细胞第十二章

1、第十二章第十二章 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控第一节第一节 细胞周期概述细胞周期概述细胞周期细胞周期细胞周期中各个不同的时相及其主要事件细胞周期中各个不同的时相及其主要事件细胞周期长短测定细胞周期长短测定细胞周期同步化细胞周期同步化特殊的细胞周期特殊的细胞周期21. 细胞周期的概念细胞周期的概念连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束开始到下一次有丝分裂完成所经历的开始到下一次有丝分裂完成所经历的过程。在这一过程中，细胞遗传物质过程。在这一过程中，细胞遗传物质复制，各种组分加倍，平均地分配到复制，各种组分加倍，平均地分配到两个子细胞中去。两个子细胞中去。3细胞周期的

2、四个阶段细胞周期的四个阶段G1期期(gap1)：从有丝分裂完成到期：从有丝分裂完成到期DNA复制之复制之前的间隙时间；前的间隙时间；S期期(synthesis phase)：DNA复制的时期，组复制的时期，组蛋白的合成；蛋白的合成；G2期期(gap2)：DNA复制完成到有丝分裂开始之复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间；前的一段时间；M期期(mitosis)：细胞分裂开始到结束。：细胞分裂开始到结束。 45细胞周期的时间细胞周期的时间不同生物细胞及在同一生物个体种的不同细胞的细不同生物细胞及在同一生物个体种的不同细胞的细胞周期长短均表现出差异。一般来说，胞周期长短均表现出差异。一般来说，S-G

3、2-M的的时间变化较小，时间变化较小，细胞周期时间的长短的主要差别在细胞周期时间的长短的主要差别在G1期。期。小鼠食管上皮细胞：周期时间小鼠食管上皮细胞：周期时间115h，G1为为103h;小鼠十二指肠上皮细胞：周期时间小鼠十二指肠上皮细胞：周期时间15h，G1为为6h。6不同增殖能力的细胞不同增殖能力的细胞从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：连续分裂细胞连续分裂细胞，在细胞周期中连续运转因而又称为，在细胞周期中连续运转因而又称为周期中细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。周期中细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。休眠细胞休眠细胞暂不分

4、裂，但在适当的刺激下可重新进入暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞不分裂细胞不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称的细胞，又称终端细胞终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等等。等等。7细胞周期中不同时相及其主要事件细胞周期中不同时相及其主要事件 G1 G1期期 S S 期期 G2G2期期 M 期期G1G1期期与与DNADNA合成启动相关，开始合成细胞生长所合成启动相关，开始合成细胞生长所 需要的多种蛋白质、需要的多种蛋白质、RNAR

5、NA、碳水化合物、脂、碳水化合物、脂 等，同时染色质去凝集。等，同时染色质去凝集。在在G1G1期的晚期有一个特定时期：期的晚期有一个特定时期： 起始点（芽殖酵母）起始点（芽殖酵母） 限制点或检验点（其他真核生物）限制点或检验点（其他真核生物）细胞周期检验点细胞周期检验点(check point) 细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制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成并与外界环境因素相联系 细胞周期检验点及其作用细胞周期检验点及其作用 G1期检验点：酵母期检验点：酵母Start；

6、动物细胞动物细胞Restriction PointS S期期u DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构u S期期DNA合成不同步：合成不同步：常染色质常染色质: : 先先; ; 异染色质异染色质: : 后后; ;能转录的能转录的DNA: DNA: 先先; ; 不能转录的不能转录的DNA: DNA: 后后; ;GCGC含量高含量高: : 先先; AT; AT含量高含量高: : 后后; ;G2G2期期DNA复制完成；在这一时期复制完成；在这一时期, 主要是大量合成主要是大量合成ATP、RNA、蛋白质、蛋白质, 包括微管蛋白和成熟促包括微管蛋白和成熟促

7、进因子进因子MPF(maturation promoting factor)等，为有丝分裂作准备。等，为有丝分裂作准备。 G2期检验点期检验点M 期期M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和和减数分裂减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。他物质分配给子细胞。细胞周期长短测定细胞周期长短测定脉冲标记脉冲标记DNADNA复制和细胞分裂指数观察测定法复制和细胞分裂指数观察测定法流式细胞仪测定法流式细胞仪测定法(Flow Cytometry)(Flo

8、w Cytometry)细胞周期同步化细胞周期同步化自然同步化自然同步化人工选择同步化人工选择同步化 药物诱导法药物诱导法 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用：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。周期中某一特定时期。自然同步化自然同步化 1多核体多核体 如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。数量众多的核处于同一细胞质中，进行同步化分

