医学细胞生物学：第13章 细胞增殖和细胞周期

1、第十三章 细胞分裂和细胞周期第一节 细胞分裂 一、无丝分裂 二、有丝分裂 三、减数分裂细胞分裂概述细胞分裂：是细胞生命活动的重要特征之一，是一个亲代细胞形成两个子代细胞的过程，通过细胞分裂，亲代细胞的遗传物质和某些细胞组分相对均等的分配到两个子代细胞中，有效保证了生物遗传的稳定性。一、无丝分裂无丝分裂又称为直接分裂，是低等生物的主要分裂方式，也存在于高等生物中，如植物的胚乳细胞、动物的胎膜、间充组织及肌肉细胞等，以及创伤、癌变及衰老的细胞。 。表现为细胞核伸长，高尔基体移位到中心体附近，核膜不消失并从中部缢缩断裂，然后细胞质分裂，其间不涉及纺锤体形成及染色体变化，故称为无丝分裂。二、有丝分裂有

2、丝分裂，又称为间接分裂，是高等真核细胞分裂的主要方式。连续的过程，约为0.5-2小时，细胞核发生一系列复杂的变化（DNA复制，染色体组装等），细胞通过形成有丝分裂器，将遗传物质平均分配到两个子细胞中，保证了细胞在遗传上的稳定性。有丝分裂过程：1.前期：细胞从间期进入有丝分裂期时，核膜消失，染色质凝集成染色体，纺锤体形成2.中期：染色体排列在细胞赤道面上3.后期：姐妹染色单体分开并向细胞两极迁移4.末期：两个子细胞核的形成和胞质分裂（一）前期染色质凝集成染色体核膜破裂和核仁消失分裂极的确定和纺锤体形成。1. 染色质凝集成染色体染色质凝集是细胞进入有丝分裂前期的标志。2.核膜破裂和核仁消失3.分裂

3、极的确定和纺锤体形成中心体在间期也进行了复制。前期两个中心体彼此分开，并分别向两极移动。（1）中心体由一对中心粒和无定形基质组成具有微管生发中心的作用，形成星体（2）纺锤体的形成由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管组合形成的纺锤形结构称为纺锤体 （二）中期所有染色体排列在赤道板上，标志中期的开始。中期染色体（三）后期主要标志是两个姐妹染色单体完全分开并向细胞两极迁移。（四）末期染色体的解聚和细胞核的重新形成胞质分裂最后将细胞分成两个子细胞主要标志是两个子细胞核的形成和胞质分裂。1. 细胞核的重新形成2.胞质分裂在赤道板周围细胞膜及相应的胞质开始下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟。分裂沟逐渐加深

4、，直至两个子代细胞完全分开。细胞分裂中形成收缩环（内含肌动蛋白纤维和肌球蛋白纤维）有丝分裂末期，两个即将分离的子细胞内产生收缩环，收缩环由平行排列的微丝和myosin II组成。随着收缩环的收缩，两个子细胞的胞质分离，在细胞松驰素存在的情况下，不能形成胞质分裂环，因此形成双核细胞。（五）染色体准确等分机制纺锤体是染色体分离和移动的主要机制 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。 2.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.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。 4.两条姐妹染色单体在着丝粒处形成的粘着力。姐妹染色单体分开是染色体向两极运动

5、的重要条件动粒与微管的连接处是染色体向两极运动的重要作用点微管动力蛋白是染色体运动的动力（六）有丝分裂过程示意图三、减数分裂概念： 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。减数分裂主要是生殖细胞的分裂方式。减数分裂的意义：保证染色体数目稳定子代细胞通过受精作用，恢复二倍体。物种适应环境变化不断进化同源染色体间发生交换，使配子多样化，增加了后代的适应性。（一）特点遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半。减数分裂的第一次分裂主要标志是同源染色体通过联会进行片段交换，随后分开，完成染色体数目的减半和遗传物质的交换； 第二次分裂是姐妹

6、染色单体分开。两次分裂形成4个单倍体细胞。1.减数分裂两次分裂的比较2.有丝分裂与减数分裂的中期比较（二）减数分裂第一次分裂前期I-染色质凝集，同源染色体间片段交换 细线期 偶线期 粗线期 双线期 终变期中期I染色体排列在赤道面上后期I染色体分离向两极运动末期I及间期染色体到达两极第一次分裂完成的标志是：同源染色体分离1.前期 I减数分裂第一次分裂的几个时期中，以前期细胞发生的生化和形态变化最为复杂，又可细分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等几个时期。主要特征：持续时间长，从数周到几十年不等胞核显著增大染色质凝集染色体配对片段交换（1）细线期染色质开始凝集同源染色体配对（2）偶线期同源

