细胞核与细胞分裂

细胞核与细胞分裂基础医学研究所病理生物学研究室2/1/202312/1/20232Dolly’sFate2/1/20233第一部分细胞核细胞核的组成及主要功能染色质和染色体相关技术2/1/20234一细胞核组成和功能核膜（Nuclearenvelope)染色质（Chromatin)核仁（Nucleolus)核基质（Nuclearmatrix)或核骨架最大的细胞器，细胞遗传和代谢的调控中心2/1/20235核膜与核孔复合体严格控制细胞核内外物质的交换保护遗传物质DNA免受细胞骨架纤维运动所产生的机械力的损伤将细胞分为完整的结构和功能区域，从而使DNA复制、RNA转录和加工与蛋白质翻译在时空上分隔，防止彼此干扰核膜存在的生物学意义2/1/20236核膜的结构外膜（与粗面内质网相连，附有大量核糖体）内膜（附有核纤层蛋白的受体LBR）核周隙（内质网腔）核孔复合体（gp210)2/1/20237核纤层分布于内核膜与染色质之间紧贴内核膜的一层蛋白网络结构，由一层特殊的中间纤维呈正交网络组成。主要包含三种中间纤维蛋白多肽，即：核纤层蛋白（lamins)A、B、C。主要功能：为核膜和染色质提供结构支架，并介导核膜染色质之间的相互作用。2/1/20238核孔复合体negativestainingtechnique负染技术冰冻蚀刻技术高压透射电镜技术2/1/20239核孔复合体的几种模型1、纤丝模型2、滴漏（hourglass)3、核篮模型共同观点：

存在胞质环和核质环

环上具有8个相互对称的孔环颗粒

具有一个中央颗粒，主要起物质交换功能

在孔环颗粒上分别伸出丝状物不同点：膜两侧的不对称性2/1/202310几种模型1995Kleinsmith1970Franke1992Goldberg2/1/202311核孔复合体的生物学功能核质物质交换的双向选择性亲水通道被动扩散（离子或水溶性小分子物质）主动运输亲核蛋白质的核输入（核定位信号，NLS）NLS与信号肽的区别RNA及核糖体亚单位的核输出三种不同RNA转运的区别（rRNA、mRNAtRNA和5SrRNA)孔径可调节、信号识别和载体介导、双向性2/1/2023122/1/2023132/1/202314物质跨核膜转运Lodish19992/1/202315二核仁结构与功能纤维中心（fibrillarcenters,FC):rDNA存在的部位致密纤维组分（densefibrillarcomponent,DFC)：rDNA活跃转录的部位颗粒组分（granularcomponent,GC)：主要由RNP颗粒构成这种颗粒是正在加工、成熟的核糖体亚单位前体颗粒。是rRNA合成、加工和核糖体亚单位的装配场所核仁相随染色质、核仁内染色质、核仁基质（核仁骨架）2/1/2023162/1/202317染色质：间期细胞内由DNA、组蛋白、非组蛋白及少量RNA组成的线性复合结构，是间期细胞遗传物质存在的形式染色体：细胞在有丝分裂和减数分裂过程中，由染色质聚缩形成的棒状结构。染色质常染色质(Euchromatin)异染色质(Heterochromatin)结构异染色质兼性异染色质（巴尔式小体）三染色质与染色体2/1/2023182/1/202319（1）染色质的化学组成染色体DNA染色体蛋白质少量的RNA组蛋白非组蛋白：三种结构模式二级结构分类：A、B和ZDNA序列组织性分类单一序列中度重复序列高度重复序列核小体组蛋白：H2A、H2B、H3、H4H1组蛋白锌指模式α螺旋-转角-α螺旋模式亮氨酸拉链模式2/1/202320DNA序列组织性分类2/1/202321小卫星DNA：真核生物中串联重复的富含AT碱基的短小DNA序列。DNA指纹技术：所有小卫星DNA探针与总DNA限制酶片段杂交后，可以获得个体特异的呈孟德尔定律方式稳定遗传的DNA指纹图谱。2/1/202322锌指结构螺旋转角螺旋结构2/1/202323非组蛋白的特性和生物学功能能够识别特异的DNA序列识别与结合靠氢键和离子键识别的DNA序列在进化上高度保守数量少，但功能多样帮助DNA分子折叠，形成不同的结构域从而有利于DNA的复制和基因的转录协助启动DNA复制控制基因转录和调节基因表达2/1/202324（2）染色质的基本结构单位——核小体主要的结构要点包括200bp左右的DNA和一个组蛋白八聚体以及一分子H1组蛋白100kD的组蛋白八聚体构成核心结构，由H2A、H2B、H3、H4各两个分子组成DNA分子以左手方向盘绕八聚体1.75圈，每圈83bp，共166bp一分子的H1组蛋白与DNA结合，锁定核小体DNA的进出口，从而稳定核小体结构2/1/202325DNA到染色体的四级包装DNA核小体螺旋管超螺旋管染色单体8400倍7倍6倍40倍5倍2/1/202326（3）中期染色体的形态结构着丝粒与着丝点（主缢痕）(primaryconstriction)次缢痕(secondaryconstriction)核仁组织区（NOR）：随体(satellite)端粒（telomere)：2/1/202327染色体的分类1、中间着丝点染色体：“V型”2、近中着丝点染色体：“L型”3、近端着丝点染色体：“棒状”4、端着丝点染色体：“棒状”5、粒状染色体：“颗粒状”2/1/202328染色体长臂短臂随体

