细胞生物学课件16-细胞周期

1、第十六章 细胞增殖与细胞周期 细胞学说：（1）细胞是多细胞生物的最小结构单位，对单细胞生物来说，一个细胞就是一个个体；（2）多细胞生物的每一个细胞为一个代谢活动单位，执行特定的功能； （3）细胞只能通过细胞分裂而来。 细胞分裂：DNA分裂， 胞质分裂 第一节 原核生物的细胞分裂一原核细胞的DNA复制和胞质分裂 DNA附着在细胞膜上进行复制；内褶、隔。二原核细胞分裂的控制 引起DNA复制的物质是控制原核细胞分裂的因素。 第二节 真核细胞的分裂两种主要变化：DNA复制和细胞质分裂；3种分裂方式：无丝分裂（amitosis），有丝分裂（mitosis），减数分裂（ meiosis）一、无丝分裂（直接

2、分裂， amitosis）1。 无丝分裂的普遍性（非正常分裂方式）2。 特点：不形成纺锤体；不形成染色体；核拉长呈哑铃状。 二、有丝分裂特点：包括核分裂和细胞质分裂两个过程。有纺锤丝和染色体的形成，子细胞DNA 2n（一）核分裂：5个时期：前期、前中期、中期、后期、末期 PPMAT图16-5 1前期（prophase）：从染色质卷曲凝缩成染色体开始到核破裂的时期 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。 2前中期（prometaphase）指由核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane纺锤体正中的假想垂直面)这一阶段。纺锤体微管向细胞内

3、部侵入，与染色体的动粒结合。动粒处的分子马达使染色体向微管的负端移动。此时染色体是既向一极移动也向另一极移动，是以振荡的方式移向纺锤体中部的。其原因是姊妹染色单体的动粒都结合有微管和分子马达。 3中期（metaphase）指从染色体排列到赤道面上，到姊妹染色单体开始分向两极的一段时间。等待信号(waiting signal，)，未连到纺锤体上的染色体的动粒发出等待信号，使其他染色体不再分离，进入等待状态直至全连上。动粒的作用：（1）将染色体连接到纺锤丝上；（2）调节染色体的分离时间。可以将动粒称为细胞分裂的看门人(gatekeeper)。此时期的限制点称为纺锤体检验点（spindle chec

4、kpoint），该检验点使纺锤体异常的细胞离开有丝分裂。 4后期（ anaphase）指姊妹染色单体分开并移向两极的时期，当子染色体到达两极后，标志这一时期结束。后期中两种主要变化：（1）染色体向两极移动（后期A ）， （2）两极的距离拉大（后期B）。动粒微管的解聚和动粒中的行走蛋白的牵引力使染色体向两极移动。有关动粒对染色体产生拉力的机制的假说（图1-10）马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离 5末期(telephase)染色体到达两极，即进入了末期。末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩、核仁出现、核膜重新形成。核仁由染色体上的核仁组织中心形成（NORs），几个NO

5、RS共同组成一个大的核仁，因此核仁的数目通常比NORs的数目要少。前期核膜解体后，核纤层蛋白B与核膜残余小泡结合，末期核纤层蛋白B去磷酸化，介导核膜的重新装配。（图）（二）细胞质分裂（cytokinesis）在染色体去凝缩和核膜重建的同时，细胞质粘度变小，开始细胞质分裂。一般核分裂与细胞质分裂协调进行。1动物细胞的胞质分裂是以形成收缩环的方式完成的。分裂沟的形成：质膜下微丝束绕细胞一周形成收缩环，收缩环收缩使细胞表面出现分裂沟。中间体（midbody图）：动物胞质分裂的另一特点是形成中体。末期纺锤体开始瓦解消失，但在纺锤体的中部微管数量增加，其中掺杂有高电子密度物质和囊状物，这一结构称为中体。

6、2、植物细胞的细胞质分裂植物胞质分裂的机制不同于动物，其后期的纺锤体中央出现成膜体(phragmoplast)，其中的小泡不断融合扩大形成一片连续的质膜，即细胞板(cell plate)将细胞一分为二，最后在细胞板两侧积累多糖，形成细胞壁。 成膜体的形成（phragmoplast）来自高尔基复合体的小泡向赤道面集中，并融合成大的扁囊，其附近集中有内质网，扁囊腔内有初生壁物质，此结构总称为成膜体。最后成膜体成为具有双层膜的细胞板。 三、 减数分裂有性生殖的高等生物配子发生过程中的细胞分裂方式。特点：DNA复制一次，细胞分裂2次，子细胞中的染色体数目为1n，将减数分裂又分为减数分裂和减数分裂。减数

7、分裂模式图 （一）减数分裂 前期、前中期、中期、后期、末期 1前期 减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，通常人为划分为5个时期：细线期（leptotene）、偶线期（zygotene）、粗线期（pachytene）、双线期（diplotene）、终变期（diakinesis）。（1）细线期（leptonema） 染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。持续时间最长，占减数分裂周期的40%。细线期虽然染色体已经复制，但光镜下分辨不出两条染色单体。由于染色体细线交织在一起，偏向核的一方，所以又称为凝线期(synizesis)，在有些物种中表现为染色体细线一端在核膜的一侧集中，另一端放射状伸出，形似花束

8、，称为花束期(bouquet stage)。（特点：染色体为二分体，染色体上有染色粒，染色体通过端粒与核膜相连，染色体呈花束状，故又称花束期）。 2、偶线期（zygonema）持续时间较长，占有丝分裂周期的20%。亦称合线期，是同源染色体配对的时期，这种配对称为联会(synapsis)。这一时期同源染色体间形成联会复合体(synaptonemal complex，SC，图)。在光镜下可以看到两条结合在一起的染色体，称为二价体（bivalent）。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，所以又称为四分体（tetrad）。联会复合体的组成和结构：核蛋白构成的扁平发夹式的三分区结构。2条边侧成分

