细胞分裂和细胞周期

1、姚嘉宜姚嘉宜2012201205050909细胞分裂和细胞周期 一切细胞来自细胞“一切细胞来自细胞”细胞周期细胞周期是指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历是指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。的过程。分裂期（分裂期（M M期）：期）：（无丝分裂、有丝分裂、减数分裂）前期，中期，后期，末期 间期：间期：DNA合成前期（G1期）DNA合成期（S期）DNA合成后期（G2期）一一、无丝分裂（无丝分裂（amitosisamitosis）特点：1.不形成纺缍体，也不形成染色体； 2.遗传物质不一定平均分配到两个子细胞。二二、有丝分裂（有丝分裂（mitosismitosis）有丝分裂分期

2、：有丝分裂分期：间期间期(interphase(interphase）；）；前期前期(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)。 其中间期包括其中间期包括G1G1期、期、S S期期和和G2G2期，主要进行期，主要进行DNADNA复复制、中心体复制、细胞体积制、中心体复制、细胞体积增大等准备工作。增大等准备工作。1 1）前期）前期特征：染色质凝集、分裂极确定、核仁缩小并解体。

3、凝缩蛋白和染色体凝集 染色体结构维持蛋白(SMC)是20世纪90年代初发现的一类蛋白。凝缩蛋白凝缩蛋白(condensin)(condensin)由两个SMC亚基（Smc2,Smc4）和三个非SMC亚基组成,是染色质的构成部分,参与有丝分裂染色体集缩和分离。粘连蛋白粘连蛋白(cohesin)(cohesin)由smc1,smc3, scc1,scc3组成蛋白复合体，促成姐妹染色体之间的缔合。1 1）微管的极性）微管的极性（复习：细胞骨架内容） 微管的组装和极性微管是以二聚体作为基本构件进行组装的，并且是以首尾排列的方式进行组装，所以每一根原纤维都有相同的极性(方向由负极到正极)，这样, 组装成

4、的微管的一端是-微管蛋白亚基组成的环，而相对的一端是以-微管蛋白亚基组成的环。极性的另一层涵义是两端的组装速度是不同的, 正端生长得快, 负端则慢, 同样, 如果微管去组装也是正端快负端慢分裂极确定：马达蛋白与中心体极向移动2）体内组装）体内组装微管组织中心（微管组织中心（microtubule organizing center ，MTOCs） 微管进行组装的区域，着丝粒、成膜体、中心体、基体均具有微管组织中心的功能。所有微管组织中心都具有微管球蛋白，这种球蛋白的含量很低，可聚合成环状复合体，像模板一样参与微管蛋白的核化，帮助和球蛋白聚合为微管纤维。体内组装体内组装 微管结合而起运输作用的马

5、达蛋白有两大类：微管结合而起运输作用的马达蛋白有两大类：驱动蛋驱动蛋白白kinesinkinesin，动力蛋白，动力蛋白dyneindynein，两者均需两者均需ATPATP提供能量提供能量。A. 驱动蛋白（驱动蛋白（kinesin）：）： 发现于1985年，是由两条轻链和两条重链构成的四聚体，外观具有两个球形的头（具有ATP酶活性）、一个螺旋状的杆和两个扇子状的尾。向着微管（向着微管（+）极运输小泡）极运输小泡。B. B. 动力蛋白动力蛋白(Dynein):(Dynein):发现于1963年，由两条相同的重链和一些种类繁多的轻链以及结合蛋白构成。其作用主要有以下几个方面：在细胞分裂中推动染色

6、体的分离、驱动鞭毛的运动、向着微管向着微管（- -）极运输小泡。）极运输小泡。 马达蛋白与中心体极向移动马达蛋白与中心体极向移动动粒微管（kinetochore mt）：由中心体发出，连接在着丝点上，负责将染色体牵引到纺锤体上，着丝点上具有马达蛋白。星体微管（astral mt）：由中心体向外放射出，末端结合有分子马达，负责两极的分离，同时确定纺锤体纵轴的方向。极性重叠微管（polar mt或overlap mt）：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。 有两类马达蛋白参与染色体、分裂极的分离，一类是dynein，另一类是kinesin。2 2）前中期）前中期

7、特点：核膜崩解，纺锤体形成， 染色体向赤道面移动。核膜崩解和蛋白质磷酸化。核孔复合体蛋核孔复合体蛋白质磷酸化发白质磷酸化发生解聚生解聚内核膜及临近内核膜及临近核纤层蛋白磷核纤层蛋白磷酸化发生解聚酸化发生解聚解聚蛋白形成解聚蛋白形成短片及小泡散短片及小泡散于细胞质中于细胞质中 纺锤体形成及其机制纺锤体形成及其机制纺锤体(Spindle Apparatus)产生于细胞分裂细胞分裂前初期(Pre-Prophase)到末期(Telophase)的一个特殊细胞器。其主要元件包括微管(Microtubules)，附着微管的动力分子分子马达(Molecular motors),以及一系列复杂的超分子结构。一