副缢痕着丝粒中间着丝粒近端着丝粒端着丝粒染色单体2/1/202329部分生物的染色体数目物种二倍体数物种二倍体数人类46水稻24猕猴42小麦42黄牛60玉米20猪38大麦14狗78陆地棉52猫38豌豆14马64烟草48鸡78番茄24鸭80甘蓝18果蝇8洋葱16蜜蜂雌32雄16松242/1/202330（4）染色体DNA的关键序列自主复制序列（autonomouslyreplicatingsequence,ARS)着丝粒DNA序列（centromereDNAsequence,CEN)端粒DNA序列（telomereDNAsequence,TEL)端粒DNA序列：是DNA分子末端所包含的短的正向重复序列即重复20-70次，重要序列为5’CCCCAA3’。3’GGGGTT5’端粒酶：是一种核糖体蛋白，由RNA和蛋白质构成，具有逆转录酶的活性，可以识别和结合DNA末端的端粒DNA序列，从而复制DNA的5’端维持DNA分子的稳定性酵母人工染色体（YAC）2/1/2023312/1/202332端粒酶复制2/1/2023332/1/202334酵母人工染色体的应用2/1/202335（5）染色体的核型和显带核型是指染色体组在有丝分裂中期的表现，包括染色体数目、大小、形态特征的总和。核型分析是在对染色体进行测量计算的基础上，进行分组、排队、配对并进行形态分析的过程。显带技术是指通过一系列物理或化学的方法处理中期染色体，使其显示出不同的条带。2/1/2023362/1/202337染色体显带C带2/1/202338(a)中间着丝粒(b)近端着丝粒(c)端着丝粒(a)(b)(c)2/1/202339（6）特种染色体多线染色体：来源于核内有丝分裂，即核内DNA多次复制产生的子染色体并行排列，且体细胞内同源染色体配对，紧密结合在一起，从而组织染色质纤维进一步聚缩，形成体积很大的染色体结构。灯刷染色体：是卵母细胞进行减数第一次分裂时停留在双线期的染色体，它是一个二价体，包含4条染色单体，此时同源染色体尚未完全解除联会，因此可以见到多处交叉。2/1/202340多线染色体2/1/202341思考题解释染色体DNA的关键序列及其主要作用和生物学意义2/1/202342第二部分细胞周期、细胞分裂及其调控2/1/202343几个重要概念细胞分裂（celldivision)：细胞大分子物质倍增后，遗传物质严格平均分配到子代细胞的过程。包括无丝分裂(amitosis)、有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)细胞周期（cellcycle)：细胞由一次分裂中期到下一次分裂中期的历程，包括G1、S、G2、M。细胞生长（cellgrowth)：细胞质量的增加和体积的加大过程。细胞增殖（cellproliferation)：细胞通过细胞周期，完成细胞分裂而使细胞数量不断增加的生命现象。细胞分化（celldifferentiation)：在个体发育中，细胞后代在形态、结构和功能上发生差异的过程。细胞癌变（celltransformation):细胞由于受到某些因素作用后，不再终末分化，而变成不受调节的恶性增殖细胞。2/1/202344细胞增殖(cellproliferation)的意义细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础。单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。多细胞生物由一个单细胞(受精卵)分裂发育而来，细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。成体生物细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞，维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖细胞增殖。2/1/202345细胞周期内容概要细胞周期细胞周期的调控2/1/202346细胞周期(cellcycle)概述基本概念：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一个有序过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。2/1/202347细胞周期时间·不同细胞的细胞周期时间差异很大·S+G2+M的时间变化较小，细胞周期时间长短主要差别在G1期·有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期2/1/202348不同细胞的周期长短2/1/202349细胞周期中不同时相及其主要事件

