《医学细胞生物学》细胞增殖和细胞周期-课件

第十三章细胞增殖和细胞周期

(CelldivisionandCellcycle)医学细胞生物学1主要内容细胞增殖1细胞周期22教学要求12345细胞周期概念，细胞周期各时相动态变化（形态和分子事件）细胞周期调控蛋白的种类以及对细胞周期的调控作用有丝分裂基本过程和生物学意义减数分裂基本过程和生物学意义细胞分裂的概念6细胞周期检测点的种类、功能及生物学意义3第一节细胞增殖细胞增殖的概念一细胞增殖的作用二细胞增殖的方式三4一、细胞增殖的概念细胞生长细胞分裂数量增加5二、细胞增殖的作用1、有机体的生长依靠的是数量的增多，而不是体积的增大受精卵至新生儿1012至成年1014成年体内产生的新细胞：数百万/秒2、细胞通过增殖来补充衰老、损伤和死亡的细胞6三、细胞增殖的方式（三）减数分裂（二）有丝分裂（一)无丝分裂（四）对称分裂与不对称分裂7又称为直接分裂（一）无丝分裂(amitosis)大肠杆菌：20分钟分裂一次，两天超过地球的重量8不出现纺锤体和染色体。低等生物中较常见。高等动物细胞分布：创伤、癌变及衰老的细胞。（一）无丝分裂(amitosis)过程特点9又称为间接分裂有丝分裂装置的产生—-有丝分裂器。将遗传物质平均分配到两个子细胞中，从而保证了细胞在遗传上的稳定性。是高等动物细胞的主要分裂方式（二）有丝分裂(mitosis)特点姐妹染色单体星体中心体赤道板动粒动粒微管极间微管纺锤体染色体中心体10核仁核膜细胞膜中心体染色质间期前期姐妹染色单体纺锤体染色体中心体动粒微管极间微管染色体核膜崩解前期特点(2)两现：染色体出现、纺锤体出现(3)两失：核仁消失、核膜消失(1)标志：染色质凝集成染色体有丝分裂的基本过程11前期：核膜消失12动粒微管：由中心体发出，连接在染色体着丝点的动粒上，着丝点上具有马达蛋白极间微管：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。星体微管：由中心体向外放射，末端结合有分子马达，负责两极的分离。有丝分裂器姐妹染色单体极间微管动粒微管赤道板中心体星体微管13前期随着动粒微管正端不断聚合与解聚的牵引作用，染色体发生剧烈地震荡和摇摆运动，逐渐移向细胞中央的赤道面，此即色体列队。中期有丝分裂的基本过程姐妹染色单体纺锤体染色体中心体动粒微管极间微管染色体核膜纺锤体中心体赤道板14前期中期有丝分裂的基本过程姐妹染色单体纺锤体染色体中心体动粒微管极间微管染色体核膜纺锤体中心体赤道板后期姐妹染色单体15后期姐妹染色单体末期核膜出现核仁出现分裂沟末期特点⑴两个出现：核膜出现、核仁出现⑵两个消失：染色体消失、纺锤丝消失有丝分裂的基本过程16末期：核膜出现17在后期末或末期初，在中部质膜的下方，出现了由大量肌动蛋白和肌球蛋白聚集形成的环状结构，即收缩环。