《细胞增殖及调控.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《细胞增殖及调控.ppt（61页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、第十二章 细胞增殖及其调控,细胞周期概述细胞分裂细胞周期调控,细胞增殖(cell proliferation)的意义,细胞增殖(cell proliferation)是细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础。单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。多细胞生物由一个单细胞(受精卵)分裂发育而来。成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞，维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖细胞增殖。,第一节 细胞周期(cell cycle)概述,概念：细胞从一次细胞分裂结束开始到下一次细胞分裂结束为止，所经历的一个有序过程,包括物质准备和细胞
2、分裂过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。,细胞周期时相组成,间期(interphase):G1 phase，S phase，G2 phaseM phase:有丝分裂期(Mitosis)细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，在间期细胞体积增大(生长)，在 M 期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。G：gap,时间间隔；S：synthesis,DNA合成；M：mitosis,分裂。,细胞周期时间,不同细胞的细胞周期时间差异很大.S+G2+M 的时间变化较小，细胞周期时间长短主要差别在G1期.有些细胞会暂时离开细胞周期，停止分裂，成为静止期或G0期细胞。,根据细胞周期可将高等动
3、物细胞分为3类：连续分裂细胞，如表皮生发层、骨髓干细胞。休眠细胞，暂不分裂，适当刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。不分裂细胞，又称终端细胞，不再分裂，如神经元、肌肉、多形核细胞等。,细胞周期中不同时相及其主要事件,G1期：与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集。S 期：DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构。G2期：DNA复制完成，染色体倍性由2n变成4n,在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子。M 期：M期即细胞分裂期，遗传物质平均分配给子细胞和细胞内其它物质分配给子细胞。,细胞周期的人工
4、选择同步化,有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点是细 胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点是 分离的细胞数量少。密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。优点是方法简单省时，细胞同步化效率高，分离的细胞数量多。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。适用于姴殖酵母（fission yeast)和有些哺乳动物细胞（如HeLa)。,药物诱导法同步化,DNA合成阻断法：常用试剂如HU（hydroxyurea，羟基脲),TdR(胸腺嘧啶核苷）。单次处理可将细胞群同步化于G1/S交界处和S期。TdR两次处理可将细胞群同步化在G1/S交界处。优点是同步化效率高，几乎适合于所有
5、体外培养的细胞体系，被广泛采用。分裂中期阻断法：常用试剂如nocodazole，通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞群同步化在M期。优点是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大，若处理时间长，细胞常不能恢复细胞周期的运转。,条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用：可用于酵母细胞的同步化，极少用于动物细胞。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。,特殊的细胞周期,爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期：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。细胞越分裂体积越小。酵母细胞的细
6、胞周期：封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内。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。细菌的细胞周期：快速生长时，细胞分裂周期为35分钟，而DNA复制一次需70分钟。第1次复制未完成，DNA即开始第2次复制。经过70分钟，DNA复制产生4个DNA分子，细胞分裂2次，得到4个细胞。,第二节 细胞分裂,一、有丝分裂(mitosis),前期(prophase)前中期(prometaphase)中期(metaphase)后期(anaphase)末期(telophase),高等动物细胞的有丝分裂期可分为：,前期(prophase),标志前期开始的第一