7、染色体之间形成联会复合体。同源染色体通过联会复合体连接后由4条染色单体组成，称为四分体。联会复合体在联会的同源染色体之间，沿纵轴方向形成了一种特殊的结构，成为联会复合体。联会复合体的组分两个侧生组分：同源染色体DNA和蛋白质一个中央组分：非组蛋白侧生成分与中央成分之间由横向排列被称为L-C的纤维细丝相连。（3）粗线期染色体连续缩短变粗，同时在四分体内，同源染色体上的一条染色单体与另一条染色单体之间发生了DNA的片断交换，从而导致了父母基因的互换，产生了基因重组，但每个染色单体上仍都具有完全相同的基因。（4）双线期同源染色体交叉和RNA合成活跃联会复合体结构消失，仅留一些连接点，称为交叉持续时间

8、长，人卵母细胞可在该期停留几十年（5）终变期同源染色体重组完成同源染色体以四分体形式散在于细胞核内核膜，核仁消失，纺锤体形成2.中期I各成对的同源染色体双双移向细胞中部，排列在赤道板上。细胞质中形成纺锤体与有丝分裂不同的是：动粒位于一对姐妹染色单体的同一侧，并与同侧微管相连3.后期I由纺锤丝的牵引，使成对的同源染色体各自发生分离，并分别移向两极非同源染色体之间以随机自由组合的方式进入两极4.末期I到达细胞两极的同源染色体去凝集成为丝状的染色质纤维，重现核膜、核仁，然后细胞分裂为两个子细胞。（三）短暂的间期减数第二次分裂与减数第一次分裂紧接，也可能出现短暂停顿。此期间不发生DNA合成，染色体不再

9、复制，细胞中染色体数目已经减半。某些生物第一次减数分裂结束后，可以不经过这一间期，直接进入第二次减数分裂。（四）减数分裂第二次分裂减数分裂第二次分裂与有丝分裂过程相似。前期：中期：后期：末期：（五）减数分裂过程示意图（六）减数分裂与有丝分裂比较第二节 细胞周期一、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到下一次有丝分裂完成所经历的整个过程，在这一过程中，遗传物质复制，其它细胞组分加倍，平均分配到两个子细胞中。（一）细胞周期的时相细胞周期分为四个阶段： G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到DNA复制之前的间隙时间； S期(synthesis phase)，指DNA复制的

10、时期，只有在这一时期H3-TDR才能掺入新合成的DNA中； G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间； M期 (mitosis)，细胞分裂开始到结束。细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，在间期细胞体积增大(生长)；在 M 期，细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。（二）典型的人的体细胞的细胞周期人的体细胞的细胞周期时间一般是24小时。G1期约11小时S期约8小时G2期约4小时M期约1小时（三）哺乳动物细胞周期时间表不同类型细胞细胞周期时间长短不同。一般说来，S+G2+M的时间变化较小；而G1期持续时间的差异可能很大。 例：小鼠的食管上皮细胞115小时（G1,1

11、03hr） 小鼠的十二指肠上皮细胞15小时（G1，6hr）G1期的时间是影响细胞周期长短的关键。（四）不同增殖能力的三类细胞周期细胞：在细胞周期中连续运转不断进行分裂的细胞，如，表皮基底层细胞，部分骨髓细胞等；G0期细胞：暂时脱离细胞周期，不进行增殖的细胞，但在适当刺激下重新进入细胞周期，如，肝、肾细胞等；终端分化细胞：永久失去增殖能力，通过分化而具备了某种特定生理功能的细胞，如，神经、肌肉细胞等。二、细胞周期的主要事件在G1期、S期和G2期发生DNA遗传物质的复制和整个细胞结构组分的加倍，主要表现为分子水平的变化在M期发生DNA遗传物质精确的等分到两个子细胞中，主要表现为形态学上的变化（一）

12、G1期是DNA合成的准备期G1早期细胞的生长 RNA、蛋白质、脂类和糖类大量合成，形成大量的细胞器和其它结构G1晚期为S期的DNA合成作准备 DNA复制所需的各种酶类的合成（二）S期完成DNA复制DNA合成的启动DNA复制是S期的主要事件蛋白质合成活跃（三）G2期为有丝分裂准备期大量合成RNA及细胞分裂相关的蛋白质如促有丝分裂因子（MPF），微管蛋白。为细胞分裂作准备。（四）M期是细胞分裂期细胞染色质凝集，分离并平均分配到两个子代细胞，细胞一分为二。细胞增殖的直接实施阶段。第三节 细胞周期的调控细胞如何从细胞周期的一个时相进入下一个时相？为什么不同种类的细胞或不同环境下的细胞其细胞周期时间不同

