細胞分裂和細胞周期.ppt

細胞分裂和細胞周期,細胞分裂的類型,無絲分裂(amitosis)：又稱直接分裂，1841發(fā)現(xiàn)于雞胚血細胞，不涉及紡錘體形成及染色體變化 。 有絲分裂(mitosis) ：又稱為間接分裂，由Fleming (1882)年首次發(fā)現(xiàn)于動物，1880發(fā)現(xiàn)于植物。 減數(shù)分裂(meiosis）：染色體復(fù)制一次，細胞連續(xù)分裂兩次。,主要內(nèi)容,第一節(jié) 細胞周期 第二節(jié) 染色質(zhì)和染色體 第三節(jié) 紡錘體 第四節(jié) 植物細胞的減數(shù)分裂,第一節(jié) 細胞周期,一、細胞周期概述 二、細胞周期各時相的動態(tài)變化 三、細胞周期的調(diào)控 四、細胞周期與醫(yī)學(xué)的關(guān)系,一、細胞周期概述 1. 細胞周期的概念 細胞周期是指連續(xù)分裂的細胞，從一次細胞分裂結(jié)束開始到下一次細胞分裂結(jié)束為止所經(jīng)歷的整個生命過程稱為細胞周期。 細胞周期所需要的時間稱為細胞周期時間，簡寫為Tc。,2. 細胞周期的劃分,細胞分裂間期 細胞有絲分裂期,請畫一下一個細胞周期中DNA含量變化曲線圖,細胞周期,G1期,M期,G2期,S 期,間期,后期,中期,前期,末期,G1期(gap1)：從有絲分裂完成到DNA復(fù)制之前的間隙時間。 S期(synthesis phase)：指DNA復(fù)制的時期。 G2期(gap2)：DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始之前的一段時間 M期又稱D期(mitosis or division)：細胞有絲分裂期。 計4期,練一練,在細胞周期的哪一個階段DNA能被H3-TDR標記 A.G1期(gap1) B.S期(synthesis phase) C.G2期(gap2) D.M期(mitosis),B,3. 細胞周期時間,細 胞 類 型,結(jié)腸上皮細胞,直腸上皮細胞,胃上皮細 胞,骨 髓 細 胞,Tc,TG1,TS,TG2+M,25,9,14,2,48,24,18,33,9,2,10,5,12,3,12,4,哺乳動物細胞周期時間,結(jié) 論,細胞周期的長短因細胞 種類而異 G1期時間變化最大，這個時期是調(diào)節(jié)細胞周期的關(guān)鍵時期,R點（限制點檢驗點調(diào)控點）,在G1向S期轉(zhuǎn)變過程中，存在一個特定的時期，如果G1期細胞通過該期，則可順利進入S期進行DNA復(fù)制，并繼續(xù)前進，直到完成細胞分裂。這一特定時期被稱為限制點或檢驗點、調(diào)控點。 （RNA含量、蛋白質(zhì)因子、離子濃度）,G1期細胞的三種命運,繼續(xù)增殖細胞（周期中細胞）； 暫不增殖細胞（靜止期細胞或G0期細胞）； 永不增殖細胞（終端分化細胞）,按細胞周期劃分的細胞類型,周期中細胞（皮膚生發(fā)層細胞）； 靜止期細胞或G0期細胞（為暫時脫離細胞周期，不進行增殖，但在適當刺激下可重新進入細胞周期的細胞，如某些免疫淋巴細胞，肝、腎細胞等， ）； 終端分化細胞（是指那些不可逆地脫離細胞周期，喪失分裂能力，保持生理機能活動的細胞，如神經(jīng)、肌肉細胞、多形核白細胞等）。,二 細胞周期各時相的變化,RNA大量合成，導(dǎo)致蛋白質(zhì)含量明顯增加。如DNA聚合酶。 蛋白質(zhì)的磷酸化作用較為突出。如組蛋白、非組蛋白、蛋白激酶等。,G1 期（DNA合成前期）,2、S期（DNA合成期）,組蛋白合成的主要時期； 組蛋白還在持續(xù)磷酸化； 中心粒復(fù)制時期； DNA復(fù)制階段，各種酶活性、 含量明顯增高；,成熟促進因子（核膜破裂、染色體凝集）； 微管蛋白（紡錘體微管）。,3、G2 期（DNA合成后期）,主要合成和分裂期相關(guān)的蛋白質(zhì),二、細胞周期的調(diào)控 （一）細胞周期蛋白（cyclin） 細胞周期蛋白是一類隨細胞周期呈周期性出現(xiàn)與消失的蛋白質(zhì).