7、个特征是染色质开始浓缩(condensation)，光镜下可见早期染色体结构。在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复合物称为动粒(kinetochore)，又称着丝点，与着丝粒（centromere）紧密相连。2个中心体周围，微管组装并以中心体为核心向外发散，形成2个星体。2个星体逐渐向2极运动而确立细胞分裂极。Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡,前期,前中期(prometaphase),核膜破裂，核纤层解体。纺锤体微管侵入细胞核与染色体的动粒结合，捕捉住染色体。不断运动的染色体开始移向赤道板。,前中期,中期(metaphase),所有染色体排列到赤道板(Metaphase Pla
8、te)上，标志着细胞分裂已进入中期。染色体的两个动粒分别面向纺锤体的两极。在每个 动粒上结合的动粒微管可以多达几十根。,中期,后期(anaphase),排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离 产生向极运动后期(anaphase)大致可以划分为后期A和后期B 后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动 后期B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉 长，介导染色体向极运动。用破坏微管的药物，如nocodazole或秋水仙碱处理，染色体的运动会立即停止。-细胞分裂停止在M期（同步化）。,后期,末期(telophase),染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）,到达两极的染色单体
9、开始去浓缩核膜开始重新组装：小膜泡双层核膜片段完整的核膜。Golgi体和ER重新形成并生长核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束,末期,动物细胞胞质分裂,胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在 赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为 分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体极性微管和 钙离子浓度升高的变化有关。胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中间体 处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为 收缩环（contractile ring)。收缩环收缩、收缩环 处细胞膜融合并形成两个子细胞。,有丝分裂(mitosis)各期主要变化,与有丝分裂有关
10、的亚细胞结构,中心体(centrosome)：在G1期末开始复制，在S期形成1对，但二者不分开，到G2期一对中心体开始分离，各自向细胞两极移动，最后每个子细胞各获得1个中心体。动粒与着丝粒(centromere)：动粒是蛋白复合物，其分子构成包括CENP-A,CENP-B,CENP-C,CENP-E等。其中CENP-A是一种组蛋白H3类的蛋白质，位于动粒的内层；人类着丝粒DNA由特殊的序列重复排列构成，长几千个kb，深入动粒内层，成为内层组成部分.Caffeine可使动粒与染色体脱离。纺锤体：微管分为3种，即星微管，动粒微管和极微管。中心体的分离需要2种马达蛋白，即驱动蛋白相关蛋白（Kines
11、in-related proteins,KRPs，向微管负极运动)和细胞质动力蛋白（dynein,向微管正极运动)。,二、减数分裂(Meiosis),减数分裂概念与过程：减数分裂的意义减数分裂特点,减数分裂概念与过程,概念：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,分为前减数分裂间期和减数分裂期。,减数分裂前S期与有丝分裂前S期长度比较,前减数分裂间期,S期持续时间长,减数分裂过程,减数分裂前期，前中期，中期，后期，末期 和胞质分裂减数分裂前期，中期，后期，末期，和胞质分裂,减数分裂过程,Visible evidence of crossin
12、g over,联会,同源染色体配对排列在中期板上,减数分裂特点,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S期持续时间较长同源染色体在减数分裂期I(MeiosisI)配对联会、基因重组，形成联会复合体，同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组合。减数分裂同源染色体配对排列在中期板上,第一次分裂时,同源染色体分开。,减数分裂的意义,获得父母双方的遗传物质，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。,第三节 细胞周期的调控(Cell-Cycle Control),细
13、胞周期调控蛋白的发现细胞周期的调控细胞周期的检验点（check point）,MPF(Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor)的发现及其生化实质,1971 年，Masui 和Markert在用非洲爪蟾卵子的实验中提出MPF的概念。1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。进一步的研究发现MPF=cdc2(CDK1)+clyclin B,MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；由M期Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein
14、kinase)形成的复合物。MPF=CDK1/p34/cdc2+cyclinB,Hartwell 1960s,Nurse 1970s 分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cell division cycle,cdc)。如：裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；cdc2和cdc28都编码34KD的蛋白激酶，促进细胞周期进行。,酵母中发现的cdc(cell division cycle),T.Hunt 1980s发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为cyclin A和B，在细胞间期内积累，在细胞分裂期消失