9、裂，使细。数量众多的核处于同一细胞质中，进行同步化分裂，使细胞核达胞核达108，体积达，体积达56cm。疟原虫也具有类似的情况。疟原虫也具有类似的情况。2某些水生动物的受精卵某些水生动物的受精卵 （某些受精卵早期卵裂某些受精卵早期卵裂 ） 如海胆卵可以同时授精，最初的如海胆卵可以同时授精，最初的3次细胞分裂是同步的，再次细胞分裂是同步的，再如大量海参卵受精后，前如大量海参卵受精后，前9次细胞分裂都是同步化进行的。次细胞分裂都是同步化进行的。3增殖抑制解除后的同步分裂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

10、。分裂。人工选择同步化人工选择同步化有丝分裂选择法：有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点是细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。分离的细胞数量少。密度梯度离心法：密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。优点是方法上存在差别进行分离。优点是方法 简单省时，效率高，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。成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。药物诱导法药物诱导法 DNADNA合成阻断法合成阻断法 G1/S-Td

11、R(G1/S-TdR(胸腺嘧啶核胸腺嘧啶核苷苷 ) )双阻断法：最终将细胞群阻断于双阻断法：最终将细胞群阻断于G1/SG1/S交界交界处。处。 优点：同步化效率高，几乎适合于所有体外优点：同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。培养的细胞体系。 缺点：诱导过程可造成细胞非均衡生长缺点：诱导过程可造成细胞非均衡生长 分裂中期阻断法：分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑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制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。裂中期。 优点：是操作简便，效率高。优点：是操作简便，效率高。 缺点：这些药物的毒性相对较大。缺点：这些药物的毒性相对较

12、大。19特异的细胞周期特异的细胞周期 特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具 有的与有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细 胞周期。胞周期。 爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期 酵母细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期 植物细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期 细菌的细胞周期细菌的细胞周期爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期 细胞分裂快细胞分裂快,无无G1期期, G2期非常短期非常短,S期也短期也短(所有复所有复 制子都激活制子都激活), 以至认为仅含有以至认为仅含有S期和期和M期期 无需临时合成其

13、它物质无需临时合成其它物质 子细胞在子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小期并不生长，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准的细胞周期基本是一致的酵母细胞的细胞周期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调控方面相似酵母细胞周期明显特点酵母细胞周期明显特点: 酵母细胞周期持续时间较短；酵母细胞周期持续时间较短； 封闭式细胞分裂封闭式细胞分裂 ，即细胞分裂时核膜不解聚；，即细胞分裂时核膜不解聚； 纺锤体位于细胞核内；纺锤体位于细胞核

14、内； 在一定环境下，也进行有性繁殖在一定环境下，也进行有性繁殖芽殖酵母：芽殖酵母：G1G1期后期开始出芽期后期开始出芽纺锤体装配与纺锤体装配与S S期期DNADNA复制复制同时进行同时进行形成大小不等的两个子细形成大小不等的两个子细胞胞裂殖酵母裂殖酵母均等分裂均等分裂细胞生长仅是细胞长度的细胞生长仅是细胞长度的增加，直径保持不变增加，直径保持不变24植物细胞的细胞周期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，含有准细胞周期非常相似，含有G1期、期、S期期、G2期和期和M期四个时期。期四个时期。植物细胞不含中心体，但在细胞分裂植物细胞不

15、含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。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植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂分裂细菌的细胞周期细菌的细胞周期慢生长细菌细胞周期过程与真核细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。其胞周期过程有一定相似之处。其DNA复制之前的准备时间与复制之前的准备时间与G1期期类似。分裂之前的准备时间与类似。分裂之前的准备时间与G2期类似。再加上期类似。再加上S期和期和M期，细期，细 菌菌的细胞周期也基本具备四个时期的细胞周期也基本具备四个时期细菌在快速生长情况下，如何协调细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本快速分裂和最基本

16、的的DNA复制速复制速度之间的矛盾。度之间的矛盾。 在快速生长时，在快速生长时，在一个细胞周期中每个在一个细胞周期中每个DNA分子复分子复制仅能完成一半，但制仅能完成一半，但DNA复制是在复制是在两个正在形成中的两个正在形成中的DNA分子上同时分子上同时进行的。进行的。第二节第二节 细胞分裂细胞分裂有丝分裂有丝分裂(mitosis)减数分裂减数分裂(Meiosis) 一、有丝分裂一、有丝分裂(mitosis)(mitosis)前期前期(prophase)前中期前中期(prometaphase)中期中期(metaphase)后期后期(anaphase) 末期末期(telophase)前期前期(p

17、rophase)(prophase)前期的主要事件是：染色质凝缩，分裂极确立与纺前期的主要事件是：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。锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。 标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩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形成有丝分裂染色体(mitotic chromosome） 第二个特征是细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体第二个特征是细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)开始装配开始装配Golgi体、体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡等细胞器解体，形成小的膜泡这种染色体由两条

