细胞分裂和细胞周期调控

1、第一节第一节 细胞分裂细胞分裂 (cell division)(amitosis)(mitosis)(meiosis)一、无丝分裂一、无丝分裂(amitosis)(amitosis)二、有丝分裂二、有丝分裂(mitosis)(mitosis) （一）（一）前期前期 （二）（二）前中期前中期（三）（三）中期中期（四）（四）后期后期（五）（五）末期末期(一一) 前期前期(prophase)(prophase) S S期末，中心粒复制，形成两个中期末，中心粒复制，形成两个中心体。在前期开始，移向细胞两心体。在前期开始，移向细胞两极，并组织微管生长，由两极形极，并组织微管生长，由两极形成的微管通过微管

2、结合蛋白在正成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连。极末端相连。(二二) 前中期前中期(prometaphase(prometaphase) )纺锤体捕获染色体纺锤体捕获染色体(三三)中期中期(metaphase)(metaphase)equatorial planeequatorial plane有有丝丝分分裂裂器器vThe pushing and pulling forces drive the chromosomes to the metaphase plateMT behavior during formation of the metaphase plate. Initially,M

3、T from opposite poles are different in length.Experimental demonstration of the importance of mechanical tension in metaphase checkpoint control.(四四) 后期后期(anaphase)(anaphase)Anaphase A and Anaphase B后期后期A:微管去聚合假说微管去聚合假说后期后期B：纺锤体纺锤体微管滑微管滑动假说动假说(五五)末期末期(telophase)(telophase)Dividing Muscle Myoblast (p

4、rimative muscle cell) (SEM x8,000)减减数数分分裂裂减数分裂前间期减数分裂前间期(G(G1、S和和G G2期期) )减数分裂减数分裂(前期前期、中期、中期、后期、后期、末期、末期)减数分裂间期减数分裂间期( (没有没有DNA复制复制) )减数分裂减数分裂(前期前期、中期、中期、后期、后期、末期、末期)三、减数分裂三、减数分裂(meiosis)Meiosis细线期细线期偶线期偶线期粗线期粗线期双线期双线期终变期终变期侧生组份侧生组份重组节重组节中央组份中央组份姐妹染色单体姐妹染色单体1和和2( (父源的父源的) )姐妹姐妹染色染色单体单体3和和4( (母母源的源的

5、) )父方同源染色体父方同源染色体母方同源染色体母方同源染色体四分体四分体(二价体二价体)同源染色体间的交换重组同源染色体间的交换重组4) 双线期：双线期：重组结重组结束，同源染色体分束，同源染色体分开，仍有接触点称开，仍有接触点称交叉。交叉。每一四分体至少有每一四分体至少有一个交叉。一个交叉。RNARNA合成异常活跃，合成异常活跃，又称又称合成期合成期。 某些生物本期时某些生物本期时间较长，如：人卵间较长，如：人卵母细胞的双线期可母细胞的双线期可持续到排卵之前。持续到排卵之前。父方姐妹父方姐妹染色单体染色单体姐妹染色单体姐妹染色单体1 1姐妹染色单体姐妹染色单体2 2姐妹染色单体姐妹染色单体

6、3 3姐妹染色单体姐妹染色单体4 4母方姐妹母方姐妹染色单体染色单体间期间期SC组装组装细线期细线期偶线期偶线期粗线期粗线期SC去组装去组装双线期至终变期双线期至终变期1 12 23 34 4 MeiosisI的特点的特点减数减数分裂分裂和有和有丝分丝分裂的裂的比较比较减数分裂的生物学意义减数分裂的生物学意义有丝分裂与减数分裂的区别有丝分裂与减数分裂的区别有丝分裂有丝分裂体细胞分裂体细胞分裂DNA复制一次复制一次细胞分裂一次细胞分裂一次子细胞染色体数子细胞染色体数目与母细胞相同目与母细胞相同前期短，染色体前期短，染色体独立活动独立活动1个细胞形成个细胞形成2 2个个遗传结构相同的遗传结构相同的

