生物競賽課件-細胞周期

1、CELL CYCLE 細胞增殖是生命的基本特征，種族繁衍、個體發(fā)育、機體修復(fù)等都離不開細胞增殖。 初生嬰兒有1012個細胞，成人1014個，約200種類型。 成人體內(nèi)每秒鐘有數(shù)百萬新細胞產(chǎn)生，以補償衰老和死亡的細胞。 一個大腸桿菌若按20分鐘分裂一次，并保持這一速度，則兩天即可超過地球的重量。第一節(jié) 基本概念一、什么是細胞周期 由細胞分裂結(jié)束到下一次細胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程，叫細胞周期。分為4個期： G1期(gap1)，指從有絲分裂完成到期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)，指DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始之前的一段時間。

2、 M期又稱D期(mitosis or division)，細胞分裂開始到結(jié)束。Eucaryotic Cell Cycle A typical mammalian cell has a cell cycle time of 24 hours, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M 從增殖的角度來看，可將高等動物的細胞分為三類： 連續(xù)分裂細胞，如表皮生發(fā)層細胞、部分骨髓細胞。 休眠細胞暫不分裂，但在適當(dāng)?shù)拇碳は驴芍匦逻M入細胞周期，稱G0期細胞，如淋巴細胞、肝、腎細胞等。 不分裂細胞，指不可逆地脫離細胞周期，不再分裂的細胞，又稱終端細胞，如神經(jīng)

3、、肌肉、多形核細胞等 細胞周期的時間長短與物種的細胞類型有關(guān)。通常G1期持續(xù)時間差異較大，M期最短約0.54.5小時。 標(biāo)記有絲分裂百分率法（percentage labeled mitoses，PLM）：對測定細胞進行脈沖標(biāo)記、定時取材、利用放射自顯影技術(shù)顯示標(biāo)記細胞，通過統(tǒng)計標(biāo)記有絲分裂細胞百分數(shù)的辦法來測定細胞周期。放射標(biāo)記物為3H或者14C標(biāo)記的TDR。二、細胞周期時間的測定50100TG20TMTsTcTG2 +1/2TMTPLM常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM 細胞同步化(synchronization)是指在自然過程中發(fā)生或經(jīng)人為處理造成的細胞周期同步化。 （一）

4、自然同步化 1、多核體：如：粘菌、瘧原蟲。 2、某些水生動物的受精卵：如海膽、海參、兩棲類。 3、增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入適宜環(huán)境后，它們一起發(fā)芽，同步分裂。三、細胞同步化 1、選擇同步化 1）有絲分裂選擇法：M期細胞與培養(yǎng)皿的附著性低，振蕩脫離器壁收集。 優(yōu)點：操作簡單，同步化程度高，細胞不受藥物傷害。 缺點：獲得的細胞數(shù)量較少（分裂細胞約占1%2%） 。 2）細胞沉降分離法： M期細胞體積大，可用離心分離。 優(yōu)點：可用于任何懸浮培養(yǎng)的細胞。 缺點：同步化程度較低。（二）人工同步化 2、誘導(dǎo)同步化 1）DNA合成阻斷法：選用DNA合成的抑制劑，可逆地抑制DNA合成。常用

5、TDR雙阻斷法： 在細胞處于對數(shù)生長期的培養(yǎng)基中加入過量TDR（Hela 2mol/L；CHO 7.5mol/L）。S期細胞被抑制，停在G1/S交界處。移去TDR，釋放時間大于TS時，再次加入過量TDR。 優(yōu)點：同步化程度高 缺點：產(chǎn)生非均衡生長，個別細胞體積增大。 2）中期阻斷法 用秋水仙素等細胞分裂抑制劑將細胞阻斷在中期。優(yōu)點是無非均衡生長現(xiàn)象，缺點是可逆性較差。第二節(jié) 有絲分裂一、細胞分裂的類型 無絲分裂(amitosis)：又稱直接分裂，由Remark（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 (188

6、2)年首次發(fā)現(xiàn)于動物，Strasburger(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。二、有絲分裂為了便于描述人為的劃分為六個時期：間期（interphase）；前期(prophase)；前中期(premetaphase)；中期(metaphase)；后期(anaphase)；末期(telophase)。 其中間期包括G1期、S期和G2期，主要進行DNA復(fù)制、中心體復(fù)制、細胞體積增大等準備工作。（一）前期（一）前期染色質(zhì)凝縮，分裂極確立與紡錘體開始形成，核仁解體，核膜消失。 S期中心粒已完成復(fù)制，在前期移向兩極，兩對中心粒之間形成紡錘體微管，核膜解

7、體時，中心粒已到達兩極，并形成紡錘體。 紡錘體有三種微管結(jié)構(gòu)： 極體微管（polar mt）兩極間的微管，在紡錘體中部重疊，重疊部位結(jié)合有分子馬達 。 著絲點微管（kinetochore mt），是從著絲點到另一極的微管； 星體微管（astral mt），由中心粒放射出來的微管。植物沒有中心粒和星體，其紡錘體稱無星紡錘體。Two centrosomes, and their forming radial arrays of astral microtubules separating on the surface of an early prophase newt lung cell nucl

