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1、Add your title,Add your title,Add your title,Add your title,本章框架,第一节,细胞周期的概念,第二节,细胞周期各时相事件,第三节,特殊细胞周期,第四节,细胞周期长短测定及周期同步化,第五节,细胞分裂,第一节 细胞周期,细胞增殖是生命的基本特征，种族繁衍、个体发育、机体修复等都依赖于细胞增殖。亲代细胞(mother cell)经过物质准备（细胞体积增大），分裂（cell division，细胞数目增多）并产生子代细胞(daughter cell)的过程，即为细胞增殖（cell reproduction/proliferation）。这一
2、过程是一个相互连续的过程。,细胞增殖通过细胞增殖周期（cell cycle）实现。细胞周期的有序运行则通过相关基因的严格监视与精密调控来保证。细胞无限制增长对动物或人类个体而言意味着癌症，而个体无限制的繁殖对地球来说意味着生态灾难。,细胞周期（Cell cycle）：从一次细胞分裂（cell division）结束，经物质积累到下一次细胞分裂结束为止，所经历的过程称为细胞周期，也称细胞增殖周期（cell reproductive cycle）。,一个周期所占用的时间，即为细胞的一个世代（generation time）。,3HTdR脉冲标记放射自显影实验发现细胞在间期复制DNA，由于脉冲标记后
3、的某些时间段观察到的分裂细胞染色体没有放射性，表明只在间期的某个阶段DNA才发生复制。,根据不同的核素标记实验结果，将细胞周期间期中，DNA复制的这段时间称为DNA合成期（S期），在此之前有丝分裂之后的一段时间称DNA合成前期（Gap 1 phase，G1期）；DNA复制结束后到有丝分裂之前的一段时间称DNA合成后期（Gap 2 phase，G2期）。至此，根据周期中分裂细胞的形态与生化特征，细胞周期被分为G1、S、G2、M期四个时相。,（1）周期中细胞（cycling cell，或连续分裂细胞）：细胞周期连续运转，细胞持续分裂分化。如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞；（2）静止期细胞（quies
4、cent cell，或G0期细胞/休眠细胞）：休眠的暂不分裂的细胞。在适当的刺激下可重新进入细胞周期。如淋巴细胞、肝细胞、肾细胞等。,细胞周期与细胞类群：,（3）终末分化细胞（terminal differentiation cell）：不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞/特化细胞，也称终端细胞。如神经、肌肉、多形核中性粒细胞等。,G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划分，有的细胞过去认为是终末分化细胞，目前的研究表明可能是G0期细胞。,主要的生化事件有：合成rRNA、蛋白质、脂类和糖类等，为DNA合成作准备。检验点（checkpoint）：在细胞周期中可使细胞周期运转暂停的位点，在这一点
5、上细胞内各条件适宜才允许细胞进入周期的下一阶段。,第二节 细胞各周期时相的主要事件,（1）G1 Phase：,G1期检验点（G1 checkpoint）也称限制点（restriction/R点）：此处需要调查的事件有：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？（芽殖酵母中此点称起始点Start）。,主要的生化事件：DNA和组蛋白（histone）的合成。S期检验点：监察DNA复制是否完全？,（2）S Phase：,主要的生化事件：大量合成ATP、RNA以及与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？,（3）G2 Phase
6、：,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。M期的中-后期检验点：纺锤体组装检验点。,（4）M Phase：,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。原核细胞以无丝分裂 Amitosis 的方式完成细胞分裂。,第三节 特殊细胞周期,细胞分裂所需物质已有准备，细胞分裂快。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具有标准细胞周期的体细胞周期基本一致。,1.早期胚胎细胞的细胞周期,酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在
7、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；封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解体；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖。,2.酵母细胞的细胞周期,3.植物细胞的细胞周期,植物细胞不含中心体，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。,4.细菌细胞的细胞周期,慢生长细菌的细胞周期过程与真核细胞周期过程有某些相似之处。细菌在快速生长情况下，细胞周期变化较大。,第三节 细胞周期长短的测定及细胞周期同步化,这是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和放射自显影技术完成检测。适用于细胞类群相对