18、染色单体这种染色体由两条染色单体(chromatid)构成构成 在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复合物称为动粒合物称为动粒(kinetochore)间期动物细胞含一个间期动物细胞含一个MTOCMTOC，即中心体，在，即中心体，在 S S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一期末，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，个中心粒，形成两个中心体。当前期开始时， 2 2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生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长，由两极形成的微管通过微管结合

19、蛋白在正 极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中 特异的特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体残基磷酸化导致核纤层解体纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体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，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形成三

20、种类型的微管 不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由前中期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。逐渐向中期运转。前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中 特异的特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体残基磷酸化导致核纤层解体纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体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，证与两

21、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形成三种类型的微管 不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由前中期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。逐渐向中期运转。中期中期(metaphase)(metaphase)所有染色体排列到赤道板所有染色体排列到赤道板( (Metaphase Plate) )上，上， 标志着细胞分裂已进入中期标志着细胞分裂已进入中期 是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？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着丝粒微管动态平衡形成的张力 中期染色体中期染色体后期后期(anaphase)

22、 排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离 产生向极运动产生向极运动后期后期(anaphase)大致可以划分为连续的两个阶段，大致可以划分为连续的两个阶段，即后期即后期A和后期和后期B 后期后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动 后期后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉，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长，介导染色体向极运动末期末期(telophase)(telophase)染色单体到达两极，即进入了末期（染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）, 到达两

23、极的染色单体开始去浓缩到达两极的染色单体开始去浓缩核膜开始重新组装核膜开始重新组装 Golgi体和体和ER重新形成并生长重新形成并生长核仁也开始重新组装，核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复合成功能逐渐恢复, 有丝分裂结束有丝分裂结束 38l胞质分裂可简单归纳为4个步骤：分裂沟位置确定、肌动蛋白聚集和收缩环形成、收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合形成两个子细胞。 胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在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，称为赤道板周围细胞表面下陷，形成

24、环形缢缩，称为 分裂沟分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体极性微管和。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钙离子浓度升高的变化有关胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体胞质分裂开始时，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，称为处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为 收缩环（收缩环（contractile ring)。收缩环收缩、收缩环。收缩环收缩、收缩环 处细胞膜融合并形成两个子细胞处细胞膜融合并形成两个子细胞胞质分裂沟胞质分裂沟l肌动蛋白和肌球蛋白参与了分裂沟的形成和整个胞质分裂过程。l大量的肌动蛋白和肌球蛋白装配形成微

25、丝束，环绕细胞，称为收缩环(contractile ring)。收缩环收缩，分裂沟加深，直至两个子细胞相互分离。收缩环收缩环胞质分裂胞质分裂植物细胞胞质分裂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 胞壁而将细胞分开胞壁而将细胞分开中心体中心体 centrosomel组成：组成：中心粒中心粒( (一对一对) )、无定形基质。、无定形基质。 l周期变化：在间期（周期变化：在间期（S期）完成复制，在前期移期）完成复制，在前期移向两极，参与形成纺锤体。向两极，参与形成纺锤体

26、。l功能：生成星体周围微管。功能：生成星体周围微管。46中心体周期中心体周期中心体周期中心体周期纺锤体（纺锤体（spindle）的装配）的装配由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管及由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管及其结合蛋白组合形成的纺锤形结构称为其结合蛋白组合形成的纺锤形结构称为纺锤体纺锤体或或有丝分裂器。有丝分裂器。49染色体准确等分机制染色体准确等分机制l纺锤体产生的合力纺锤体产生的合力-决定染色体运动的决定染色体运动的方向方向1.1.极间微管重叠区微管之间相互滑动对两极星体产生的推力。极间微管重叠区微管之间相互滑动对两极星体产生的推力。2.2.动粒微管与染色体动粒之间的相互

27、作用对染色体产生拉力。动粒微管与染色体动粒之间的相互作用对染色体产生拉力。3.3.星体微管与细胞膜之间相互作用使星体稳定在细胞两极的作星体微管与细胞膜之间相互作用使星体稳定在细胞两极的作用力用力。4.4.两条姐妹染色单体在着丝粒处形成的粘着力。两条姐妹染色单体在着丝粒处形成的粘着力。51l有丝分裂包括核分裂、胞质分裂。三个最重要的特征：l染色质凝集l纺锤体出现l收缩环出现三、减数分裂三、减数分裂(Meiosis)（一）前减数分裂间期（一）前减数分裂间期（二）减数分裂过程（二）减数分裂过程（三）减数分裂过程的特殊结构及其变化（三）减数分裂过程的特殊结构及其变化减数分裂概念与过程减数分裂概念与过程