15、。周期蛋白广泛存在于从酵母到人类的各种真核生物中。,海胆中发现的周期蛋白（cyclin),细胞周期蛋白cyclin,特点：在细胞周期中蛋白含量呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框（cyclin box），介导与CDK结合。有特异性：不同的cyclin 结合并激活不同的CDK。M期周期蛋白有破坏框（destruction box)，位于蛋白质进N末端，参与由泛素介导的蛋白降解。,分为4类：G1型（cyc D)、G1/S型（cyc E)、S型（cyc A)、M型（cyc B)。,作用：激活和引导不同的CDK作用于不同底物,细胞周期蛋白cyclin,细胞周期蛋白依赖性激酶
16、cyclin-dependent kinase,CDK,cdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故称为CDK。Cdc2是第1个发现的CDK，又称CDK1，可将特定蛋白磷酸化，如：将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。目前已经发现10余种CDK，在CDK激酶结构域中均含PSTAIRE保守序列，与周期蛋白的结合有关。Cyclin 与CDK 的结合是CDK激活的必要条件，不是充分条件。,CDK1 蛋白在细胞周期中含量相对稳定，而cyclin B 的含量呈周期性变化。,Cyclin-Cdk复合物的多样性,G1 S G2/M Cyclin-Cdk Cyclin-Cd
17、k Cyclin-Cdk Budding Yeast CLN1,2,3-CDC28 CLB5,(3,4)-CDC28 CLB1,2(3,4)-CDC28 Fission Yeast CIG1-CDC2 CIG2-CDC2 CIG13-CDC2 Higher Eukaryotes CyclinD1,2,3-CDK4/6 CyclinA-CDK2 CyclinB-CDK1/CDC2 CyclinE1,2-CDK2,G1 Substrates,S Substrates,G2/M Substrates,Growth and Morphogenesis,DNA Replication,Mitosis,C
18、DK抑制因子（CDK inhibitors,CDKIs),CDKI对细胞周期起负调控作用，分为2大家族：INK4家族:包括p16,p18,p19等。p16抑制cdk4 和 cdk6。Cip/Kip家族：包括p21Cip/WAF1，p27Kip1和p57Kip2等。其中p21Cip/WAF1抑制G1期CDK，如CDK2、3、4、6；还能与DNA聚合酶的辅助因子PCNA（proliferating cell nuclear antigen)结合，直接抑制DNA的合成。,cyclin B 的含量呈周期性变化,周期性表达和降解,APC介导的靶蛋白（如M期周期蛋白）通过泛素依赖性途径降解 后期促进复合物
19、：APC（anaphase-promoting complex)，由至少15种成分组成，即APC1-APC15。在体外促进周期蛋白A、B降解，表明分裂中期向后期转化也受到精密调控。,Cyclin A 和 B 通过泛素化途径（ubiquitination pathway)降解(M期周期蛋白的破坏框起调节作用）,泛素与泛素激活酶E1结合形成E1-泛素复合体。E1-泛素复合体将泛素转移给泛素结合酶E2，形成E2-泛素复合体。在泛素蛋白连接酶E3的催化下，泛素分子连接到靶蛋白上。形成多聚泛素链。泛素化的靶蛋白被蛋白质列解体（proteasome)逐步降解。,G1期周期蛋白的降解,G1期周期蛋白包括cy
20、clin D 和 cyclin E。G1期周期蛋白不含破坏框，但含PEST序列。PEST序列促进G1期周期蛋白通过泛素化途径降解。参与G1期周期蛋白泛素化的E2和E3与泛素化M期周期蛋白的E2、E3不同。,二、细胞周期运转调控,CDK激酶是细胞周期运转的引擎分子，对细胞周期起核心性调控作用。,（一）G2/M期转化与CDK1激酶的作用Cyclin B 蛋白含量在G2期达到最大值，CDK1活性开始出现，磷酸化下游蛋白质。CDK1 的激活还需要Wee1/Mik1和CAK催化的CDK1的Thr14,Tyr15和Thr161 的磷酸化，及Cdc25催化的Thr14,Tyr15的去磷酸化，才能表现出激酶的
21、活性。,（二）M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期的转化,分裂中期后，cyclin A 和 cyclin B通过APC介导的泛素化途径迅速降解，CDK1激酶活性丧失，被CDK1磷酸化的蛋白质去磷酸化，细胞周期便从M期中期向后期转化。,（三）G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK激酶,Cyclin D 与CDK4，CDK6结合并激活CDK4/6活性。Cyclin E 与CDK2结合并激活CDK2活性。Rb（retinoblastoma protein)是G1/S转化的抑制因子，在G1晚期通过磷酸化而失活。Rb与E2F转录因子结合，抑制E2F的转录因子活性。E2F激活DNA合成所需蛋白的基因的转录
22、，是细胞周期进入S期所必需。CDK2/4/6均磷酸化Rb，从而释放E2F，使E2F发挥作用。G1期的周期蛋白通过泛素化途径降解。,p16抑制cdk4 和 cdk6,p21抑制cdk2,4 和 6,三、细胞周期检验点（check point）,主要检验点：G1/S检验点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restriction point)。S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：DNA是否损伤？中-后期检验点：纺锤体组装检验点。,FOUR CHECKPOINTS,DNA 损伤,ATM/ATR 磷酸化,p53磷酸化，减少降解,p53蛋白量增加，转录因子活性增强,p53增强p21等的表达,p21抑制CDK2活性和DNA复制,细胞周期停止在G1和S期,