8、eus. 圖片來自/圖片來自/（二）前中期（二）前中期核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorial plane) 上。（三）中期（三）中期染色體排列到赤道面上。（四）后期（四）后期指妹妹染色體單體分開并移向兩極的時期。分為后期A、后期B兩個過程。 Anaphase A: separation of the sister chromatids. Anaphase B: separation of the poles. 植物細胞有沒有后期B ？Microtubules and Motors in th

9、e spindle （五）末期 從子染色體到達兩極，至形成兩個新細胞為止的時期。涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個方面。 末期子核的形成，大體經(jīng)歷了與前期相反的過程，即染色體解聚縮，核仁出現(xiàn)和核膜重新形成。核纖肽B去磷酸化，介導(dǎo)核膜重新裝配。 核分裂與胞質(zhì)分裂（cytokinesis）是相繼發(fā)生的，屬于兩個分離的過程，如： 大多數(shù)昆蟲的卵，核可進行多次分裂而無胞質(zhì)分裂，某些藻類的多核細胞可長達數(shù)尺，以后胞質(zhì)才分裂形成單核細胞。子核的形成與胞質(zhì)分裂子核的形成與胞質(zhì)分裂 動物細胞的胞質(zhì)分裂通過胞質(zhì)收縮環(huán)的收縮實現(xiàn)，收縮環(huán)由大量平行排列的肌動蛋白組成。 用細胞松弛素處理這一時期的細胞，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？Di

10、viding Muscle Myoblast (primative muscle cell) (SEM x8,000)植物細胞末期近兩極處紡錘絲消失，中間微管保留，并數(shù)量增加，形成成膜體。來自高爾基體囊泡沿微管轉(zhuǎn)運到成膜體中間。融合形成細胞板(cell plate)，囊泡的內(nèi)含物形成初生壁和中膠層，囊泡膜形成質(zhì)膜，融合留下的管道形成胞間連絲。第三節(jié) 減數(shù)分裂Meiosis 由連續(xù)兩次分裂構(gòu)成： 通常減數(shù)分裂I分離的是同源染色體，所以稱為異型分裂（heterotypic division）或減數(shù)分裂（reductional division）。 減數(shù)分裂II分離的是姊妹染色體，類似于有絲分裂，所

11、以稱為同型分裂（homotypic division）或均等分裂（equational division）。 為了描述方便將減數(shù)分裂分為幾個期和亞期。MeiosisConcepts:Gametic meiosisSporic meiosis1. Zygotic meiosis 稱前減數(shù)分裂間期或前減數(shù)分裂期(premeiosis)。 間期也可分為G1期、S期和G2期。 G2期是有絲分裂向減數(shù)分裂轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時期。 減數(shù)分裂的S期時間較長，部分DNA（約0.3%左右）是在合線期合成的。一、間期二、分裂期 （一）減數(shù)分裂I 1、前期I 減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在前期I ，通常分為5個時期：細線期（

12、leptotene ），合線期（zygotene ），粗線期（pachytene），雙線期（diplotene），終變期（diakinesis）。 1）細線期：染色體呈細線狀，具有念珠狀的染色粒。 2）合線期：亦稱偶線期，是同源染色體配對的時期。 概念：聯(lián)會復(fù)合體(synaptonemal complex， SC）二價體（bivalent）四分體（tetrad）。 這一時期合成約0.3%左右的DNA，稱為Z-DNA。 3）粗線期：同源染色體的非姊妹染色單體間發(fā)生交換的時期。 4）雙線期：聯(lián)會的同源染色體相互排斥、開始分離，交叉開始端化(terminalization)。聯(lián)會復(fù)合體消失。 補充：

13、植物細胞雙線期一般較短，許多動物卵細胞中雙線期停留的時間非常長。人的卵母細胞在五個月胎兒中已達雙線期，而一直到排卵都停在雙線期，排卵年齡大約在12-50歲之間。魚類、兩棲類、爬行類、鳥類以及無脊椎動物的昆蟲中，雙線期的二階體解螺旋而形成燈刷染色體，這一時期是卵黃積累的時期。 5）終變期：二階體顯著變短。由于交叉端化過程的進一步發(fā)展，故交叉數(shù)目減少，通常只有一至二個交叉。核仁此時開始消失，核被膜解體。2、中期I3、后期I 二價體的兩條同源染色體分開，分別向兩極移動。 同源染色體隨機分向兩極，染色體重組，人類染色體重組概率有223個。4、末期I5、減數(shù)分裂間期。 （二）減數(shù)分裂II可分為前、中、后

14、、末四個四期，與有絲分裂相似。一個精母細胞形成4個精子；一個卵母細胞形成一個卵子及2-3個極體。 Chromosome recombination 1Chromosome recombination 2Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23 SC由兩條同源染色體沿縱軸形成，外觀呈梯子狀。 SC幫助交換的完成，SC上有重組節(jié)(recombination nodules)，是交換發(fā)生的部位。 SC主要由堿性蛋白質(zhì)和RNA組成，并含有少量DNA。 SC形成合線期，成熟于粗線期，消失于雙線期。 在細線期或合線期加入DNA合成抑制劑