28、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。减数分裂的意义减数分裂的意义确保世代间遗传的稳定性确保世代间遗传的稳定性； 增加变异机会，确保生物的多样性，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。增强生物适应环境变化的能力。 减数分裂是生物有性生殖的基础，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是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。要基础保证。减数分裂特点减数分裂特点遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半减半S期持续

29、时间较长期持续时间较长同源染色体在减数分裂期同源染色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会，配对联会，形成联会复形成联会复合体合体(Synaptonemal Complex, SC)(Synaptonemal Complex, SC) ；同源染色体间遗传物质同源染色体间遗传物质重组重组, ,产生新的基因组合产生新的基因组合减数分裂同源染色体配对排列在中期板上减数分裂同源染色体配对排列在中期板上,第一次分列时第一次分列时,同同源染色体分开源染色体分开减数分裂前减数分裂前S S期与有丝分裂前期与有丝分裂前S S期长度比较期长度比较物种物种减数分裂前减数分裂前 S 期期有有 丝丝 分分 裂裂

30、前前 S 期期蝾螈蝾螈10天天12小时小时小鼠小鼠14小时小时56小时小时小麦小麦12小时小时3.8小时小时酵母酵母 1.0小时小时0.5小时小时（二）减数分裂过程（二）减数分裂过程1、减数分裂、减数分裂 （1）前期）前期 （2）中期）中期 （3）后期）后期 （4）末期）末期2、减数分裂、减数分裂 （1）前期）前期 （2）中期）中期 （3）后期）后期 （4）末期）末期小结小结前期前期I I分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，终变期等五个阶段终变期等五个阶段形成联会复合体形成联会复合体(Synaptonemal Complex, SC)(Synaptonema

31、l Complex, SC)同源染色体间遗传物质重组同源染色体间遗传物质重组, ,产生新的基因组合产生新的基因组合细线期细线期细线期细线期 细线期：又称凝集期细线期：又称凝集期A A、染色质凝集成染色体，呈细线状、染色质凝集成染色体，呈细线状B B、在细纤维样染色体上具有念珠状的、在细纤维样染色体上具有念珠状的染色粒染色粒C C、染色体端粒通过接触斑与核膜相连、染色体端粒通过接触斑与核膜相连，而染色体的其它部分以袢环状延，而染色体的其它部分以袢环状延伸到核质中伸到核质中偶线期偶线期偶线期：亦称合线期、配对期，偶线期：亦称合线期、配对期，是同源染色体配对的时期。是同源染色体配对的时期。A、配对、

32、从端粒与核膜的接触斑处、配对、从端粒与核膜的接触斑处开始联会，出现联会复合体开始联会，出现联会复合体(synaptonemal complex.SC）、二价体（、二价体（bivalent）、四分体（）、四分体（tetrad）。）。B、合成约、合成约0.3%左右的左右的DNA，称为，称为zygDNA。粗线期粗线期A、染色体进一步浓缩，变粗变短，并与核膜继、染色体进一步浓缩，变粗变短，并与核膜继续保持接触续保持接触B、出现重组结，同源染色体的非姊妹染色单体、出现重组结，同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期间发生交换的时期C、合成、合成P-DNAD、合成减数分裂专有的组蛋白，并将体细胞类、合成

33、减数分裂专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部置换下来型的组蛋白部分或全部置换下来E、卵母细胞中，扩增、卵母细胞中，扩增rDNA，参与形成附加的，参与形成附加的核仁核仁双线期双线期A A、联会的同源染色体相互排斥、开始分、联会的同源染色体相互排斥、开始分离，出现交叉，离，出现交叉，B B、联会复合体消失、联会复合体消失 补充：植物细胞双线期一般较短，许补充：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已达双线期，而一直到排卵都停在双线期，排卵年龄

34、大约在线期，排卵年龄大约在12125050岁之间岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二阶无脊椎动物的昆虫中，双线期的二阶体去凝集而形成灯刷染色体，这一时体去凝集而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。期是卵黄积累的时期。 终变期终变期A A、二价体显著变短、二价体显著变短B B、由于交叉端化，故交叉数目、由于交叉端化，故交叉数目减少，通常只有一至二个交减少，通常只有一至二个交叉，仅在端部和着丝粒处叉，仅在端部和着丝粒处C C、核仁此时开始消失，核被膜、核仁此时开始消失，核被膜解体解体中期中期减数分裂中期减数分裂中期与一般与一般有