9、和中央成分。偶线期DNA合成，0.3%的DNA在此期合成，称此部分DNA为偶线期DNA(zygDNA or z-DNA),其作用：连接姊妹染色体，有利于联会复合体的形成。 （3）粗线期（pachynema）,又称重组期。联会复合体仍存在，配对的同源染色体称为二价体（bivalent）由两条同源染色体组成，也称四分体（tetrad）含4条染色单体。同源染色体间的非姊妹染色单体间发生交叉（chiasma）和交换（crossing over）。（4）双线期（ diplonema） 联会复合体解体，姊妹染色体清晰可见，非姊妹染色单体之间有一些交叉。此期持续时间较长。染色体又分散成网状，又称核网期。卵母

10、细胞合成大量核糖体DNA，并转录大量核糖体RNA，灯刷染色体是双线期特征。（5）终变期（diakinesis） 染色体更加变粗、变短。交叉数量减少，并端化，二价体分开，核膜、核仁消失，纺锤体形成。2前中期：动粒与微管连接，二价体排列在赤道面上。3中期：两条同源染色体分开，并拉向两极。4后期：每极染色体数为1n，DNA为2C，染色体为二分体。5末期：根据物种不同，此期情况有所不同，（1）直接进入第二次分裂；（2）又出现核膜、核仁，染色体又分散。（二）减数分裂基本过程与有丝分裂相同。减数分裂的最终结果：分裂两次，产生4个单倍体细胞，称为四分子（quartet）。（三）减数分裂与有丝分裂的主要区别

11、共5方面。 有丝分裂 减数分裂1体细胞分裂方式 生殖细胞分裂方式2DNA复制1次分裂1次 DNA复制1次分裂两次 染色体数2n2n，4C-2C 2n1n，4C1C3DNA合成时间短 DNA合成时间长4每个染色体独立活动 染色体配对、联会、交叉、交 换、基因重组。5持续时间短 持续时间长 第三节 细胞周期及其调控细胞周期包括:间期和分裂期一、细胞周期( cell cycle)细胞周期：细胞由一次分裂结束到下一次分裂结束，都要经历相同的变化阶段，并周而复始地进行活动，细胞的这种生长、分裂循环称为细胞周期。细胞周期分为G1、S、G2和M四个连续的时期。各期特点：1G1期：主要进行一定数量的RNA和某

12、些专一性蛋白质的合成。 触发蛋白（trigger protein）使细胞通过G1期限制点进入S期的一些蛋白。缺乏该类蛋白，细胞不能进入S期，而会进入G0期。 使细胞停留在G1期的关键蛋白抑素（chalone）2S期主要特征是进行DNA合成，还合成组蛋白和非组蛋白；S期有促进DNA合成的物质；微管的解聚可以导致DNA合成和细胞分裂。3G2期 DNA含量为4C，G2期末合成一种蛋白激酶，该激酶使细胞由G2期进入M期（MPF）。G2/M期监控点（checkpoint）此点要检查DNA是否完成复制，细胞是否生长到合适大小，环境因素是否有利于分离等。4M期：将遗传物质载体（染色体）平均分配到两个子细胞中

13、。5G0期：暂时退出细胞周期而处于拘留状态的细胞称为G0期细胞。当受到合适刺激后又能进入细胞周期。有丝分裂指数的概念：在一群细胞中，一定时间有丝分裂相细胞所占的百分数。二、细胞分裂的影响因素1细胞大小：核质指数：NP=Vn/Vc-Vn2抑素：G1期产生的蛋白，抑制细胞分裂。3cAMP：细胞分裂速率同cAMP的含量成反比。4接触抑制（Contact inhibition)：细胞相互汇合接触后，即停止分裂和生长。5激素：生长素、赤霉素等三、细胞周期的调控 分裂期促进因子（M-phase promoting factor, or maturation-promoting factor, MPF) 1

14、960s 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（在适宜的温度下和野生型一样），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（图13-17）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

15、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。用海洋无脊椎动物和两栖类的卵为实

16、验材料进行这类实验，好处在于卵的量比较大，而且在胚胎发育的早期，细胞分裂是同步化的。 2001年美国人LelandHartwell、英国人Paul Nurse、TimothyHunt对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖 细胞周期蛋白(Cyclin)：随着细胞周期的变化呈周期性的出现与消失的蛋白质，可分为A、B、C、D、E等几大类，它们在细胞周期中的不同阶段相继表达，通过激活周期蛋白依赖性激酶，从而调控细胞周期的进程。 cyclinA， cyclinB， cyclinD， cyclinE等细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase，CDK)： 与cyclin

17、结合发挥作用的蛋白激酶，不同的CDK /cyclin复合物通过使专一耙蛋白磷酸化驱动细胞周期的运行。 G0 G1 S G2 M cyclinD cyclinE cyclinA cyclinBCyclins的时相起伏（二）细胞周期蛋白(cyclin)1S期周期蛋白：cyclin A，在G2期含量最高。2M期周期蛋白：cyclin B，在G2/M期达到最高峰。3G1期周期蛋白：cyclin C、D、E等，酵母为CLN1-3，G1期达到高峰。周期蛋白的结构特点：周期蛋白盒(cyclin box),为保守区；破坏盒 (destruction box)；PEST序列。Three cyclins are required in all eucaryotic cells:G1/S-cyclins bind