7、子细胞子细胞减数分裂减数分裂形成生殖细胞形成生殖细胞DNA复制一次复制一次细胞分裂细胞分裂两两次次子细胞染色体数目子细胞染色体数目减半减半前期长，发生联会、前期长，发生联会、交叉等现象交叉等现象1个母细胞形成个母细胞形成4 4个个遗传结构不同的遗传结构不同的 子细胞子细胞小小 结结第二节第二节 细胞周期细胞周期(cell cycle)细胞周期细胞周期 分裂间期：分裂间期：G1、S、G2分裂期：分裂期：M后期后期分裂间分裂间期期有丝分裂有丝分裂期期(M期期)DNA合成前合成前期期(Gap1,G1)DNA synthesis(S期期)DNA合成后合成后期期(Gap2,G2)前期前期中期中期末期末期

8、G1期期子细胞子细胞细细胞胞周周期期分裂间期分裂间期(interphase): G1S G2 有丝分裂期有丝分裂期(mitosis)(cell cycle)G0期期(静止期静止期)若胞外信号为抑制性信号，细胞将延迟通过若胞外信号为抑制性信号，细胞将延迟通过G1期，进期，进入一个特殊的静止期，不合成入一个特殊的静止期，不合成DNA， 称为称为G0期。期。 不进行分裂，不进行分裂，处于静止状态数周甚至更久处于静止状态数周甚至更久。如某些免疫淋巴细胞如某些免疫淋巴细胞, 肝肝,肾细胞等。肾细胞等。二、细胞周期各时相的动态变化二、细胞周期各时相的动态变化二、细胞周期各时相及主要事件二、细胞周期各时相及

9、主要事件二、细胞周期各时相及主要事件二、细胞周期各时相及主要事件n中心粒开始长大，向两极分离中心粒开始长大，向两极分离二、细胞周期各时相及主要事件二、细胞周期各时相及主要事件细胞周期各时相及主要事件细胞周期各时相及主要事件三三 细胞周期的调控细胞周期的调控(Control of the Cell Cycle)（一）研究周期调控系统常用的真核细胞系统（一）研究周期调控系统常用的真核细胞系统 1.酵母酵母 2.爪蟾胚胎细胞爪蟾胚胎细胞 3.体外培养的哺乳动物细胞体外培养的哺乳动物细胞 1. (1) 细胞周期蛋白细胞周期蛋白（cyclin） (2) 细胞周期蛋白依赖细胞周期蛋白依赖性性激酶激酶 (C

10、yclin-dependent kinase, Cdk） (3) Cdk 抑制因子抑制因子（Cdk inhibitor, CKI） (4) 促进促进Cdk调节因子降解的酶复合物调节因子降解的酶复合物 (SCF和和APC酶复合体酶复合体)调控核心调控核心(1) 细胞周期蛋白细胞周期蛋白(Cyclin)1983,T Evans 发现发现 一类随细胞周期时相变化呈周期性合成和降解的蛋一类随细胞周期时相变化呈周期性合成和降解的蛋白质。白质。Cyclin分类：分类：真核生物：真核生物：A、B、C、D、E、F、G、H、T等。等。分为分为G1型、型、G1/S型、型、S型和型和M型型4类类酵母：酵母：Cln1

11、、Cln2、Cln3、Clb1-6cyclin结构特点结构特点：1.含有含有周期蛋白框周期蛋白框，介导与，介导与CdK的结合；的结合；2.含有与更新有关的序列，参与由含有与更新有关的序列，参与由泛素泛素介导的降解介导的降解 1）期、期、M期周期蛋白含有期周期蛋白含有破坏框破坏框 2）G1期周期蛋白含有期周期蛋白含有PEST序列序列周期蛋白框周期蛋白框（cyclin box）：）： N端存在约端存在约100氨基酸氨基酸 组成的保守序列，介导与组成的保守序列，介导与Cdk 结合。结合。 PEST序列序列：C C 端与端与G G1 1期的期的cyclincyclin更新有关更新有关 破坏框序列破坏框

12、序列CyclinA、CyclinB的破坏框序列的破坏框序列Cyclin的功能的功能:不同周期蛋白的表达时期不同，不同周期蛋白的表达时期不同，与不同的与不同的CdKCdK结合，调节不同结合，调节不同CdKCdK激酶的活性。激酶的活性。Cyclin的分类：的分类： G1期蛋白：期蛋白： Cyclin C、D、G1/S期蛋白：期蛋白：Cyclin E S期蛋白：期蛋白： Cyclin A M期蛋白：期蛋白：Cyclin BCyclin D 家族：家族： 含有含有3个成员个成员 cyclin D1、 cyclin D2、 cyclin D3 在在G1期开始表达期开始表达 M后期降解后期降解 是启动细胞