35、丝分裂中期相似，每有丝分裂中期相似，每个染色体的两个着丝粒个染色体的两个着丝粒分别位于染色体的两侧分别位于染色体的两侧，分别与从两极出发的，分别与从两极出发的纺锤体微管相连接。纺锤体微管相连接。动粒与纺锤体的联系示意图动粒与纺锤体的联系示意图（三）减数分裂过程的特殊结构及其变化（三）减数分裂过程的特殊结构及其变化1、性染色体的分离、性染色体的分离1）雌性性染色体：）雌性性染色体：XX，在减数分裂过程中像常染色体一样进行正常配，在减数分裂过程中像常染色体一样进行正常配对、交换和分离。对、交换和分离。2）雄性性染色体：）雄性性染色体：XY or XO 两条性染色体的形态结构不同，基因含量不同；两条

36、性染色体的形态结构不同，基因含量不同； 含同源区段的含同源区段的XY染色体在前期染色体在前期可以进行配对；可以进行配对； 不管不管XY 配对与否，二者在分裂中期配对与否，二者在分裂中期排列到赤道面上，随常染色体排列到赤道面上，随常染色体分离而相互分离；分离而相互分离； 第二次减数分裂，第二次减数分裂，XY和常染色体一样，两条姐妹染色单体进行分离和常染色体一样，两条姐妹染色单体进行分离。2、联会复合体和基因重组、联会复合体和基因重组联会复合体和基因重组：联会复合体和基因重组：联会复合体联会复合体是同源染色体之间在是同源染色体之间在减数分裂前期联会时所形成的减数分裂前期联会时所形成的一种临时性结构

37、。一种临时性结构。在同源染色体联会处沿其长轴分在同源染色体联会处沿其长轴分布，由中央成分和两侧成分共布，由中央成分和两侧成分共同构成。同构成。DNA拓扑酶拓扑酶存在于侧成分和其存在于侧成分和其周围的染色质中周围的染色质中DNA片段多为片段多为50550bp末期末期后期后期二价体的两条同源染色体分开，分别向二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。两极移动。同源染色体随机分向两极，染色体重组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，人类染色体重组概率有2 22323个。个。第三节第三节 细胞周期的调控细胞周期的调控(Cell-Cycle Control) MPF的发现及其作用的

38、发现及其作用 MPF 的真面目的真面目周期蛋白周期蛋白CDK激酶和激酶和CDK激酶抑制物激酶抑制物细胞周期运转调控制细胞周期运转调控制其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用一、一、MPF的发现及其作用的发现及其作用MPF：Maturation-promoting factor，促成熟因子；，促成熟因子；Mitosis-promoting factor，促细胞分裂因子，促细胞分裂因子细胞融合与细胞融合与PCC 1970s Rao和和Johnson发现与发现与M期细胞期细胞(Hela)融合的融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体。间期细胞染色体发

39、生凝缩，称为早熟凝集染色体。 早熟染色体凝集的特点早熟染色体凝集的特点 爪蟾卵子成熟过程爪蟾卵子成熟过程 MPF的发现的发现74人人M期细胞与袋鼠（期细胞与袋鼠（Ptk）G1、S、G2期细胞融合诱导期细胞融合诱导PCC：提示：提示M期细胞存在诱导期细胞存在诱导PCC的因子；的因子； G1期期PCC为单线状，因为单线状，因DNA未复制。未复制。 S期期PCC为粉末状，因为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。由多个部位开始复制。 G2期期PCC为双线染色体，说明为双线染色体，说明DNA复制已完成。复制已完成。处于处于IV的爪蟾卵母细胞（的爪蟾卵母细胞（RD前期前期I），具），具GV（生发泡）（生发

40、泡） 分为分为-期。期。-期为生长阶段，发育到期为生长阶段，发育到期时细胞达到一定体积，期时细胞达到一定体积，停止生长，等待成熟。此时含有一个体积较大的核，称为生发泡停止生长，等待成熟。此时含有一个体积较大的核，称为生发泡（germinal vesicle，GV）。此时处于第一次减数分裂前期阶段。）。此时处于第一次减数分裂前期阶段。 在孕酮的刺激下，在孕酮的刺激下，GV破裂，染色体凝集，并进行第一次减数分裂。破裂，染色体凝集，并进行第一次减数分裂。之后又马上进行第二次减数分裂，并停留在中期。之后又马上进行第二次减数分裂，并停留在中期。Masui和和Markert(1971)用孕酮处理未成熟非洲

41、爪蟾卵母用孕酮处理未成熟非洲爪蟾卵母细胞令其成熟，将其胞质显微注射于另一个未成熟卵母细细胞令其成熟，将其胞质显微注射于另一个未成熟卵母细胞中，结果导致后者发生减数分裂，此成熟卵母细胞胞质胞中，结果导致后者发生减数分裂，此成熟卵母细胞胞质可继续依上法诱导另一个受体卵母细胞成熟。他们将此种可继续依上法诱导另一个受体卵母细胞成熟。他们将此种活性因子称为成熟促进因子活性因子称为成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF) 。二、二、 MPF 的真面目的真面目 p34cdc2激酶的发现激酶的发现周期蛋白周期蛋白(cyclin)的发现的发现78p34cdc2激酶的发现激酶

