第十一章 细胞增殖及其调控课件

细胞生物学CellBiology课件制作与讲授:杨谷良第十一章细胞增殖及其调控(2)

Pleasebequiet,上课了！！第十一章细胞增殖及其调控(2)

Cellreproduction®ulationⅪ细胞增殖及其调控第十一章细胞增殖及其调控(2)Summary:》细胞增殖是生命的基本特征，种族繁衍、个体发育、机体修复等都离不开细胞增殖。

细胞增殖cellreproduction,亲代细胞(mothercell)经物质准备，分裂（celldivision）产生子代细胞(daughtercell)的过程。》细胞增殖受严密的调控（regulation）机制的监控，其增殖过程必须遵循一定的规律。1第十一章细胞增殖及其调控(2)1CellCycle&CellDivision

1.1CellCycle》任何细胞都是一个生命，开始于产生它的亲代细胞的分裂，结束于它的子代细胞的形成。1.1.1ConceptionofCellcycle

起始生长、物质积累Mothercell结束2第十一章细胞增殖及其调控(2)》细胞周期Cellcycle,从一次细胞分裂(celldivision)结束开始，经过物质积累过程，直到下一次细胞分裂结束为止，所经历的过程称为细胞周期，又称细胞增殖周期(cellreproductivecycle)。》一个周期所占用的时间，即为细胞的一个世代（generationtime）,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。。细胞周期及染色体行为3第十一章细胞增殖及其调控(2)1.1.2PhasesofCellcycle》细胞分裂时形态显著，利用光学显微镜即可观察到一个细胞分裂成二个细胞的变化。玉米减数分裂照片－生科学生作业细胞周期是一个相当复杂的过程,不同类型的细胞周期持续的时间不完全相同,而且,细胞的分裂状态也各有异。4第十一章细胞增殖及其调控(2)MphaseInterphase（1）分裂期mitoticphase简称M期;DNA合成期（DNAsynthesisphase,简称S期）Sphase细胞周期的时相（2）分裂间期interphase。

第一时间间隔期（gap1phase,简称G1期）。G1phaseG2phase第二时间间隔期，(gap2phase,简称G2期)。5第十一章细胞增殖及其调控(2)一个细胞周期可以人为的划分为先后连续的4个时期（时相）：G1

a

S

a

G2

a

M》绝大多数真核细胞的细胞周期都包含这4个时相，所以将包含有这4个不同时相的细胞周期称为标准细胞周期(standardcellcycle).6第十一章细胞增殖及其调控(2)各时相持续时间

不同类型细胞细胞周期时间长短不同，一般说来，S+G2+M的时间变化较小；而G1期持续时间的差异可能很大。

细胞周期所持续的时间一般为12－32h；M期最短，约0.5－4.5h。小鼠食管上皮细胞：周期时间115h,G1期103h；

十二指肠上皮细胞：周期15h,G1期6h.7第十一章细胞增殖及其调控(2)细胞周期和细胞类群》从增殖的角度来看，可将高等生物（动物）的细胞分为三类：（1）周期中细胞，cyclingcell，或连续分裂细胞：－细胞周期连续运转，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞；（2）静止期细胞，quiescentcell，或G0期细胞、休眠细胞：－休眠细胞暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期；如淋巴细胞、肝、肾细胞等。（3）终末分化细胞，terminaldifferentiationcell：－指暂时脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等等。8第十一章细胞增殖及其调控(2)》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。9第十一章细胞增殖及其调控(2)1.1.3MaineventsofeachPhase（1）G1Phase》发生的主要生化事件包括：合成rRNA、蛋白质、脂类和糖类等，为DNA合成作准备。10第十一章细胞增殖及其调控(2)（2）Sphase》主要的生化事件：DNA合成。还包括：组蛋白（histone）的合成、DNA复制所需的酶的合成。》S期检验点：监察DNA复制是否完全？（3）G2phase》主要的生化事件：大量合成ATP、RNA、及细胞分裂相关的蛋白质。为细胞分裂作准备。》G2/M期检验点：DNA损伤是否已被修复？细胞体积是否够大？11第十一章细胞增殖及其调控(2)（4）Mphase》主要的生化事件：细胞染色质凝集，分离并平均分配到两个子代细胞，细胞一分为二。细胞增殖的直接实施阶段。》细胞分裂的方式有三种：－真核细胞分裂主要包括两种方式：