13、增殖，是启动细胞增殖，G1期向期向S期转换的关键因子期转换的关键因子 与与CDK4、CDK6组成复合体组成复合体Cyclin E 家族：家族： 在在G1 S期高水平表达期高水平表达 与与CDK2结合结合 启动启动DNA复制复制（启动与复制（启动与复制 基因表达）基因表达）Cyclin A 家族：家族： 在在S期开始表达，期开始表达，G2期达高峰期达高峰 与与CDK2结合结合 促进促进DNA复制复制Cyclin B 家族：家族： 含有含有2个成员个成员 cyclin B1、 cyclin B2 在在G2末期开始表达末期开始表达 与与CDK1、CDK2结合结合 M后期降解后期降解 促进促进G2期向

14、期向M期转换期转换Cyclin C 家族：家族： 与与CDK8结合，组成结合，组成CAK 激活激活CDKCyclin H 家族：家族： 与与CDK7结合，组成结合，组成CAK 激活激活CDK、磷酸化、磷酸化RNA-pol的的CTD， 调节基因转录调节基因转录Cyclin的周期性表达的周期性表达Cdk 2(2)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 kinase，Cdk)一类必须一类必须与与Cyclin结合结合才具有激酶活性的蛋白激酶。才具有激酶活性的蛋白激酶。作用：磷酸化细胞周期相关蛋白质（作用：磷酸化细胞周期相关蛋白质（Ser/Thr), 在

15、整个细在整个细胞周期中表达量较为恒定，不同的胞周期中表达量较为恒定，不同的cdk结合特定的结合特定的cyclin。按其发现先后顺序分按其发现先后顺序分Cdk19。结构特点：结构特点：CdkCdk通过通过激酶结构域激酶结构域与与Cyclin结合结合存在可磷酸化的氨基酸残基，与调节其活性有关存在可磷酸化的氨基酸残基，与调节其活性有关不同不同cyclinCdk复合物启动细胞周期的各个环节复合物启动细胞周期的各个环节Cyclin and CdksCyclin/CdkcomplexCyclinCdkG1-CdkCyclin DCdk 4, Cdk 6 G1/S-CdkCyclin ECdk 2S-Cdk

16、Cyclin ACdk 2M-CdkCyclin BCdk 1(Cdk 2) CdK活化活化的的调节调节Cdk的的三种状态：三种状态：非活性态：非活性态：活性位点与活性位点与T-环蛋白（环蛋白（T-loop）结合）结合,不结合不结合cyclin.部分激活态部分激活态: 与与cyclin结合结合, T-loop移出活性中心。移出活性中心。完全激活态完全激活态: T-loop蛋白上的苏氨酸位点被蛋白上的苏氨酸位点被CAK磷酸化磷酸化Cdk激酶活性受激酶活性受cyclin及磷酸化双重作用调节及磷酸化双重作用调节活性活性位点：位点：Thr161抑制性位点：抑制性位点：Tyr15（酵母）（酵母）Thr1

17、4（脊椎动物）（脊椎动物）抑制性抑制性的的Tyr15（酵母）（酵母）Thr14（脊椎动物）（脊椎动物）Wee1激酶激酶myt1激酶激酶Tyr15（酵母）（酵母）Thr14（脊椎动物）（脊椎动物）PPCDK抑制抑制CAK Thr161 Thr161PCDK激活激活Cdc25磷酸酶磷酸酶Wee1激酶：激酶：使使Cdk 上上Tyr15磷酸化（抑制性磷酸化）磷酸化（抑制性磷酸化） cdc25磷酸酶磷酸酶：使：使Cdk 上上Tyr15去磷酸化去磷酸化Cdk活化激酶活化激酶（Cdk activating kinase,CAK） 组成组成：cyclinH Cdk7 p36 作用：作用：使使Cdk 上上Thr

