《细胞生物学基础》课件第九章

细胞生物学基础第九章细胞增殖及其调控第一节细胞周期与细胞分裂一、细胞周期1.细胞周期概述细胞的生命开始于母细胞的分裂，结束于子细胞的形成或是细胞的自身死亡。当子代细胞形成后，又将开始新一轮的物质积累，准备下一轮的细胞分裂，如此周而复始。通常将细胞的这种物质积累与分裂的循环过程，称为细胞周期(cellcycle)。细胞周期中的各个时期称为时相。一个细胞周期包括两大阶段：分裂间期和分裂期。

第一节细胞周期与细胞分裂

图9-1标准的细胞周期

一个标准的细胞周期一般包括4个时期：第一时间间隔期（G1），DNA合成期（S），第二时间间隔期（G2），细胞分裂期（M）。细胞周期从G1期开始，到M期结束。第一节细胞周期与细胞分裂在正常情况下，一个完整的细胞周期应包括4个时期，细胞沿着G1→S→G2→M期的路线运转。但在细胞社会中不仅细胞彼此分工不同，分裂行为也有所差异。根据细胞的分裂行为，可将真核生物细胞分为三类：第一类是周期中细胞，也称持续分裂细胞。机体内某些组织需要不断的更新，组成这些组织的细胞就必须通过持续分裂产生新细胞。此类细胞的分裂周期正常地持续运转，有丝分裂的活性很高。第二类是终端分化细胞。即永久性失去了分裂能力的细胞，它们不可逆地脱离了细胞周期，但保持了生理活性机能。

第一节细胞周期与细胞分裂第三类是G0期细胞，也称静止期细胞（图9-2）。这些细胞会暂时脱离细胞周期，不进行DNA复制，停止细胞分裂。周期中细胞转化为G0期细胞多发生在G1期。G0期细胞一旦得到信号指使，会快速返回细胞周期重新开始DNA合成，进行细胞分裂。

图9-2细胞周期G0期细胞分裂后，某些细胞离开细胞周期，执行某些生物学功能或进行细胞分化；当受到某种适当的刺激后，又会重返细胞周期进行分裂增殖。第一节细胞周期与细胞分裂2.细胞周期同步化在细胞的体外培养和分析中发现，同种细胞组成的一个细胞群体中，不同的细胞可能处于细胞周期的不同阶段，其形态学和生化特点有所不同，对辐射、药物、病毒的感染、酶诱导的敏感性也均有差异。

（1）人工诱导同步化是指通过药物诱导，使细胞同步化在细胞周期中某个特定时期。

（2）人工选择同步化是指人为地将处于不同时期的细胞，根据在形态、体积和重量上的显著差别将其分离开来，从而获得不同时期的细胞群体。

第一节细胞周期与细胞分裂3.细胞周期时相的主要事件（1）G1期G1期是从上次有丝分裂完成到DNA复制前的一段时期。上一次细胞分裂之后，子代细胞生成，标志着G1期的开始。

（2）S期S期即DNA合成期。细胞经过G1期，为DNA复制的起始做好了各方面的准备，进入S期后，立即开始复制DNA。

（3）G2期DNA复制完成以后，细胞即进入G2期。

（4）M期M期即细胞分裂期。

第一节细胞周期与细胞分裂二、有丝分裂有丝分裂是真核生物进行细胞分裂的主要方式，许多生物体以有丝分裂的方式增加体细胞的数量。在细胞分裂期，最明显的变化是细胞核中染色体的变化。在这个时期，通过纺锤丝的形成和运动，把在S期复制的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。由于这一时期的主要特征是出现纺锤丝，故称为有丝分裂。体细胞进行有丝分裂是有周期性的，即具有细胞周期。根据细胞形态结构的变化，通常把有丝分裂过程划分为前期、前中期、中期、后期、末期、胞质分裂等六个时期（图9-3）。前五个时期是一个先后相互联系的过程，胞质分裂则相对独立，开始于前五个时期的一定阶段。第一节细胞周期与细胞分裂

