第十一章 细胞增殖及其调控

1、Chapter 11 Cell proliferation and its regulationSignificance: 1. For the growth and development of a multicellular organism, and for the generation of offspring; 2. Produce new organisms in unicellular species; 3. Renew the aging, apoptotic cells, and damaged tissue; So, cell proliferation is one of

2、 the most important characters for lifeIf damaged seriously by UV, mouse will die within several days.Section 1. The cell cycle and proliferation1.The cell cycle （一）细胞周期时相组成及主要事件：1、 G1 phase: (gap1)，指从上一次细胞分裂完成之后开始到DNA复制之前的间隙时间。 从一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束所经历的过程，称为细胞周期。事件：细胞体积增大，主要合成为S期DNA复制所必须的酶类。特别是DNA聚

3、合酶含量开始增加。2、S期(synthesis phase)，指DNA复制的时期。事件：完成DNA复制、组蛋白合成；染色质在S期复制成完全相同的两份。3、G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。事件：大量的RNA和蛋白质合成（微管蛋白大量合成）， 有丝分裂因子合成。4、M期又称D期(mitosis or division)，细胞分裂开始到结束。事件：细胞将遗传物质平均分配到两个子细胞中。Eucaryotic(真核）真核） Cell Cycle A typical mammalian （哺乳动物）cell has a cell cycle time of 24 hour

4、s, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M ，人的细胞周期24h，G19h，M期30min，S期10h，G24.5。（二）特异的细胞周期1、早期胚胎细胞 卵细胞积累大量物质，细胞体积增大；受精后快速卵裂，细胞周期较短。2、酵母细胞周期 芽殖酵母和裂殖酵母3、植物细胞周期4、细菌细胞周期（三）细胞类型 从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：周期中细胞（连续分裂细胞），如表皮生长层细胞、部分骨髓细胞。静止细胞（休眠细胞 ）称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。不分裂细胞（终末分化细胞），如神经、肌肉细胞等。1、标记有丝分裂百分率法（

5、percentage labeled mitoses，PLM） 利用放射标记物3H或者14C标记的TdR(胸腺嘧啶核苷），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。2、流式细胞分选仪测定法（四）细胞周期时间的测定（五）细胞周期同步化(synchronization) 1、自然同步化 多核体：如变形虫。 某些水生动物的受精卵，如海胆、海参、两栖类。 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。指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞群处于细胞周期的同一个分裂时期。2 人工选择同步化(

6、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。3、药物诱导同步化1）DNA合成阻断法：选用DNA合成的抑制剂 A：胸腺嘧啶核苷TdR. 使用过量的胸腺嘧啶核苷(Thymine Deoxyribonucleoside, TdR)只是暂时性地减慢DNA的合成，如果恰当选择TdR的浓度，当去除TdR后，细胞能够正常地生长、增殖和传代，说明TdR对细胞的生理代谢的干扰是可逆的

7、。 B：羟基脲HU（可以阻止核苷酸还原为脱氧核苷酸，因而选择性地抑制DNA的合成，能抑制胸腺嘧啶核苷酸掺入DNA )，可逆地抑制DNA合成。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：操作简单效率高，无非均衡生长现象。 缺点：药物毒性较大。二、有丝分裂（一）与有丝分裂有关的亚纤维结构（有丝分裂器）1、中心体2、动粒与着丝粒着着丝丝粒粒与与动动粒粒3、纺锤体 由微管和微管蛋白组成。 纺锤体微管分为： 动粒微管 极性微管 有丝分裂器（二）有丝分裂（二）有丝分裂过程过程1,21,2 1、前期 染色质凝缩为染色体，

8、细胞器解体， 细胞骨架解聚。 分裂间期和前期2、前中期 核膜破裂，纺锤体开始装配， 染色体缩短成X状。3、中期 染色体排列到赤道板（equatorial plane）上（染色体列队）；纺锤体出现纺锤样；染色体浓缩程度最大。4、后期染色体的两条染色单体分开并移向两极，分为后期A、后期B两个过程。 Anaphase A: separation of the sister chromatids. Anaphase B: separation of the poles. 5、末期染色单体到达两极，动力微管消失，核膜核仁形成。6、胞质分裂 通过收缩环收缩使胞质完全分裂。三、 减数分裂（Meiosis）减

9、数分裂（meiosis）是有性生殖个体形成生殖细胞过程中发生的一种特殊分裂方式。经两 次细胞分裂，而DNA只复制一次，因此子细胞中染 色体数目减半（2n n）。 减数分裂的意义： 确保世代间稳定的遗传 增加变异机会，保证生物多样性。 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。(一)减数分裂前间期(premeiosis)分为G1期、S期和G2期。减数分裂的S期时间较长，只合成99.7%的DNA，约0.3%左右是在减数分裂前期合成的。(二)减数分裂过程1、减数分裂期前期1）细线期：染色质凝集折叠螺旋为细线状染色体，具有念珠状的染色粒，染色体端粒通过接触斑与核膜相连。2

10、）偶线期：亦称合线期或配对期，发生同源染色体配对即联会，同时合成约0.3%左右的DNA（称为zyg-DNA）出现二价体（bivalent）和四分体（tetrad） 联会复合体(synaptonemal complex，SC） 二价体：同源染色体配对以后两条同源染色体紧密结合在一起形成的结构为二价体。 四分体：由于二价体由两条染色体构成，共含有4条染色单体，又称为四分体。 Synaptonemal(联会复合体)：在联会部位形成 一种特殊结构，沿同源染色体纵轴分布，该结构由蛋白质构成，可分为侧生组分和中央组分，是一暂时性的结构。联联会会复复合合体体重组节3）粗线期：同源染色体的非姊妹染色单体间发生