胞质中的纺锤体也逐渐解体，残存的微管及一些囊泡也聚集于子代细胞核之间的细胞中部，所形成的环型致密层称为中体有丝分裂的基本过程1、核分裂：前期、中期、后期、末期2、胞质分裂分裂沟收缩环子细胞18（三）减数分裂（Meiosis）特点减数分裂Ⅰ减数分裂ⅡDNA只复制一次，细胞连续分裂两次19减数分裂的基本过程中心体核膜染色质间期减数分裂Ⅰ减数分裂Ⅱ98%的DNA合成前期Ⅰ(2%DNA合成)中期Ⅰ后期Ⅰ末期Ⅰ前期Ⅱ同源染色体分离姐妹染色单体分离中期Ⅱ后期Ⅱ末期Ⅱ20减数分裂Ⅰ前期Ⅰ间期四分体纺锤体交叉持续时间长，物种间差异大细胞核变大、染色体凝集染色体配对和片段交换中心体核膜染色质姐妹染色单体前期Ⅰ细线期粗线期双线期终变期偶线期21前期Ⅰ染色质开始凝集光镜下---单条细线状电镜下---姐妹染色单体同源染色体开始配对细线期：细线期核膜22前期Ⅰ染色质进一步凝集联会：同源染色体配对二价体、四分体出现Z-DNA：与SC形成有关联会复合体（SC）偶线期：细线期偶线期核膜二价体联会复合体23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，称为联会复合体（SC）。联会复合体（SC）中央成分横向纤维侧生成分姐妹染色单体（父源）姐妹染色单体（母源）中间区重组结24前期Ⅰ核膜二价体联会复合体粗线期染色体明显变短变粗（至少缩短了四分之一）粗线期要持续几天或几周，甚至几月出现重组结合成减数分裂特殊的组蛋白合成P-DNA:交换过程中DNA链修复、连接粗线期：细线期偶线期25在联会复合体的中央新出现一些椭圆形或球形，富含蛋白质及酶的棒状结构，称为重组结，重组结中央成分横向纤维侧生成分姐妹染色单体（父源）姐妹染色单体（母源）中央区重组结多个重组小结相间地分布于联会复合体上，可能与染色体片段的重组直接相关。26前期Ⅰ联会复合体消失同源染色体相互分开出现交叉交叉端化双线期：双线期粗线期交叉27交叉双线期判断标志：二价体呈V、8、X、O的形状二价体交叉28前期Ⅰ交叉核膜崩解终变期双线期粗线期染色体呈短棒状交叉端化继续同源染色体向赤道面移动。核仁、核膜消失，纺锤体形成。标志前期Ⅰ完成终变期：29减数分裂Ⅰ前期Ⅰ间期四分体纺锤体交叉中心体核膜染色质姐妹染色单体中期Ⅰ同源染色体赤道板纺锤体30减数分裂Ⅰ后期Ⅰ同源染色体姐妹染色单体末期Ⅰ和胞质分裂分裂沟31减数分裂Ⅱ前期Ⅱ中期Ⅱ后期Ⅱ末期Ⅰ和胞质分裂末期Ⅱ和胞质分裂姐妹染色单体32减数分裂的结果精母细胞（二倍体）减数分裂Ⅰ减数分裂Ⅱ卵母细胞（二倍体）精细胞（单倍体）极体（单倍体）卵细胞（单倍体）精子（单倍体）33减数分裂的生物学意义1.维持了遗传物质的稳定（体细胞2n=46，生殖细胞（配子）：精子和卵子n=23，受精后受精卵为2n=46）2.是遗传学三大定律的细胞学基础（分离律、自由组合律、连锁互换律）3.是遗传和变异的细胞学基础，为生物的进化和多样性提供了可能（同源染色体上的非姐妹染色单体的交换；非同源染色体的自由组合）34减数分裂有丝分裂时期