18、161磷酸化（活性磷酸化）磷酸化（活性磷酸化）Wee1激酶激酶：使使Cdk 上上Tyr15磷酸化（抑制性磷酸化）磷酸化（抑制性磷酸化）（3） Cdk活性活性抑制因子抑制因子 (cyclin dependent kinase inhibitor, CKI) 细胞增殖的负性调节因子，称为细胞增殖的负性调节因子，称为 “有丝分裂抑制剂有丝分裂抑制剂”，抑癌基因的编码产物。抑癌基因的编码产物。CDK抑制因子抑制因子CKI1. CIP/KIP家族：家族： p21、p27、 p57蛋白主要抑制蛋白主要抑制G1期期CDK(Cdk2/4)，直接抑，直接抑 制制 DNA复制或抑制复制或抑制G1S 。2. INK

19、4家族：家族： p16、p15、 p18蛋白主要抑制蛋白主要抑制Cdk4/6 活性，阻止活性，阻止G1S。cyclin DCDK4/6INK4p15p16p18p19INK4 ?p p2 21 1p p2 27 7p p5 57 7C C d dk k2 2c cd dc c D D 、E E、A AK K I IP PC C I IP P/ / K K I IP P?CIP/KIP:结合结合cyclin-Cdk复合物，复合物， 改变改变Cdk活性位点空间位置活性位点空间位置INK4:结合结合Cdk分子分子ATP位点，阻止位点，阻止ATP与与Cdk结合结合INK4： p16INK4a 、p15

20、INK4b 、 p18INK4c 、p19INK4d 特异性抑制特异性抑制CdK4- cyclin D1、 CdK6- cyclin D1复合物的活性复合物的活性 恶性肿瘤常有恶性肿瘤常有p15 、p16 的缺失或突变的缺失或突变 p18 、p19的表达受的表达受p53的调控的调控 KIP： p21CIP1 、p27KIP1 、 p57KIP2 能抑制大多数能抑制大多数CDK的激酶活性的激酶活性 p21在整个细胞周期中起作用在整个细胞周期中起作用 p21的表达受的表达受p53调控调控Cdk抑制物蛋白（抑制物蛋白（p21）使细胞周期阻滞）使细胞周期阻滞与与cyclinE-Cdk2形形成三元复合物

21、成三元复合物(4) 促进促进Cdk调节因子降解的调节因子降解的酶复合物酶复合物Cdk调节因子调节因子CyclinCKISCFAPC降解降解降解降解泛素（泛素（ubiquitin）：）：76 个氨基酸组成个氨基酸组成 ， 高度保守蛋白。高度保守蛋白。多聚泛素链作为多聚泛素链作为标志标志介导蛋白质被介导蛋白质被蛋白水解酶蛋白水解酶降解。降解。E2E2+泛素泛素E1E1活化的活化的APCAPC活化亚基（活化亚基（Cdc20Cdc20）无活性的无活性的APCAPCCdkCdkM-Cyclin多聚泛素链多聚泛素链M-cyclin 被蛋白酶体降解被蛋白酶体降解多聚泛素链多聚泛素链APC催化催化泛素泛素在在

22、Cyclin上聚合介导其水解上聚合介导其水解Cyclin的降解的降解APC 复合酶介导复合酶介导cyclinA /cyclinB通过泛素化途径降解通过泛素化途径降解破坏框序列破坏框序列泛素链泛素链Cyclin的降解的降解pp多聚泛素链多聚泛素链激酶激酶泛素泛素E1E1E2E2+CdkCdk抑制蛋白（抑制蛋白（CKICKI）活化的活化的SCFSCFSCFSCF催化催化泛素泛素在磷酸化在磷酸化CKI上聚合介导其降解上聚合介导其降解CKICKI被蛋白酶体水解被蛋白酶体水解(26s proteasome(26s proteasome) )CKI的降解的降解CDK的活性调节的活性调节 多因素综合调节多因

23、素综合调节 正调控正调控: cyclin，CAK，磷酸酶，磷酸酶 负调控负调控: 激酶激酶, CDKI转录后转录后调节调节 保证细胞周期正常运转的监控系保证细胞周期正常运转的监控系统，检测细胞周期中出现的故障。统，检测细胞周期中出现的故障。1. G1检测点检测点 （ R点点 ）2. G2或或G2/M检查点检查点3. 中期检查点（中期检查点（纺锤体组装检纺锤体组装检查查点）点）4. DNA复制复制DNA损伤检损伤检查查点点 染色体分离检测点染色体分离检测点等等未复制未复制DNA检测点检测点纺锤体组装检测点纺锤体组装检测点R点点DNA损伤损伤检测点检测点DNA损伤与损伤与p53活化在活化在G1期调

