第十讲细胞周期与细胞分裂

第十讲细胞周期与细胞分裂第1页，共55页，2023年，2月20日，星期二一背景细胞增殖（cellproliferation）是细胞生命活动的重要特征之一，是生物繁育的基础各种细胞在分裂之前，还必须进行一定的物质准备。物质准备和细胞分裂是一个相互连续的过程，这一过程即为细胞增殖

细胞增殖是细胞通过生长和分裂获得具有与母细胞相同遗传特征的子代细胞，从而使细胞数目成倍增加的过程。细胞的增殖活动使生命得以延续在细胞中必须有一个严格的监控系统，监控着细胞周期运转中每一个环节，从而保证遗传的稳定第2页，共55页，2023年，2月20日，星期二细胞生长细胞分裂生命的基本特征之一细胞生长、分裂的周期细胞周期细胞生长、分裂一切有机体建立的基础；机体组织更新的需要；机体对细胞增殖有精确的调节第3页，共55页，2023年，2月20日，星期二核小体与DNA、染色质、染色体的关系核小体：4对组蛋白（H2A、H2B、H3、H4）构成核心，DNA分子链缠绕在核心外H1组蛋白起连接作用，赋予染色质以极性，推测在染色质活化过程中起作用第4页，共55页，2023年，2月20日，星期二chromosome第5页，共55页，2023年，2月20日，星期二

中着丝粒染色体亚中着丝粒染色体近端着丝粒染色体端着丝粒染色体第6页，共55页，2023年，2月20日，星期二分裂中期染色体典型结构特征

由两条相同的姐妹染色单体（chromatid）构成，彼此以着丝粒相连染色体沿着纵轴出现着丝粒区/主缢痕、染色体臂、副缢痕、随体和端粒等不同结构域第7页，共55页，2023年，2月20日，星期二1.着丝点结构域（kinetochoredomain）哺乳动物着丝点超微结构可分为3个区域:①与中央结构域相联系的内板（innerplate）；②中间间隙（middlespace），电子密度低，呈半透明区；③外板（outerplate）在没有着丝点微管存在时，覆盖在外板上的第4个区称为纤维冠，由微管蛋白构成第8页，共55页，2023年，2月20日，星期二2.次缢痕（secondaryconstriction）：除主缢痕外，在染色体上的浅染缢缩部位，数目、位置和大小是某些染色体所特有的形态特征3.随体（satellite）指位于染色体末端的球形染色体节段，通过次缢痕区与染色体主体部分相连。它是识别染色体的重要形态特征之一，带有随体的染色体称为sat-染色体4.核仁组织区（nucleolarorganizingregion）：位于染色体的次缢痕部位，但并非所有次缢痕都是NOR。染色体NOR是rRNA基因所在部位（5SrRNA基因除外），与间期细胞核仁形成有关第9页，共55页，2023年，2月20日，星期二5.端粒（telomere）染色体端部特化结构，由端粒DNA和端粒蛋白构成如果染色体打断端粒，则断端具有粘性，可和其他断片相连接，或与同一染色体的另一端顶连接而成环状端粒DNA为高度重复富含G的DNA短序列，在进化上有高度保守性，人的序列TTAGGG，串联重复500-3000次，长度2-20kb端粒DNA每复制一次减少50-100bp，其复制要靠有此模板的端粒酶来完成生物学作用：维持染色体的稳定，保证染色体DNA的完全复制及参与染色体在核内的空间排布及减数分裂时同源染色体配对第10页，共55页，2023年，2月20日，星期二