有丝分裂Mitosis，体细胞分裂方式；

减数分裂Meiosis，性细胞分裂方式。－原核细胞是以无丝分裂Amitosis方式进行。12第十一章细胞增殖及其调控(2)》检验点checkpoint:在细胞周期中可使细胞周期运转暂时刹车的位点，待条件适宜才允许细胞进入下一阶段。》在G1期的检验点(G1checkpoint)又称限制点restriction,R点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？。在芽殖酵母中称为起始点Start。》–S期检验点：DNA复制是否完成？–G2/M检验点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？–中-后期检验点：纺锤体组装检验点。13第十一章细胞增殖及其调控(2)其他影响细胞周期的事件

●DNA复制不完全。●纺锤体装配不正常。●DNA损伤。

细胞周期的关卡和影响的事件14第十一章细胞增殖及其调控(2)1.1.4MensuratetheCellcycle（一）标记有丝分裂百分率法(S期:DNA合成)percentagelabeledmitoses，PLM》最经典的测定细胞周期各时相时间的方法。利用3H-TdR（胸腺嘧啶核苷）掺入DNA和放射自显影技术。》适用于细胞类群相对简单，细胞周期时间相对较短，周期运转均匀的细胞群体。15第十一章细胞增殖及其调控(2)》基本原理：－用3H-TdR给待测细胞以脉冲标记（即给动物一次3H-TdR注射，或加3H-TdR于细胞培养液中短暂培养然后洗脱），使在该段时间内已处于S期不同阶段的全部细胞其DNA被3H标记，而处于其它时相的细胞则不被标记。－随后，每隔一定时间取样做细胞放射自显影，找出正处于有丝分裂的细胞，计算其中带3H标记的细胞占有丝分裂细胞的百分数，绘制曲线即可测得各时相持续时间。16第十一章细胞增殖及其调控(2)PLM原理详解：（1）经3H-TdR脉冲标记后，S期的细胞其DNA具3H（图中红色表示这部分细胞）。以PLM对时间T作图。－PLM：被标记分裂期细胞占所有分裂期细胞的百分比。－T：从洗脱，更换培养液开始计时，隔一定时间测PLM。》很显然，在被标记细胞进入M期之前，PLM=0；PLM时间T0.51.0017第十一章细胞增殖及其调控(2)（2）从洗脱（0时）到标记细胞开始进入M期的时间是G2期持续的时间，记作TG2(为细胞分裂作准备)。(坐标中绿色时间段)－标记细胞将陆续进入M期，PLM相应升高；PLM时间T0.51.0018第十一章细胞增殖及其调控(2)（3）当最早进入M期(细胞一分为二)的标记细胞结束M期时，PLM达到理论最大值=1；所以，从标记细胞开始进入M期到这一时刻所持续的时间即为M期，记作TM，坐标中红色时间段。PLM时间T0.51.0019第十一章细胞增殖及其调控(2)（4）直到最晚进入M期的标记细胞开始进入M期时，PLM始终保持理论最大值=1，然后，随着周期运转PLM值将下降。那么，从标记细胞开始进入M期到PLM开始下降，所持续的时间段即为S期长，记作TS，对应于图中所有红色时间段。PLM时间T0.51.0020第十一章细胞增殖及其调控(2)PLM时间T0.51.00》在实际工作中测定Ts时，由于各种因素的影响，PLM的最大值达不到1。为减少误差，常采用半高度法读数。－即从PLM值上升到0.5时开始，经历最大值，再下降到0.5时为止，所经历的时间计为TS。坐标中紫色时间段。21第十一章细胞增殖及其调控(2)（5）如下图，红色时间段对应的又是什么时间？PLM时间T0.51.00》一个细胞周期的总时间，TC。－从M期开始出现标记细胞并逐渐消失，到下次M期再次出现标记细胞，所历经时间。－在实际工作中同样可采用半高度法读取。如紫色时间段。》TG1=TC－（TG2＋TM＋TS）22第十一章细胞增殖及其调控(2)》优点：PLM法不仅可以细胞周期的总时间，还可测出各时期所持续的时间。缺点：－放射自显影技术要求一定的防护措施；－放射性同位素对细胞周期有一定影响；－当细胞类群较为复杂时，此法不适用。23第十一章细胞增殖及其调控(2)（二）流式细胞仪测定法(FlowCytometry)》从DNA含量着眼，G1期和G2、M期细胞含有固定含量的DNA；S期细胞的DNA含量介于他们之间。用流式细胞仪通过监察细胞DNA含量在不同时期的变化，从而测定细胞周期长短。24第十一章细胞增殖及其调控(2)（三）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。细胞周期及染色体行为25第十一章细胞增殖及其调控(2)1.1.5CellSynchronization细胞同步化》细胞同步化(Cellsynchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期一致的现象。细胞同步化分为自然同步化和人工同步化。自然同步化是自然界存在的现象,人工同步化是利用细胞培养的方法,用各种理化因素处理获得的同步化生长的细胞。常用的细胞人工同步化的方法分为选择同步化、诱导同步化或者两者的结合。26第十一章细胞增殖及其调控(2)(一)选择同步化1）有丝分裂选择法：M期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。–优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。–缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占1%～2%）。2）细胞沉降分离法：