8、般来讲，在动物细胞中，中心体也是纺锤体的一部分。动粒微管形成：( (复习：细胞核内容复习：细胞核内容) )着丝粒及动粒着丝粒及动粒着丝粒着丝粒：染色体中将两条姐妹染色单体结合起来的区域。由无编码意义的高度重复DNA序列组成，一般位于染色体的主缢痕或染色体端部，使姐妹染色单体连在一起，在其两侧各有一由蛋白质构成的动粒。动粒动粒：由多种蛋白质在有丝分裂染色体着丝粒部位形成的一种圆盘状结构。微管与之连接，与染色体分离密切相关。每一个中期染色体含有两个动粒，位于着丝粒的两侧。动粒结构域：内板中间间隙外板中心结构域：富含高度重复DNA序列，高度浓缩的异染色质所组成。配对结构域：姐妹染色单体间的相互作用位

9、点，已知的蛋白有内部着丝粒蛋白(INCENP)和染色单体连接蛋白(CLIPS)。 中心体放出星体纤维和动粒结合，动粒微管形成。 染色体沿该微管向中心粒移动。 来自纺锤体另一面的微管结合于染色体另一姐妹染色单体的动粒上，实现了纺锤体双极对染色体的稳定附着。3 3）中期）中期(metaphase)(metaphase)特点： 染色体达到最大程度的聚集，赤道板形成。4) 4) 后期（后期（anaphaseanaphase）特点：姐妹染色单体分离，子代染色体形成并移向细胞两极。分离染色单体的极向运动依靠纺锤体微管的牵引完成，包括过程A.微管正端的微管蛋白去组装，缩短长度，带动染色体的动粒向两极移动。B

10、.通过使极性微管延长，细胞两极间距离增大，使染色体发生极向运动。5 5）末期）末期(telophase)(telophase)特点：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。6) 胞质分裂特点：胞质收缩环（肌动蛋白、肌球蛋白II、及多种结构蛋白、调节蛋白组成的环状结构。）三、减数分裂三、减数分裂（meiosis） 定义：减数分裂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）。对维持世代遗传的稳定性、生物变异及多样性具有一定作用。减数分裂减数分裂I I1.1.前期前期I:

11、I: 减数分裂的特殊过程主要发生在前期减数分裂的特殊过程主要发生在前期I I细线期（细线期（leptotene leptotene ）合线期（合线期（zygotene zygotene ）粗线期（粗线期（pachytenepachytene）双线期（双线期（diplotenediplotene）终变期（终变期（diakinesisdiakinesis） 细线期：染色质开始凝集呈细丝状。细线期：染色质开始凝集呈细丝状。 偶线期（合线期）：偶线期（合线期）： 特点：同源染色体配对特点：同源染色体配对联会（联会（synapsissynapsis）。）。 联会：细线期中两条同源染色体随机排列，到了偶线

12、期同源染色体与核膜相连的部分（端粒）移位在一起，然后它们的侧面沿中轴紧密相贴进行配对，形成四分体。 联会复合体：在联会部位（紧密相贴处）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。 粗线期：染色体明显变粗变短；同源染色体的非姊妹染色单体粗线期：染色体明显变粗变短；同源染色体的非姊妹染色单体间发生间发生DNADNA的片断互换的片断互换（crossing-over)crossing-over)，在光镜下可看到交叉，在光镜下可看到交叉(chiasma)(chiasma)现象，可产生新的等位基因组合。现象，可产生新的等位基因组合。 双线期：同

13、源染色体开始逐渐分开，但仍有几处相连；双线期：同源染色体开始逐渐分开，但仍有几处相连； 联会复合体联会复合体消失。消失。 终变期：染色体进一步浓缩，交叉端化。终变期：染色体进一步浓缩，交叉端化。2. 2. 中期中期 二价体排列在赤道面上，染色体的形态因着丝粒位置不同而异。二价体排列在赤道面上，染色体的形态因着丝粒位置不同而异。3. 3. 后期后期 同源染色体在纺缍丝牵引下向两极移动，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非同源染色体自由组合。4. 4. 末期末期 两极各得到两极各得到n n条染色体，数目由条染色体，数目由2nn2nn。减数分裂减数分裂IIII可分为前、中、后、