8、简单，细胞周期时间相对较短，周期运转均匀的细胞群体。,1.脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察法测定细胞周期长短,放射性同位素脉冲标记法测定细胞周期长短,流式细胞仪可以检测细胞DNA的含量，通过检测细胞不同时期DNA含量的变化，可以测定细胞周期的长短。,2.流式细胞仪测定法(Flow Cytometry),流式细胞仪法测定细胞周期,3、缩时摄像技术 可以得到准确的细胞周期时间、分裂间期和分裂期的准确时间。,细胞周期同步化,自然同步化 多核体；某些水生动物的受精卵；增殖抑制解除后发生的同步分裂。人工同步化 选择同步化；诱导同步化。,细胞同步化(Cell synchronization)指在自然过
9、程中发生的或经人为处理造成的细胞周期时相一致的现象。,1.选择同步化,1）有丝分裂选择法 利用M期细胞与培养皿的附着性低，将分裂中的细胞振荡，使其脱离器壁收集。其优点是，操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害，缺点是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，可用离心的方法分离。同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其半径的平方成正比，因此可用离心的方法分离。其优点是可用于任何悬浮培养的细胞，缺点是同步化程度较低。,1）DNA合成阻断法：选用DNA合成的抑制剂（TdR和羟基脲HU），可逆地抑制DNA合成。常用TdR双阻断法：,2.诱导同步
10、化,处于对数生长期细胞的培养基中加入过量TdR（HeLa 2mol/L；CHO 7.5mol/L），S期细胞被抑制。移去TdR，释放时间大于S期的时长时，再次加入过量TdR，细胞停在G1/S交界处。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。,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。优点是没有不均衡生长的现象，缺点是可逆性较差。3）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。,第四节 细胞分裂,一、有丝分裂,前期,染色质(chromatin)凝缩成早期染色体(由两条染
11、色单体组成)；微管在中心体周围开始大量组装，形成星体，并向移向两极，分裂极确立，纺锤体(spindle)开始装配；前期晚期，动粒开始在着丝粒处组装,染色质进一步浓缩；核仁(nucleonus)消失，核被膜裂解；Golgi,ER 等细胞器裂解形成小泡；动粒逐渐成熟；纺锤体继续组装，微管侵入核中，部分星体微管形成动粒微管、极微管。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。,前中期,染色体排列到赤道面上（染色体整列）纺锤体呈典型的纺锤样，染色体两侧动粒微管等长，作用力均衡，动粒面向纺锤体的两极。,中期,分裂中期/后期存在检验点，控制有丝分裂的细胞从中期向后期的转换。纺锤体检验点(
12、spindle checkpoint)：所有染色体的动粒都被动粒微管捕获时，染色单体才能分离，细胞由中期向后期运转；否则，细胞将暂停在中期不分裂。,The spindle checkpoint(mammalian cell in late prometaphase labeled with anibodies against the spindle checkpoint protein Mad2 and tubulin).,Mad2,纺锤体检验点 Anaphase is delayed until all chromosoms are positioned at the metaphase p
13、late,已发现Mad2与Cdc20结合，抑制APC的激活;只有当Mad2分子从所有的染色体上失去后，APC才能被激活，后期才能开始.,两条染色单体分离，并向两极移动。机理假说：后期A 后期B,后期,两条染色单体达到纺锤体两极；动粒微管消失，极微管加长；核膜组装高尔基体和内质网等细胞器重建,末期,核膜组装,核膜小泡与染色体表面结合小泡融合，成片再融合，组装成核膜，同时核孔复合体在核膜上组装染色体去凝集，核仁组装,胞质分裂,The MT of mitotic spindle determine the plane of animal cell division;Mitosis can occur
14、 without cytokinesis.,分裂沟位置的确定：后期，两极纺锤体发出的星体微管末端重合，刺激细胞皮层，赤道板周围表面下陷形成分裂沟，分裂沟的定位与纺锤体的位置相关。,肌动蛋白聚集，收缩环形成。收缩环收缩收缩环处发生质膜融合,胞质收缩环的形成机理,Contractile ring:Actin and myosinII in the contractile ring generate the force for cytokinesis,以形成细胞板(cell plate)的形式完成细胞分裂。植物胞质分裂机制不同于动物：后期或末期两极处微管消失，中间微管保留，且数量增加，其中不断加入囊
