《细胞生物学》-细胞11章 细胞周期与细胞分裂

Chapter11

Cellcycleandcelldivision

“Whereacellarises,theremustbeapreviouscell,justasanimalscanonlyarisefromanimalsandplantsfromplants”

—魏尔肖（德国病理学家，1858）细胞增殖(cellproliferation)的意义子代产生、个体生长和发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即受精卵分裂发育而来，细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。成体生物仍然需要细胞增殖，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，都要依赖细胞增殖第一节细胞周期第二节细胞分裂第一节细胞周期一、细胞周期概述二、细胞周期中各不同时相及其主要事件三、细胞周期的研究方法四、特殊的细胞周期一、细胞周期(cellcycle)概述(一)细胞周期的概念

细胞周期是指细胞从一次分裂结束开始生长，到下一次分裂终了所经历的过程。又叫细胞的一个生活周期，是一个细胞物质积累与细胞分裂的循环过程。一个周期所占用的时间，即为细胞的一个世代（generationtime）（二）细胞周期的划分

最早划分细胞周期的是Howard＆Pelc

（1951—1953），从细胞形态的变化考虑，将细胞周期划分为间期（interphase）和分裂期（mitosisphase或divisionphase），间期是物质准备和积累阶段，分裂期则是细胞增殖的实施过程。间期难以靠形态学指标划分，Howard发现DNA是在间期的一定时间合成的，于是，他将间期划分为DNA合成前期（G1），DNA合成期（S）和DNA合成后期（G2）。M期依形态学指标分为前、中、后、未四个时期，各个时期又称为时相。整个周期表示为：G1→S→G2→M。

（三）细胞周期时间

（在整个细胞周期中，一个细胞经历一次增殖所需的时间）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(早期胚胎细胞)缺乏G1、G2期细胞类型细胞周期时间两栖类早期胚胎细胞30分钟酵母细胞1.5～3小时小肠上皮细胞～12小时体外培养的哺乳类上皮细胞～20小时人类肝细胞～1年小鼠食管上皮细胞T=115h;G1=103h;十二指肠上皮细胞T=15h;G1=6h;1.就高等生物体细胞而言，细胞周期时间长短差别主要与哪个时期相关（）A.G1B.SC.G2D.M1.就高等生物体细胞而言,细胞周期时间长短差别主要与哪个时期相关()G1ASBG2CMD提交单选题10分（四）根据增殖状况，G1期细胞分为三类周期中细胞

(cyclingcell)：连续分裂的细胞（如表皮生发层、部分骨髓细胞、干细胞）G0期细胞（静止期细胞，quiescentcell）：有些细胞通常情况下不能合成DNA，处于静止状态可达数月甚至更久，但当给予某种刺激时，可重新进入细胞周期，可见这些细胞是暂时不继续增殖，但具潜在增殖能力（如肝、肾细胞、淋巴细胞）终末分化细胞（terminallydifferentiatedcel

）：终端分化细胞或不育细胞、不分裂细胞。这部分细胞终生处于G1期，通过分化、衰老至死亡。（如角质细胞、神经细胞、肌细胞、血细胞等）G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前可能被认为是G0期细胞。

二、细胞周期中各不同时相及其主要事件G1期：与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA，碳水化合物，糖类、脂质类等，同时染色质去凝集；S期：DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构；G2期：DNA复制完成，合成一定数量的蛋白质和RNA分子；M期：细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂和减数分裂。Howtostudycellcycleprogression?Howcanwetellwhatstageananimalcellhasreachedinthecellcycle?三、细胞周期的研究方法1细胞周期各时相长短测定（1）脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法；标记有丝分裂百分数法（Percentageoflabelledmitosis，PLM法）对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期；放射标记物为3H或14C标记的TdR

目前可以采用BrdU取代3H—TdR（氚-胸腺嘧啶核苷）标记细胞，检测被标记的细胞可用抗BrdU抗体作免疫细胞化学染色（2）流式细胞分选仪测定法原理：将DNA染色后，DNA含量与荧光强度成正比；而DNA含量恰好跟细胞周期不同时相有关。G1期细胞的DNA含量是二倍体；S期是二倍体到四倍体；G2期和M期都是四倍体；通过流式细胞仪分选后，绘制如下图；（3）缩时摄像技术：可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期的准确时间。2细胞周期同步化法（cellsynchrony）

（1）天然同步化（naturalsynchronization）在自然界中，有些生物本身有部分地或短时间的细胞分裂同步的现象。如有一种粘菌的变形体plasmodia,及某些受精卵早期卵裂

爪蟾早期胚胎果蝇早期胚胎(2)人工选择同步化(Selectedsynchronization)

有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点是细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点是分离的细胞数量少。

密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。优点是方法简单省时，效率高，成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。(3)药物诱导法