图9-3有丝分裂过程

第一节细胞周期与细胞分裂1.前期在植物细胞内，这一时期最明显的变化是细胞核中出现染色体，并且形态越来越清楚。两条并列的姐妹染色单体由一个共同的着丝点连结着，核仁逐渐解体，核膜逐渐消失。前期发生的主要事件有：染色体的凝聚、分裂极的确定、核仁的解体和核膜的消失。染色体凝聚是前期开始的第一个特征，实际上是染色体的螺旋化、折叠和包装过程。核仁解体和核膜消失是前期的另一个重要特征。第一节细胞周期与细胞分裂2.前中期核仁解体后，细胞即进入前中期，这一时期的主要事件是纺锤体的装配。纺锤体是由微管装配而成的，功能是在有丝分裂期间将两套染色体均等分开。3.中期细胞分裂的中期，染色体的形态比较固定，位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡，数目比较清晰，便于观察清楚。每条染色体着丝点的两侧，都有纺锤丝附着在上面，纺锤丝牵引着染色体运动，使每条染色体的着丝点排列在细胞中央的一个平面上。这个平面与纺锤体的中轴相垂直，类似于地球上赤道的位置，所以称为赤道板。染色体排列到赤道板上后，分别面向纺锤体的两极，纺锤体呈现典型的纺锤样。第一节细胞周期与细胞分裂4.后期细胞分裂的后期，两条染色单体相互分离，形成两条子代染色体，并且，纺锤丝牵引着子染色体依靠纺锤体微管的作用分别向细胞的两极移动，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长。这时细胞核内的全部染色体就平均分配到了细胞的两极，使细胞的两极各有一套染色体。这两套染色体的形态和数目是完全相同的，每一套染色体与分裂以前的亲代细胞中染色体的形态和数目是相同的。这一时期的主要特点是：着丝粒分开，染色单体移向两极。5.末期染色单体分别到达两极以后,动粒微管消失，极性微管继续加长，每条染色体的形态发生变化,又逐渐变成细长而盘曲的丝。纺锤丝也逐渐消失，出现新的核膜和核仁，核膜把染色体包围起来，形成了两个新的细胞核。在赤道板的位置出现了一个细胞板，逐渐形成了新的细胞壁。随着染色单体去浓缩，核仁也开始重新装配，RNA合成功能逐渐恢复。此期的主要特点是：染色体解螺旋形成细丝，出现核仁和核膜，出现新的细胞板。第一节细胞周期与细胞分裂6.胞质分裂M期的主要目的是进行核分裂，将复制的染色体均等分配到两个子细胞，同时也涉及细胞中其它物质的分配，包括将细胞膜、细胞骨架、细胞器以及可溶性蛋白质等分配给两个子细胞，这是通过胞质分裂来完成的。胞质分裂开始于有丝分裂后期，由MPF的失活所触发，直到两个新细胞核形成后才结束。最后，一个细胞分裂成两个子细胞。大多数子细胞进入下一个细胞周期的分裂间期状态。

第一节细胞周期与细胞分裂动物细胞有丝分裂的过程，与植物细胞的基本相同，不同点是：第一，动物细胞有中心体，在细胞分裂的间期，中心体的两个中心粒各自产生了一个新的中心粒，因而细胞中有两组中心粒。在细胞进行分裂的过程中，一组中心粒的位置不变，另一组中心粒移向细胞的另一极，两组中心粒之间的星射线形成了纺锤体。第二，动物细胞分裂的末期，细胞的中部并不形成细胞板，而是细胞膜从细胞的中部向内凹陷，形成环形缢缩，称为分裂沟。随细胞由后期向末期转化，分裂沟逐渐加深，最后把细胞缢裂成了两部分，每部分都含有一个细胞核。这样，一个细胞就分裂成了两个子细胞。

细胞有丝分裂的重要意义，是将亲代细胞的染色体经过复制以后，精确地平均分配到两个子细胞中去。由于染色体上有遗传物质，因而在生物的亲代和子代之间保持了遗传性状的稳定性。可见，细胞的有丝分裂对于生物的遗传有重要意义。第一节细胞周期与细胞分裂三、减数分裂减数分裂是一种特殊的有丝分裂方式，生殖细胞在成熟过程中发生减数分裂。其特点是：细胞只进行一次DNA复制，随后连续发生两次有丝分裂，导致细胞在形成过程中染色体数目减少一半，因此将这个过程命名为减数分裂(meiosis)。减数分裂过程中相继的两次分裂分别称为减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ。在这两次分裂之间还有一个短暂的间歇期，但不进行DNA的合成，因而也不发生染色体的复制。由于细胞核分裂了两次，而染色体只在第一次减数分裂前的间期复制了一次，所以细胞经过减数分裂导致染色体数目减少一半（图9－4）。第一节细胞周期与细胞分裂