M期细胞体积大，可用离心分离。–优点：可用于任何悬浮培养的细胞。–缺点：同步化程度较低。1.1.5.1人工同步化27第十一章细胞增殖及其调控(2)(二)诱导同步化1）胸腺嘧啶阻断技术：–高浓度的胸腺嘧啶能够阻断DNA合成所需的核苷酸的合成,因此将细胞群体培养在具有高浓度的胸腺嘧啶的培养液，可获得同步化的细胞。–优点：同步化程度高–缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。28第十一章细胞增殖及其调控(2)2）中期阻断法》用秋水仙素等细胞分裂抑制剂将细胞阻断在中期。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差。3）应用条件依赖性突变株使细胞周期同步化》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。29第十一章细胞增殖及其调控(2)1.1.6ExtraordinaryCellcycle（一）早期胚胎细胞的细胞周期》无需临时合成其它物质，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；》子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小；》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；30第十一章细胞增殖及其调控(2)爪蟾早期胚胎细胞SEM照片31第十一章细胞增殖及其调控(2)（二）酵母细胞的细胞周期》酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似；》酵母细胞周期明显特点:－酵母细胞周期持续时间较短(约90分钟)；－封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解体与重建；－纺锤体不位于细胞质中,而位于细胞核内；－在一定环境下(环境条件不合适时)，也进行有性繁殖；32第十一章细胞增殖及其调控(2)（三）植物细胞的细胞周期》植物细胞不含中心体(中心体是微管组织中心,是纺缍体装配必需的)，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。》植物细胞以形成细胞板的形式进行胞质分裂；动物细胞的胞质分裂植物细胞的胞质分裂33第十一章细胞增殖及其调控(2)（四）细菌的细胞周期P371》慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处。》细菌在快速生长情况下，细胞周期变化较大（见微生物学）。34第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2有丝分裂Mitosis

