奥赛讲义：第五章 细胞的生命历程

第五章细胞的生命历程细胞增殖及其调控

细胞的增殖主要依靠细胞分裂来完成，细胞分裂的类型包括：无丝分裂又称直接分裂细胞核拉长后缢裂为二细胞质分裂2个子细胞染色质分裂无规律，整个过程看不到纺锤丝。有丝分裂又称间接分裂减数分裂是指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式，是高等动植物配子形成的分裂方式。连续分裂的细胞具有周期性一、细胞周期概述细胞周期：是指从一次细胞分裂结束开始，经过物质积累，到下一次细胞分裂结束为止所经历的过程。细胞周期划分：

分裂间期:G1期，S期，G2期

分裂期:M期细胞类群：根据增殖状况，分为三类①连续分裂细胞：又称周期性细胞，在细胞周期中连续运转。

②休眠细胞：又称G0期细胞，暂时脱离细胞周期，但在某些条件诱导下可重新进入细胞周期。③终末分化细胞：指永久性失去分裂能力的细胞。

二、细胞周期的时相细胞周期中的各个阶段也称为时相。

G1期：即合成前期，主要合成细胞生长所需要的rRNA、多种蛋白质、脂质和糖类等，同时染色质去凝集。S期：DNA合成期，主要进行DNA合成，此外组蛋白与非组蛋白，与DNA合成有关的酶也在这一时期合成。G2期：DNA合成后期，主要合成与细胞分裂相关的蛋白，及ATP。M期：即细胞分裂期，主要特点是染色体凝集，遗传物质和细胞内其他物质平均分配给子细胞。三、细胞周期同步化

细胞同步化：是指在自然过程中发生或经人为处理后，使一个特定的细胞群中所有细胞都处于细胞周期的同一个时期的过程。

（一）自然同步化

（二）人工同步化（一）自然同步化

自然同步化是自然界存在的现象,在动、植物细胞都有发现。它们不受人为条件的干扰。多核体：如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。某些水生动物的受精卵：许多水生动物可以一次产下多个卵，这些卵同时受精，则可同时进行卵裂。如海胆、海参、两栖类。粘菌（二）人工同步化

选择同步化：是指用物理方法，将处于细胞周期中同一阶段的细胞，从非同步化的群体中分离出来。诱导同步化：又叫化学同步化，是指利用化学药物诱导，使非同步化培养的细胞暂时阻断在细胞周期的某个阶段，最终使所有细胞达到同步化生长。DNA合成阻断法分裂中期阻断法四、有丝分裂有丝分裂间期：包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制、有关蛋白质的合成和中心体复制等准备工作。有丝分裂期是一个连续的过程，为了便于描述人为的划分为六个时期：前期(prophase)；前中期(premetaphase)；中期(metaphase)；后期(anaphase)；末期(telophase)；胞质分裂期(cytokinesis)10-3中心体的复制过程

特征：①染色质凝缩②分裂极确立与纺锤体开始形成③核仁解体④核膜消失。

核膜破裂成小的膜泡，是由核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体。（1）前期

特征：纺锤体形成，染色体向赤道面移动。

纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体，向两极移动；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管（2）前中期动粒是真核细胞染色体中位于着丝粒两侧的两层盘状特化结构，其化学本质为蛋白质，是非染色体性质物质附加物。纺锤体微管①动粒微管：由中心体发出，连接在动粒上，负责将染色体牵引到纺锤体上。②星体微管：由中心体向外放射出，末端结合有分子马达，负责两极的分离，同时确定纺锤体纵轴的方向。③极体微管：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，负责向两极推开。

特征：所有染色体排列到赤道板上。（3）中期

特征：排在赤道板上的姐妹染色单体分离，向两极运动。

后期A：动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动；后期B：极性微管长度增加，两极之间的距离拉长。（4）后期姐妹染色单体被分开的过程末期

特征:染色体解螺旋形成细丝,出现核仁和核膜。（5）末期

特征：形成收缩环，收缩环收缩形成两个子细胞。

胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中间体处组装成微丝束，环绕细胞，称为收缩环。（6）胞质分裂期植物细胞的有丝分裂关于染色体（1）染色体的一般形态染色质染色体常染色体与异染色体着丝粒是异染色体，含短的DNA串联重复序列，位于主缢痕中着丝粒的DNA在中期复制。动粒在着丝粒外侧，主缢痕周围次缢痕？（1）染色体的一般形态着丝粒两侧为染色体臂，有等长或不等长端粒：染色体末端的特定结构，端粒与染色体的复制有关。(2)染色体带型：染色体经过特殊处理并用特定染料染色后，在光学显微镜下可见其臂上显示不同深浅颜色的条纹，此称为染色体带。染色时期为中期荧光染料阿的平：染色成Q带（横带），易消退吉姆萨染色：永久性染色技术G带：分裂中期的染色体加热或用蛋白水解酶处理，再用吉姆萨染料染色，是富含A-T核苷酸的片段R带：分裂中期的染色体用热碱溶液处理，再吉姆萨染料染色，是富含G-C核苷酸的片段各个染色体的带型形态稳定，根据带型可进一步精确区分不同的染色体。(3)染色体组型（或称核型）性染色体和常染色体男性：22对+XY女性：22对+XX核被膜的裂解和再生裂解：发生在细胞分裂的前期核纤层蛋白高度磷酸化而解体；