性细胞成熟期

存在一生发生部位

生殖细胞

体细胞过程

两次分裂

一次分裂结果

形成四个子细胞

形成两个子细胞遗传物质

数目减半

数目不变DNA复制99.7%在S期

0.3%在前期Ⅰ100%在间期复制间期

两次间期

一次间期有丝分裂与减数分裂的比较35（四）对称分裂与不对称分裂对称分裂不对称分裂两个干细胞干细胞分化细胞36（四）对称分裂与不对称分裂不对称分裂的意义干细胞的种群不对称分裂，是生物体内干细胞维持自身数目恒定的重要方式例如：正常肠腺大约由250个细胞组成，如果额外多产生一个干细胞，则需要多产生64～128个子代细胞37第二节细胞周期细胞周期的概念一细胞周期各时相的特点四细胞周期的调控五38细胞周期（cellcycle）：这一过程所经历的时间为细胞周期时间。在高等生物中，一个细胞周期通常持续12-32h。一、细胞周期的概念指细胞从上一次有丝分裂结束开始，到下一次有丝分裂结束为止所经历的过程。典型的人体细胞的细胞周期时间是24h。39有丝分裂期（mitoticphase，M期）G1期:DNA合成前期S期：DNA合成期一、细胞周期的概念间期（interphase）G2期:DNA合成后期前期、中期、后期、末期和胞质分裂G1期约11hG2期约4hM期约1hS期约8h40从增殖角度将细胞分类：一、细胞周期的概念连续分裂细胞休眠细胞终末细胞41细胞分类始终保持旺盛的增殖活性。又称为周期细胞，1、连续分裂细胞如：表皮生发层细胞、部分骨髓细胞42G0G0期细胞，退出G1期的细胞。一般不分裂，暂不增殖细胞保持代谢活动，在接受细胞外信号后才进入细胞周期。限制点（R点）：在G1期与S期之间有一个限制点，G1期细胞一旦通过此点，便能完成随后的细胞周期进程，是控制细胞增殖的关键。2、休眠细胞细胞分类如：淋巴细胞、肝细胞、肾细胞43终端细胞，这类细胞完全失去了增殖能力，结构和功能高度特化。3、不分裂细胞干细胞神经元细胞星形胶质细胞始祖细胞细胞分类如:神经细胞、肌细胞44四、细胞周期各时相的主要事件（一）G1期（二）S期（三）G2期（四）M期45（一）G1期--DNA合成前期进行活跃的RNA、蛋白质合成，是细胞进入S期的必要条件细胞的体积显著增大。RNA：tRNA、rRNA、Mrna蛋白质:DNA聚合酶、细胞周期蛋白、细胞周期蛋白依赖性蛋白、钙调蛋白、触发蛋白等G1末中心粒开始复制。主要事件：46（二）S期--DNA合成期是细胞周期的关键期主要事件：DNA合成（复制）合成组蛋白及非组蛋白中心粒S晚期复制完成47（三）G2期—DNA合成后期主要事件：大量合成RNA、蛋白质如微管蛋白，有丝分裂因子、成熟促进因子（MPF）等中心粒开始分离并移向两极48（四）M期—分裂期将加倍的DNA平均分配到两个子细胞中。除非组蛋白外，细胞中DNA、RNA、蛋白质合成停止。主要事件：细胞形态、结构发生一系列变化49五、细胞周期的调控（一）细胞周期相关蛋白的发现（二）细胞周期相关蛋白与细胞周期蛋白依赖性激酶（三）细胞周期蛋白/细胞周期蛋白依赖性激酶对细胞周期的调控（四）检测点在细胞周期调控中的作用（五）癌基因和抑癌基因对细胞周期的调控（六）生长因子和激素对细胞周期的调节50（一）细胞周期相关蛋白的发现该物质被称为有丝分裂因子（mitosisfactor，MF）或促成熟分裂因子（maturation-promotingfactor，MPF）1960年开始G1期和S期的细胞提取物不能使未成熟卵分裂G2期和M期的细胞提取物能使未成熟卵分裂或促有丝分裂因子（mitosispromotingfactor，MPF）1976年

酵母cdc2基因，可调节细胞从G1期进入S期，及G2期向M期过渡，人类同源物Cdk1,周期依赖性激酶151也称为周期素，是真核细胞中的一类蛋白质，随细胞周期进程周期性地出现及消失，并与细胞中其他蛋白结合，对细胞周期相关活动进行调节。（二）cyclin、Cdk与CKICyclin种类：在哺乳动物中为cyclinA-H,称为Cyclins家族细胞周期蛋白52特点：能特异地与Cdk(细胞周期蛋白依赖激酶)结合，使Cdk活化（二）cyclin、Cdk与CKICyclin结构：各类周期蛋白均有一段100bp左右的氨基酸保守序列，称为周期蛋白框，Cdk的结合位点Cyclin的种类远多于Cdk，多余的cyclin称为孤儿周期蛋白细胞周期蛋白53CdkCdk是必须与细胞周期蛋白结合后才具有激酶活性的蛋白激酶。（二）cyclin、Cdk与CKI细胞周期蛋白依赖激酶（

