细胞周期(翟中和细胞生物学全套).ppt

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1、CELL CYCLE第十二章 细胞周期1n n细胞增殖是生命的基本特征。n n初生婴儿1012个细胞，成人1014个，约200种类型。n n成人每秒钟有数百万新细胞产生。n n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。2第一节第一节 基本概念基本概念MAJOR CONCEPTS3一一、什什么么是是细细胞胞周周期期 n n细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。分为：n nG1G1期期(gap1)(gap1)，分裂完成到，分裂完成到DNADNA复制之前。复制之前。n nS S期期(synthesis phase)(synthesis phase)，DNAD

2、NA复制阶段。复制阶段。n nG2G2期期(gap2)(gap2)，DNADNA复制完成到分裂之前。复制完成到分裂之前。n nMM期，又称期，又称DD期，分裂开始到结束。期，分裂开始到结束。4Eucaryotic Cell Cycle Atypicalmammaliancellhasacellcycletimeof24hours,with12hrG1,6-8hrS,3-4hrG2,and1hrM5n n根据细胞周期可将高等动物细胞分为3类：n n连续分裂细胞，如表皮生发层、骨髓干细胞。连续分裂细胞，如表皮生发层、骨髓干细胞。n n休休眠眠细细胞胞，暂暂不不分分裂裂，适适当当刺刺激激下下可可重重

3、新新进进入入细细胞胞周周期期，称称GG0 0期期细细胞胞，如如淋淋巴巴细细胞胞、肝肝、肾细胞等。肾细胞等。n n不不分分裂裂细细胞胞，又又称称终终端端细细胞胞，不不再再分分裂裂，如如神经、肌肉、多形核细胞等。神经、肌肉、多形核细胞等。6二二、细细胞胞周周期期时时间间的的测测定定n nGG1 1期差异较大，期差异较大，MM期最短，约期最短，约0.50.54.54.5小时。小时。n n周期长短与物种周期长短与物种/细胞类型有关。细胞类型有关。n n测测定定方方法法：标标记记有有丝丝分分裂裂百百分分率率法法（PLMPLM），用用3 3H H TDRTDR对对测测定定细细胞胞脉脉冲冲标标记记、定定时时

4、取取材材，通通过过统统计标记有丝分裂细胞百分数来测定细胞周期。计标记有丝分裂细胞百分数来测定细胞周期。78三三、细细胞胞同同步步化化n n（一）自然同步化n n1.多核体：粘菌、疟原虫。n n2.水生动物受精卵：海胆、两栖类。n n3.增殖抑制解除后的同步分裂：真菌休眠孢子。9（二二）人人工工同同步步化化n n1.1.选择同步化选择同步化n n1 1）有丝分裂选择法）有丝分裂选择法n n优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。n n缺缺点点：获获得得的的细细胞胞数数量量较较少少（分分裂裂细细胞胞约约占占1%1%2%2%）。n n2 2）细

5、胞沉降分离法）细胞沉降分离法n n优点：可用于任何悬浮培养的细胞。优点：可用于任何悬浮培养的细胞。n n缺点：同步化程度较低。缺点：同步化程度较低。10n n2.2.诱导同步化诱导同步化n n1 1）DNADNA合合成成阻阻断断法法：用用DNADNA合合成成抑抑制制剂剂，可可逆逆阻断细胞周期，然后释放。常用阻断细胞周期，然后释放。常用TDRTDR双阻断法。双阻断法。n n优点：同步化程度高；优点：同步化程度高；n n缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。n n2 2）中期阻断法）中期阻断法n n用用秋秋水水仙仙素素等等微微管管抑抑制制剂剂将将细细胞胞阻

6、阻断断在在中中期期。优优点是便于观察染色体，缺点是可逆性较差。点是便于观察染色体，缺点是可逆性较差。11第二节第二节 有丝分裂有丝分裂MITOSIS12一一、细细胞胞分分裂裂的的类类型型n n无 丝 分 裂：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。n n有丝分裂：又称间接分裂，由Fleming(1882)和Strasburger(1880)发现。n n减数分裂：DNA复制1次，细胞连续分裂2次。13二二、有有丝丝分分裂裂过过程程n n为了便于描述人为的划分为六个时期：n n间期（间期（interphaseinterphase）；前期）；