有丝分裂是细胞周期的丝裂期(M期)进行的分裂活动。根据细胞形态结构的变化，将有丝分裂人为地划分为6个时期：35第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2.1前期Prophase（1）染色质(chromatin)凝缩成染色体(由两条染色单体组成)；（2）中心体(centrosome)移向两极，分裂极确立，纺锤体(spindle)开始装配；（3）核仁(nucleonus)消失，核被膜裂解；↑动物细胞前期模式图↗前期较早时荧光照片，蓝色染色质，绿色微管36第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2.2前中期Prometaphase（1）染色体进一步凝集浓缩，变粗变短；（2）纺锤体形成，纺锤丝捕获染色体，并拉动染色体向纺锤体赤道面移动。↑显微摄影示前期和前中期↗前中期荧光照片，示纺锤体形成和染色体运动37第十一章细胞增殖及其调控(2)纺锤体spindle与星体aster

构成纺锤体的微管(MT)可分为2种：动粒微管(kinetochoreMT)极性微管(polarMT)动粒微管极性微管星体微管动粒中心体赤道板

构成星体的微管称为星体微管(astralMT)。星体纺锤体与星体结构示意图38第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2.3中期metaphase（1）所有染色体排列到赤道板(equatorialplate)；（2）纺锤体呈典型的纺锤样，位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。模式图荧光染色显微照片透射电镜照片39第十一章细胞增殖及其调控(2)分裂中期/后期存在检验点》纺锤体检验点(spindlecheckpoint)：所有染色体的动粒都被动粒微管捕获时，染色单体才分离，细胞分裂向后期进行；否则分裂暂停在中期。图的上部是不正确的纺锤体微管与染色体动粒结合的方式,是不稳定结合。图的下面部分是正确的结合方式,是稳定的结合。染色体的动粒只有被两极的纺锤体微管结合,两侧的作用力才会平衡。40第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2.4后期anaphase》中期染色体的两条染色单体相互分离，形成子代染色（单）体，并分别向两极运动。41第十一章细胞增殖及其调控(2)》后期可大致划分为连续的两个阶段：(1)后期AanaphaseA:动粒微管缩短，拉动染色单体移向两极；(2)后期BanaphaseB:极性微管延长，两极间距离逐渐增长；42第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2.5末期telophase（1）色单体到达两极，并开始去浓缩变成染色质，核仁重新出现，核膜开始重新装配，形成子代细胞核；（2）动粒微管消失，纺锤体散开。极性微管继续加长，最终参与构建胞质分裂的分裂沟(furrow)或细胞板；43第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2.6胞质分裂cytokinesis》多数细胞的胞质分裂开始于细胞分裂的后期，完成于末期。亲代细胞的细胞质和细胞器被分配到两个子代细胞中，子代细胞分离。胞质分裂核分裂Mitosis前期前中期中期后期末期G2G1核分裂与胞质分裂相协调的模式图解44第十一章细胞增殖及其调控(2)(1)动物细胞：在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟(furrow)。》分裂沟的形成和收缩环有关。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，称为收缩环（contractilering)。胞质分裂

cytokinesis动物细胞的胞质分裂45第十一章细胞增殖及其调控(2)(2)植物物细胞：以形成细胞板(cellplate)的形式完成》植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，并数量增加，其中不断加入囊状物和电子密度高的物质，形成成膜体。》成膜体的囊泡来自高尔基体。小囊泡不断融合扩大形成质膜，即细胞板(cellplate)，将细胞一分为二，最后在细胞板两侧积累多糖，形成细胞壁。46第十一章细胞增殖及其调控(2)1.2.7有丝分裂的机理

如何均等分配遗传物质给两个新产生的子细胞。1.纺锤体染色体的分裂与分配是靠纺锤体的形成、运动和解聚来完成的。纺锤体微管的类型及其形成47第十一章细胞增殖及其调控(2)中心体在细胞周期中复制、分离、复制周期。中心体循环(centrosomecycle)48第十一章细胞增殖及其调控(2)2.核的解体与重建机理核解体H1组蛋白和核纤层蛋白的磷酸化导致染色体的凝集和核膜的解体，它们的磷酸化作用主要由激活的MPF催化的。