11、交换在光镜下可看到交叉(chiasma)现象；合成减数分裂期专用的组蛋白。 4）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，联会复合体消失,同源染色体的四分体结构趋于明显。 5）终变期：染色体进一步浓缩，交叉端化,核仁此时开始消失。 中期I 核被膜解体，纺锤体形成，二价体排列在赤道面上。后期I 同源染色体在纺缍丝牵引下向两极移动，非同源染色体自由组合。末期I 胞质分裂I,两极各得到n条染色体，数目由2nn。减数分裂间期，染色体不进行复制。2 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。Chromosome reco

12、mbination 1减数分裂Chromosome recombination 2Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23第二节 细胞周期调控一、细胞周期调控的作用1、激活相关酶进行自身调控(正调控）2、确保每一时相事件全部完成（负调控）3、对外界环境因子起反应二、细胞周期检验点（一）检验点的意义 检验点的存在保证了在细胞繁殖过程中产生具有正常遗传性能和生理功能的子细胞。 当这种R点控制失调时即可引起各种染色体畸变，包括结构和数目异常，以及染色体扩增等，这在癌细胞中经常可以观察到。是细胞周期调控的一种机制主要确保周期每一时相

13、事件有序全部完成，并与外界环境相联系。（二）周期中的各个时相与（二）周期中的各个时相与检验点检验点G1/SG1/S检验点：检验点：DNADNA是否损伤？细胞外环境是否是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称startstart点，在哺乳动物中称点，在哺乳动物中称R R点点(restriction (restriction point)point)。S S期检验点：期检验点：DNADNA复制是否完成？复制是否完成？G2/MG2/M检验点：检验点：DNADNA是否损伤？细胞体积是否足是否损伤？细胞体积是否足够大？够大？中中- -后期检验点：纺

14、锤体组装检验点。后期检验点：纺锤体组装检验点。三、MPF (maturation promoting factor） 1、MPF的发现： A：（细胞融合实验）：早熟凝集染色体(prematurely condensed chromosome，PCC现象) Rao和Johnson(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早熟凝集染色体，这种现象叫做早熟染色体凝集。 B ：非洲爪蟾卵实验是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子。是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶，由M期周期蛋白(Cyclin)及周期

15、蛋白依赖性蛋白激酶（ Cyclin-dependent kinase CDK)组成的复合物。G G1 1期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合G1期PCC为单线状，因DNA未复制。S S期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合S期PCC为粉末状，因正在复制的DNA容易受损伤，是DNA断裂的结果。G G2 2期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。非洲非洲爪蟾爪蟾卵细卵细胞提胞提取物取物注射注射实验实验孕酮Leland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2001年10月8

16、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。2、MPF的作用促进染色体凝集H1和H3组蛋白磷酸化核纤层磷酸化核被膜装配细胞相关的酶与蛋白质磷酸化3、MPF的组成不同物种MPF的组成：裂殖酵母： MPFp34cdc2 p56cdc13芽殖酵母： MPFp34cdc28p56cdc13非洲爪蟾： MPFp32p45（周期蛋白） MPF的生化成分 MPF=p34cdc2（或p34cdc28）+clyclin B（周期蛋白） Cdc2（cell division cycle)为催化亚单位，是丝氨酸和苏氨酸蛋

17、白激酶（又称周期蛋白依赖性蛋白激酶，CDK激酶），周期蛋白为调节亚单位酵母酵母MPFMPF的的结结构构CDK激酶 CDK激酶共有8种，Cdc2最早被发现被称为CDK1，其他7种CDK2-CDK8,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。（2）细胞周期蛋白cyclin1983年首次发现，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、G

18、1/S型、S型、M型。Destruction Box in Cyclins三、细胞周期转运调控1 1、G2/MG2/M期转化与期转化与CDK1CDK1激酶的关键性调控激酶的关键性调控作用。作用。G1期晚期合成期晚期合成S期含量增加期含量增加G2期末含量达最大并维持到期末含量达最大并维持到M期中期期中期活性出现活性出现CDK1激酶活性调控苏氨酸酪氨酸苏氨酸磷酸酶 2 2、M M期周期蛋白与分裂中期向后期转化期周期蛋白与分裂中期向后期转化 周期蛋白周期蛋白A A和和B B的降解通过泛素化（多遍在蛋白的降解通过泛素化（多遍在蛋白化，化，polyubiquitinationpolyubiquitina

19、tion）途径实现。途径实现。泛素化过程由以下三种组分参与：泛素化过程由以下三种组分参与：活化酶活化酶(E1) 缀合酶缀合酶(E2) 连接酶连接酶(E3) 促后期复合物促后期复合物(anaphase-promoting complex, APC) Polyubiquitination细胞周期蛋白泛素后期促进因子蛋白酶体细胞周期蛋白降解的多肽泛素激活酶泛素结合蛋白中期中期晚后期晚后期末期末期间期间期前期前期G1后期起作用 泛素泛素(ubiquitin)是一种存在于大多数真核细胞中的小蛋白,由76个氨基酸组成。它的主要功能是标记需要分解掉的蛋白质，使其被水解。当附有泛素的蛋白质遇到蛋白酶的时候，蛋白酶就会将该蛋白质水解。作用过程: 蛋白质泛素化系统由3个组分构成， 泛素激活酶E1，它可利用水解ATP释放的能量以其胱氨酸残基（Cys)的巯基与泛素C端的甘氨酸残基（Gly