南开大学细胞生物学课件.11第十一章(1)细胞增殖及其调控-1-3

细胞增殖及其调控“Allcellscomefromreproduction(division)ofexistingcells.”M.Schleiden&T.Schwann,1838-1839R.Virchow,1858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(cellproliferation)。细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一，是生物繁育的基础。（单细胞生物、多细胞生物）细胞增殖对于机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等至关重要。细胞增殖受到严密的调控机制监控。

Cancer一、细胞周期细胞在分裂之前，必须进行各种必要的物质准备（蛋白质、遗传物质、中心体等）。细胞分裂过程也是一个十分复杂而又必须精确的生命过程。从一次细胞分裂结束开始，经过物质准备过程，直到下一次细胞分裂结束为止，称为一个细胞周期（cellcycle）。

1、细胞周期概述人们最初从细胞形态变化考虑，将细胞周期简单地划分为两个相互延续的时期，即有丝分裂期(mitosis)和位于两次分裂期之间的分裂间期(interphase)。通过用32P标记蚕豆根尖细胞，发现有丝分裂必需的遗传物质DNA的复制发生在静止期中的一个区段（DNA合成期，DNAsynthesisphase，S期），这一区段与有丝分裂期的前后存在两个间隙。将细胞周期划分为4个时期：S期(DNA合成期)、M期(有丝分裂期)、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。细胞周期是指连续分裂的细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的整个过程。在这一过程中，细胞遗传物质复制，然后平均分配到两个子细胞中。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。周期中细胞（cyclingcells）：细胞持续分裂，细胞周期持续运转。如小肠绒毛上皮组织的基底层细胞、干细胞等。G0期细胞：又称静止期细胞（quiescentcells）.暂时脱离细胞周期，停止细胞分裂，但在适当刺激下可重新进入细胞周期。如淋巴细胞、肝细胞等。终端分化细胞（terminallydifferentiatedcells）：是指那些不可逆地脱离细胞周期，丧失分裂能力，保持生理机能活动的细胞。分化程度很高，一旦生成，终生不再分裂。如神经细胞、肌肉细胞、红细胞等。在胚胎发育早期(卵裂期)所有细胞均为周期中细胞。随着发育成熟，某些细胞进入G0期，某些细胞分化后丧失分裂能力。到成体时，只有少数细胞处于增殖状态，它们的增殖仅作为补充丢失的细胞(如造血系统中，红、白细胞不断死亡丢失，小肠上皮细胞不断由小肠绒毛顶端脱落，表皮细胞不断死亡、磨损、脱落)，或对外界刺激的反应(如免疫淋巴细胞反应)。2、细胞周期各个不同时期及其主要事件G1期关键事件合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂质等，但不合成DNA。G1晚期有一个特定环节，控制G1期至S期的过渡，在芽殖酵母中称为起始点（start），在其它真核生物中，称为限制点(restrictionpoint，R点)，或检验点(checkpoint)。影响这一事件的外在因素主要包括营养供给和相关的激素刺激等；内在因素则主要是一些与cdc（celldivisioncycle）基因调控过程相关的因素。染色体处于复制前感受状态或允许(licensing)状态。S期关键事件

真核生物DNA复制的特点:多个复制起点成簇活化，向两个方向以复制叉方式进行生长；S期DNA复制的不同步特性：大多数有转录活性的常染色质复制较早，异染色质复制晚。早S期复制的DNAGC含量较高，晚S期复制的DNAAT含量较高。大多数与DNA合成有关的酶在G1／S交界或早S期升高。组蛋白的合成与核小体的组装：组蛋白的合成主要在S期，在S期组蛋白mRNA的水平可增加50倍。与DNA合成之间存在联动反馈机制，保证组蛋白形成的数量能相应于新合成的DNA数量。组蛋白合成后被修饰，可进行磷酸化、乙酰化、甲基化和ADP-核糖基化作用，其中组蛋白的磷酸化和乙酰化被认为在调节细胞周期前进中和基因表达方面起重要作用。

G2期关键事件：主要与细胞进入M期所需的多种结构与功能的准备有关。G2/M期检验点检查DNA是否完成复制、细胞是否生长到合适大小，环境因素是否利于细胞分裂等。核糖体的存在与数目对于完成G2期和进入有丝分裂的进程也是起重要作用的。细胞周期调控分子活化，使细胞由G2期进入M期。3、细胞周期检验点细胞周期检验点是细胞内的一些监控机制（surveillancemechanisms），可以鉴别细胞周期进程中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行。通过各个细胞周期检验点，保证产生具有正常遗传性能和生理功能的子代细胞。如果这些调控途径异常，会导致遗传性能紊乱，分裂异常和癌变，甚至导致死亡。