cyclin-dependentkinase）54通过磷酸化多种与细胞周期相关的蛋白，在细胞周期调控中起关键作用。磷酸化染色体组蛋白H1，导致染色体凝集磷酸化微管结合蛋白，形成纺锤体磷酸化某些酶类，降解不需要的周期蛋白例如：磷酸化核纤层蛋白，导致核纤层解体，核膜消失（二）cyclin、Cdk与CKICdk细胞周期蛋白依赖激酶（

cyclin-dependentkinase）Cdk是必须与细胞周期蛋白结合后才具有激酶活性的蛋白激酶。55cyclin与Cdk的对应关系细胞周期cyclinCdk复合物的作用G1CyclinDCdk4、6使蛋白质Rb磷酸化，释放E2F，促进多种基因转录G1/SCyclinECdk2促进细胞通过G1/S限制点进入S期SCyclinACdk2DNA复制所必需的MCyclinBCdk1(cdc2)使组蛋白H1磷酸化，促进染色质凝集56Cyclin的降解降解盒：分裂期的周期蛋白N端有一段序列与自身降解有关降解盒泛素多聚泛素链Cyclin被降解成多肽57Cyclin的降解降解盒：分裂期的周期蛋白N端有一段序列与自身降解有关PEST序列：G1期的周期蛋白没有降解盒，在C端有一段PEST序列与自身降解有关58Cyclin和Cdk对细胞周期的调控59（二）cyclin、Cdk与CKICKI细胞周期蛋白依赖激酶抑制因子（

Cdkinhibitor）有活性无活性CKI通过与Cdk和cyclin-Cdk复合体结合，抑制Cdk的活性，从而阻断或延续细胞周期的进行，对细胞周期起负调控作用60（二）cyclin、Cdk与CKI61（三）cyclin/Cdk对细胞周期的调控1、细胞进入S期的调控细胞外增殖信号作用cyclinD含量增加，Cdk4、6活性提高cyclinD-Cdk复合物活性增高Rb蛋白磷酸化，与E2F分离，E2F活化，激活G1/S期需要的基因转录62（三）cyclin/Cdk对细胞周期的调控2、S期DNA复制的调控ORC(起始识别复合体)起始点Cdc6Cdt1MCM(DNA解旋酶)Pro-RC(前复制复合体)S期cyclin-CdkCdc6磷酸化Cdt1起始复合体63（三）cyclin/Cdk对细胞周期的调控3、细胞进M期的调控无活性的cyclin-CdkCdk活化激酶Cdk抑制激酶无活性的cyclin-Cdk抑制性磷酸化活化性磷酸化正反馈正反馈活化的cyclin-Cdk64（三）cyclin/Cdk对细胞周期的调控3、细胞进M期的调控分离酶抑制蛋白活化的APC(促后期蛋白复合体)分离酶（无活性）后期中期有丝分裂器启动黏连复合体分离酶（有活性）黏连复合体解聚分离酶抑制蛋白降解65（三）cyclin/Cdk对细胞周期的调控4、M期的退出M-Cdk活性降低纺锤体消失染色体变为染色质核纤层蛋白去磷酸化，核纤层蛋白聚合，核膜出现，核仁出现肌球蛋白去磷酸化，启动收缩机制，分裂沟形成，胞质分裂66（四）检测点在细胞周期调控中的作用1、G1/S检测点：DNA是否受损，细胞外环境是否适宜，细胞体积是否足够大，2、S期检测点：DNA复制进度DNA复制是否完成3、G2/M期检测点：阻止有损伤DNA的细胞进入M期，确保细胞基因组的完整性和稳定性4、中-后期检测点（纺锤体组装检测点）：保证染色体正确分离每当细胞周期进入下一个时相前，都要经过一个节点，负责检查本时相任务完成情况，保证细胞精确无误地分裂，这些节点称为细胞周期检测点67

GI/S检测点的调控蛋白P53和Rb蛋白DNA损伤后p53含量增加CKI68（五）癌基因与抑癌基因对细胞周期的调控分若干个基因家族（已发现近百种癌基因）癌基因(oncogene)：是一类在正常情况下为细胞生长、增殖和分化所必需的，突变或