DNA合成阻断法

─G1/S-TdR双阻断法：最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点是同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱导过程可造成细胞非均衡生长。（例如采用最多的DNA合成抑制剂为TdR或羟基脲）分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞纺锤体的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大。（例如用秋水仙素、秋水酰胺和诺考达唑）处于对数生长期的细胞加入TdR,S期细胞被抑制将TdR洗脱,解除抑制再加入TdR,细胞被抑制在G1/S交界处2.通过两次加入过量TdR阻断DNA合成的方法进行细胞周期同步化处理时，细胞群体被阻断在（）A.G1/SB.S/G2C.G2/MD.M/G12.通过两次加入过量TdR阻断DNA合成的方法进行细胞周期同步化处理时,细胞群体被阻断在()G1/SAS/G2BG2/MCM/G1D提交单选题10分（4）条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用

将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞周期中某一特定时期四、特殊的细胞周期(specialcellcycle)

（一）爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期⑴细胞分裂快，无G1期，G2期非常短，S期也短（所有复制子都激活），以至认为仅含有S期和M期；⑵无需临时合成其它物质；⑶子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小；⑷细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞的标准细胞周期基本一致。

（二）酵母细胞的细胞周期

包括G1、S、G2、M四个时相

酵母细胞周期持续时间较短，大约为90min细胞分裂过程属于封闭式：核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖：芽殖酵母和裂殖酵母（三）植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，也含有G1、S、G2、M四个时相；不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体；在成膜体指导下，以形成细胞板（中间板）的形式进行胞质分裂绿色：胞质微管红色：细胞核福尔根染色法（三）植物细胞的细胞周期（四）细菌的细胞周期

DNA复制是细菌细胞周期中的重要事件之一-细菌DNA为一环形分子，含有一个复制起始点-DNA复制之前，一般要经过一个临界时间慢生长快生长第二节细胞分裂一、有丝分裂二、减数分裂一、有丝分裂1.前期—染色体凝缩姐妹染色单体间彼此黏着和凝缩是基因组准确分离的先决条件Smc（structuralmaintenanceofchromosome）蛋白复合物黏连蛋白（cohesin）和凝缩蛋白（condensin）1.前期—细胞分裂极的确立和纺锤体装配动物细胞分裂极确立与中心体复制、分离和有星纺锤体的装配密切相关高等植物细胞装配无星纺锤体，分裂极确立机制尚不清楚中心体半保留复制动物细胞中心体的复制与纺锤体的关系中心体复制与细胞周期的关系Figure17-31MolecularBiologyoftheCell(©GarlandScience2008)2.前中期—核膜崩解核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化2.前中期—完成纺锤体装配，形成有丝分裂器动物细胞有丝分裂器由星体微管、染色体动粒微管和极间微管及其结合蛋白构成有星纺锤体植物细胞不含中心体，但能形成无星纺锤体介导植物细胞的核分裂2.前中期—纺锤体组装过程微管在中心体周围组装中心体的分离驱动蛋白相关蛋白（正向）细胞质动力蛋白（负向）中心体列队2.前中期—染色体整列着丝粒－动粒复合体动粒为一个圆盘状结构，分内、中、外三层着丝粒DNA主要由α卫星DNA构成着丝粒动粒蛋白质（CENP-A,CENP-B,CENP-C,ENP-E,CENP-F,INCENP,HEC1等）2.前中期—染色体整列染色体整列或染色体中板聚合-染色体向赤道面运动的过程Mad和Bub蛋白