(磷酸化是将磷酸基团加在中间代谢产物上或加在蛋白质上的过程。去磷酸化?)核膜和其上的核膜孔分别崩解，核膜破裂成或大或小的小泡，即膜泡。再生：发生在细胞分裂的末期由于去磷酸化的作用，核纤层蛋白重新聚合并与膜泡结合而成核被膜；核膜孔重新装配到新核膜上，并开始执行运输的功能。

五、

减数分裂减数分裂是一种特殊的有丝分裂，是生殖细胞产生配子的过程。特点是DNA复制一次，而细胞连续分裂两次，形成四个单倍体的子细胞。

（一）分裂过程包括：1、间期细胞在进入减数分裂之前要经过一个较长的间期，称为前减数分裂间期。

2、分裂期

减数分裂I

减数分裂II

减数分裂Ⅰ

前期Ⅰ中期Ⅰ主要特点是同源染色体排列在赤道面上

后期Ⅰ进入后期Ⅰ后，同源染色体在纺锤丝的作用下分开,并逐渐移向两极。

末期Ⅰ

染色体到达两极后，解旋为细丝状、核膜重建、核仁形成，同时进行胞质分裂。

减数分裂间期

在减数分裂I和II之间的间期很短，不进行DNA的合成。前期Ⅰ

减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，分为5个时期：细线期：又称为凝线期，染色体呈细线状。偶线期：又称配对期，染色质进一步凝集，同源染色体发生配对，称为联会。粗线期：又称重组期，此时染色体变短，结合紧密，这一时期同源染色体的非姊妹染色单体之间发生交换重组。双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但交叉点上还保持着联系。终变期：此期染色质又被包装压缩成染色体，是观察染色体的良好时期。

前期I的染色体行为减数分裂Ⅱ联会是在减数分裂的偶线期两条同源染色体侧面紧密相帖并进行配对的现象。染色体联会伴随一种复杂结构的形成：联会复合体。使两染色体靠拢。双线期的染色体交叉同源染色体联会期间，同源染色体可能发生断裂和重接，在此过程中发生同源染色体间的交换，随着双线期的进行，交叉开始远离着丝粒，向染色体臂的端部移动，称为交叉端化。发生交换的部位合成了少量的DNA，称为粗线期DNA（P-DNA）。故该过程需DNA内切酶、外切酶、解旋酶、聚合酶和连接酶等减数分裂Ⅱ

可分为前、中、后、末四个时期，与有丝分裂相似通过减数分裂一个精母细胞形成4个精子而一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。性细胞配子发生过程精原细胞初级精母细胞精子细胞卵原细胞初级卵母细胞（二）减数分裂过程中的遗传重组及其机理

在减数分裂过程中发生了两种方式的遗传重组∶同源染色体间的交换重组

实现了同源染色体的两条非姐妹染色单体的基因重组染色体分离时的自由组合

染色体分离时的自由组合

在减数分裂中期Ⅰ，同源染色体配对排列在赤道板上，染色体组在赤道板上排列是随机性的，这样就会有不同的自由组合方式。减数分裂中染色体组的自由组合重组1.细胞周期的调控因子包括cdc基因细胞周期蛋白（cyclin）

细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）促成熟因子（MPF）细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白（CDKI）六、细胞周期的调控cdc基因在细胞周期调控中，有一类基因的表达具有细胞周期依赖性，其产物参与了细胞周期调控，这类基因称为细胞分裂周期基因（cdc)。Cdc2表达产物P34cdc2，是一种蛋白激酶，在G2/M交界处起调控作用。Cdc28表达产物P34cdc28，也是一种蛋白激酶，在G1/S及G2/M交界处起调控作用。细胞周期蛋白（cyclin）

这类蛋白浓度随细胞周期的变化而变化。Cyclin可分为A、B、C、D、E、F、G、H等几大类，需要与CDK蛋白结合，参与细胞周期活动调节。Cyclin均含有一段保守的氨基酸序列，称为周期蛋白框，介导与CDK的结合。细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）它是一类可以与Cyclin结合，并表现出激酶活性的一类蛋白，统称为CDK激酶。包括CDK1~CDK8，CDK1即Cdc2表达产物P34cdc2各种CDK分子均含有类似的CDK激酶结构域，此结构域中一段序列很保守，与Cyclin的结合有关。CDK激酶是Cyclin与CDK蛋白形成的复合物，Cyclin是调节亚单位，CDK是催化亚单位。促成熟因子（MPF）MPF是一种在G2期形成，能促进M期启动的调控因子。MPF是异二聚体，由催化亚基CDK1和调节亚基CyclinB构成。MPF=CDK1=p34cdc2+cyclinBMPF活化后表现出蛋白激酶活性，可以使多种蛋白底物磷酸化，促进细胞由G2期进入M期。细胞周期蛋白依赖性激酶

