNA（proliferating cell nuclearantigen）结合，直接抑制DNA的合成。四、细胞周期蛋白cyclin特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。不同类型的CDK/cyclin复合体*包括D1-3，各亚型cyclinD在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。G1期，在生长因子的刺激下，cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。G1-S期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞进入S期。CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期。在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体。cellcycleregulation在中期当MPF活性达到最高时，激活后期促进因子APC，将泛素连接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶体(proteasome)降解，完成一个细胞周期。分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒(destructionbox)。泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。Destruction Box in CyclinsM期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累。结合cyclinB的CDK1被Wee1将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累。在M期，Wee1的活性下降，CDC25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDKactivatingkinaseCAK)的作用下完成的。五、M期CDK的激活CDKactivating组成：感受器、信号传导通路、效应器。主要检验点：G1/S检验点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restrictionpoint)。S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期检验点：纺锤体组装检验点。六、细胞周期检验点（checkpoint）FourcheckpointsATM（ataxiatelangiectasia-mutatedgene）。最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，人类中大约有1%的人是ATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。ATM编码一个蛋白激酶，结合在损伤的DNA上，其信号通路有两条。激活Chk1（checkpointkinase）,使CDC25的Ser216磷酸化失去活性，抑制M-CDK的活性，中断细胞周期。激活Chk2，使P53被磷酸化而激活，然后P53作为转录因子，导致P21的表达，P21抑制G1-S期CDK的活性，中断细胞周期。七、生长因子对细胞增殖的影响单细胞生物的增殖取决于营养，多细胞生物细胞的增殖与信号途径有关。生长因子：是与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（mitogen），如EGF、NGF。作用方式：旁分泌。信号通路：ras途径，cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclinD、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。