7、前期(prophase)(prophase)；前中期；前中期(premetaphase)(premetaphase)；中期；中期(metaphase)(metaphase)；后期；后期(anaphase)(anaphase)；末期；末期(telophase)(telophase)。n n间期包括G1期、S期和G2期，进行DNA、中心体复制，细胞体积增大等准备工作。14（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。15n nS期中心粒已完成复制，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。n n纺锤体的三种微管结构：n n极体微管（极体微管（polar mtpo

8、lar mt）；）；n n着丝点微管（着丝点微管（kinetochore mtkinetochore mt；n n星体微管（星体微管（astral mtastral mt）。）。1617（二）前中期（二）前中期从核膜解体到染色体排列到赤道面上。18（三）中期（三）中期染色体排列到赤道面上。19（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。20n nAnaphase Anaphase A:A:separation separation of the sister of the sister chromatids.chromatids.21n nAnapha

9、se B:Anaphase B:separation of separation of the poles.the poles.22MMi ic cr ro ot tu ub bu ul le es s a an nd d MMo ot to or rs s i in n t th he e s sp pi in nd dl le e 23n n（五）末期n n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。24末期核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配，同时染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核分裂与胞质分裂是相继发生的，属于两个分离的过程，如：大多数昆虫的卵

10、，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25n n动动物物的的胞胞质质分分裂裂通通过过胞胞质质收收缩缩环环的的收收缩缩实实现现，收收缩环由平行排列的肌动蛋白组成。缩环由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？26DividingMuscleMyoblast(primitivemusclecell)(SEMx8,000)27n n植植物物细细胞胞末末期期近近两两极极处处纺纺锤锤丝丝消消失失，中中间间微微管管保留，形成成膜体。保留，形成成膜体。n n来来自自高高尔尔基基体体囊囊

11、泡泡沿沿微微管管转转运运到到成成膜膜体体中中间间。融融合合形形成成细细胞胞板板，囊囊泡泡的的内内含含物物形形成成初初生生壁壁和和中中胶胶层层，囊囊泡泡膜膜形形成成质质膜膜，融融合合留留下下的的管管道道形形成胞间连丝。成胞间连丝。2829第三节第三节 减数分裂减数分裂Meiosisn n由连续两次分裂构成：n n通通 常常 减减 数数 分分 裂裂 I I分分 离离 的的 是是 同同 源源 染染 色色 体体，所所 以以 称称 为为 异异 型型 分分 裂裂（heterotypic divisionheterotypic division）或减数分裂（）或减数分裂（reductional divisi

12、onreductional division）。）。n n减减数数分分裂裂II II分分离离的的是是姊姊妹妹染染色色体体，类类似似于于有有丝丝分分裂裂，所所以以称称为为同同型型分裂（分裂（homotypic divisionhomotypic division）或均等分裂（）或均等分裂（equational divisionequational division）。）。n n为了描述方便将减数分裂分为不同时期。30MeiosisConcepts:1.Gameticmeiosis2.Sporicmeiosis3.Zygoticmeiosis31一一、间间期期n n称 前 减 数 分 裂 间 期

13、或 前 减 数 分 裂 期(premeiosis)，也分为G1、S和G2期。n nG2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。n nS期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。32二二、分分裂裂期期n n（一）减数分裂In n1.前期In n通常分为5个时期：leptotene，zygotene，pachytene，diplotene，diakinesis。33n n2 2.中期中期I In n3 3 .后后期期I I：同同源源染染色色体体随随机机分分向向两两极极，染染色色体体重重组组，人人类类染色体重组概率有染色体重组概率有2 22323个。个。n n4 4.末期末期I In

14、n5 5.减数分裂间期。减数分裂间期。n n （二）减数分裂（二）减数分裂II IIn n可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。n n一个精母细胞形成一个精母细胞形成4 4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2-32-3个极体。个极体。34Chromosome recombination 1Chromosome recombination 135Chromosome recombination 2Chromosome recombination 2Minimumnumberofgametetypes=2n,I

15、nhumans,n=2336三三、联联会会复复合合体体n nSCSC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。n nSCSC帮帮助助交交换换的的完完成成，SCSC上上有有重重组组节节，是是交交换换发发生生的部位。的部位。n nSCSC主要由碱性蛋白质和主要由碱性蛋白质和RNARNA组成，含有少量组成，含有少量DNADNA。n nSCSC形形成成合合线线期期，成成熟熟于于粗粗线线期期，消消失失于于双双线线期期。在在细细线线期期/合合线线期期加加入入DNADNA合合成成抑抑制制剂剂，则则抑抑制制SCSC形成。形成。37synaptonemal comple