抑制蛋白（CDKI）它是对CDK激酶活性起负调控的蛋白质。CDKI在细胞周期的不同检验点与CDK结合或与Cyclin—CDK复合物结合，将细胞阻止在不同的检验点。CDKI包括CIP/KIP家族和INK家族。2.细胞周期的检验点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检验点G2检验点中期检验点细胞生长与分化一、细胞生长二、细胞分化（一）细胞分化的基本概念1.细胞分化的概念及其特点概念：指多细胞生物个体的发育过程中，由一种相同细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程特点：

①持久性：细胞分化贯穿于生物体整个生命进程中,在胚胎期达到最大程度；②稳定性和不可逆性：一般来说,分化了的细胞将一直保持分化后的状态,直到死亡；③普遍性：生物界普遍存在,是生物个体发育的基础；

④遗传物质不变性：细胞分化是伴随着细胞分裂进行的,亲代与子代细胞的形态、结构或功能发生改变,但细胞内的遗传物质不变.

细胞分化的关键：特异性蛋白质合成细胞分化的实质：基因的选择性表达细胞分化的意义：①通过有序的细胞分化增加细胞类型，从而形成不同的组织、器官②为细胞类群完成复杂生物学功能，为生命向高层次发展进化奠定基础③细胞分化常伴随增殖、衰老与凋亡，分化的最终归宿是衰老和死亡

2.单细胞有机体的细胞分化细胞基础分化程度目的调控程度单细胞多细胞一个细胞大量细胞简单复杂复杂简单适应不同的生活环境构建执行不同功能的组织和器官

3.转分化与再生①转分化：一种分化类型的细胞转变成另一种分化类型的细胞的现象（转分化=去分化+再分化）②再生广义：分子水平、细胞水平、组织与器官水平及整体水平的再生狭义：生物体缺失部分后的重建过程1.组织特异性基因与管家基因（二）细胞分化的分子机制管家基因：是指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；组织特异性基因（或称奢侈基因）：是指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；2.细胞分化是组织特异性基因在时间和空间上选择性表达的结果组合调控概念：有限的少量调控蛋白启动为数众多的特异细胞类型的分化的调控机制，即每种类型的细胞分化是由多种调控蛋白共同调节完成的3.组合调控引发组织特异性基因的表达生物学作用：某种关键性基因调控蛋白+其它调控蛋白组合调控将一种类型的细胞转化成另一种类型的细胞

遵循类似的机制，甚至可以诱发整个器官的形成（二）影响细胞分化的因素1.细胞的全能性细胞全能性是指细胞经分裂和分化后仍具有产生完整有机体的潜能或特性。动植物细胞全能性的不同植物细胞具有全能性，在适宜的条件下可培育成正常的植株动物细胞仅具有多能性动物细胞核移植实验证明细胞核具有发育全能性2.干细胞①概念：动物个体发育中，少数具有分化成其他类型和构建组织与器官的能力，这类细胞称干细胞②干细胞的分类依功能分类：全能干细胞：具有发展成独立个体的能力。如受精卵、早期胚胎细胞多潜能干细胞：具有可以发育成多种组织的潜能的细胞。如胚胎干细胞和生殖嵴干细胞专一性干细胞：只能产生一种细胞类型，但具有自更新属性。如肝、肠、胃等器官的细胞依发育过程出现先后分类：胚胎干细胞组织干细胞：如造血干细胞3.影响细胞分化的因素（1）胞内因素①受精卵细胞质的不均一性对细胞分化的影响母体效应：卵母细胞中贮存的mRNA和蛋白质的分布是不均匀的,各种mRNA在细胞中都定位分布,在受精卵分裂时mRNA不均一的分配到子细胞中,从而决定细胞分化的命运。②细胞核在细胞分化中的作用分化细胞之所以能合成特异的蛋白质，就是由于细胞核内的基因组有选择地表达，这是细胞分化的基础。③染色质变化与基因重排对细胞分化的影响

染色质变化主要包括：基因丢失,基因扩增,基因重排,DNA甲基化

（2）胞外因素①细胞间的相互作用与位置效应位置效应：改变细胞所处位置可导致细胞分化方向的改变②胞外信号分子对细胞分化的影响组合调控的方式是启动组织特异性基因的表达，导致细胞分化的基本方式，这一过程主要受细胞信