目前發(fā)現(xiàn)，Cyclin有八個成員，分別叫做Cyclin A、B、C、D、E、F、G、H，它們可在細胞周期的不同階段相繼表達，與細胞中的CDK結(jié)合后，參與細胞周期相關(guān)活動的調(diào)節(jié)。,周期蛋白依賴性激酶是一種依賴周期蛋白才可表現(xiàn)出活性的蛋白激酶。是否和周期蛋白結(jié)合是該酶表現(xiàn)活性的先決條件。目前發(fā)現(xiàn)，CDK有七個成員，分別叫做CDK1-7。 不同的周期蛋白和不同的CDK相結(jié)合，表現(xiàn)出不同的激酶活性，在不同時期驅(qū)動細胞周期前進。,(二)周期蛋白依賴性激酶（CDK）,cyclinD,CDK4、5、6,cyclinD/ CDK4、5、6,促進G1 向S期轉(zhuǎn)化,cyclinB,CDK1,cyclinB/ CDK1,促進G2 向M期轉(zhuǎn)化,細胞周期的兩個主要調(diào)控點,（三）成熟促進因子（maturation promoting factor, MPF）,成熟促進因子是一種在G2期形成、能夠促進M期啟動的調(diào)控因子。,未成熟的爪蟾卵母細胞,成熟的爪蟾母卵細胞,成熟的爪蟾卵母細胞的細胞質(zhì),注射,1. MPF的組成,2. MPF的作用 參與有絲分裂的啟動和染色質(zhì)的凝集； 核纖層結(jié)構(gòu)解體。,周期蛋白B,CDK1,MPF,核纖層蛋白：磷酸化 去磷酸化 分裂前期 分裂末期,細胞周期檢驗點,細胞周期的運行，是在一系列稱為檢驗點（check point）的嚴格檢控下進行的。 主要檢驗點包括 G1/S檢驗點:在酵母中稱start點，在哺乳動物中稱R點控制G1進入DNA合成期，相關(guān)的事件包括：DNA是否損傷？細胞外環(huán)境是否適宜？細胞體積是否足夠大？ S期檢驗點：DNA復(fù)制是否完成？ G2/M檢驗點：是決定細胞一分為二的控制點，相關(guān)的事件包括：DNA是否損傷？細胞體積是否足夠大？ 中-后期檢驗點（紡錘體組裝檢驗點）：任何一個著絲點沒有正確連接到紡錘體上，都會引起細胞周期中斷。,細胞周期中MPF的濃度變化 MPF的活性在細胞周期中波動很大, 在有絲分裂前急劇升高, 但在有絲分裂后急劇下降直到零。 周期蛋白濃度在細胞周期中是浮動的, 呈周期性變化。同樣, MPF的活性與周期蛋白一樣在細胞周期中呈現(xiàn)周期性變化,六、細胞周期與醫(yī)學(xué)的關(guān)系,（一）細胞周期與組織再生,組織再生,生理性再生,補償性再生,（二) 細胞周期與腫瘤,人體正常器官、組織的細胞周期進程中發(fā)生R點的消失、自分泌大量生長因子等異常情況時，其生長、分裂將失去控制，由此形成贅生物 腫瘤,1、細胞周期與腫瘤生長,腫瘤細胞的類型,增值型細胞 A,暫不增殖型細胞 B,不增殖型細胞 C,腫瘤的 增殖比率,腫瘤的生長快,是因為有高的增殖比率,而不是腫瘤細胞的Tc縮短，恰恰相反，腫瘤細胞的Tc比正常細胞的要長。,正常人細胞與腫瘤細胞的Tc比較,第二節(jié) 染色質(zhì)和染色體,染色質(zhì)（Chromatin）和染色體（ Chromosome）是細胞核內(nèi)同一物質(zhì)（遺傳物質(zhì)）在細胞增殖周期中不同階段的存在形式。,何時為染色質(zhì)？何時為染色體？有何意義？,染色質(zhì)： 間期細胞，網(wǎng)狀不規(guī)則，有利于復(fù)制和表達 染色體： 細胞分裂過程中，棒狀結(jié)構(gòu)，有利于平均分配,主要內(nèi)容,一、染色質(zhì)和染色體的化學(xué)成分 及組成 二、染色質(zhì)和染色體的形態(tài),一、染色質(zhì)和染色體的化學(xué)成分及組成,生化分析證明，染色質(zhì)的主要成分是： DNA、組蛋白、非組蛋白、少量RNA,染色質(zhì)和染色體都由相同的化學(xué)物質(zhì)組成。,（一）脫氧核糖核酸（DNA）,三種構(gòu)像： B-DNA、Z-DNA、A-DNA。,外形 適中 細長 粗短 螺旋方向 右手 左手 右手,帶正電荷，含Arg，Lys，屬堿性蛋白。 