13、？为什么有的细胞长期休止在G0期？为什么在细胞周期内DNA复制和细胞分裂不能重复进行？一、细胞周期调控蛋白细胞周期蛋白（Cyclin）细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）CDK抑制因子（CKI）（一）细胞周期蛋白细胞周期蛋白（Cyclin）：在细胞周期中呈周期性变化，介导与CDK的结合，使CDK 磷酸化和活化。细胞周期蛋白通过调节CDK活性作用间接调节细胞周期的运行。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框不同的Cyclin在细胞周期的不同时期表达，从而激活不同时期的CDK激酶活性，表现为不同的调节功能。G1期cyclin：cyclinD；G1/S期cyclin：cyclinE；S期cy

14、clin： cyclinA；M期cyclin：cyclinB（也包括cyclinA）。周期蛋白经泛素化后降解（二）细胞周期蛋白依赖性激酶CDK周期蛋白依赖激酶，与细胞周期蛋白结合才具有激酶活性，在细胞中CDK相对稳定CDK与Cyclin结合形成异源二聚体复合物，在一些蛋白激酶和磷酸酶参与下，经过磷酸化和去磷酸化作用， CDK表现出激酶活性，在二聚体中Cyclin是调节亚基， CDK是催化亚基，只有二者形成复合体时才有活性。激酶复合体脊椎动物CyclinCDKG1-CDKCyclin D CDK4 、6G1/S-CDKCyclin ECDK2S-CDKCyclin ACDK2M-CDKCycli

15、n BCDK1(CDC2)CDK的活化-结合Cyclin与磷酸化（三） CDK抑制因子-CKI CKI，与CDK或cyclin/CDK复合物结合，抑制CDK的激酶活性，阻断或延迟细胞周期的运行。在特定的时期特定的情况下将细胞周期阻断。如当细胞的DNA受损伤时CKI通过与Cyclin/Cdk复合物相结合而抑制其活性。 CKI有两家族： Cip/Kip家族和Ink4家族。Cip/Kip家族作用对象广泛，包括P21Cip/ Waf1、P27Kip1、P57Kip1 等Ink4家族作用专一，特异性抑制cdk4/cyclinD1, cdk6/cyclinD1复合体。包括P16ink4, P15ink4,

16、 P18ink4。细胞周期调控蛋白作用示意图二、细胞周期调控的机制Cyclin-CDK复合物是调控细胞周期的引擎： 不同的Cyclin- CDK复合物，它们周期性的形成和降解，引发了细胞周期进程中特定事件的发生， 影响不同的下游事件，促进了G1向S期、G2向M期、中期向后期等关键过程的不可逆转换。三、细胞进出M期的调控Cyclin B合成增加，激活CDK1Cyclin B/CDK1激发M期事件使细胞进入M期促后期蛋白复合体（APC）促进染色单体分开Cyclin B/CDK1活性下降导致细胞出M期（一）MPF（成熟促进因子）的分子结构（二)MPF的形成与激活CDK1和新合成的CyclinB形成复

17、合物（G2期）wee1将cdc2（CDK1）的Thr14和Tyr15磷酸化 ，抑制其活性；CDK活化激酶将CDK1的Thr161磷酸化，这种没有活性的CDK1-CyclinB复合物即为pre-MPFM期磷酸酶Cdc25使CDK1的Thr14和Tyr15去磷酸化，MPF激活。(三)M期中MPF复合物的作用MPF (CyclinB-Cdk1复合物)对M期早期细胞形态结构变化、中期细胞向后期的转换以及细胞推出M期都起到重要作用。1、MPF对M期早期细胞形态结构变化的作用MPF通过磷酸化作用促进染色体的凝集、核膜裂解以及纺锤体形成。2、MPF促进中期细胞向后期的转换MPF使APC（泛素连接酶E3)磷酸

18、化，引起securin蛋白降解，释放出来的分离酶分解scc1，着丝粒分离，进入后期。3、MPF在细胞退出M期中的作用CyclinB在激活的泛素连接酶E3(APC)的作用下经多聚泛素化途径被降解，MPF解聚、失活，促进向末期转化。四、细胞周期检验点的调控检测点（checkpoint）：细胞中存在一系列监控系统，可对细胞周期发生的重要事件及出现的故障进行检测，只有当事件完成或故障修复后，才允许细胞周期进一步运行，该监测系统称为检测点。1.未复制DNA检测点这是决定细胞是否从G2期进入M期进行有丝分裂的检测点，主要作用是识别未复制的DNA并抑制MPF活性。DNA复制中，ATR激酶在与复制叉结合后被激