-使动粒敏化，促使微管与动粒接触3.中期染色体整列完成，所有染色体排列到赤道面上，纺锤体结构呈现典型纺锤样牵拉（pull）假说外推（push）假说4.后期姐妹染色单体分离向两极运动依靠纺锤体微管的作用后期A动粒微管变短，牵动染色体向两极运动后期B极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长ATP驱动的染色体运动促使微管解聚微管解聚促使染色体运动后期Ａ和后期Ｂ染色体向极部运动示意图有丝分裂中后期转换5.末期动粒微管消失，极间微管继续加长染色单体去凝集，核纤层与核膜重新组装小结前期：纺锤体要形成，染色体形成，但是核被膜是完整的；核被膜解体，纺锤体抓住染色体，进入前中期；染色体来回运动，所有染色体到中央，进入中期；启动姐妹染色单体分离，产生向极运动，进入后期；到两极后，产生两个新的细胞核，到了末期；6.胞质分裂(cytokinesis)-动物细胞胞质分裂分裂沟(furrow):开始于细胞分裂后期，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩中体(midbody):在分裂沟的下方，除肌动蛋白之外，还有微管、核膜小泡等物质聚集，共同构成的一个环形致密层分裂沟;蛙受精卵的卵裂6.胞质分裂(cytokinesis)-动物细胞胞质分裂收缩环（contractilering)：胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞培养细胞的胞质分裂；收缩环（即微丝的马达蛋白-肌球蛋白）Wherethecleavageplane（卵裂面）form?中央纺锤体和星体微管作用于细胞皮层并诱导分裂沟形成胞质分裂4个步骤分裂沟位置的确立肌动蛋白聚集和收缩环形成收缩环收缩收缩环处细胞融合并形成两个子细胞中央纺锤体和星体微管共同决定了分裂沟形成的位置，星体微管参与了分裂沟的形成钙离子浓度的变化也会影响分裂沟的形成。成膜体（phragmoplast）细胞板（cellplate）在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开。植物细胞胞质分裂二、减数分裂(Meiosis)（-）概念：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。（二）分类配子减数分裂（终末～）：发生在所有多细胞动物和许多原生生物配子形成阶段孢子减数分裂（居间型～）：所有高等植物和某些藻类减数分裂发生阶段既与配子形成无关，又与受精作用无关，发生在孢子体某一阶段合子减数分裂（起始～）：某些原生生物、真菌和少数藻类，在有性生活史起始，即受精后便发生减数分裂，形成单倍体孢子(三)有丝分裂和减数分裂比较（四）减数分裂的意义

1.确保世代间遗传的稳定性；2.增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力；3.减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。（五）减数分裂过程减数分裂前间期：分G1期、S期和G2期减数分裂Ⅰ：

前期Ⅰ（细线期、偶线期、粗线期、双线期，终变期）、前中期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ

胞质分裂Ⅰ减数分裂ⅡⅠ减数分裂前间期细胞核大于其体细胞核；分G1期、S期和G2期S期持续时间较长，但DNA未全部复制完成G2期的长短变化较大减数分裂前S期与有丝分裂前S期长度比较减数分裂前S期有丝分裂前S期蝾螈10天12小时小鼠14小时56小时小麦12小时3.8小时酵母1小时0.5小时Ⅱ减数分裂过程Ⅱ你知道吗？Why？女性卵巢中卵母细胞约从胚胎期第五个月开始进入前期I的双线期，可保持几十年脊椎动物排出的卵减数分裂进程停滞在中期II1.减数分裂I

/ap-biology/study-center/summaries/meiosis-&-gametogenesis/meiosis1.减数分裂I—前期I（同源染色体配对和基因重组）细线期：染色质凝缩；染色粒；接触斑偶线期：配对；联会复合体；偶线期DNA粗线期：重组节；P-DNA；专用组蛋白合成；rDNA扩增双线期：同源染色体分离；交叉；RNA转录活跃终变期：交叉端化偶线期-联会复合体（synaptonemalcomplex）联会复合体与同源染色体联会和基因重组有关双线期二价染色体可见4条染色单体，两个交叉，两个同源染色体各自的两个姐妹着丝粒并排存在1.减数分裂I——中期I核膜破裂纺锤体微管捕获四分体四分体排列到赤道面上Kinetochoreandcentromerebehaviorinmeiosis1.减数分裂I——后期I同源染色体对分离并向两极移动同源染色体的随机分配、自由组合第一次分裂后染色体数减半1.减数分裂I——后期IMinimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=231.减数分裂I—末期I、胞质分裂和减数分裂间期/biopage/faculty/mcculloch/1406/outlines/chapter%2012/Ar14-11d.JPG/biopage/faculty/mcculloch/1406/outlines/chapter%2012/Ar14-11i.JPG/image/410930/530wm/C0099567-Meiosis,_artwork-SPL.jpg2.减数分裂II

-与有丝分裂过程非常相似/ap-biology/study-center/summaries/meiosis-&-gametogenesis/meiosisⅢ减数分裂过程的特殊结构及其变化性染色体的分离含有XY性染色体物种（哺乳动物，多数雌雄异株植物，部分昆虫，某些鱼类和两栖类）ZW型性别决定（鸟类，鳞翅目昆虫，某些两栖类和爬行类）含有XO性染色体物种（昆虫）Evolutionofvertebratesexchromosomesandsex-determininggenesNature461,177-178(10September2009)Ⅲ减数分裂过程的特殊结构及其变化联会复合体和基因重组介导同源染色体之间配对（联会）和遗传重组（交换）包括中央组分和侧生组分组分：蛋白质；DNA片段；RNA细线期开始组装，经过偶线期至粗线期形成典型的联会复合体结构，同时在粗线期重组节开始组装。双线期联会复合体开始去装配，终变期时完全消失CostaYetal.JCellSci2005;118:2755-2762ModelforthedistributionofSYCE1andCESC1withinthesynaptonemalcomplex.

MorelliMA,CohenPERep