15、状物和电子密度高的物质，形成桶状的成膜体(phragmoplast)。来自高尔基体的囊泡沿微管转运到成膜体中间，融合形成细胞板。囊泡内的物质沉积为初生壁和中胶层，囊泡膜形成新的质膜。,植物细胞的胞质分裂,由于两侧质膜来源于共同的囊泡，因而膜间有许多连通的管道，形成胞间连丝。源源不断运送来的囊泡向细胞板融合，使细胞板扩展，形成完整的细胞壁，将子细胞一分为二。,植物细胞的胞质分裂时细胞板在两个子细胞核之间形成（左）电镜照片；（右）细胞板形成示意图,后期末成膜体指导细胞板的装配。,前减数分裂间期 间期也可分为G1期、S期和G2期。G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。S期持续时间较长。,二、减数
16、分裂,2.减数分裂I（1）前期I 时间较长，主要发生染色体配对、基因重组，合成一定量的DNA。分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期。,染色质凝集，但两染色单体臂并不分离，呈单线状细纤维样染色体上出现一系列大小不同的颗粒样结构，称为染色粒染色体末端通过接触斑与核膜相连,细线期,同源染色体配对；联会：同源染色体配对的过程。两条同源染色体紧密结合在一起形成的复合结构称为二价体或四分体。0.3%zyg-DNA的合成。,偶线期,联会时整对同源染色体侧面紧密连接形成的特殊复合结构称为联会复合体。,联会复合体,蛋白质构成的梯状结构,染色体进一步浓缩、变短，并与核膜接触同源染色体发生等位基因交换、重组，
17、并形成重组结。合成P-DNA（DNA点切和修复相关的酶）合成减数分裂专有的组蛋白染色体外rDNA的扩增。,粗线期,Two major contributions to the reassortment of genetic material that occurs in the production of gametes during meiosis.,联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但仍有交叉染色质或多或少去凝集，转录活跃。可形成灯刷染色体持续时间较长,双线期,Visible evidence of crossing over,染色体重新凝集成短棒状灯刷染色体侧环回缩，转录停止核仁消失,
18、终变期,前期I各阶段,细线期,偶线期,粗线期,双线期,终变期,（2）中期I 纺锤体组装；核膜破裂 同源染色体配对排列在中期板上。每个二价体有4个动粒、姊妹染色单体的着丝粒定向于纺锤体的同一极。（3）后期I 同源染色体分离（4）末期I、胞质分裂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。（5）减数分裂间期 有两种类型：有较短间期，但不复制DNA，无G1、S、G2之分；没有间期，而由末期I直接转为前期II。,3.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。,减数分裂I和减数分裂II中染色
19、体整列及染色体分离的比较,The stages of oogenesis and spermatogenesis,The end,2010.11.30,核膜破裂（与核纤层蛋白磷酸化相关）,中心体及纺锤体的组装,组成及形态结构,功能,中心体在S期进行复制，前期初两对染色体移向两极开始组装纺锤体。,纺锤体的组装过程,纺锤体：细胞有丝分裂过程中一种与染色体分离直接相关的细胞装置。呈纺锤状，主要由微管及微管相关蛋白所构成。,前期末，动粒开始在着丝粒处组装，中期组装成熟,动粒的组装及动粒捕获微管,Schematic representation of the kinetochore,动粒蛋白,CENP-
20、A定位于动粒内层CENP-B定位于动粒内侧的着丝粒上CENP-C定位于着丝粒内层CENP-E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联结的过程中起着重要作用。在前中期与微管结合，以后逐渐转移到动粒上，后期离开动粒，转移到纺锤体的中间区CENP-F一种核支架蛋白,动粒捕获纺锤体微管,M中期染色体动粒被纺锤体微管捕捉后，分裂才能继续进行,染色体整列（牵拉和外推学说）,牵拉假说（动粒微管牵拉的结果,外推学说（星体微管排斥力将染色体外推的结果）,染色体向赤道面上运动的过程即为染色体整列。,All chromosomes align at metaphase plate,Microt
21、ubules are highly dynamic in the metaphase spindle.,微管没有与动粒正常连接时，后期不能启动。,姐妹染色单体分离的原理,姐妹染色单体的分离，并移向两极,分离酶（separase）分解cohesin复合体（包括至少Smc1、Smc3、Scc1/Mcd1和Scc34种亚单位），姐妹染色单体分离。,后期A，动粒微管变短，将染色体拉向两极后期B，极性微管正极生长而加长，极微管在重叠处产生滑动力将两极外推，星体微管上产生的拉力将两极拉长,姐妹染色单体移向两极的原理,Two alternative models of how the kinetochore may generate a poleward force on its chromosome during anaphase A.,后期A，ATP驱动的分子马达蛋白沿微观两极行走，驱动染色体分离，并伴随动粒微管解聚,后期B,The sliding of overlap MT at anaphase.,Metaphase,Late anaphase,
