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1、1,第十二章细胞增殖与调控,2,细胞增殖的意义,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，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。,3,2001年诺贝尔生理学与医学奖: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。保罗纳西的贡献是发现了CDK。蒂莫西亨特的贡献是发现了调节CDK的功能物质CYCLIN.,4,12.1 cell cycles,
2、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生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。在这一过程中,细胞的遗传物质进行复制并均等地分配给两个子细胞。图,5,Phases of the cell cycle,6,可将高等动物的细胞分为三类：周期中细胞：连续分裂细胞，如表皮生发层、部分骨髓细胞。静止期细胞（又称为休眠细胞）：暂不分裂，但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。终末分化细胞：不再分裂，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。,7,二 细胞周期中各时 相及其主要事件,G1期(Gap1 phase)S 期(synthesis phase)
3、G2 期(Gap 2 phase)M期,8,G1期,开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、碳水化合物、脂等，同时染色质开始去凝集。,9,S 期,DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构,10,G2期,DNA复制完成，在G2期合成少量的蛋白质和RNA分子；细胞周期某些调控分子活化（CDK1）,11,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它物质分配给子细胞。,12,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？在芽殖酵母中称start点，在其它真核细胞中称限
4、制点点(restriction point，R点)。S/G2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）：检验纺锤体组装是否完整,细胞周期检验点（check point）,13,细胞周期的时间长短与物种/细胞类型有关。G1期持续时间差异较大，M期最短,约0.54.5小时。脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法（PLM）：用3HTDR对测定细胞脉冲标记、定时取材，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。,三 细胞周期时间的测定,14,方法简述：用3HTdR标记细胞群体，洗脱3HTdR后，不同时间取样做细胞放射
5、性自显影，找出正处于有丝分裂的细胞，计算其中带标记的细胞占有丝分裂细胞的百分数。依标记分裂指数曲线升降过程，可推求出细胞周期各时相的时长。变化规律：最开始的有丝分裂指数为零，持续一段时间后开始出现标记有丝分裂的细胞，然后有丝分裂指数不断增加，经过一段时间达到峰值。峰值持续一段时间，然后逐步下降到零，有丝分裂指数为零持续一段时间，再次出现标记有丝分裂的细胞，进入下一个细胞周期循环。,15,待测细胞经3H-TDR标记后，所有S期细胞均被标记。S期细胞经G2期才进入M期，所以一段时间内PLM=0。开始出现标记M期细胞时，表示处于S期最后阶段的细胞，已渡过G2期，所以从PLM=0到出现PLM的时间间隔
6、为TG2。S期细胞逐渐进入M期，PLM上升，到达到最高点的时候说明来自处于S最后阶段的细胞，已完成M，进入G1期。所以从开始出现PLM到PLM达到最高点（100%）的时间间隔就是TM。,测定方法,16,当PLM开始下降时，表明处于S期最初阶段的细胞也已进入M期，所以从出现PLM到PLM又开始下降的一段时间等于TS。从PLM出现到下一次PLM出现的时间间隔就等于TC，根据TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的TG1长度。事实上由于一个细胞群体中TC和各时相不尽相同，第一个峰常达不到100%，以后的峰会发生衰减，PLM不一定会下降到零，所以实际测量时，常以（TS+1/2TM）-1/2TM的方式
7、求出TS。,17,三、细胞同步化,测定原理,细胞周期各阶段的时间与PLM的关系,18,（一）自然同步化1、多核体：如：粘菌、疟原虫。2、水生动物的受精卵：如海胆、两栖类。3、增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，同步分裂。,四、细胞（周期）同步化,19,1、选择同步化1）有丝分裂选择法优点：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(密度梯度离心法)优点：省时，效率高，成本低。缺点：同步化程度较低，且对大多数种类细胞不适用。,（二）人工同步化,20,2、诱导同步化,1）DNA合成阻断法 G1/S-TdR双阻
8、断法：最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点:同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点:诱导过程可造成细胞非均衡生长.2）分裂中期阻断法：通过抑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。优点:操作简便，效率高。缺点:这些药物的毒性相对较大.,21,五 特异的细胞周期-Embryonic cell cycles,22,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,