19、活，引起一系列的级联反应，cyclinA/B-Cdk1复合物保持被抑制状态，直到DNA复制完成，复制叉解体。2.纺锤体组装检测点这一检测点主要防止纺锤体的组装不完全或发生错误，即使细胞中仅有一个染色单体的动粒未与纺锤体微管正确相连，后期也不能发生，Mad2是这一监控体系中的关键蛋白质。Mad2能结合在未结合微管的动粒上而短暂激活。经过级联反应，最终导致着丝粒不能分离而进入后期。3.染色体分离检测点阻止子代染色体未正确分离前末期及胞质分裂的发生。这与Cdc14磷酸酶的活性是否被释放有关。4.DNA损伤检测点DNA损伤检测点使DNA发生损伤未修复前，细胞周期将不能进行，这一检测系统有三种肿瘤抑制蛋

20、白起着关键作用：ATM/ATR、Chk1/2及p53.5.细胞周期检测点的特点及作用机制（六）细胞周期调控的多种因素多种因素与细胞周期的调控密切相关：生长因子抑素cAMP与cGMPRNA剪接因子SR蛋白及SR蛋白特异性的激酶1.生长因子2.抑素（chalone）3.cAMP与cGMP4. RNA剪接因子SR蛋白及SR蛋白特异性的激酶（七）癌基因与抑癌基因的调控作用癌基因家族通过多种产物对细胞周期进行调控抑癌基因从转录水平影响细胞周期1.癌基因与原癌基因病毒癌基因（V-oncogene，V-onc）：指一些逆转录病毒基因组所具有的，异常活化后可使细胞无限增殖进而癌变的DNA序列。原癌基因（pro

21、to-oncogene）：在脊椎动物正常细胞中，与病毒的癌基因相似的同源DNA序列被称为细胞癌基因（C-onc）或原癌基因。原癌基因是显性基因，为细胞生长、增殖所必需的。原癌基因突变或过度表达，将导致细胞增殖异常，引起癌变。2.细胞癌基因的种类与作用细胞癌基因产物可为生长因子、生长因子受体、信号传递相关蛋白及转录因子类蛋白，通过对信号转导及基因转录的调控参与细胞周期的调节过程。3.抑癌基因抑癌基因（anti-oncogene）：正常细胞所具有的、能抑制细胞恶性增殖的一类基因，其编码的蛋白质通常能与转录因子结合或本身即为转录因子。抑癌基因为隐性基因，在正常二倍体细胞中，当两个等位基因同时发生缺失

22、或失活，将导致细胞增殖失控，发生癌变。4.Rb和p53基因Rb和p53基因这两个基因都是抑癌基因，参与了基因转录的调节及周期检测点的监控，参与细胞周期的调控。RB Tumor Suppressor/Checkpoint Signaling in Response to DNA Damage第三节 细胞周期与医学的关系一、细胞周期与组织再生组织再生：机体不断地产生新细胞，以补充因生理或病理原因死亡的细胞的过程，可分为生理性再生和补偿性再生。1.补偿性再生机体一些高度分化，一般不再发生增殖的组织在受到外界损伤后重性开始分裂增殖的现象。机制：损伤刺激了原来处于G0期的细胞重新进入细胞周期进程。组织分

23、布：肝、肾、骨骼等不再发生增殖的组织2.高度分化的细胞重新进入细胞周期的过程二、细胞周期与肿瘤发生肿瘤是以细胞不协调地生长为特征的细胞增生性疾病。肿瘤细胞表现为无限制的增殖，失去了细胞周期的严格调控。肿瘤也可以被看作为细胞周期的疾病。肿瘤的细胞丧失了细胞周期的一些检测点控制，特别是G1/S、G2/M检验点的控制。（一）肿瘤细胞G1期通常较长肿瘤细胞与正常细胞相比，周期时间变长的主要原因是G1时间变长。（二）肿瘤细胞群体中处于增殖的细胞比例较高肿瘤细胞群体包含了三类细胞周期行为的细胞，增殖型细胞比例较高是肿瘤组织生长较快的原因。（三）细胞周期调控蛋白的异常细胞周期蛋白在癌变细胞中的过度表达目前普

24、遍认为1期cyclin是原癌基因。在高表达 cyclin1的细胞中,没有生长因子存在的情况下,细胞也增殖,这种增殖能力正是癌变的基础。cyclin1异常表达广泛存在于各种实体肿瘤和血液系统肿瘤中,并与很多肿瘤的组织分级、临床分期、预后和疗效有关。 cyclin1在肿瘤细胞的异常主要表现为基因扩增、染色体倒位和易位。 cyclin2和3异常表达在血液系统恶性肿瘤更多见。 cyclin在很多肿瘤的表达在数量和活性上也都有异常。HBV cyclin嵌合蛋白丧失了cyclin本身的降解结构而不能降解。在HBV感染的肝细胞中,由于HBV cyclin蓄积,使cyclin作用持久细胞快速进入期,不受控制地增殖而发生恶性转化,最终产生肝细胞癌。目前认为CDKs中CDK4与肿瘤发生有密切关系。CDK4可能是TGF-介导的靶蛋白。 CDK4的高表达可使细胞抵抗T