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1、1,第十一章 细胞增殖及其调控,2,细胞增殖的意义,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即受精卵分裂发育而来，经过无数次细胞增殖核细胞分化，细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。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。,3,11.1 细胞周期与细胞分裂,一、细胞周期 细胞周期是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开始到下次有丝分裂终止所经历的全过程。在这一过程中,细胞
2、的遗传物质进行复制并均等地分配给两个子细胞。,4,从细胞形态变化考虑，将细胞周期划分为两个相互延续的时期，即细胞有丝分裂期（mitosis）和位于两次分裂期之间的分裂间期（interphase）。分裂间期是细胞增殖的物质准备和积累阶段，分裂期则是细胞增殖的实施过程。,5,细胞周期,6,细胞周期时相及类型,间期(interphase)G1期(Gap 1 phase),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(DNA synthetic phase);G2期(Gap 2 phase),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(mitosis phase)
3、。不一定每种细胞都有四个时期，如胚胎细胞没有G1期。,7,细胞周期和细胞类群(根据增殖状况将细胞分类)持续分裂细胞（周期中细胞）：如上皮组织的基底层细胞，不断分裂，补充表层死亡脱落的细胞。终末分化细胞：分化程度高，永久性失去了分裂能力的细胞，如横纹肌细胞。,8,G0细胞：又称静止期细胞。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。G0期细胞一旦得到信号指使，会返回细胞周期，分裂增殖，如结缔组织中的成纤维细胞，平时并不分裂，一旦所在的组织部位受到伤害，它们会马上返回细胞周期，分裂产生大量的成纤维细胞，分布于伤口部位，促使伤口愈合。,9,细胞周期各时 相的合成活
4、动,G1期(Gap1 phase)S 期(synthesis phase)G2 期(Gap 2 phase)M期(mitosis phase),10,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、碳水化合物、脂等，但是不合成DNA，同时染色质去凝集。,11,S 期,DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构,12,G2期,DNA复制完成，在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子,13,M 期,M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。,14,检验点（checkp
5、oint）:由于细胞内存在一系列监控机制（surveillance mechanisms）,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。这些监控机制尤如交通路途中设立的检查站。因而称为检验点。检验点存在于细胞的各个时期，如S期检验点，G2期检验点，纺锤体组装检验点等。,15,细胞周期长短测定,脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法（P362）用3H-TdR短期饲养细胞，数分钟至半小时后，将3H-TdR洗脱，置换新鲜培育液并继续培养。随后，每隔半小时或一小时定期取样，作放射自显影分析，从而确定细胞周期各个时相的长短。,16,流式细胞仪测定法(Flow Cy
6、tometry)用流式细胞仪测定每个细胞群体的处于不同时期的细胞数量和DNA含量。采用不同时间连续分析，即可综合分析细胞周期及其各个时期的长短而确定细胞周期时间长短。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。,17,细胞周期的研究方法,细胞同步化(synchronization)选择同步法(selection synchrony)有丝分裂选择法 细胞沉降分离法诱导同步法 DNA合成阻断法 中期阻断法条件突变(conditional mutants)：条件依赖性突变株,18,人工选择同步化,有丝分裂选择法：例如，处于对数生长期的单层培养细胞，从培养瓶（皿）壁上隆起，与
7、培养瓶（皿）壁的附着力减弱。若轻轻震荡培养瓶（皿），处于分裂期的细胞即会从瓶（皿）壁上脱落，悬浮到培养液中。收集培养液，通过离心，即可获得一定数量的分裂期细胞。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，效率高，成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。,19,药物诱导法,DNA合成阻断法 G1/S-TdR双阻断法（P366图11-6）。最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点是同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱导过程可造成细胞非均衡生长.分裂中期阻断法：通过抑