分類：根據(jù)Arg/Lys比例分5種 核心組蛋白（core histone）： H2A、H2B、H3、H4； 連接組蛋白（linker histone）：H1。,（二）組蛋白（histone）,結(jié)構(gòu)： 組蛋白高度保守，H4極為保守。 核心組蛋白由球形部和尾部構(gòu)成，球形部借Arg與磷酸戊糖骨架間的靜電作用使DNA分子纏繞在組蛋白核心上，形成核小體，尾部含有大量Arg和Lys，為組蛋白翻譯后進行修飾的部位。 H1多樣性，最少保守，具有種屬和組織特異性。,（三）非組蛋白（non-histone）,特性： 屬酸性蛋白質(zhì)，含有較多酸性氨基酸，帶負電荷，。 整個細胞周期都進行合成，組蛋白只在S期合成。 能識別特異的DNA序列，識別與結(jié)合靠氫鍵和離子鍵。故稱序列特異性DNA結(jié)合蛋白。,功能： 幫助DNA折疊，參與染色體構(gòu)建； 協(xié)助啟動DNA的復(fù)制； 調(diào)控基因的表達,組成：結(jié)構(gòu)蛋白 調(diào)節(jié)蛋白 各種酶類,（四）核糖核酸（RNA）,含量很低，占13，在不同物 種變化也很大。 染色質(zhì)RNA與細胞核5的DNA雜交。,二、染色質(zhì)和染色體的形態(tài),（一）染色質(zhì),間期核中，染色質(zhì)以兩種狀態(tài)存在： 常染色質(zhì)（enchromatin）： 位于核中央，伸展開的呈電子透亮狀態(tài)，一定條件下可活躍的復(fù)制轉(zhuǎn)錄。 異染色質(zhì)（heterochromatin）： 一般是卷曲凝縮狀態(tài)。,一條染色體有常染色質(zhì)，也有異染色質(zhì)。,在間期核中處于凝縮狀態(tài)，無轉(zhuǎn)錄活性、是遺傳惰性區(qū)。 在細胞周期中表現(xiàn)為晚復(fù)制、早凝縮（異固縮現(xiàn)象）。 分為兩類：結(jié)構(gòu)（恒定）異染色質(zhì) 兼性（功能）異染色質(zhì),異染色質(zhì)的特點：,結(jié)構(gòu)異染色質(zhì) （constitutive heterochromatin） ： 各種細胞中總處于凝縮狀態(tài) 不轉(zhuǎn)錄 染色體著絲粒、端粒 功能：染色體結(jié)構(gòu)形成及染色體配對,兼性異染色質(zhì) （facultative heterochromatin）： 某些細胞或發(fā)育階段呈濃縮狀態(tài) 如：哺乳動物的X染色體 雄性動物：1個X染色體，完全是常染色質(zhì) 雌性動物：2個X染色體， 1個是常染色質(zhì)， 另1個在胚胎發(fā)育到一定時間 (人為第16天)變?yōu)槟s的異染色質(zhì) (巴氏小體),常、異染色質(zhì)的區(qū)別,核小體（nucleosome）：一種串珠狀結(jié)構(gòu)。 構(gòu)成：200bpDNA、5種組蛋白 核心：4種組蛋白（H2A、H2B、H3、H4） 各2個分子組成八聚體核心顆粒； 圓盤形 相鄰核小體：H1組蛋白結(jié)合60bp連接DNA H1鎖住DNA分子進出口，穩(wěn)定結(jié)構(gòu),1. 染色質(zhì)的基本結(jié)構(gòu)單位核小體,核小體核心顆粒的DNA分子雙螺旋同4種組蛋白有一定的相互作用部位，只有H3和H4也能同DNA結(jié)合成類似的核小體;但只有H2AH2B則形不成核小體顆粒。 核小體的核心較穩(wěn)定，而連接區(qū)易被核酸酶所消化。連接區(qū)具有柔性，為染色質(zhì)絲的進一步折曲提供了方便。 各種組織的核小體核心部分的DNA長度很恒定；連接區(qū)的DNA長度各個物種有所不同。 由核小體重復(fù)單位靠攏排列組成11nm粗的核小體絲，即染色質(zhì)絲。,注意：,通過核小體，DNA長度壓縮7倍，形成11nm的纖維。 但是在電鏡下觀察用溫和方法分離的染色質(zhì)是直徑30nm的纖維，這種纖維的形成有兩種解釋：由核小體螺旋化形成，每6個核小體繞一圈，長度壓縮6倍；由核小體纖維Z字形折疊而成，長度壓縮40倍。