纺锤体（spindle）：大量微管纵向排列组成中间宽，两极缩小的纺锤状结构第11页，共55页，2023年，2月20日，星期二中心体由两个相互垂直的中心粒构成。周围是无定形物质，叫做外中心粒物质（PCM）中心粒由9组3联微管构成，具有召集PCM的作用微管组织中心处微管蛋白以环状的γ球蛋白复合体为模板核化、先组装出(-)极，然后开始生长第12页，共55页，2023年，2月20日，星期二第13页，共55页，2023年，2月20日，星期二细胞周期概述细胞周期时间细胞周期时相与事件特异的性细胞周期二细胞周期第14页，共55页，2023年，2月20日，星期二细胞周期是指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序贯过程。在这一过程中，细胞遗传物质复制，各种组分加倍，然后平均分配到两个子细胞中第15页，共55页，2023年，2月20日，星期二细胞周期可以划分为4个时期：M期（有丝分裂期mitosis）、S期（DNA合成期）、G1期（M期结束到S期之间的间隙）、G2期（S期结束到M期之间的间隙）。细胞在细胞周期中顺序经过

G1-S-G2-M而完成其增殖，G1、S、G2构成两次分裂之间的分裂间期（interphase）

有些细胞可能会持续分裂，即细胞周期持续运转，这类细胞常称为周期中细胞（cyclingcell）；也有些细胞会暂时离开细胞周期，停止细胞分裂，去执行一定的生物学功能，这些细胞成为静止期细胞（quiescentcell），或G0期细胞第16页，共55页，2023年，2月20日，星期二2.细胞周期时间

不同生物细胞的细胞周期时间有差异，同一系统中不同细胞，其细胞周期时间也有很大差异。一般说来，S+G2+M的时间变化小，而G1期的持续时间差异可能很大。细菌在适宜的条件下，20min为一周期。受精卵细胞只有DNA复制而无细胞的增长，因此细胞周期短。有的细胞如胚胎细胞可能缺乏G1期第17页，共55页，2023年，2月20日，星期二G1期：与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的蛋白质、RNA

、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集S期：DNA复制与组蛋白合成，并形成核小体G2期：DNA复制完成，合成一定数量蛋白质和RNA分子M期：细胞分裂期，遗传物质和其他物质分配给子细胞

3.细胞周期时相事件第18页，共55页，2023年，2月20日，星期二4.特异的细胞周期早期胚胎细胞的细胞周期早期胚胎细胞的细胞周期主要指受精卵在卵裂过程中的细胞周期显著的特点：当受精以后，受精卵便开始迅速卵裂，卵裂球数量增加，但其总体积并不增加，因而，卵裂球体积将越分越小；每次卵裂所持续的时间，即一个细胞周期所持续的时间，大大短于一个体细胞周期所持续的时间；细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本是一致的第19页，共55页，2023年，2月20日，星期二3）MPF（成熟促进因子）复合物组成：

包括

cdc-2（细胞分裂周期蛋白激酶2）

S-cyclin（S期细胞周期蛋白）

M-cyclin（M期细胞周期蛋白）5.细胞周期的调控①G1期→S期②G2期→M期1）研究发现：细胞分裂调控的关键时期在分裂间期2）两个起决定作用的控制点4）MPR复合物的作用：

①当cdc-2+S-cyclin→结合时，激发G1期→S期；②当cdc-2+M-cyclin→结合时，激发G2期→M期第20页，共55页，2023年，2月20日，星期二第21页，共55页，2023年，2月20日，星期二三细胞分裂第22页，共55页，2023年，2月20日，星期二100个细菌，每30分钟繁殖一代，4小时后，细菌的数目是多少？1个细菌一分钟分成2个，一小时占满一个瓶子。如果一开始有2个细菌，那么，占满一个瓶子要几分钟？细菌分裂计算第23页，共55页，2023年，2月20日，星期二细胞分裂类型细菌二分裂：无丝分裂酵母细胞分裂高等真核细胞：