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。显著的特点包括：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；G1期和G2期非常短。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。4、特异的细胞周期酵母细胞的细胞周期：

常用的两种酵母细胞：芽殖酵母（buddingyeast）S.cerevisiae;裂殖酵母（fissionyeast）S.pombe。酵母细胞周期运转过程也包括G1期、S期、G2期和M期等4个时期。参与调控细胞周期的基因与高等生物也基本相同。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，即在细胞分裂时，细胞核核膜不解聚。与细胞核分裂直接相关的纺锤体不是在细胞质中，而是位于细胞核内。在一定环境因素作用下，也进行有性繁殖。

植物细胞的细胞周期也含有G1期、S期、G2期和M期4个时期。植物细胞无中心体，但纺锤体装配正常；有丝分裂后期的纺锤体中央区域出现成膜体(phragmoplast)，指导植物细胞的胞质分裂。植物细胞的细胞周期：细菌的细胞周期：

细菌细胞周期也基本具备4个时期；在快速生长时，细菌每分裂一次仅需要35min，而理论上却需要70min（10min复制起始准备+40minDNA复制+20min染色体分离和细胞分裂）。二、有丝分裂细胞分裂：细胞分裂是个体生长和生命延续的基本保证。细胞分裂包括核分裂和胞质分裂（cytokinesis)两个过程。细胞分裂经过长期的生物进化过程由简单而逐渐臻于完善，出现了无丝分裂(amitosis)、有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。随着真核细胞的演化，有丝分裂的机构也随着复杂化，高等真核生物某些种类的器官和组织，在自然状态下有丝分裂存在某些变异。纺锤体(spindle)：1、与有丝分裂相关的重要结构纺锤体是细胞分裂过程中的一种与染色体分离直接相关的细胞器，主要由微管和微管结合蛋白组成。高等细胞的纺锤体为纺锤状。组成纺锤体的微管有三种：动粒微管（kinetochoremicrotubules），极性微管(polarmicrotubules)和星体微管（astralmicrotubules）。中心体（centrosome）：中心体是一种与微管的组织和细胞分裂密切相关的细胞器，是动物细胞内的主要的微管组织中心（microtubule-organizingcenter，MTOC）。中心体由一对中心粒（centrioles）和周围的称作中心粒外基质（pericentriolarmaterials，PCM）的无定形物质构成。植物细胞不含中心体，但依然可形成纺锤体。中心体中心粒是一对互相垂直的圆筒状小体，直径0.25μm，长度不定，邻近核膜胞质中。筒壁为9组大约呈30度倾斜排列的三联微管组成。中心粒本身对微管的组织并不重要。中心粒外基质是一团电子密度高、不定形的物质，含有

微管蛋白、pericentrin、centrin等多种蛋白质，对于微管的组织至关重要。微管围绕中心体进行组装。微管朝向中心体的一端为负极，远离中心体的一端为正极。

AtacertainpointinG1phasethetwocentriolesseparatebyafewmicrometers.DuringSphaseadaughtercentriolebeginstogrownearthebaseofeacholdcentrioleandatarightangletoit.TheelongationofthedaughtercentrioleiscompletedbyG2phase.ThetwocentriolepairsremainclosetogetherinasinglecentrosomalcomplexuntilthebeginningofMphase,AttheendofMphase,thetwocentrosomesseparateintotwodaughtercells.着丝粒（centromere）：是染色体主缢痕（primaryconstriction）部位的染色质。