16、x38第四节第四节 细胞周期调控细胞周期调控CELL CYCLE CONTROL39一一、研研究究背背景景n n1970s Rao1970s Rao等发现与等发现与MM期细胞期细胞(Hela)(Hela)融合的间期细胞融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体。染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体。n nG1G1期期PCCPCC为单线状，因为单线状，因DNADNA未复制。未复制。n nS S期期PCCPCC为粉末状，因为粉末状，因DNADNA由多个部位开始复制。由多个部位开始复制。n nG2G2期期PCCPCC为双线染色体，说明为双线染色体，说明DNADNA复制已完成。复制已完成。n n不

17、同类的不同类的MM期细胞也可诱导期细胞也可诱导PCCPCC产生，说明产生，说明MM期细期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子进因子(MPF)(MPF)。40prematurelycondensedchromosome，PCCG1SG241n nHartwell Hartwell 1960s,1960s,Nurse Nurse 1970s 1970s 分分别别以以芽芽殖殖酵酵母母和和裂裂殖殖酵酵母母为为材材料料，利利用用温温度度敏敏感感突突变变株株，发发现现许许多多与与细胞分裂有关的基因细胞分裂有关的基因(cdc)(cdc)。如：。如：n

18、n裂裂殖殖酵酵母母cdc2cdc2、芽芽殖殖酵酵母母cdc28cdc28突突变变型型在在限限制制温温度度下下无无法分裂；法分裂；n nwee1wee1突突变变型型则则提提早早分分裂裂，cdc25cdc25突突变变型型细细胞胞体体积积增增大大而而不分裂；不分裂；n ncdc2cdc2和和cdc28cdc28都都编编码码34KD34KD的的蛋蛋白白激激酶酶，促促进进细细胞胞周周期期进进行，行，weelweel和和cdc25cdc25分别表现为抑制和促进分别表现为抑制和促进cdc2cdc2的活性。的活性。42FISSION YEASTFISSION YEAST 43BUDDING YEASTBUDD

19、ING YEAST 44C Cd dc c 2 25 5&WWe ee e1 1 mmu ut ta an nt t45n nT.Hunt 1980s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cyclin A和B，其mRNA能诱导蛙卵成熟。n n1988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+clyclin B46Leland H.Hartwell R.Timothy(Tim)Hunt Sir Paul M.Nurse 2001年10月8日美国人LelandHartwell、英

20、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。47二二、CDKn ncdc2cdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细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胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)(CDK)。n ncdc2cdc2又称又称CDK1CDK1，可将特定蛋白磷酸化，如：，可将特定蛋白磷酸化，如：n n将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；n n将将H1H1磷酸化导致染色体的凝缩等。磷酸化导致染色体的凝缩等。n n在动物中已知在动物中已知7 7种种CDKCDK。均含。均含PS

21、TAIREPSTAIRE保守序列，与保守序列，与周期蛋白的结合有关。周期蛋白的结合有关。48三三、细细胞胞周周期期蛋蛋白白依依赖赖性性激激酶酶抑抑制制因因子子n nCKI对细胞周期起负调控作用，分为：n nInk4:Ink4:抑制抑制cdk4cyclin D1,cdk6cyclin D1cdk4cyclin D1,cdk6cyclin D1。n nKipKip：抑抑制制大大多多数数CDKCDK。其其中中P21P21cip1cip1还还能能与与DNADNA聚聚合合酶酶 的的辅辅助助因因子子PCNAPCNA结结合合，直直接接抑抑制制DNADNA的合成。的合成。49四四、细胞周期蛋白、细胞周期蛋白c

22、yclinn n特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导与与CDKCDK结合。结合。n n作用：激活和引导作用：激活和引导CDKCDK作用于不同底物。作用于不同底物。n n已知已知3030余种，分为余种，分为4 4类：类：G1G1型、型、G1/SG1/S型、型、S S型、型、MM型。型。50不同类型的不同类型的CDK/cyclin复合体复合体n n*包括包括D1-3D1-3，各亚型，各亚型cyclin Dcyclin D在不同细胞中的表达量不同，在不同细胞中的

