细胞生物学-第十一章 细胞周期和细胞分裂

Chapter12细胞周期和细胞分裂112.1细胞周期12.2细胞周期调控12.3有丝分裂12.4减数分裂

纲要☆212.1细胞周期cellcycles通过细胞分裂产生的新细胞的生长开始到下一次细胞分裂形成子细胞结束为止所经历的过程称为细胞周期。在这一过程中,细胞的遗传物质复制并均等地分配给两个子细胞。

342001年诺贝尔生理学/医学奖得主5◆利兰·哈特韦尔发现了控制细胞周期的基因，其中一种被称为“START〞的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。◆保罗·纳西的奉献是发现了CDK。◆蒂莫西·亨特的奉献是发现了调节CDK的功能物质Cyclin.2001年诺贝尔生理学与医学奖:67

12.1.1细胞周期时相及类型

Phasesofthecellcycle

◆G1期(Gap1phase),即从M期结束到S期开始前的一段间歇期;◆S期,即DNA合成期(DNAsyntheticphase);◆G2期(Gap2phase),即DNA合成后(S期)到有丝分裂前的一个间歇期;◆M期,即有丝分裂期(mitosisphase)。不一定每种细胞都有四个时期，如胚胎细胞没有G1期。8Embryoniccellcycles

9Phasesofthecellcycle

10◆持续分裂细胞

如性细胞、造血干细胞◆终端分化细胞永久性失去了分裂能力的细胞。高度特化的细胞,如哺乳动物的红细胞、神经细胞等。

◆G0细胞

又称休眠细胞。暂时脱离细胞周期,不进行增殖,也叫静止细胞群,如某些免疫淋巴细胞,肝,肾细胞等。

细胞周期和细胞类群1112.1.2细胞周期各时相的合成活动◆G1期(Gap1phase)DNA合成前期。主要合成rRNA、蛋白质、脂类和碳水化合物。在G1期的后期,DNA合成酶的活性大大增加。

◆S期(synthesisphase)DNA合成期。合成DNA，组蛋白,DNA复制所需的酶都在这一时期合成。12◆G2期(Gap2phase)大量合成ATP、RNA、蛋白质,包括微管蛋白和成熟促进因子MPF(maturationpromotingfactor)等，为有丝分裂作准备。

◆M期核分裂和胞质分裂，并形成两个子细胞。1312.1.3细胞周期的研究方法细胞同步化(synchronization)◆诱导同步法●DNA合成阻断法胸腺嘧啶●中期阻断法秋水仙素◆选择同步法(selectionsynchrony)●有丝分裂选择法●细胞沉降别离法◆条件突变(conditionalmutants)1412.2细胞周期调控

1512.2.1细胞周期调控概述◆细胞周期的控制系统(cell-cyclecontrolsystem)类似于中央控制系统(centralcontrolsystem)。细胞周期中的根本领件,如DNA复制、有丝分裂、胞质分裂都是通过中央的细胞周期控制系统控制的。16细胞周期的控制系统中央控制系统如同一个顺时钟移动的指针,当它到达某一位置时触发一个反响。1712.2.2蛋白激酶在细胞周期调控中的作用细胞周期的控制有两个主要事件:对DNA复制起始的控制对染色体凝集的控制

细胞融合实验

◆研究者：1970年，Colorado大学的PotuRao和RobertJohnson

18●DNA复制起始的控制因子使用的细胞系：Hela细胞；①研究方法：G1期细胞同S期细胞融合；

结果：G1期的细胞质受到S期细胞质的激活,开始了DNA复制；

结论：S期细胞的细胞质中含有促进G1期细胞进行DNA复制的起始因子。②研究方法：S期细胞与G2期细胞融合结果：G2期的细胞核不能再启动DNA的复制。

结论：S期的细胞质中的DNA复制起始因子对已进行了DNA复制的G2期的细胞核没有作用。19将处于分裂期的细胞〔M期〕与处于细胞周期其他时期〔G1期、S期、G2期〕的细胞融合,M期的细胞质总是能够诱导非有丝分裂的细胞中的染色质凝集,这种现象称为染色体超前凝集。●染色体超前凝集(prematurechromosomecondensation,PCC)20G1期细胞与M期细胞融合染色体为单线状

