《細胞周期》課件.ppt

1、CELL CYCLE,第十三章 細胞周期,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。 成人體內每秒鐘有數百萬新細胞產生，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,由細胞分裂結束到下一次細胞分裂結束所經歷的過程，叫細胞周期。分為4個期： G1期(gap1)，指從有絲分裂完成到期DNA復制之前的間隙時間。 S期(synthesis phase)，指DNA復制的時期。 G2期(gap2)，指DNA復制完成到有絲

2、分裂開始之前的一段時間。 M期又稱D期(mitosis or division)，細胞分裂開始到結束。,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，但在適當的刺激下可重新進入細胞周期，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

3、細胞，又稱終端細胞，如神經、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。通常G1期持續(xù)時間差異較大，M期最短約0.54.5小時。 標記有絲分裂百分率法（percentage labeled mitoses，PLM）：對測定細胞進行脈沖標記、定時取材、利用放射自顯影技術顯示標記細胞，通過統(tǒng)計標記有絲分裂細胞百分數的辦法來測定細胞周期。放射標記物為3H或者14C標記的TDR。,二、細胞周期時間的測定,T,PLM,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)生或經人為處理造成的細胞周期同步化。 （一）自然同步化 1、

4、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TDR雙阻斷

5、法： 在細胞處于對數生長期的培養(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

6、次發(fā)現于動物，Strasburger(1880)發(fā)現于植物。 減數分裂(meiosis）：染色體復制一次，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復制、中心體復制、細胞體積增大等準備工作。,（一）前期 染色質凝縮，分裂極確立與紡錘體開始形成，核仁解體，核膜消失。,S期中心粒已完成復制，在前期移向兩極，兩對中心粒之間形成紡錘體微管，核膜

7、解體時，中心粒已到達兩極，并形成紡錘體。 紡錘體有三種微管結構： 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 nu

8、cleus.,圖片來自/,圖片來自/,（二）前中期 核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorial plane) 上。,（三）中期 染色體排列到赤道面上。,（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 the spin

9、dle,（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分裂兩個方面。,末期子核的形成，大體經歷了與前期相反的過程，即染色體解聚縮，核仁出現和核膜重新形成。核纖肽B去磷酸化，介導核膜重新裝配。 核分裂與胞質分裂（cytokinesis）是相繼發(fā)生的，屬于兩個分離的過程，如： 大多數昆蟲的卵，核可進行多次分裂而無胞質分裂，某些藻類的多核細胞可長達數尺，以后胞質才分裂形成單核細胞。,子核的形成與胞質分裂,動物細胞的胞質分裂通過胞質收縮環(huán)的收縮實現，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，會出現什么現象？,Dividing Muscle

10、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，并數量增加，形成成膜體。 來自高爾基體囊泡沿微管轉運到成膜體中間。融合形成細胞板(cell plate)，囊泡的內含物形成初生壁和中膠層，囊泡膜形成質膜，融合留下的管道形成胞間連絲。,第三節(jié) 減數分裂Meiosis,由連續(xù)兩次分裂構成： 通常減數分裂I分離的是同源染色體，所以稱為異型分裂（heterotypic division）或減數分裂（reductional division）。 減數分裂II分離的是姊妹染色體，類似于有絲分裂，所以稱為同型分裂（hom

11、otypic division）或均等分裂（equational division）。 為了描述方便將減數分裂分為幾個期和亞期。,Meiosis,Concepts: Gametic meiosis Sporic meiosis Zygotic meiosis,稱前減數分裂間期或前減數分裂期(premeiosis)。 間期也可分為G1期、S期和G2期。 G2期是有絲分裂向減數分裂轉化的關鍵時期。 減數分裂的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）減數分裂I 1、前期I 減數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（leptote

12、ne ），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：聯會復合體(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：聯會的同源染色體相互排斥、開始分離，交叉開始端化(terminalization)。聯會復合體消失。,補充：植物細胞雙線期

13、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I 3、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I 5、減數分裂間期。 （二）減數分裂II 可分為前、中、后、末

14、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 1,Chromosome recombination 2,Minimum 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

15、劑，則抑制SC的形成。,三、聯會復合體,synaptonemal complex,第四節(jié) 細胞周期調控,一、研究背景,1970s Rao和Johnson發(fā)現與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未復制。 S期PCC為粉末狀，因DNA由多個部位開始復制。 G2期PCC為雙線染色體，說明DNA復制已完成。 甚至不同類的M期細胞也可誘導PCC產生，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

16、， MPF)。,PCC,1960s LelandHartwell,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)現許多與細胞分裂有關的基因(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分別表現為抑制和促進CDC2的活性。,Fission yeast,budding yeast,Cdc 25 & Wee1 m

17、utant,1980s Timothy Hunt發(fā)現海膽的卵裂過程中兩種蛋白質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)現各類動物來源的細胞周期蛋白mRNA均能誘導蛙卵的成熟。 1988年Lohka將非洲爪蟾的MPF純化。經鑒定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MPF=CDC2+clyclin B,Leland H. Hartwell,R. Timothy (Tim) Hunt,Sir Paul M. Nurse,2001年10月8日美國人LelandHartwell、英國人Paul Nurse、TimothyHunt

18、因對細胞周期調控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。,二、CDK,CDC2與細胞周期蛋白結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致核纖層解體、核膜消失； 將H1磷酸化導致染色體的凝縮等。 在動物中已知7種CDK。均含有一段相似的激酶結構域，這一區(qū)域有一段保守序列，即PSTAIRE，與周期蛋白的結合有關。,三、細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子,CDK inhibitor, CKI對細胞周期起負調控作用，分為： Ink4(Inh

19、ibitor 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

20、段約100個氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白框，介導周期蛋白與CDK結合。 作用：激活CDK，引導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結合，使下游的蛋白質如Rb磷酸化，Rb釋放出轉錄因子E2F，促進許多基因的轉錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。 G1-S期，cyclinE

21、與CDK2結合，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結合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如將組蛋白H1磷酸化導致染色體凝縮，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，稱降解盒(destruction box)。 泛素由76個氨基酸組成，高度保守。共價結合泛素的蛋白質能被蛋白酶體識別和降解，這是細胞內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)的作用下完成