有丝分裂（mitosis）

减数分裂（meiosis）第24页，共55页，2023年，2月20日，星期二1.无丝分裂

无丝分裂（直接分裂）：

直接进行细胞核与细胞质的分裂方式。分裂过程中既无染色体、纺锤体的形成，也无核膜、核仁的解体。在低等生物中较为常见第25页，共55页，2023年，2月20日，星期二细菌二分裂在快速生长情况下，细菌细胞每分裂一次仅需要35min，而完成一次DNA复制实际需要70min？上一次分裂结束时，胞内DNA已经复制到一半路程第26页，共55页，2023年，2月20日，星期二2.酵母细胞第27页，共55页，2023年，2月20日，星期二有丝分裂又称间接分裂，是高等真核生物细胞分裂的主要方式主要特征：有丝分裂装置的产生——有丝分裂器（mitoticapparatus）3.有丝分裂第28页，共55页，2023年，2月20日，星期二有丝分裂器：是在有丝分裂中期由染色体（chromosome）、中心体（centrosome）和纺锤体（spindle）共同组成的临时性结构功能：在维持染色体的平衡、运动、分配中起着极为重要作用第29页，共55页，2023年，2月20日，星期二有丝分裂是一个核改组的连续过程，根据形态学特征，人为地分为前期、早中期、中期、后期及末期有丝分裂过程第30页，共55页，2023年，2月20日，星期二（1）前期（prophase）标志：染色质不断浓集包装，中心粒出现远离事件：有丝分裂器的形成，纺锤体出现线状纤维；核仁消失，核膜崩解特征：每条染色体形成2条染色单体的成双结构第31页，共55页，2023年，2月20日，星期二（2）早中期（prometaphase）标志：核膜崩解事件：纺锤体微管自由端最终结合到动粒上，形成染色体牵丝特征：染色体剧烈地活动第32页，共55页，2023年，2月20日，星期二（3）中期（metaphase）标志：染色体排列在赤道面上，有丝分裂器形成事件：连续微管和动粒微管持续延长，纺锤体不断远离特征：染色体牵丝作用于染色体上的力量持平第33页，共55页，2023年，2月20日，星期二

微管的延长是微管蛋白α、β二聚体的组装大于去组装的结果，由G2期末到中期，星体和纺锤体微管均靠（+）端的延长推动中心粒分向两极组成纺锤体的微管数目不等，酵母细胞可少到16条，高等植物可达5000条第34页，共55页，2023年，2月20日，星期二（4）后期（anaphase）标志：姐妹染色单体突然同时分裂事件：动粒受到不断缩短的染色体牵丝的牵引而产生染色体的向极移动特征：动粒在前，两臂拖后第35页，共55页，2023年，2月20日，星期二以微束激光打击中期染色体的动粒之一时，这一对染色体单体立即移向另一动粒面向的一极，动粒微管缩短，类似后期发生的事件第36页，共55页，2023年，2月20日，星期二

染色体的向极运动称为后期A。两极间的距离增加称为后期B。这两者是独立的运动类型，例如用低浓度的水合氯醛处理，可以阻止极间牵丝的延长和极向两极移动，而完全不影响染色体牵丝的作用第37页，共55页，2023年，2月20日，星期二（A）在动粒中ATP分子水解可以提供能量驱动微管上的“行走蛋白”

，即类动力蛋白马达分子向极部移动，拉动染色体向极移动。（B）随着动粒端的微管去组装，动粒倾向于向极滑行以恢复“袖筒”壁与微管的结合而拉着染色体向极部运动第38页，共55页，2023年，2月20日，星期二ModelofHowMicrotubuleMotorProteinsAreThoughttoActinAnaphaseB