21S期细胞与M期细胞融合为粉末状

22G2期细胞与M期细胞融合染色体为双线

23

成熟促进因子MPF(maturationpromotingfactor)的发现卵细胞提取物注射实验24后来称为成熟促进因子MPF(maturationpromotingfactor，MPF)，是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子。在M期的细胞中有促进细胞分裂的因子存在,在最初时称之为M-期促进因子(M-phasepromotingfactor,MPF),25是由两个不同的亚基组成的异质二聚体:●催化亚基▲是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶▲其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,Cdks);●调节亚基：周期蛋白(cyclin)。

MPF的结构组成26●获得同步化的受精的海胆卵细胞●在有放射性氨基酸的培养液中培养●每10分钟取一次样别离纯化蛋白质进行分析◆实验结果●发现了周期蛋白B(cyclinB)：●周期蛋白B的cDNA克隆与周期蛋白B的鉴定

细胞周期蛋白的鉴定27Accumulationanddegradationofcyclinsinseaurchinembryos

28蛙胚细胞发生同步分裂时,早期发育的周期性变化

酵母的一次细胞周期

●细胞周期中MPF和周期蛋白的浓度变化29有丝分裂的退出：周期蛋白B的降解

◆细胞周期蛋白基因的cDNA分析●N端破坏框(destructionbox)30

◆多遍在蛋白化作用(polyubiquitination)●遍在蛋白活化酶(ubiquitin-activatingenzyme,E1)●遍在蛋白缀合酶(ubiquitin-conjugatingenzyme,E2)●遍在蛋白连接酶(ubiquitinligase,E3)，又称为促后期复合物(anaphase-promotingcomplex,APC)。◆蛋白酶体的降解作用

遍在蛋白与周期蛋白的降解31Polyubiquitination多遍在蛋白化作用

促后期复合物32◆当MPF的活性在有丝分裂中期到达最顶峰时,它将APC磷酸化并将其激活；◆接着发生周期蛋白B遍在蛋白多聚化,引起周期蛋白B的降解；◆由于周期蛋白B是MPF的一个必需亚基,它的降解势必导致MPF的失活；◆在G1期的后期,APC失活,使得周期蛋白B的浓度升高,同时提高MPF的活性,以便进入下一个有丝分裂期。

APC的活性调节控制周期蛋白B的降解P51833RegulationofmitoticcyclinlevelsincyclingcellsP51834◆三类周期蛋白-CDK复合物:●G1期周期蛋白-CDK复合物●S期周期蛋白-CDK复合物●M期周期蛋白-CDK复合物◆三个关键的过渡●G1期→S期●中期→后期●后期→末期及胞质分裂期过渡

真核生物细胞周期调控的一般模型35CurrentmodelforregulationoftheeukaryoticcellcycleP52036裂殖酵母的细胞周期调控

◆温度敏感突变型,可分成两类：●cdc突变〔celldivisioncycle,cdc细胞分裂周期〕这类突变在非允许的温度下培养,形成特别长的细胞;●wee突变这种突变长得特别小而不能分裂。

酵母的细胞周期基因突变37ThefissionofS.pombe38cdc2突变的表型cdc突变wee突变39◆对突变体的研究发现,没有Cdc2的活性,细胞不能进入有丝分裂◆序列分析说明该基因编码一个相对分子质量为34kDa的蛋白,该蛋白又称为p34cdc2蛋白；◆研究发现酵母Cdc2蛋白是一种蛋白激酶◆cdc13+基因该基因的产物也是裂殖酵母进入有丝分裂必需的；◆Cdc13和Cdc2蛋白能够形成异质二聚体,并且具有蛋白激酶的活性，相当于非洲爪蟾的MPF。

裂殖酵母的MPF40◆Cdc25蛋白激活裂殖酵母的MPF的活性；◆Wee1蛋白抑制裂殖酵母的MPF活性；◆Cdc2蛋白亚基上有两个磷酸化与去磷酸化位点

裂殖酵母的MPF活性调节41Cdc25andWee1haveopposingeffectsonS.pombeMPFactivity.42◆Cdc2-Cdc13复合物：无活性◆Weel激酶将Cdc2的Tyr15(Y15)磷酸化◆CAK〔Cdc2-activatingkinase)激酶将Cdc2的Thr161〔T161)磷酸化◆Cdc25使Y15去磷酸化◆Weel、Cdc25相互竞争：关键因素？●细胞生长得是否足够大？●DNA复制是否正确、完全？裂殖酵母MPF的活性调节43裂殖酵母MPF的活性调节4412.2.4Regulationofthecellcycleofbuddingyeast