8、制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。如用秋水仙素。优点是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大。,20,特异的细胞周期-Embryonic cell cycles,21,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（P368图11-7）；无需临时合成其它物质；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。,22,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:首先，酵母细胞周
9、期持续时间较短；细胞分裂过程属于封闭式，即在细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖,23,24,植物细胞的细胞周期,植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期。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。植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂,25,细菌的细胞周期,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。其DNA复制之前的准备时间与G1期类似。分裂之前的准备时间与G2期类似。再加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期。细菌在快速生长情况下，在一个细胞周期中每个DNA分子复制仅能完成
10、一半，但DNA复制是在两个正在形成中的DNA分子上同时进行的。经过2个细胞周期，两个DNA分子完成复制，得到4个DNA分子，得到4个细胞。,26,二、有丝分裂(mitosis)（一）、有丝分裂的过程,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。核分裂主要是通过纺锤丝的形成和运动，以及染色体的形成，把在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。由于这一时期的主要特征出现纺锤丝，故称为有丝分裂。,27,动物细胞有丝分裂过程,28,有丝分裂前期（Prophase）,标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩(condensation)形成有丝分裂染色体(mi
11、totic chromosome），-由两条染色单体(chromatid)构成 第二个特征：细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)开始装配Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡,29,有丝分裂染色体：,30,间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，形成两个中心体（中心体由1对相互垂直的中心粒及周围基质构成）。当前期开始时，2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。,31,前中期(prometaphase),核纤层解体,32,前中期(prom
12、etaphase),核膜破裂成小的膜泡，标志着前中期的开始。这一过程是由核纤层蛋白中特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体。纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体，每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管，一部分纺锤体微管的自由端最终结合到着丝点上,形成动粒微管。前中期的特征是染色体形成X形结构，并逐渐向赤道运动,个别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。,33,中期(metaphase),主要特点是姐妹染色单体位于赤道板上,着丝粒分别被两端的中心体发出的纤维连接。（所有染色体排列到赤道板Metaphase Plate上）
13、染色体进一步凝缩,并移到赤道附近,排列在赤道板；姐妹染色单体的着丝粒分别与一条或多条来自对面的纤维结合,成为被争夺的对象,34,后期(anaphase),35,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 主要特点是:着丝粒分开,染色单体移向两极。后期(anaphase)大致可以划分为连续的两个阶段，即后期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，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉 长，介导染色体向极运动.,36,37,末期(telophase),38,末期(telophase),染色单体到达两极，即进入了末期（telophase
14、）,到达两极的染色单体开始去浓缩核膜开始重新组装 Golgi体和ER重新形成核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束 主要特点是:染色体解螺旋形成细丝,出现核仁和核膜。,39,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和钙离子浓度的变化有关 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 胞质分裂分为四个步骤，即分裂沟位置的确立、