42、的发现1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 以芽殖以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变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株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene, cdc)。 如：如：Hartwell等发现芽殖酵母等发现芽殖酵母cdc28温度敏感突变株温度敏感突变株在非适宜温度下，使大部分细胞阻断在非适宜温度下，使大部分细胞阻断G1/S，小部，小部分被阻断在分被阻断在G2/M；79P.Nurse 用裂殖酵母进行了类似的研究，发现用裂殖酵母进行了类似的研究，发现c

43、dc2 基因基因，表达蛋白，表达蛋白p34cdc2 ，具有双重功能，即可使细胞周期阻，具有双重功能，即可使细胞周期阻断于断于G1/S，同时对，同时对G2/M期的转换也是关键因子。期的转换也是关键因子。cdc2和和cdc28序列有序列有69的同源性、都编码一种约的同源性、都编码一种约34kDa的丝氨酸苏氨酸蛋白激酶的丝氨酸苏氨酸蛋白激酶(p34)。它们的功能可。它们的功能可以互换。以互换。进一步研究发现，不管是进一步研究发现，不管是p34cdc2或或p34cdc28，其本身并不，其本身并不具有激酶活性，只有当其与有关蛋白质结合后，其激酶活具有激酶活性，只有当其与有关蛋白质结合后，其激酶活性才能够

44、表现出来。性才能够表现出来。80周期蛋白周期蛋白(cyclin)的发现的发现80年代初，年代初， Tim Hunt为代表的科学家，在海胆为代表的科学家，在海胆胚胎发育早期卵裂蛋白中，发现一类分子量约胚胎发育早期卵裂蛋白中，发现一类分子量约45-60kDa的蛋白质水平随细胞周期而剧烈振荡，因的蛋白质水平随细胞周期而剧烈振荡，因此将其命名为周期蛋白此将其命名为周期蛋白(cyclin)。根据它们序列上。根据它们序列上的细微差别分为的细微差别分为cyclin A和和cyclin B。进一步研究发现，周期蛋白为诱导细胞进入进一步研究发现，周期蛋白为诱导细胞进入M期期所必需。后来发现各类动物来源的细胞周期

45、蛋白所必需。后来发现各类动物来源的细胞周期蛋白的的mRNA，其翻译产物均能诱导蛙卵的成熟。，其翻译产物均能诱导蛙卵的成熟。81MPF 的真面目的真面目 1988 年年Lohka最终将非洲爪蟾卵的最终将非洲爪蟾卵的MPF 纯化，由纯化，由1000ml的的卵母细胞中纯化得到微克级的蛋白卵母细胞中纯化得到微克级的蛋白MPF由由32kD和和45kDa二种二种蛋白组成，其中蛋白组成，其中32kD为丝氨酸苏氨酸蛋白激酶。为丝氨酸苏氨酸蛋白激酶。 Paul Nurse（1990）进一步的实验证明，当用抗）进一步的实验证明，当用抗p34cdc2保守保守区的抗体以免疫印迹检测纯化的区的抗体以免疫印迹检测纯化的M

46、PF时，可以识别此时，可以识别此32kD（ P32 ）蛋白，）蛋白， 因此，因此，P32蛋白蛋白实际上是实际上是p34cdc2的同源物。的同源物。 在海星纯化的在海星纯化的MPF中也含有可被此抗体识别的中也含有可被此抗体识别的cdc2 产物。对产物。对MPF 45kD 蛋白的测序发现，它就是过去在海胆、海星、海蛋白的测序发现，它就是过去在海胆、海星、海蛤等海洋生物中发现的一类蛋白质，即蛤等海洋生物中发现的一类蛋白质，即周期蛋白周期蛋白。2001年年10月月8日美国人日美国人Leland Hartwell、英国人、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控因对细胞周期调

47、控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖 83 MPF 的真面目的真面目 MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶蛋白激酶；MPF是由是由cdc基因编码的基因编码的周期蛋白依赖性激酶周期蛋白依赖性激酶 (cyclin-dependent kinase，CDK) 和周期蛋白和周期蛋白形成的复合物。形成的复合物。 MPF=p34cdc2+cyclin B 84MPFcyclinCDK蛋白蛋白调节亚单位调节亚单位催化亚单位催化亚单位MPF的生化成分：含有两个亚单位的生化成分：含有两个亚单位MPF家族家族 在高等真核生物中，在高等真核生物中，cy