23、表达量不同，但具有相同的功效。但具有相同的功效。51n nG1G1期，在生长因子的刺激下，期，在生长因子的刺激下，cyclin Dcyclin D表达，并与表达，并与CDK4CDK4、CDK6CDK6结合，使下游的蛋白质如结合，使下游的蛋白质如RbRb磷酸化，磷酸化，释放转录因子释放转录因子E2FE2F，促进许多基因的转录，如编，促进许多基因的转录，如编码码cyclinEcyclinE、A A和和CDK1CDK1的基因。的基因。n nG1-SG1-S期，期，cyclinEcyclinE与与CDK2CDK2结合，激活结合，激活DNADNA复制。复制。n nG2-MG2-M期，期，cyclinAc

24、yclinA、cyclinBcyclinB与与CDK1CDK1结合，结合，CDK1CDK1引引起染色体凝缩、核膜解体等。起染色体凝缩、核膜解体等。52n nG1 CDK activate transcription factor E2F53CELLCYCLEREGULATION54n n中期当中期当MPFMPF活性达到最高时，激活活性达到最高时，激活APCAPC，通过泛，通过泛素化途径降解素化途径降解cyclin Bcyclin B，完成细胞周期。，完成细胞周期。n n分裂期周期蛋白分裂期周期蛋白NN端具有降解盒。端具有降解盒。n n泛素由泛素由7676个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋

25、个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白能被蛋白酶体识别和降解，是细胞内短寿命蛋白和白能被蛋白酶体识别和降解，是细胞内短寿命蛋白和异常蛋白降解的普遍途径。异常蛋白降解的普遍途径。55Destruction Box in Cyclins5626S蛋白酶体是大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。57M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

26、(CDKactivatingkinaseCAK)的作用下完成的。五、M期CDK的激活58CDK ACTIVATING59六六、细细胞胞周周期期检检验验点点（check point）n n组成：感受器、信号传导通路、效应器。组成：感受器、信号传导通路、效应器。n n主要检验点：主要检验点：n nG1/SG1/S检验点：检验点：DNADNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称胞体积是否足够大？在酵母中称startstart点，在哺乳动物中点，在哺乳动物中称称R R点点(restriction point)(restriction point)

27、。n nS S期检验点：期检验点：DNADNA复制是否完成？复制是否完成？n nG2/MG2/M检验点：检验点：DNADNA是否损伤？细胞体积是否足够大？是否损伤？细胞体积是否足够大？n n中中-后期检验点：纺锤体组装检验点。后期检验点：纺锤体组装检验点。60FOUR CHECKPOINTSFOUR CHECKPOINTS61n nATMATM（ataxia telangiectasia-mutated geneataxia telangiectasia-mutated gene）n n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%

28、1%的的人是人是ATMATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。n nATMATM编码一个蛋白激酶，结合在损伤的编码一个蛋白激酶，结合在损伤的DNADNA上，其信号上，其信号通路有两条。通路有两条。n n激活激活Chk1Chk1（checkpoint kinasecheckpoint kinase）,使使cdc25cdc25的的Ser216Ser216磷酸化失去活性，磷酸化失去活性，抑制抑制M-CDKM-CDK的活性，中断细胞周期。的活性，中断细胞周期。n n激活激活Chk2Chk2，使，使P53P53被磷酸化而激活，然后被磷酸化而激活，

29、然后P53P53作为转录因子，导作为转录因子，导致致P21P21表达，表达，P21P21抑制抑制G1-SG1-S期期CDKCDK的活性，中断细胞周期。的活性，中断细胞周期。62七七、生生长长因因子子对对细细胞胞增增殖殖的的影影响响n n生长因子是与细胞增殖有关的信号物质，已知几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。十种，多数能促进细胞增殖。n n作用方式：旁分泌。作用方式：旁分泌。n n信号通路：信号通路：rasras、cAMPcAMP、磷脂酰肌醇途径。、磷脂酰肌醇途径。n n如通过如通过rasras途径，激活途径，激活MAPKMAPK，MAPKMAPK进入细胞核内，激进入细胞核内，激活活c-mycc-myc，mycmyc作为转录因子促进作为转录因子促进cyclin Dcyclin D、SCFSCF、E2FE2F等等G1-SG1-S有关的基因表达，细胞进入有关的基因表达，细胞进入G1G1期。期。6364