1、细胞生物学第十二章细胞增殖及其调控课程预习第十二章 细胞增殖及其调控 一、细胞周期概述 (一)细胞周期 细胞周期是指细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分完成所经历的一个有序过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。 细胞周期时相组成：间期(inter phase)：G1期、S期、G2期；有丝分裂期(mitosis phase)：M期；胞质分裂期(cytokinesis)。 细胞沿着G1SG2MG1周期性运转，在问期细胞体积增大(生长)，在M期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。 细胞周期时间：不同细胞的细胞周期时间差异很大，S+G2+M的时间变化较小，细胞周期时间长短主要差别
2、在G1期。 根据增殖状况，细胞分类三类：连续分裂细胞(cycling cell)、休眠细胞(G0细胞)和终末分化细胞。 (1)连续分裂细胞这类细胞始终保持旺盛的增殖活性，不停地通过G1期及细胞周期各时期，完成细胞分裂，称为增殖细胞。这类细胞代谢水平高，对环境信号敏感，分化程度都比较低，如：胚胎早期的细胞、造血干细胞、上皮基底细胞，它们对机体的建立和组织的更新起了十分重要的作用。 (2)休眠细胞这类细胞可长期停留在G1早期而不越过R点，处于增殖静止状态。它们合成具有特殊功能的RNA和蛋白质，使细胞的结构和功能发生分化，但这类细胞并未丧失增殖能力，在一定条件下可以恢复其增殖状态，但需要经过较长的恢
3、复时间。通常把这类细胞称为G0期细胞。如：肝、肾的实质细胞、血液中的淋巴细胞都属于这类细胞。它们通常处于G0状态，当组织受到损伤或激素的刺激时可重新进入细胞增殖周期。细胞遗传学中常用PHA(植物凝集素)来刺激处于G0状态的淋巴细胞进入细胞周期，从而获得大量分裂期细胞来制备染色体。 (3)终末分化细胞这类细胞的结构和功能发生高度分化，已经丧失增殖能力，终生处于G0期，直到衰老死亡。如：人的红细胞、神经元细胞和骨骼肌细胞等。 (二)细胞周期中各个不同时期及其主要事件 (1)G1期(DNA合成前期)。 从细胞分裂完成到DNA合成开始前的阶段。是DNA合成前的准备时期，也是细胞生长的主要阶段。G1早期
4、由于细胞大量合成RNA和进行核糖体组装，导致结构蛋白和酶的形成，这些酶控制着用于形成新细胞成分的代谢活动。进入G1后期，则主要合成DNA复制所需的前体物质和酶类，如脱氧核苷酸及胸苷激酶等。这一时期细胞体积增大，核仁增大。DNA含量是2c(content)。 (2)S期(DNA合成期)。 从DNA合成开始到DNA合成结束的全过程，一般是68小时。S期是DNA进行复制的阶段，使体细胞的DNA含量由2C增加到4C。主要特点是进行DNA复制及合成与DNA复制相关的酶和组蛋白：如：胸苷激酶、胸苷酸合成酶、DNA聚合酶等。同时还合成组蛋白。 (3)C2期(DNA合成后期)。 从DNA合成结束到有丝分裂期开
5、始之前的阶段，是细胞进入有丝分裂前的准备时期。主要特点是有丝分裂促进因子(M-phase promoting factor，MPF)的活化和微管蛋白等有丝分裂器组分的合成，为进入M期作准备。人体细胞的G2期一般要经历25小时。 (4)M期(有丝分裂期)。 有丝分裂是遗传传物质已经复制完备的母细胞，进一步将染色质加工、包装成染色体，并把它们均等地分配给成两个子细胞的过程。 (三)细胞周期长短测定 细胞周期的测定方法有： (1)脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法。 (2)流式细胞仪分选测定法。 (四)细胞周期同步化 自然同步化：如有一种粘菌的变形体plasmodia，某些受精卵早期卵裂。
6、人工选择同步化： (1)DNA合成阻断法； (2)分裂中期阻断法； (3)条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用。 (五)特殊的细胞周期 特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期。例如早期胚胎细胞的细胞周期、酵母细胞的细胞周期、植物细胞的细胞周期、细菌的细胞周期。 二、细胞分裂 (一)有丝分裂 1有丝分裂过程 根据该过程出现的形态学特征，可划分为前期、中期、后期和末期四个时期。 (1)前期(prophase)。这一时期的主要表现是染色体的凝集，分裂极的确定的和核膜、核仁的解体。 (2)前中期(prometaphase)。指由核膜解体到染色体排列到赤道
7、面(equatorial plane)这一阶段。 (3)中期(metaphase)。染色体最大程度地压缩，呈现出典型的中期染色体形态特征。 (4)后期(anaphase)。染色体的着丝粒发生断裂，姐妹染色单体在纺锤丝的牵引下分别移向两极。 (5)末期(telophase)。染色体到达细胞两极，即进入未期。此时染色体开始解旋伸展变为细丝，最后恢复成染色质状态。同时，核纤层蛋白去磷酸化，子细胞核膜重建。染色质上的核仁组织区也进行rRNA转录，进行核糖体亚单位的装配，核仁重新出现。 (6)细胞质分裂(cytokinesis)。 动物细胞胞质分裂：两个子细胞核形成后，细胞膜从中部凹陷形成分裂沟(fur