,2、染色質(zhì)纖維：,染色質(zhì)一級結(jié)構(gòu)： 核小體連接而成，形似串念珠,外經(jīng)11nm 染色質(zhì)二級結(jié)構(gòu)： 螺線管，外經(jīng)30nm 核小體串珠鏈螺旋盤繞，每圈6個核小體 染色質(zhì)三級結(jié)構(gòu)： 超螺線管，圓筒狀結(jié)構(gòu)，直徑0.4m。 染色質(zhì)四級結(jié)構(gòu)： 中期染色單體,染色質(zhì)結(jié)構(gòu)：,solenoid,Chromatin Packing,Chromatin Packing,（二）染色體,在細胞周期的大部分時間內(nèi)，遺傳物質(zhì)是以染色質(zhì)的形式存在的。 在整個細胞周期中，染色體進行著凝縮和松展的周期性變化。 在細胞有絲分裂的中期，染色質(zhì)形成高度凝縮的染色體。在中期具有特定形態(tài)結(jié)構(gòu)的染色體稱為中期染色體。,中期染色體的結(jié)構(gòu),1、染色單體（chromatid）：,中期染色體由兩條染色單體構(gòu)成，并在著絲粒處相連。,2、著絲粒(centromere)： 在兩個染色單體相連處，有絲分裂時紡錘絲附著的部位。著絲粒處的染色體較細，稱為主縊痕。著絲粒是染色體的一個組成部分，,染色體由著絲粒劃分為兩部分，即兩個臂。染色體組中各對染色體的著絲粒位置不同，故各染色體兩臂的長度不同。 根據(jù)著絲粒的位置不同，將染色體分為四種： (1)近中著絲粒染色體 (2)亞中著絲粒染色體 (3)近端著絲粒染色體 (4)端著絲粒染色體,近中著絲粒,亞中著,近端,端,3、次縊痕(secondary constriction)： 除著絲粒區(qū)主縊痕以外的其他縊痕。 由于此部分DNA發(fā)生松解，故而變細。每種 生物的染色體組中至少有一條或一對染色體 有次縊痕，可作為鑒定某條染色體的標志。 有些次縊痕可形成核仁組織區(qū)。 人染色體的次縊痕常見于1、3、9、16 號及Y染色體。,4、核仁組織區(qū) (nucleolar-organizing region, NOR)： 核仁組織區(qū)位于近端著絲粒染色體短 臂次縊痕部位(并非所有的次縊痕都是NOR)，此處伸出DNA袢環(huán)(含有rRNA的基因)，與核仁的形成有關(guān)。 人類NOR位于13、14、15、21、22號 染色體短臂的次縊痕上。,5、隨體(satellite)： 指近端著絲粒染色體短臂末端的球形或 圓柱形的片段結(jié)構(gòu)，通過次縊痕與染色體 的主要部分相連。為識別染色體的重要 特征之一。,6、端粒(telomere)： 端粒為染色體端部的特化部分，位于染 色體的端部，由端粒DNA與端粒蛋白構(gòu)成。 功能： 與維持染色體的穩(wěn)定性、保證DNA的完全復(fù) 制和染色體在核內(nèi)的分布有關(guān)。 在同源染色體配對時，端粒能結(jié)合在核膜上； 端粒長時，細胞能分裂和存活；端粒短時， 細胞不能分裂甚至不能存活。,7、染色體DNA關(guān)鍵序列 染色體要確保在細胞世代中保持穩(wěn)定，必須具有什么能力？ 自主復(fù)制、保證復(fù)制的完整性、遺傳物質(zhì)能夠平均分配到2個子細胞中的能力，與這些能力相關(guān)的結(jié)構(gòu)序列是：,(1)自主復(fù)制DNA序列： 20世紀70年代末首次在酵母中發(fā)現(xiàn)。 自主復(fù)制DNA序列具有一復(fù)制起始點，能確保染色體在細胞周期中能夠自我復(fù)制，從而保證染色體在世代傳遞中具有穩(wěn)定性和連續(xù)性。,(2)著絲粒DNA序列： 著絲粒DNA序列與染色體的分離有關(guān)。 著絲粒DNA序列能確保染色體在細胞分裂時能被平均分配到2個子細胞中去。,(3) 端粒DNA序列： 為一段短的正向重復(fù)序列，在人類為TTAGGG的高度重復(fù)序列。 端粒DNA功能是保證染色體的獨立性和遺傳穩(wěn)定性。,Three key regions of a chromosome,問題引領(lǐng),果蠅有幾對染色體？ 人有幾對染色體？ 如何區(qū)分？