14、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。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。 减数分裂的生物学意义：减数分裂的生物学意义： 使有性生殖生物体的染色体数目世代保持恒定。使有性生殖生物体的染色体数目世代保持恒定。 同源染色体配对、交换重组、非同源染色体自由组合形成了众同源染色体配对、交换重组、非同源染色体自由组合形成了众多的由不同染色体组成的配子（多的由不同染色体组成的配子（2 22323），增加了变异性，扩大了后），增加了变异性，扩大了后代的变异范围，增强了个体对环

15、境的适应性。代的变异范围，增强了个体对环境的适应性。 为遗传三大定律的细胞学基础。为遗传三大定律的细胞学基础。基因的分离定律基因的自由组合定律基因的连锁和交换定律四、细胞周期四、细胞周期 1、概念：由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。 间期（Interphase）: G1-S-G2 分裂期（M phase）: Mitosis, CytokinesisLeland HartwellBiodesign InstituteCo-director, Center for Sustainable HealthPaul NurseChief Executive and DirectorFran

16、cis Crick InstituteTimothy HuntCancer Research UK South MimmsUniversity of Cambridge这一研究成果有可能对于攻克癌症这种顽症有重大的启示作用。所有癌细胞的循环周期中都存在缺陷，此项重大的发现只是为研究这一循环周期对癌细胞的影响打下了一个基础。2001年诺贝尔生理医学奖年诺贝尔生理医学奖-细胞周期调控机理细胞周期调控机理Rao和Johnson(1970、1972、1974)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

17、(prematurely condensed chromosome，PCC)，这种现象叫做早熟染色体凝集(premature chromosome condensation)。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。1960s Leland Hartwell以芽殖酵母为实验材料，利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株，分离出了几十个与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene，CDC)。如芽殖酵母的cdc28基因，在G2/M转换点发挥重要的功能。Hartwell还通过研究

18、酵母菌细胞对放射线的感受性，提出了checkpoint（细胞周期检验点）的概念，意指当DNA受到损伤时，细胞周期会停下来。1970s Paul Nurse等人以裂殖酵母为实验材料，同样发现了许多细胞周期调控基因，如：裂殖酵母cdc2、cdc25的突变型和在限制的温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，而cdc25和wee1都发生突变的个体却会正常地分裂。进一步的研究发现cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行。而weel和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。1983年Timothy Hunt首次发现海胆卵受精后，在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧

19、烈振荡，在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M结束后突然消失，下轮间期又重新合成，故命名为周期蛋白(cyclin)。后来在青蛙、爪蟾、海胆、果蝇和酵母中均发现类似的情况，各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。细胞周期的生物化学事件细胞周期的生物化学事件 G1G1期期-DNA-DNA合成前期合成前期 DNA复制相关蛋白的合成 细胞生长相关蛋白的合成 触发蛋白等的合成 S S期期-DNA-DNA合成期合成期 DNA和组蛋白合成 中心粒复制 G2G2期期-DNA-DNA合成后期合成后期 微管及其染色体凝集相关蛋白合成 M M期期-有丝分裂有丝分裂, ,减数分裂减数分裂 细胞周期

20、长细胞周期长度度Some eukaryotic cell cycle timesThe greatest variation occurs in the duration of G1增殖型细胞：增殖型细胞： 细胞周期中能持续分裂的细胞，包括上皮基底型细胞、部分骨髓细胞、性细胞周期中能持续分裂的细胞，包括上皮基底型细胞、部分骨髓细胞、性细胞等。细胞等。暂不增殖型细胞：细胞在受到刺激后进入细胞周期开始分裂的细胞，包括肝脏和肾脏细暂不增殖型细胞：细胞在受到刺激后进入细胞周期开始分裂的细胞，包括肝脏和肾脏细胞等。胞等。不增殖型细胞：结构和功能都高度特化的，致死也不分裂的细胞，包括神经细胞、肌肉不增殖型

21、细胞：结构和功能都高度特化的，致死也不分裂的细胞，包括神经细胞、肌肉细胞及成熟红细胞等。细胞及成熟红细胞等。2. 2. 细胞周期调控细胞周期调控1 1）细胞周期所需蛋白和激酶）细胞周期所需蛋白和激酶特点：在细胞周期中呈周期性变化。含特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约有一段约100100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，介导周期蛋白与周期蛋白框，介导周期蛋白与CDKCDK结合。结合。作用：激活作用：激活CDKCDK，引导引导CDKCDK作用于不同底作用于不同底物。物。已知已知3030余种，在脊椎动物中为余种，在脊椎动物中为A1-2A1-2、B1-3 B1-3 、