8、row)，继而细胞质分割成两部分，形成两个子细胞。新形成的两个子细胞进入新的细胞周期。 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细胞壁而将细胞分开。 2与有丝分裂直接相关的亚细胞结构 (1)中心体(centrosome)是一种与微管装配和细胞分裂密切相关的细胞器。 中心体的组成：中心粒+周围的无定型物质。 中心粒组成：中心粒呈圆筒状结构，圆筒的壁由9组三联微管构成。中心体与四射的微管合 称为星体。当细胞走向分裂时，星体参与装配纺锤体。 中心体(或中心粒)周期(eentrosome cycle，centriole cycle)。 中心粒的复制：
9、G1期末到S期复制；晚G2期到M期，子中心粒长大并逐渐分离；有丝分裂前期分离成为一个生长辐射状微管的核心。 (2)动粒(kinetochore，又称着丝点)。动粒外侧主要用于纺锤体微管附着，内侧与着丝粒相互交织。细胞进入S期后，动粒再次复制。 动粒在细胞分裂过程中起到相当重要的作用：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有机联系，也不能和其他染色体一起向两极运动。用药物caffeine处理细胞，可以使动粒与染色体脱离，等到分裂期，动粒则单独向两极移动。 (3)纺锤体(spindle)。主要由微管和微管结合蛋白组成，两端为星体，纺锤体的微管分为三种类型，即
10、动粒微管、极性微管和星体微管。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。 有丝分裂器(mitotic apparatus)：由中心体、纺锤体和染色体和共同组成的暂时性结构。它是在细胞分裂过程中专门执行有丝分裂功能的结构，在维持染色体的平衡、运动以及均等分配过程中起着极为重要的作用。 3有丝分裂过程中染色体运动的动力机制 (1)染色体列队。 1)牵拉假说：认为染色体向赤道板的运动，是由于动粒微管的牵拉，动粒微管越长，拉力越大，当两极动粒微管拉力相等时，染色体便稳定在赤道板上。 2)外推假说：认为染色体向赤道方面的运动，是由于二个星体的排斥将染色体外推
11、的结果，染色体距中心体越近，星体的推力越强，当来自两极推力达到平均时，染色体被稳定在赤道板上。 (2)染色体分离机制。 1)后期A：动粒微管逐渐变短，将染色体移向两极。动粒微管的缩短，是由于动粒端微管蛋白解聚造成的，蛋白解聚又是由于dynein蛋白拖着动粒盘向着极部运动引起的。 2)后期B：极性微管不断增长，使两极间距离逐渐拉长。在后期B，Kinesin蛋白与来自一端的极性微管结合，同时与来自另一端的极性微管搭桥，当Kinesin蛋白带着连接的微管沿着另一根微管向着正极运动时，可使两根微管之间产生相互滑动，由此使两极间的距离逐渐变长。 (二)减数分裂 1减数分裂概念 减数分裂是细胞仅进行一次D
12、NA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。用以形成配子。 2减数分裂过程 (1)减数分裂I。 1)前期I。减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，通常人为划分为5个时期：细线期(leptotene)、合线期(zygotene)、粗线期(pachytene)、双线期(diplotene)、终变期(diakinesis)。必须注意的是这5个阶段本身是连续的，它们之间并没有截然的界限。 2)中期I。核仁消失，核被膜解体，标志进入中期I，中期I的主要特点是染色体排列在赤道面上。每个二价体有4个着丝粒、姊妹染色单位的着丝粒定向于纺锤体的同一极，故称联合定向 (co-orientatio
13、n)。 3)后期I。二价体中的两条同源染色体分开，分别向两极移动。由于相互分离的是同源染色体，所以染色体数目减半。但每个子细胞的DNA含量仍为2C。同源染色体随机分向两极，使母本和父本染色体重所组合，产生基因组的变异。 4)末期I。染色体到达两极后，解旋为细丝状、核膜重建、核仁形成，同时进行胞质分裂。 5)减数分裂间期。在减数分裂I和之间的问期很短，不进行DNA的合成，有些生物没有问期，而由末期I直接转为前期。 (2)减数分裂。可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。通过减数分裂一个精母细胞形成4个精子。而一个卵母细胞形成一个卵子及23个极体。 3减数分裂特点和意义。 减数分裂特点：遗传
14、物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半；s期持续时间较长；同源染色体在减数分裂期I配对联会、基因重组；减数分裂同源染色体配对排列在中期板上，第一次分列时，同源染色体分开。 减数分裂的意义：确保世代间遗传的稳定性；增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力；减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。 三、细胞周期的调控 (一)MPF的发现及其作用 1970年，Johnson和Rao将HeLa细胞同步化在细胞周期中的不同阶段，然后将M期细胞与其他问期细胞在仙台病毒介导下融合，并继续培养一定时间。他们发现，与M期细胞融合的间期细胞发生