DNA开始复制，和组蛋白的合成同步进行，开始形成核小体结构2/1/202350ExperimentaldemonstrationofthecoordinatedSynthesisofDNAandhistones.2/1/202351细胞周期长短测定◆3H-TdR脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法◆流式细胞仪测定法(FlowCytometry)2/1/202352周期细胞分类（G0细胞）2/1/202353细胞周期同步化附着力降低2/1/202354（二）细胞周期的调控●三处关键细胞周期检验点(CellCycleCheckpoint)●三种重要周期调控因子MPF、SPF和APC●Cyclin-Cdk复合物的多样性和调控方式●细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控)cdc基因、增殖相关基因以及检测点共同作用2/1/202355A.细胞周期检验点(checkpoint)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、全部完成并与外界环境因素相联系G1/S检验点：酵母（Start）；动物细胞（RestrictionPoint）G2/M检测点中期/后期检测点2/1/202356三处周期检测点2/1/202357B. 三种主要周期调控因子

（MPF、SPF和APC）MPF(Maturation-promotingfactor，Mitosispromotingfactor)的发现及其生化实质三种调控因子的比较三种调控因子和三处调控检测点共同调控细胞周期2/1/202358人M期HeLa细胞与G1、S、G2期细胞融合诱导PCC：提示M期细胞存在诱导PCC的因子1、MPF的发现和生化实质2/1/202359注射实验表明：成熟卵细胞质中，含有卵母细胞成熟的因子，称做MPF2/1/2023602/1/202361

MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；由M期的周期蛋白B与Cyclin-Cdk(Cyclin-dependentproteinkinase)共同形成的复合物。MPF=p34cdc2+cyclinB2/1/202362几种重要的细胞周期蛋白2/1/2023632、三种重要的周期调控因子2/1/202364（1）G1—S检测点与SPF形成3、三种调控因子与三处检测点的关系主要检测：细胞大小营养状况生长因子DNA损伤G1细胞周期蛋白+p34cdc2

G1-S检测点启动点或限制点（在酵母中称为START）2/1/202365（2）MPF与G2/M检测点主要检测：细胞大小细胞所处状态DNA复制情况2/1/202366（3）APC与中期/后期检测点

APC介导选择性降解的靶蛋白与Ubiquitin结合

(通过泛素依赖性途径降解)APC主要介导两类蛋白降解:AnaphaseInhibitors和MitoticCyclin.

前者维持姐妹染色单体粘连,抑制后期启动；后者的降解意味着有丝分裂即将结束，即染色体开始去凝集，核膜重建。主要检测：染色体与纺锤体结合情况2/1/2023672/1/202368C.Cyclin-Cdk复合物的多样性及调控方式◆Cyclin-Cdk复合物的多样性