核重建在有丝分裂的末期,前期核解体时形成的核被膜小泡此时又围绕染色体聚集和融合形成两个子代细胞核膜。49第十一章细胞增殖及其调控(2)1.3

Meiosis》Meiosis，减数分裂，是细胞仅进行一次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。》减数分裂的意义：－确保世代间遗传的稳定性；－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；－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。50第十一章细胞增殖及其调控(2)1.3.1Premeioticinterphase》有丝分裂细胞在进入减数分裂之前要经过一个较长的间期，称减数分裂前间期(premeioticinterphase)。第一次减数分裂可分为前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ。第二次减数分裂可分为前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ

51第十一章细胞增殖及其调控(2)1.3.2减数分裂过程（一）减数分裂I1、前期I》减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，通常分为5个时期：①细线期（leptotene），②偶线期（zygotene），③粗线期（pachytene），④双线期（diplotene），⑤终变期（diakinesis）。52第十一章细胞增殖及其调控(2)①细线期（leptotene）》染色体呈细线状（单线），具有念珠状的染色粒。虽然染色体已经复制，但光镜下分辨不出两条染色单体。》由于染色质逐渐凝集，所以又称为凝集期(condensationstage)。53第十一章细胞增殖及其调控(2)②偶线期（zygotene）》同源染色体配对的时期，这种配对称为联会(synapsis)

，所以又称为配对期(pairingstage)。》这一时期同源染色体间形成联会复合体(synaptonemalcomplex，SC)。在光镜下可以看到两条结合在一起的染色体，称为二价体（bivalent）。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，所以又称为四分体（tetrad）。》这一时期合成约0.3%左右的DNA，称为zygDNA。偶线期的染色体形态结构

54第十一章细胞增殖及其调控(2)③粗线期（pachytene）》持续时间长达数天，此时染色体变短，结合紧密，在光镜下只在局部可以区分同源染色体，这一时期同源染色体的非姊妹染色单体之间发生交换的时期。》粗线期SC上具有与SC宽度相近的电子致密球状小体，称为重组节，与DNA的重组有关。》这一时期合成少量的DNA，称为P-DNA。并合成减数分裂专有的组蛋白。55第十一章细胞增殖及其调控(2)④双线期（diplotene）》联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交叉(crossover，chiasma)上还保持着联系。》植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期。》鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二价体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。

双线期的染色体交叉

56第十一章细胞增殖及其调控(2)染色体重组及双线期同源染色体的交叉57第十一章细胞增殖及其调控(2)⑤终变期（diakinesis）》二价体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失，核被膜解体。58第十一章细胞增殖及其调控(2)2.中期Ⅰ》同源染色体配对排列在中期板上。每个二价体有4个动粒、姊妹染色单位的着丝粒定向于纺锤体的同一极59第十一章细胞增殖及其调控(2)3.后期Ⅰ》二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动，所以染色体数目减半。》同源染色体随机分向两极，染色体重组，人类染色体重组概率有223个（不包括交换）。4.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。60第十一章细胞增殖及其调控(2)示意图：同源染色体分离所产生的遗传多样性61第十一章细胞增殖及其调控(2)5.减数分裂间期两种类型：－有较短间期，但不复制DNA，无G1、S、G2之分；－无间期，而由末期I直接转为前期II。（二）减数分裂Ⅱ》可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。》一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。62第十一章细胞增殖及其调控(2)脊椎动物配子发生过程63第十一章细胞增殖及其调控(2)总结：减数分裂特征（和有丝分裂比较）1.减数分裂主要是发生在生殖细胞产生的某个阶段；2.遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半；3.减数分裂前间期的S期持续时间较长，少量DNA没有复制；4.有丝分裂中,每个染色体是独立活动;在减数分裂中,染色体要配对、联会、交换和交叉，产生遗传多样性；5.有丝分裂时间短,1-2小时;减数分裂时间长,几十小时至几年。同源染色体联会时的交换和交叉64第十一章细胞增殖及其调控(2)有丝分裂与减数分裂的比较

65第十一章细胞增殖及其调控(2)1.3.3联会复合体