15、，則抑制SC的形成。 三、聯(lián)會復(fù)合體synaptonemal complex第四節(jié) 細胞周期調(diào)控一、研究背景 1970s Rao和Johnson發(fā)現(xiàn)與M期細胞(Hela)融合的間期細胞染色體發(fā)生凝縮，稱為早熟凝集染色體(prematurely condensed chromosome，PCC)。 G1期PCC為單線狀，因DNA未復(fù)制。 S期PCC為粉末狀，因DNA由多個部位開始復(fù)制。 G2期PCC為雙線染色體，說明DNA復(fù)制已完成。 甚至不同類的M期細胞也可誘導(dǎo)PCC產(chǎn)生，說明M期細胞具有促進間期細胞進行分裂的因子，即成熟促進因子(maturation promoting factor， MP

16、F)。PCC 1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 以芽殖酵母和裂殖酵母為實驗材料，利用溫度敏感突變株，發(fā)現(xiàn)許多與細胞分裂有關(guān)的基因(cell division cycle gene, CDC)。 如： 裂殖酵母cdc2、 芽殖酵母cdc28突變型在限制溫度下無法分裂； wee1突變型則提早分裂，cdc25突變型細胞體積增大而不分裂； cdc2和cdc28都編碼一個34KD的蛋白激酶，促進細胞周期的進行，weel和cdc25分別表現(xiàn)為抑制和促進CDC2的活性。Fission yeast budding yeast Cdc 25 & Wee1 mu

17、tant 1980s Timothy Hunt發(fā)現(xiàn)海膽的卵裂過程中兩種蛋白質(zhì)的含量隨細胞周期振蕩，命名為周期蛋白(cyclin A和B)。后來發(fā)現(xiàn)各類動物來源的細胞周期蛋白mRNA均能誘導(dǎo)蛙卵的成熟。 1988年Lohka將非洲爪蟾的MPF純化。經(jīng)鑒定MPF由32KD和45KD兩種蛋白組成，是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶。 進一步的研究發(fā)現(xiàn)MPF=CDC2+clyclin BLeland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2001年10月8日美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy Hunt

18、因?qū)毎芷谡{(diào)控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。二、CDK CDC2與細胞周期蛋白結(jié)合才具有激酶的活性，故名細胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)。 CDC2又被稱為CDK1，可將特定蛋白磷酸化，促進細胞周期運行，又稱作細胞周期引擎。 如將核纖層蛋白磷酸化導(dǎo)致核纖層解體、核膜消失； 將H1磷酸化導(dǎo)致染色體的凝縮等。 在動物中已知7種CDK。均含有一段相似的激酶結(jié)構(gòu)域，這一區(qū)域有一段保守序列，即PSTAIRE，與周期蛋白的結(jié)合有關(guān)。三、細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子 CDK inhibitor, CKI對細胞周期起負調(diào)控作用，分為： Ink4(Inhib

19、itor of cdk 4): P16ink4a, P15ink4b, P18ink4c, P19ink4d。特異性抑制cdk4cyclin D1, cdk6cyclin D1。 Kip(Kinase inhibition protein)：P21cip1 (cyclin inhibition protein 1）P27kip1、P57kip2，抑制大多數(shù)CDK的激酶活性。P21cip1還能與DNA聚合酶的輔助因子PCNA（proliferating cell nuclear antigen）結(jié)合，直接抑制DNA的合成。四、細胞周期蛋白cyclin 特點：在細胞周期中呈周期性變化。含有一段約1

20、00個氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白框，介導(dǎo)周期蛋白與CDK結(jié)合。 作用：激活CDK，引導(dǎo)CDK作用于不同底物。 已知30余種，在脊椎動物中為A1-2、B1-3 、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等。 分為4類：G1型、G1/S型、S型、M型。不同類型的CDK/cyclin復(fù)合體 *包括D1-3，各亞型cyclin D在不同細胞中的表達量不同，但具有相同的功效。 G1期，在生長因子的刺激下，cyclin D表達，并與CDK4、CDK6結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，Rb釋放出轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。 G1-S期，cyclinE與CDK

21、2結(jié)合，促進細胞進入S期。CyclinE的抗體能使細胞停滯于G1期。 在G2-M期，cyclinA、cyclinB與CDK1結(jié)合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如將組蛋白H1磷酸化導(dǎo)致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體。 cell cycle regulation 在中期當(dāng)MPF活性達到最高時，激活后期促進因子APC，將泛素連接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶體(proteasome)降解，完成一個細胞周期。 分裂期周期蛋白N端有一段序列與其降解有關(guān)，稱降解盒(destruction box)。 泛素由76個氨基酸組成，高度保守。共價結(jié)合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識別和降解，這是細胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。 26S蛋白酶體是一個大型的蛋白酶，可將泛素化的蛋白質(zhì)分解成短肽。Destruction Box in Cyclins M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的積累。 結(jié)合cyclin B的CDK1被Wee1將Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不斷積累。 在M期，Wee1的活性下降，CDC25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障礙。 CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDK activating kinase CAK)的作