Cyclin-Cdk---调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白与不同的CDK结合，构成不同的Cyclin-Cdk；不同的Cyclin-Cdk在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。◆周期调控因子的主要调控方式Cdk的磷酸化和去磷酸化与活性的关系Cyclin蛋白的降解2/1/202369 G1S G2/MCyclin-CdkCyclin-CdkCyclin-CdkBuddingYeastCLN1,2,3-CDC28CLB5,,(3,4)-CDC28CLB1,2(3,4)-CDC28FissionYeastCIG1-CDC2CIG2-CDC2CIG13-CDC2HigherEukaryotesCyclinD1,2,3-CDK4/6CyclinA-CDK2CyclinB-CDC2CyclinE1,2-CDK2G1SubstratesSSubstratesG2/MSubstratesGrowthandMorphogenesisDNAReplicationMitosisCyclin-Cdk复合物的多样性2/1/202370CDK1的调节与活化;CAK=CDK1-ActivitingKinase2/1/202371Cdc20和Mad2蛋白位于动粒上，在染色体结合有丝分裂纺锤体前不能从动粒上释放，由于Mad2与Cdc20结合而抑制APC的活性。所以只有所有染色体都与纺锤体结合后，APC才有活性，才启动细胞向后期转换。相关蛋白对APC活性的调节2/1/202372D.细胞周期运转的阻遏

(细胞周期运转的负调控)◆细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转：

Cdk抑制蛋白(CDI)阻止Cyclin-Cdk复合物的装配或活性；周期调控系统组分停止合成。◆CDI包括CIP/KIP家族和INK4家族，其作用是抑制Cyclin-Cdk复合物的装配或活性，而将细胞阻止在不同的检验点。如DNA受损后，细胞将停留于G1

Checkpoint让DNA修复或者凋亡◆周期调控系统组分停止合成，如G0细胞，大部分Cyclin和Cdk都消失，这在多细胞生物尤其明显。2/1/2023732/1/202374细胞周期调控的概况2/1/2023752001年10月8日美国人Leland

Hartwell、英国人Timothy

Hunt、PaulNurse因对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理/医学奖。2/1/202376细胞分裂内容概要●有丝分裂(mitosis)●减数分裂(Meiosis)2/1/202377有丝分裂(Mitosis)19世纪末，FlemmingW(1882)和BoveriT(1891)分别发现了有丝分裂和减数分裂，为遗传的染色体学说提供了理论基础。●前期

(prophase)●前中期

(prometaphase)●中期

(metaphase)●后期

(anaphase)

●末期

(telophase)2/1/202378nucleolus间期(interphase)2/1/202379有丝分裂的过程前期(prophase)

染色体开始逐渐缩短变粗，形成螺旋状。当染色体变得明显可见时，每条染色体已含有两条染色单体(chromatids)，互称为姐妹染色单体(sisterchromatids)，通过着丝粒把它们连接在一起。至前期末，核仁(nucleoli)逐渐消失，核膜开始破裂，核质和细胞质融为一体。2/1/202380染色体核仁中心体早前期(earlyprophase)晚前期(lateprophase)2/1/202381中期(metophase)在此期纺缍体(spindle)逐渐明显，这个鸟笼状的结构在核区形成，由细胞两极间一束平行的纤丝构成。附着在染色体着丝粒上，染色体向细胞的赤道板(equatorialplane)移动纺缍丝2/1/202382Scanningelectronmicrographofthecentromericregionofametaphasechromosome

2/1/202383后期(anaphase)在后期，着丝粒纵裂为二，姐妹染色单体彼此分离，各自移向一极。染色体的两臂由着丝粒拖着移动，这时染色体是单条的，称为子染色体。2/1/202384着丝粒后期(anaphase)2/1/202385Fluorescentmicroscopeimageofaculturedcellinanaphase.2/1/202386末期(telophase)