动粒（kinetochore）：又称着丝点，附着于着丝粒上，是纺锤体微管附着于染色体的部位。

Schematicrepresentationofthekinetochore动粒和着丝粒联系紧密，结构成分相互穿插，功能方面联系密切。着丝粒DNA主要由

卫星DNA构成。着丝粒DNA片段大小不等，大的片段主要由一些特殊序列重复排列构成。已知的动粒蛋白主要包括CENP-A，CENP-B,CENP-C，CENP-E，CENP-F，INCENP等。CENP蛋白在进化上有高度保守性，但分子量随动物种类、不同发育阶段有所差异：CENP-A是着丝粒区域的一种特殊组蛋白，与组蛋白H3有一些进化上的关系；推测它可能直接参与着丝粒-动粒复合体的染色质的包装及功能。CENP-B是DNA结合蛋白，并和微管蛋白相联系。CENP-C主要位于动粒的三层结构的内层，只存在于活性着丝粒染色体上，有CDC2激酶磷酸化位点和微管结合蛋白(MAP)激酶作用位点。CENP-E是一种驱动蛋白(kinesin)，定位于动粒外层表面的冠上。被认为在促使染色体与来自两极的微管相联结过程中起重要作用。CENP—F是一种核骨架蛋白，在分裂前期，转移到动粒上。2、有丝分裂过程根据形态结构的变化，人为地分为前期、前中期、中期、后期、末期及胞质分裂期。前期、前中期、中期、后期和末期是一个相互连续的过程。胞质分裂相对独立，开始于以上5个时期的一定阶段。G2期末：染色质已复制，但松散包装，呈弥漫样分布。中心体已复制。前期(prophase)

细胞核染色质开始浓缩，经过螺旋化、折叠和包装，变短变粗，形成光镜下可见的早期染色体结构。每条染色体开始形成2条染色单体的成双结构，出现主缢痕。核仁消失。在中心体周围，微管大量装配，形成两个星体。两个星体逐渐向细胞两极移动，开始形成纺锤体。前中期(prometaphase)

核膜崩解（nuclearenvelopebreakdown）标志着前中期的开始。核纤层解聚。染色体进一步凝集浓缩，并剧烈运动。纺锤体微管捕获（capture）染色体（通过动粒与染色体结合）。染色体逐渐向赤道方向移动。中期(metaphase)

所有染色体排列在赤道板（equatorialplate，又称中期板metaphaseplate）上。位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。染色体向赤道板运动的过程称为染色体列队（chromosomealignment）或染色体中板聚合（chromosomecongression）。后期(anaphase)

姐妹染色单体相互分离，形成子代染色体，并分别向两极运动，标志着后期的开始。可划分为两个连续的阶段：后期A和后期B。在后期A，动粒微管变短，染色体逐渐向两极运动。在后期B，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长。末期(telophase)

染色体到达两极。动粒微管消失，极性微管继续加长。染色体开始去浓缩，在每个染色体周围，核膜开始重新装配。核仁开始重新装配。RNA合成功能逐渐恢复。核膜的解聚和重新装配

胞质分裂(cytokinesis)

胞质分裂开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期。在赤道板周围细胞表面下陷，形成环状缢缩，称为分裂沟（cleavagefurrow）。分裂沟逐渐加深，直到两个子细胞完全分开。肌动蛋白和肌球蛋白参与了分裂沟的形成和整个胞质分裂过程。在分裂沟下方，微管和小膜泡等物质聚集，构成一个环形致密层，称为中间体（midbody）。大量的肌动蛋白和肌球蛋白在中间体处装配成微丝，并组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环（contractilering）。收缩环收缩，分裂沟逐渐加深，直到两个子细胞分离。在动物细胞中，纺锤体微管决定分裂沟的位置。在植物细胞中，成膜体（phragmoplast）指导胞质分裂。3、变异的有丝分裂

高等真核生物某些种类的器官和组织，在自然状态下有丝分裂存在某些变异，常见的类型有：①胞质不分裂，形成二核或多核细胞，见于横纹肌、体外培养细胞和某些植物雌配子的八核胚囊。②姐妹染色单体不分离，形成双份染色体。偶见于培养的人体细胞、植物花粉粒。

③核染色质反复加倍而不分开，结果形成多线染色体，典型的例子是果蝇晚期幼虫唾腺细胞。④体细胞减数分裂，可以产生单倍体。见于蚊肠上皮细胞、玉米和水稻根尖细胞。⑤多极分裂，由纺锤体极部纵裂并转向，引起三极乃至更多极的核分裂。如果胞质也随着分开，便形成几个染色体数减少了的细胞。如果胞质未相应地分裂，则产生一个多核细胞。多极分裂普遍存在于培养的癌细胞中。4、有丝分裂过程的动力学事件

纺锤体微管比间期微管更动态（10－100倍），使得染色体能够有效的捕获、向赤道板排列，以及分离到子细胞中。Inthisexperimentfluoroscein-labeledtubulinwasinjectedintoalivingcell,whereitbecameincorporatedintothespindlemicrotubules(green).Rhodamine-labeledtubulinwasthenintroducedintothecellatmetaphase,wher