15、肌动蛋白聚集和收缩环形成、收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞（P376 图11-13）。,40,分裂沟,收缩环,41,植物细胞胞质分裂,与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞 质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和胞 壁而将细胞分开,42,（二）、与有丝分裂直接相关的亚细胞结构,1.中心体（centrosome）是动物细胞中主要的微管组织中心（MTOC），是一种与微管组装和细胞分裂密切相关的细胞器。每个高等动物间期细胞通常含有一个中心体。中心体由一对位于中央的中心粒（Centriole）和其周围的无定型物质构成。两个中心粒相互垂直排列。每一个中心粒为一个圆筒状结构，直经约0.25mm
16、，长度不定。圆筒的壁由九组三联微管构成。,43,中心粒,44,中心体结构(电镜照片),45,中心体（或中心粒）周期,中心体在细胞周期过程中也要进行复制，并经历一系列的发育过程，称为中心体（或中心粒）周期（cnetrosome cycle，centriole cycle）（P378 图11-15）。中心体在G1期末复制。S期细胞含有一对中心体，到G2期，一对中心体开始分离并逐渐向细胞两极移动；细胞分裂结束，子细胞分离，各获得一个中心体。中心粒的作用 中心粒确定分裂极 形成纺锤体,46,中心粒周期,47,2.动粒与着丝粒,动粒（kinetochore）又称为着丝点（centromere），是附着于
17、着丝粒上的一种细胞器，而着丝粒则是指染色体主缢痕部位的染色质。动粒的外侧主要用于纺锤体微管（动粒微管）附着，内侧与着丝粒相互交织，每条中期染色体上含有两个动粒。细胞分裂后，两个动粒分别被分配到两个子细胞中。由于动粒和着丝粒联系紧密，相互穿插，在功能上联系密切，因而二者被合称为着丝粒-动粒复合体（centromere-kinetochore complex）。,48,着丝粒与动粒,动粒分内、中、外三层,49,动粒在细胞分裂中的作用：染色体依靠动粒捕捉由纺锤体极体发出的微管。没有动粒的染色体不能与纺锤体微管发生联系，也不能和其它染色体一起向两极运动。,50,3.纺锤体（spindle）又称为有丝分
18、裂器(mitotic apparatus),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。组成纺锤体的微管可以分为3种类型，即动粒微管、极性微管、星形微管（游离微管）。动粒微管的一端与中心体相连，另一端与动粒相连。极性微管的一端与中心体相连，而另一端游离。从两极发出的极性微管常在赤道处相互搭桥。,51,三种类型的微管,极性微管,动粒微管,游离微管,52,（三）、有丝分裂的动力机制机理,1.染色体列队 染色体向赤道板上运动的过程称为染色体列队（chromosome alignment）或染色体中板聚合（congression）。染色体列队是有丝分裂过程中
19、的重要事件之一，是启动染色体分离并向两个子细胞中平均分配的先决条件。染色体队列不整齐，细胞不能从分裂中期向后期转化，两条染色单体不能相互分离；虽然在个别情况下，细胞分裂可以继续进行，但会导致染色体不能平均分配，最终导致细胞死亡。,53,两组蛋白质（Mad和Bub蛋白）与染色体列队直接相关。Mad和Bub可以使动粒敏化，促使微管与动粒接触，与染色体组装入纺锤体有关。如果染色体被纺锤体微管捕获，Mad2和Bub1很快会从动粒上消失。如果染色体不被微管捕捉，则Mad2和Bub1不从动粒上消失。当某些染色体不能被微管及时捕捉而滞后，Mad2和Bub1不能从这些染色体的动粒上消失，后期则不能启动，染色单
20、体不能相互分离。只有等到这些染色体也被微管捕捉并排列到赤道板上，Mad2和Bub1从动粒上消失，后期才能开始启动（P383 图11-20）。,54,当染色体上的两个动粒被微管捕捉后，促使染色体排列到赤道板上的作用力？目前有两种学说，即牵拉（pull）假说和外推（push）假说（P384 图11-21）。牵拉假说认为，染色体向赤道板方向运动，当来自两极的动粒微管的拉力相等时，染色体即被稳定在赤道板上（图11-21a）；外推假说认为，染色体向赤道方向移动，是由于星体的排斥力将染色体外推的结果。当来自于两极的推力达到平衡时，染色体即被稳定在赤道板上（图11-21b）。,55,2.染色体分离,染色体分
21、离的两个阶段：后期A与后期B染色体分离的力 拉力：由动粒微管去装配产生 推力：由极性微管的聚合所产生后期可分为两个阶段 后期A 后期B染色单体分离和向两极移动的动力产生的机制：后期A，微管去聚合假说 后期B，纺锤体微管滑动假说,56,后期 A 和后期 B,57,纺锤体微管运动机理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,驱动微管上的马达分子向极部移动,拉动染色体向极移动。,58,后期A:微管去聚合假说,59,纺锤体微管滑动假说 这种假说认为极-极分离是由极性微管的两种不同类型的变化引起的。首先,极性微管在+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(overlap zone)。第二，极性微管产生滑动，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。,60,纺锤体微管滑动假说,产生两种推力,