◆芽殖酵母(S.cerevisiae)生活史◆cdc-28突变◆START点：45CellcycleofSaccharomycescerevisiae46芽殖酵母中START调节点47◆START代表一个决定点，细胞是否有足够的营养来完成细胞周期进程中的剩余局部。◆重要的细胞周期调节点，处于G1期末，控制G1期向S期的进行。◆最初在芽殖酵母中被鉴定。◆一旦通过START，细胞将不可逆地进入S期进行DNA复制，最终完成一个细胞周期。◆细胞通过START需要外部信号〔如营养〕和细胞体积大小的调节。48芽殖酵母的Cdc28蛋白的突变

49◆芽殖酵母cdc28和裂殖酵母cdc2基因高度同源，蛋白功能相似。均为CDK

三种G1周期蛋白与Cdc28形成S期促进因子◆S期促进因子(Sphase-promotingfactor,SPF),◆SPF也是异质二聚体：一个是Cdc28,另一个是在G1期起作用的周期蛋白；◆有三种G1周期蛋白：CLN1、CLN2、CLN3。

芽殖酵母的Cdc28蛋白p52550芽殖酵母细胞周期中的Cdc28蛋白5112.2.4芽殖酵母的细胞周期调控

芽殖酵母(S.cerevisiae)生活史P52352芽殖酵母中START调节点53◆START是重要的细胞周期调节点，处于G1期末，控制G1期向S期的进行。◆最初在芽殖酵母中被鉴定。◆一旦通过START，细胞将不可逆地进入S期进行DNA复制，最终完成一个细胞周期。◆细胞通过START需要外部信号〔如营养〕和细胞体积大小的调节。54芽殖酵母的Cdc28蛋白的突变

55◆芽殖酵母cdc28和裂殖酵母cdc2基因高度同源，蛋白功能相似。均为CDK

三种G1周期蛋白与Cdc28形成促S期因子◆促S期因子(Sphase-promotingfactor,SPF),◆SPF也是异质二聚体：一个是Cdc28,另一个是在G1期起作用的周期蛋白；◆有三种G1周期蛋白：CLN1、CLN2、CLN3。

芽殖酵母的Cdc28蛋白(p525)56芽殖酵母细胞周期中的Cdc28蛋白5712.2.5哺乳动物细胞周期的控制◆哺乳动物细胞体外培养时，需要添加多肽生长因子促进细胞的分裂；◆如果缺少生长因子,就会被阻止在G0阶段,一旦在培养基中添加了生长因子,这些细胞在14～16小时后通过细胞周期限制点；◆细胞一旦通过了G1期的某一点〔限制点〕,这些细胞就能够进入S期并完成其后的细胞周期过程；◆由此推测,哺乳动物细胞周期的限制点相当于酵母的START点。哺乳动物细胞周期的限制点〔restrictionpoint〕58◆TheproliferationofmostanimalcellsissimilarlyregulatedintheG1phaseofthecellcycle.Inparticular,adecisionpointinlateG1,calledtherestrictionpointinanimalcells,functionsanalogouslytoSTARTinyeasts59◆细胞周期受一个小型Cdks家族的调节：●CDK1、CDK2、CDK3、……等；◆多种周期蛋白:●周期蛋白A：S期和M期周期蛋白●周期蛋白B：M期周期蛋白●周期蛋白D1、D2、D3：G1中周期蛋白●周期蛋白E：晚G1期、S期周期蛋白

哺乳动物细胞周期受多种CDKs和周期蛋白的调控6012.2.6细胞周期的关卡◆与细胞分裂有关的基因称为细胞分裂周期(celldivisioncycle,cdc)基因。这些基因表达的有序性,受一些控制系统的监测：●如酵母细胞在DNA合成开始的前有启动点(START)；●在哺乳类细胞中称为R点或限制点(restrictionpoint),亦称为关卡(checkpoint)。61CellCycleCheckpoints62◆G1关卡(靠近G1末期)◆G2关卡(在G2期结束点)◆中期关卡(在中期末)