15、了形态各异的染色体凝集，称之为早熟染色体凝集(PCC)。不同时相的见其细胞与M期细胞融合，产生的：PCC形态各异。 1971年，Masui和Markert用非洲爪蟾卵做实验，明确提出了MPP这一概念；1988年，Maller实验室分离出毫克级的纯化MPF，并证明其主要含p32和p45两种蛋白，它们结合后表现出蛋白激酶活性。 (二)p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 与此同时，科学家通过对裂殖酵母和芽殖酵母的突变体分析，发现了一种p34 cdc2激酶，并证明p34 cdc2跟MPF中的p32是同源物。 MPP的化学成分被证实含有两个亚单位，即Cdc2蛋白和周期蛋白B，当二者结合之后，表现
16、出蛋白激酶活性。 (三)周期蛋白 周期蛋白是一个家族，各个周期蛋白间具有一些共同的分子结构特点，如它们含有一段相当保守的氨基酸序列(约100个氨基酸)，称为周期蛋白框(cyclin box)，该框介导周期蛋白与CDK激酶结合。 各个周期蛋白也有其特性：在细胞周期时相表达不同，其结构上也具有不同特性。G1期周期蛋白分子中不含有破坏框，但其C端含有一段特殊的PEST序列，该序列可能对G1期周期蛋白的降解起促进作用。不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时期不同，并与不同的CDK激酶结合，调节不同的CDK激酶活性。 (四)CDK激酶和CDK激酶抑制物 CDK激酶是一个家族，其成员有CDK1(即Cdc2)、
17、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6、CDK7、CDK8、CDK9。这个家族的成员含有两方面的共同特点： (1)它们含有一段类似的CDK激酶结构域(CDK-kinase domain)，在该结构域中有一段保守序列，即PSTAIRE区域； (2)该序列可与周期蛋白框结合，并将周期蛋白作为其调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性。 CDK激酶抑制物(cyclin-dependent kinase inhibitors，CDK1)：除了周期蛋白和修饰性因子对CDK激酶活性进行调控外，细胞内还存在一些对CDK激酶活性起负性调控的蛋白。到目前为止，已经发现多种对CDK激酶起负性调控的CDK1，分
18、别归为Cip/Kip家族和INK4家族。Cip/Kip家族成员主要包括p21Cip/WAF1、p27Kip1和p57Kip2，p21Cip/WAF1等；INK4家族成员主要包括p16、p15、p18和p19等，p16为此家族的典型代表，p16主要抑制CDK4和CDK6激酶活性。 (五)细胞周期运转调控 1以CDK1为例来看CDK激酶在细胞周期中视如何被激活并执行调控功能： (1)CDK蛋白本身不具有蛋白激酶活性。 (2)当周期蛋白BA含量积累到一定值时，二者相互结合形成复合体，但不表现出激酶活性。 (3)在WeekMik1和CAK激酶的催化下CDKThr14、Tyr15、Thr161磷酸化，形
19、成高度磷酸化的周期蛋白CDK复合体，但仍不具备激酶活性。 (4)在磷酸酶Cdc25的催化下，Thr14和Tyr15去磷酸化，CDK激酶活性才能表现出来。Thr161位点保持磷酸化状态是CDK1激酶活性表现所必需的。 (5)CDK活化后，CDK1使底物蛋白磷酸化，如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件。 (6)分裂中期过后，周期蛋白降解，CDK失去活性。 2细胞周期调控系统的主要作用 (1)在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶和蛋白，然后自身失活(正调控)。 (2)确保每一时相事件的全部完成(负调控)。 (3)对外界环境因子起反应(如多细胞生物对增殖信
20、号的反应)。 3细胞周期检验点(Cell cycle Checkpoint) 细胞分裂检验点是对细胞周期进行监控的重要机制，其功能是检查细胞在前一阶段是否完成了应该完成的任务，是否可以进入下一阶段，如果不能，则细胞被停止在该检验点。细胞周期三个主要的检验点有G1S检验点、S期检验点和G2M检验点。它们的功能分别是： (1)G1S检验点：控制细胞由静止状态的G1进入DNA合成期，检验项目主要有细胞营养状况、细胞是否足够大、细胞所处激素等环境刺激、胞内如各种蛋白激酶、磷酸酶等是否已经开始合成或是否足够等。 (2)S期检验点：检查DNA复制是否完成。 (3)G2M检验点：是决定细胞一分为二的控制点，检查包括DNA是否损伤、细胞体积是否足够大等。 此外，还有中一后期检验点(即纺锤体组装检验点)，检查染色体是不是与纺锤体连接好，任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会抑制APC的活性，引起细胞周期中断。 (六)其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用 除上述各种因素参与细胞周期调控之外，还有不少其他因素参与细胞周期调控，其中最为重要的一类因素就是癌基因和抑癌基因。 除细胞内在因素外，细胞和机体外界因素对细胞周期也有重要作用，如离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、pH变化等。