24、控中的作用期调控中的作用第三节第三节 细胞周期的调控细胞周期的调控 （一）（一） 1.细胞周期蛋白细胞周期蛋白（cyclin） 2.细胞周期蛋白依赖激酶细胞周期蛋白依赖激酶 (Cyclin-dependent kinase, Cdk） 3.Cdk 抑制因子抑制因子（Cdk inhibitor, CKI） 4.促进促进Cdk调节因子降解的酶复合物：调节因子降解的酶复合物： APC和和SCF调控核心调控核心小结小结（三）（三）细胞周期事件的胞内调控机制细胞周期事件的胞内调控机制磷酸化转录因子磷酸化转录因子蛋白合成蛋白合成生长因子生长因子 cyclinD合成合成 + Cdk4,6 Rb磷酸化磷酸化c

25、yclinE/A基因的转录基因的转录DNA和中心体的复制和中心体的复制磷酸化磷酸化S期期cyclin-Cdk抑制蛋白抑制蛋白（CKI）泛素化降解泛素化降解S期期cyclin-Cdk活化活化细胞生长发育细胞生长发育G1期调控的机制：期调控的机制：生长因子信号激活生长因子信号激活G1期期CdK/cyclin的激酶活性的激酶活性(1) CyclinA的合成开始于的合成开始于G1S期转化，进入期转化，进入S期期 后，后，CyclinA-Cdk2成为该期主要的成为该期主要的Cdk激酶。激酶。(2) 在在S期期CyclinA-Cdk2复合物位于复合物位于DNA复制中心。复制中心。 (3) CyclinAC

26、DK2不仅保证每个基因组里的核苷酸不仅保证每个基因组里的核苷酸 都被复制，而且只复制一次。都被复制，而且只复制一次。ORCORC：与复制起点识别、结合，与复制起点识别、结合，的多蛋白复合物。也是其它调的多蛋白复合物。也是其它调节蛋白的连接位点。节蛋白的连接位点。如：如：Cdc6(G1Cdc6(G1早期表达瞬间升高早期表达瞬间升高) )pre-RC:pre-RC:复制前复合物，复制前复合物，Cdc6Cdc6、McmMcm 、ORCORC在复制起点形成的蛋在复制起点形成的蛋白复合物。白复合物。复制开始后，复制开始后，S-CdkS-Cdk引起引起Cdc6Cdc6从从ORCORC上解离，引起上解离，引

27、起pre-RCpre-RC去组装，去组装，可阻止相同复制起点的再次复可阻止相同复制起点的再次复制。制。S-CdkS-Cdk活化可磷酸化活化可磷酸化Cdc6Cdc6，通过，通过SCFSCF起始起始Cdc6Cdc6的泛素化，降解未的泛素化，降解未结合的结合的Cdc6Cdc6及及McmMcm 。3.3.（1）M期的进入期的进入M-Cdk复合体的活化：复合体的活化：cyclinB的积累；的积累；Cyclin B-Cdk1复合物的活化；复合物的活化；DNA复制检查点；复制检查点；CAKweelcdc25M-Cdk的活化的活化Cyclin成熟促进因子成熟促进因子(maturation promoting factor, MPF )的发现的发现(1970,Johnson和和Rao)M期细胞和间期细胞融合，出现期细胞和间期细胞融合，出现早熟染色体凝集早熟染色体凝集（PCC）融合融合M期期G2期向期向M期的转换期的转换G1期期PCC为单线状为单线状融合融合S期细胞期细胞S期期PCC为粉末状为粉末状融合融合G2期期PCC为双线染色体状为双线染色体状成熟促进因子成熟促进因子(MPF )1988，(Maller实验室实验室, Lohka等等)p32蛋白蛋白p45蛋白蛋白MPF 磷酸化底物磷酸化底物蛋白激酶活性蛋白激酶活性 (p45蛋白蛋白)CyclinB（调节亚单