48、clin家族成员根据其序列的相似家族成员根据其序列的相似及生理功能被分为不同类型，迄今已被鉴定出的有及生理功能被分为不同类型，迄今已被鉴定出的有cyclin A、B、C、D、E、F、G、H 等；等； 酵母细胞的酵母细胞的G1 期周期蛋白有期周期蛋白有CLN1 、CLN2、CLN3等等30多种。多种。Cdk 家族成员有家族成员有Cdk1(Cdc2) 、Cdk2、Cdk3 、Cdk4、Cdk5、Cdk6、Cdk7等。等。每种每种Cdk 结合不同类型的结合不同类型的cyclin，协调配合，调节细胞，协调配合，调节细胞从从G1-S、G2-M和退出有丝分裂的各个进程。现将它们和退出有丝分裂的各个进程。现

49、将它们及一些主要的调控分子称为细胞周期的引擎及一些主要的调控分子称为细胞周期的引擎(engine)分分子。子。Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能复合物的活化与功能 活化活化 随随Cyclin浓度变化而变化浓度变化而变化 激酶与磷酸酶的调节，激酶与磷酸酶的调节， 活化的活化的MPF可使更多的可使更多的MPF活化活化 功能：启动细胞从功能：启动细胞从G2期进入期进入M期的相关事件期的相关事件在细胞周期中周期蛋白和MPF的波动 CDK1的调节与活化; CAK=CDK1-Activiting KinaseMPF之所以能够诱之所以能够诱导细胞进入有丝分导细胞进入有丝分裂裂, 可能是可

50、能是MPF的蛋的蛋白激酶亚基将某些白激酶亚基将某些特殊蛋白质磷酸化特殊蛋白质磷酸化的结果。大量的研的结果。大量的研究工作表明究工作表明, 蛋白质蛋白质的磷酸化和去磷酸的磷酸化和去磷酸化化, 同染色质的凝集同染色质的凝集与去凝集、有丝分与去凝集、有丝分裂的启动、核仁的裂的启动、核仁的功能、核膜的崩溃功能、核膜的崩溃和重建等均有密切和重建等均有密切的关系。的关系。 核纤层的磷酸化及去聚合 三、细胞周期蛋白三、细胞周期蛋白特点：在细胞周期中呈周期性变化。特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框（周期蛋白框（cyclin bo

51、x），），介导周期蛋白与介导周期蛋白与CDK结合。结合。M期周期蛋白期周期蛋白N端有破坏框，端有破坏框，M周期蛋白在遍在蛋周期蛋白在遍在蛋白介导下降解促使细胞退出有丝分裂白介导下降解促使细胞退出有丝分裂 ；G1期周期蛋白：期周期蛋白：C端含端含PEST序列（富含哺氨酸序列（富含哺氨酸（P）、谷氨酸（）、谷氨酸（E）、丝氨酸（）、丝氨酸（S）和苏氨酸（）和苏氨酸（T）的残基序列，称之为）的残基序列，称之为PEST序列，与蛋白质的序列，与蛋白质的降解有关降解有关 ）。）。93部分周期蛋白结构特征（除部分周期蛋白结构特征（除Cln3外，均为人的周期蛋外，均为人的周期蛋白分子）白分子）有丝分裂周期蛋白

52、聚遍在蛋白化作用有丝分裂周期蛋白聚遍在蛋白化作用 作用：激活作用：激活CDK，引导，引导CDK作用于不同底物。不作用于不同底物。不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时期不同，并与同的周期蛋白在细胞周期中表达的时期不同，并与不同的不同的CDK结合，调节不同的的结合，调节不同的的CDK激酶活性。激酶活性。已知已知30余种：在高等真核生物中，余种：在高等真核生物中，cyclin家族成员家族成员根据其序列的相似及生理功能被分为不同类型，迄根据其序列的相似及生理功能被分为不同类型，迄今已被鉴定出的有今已被鉴定出的有cyclin A、B、C、D、E、F、G、H 等；等； 酵母细胞的酵母细胞的G1 期周期蛋白有

53、期周期蛋白有CLN1 、CLN2、CLN3等。等。分为分为4类：类：G1型、型、G1/S型、型、S型、型、M型。型。96部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期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中的积累及其与CDK激酶活性的关系激酶活性的关系四、四、CDK激酶和激酶和CDK激酶抑制物激酶抑制物uCdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周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期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)。Cdc2又被称为又被称为CDK1，可将特定蛋白磷酸化，促进细胞周，可将特定蛋白磷酸化，促进细