末期子细胞的染色体凝缩为一个新核，在核的四周核膜重新形成，染色体又变为均匀的染色质，核仁又重新出现，又形成了间期核。末期结束时，纺缍体被降解，细胞质被新的细胞膜分隔为两部分，结果产生了两个子细胞，其染色和原来细胞中的完全一样。2/1/202387末期(telophase)2/1/202388早前期晚前期早后期晚后期末期中期间期2/1/202389间期早前期晚前期中期后期末期形成两个子细胞2/1/202390有丝分裂的意义保持生物的遗传稳定性。有丝分裂是生物进化的产物，是一种比较完善和理想的细胞分裂方式，促进了生物由低级向高级的进化发展。维持了个体的正常生长和发育。2/1/202391有丝分裂的特殊性多核细胞：细胞核进行多次重复分裂，细胞质不分裂，形成一个细胞中（细胞质）具有多个核。核内染色体分裂：核内染色体分裂（染色线连续复制），而细胞核不分裂，形成多线染色体或巨型染色体。如果蝇的唾腺染色体。2/1/202392减数分裂(meiosis)减数分裂（又称成熟分裂）：是在配子形成过程中进行的一种特殊的有丝分裂。包括两次连续的核分裂而染色体只复制一次，每个子细胞核中只有单倍数的染色体的细胞分裂形式。两次连续的核分裂分别称为第一次分裂和第二次分裂。每次分裂都可以分成前、中、后、末四期。其中最复杂和最长的时期是前期I，又可分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期。2/1/202393两次分裂的不同点第一次分裂是减数的；第二次分裂是不减数的。第一次分裂复杂，时间长；第二次分裂跟一般的有丝分裂一样。2/1/202394同源染色体(homologouschromosome)：在二倍体生物中，每对染色体的两个成员中一个来自父方，一个来自母方，其形态大小相同的染色体称为同源染色体。不属于同一对的染色体称为非同源染色体(nonhomologouschromosome)。联会(synapsis)：

同源染色体的两个成员侧向连接，像拉链一样地并排配对称为联会。联会始于偶线期，中止在双线期。相关概念2/1/202395联会复合体(synaptonemalcomplex,SC)：同源染色体联会过程中形成的一种独特的亚显微的非永久性的复合结构。交叉(chiasma)：非姐妹染色单体间若干处相互交叉缠结，交叉是染色单体发生交换的结果。交换(crossingover)：非姐妹染色单体间发生遗传物质的局部交换。2/1/202396一条染色体复制后形成的、两条完全一样的染色单体，由着丝点连在一起。配对的两个染色体，形状和大小一般相同，一个来自父方，一个来自母方。同源染色体姐妹染色单体2/1/202397四分体每一对配对的同源染色体中，含有四个染色单体，叫做一个四分体。（从染色单体的角度考虑）一个四分体两个四分体2/1/202398减数分裂Ⅰ(meiosisⅠ)前期I(prophaseI)

和有丝分裂一样，DNA的合成发生在S期，但复制的产物直到晚前期I才能看见。前期I经历时间较长，又可分为五个亚时期。1)、细线期(leptotene)此期染色体呈细长线状，核仁依然存在。在细线期和整个的前期中染色体持续地浓缩。2)、偶线期(zygotene)同源染色体开始联会，出现联会复合体。2/1/2023993)、粗线期(pachytene)染色体完全联会，缩短变粗，但核仁仍存在。非姐妹染色单体间可能发生交换。4)、双线期(diplotene)染色体继续变短变粗，双价体中的两条同源染色彼此分开。在非姐妹染色单体间可见交叉结，交叉结的出现是发生过交换的有形结果。交叉数目逐渐减少，在着丝粒两侧的交叉向两端移动，这种现象称为交叉端化。5)、终变期(diakinesis)染色体进一步收缩变粗变短，便于分裂时移动。2/1/2023100玉米减数分裂前期I中的几个亚时期2/1/2023101前期I细线期偶线期粗线期双线期终变期2/1/2023102一个来自蝗虫的四分体结构，示5个交叉姊妹染色单体非姊妹染色单体交换染色体断裂2/1/2023103中期I(metophaseI)核仁、核膜消失，各个双价体排列在赤道板上，着丝粒分居于赤道板的两侧，附着在纺缍丝上，而有丝分裂的中期着丝粒位于赤道板上。中期I着丝粒并不分裂。后期I(anaphaseI)双价体中的同源染色体彼此分开，移向两极，但同源染色体的各个成员各自的着丝粒并不分开。2/1/2023104末期I(telophaseI)此末期和随后的间期也称分裂间期(interkinesis)，并不是普遍存在的，在很多生物中没有这一阶段，也没有核膜重新形成的过程，细胞直接进入第二次减数分裂。在另一些生物中，末期I和分裂间期是短暂的，但核膜重新形成。在很多情况下，此期不合成DNA，染色体的形状也不发生改变。以着丝点来计算染色体的条数，减数分裂I可称为“减数分裂”(reductiondivision)，而减数分裂II则称为“等数分裂”(equationaldivision)。2/1/2023105玉米减数分裂I示中期、后期、末期和间