,8、染色體組型(核型)：Karyotype,染色體組在有絲分裂中期的表型，包括染色體數(shù)目、大小形態(tài)特征的總和。 染色體組型分析是在對染色體進行測量計算的基礎(chǔ)上，進行分組、排隊、配對，并進行形態(tài)分析的過程。主要根據(jù)染色體形態(tài)和著絲粒位置的差別來進行的。 但有時染色體不易精確地識別和區(qū)分，怎么辦？,9、染色體帶(Banding technique),1970年代發(fā)展出細胞學(xué)技術(shù)，對細胞遺傳的研究有很大的貢獻 它用特殊的染色方法，使染色體呈現(xiàn)深淺不同的條紋(band) 每一對染色體由于DNA和蛋白質(zhì)的結(jié)合不同，出現(xiàn)的條紋型的(banding pattern)也不同,染色體帶的種類,Q band、 G band、 R band Q band Q代表熒光染料Quinacrine mustard 染色體先用quinacrine染色后，于熒光顯微鏡下（UV），出現(xiàn)熒光條紋，背景是暗的 亮處富含AT堿基對,G band,G代表用吉姆薩染料染色(Giemsa staining) 醫(yī)院常用G-band來檢查人類遺傳疾病 明暗條紋一般與Q帶相符 既有Q band,又何必有G band？,R band,R代表與G band相反(reverse to G bands) G band 染色深的部位，在R band是淺的。 R band沒有G band清晰，較少 用來鑒定染色體 助于研究染色體的結(jié)構(gòu)，尤其是染色 體的尖端部位染得很清楚，可用來鑒定染色體是否發(fā)生端點缺失(terminal deletion)。,染色體帶的價值,助于做染色體組型(karyotyping)：每一對染色體有獨特的條紋型式，經(jīng)條紋技術(shù)處理后較易區(qū)分 助于研究染色體內(nèi)部的變化：染色體若發(fā)生倒轉(zhuǎn)(inversion) ，易位(translocation) ，缺失 (deletion)等，由條紋型的變化，很容易判斷出來 助于演化上的研究：比較不同生物染色體的條紋型式，可以研究演化上的關(guān)系,染色體帶的價值,助于決定基因圖(gene mapping)的研究 人類的染色體約可做出900 bands，若某人缺乏某種酶，做條紋技術(shù)分析，若發(fā)現(xiàn)染色體缺乏某一條紋，便可推出制造該酶的基因是位在該條紋上 纖維囊腫病變( cystic fibrosis)基因位在染色體7的長臂 : q21 & q31之間。全長25萬bases大部份為非密碼區(qū)，真正密碼區(qū)只占2% 肌肉萎縮癥Dmd基因位在X染色體短臂Xp21 全長200萬bp，其中大部份為intron，密碼區(qū)只占1% 大部份病人是dmd基因內(nèi)幾個bases改變，少數(shù)是因dmd 基因完全缺失或部份缺失。,細胞分裂的類型,無絲分裂(amitosis)：又稱直接分裂，1841發(fā)現(xiàn)于雞胚血細胞，不涉及紡錘體形成及染色體變化 。 有絲分裂(mitosis) ：又稱為間接分裂，由Fleming (1882)年首次發(fā)現(xiàn)于動物，1880發(fā)現(xiàn)于植物。 減數(shù)分裂(meiosis）：染色體復(fù)制一次，細胞連續(xù)分裂兩次。,第三節(jié) 紡錘體,一、紡錘體的組成 二、形成紡錘體的徽管類型 三、在染色單體分離過程中紡錘體的變化 四、影響紡錘體的藥物,一、紡錘體的組成,由微管和與微管結(jié)合的蛋白質(zhì)組成 微管是細胞骨架的成分之一， 是寬約24nm的中空長管狀纖維， 是微管蛋白按螺旋排列，盤繞而成一層分子的微管管壁,二、形成紡錘體的徽管類型 極間微管（polar mt）兩極間的微管，在紡錘體中部重疊； 動粒微管（kinetochore mt），是從動粒到另一極的微管； 星體微管（astral mt），由中心粒放射出來的微管。高等植物沒有中心粒和星體，其紡錘體稱無星紡錘體。 中間微管，子染色體之間的微管不與兩極和著絲點相連。,三、在染色單體分離過程中 紡錘體的