9、23,酵母细胞的细胞周期 图,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,24,25,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,26,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
10、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，如何协调快速分裂和最 基本的DNA复制速度之间的矛盾,27,12.2 细胞分裂,无丝分裂：又称直接分裂，由Remark（1841）发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化。有丝分裂：又称为间接分裂，由Fleming(1882)和Strasburger(1880)发现。减数分裂：DNA复制一次，细胞连续分裂两次。,28,一、有丝分裂,（一）有丝分裂过程 为了便于描述人为的划分为六个时期：前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂。,29,1.前期 图1 图2染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消
11、失。,30,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。,31,2.前中期从核膜解体到染色体排列到赤道面上。,32,前中期(prometaphase),核膜破裂成小的膜泡，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剧烈地活动,个别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极
12、之间。,33,3.中期,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）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 图,34,染色体排列到赤道面上。,35,4.后期 图,36,37,后期,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，极间微管长度增加，两
13、极之间的距离逐渐拉 长，介导染色体向极运动,38,Anaphase A:separation of the sister chromatids.,39,Anaphase B:separation of the poles.,植物细胞有没有后期B？,40,5.末期(telophase),41,（五）末期从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方,42,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开始去浓缩核膜开始重新组装 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
14、结束 主要特点是:染色体解螺旋形成细丝,出现核仁和核膜。,43,6.胞质分裂,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分裂沟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,44,分裂沟,收缩环,45,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,46,1、中心体概
15、念：是一种与微管装配和细胞分裂密切相关的细胞器。由一对位于中央的中心粒和其周围的无定型物质构成。位于核膜外侧的细胞之中。中心体周期：中心体在细胞周期中也要进行复制，并经过一系列的发育过程，称为中心体周期。G1末期开始复制，S期细胞已经包含一对中心体。,（二）、与有丝分裂直接相关的亚细胞结构,47,2、动粒与着丝粒动粒（kinetochore）：附着于着丝粒上的一种细胞器，具有帮助染色体捕获微管的作用。动粒的结构：电镜下为圆盘状，分内、中、外三层。动粒的分子结构目前尚不清楚，动粒蛋白的组分CENP-E在促使染色体与来自两极的微管相连接的过程中起重要作用。用药物caffeine处理细胞，可以使动粒
16、与染色体脱离，等到分裂期，动粒则单独向两极移动,48,3、纺锤体 概念：一种由微管蛋白和微管结合蛋白组成的在细胞分裂过程中与染色体分离直接相关的临时细胞结构。有丝分裂器：指纺锤体和位于其两端的星体。驱动蛋白相关蛋白（KRPs）：负向运动马达蛋白 细胞质动力蛋白（dynein）：正向运动马达蛋白*KRPs在来自姐妹中心体的微管间搭桥，通过正向运动，将被结合的微管牵拉在一起，形成早期的纺锤体；*dynein在纺锤体微管间搭桥，借助负向运动，将纺锤体拉长；*KRPs在质膜与星体微管间搭桥，将星体拉近两极细胞膜，纺锤体也进一步被拉长。,49,图片来自http:/www.wadsworth.org/,5
17、0,（三）染色体运动的动力机制,1、染色体列队机制 是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？Mad蛋白和Bub蛋白促使染色体被动力微管捕捉。牵拉假说和外推假说。图,51,52,2、染色体分离机制后期A 染色体分离的力-拉力：动粒微管去聚合假说 图1后期B 两极距离变长的力-推力：纺锤体微管滑动假说 图2,53,后期A,54,后期B,植物细胞有没有后期B？,55,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。,56,后期A-微管去聚合假说：动粒微管不断解聚缩短,造成将染色体拉向两极。,57,后期B:纺锤体微管滑动假说 这种假说认为极-极分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(overlap zone)。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。,58,纺锤体微管滑动假说,