在每一个关卡,由细胞所处的状态和环境决定细胞能否通过此关卡,进入下一阶段。

细胞周期中的三个主要关卡63●在G1关卡(在酵母中称START,而在哺乳动物中称限制点或commitmentpoint)，主要是监测细胞的大小和营养状态；●G1关卡是细胞周期的主要控制点,它决定着细胞能否分裂；◆G1关卡(START或限制点):

64◆G2关卡

●主要监测DNA复制是否完毕；●使没有完成DNA复制的细胞停留在G2期，只有当DNA复制完成后才能解除G2期抑制进入分裂期。65●主要监测所有的染色体是否都与纺锤体相连并排列在赤道板上；●保证每个子细胞能够精确分配到一套完整的染色体。◆中期关卡(Mphasecheckpoint):66◆DNA复制不完全◆纺锤体装配不正常◆DNA损伤●p53的作用

其他影响细胞周期的事件67Roleofp53inG1arrestinducedbyDNAdamageDNAdamage,suchasthatresultingfromirradiation,leadstorapidincreasesinp53levels.Theproteinp53thensignalscellcyclearrestattheG1checkpoint.68Inductionofp21byDNAdamage在出现损伤DNA时，P53作为转录激活因子诱导P21基因的表达，P21蛋白能够同CDK－周期蛋白复合物结合并将细胞阻止在G1期或G2期。同时，P21与增殖细胞核抗原〔PCNA〕,一种DNA聚合酶亚基的相互作用抑制DNA的复制。69

MPF的作用机制◆促进染色体凝集◆核纤层磷酸化◆核被膜解体◆细胞相关的酶与蛋白质磷酸化70TargetsofMPF71MPF与核纤层解体72MPF激活肌球蛋白促进胞质分裂中期间期后期7312.3有丝分裂12.3.1有丝分裂概述◆有丝分裂是指整个细胞分裂,包括核分裂和胞质分裂两个过程。◆通常将有丝分裂分为前期、中期、后期和末期。◆后期的主要特点是:着丝粒分开,染色单体移向两极。74后期的主要特征7512.3.2有丝分裂的机理

纺锤体微管类型及形成◆纺锤体又称为有丝分裂器(mitoticapparatus)●动粒微管Kinetochoremicrotubules●极微管Polarmicrotubules●星微管Astralmicrotubules◆中心粒●中心粒确定分裂极●形成纺锤体76纺锤体微管的类型动粒微管极微管星微管77中心粒的复制周期78◆染色体别离的力●拉力：由动粒微管去装配产生●推力：由极微管的聚合所产生◆后期可分为两个阶段∶●后期A●后期B◆力产生的机制：●后期A，微管去聚合假说●后期B，纺锤体微管滑动假说染色体别离的两个阶段：后期A与后期B79AnaphaseAandAnaphaseB微管去聚合假说纺锤体微管滑动假说80

◆微管去聚合作用假说●该假说的特点是∶动粒微管不断解聚缩短,造成将染色体拉向两极。●该模型的可能机理是∶微管的正端插入动粒的外层,微管蛋白分子与动粒蛋白分子有亲和性,微管蛋白在此端去组装。在动粒中,ATP分子水解可以提供能量,驱动微管上的动力蛋白向两极移动,结果将染色体拉向两极。〔P536〕

纺锤体微管运动机理81后期A:微管去聚合假说82这种假说认为∶极-极别离是由极微管的两种不同类型的变化引起的。●首先,极微管在+端添加微管二聚体进行聚合延长，使两极的极微管产生重叠的带(overlapzone)。●第二，极微管产生滑动，产生将两极分开的力。●微管间的横桥能够提供机械-化学的活动。横桥上有较高的ATP酶活性,推测是一种分子马达。◆纺锤体微管滑动假说83纺锤体微管滑动假说84本章要点：1、细胞有丝分裂后期染色体别离及分向两极的机制。2、细胞周期调控机理85一、填空1、真核生