54、胞周期运行，因此，期运行，因此，CDK 激酶和其调节因子又被称作细胞周期激酶和其调节因子又被称作细胞周期引擎。引擎。 如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失； 将将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。磷酸化导致染色体的凝缩等。u目前已发现并命名的目前已发现并命名的CDK激酶包括激酶包括CDK1,CDK2CDK12等等，不同的，不同的CDK激酶所要求结合的周期蛋白不同，在细胞中激酶所要求结合的周期蛋白不同，在细胞中执行的调节功能也不同。执行的调节功能也不同。98某些某些CDK与周期蛋白的配对关系及执行功能的时期与周期蛋白的配对关系及执行功能的时期 各

55、种各种CDK分子均含分子均含有一段相似的激酶结有一段相似的激酶结构域。这一区域有一构域。这一区域有一段保守序列，即段保守序列，即 PSTAIRE（脯丝苏丙（脯丝苏丙异亮精苯丙），与周异亮精苯丙），与周期蛋白的结合有关。期蛋白的结合有关。CDK抑制物（抑制物（CDK inhibitor，CDKI） 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制细胞周期蛋白依赖性激酶抑制物物对细胞周期起负调控对细胞周期起负调控作用，目前发现的作用，目前发现的CKI分为两大家族：分为两大家族：Ink4(Inhibitor of cdk 4)，如，如P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、 P19ink4d，特异性抑制，特

56、异性抑制cdk4cyclin D1、cdk6cyclin D1复合物。复合物。Kip(Kinase inhibition protein)：包括：包括P21cip1 (cyclin inhibition protein 1)、P27kip1(kinase inhibition protein 1)、P57kip2等，能抑制大多数等，能抑制大多数CDK的激酶活性，的激酶活性，P21cip1还还能与能与DNA聚合酶聚合酶的辅助因子的辅助因子PCNA（proliferating cell nuclear antigen）结合，直接抑制）结合，直接抑制DNA的合成的合成101五、细胞周期运转调控制五、

57、细胞周期运转调控制 CDK激酶对细胞周期起核心性的调控作用，激酶对细胞周期起核心性的调控作用，不同的不同的cyclin结合不同的结合不同的CDK，构成不同的，构成不同的CDK激酶，不同的激酶，不同的CDK激酶在激酶在细胞周期细胞周期不同时期表现不同时期表现出活性，对细胞周期进行不同的调节。出活性，对细胞周期进行不同的调节。 Cyclin-Cdk复合物的多样性：复合物的多样性：102Cyclin-Cdk复合物的多样性复合物的多样性 G1 S G2/M Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Budding Yeast CLN1,2,3-CDC28 CLB5,(3,4)-

58、CDC28 CLB1,2(3,4)-CDC28 Fission Yeast CIG1-CDC2 CIG2-CDC2 CIG13-CDC2 Higher Eukaryotes CyclinD1,2,3-CDK4/6 CyclinA-CDK2 CyclinB-CDC2 CyclinE1,2-CDK2G1 SubstratesS SubstratesG2/M SubstratesGrowth and MorphogenesisDNA ReplicationMitosis哺乳动物细胞周期调控的模式图哺乳动物细胞周期调控的模式图 （一）（一）G2/M期转化与期转化与CDK1激酶激酶的关键性调控作用的关键

59、性调控作用CDK1激酶活性首先依赖于周期蛋白激酶活性首先依赖于周期蛋白B含量含量的积累；周期蛋白的积累；周期蛋白B 的含量达到一定值并的含量达到一定值并与与CDK蛋白结合，同时在其他因素的调节蛋白结合，同时在其他因素的调节下，逐渐表现出最大酶活性。下，逐渐表现出最大酶活性。周期蛋白周期蛋白A也可以与也可以与CDK1结合成复合体，结合成复合体，表现出表现出CDK1激酶活性。激酶活性。105CDK1激酶活性首先依赖于周期蛋白激酶活性首先依赖于周期蛋白B含量的积累；周期蛋白含量的积累；周期蛋白B B的含量达到一定值并与的含量达到一定值并与CDK蛋白结合，同时在其他因素的调节下蛋白结合，同时在其他因素

60、的调节下，逐渐表现出最大酶活性。，逐渐表现出最大酶活性。CDK1激酶活性受多种因素的综合调节，仅激酶活性受多种因素的综合调节，仅周期蛋白与周期蛋白与CDK结合并不能使结合并不能使CDK1激活，激活，还需其他修饰才能表现出活性。还需其他修饰才能表现出活性。CDK1通过使某些蛋白质磷酸化，改变其下通过使某些蛋白质磷酸化，改变其下游某的某些蛋白质结构和启动其功能，实游某的某些蛋白质结构和启动其功能，实现其对细胞周期的调节。现其对细胞周期的调节。107CDK蛋白本身不具有蛋白激酶活性。蛋白本身不具有蛋白激酶活性。周期蛋白周期蛋白B/A含量积累到一定值时，二含量积累到一定值时，二者互相结合成复合体，但不