22、C C、 D1-3 D1-3、E1-2E1-2、F F、G G、H H等。等。分为分为4 4类：类：G1G1型、型、G1/SG1/S型、型、S S型、型、M M型型。细胞周期蛋白（细胞周期蛋白（cyclincyclin）细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶（细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinasecyclin-dependent kinase，CdkCdk）在动物中已知8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。CDK活性周期性变化启动和调节DNA复制、有丝分裂与细胞质分裂。CDK种类种类可能结合的周期蛋白可能

23、结合的周期蛋白执行功能的可能时期执行功能的可能时期CDK1（p34cdc2 ）A，B1，B2，B3G2/MCDK2A，D1，D2，D3，EG1/S，SCDK3G1/SCDK4D1，D2，D3 G1/SCDK5D1，D3CDK6D1，D2，D3G1/SCDK7HCDK8CCDK/cyclinCDK/cyclin复合体复合体 脊椎动物脊椎动物 芽殖酵母芽殖酵母 激酶复合体激酶复合体 Cyclin CDK Cyclin CDK G1-CDK Cyclin D* CDK4 、6 Cln 3 CDK1(CDC28) G1/S-CDK Cyclin E CDK2 Cln 1、 2 CDK1(CDC28)

24、S-CDK Cyclin A CDK2 Clb 5、 6 CDK1(CDC28) M-CDK Cyclin B CDK1(CDC2) Clb 1-4 CDK1(CDC28) 2）细胞周期蛋白依赖性激酶的活化Cdk的两个氨基酸残基位点的磷酸化和其活性有密切的关系。Thr161位于T环上，磷酸化后结合能力增强，Cdk活性增高。Tyr15存在于Cdk与ATP结合的区域，其磷酸化发生于Thr161前。当Thr161被磷酸化后，Tyr15再发生去磷酸化，cdk被激活细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白（细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白（Cdk inhibitor proteinCdk inhibitor pro

25、tein，CKICKI） CDK inhibitor, CKI对细胞周期起负调控作用，分为：Ink4(Inhibitor of cdk 4): P16ink4a, P15ink4b, P18ink4c, P19ink4d。特异性抑制cdk4cyclin D1, cdk6cyclin D1。Kip(Kinase inhibition protein)：P21cip1 、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结合，直接抑制DNA的合成。3）细胞周期蛋白依赖性激酶的抑制CDI的抑制作用Cdk的磷酸化调控（Weel促磷酸化，Cdc

26、25去磷酸化）SKP1-CUL1-F-box-protein complex (SCF) and the APC/CSCF activity is involved in G1/S transition, whereas APC/C regulates the progression through mitosis and G14）细胞周期蛋白及其激酶的泛素化降解2 2、细胞周期各期特点和调控、细胞周期各期特点和调控G1G1期期(gap1)(gap1) :指从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间，染色质去凝集，合成某些RNA及蛋白质，为DNA复制作准备。RNA聚合酶活性增高，蛋白质含量增加。

27、 触发蛋白,钙调蛋白蛋白质磷酸化（组蛋白和非组蛋白）。细胞膜对物质的转运作用增强。G1G1期调控期调控G1期周期蛋白期周期蛋白G1期周期蛋白激酶期周期蛋白激酶蛋白底物蛋白底物作用作用D(D1,D2,D3)CDK4, CDK6RBG1/S期转化所必需期转化所必需ECDK2p107S期启动所必需期启动所必需A？CDK2p107G1/S期转化和期转化和DNA复制复制S S期（期（synthesis phasesynthesis phase）DNADNA复制期复制期DNADNA复制复制组蛋白合成组蛋白合成组蛋白持续磷酸化组蛋白持续磷酸化中心粒复制中心粒复制S S期调控期调控复制前复合体（pre-RC）

28、:起点识别复合体（ORC）+Cdc6+Mcm S-Cdk（cyclin A+Cdk 2): ORC磷酸化激活复制点，激活Mcm的解旋酶功能；复制后磷酸化复制前复合体使Cdc6降解，同时使Mcm向核外转运，阻止DNA复制再次启动。磷酸化 cdc6、ORC、McmG2G2期期(gap2)(gap2) : :指指DNADNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间. .合成合成某些某些RNARNA及蛋白质，其它结构物质和亚细胞结构也为细胞分裂进行及蛋白质，其它结构物质和亚细胞结构也为细胞分裂进行了必要的准备。了必要的准备。合成纺锤丝所需的微管蛋白合成纺锤丝所需的微管蛋白促成熟因子（促成熟因子（MPFMPF）形成）形成分裂期所需的蛋白质分裂期所需的蛋白质中心体体积增大移向两极中心体体积增大移向两极Rao和Johnson将Hela细胞同步于不同阶段，然后与M期细胞混合，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。提示M期中有促进染色质凝集的因子早在1960s，Y.Masui等