图9-4减数分裂过程第一节细胞周期与细胞分裂（1）前期Ⅰ前期Ⅰ持续时间较长，变化最为复杂。在高等生物中，可持续数周、数月、数年，甚至数十年；在低等生物中，持续时间相对较短，但也比有丝分裂前期持续的时间长的多。在这漫长的过程中，细胞核显著增大；同源染色体进行配对、交换、基因重组；合成一定量的RNA和蛋白质等。（2）中期Ⅰ在此过程中，主要进行纺锤体装配。纺锤体形成过程和结构与一般有丝分裂过程中的类似。和有丝分裂不同的是，每个四分体含有4个动粒，同源染色体的两个动粒位于同侧，只与从同一极发出的纺锤体微管相联结。第一节细胞周期与细胞分裂（3）后期Ⅰ同源染色体在两极纺锤体的作用下相互分离并逐渐向两极移动，移向两极的同源染色体均是含有两条染色单体的二倍体。这样，到达每个极的染色体的数量为细胞内染色体总数量的一半。因此，减数分裂过程中染色体数目的减半，发生在减数第一次分裂中。（4）末期Ⅰ，胞质分裂Ⅰ和减数分裂间期染色体到达两极后逐渐进行去凝集。在染色体的周围，核被膜重新装配，形成两个子细胞核。细胞质也开始分裂，完全形成两个间期子细胞，它们虽具有一般间期细胞的基本结构特征，但不再进行DNA复制，也没有G1期、S期和G2

期之分。

第一节细胞周期与细胞分裂减数分裂的意义在于，既有效地获得父母双方的遗传物质，保持后代的遗传性，又可以增加更多的变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力。相反，若在有性生殖过程中没有减数分裂，生殖细胞染色体不能减半，受精后染色体数必将倍增。细胞体积也会相应增加，生物个体体积也会增长。代代相传的结果是，其生命活动将无法适应环境变化，终将受到自然淘汰。可见，对于进行有性生殖的生物来说，减数分裂和受精作用对于维持每种生物前后代体细胞中染色体数目的恒定，对于生物的遗传、生物的进化变异和生物的多样性都具有重要意义。第一节细胞周期与细胞分裂

减数分裂与有丝分裂的共同点都是通过纺锤体与染色体的相互作用进行细胞的分裂，但两者之间有许多差异（图9－5）：有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂是生殖细胞产生配子的过程（生殖细胞也有有丝分裂）；有丝分裂是一次细胞周期，DNA复制一次，细胞分裂一次，染色体由2n→2n。减数分裂是两次细胞周期，DNA复制一次，细胞分裂两次，染色体由2n→n；有丝分裂中每个染色体是独立活动，减数分裂中染色体要配对、联会、交换和交叉；有丝分裂前，经DNA合成，进入G2期后才进行有丝分裂。减数分裂前，DNA合成时间长，一旦合成即进入减数分裂期，G2期短或没有；有丝分裂时间短，1～2h。减数分裂时间长，几十小时至几年。第一节细胞周期与细胞分裂图9-5有丝分裂与减数分裂的比较

第二节细胞增殖的调控一、周期蛋白为确保细胞周期这一生命增殖过程有条不紊地进行,细胞内形成了一系列调控机制,对这一过程进行严格地监控，根据在不同过程中的信息反馈来进行自我调节。实际上，细胞周期的调控系统是一个典型的生化操作装置，这种装置是由一套相互作用的蛋白质组成，正是这些蛋白质间的相互作用，才得以自动调控细胞周期的进程。第二节细胞增殖的调控二、CDK激酶与CDK激酶抑制物人们在对蛙的卵细胞实验中发现，注射来自M期卵细胞中的提取物，可使卵母细胞进入M期；而用来自细胞周期其它阶段的提取物注射卵母细胞则不能诱导进入M期。这种在M期的细胞中具有促进细胞分裂的因子称为促成熟因子(Mphase-promotingfactor,简称MPF)。MPF的活性在细胞周期中波动很大，在有丝分裂前急剧升高，但在有丝分裂后急剧下降直到零。虽然MPF首先发现于蛙的卵细胞，但在实验过的所有动物细胞中都发现了MPF，说明这种因子是普遍存在的。第二节细胞增殖的调控三、细胞周期运转调控1.G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性激酶细胞由G1期向S期转化主要受G1期周期蛋白依赖性激酶所控制。2.G2∕M期转化与CDK1激酶