In(A)plus-end-directedmotorproteinsofthekinesinfamilycross-linkadjacent,overlapping,anti-parallelpolarmicrotubulesandslidethemicrotubulespasteachother,therebypushingthespindlepolesapart.TheblackarrowsindicatethedirectionofmicrotubuleslidingIn(B)minus-end-directedmotorproteinsbindtothecellcortexandtothoseastralmicrotubulesthatpointawayfromthespindleandpullthespindlepolesapart第39页，共55页，2023年，2月20日，星期二移动素类蛋白（knesin—relatedproteins，KRPs）和细胞质动力蛋白（dynein）的作用KRPs为向微管负极运动的蛋白，而细胞质动力蛋白为向微管正极运动的蛋白中心体分离时，负向运动的动力蛋白在来自姐妹中心体的微管之间搭桥，并向负极运动正向运动的动力蛋白在纺锤体微管之间搭桥，借助向微管正极运动，将纺锤体拉长，中心体之间的距离逐渐加大当纺锤体拉长到一定程度后，负向运动的动力蛋白在细胞膜和星体微管之间搭桥，借助负向运动，将星体拉近两极的细胞膜，纺锤体也进一步被拉长第40页，共55页，2023年，2月20日，星期二（5）末期（telophase）标志：染色体平均地分到纺锤体的两极事件：形成核膜，RNA合成恢复，核仁重新出现特征：染色质去螺旋化，高度分散在间期核中，胞质分裂完成第41页，共55页，2023年，2月20日，星期二核被的裂解与再生第42页，共55页，2023年，2月20日，星期二

减数分裂是有性繁殖的生物为形成单倍体配子，而进行的一次特殊的细胞有丝分裂（即伴随有染色体数目减半的特殊的有丝分裂，是在配子形成过程中发生的）4.减数分裂第43页，共55页，2023年，2月20日，星期二减数分裂特点特征：减数分裂包括两次细胞分裂，但只有一次DNA复制，产生4个单倍体的细胞；故产生的生殖细胞染色体数目减半（核中染色体数目比分裂开始前少一半）第44页，共55页，2023年，2月20日，星期二

与有丝分裂过程基本相似，在连续两次分裂中（减数分裂I和减数分裂II），每次分裂也都分前、早中、中、后、末五个时期

减分Ⅰ的前期复杂：需要时间较长，且染色体变化也复杂，一般将此期又分为5个期细线期偶线期粗线期双线期终变期两条染色单体四条染色单体重组期交叉的单体分开准备分裂减数分裂过程第45页，共55页，2023年，2月20日，星期二1）细线期：染色质凝集→逐渐变粗，细线状（含两条染色单体，不易分开；核膜和核仁均可见）2）偶线期：染色体呈双排，同源染色体互相识别，配对（来自父母两两成对并列靠拢，称联会；含四条染色单体）如人：配成23对（有丝分裂不配对！）3）粗线期：出现四分体（重组期：同源染色体间DNA片段交叉、交换，产生新的等位基因组合）。将使产生的配子类型呈现多样化。4）双线期：同源染色体交叉的单体分开；光镜下易观察到四分体（双价体）（同源染色体的重组结束！）5）终变期：染色体定型，核膜、核仁消失，纺锤体出现，准备分裂减数分裂Ⅰ的前期（前期Ⅰ）第46页，共55页，2023年，2月20日，星期二①中期I：四分体在纺锤丝的拉动下，排列在赤道板上②后期I：同源染色体分别移向两极，每极只有单倍数目的染色体，但每条染色体仍有二条单体组成（姐妹染色单体）。③末期I：同源染色体各自到达一极，开始伸长，核仁核膜出现，胞质开始分裂，形成二个子细胞④减分I特点：末期I染色体只有n条不是n对，但每条中有二条单体（有丝分裂末期为2n，每条染色体只有一条单体）6）减数分裂I其它各期：减分I前期完成事件：①染色体重组（贯穿整个过程）同源染色体配对发生的DNA重组；②合成配子乃至胚胎早期所需全部或大部分RNA，蛋白质和糖类③染色体凝集成短棒状第47页，共55页，2023年，2月20日，星期二减数分裂II分前期II、中期II、后期II和末期II，与有丝分裂相同第48页，共55页，2023年，2月20日，星期二同源染色体配对和染色体交叉，造成基因重组1）亲代染色体自由组合；（遗传重组：同源染色体随机分配：如3对染色体（n=3），配子种类为2n=8种）2）同源染色体配对时，非姐妹染色单体间发生交换发生的DNA交换（来自双亲的基因）遗传变异两种方式第49页，共55页，2023年，2月20日，星期二减数分裂的生物学意义1.维持了遗传物质的稳定（体细胞