第十二章细胞增殖与周期调控.ppt

第十二章第十二章 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控第一节第一节 细胞周期概述细胞周期概述第二节第二节 细胞分裂细胞分裂第三节第三节 细胞周期的调控细胞周期的调控第一节第一节 细胞周期概述细胞周期概述l细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一，细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一，是生物生长发育和繁殖的基础。是生物生长发育和繁殖的基础。l细胞增殖受到严密的调控机制的监控，整个细胞增殖受到严密的调控机制的监控，整个过程表现出严格的顺序性和周期性。过程表现出严格的顺序性和周期性。一、细胞周期一、细胞周期(cell cycle)(cell cycle)从一次细胞分裂结束到下从一次细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历一次细胞分裂结束所经历的过程，叫细胞周期。的过程，叫细胞周期。细胞周期最重要的功能是细胞周期最重要的功能是准确的复制染色体上的准确的复制染色体上的DNADNA并将两个拷贝精确的并将两个拷贝精确的分配到两个子细胞中。分配到两个子细胞中。二、细胞周期中各个不同时相及其主要事件二、细胞周期中各个不同时相及其主要事件间期间期(interphase)(interphase)G1G1期期(gap1)(gap1)，指从有丝分，指从有丝分裂完成到期裂完成到期DNADNA复制之前复制之前的间隙时间。的间隙时间。S S期期(synthesis phase)(synthesis phase)，指指DNADNA复制的时期。复制的时期。G2G2期期(gap2)(gap2)，指，指DNADNA复制完复制完成到有丝分裂开始之前的成到有丝分裂开始之前的一段时间。一段时间。细胞周期不同时期的主要事件细胞周期不同时期的主要事件 G1G1期期：子代细胞的生成标志着：子代细胞的生成标志着G1G1期的开始。此时合期的开始。此时合成大量细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂类等成大量细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂类等物质，但不合成物质，但不合成DNADNA。在。在G1G1期的晚期有一个期的晚期有一个检验点检验点，监控着细胞是否进入监控着细胞是否进入S S期。在芽殖酵母中叫做起始点期。在芽殖酵母中叫做起始点(start)(start)；在其他真核细胞中，限制点；在其他真核细胞中，限制点(restriction(restriction point,Rpoint,R点点)；或检验点；或检验点(checkpoint)(checkpoint)。The control of the cell cycle.Theessentialprocesses,suchasDNAreplicationandmitosisandcytokinesis,aretriggeredbyacentralcell-cyclecontrolsystem.Byanalogywithawashingmachine,thecontrolsystemisdrawnasanindicatorthatrotatesclockwise,triggeringessentialprocesseswhenitreachesspecificpointsontheouterdial.细胞的分类细胞的分类周周期期中中细细胞胞(cycling(cycling cell)cell)，持持续续分分裂裂的的细细胞胞，如如干干细细胞胞，表表皮皮生生发发层层细胞、部分骨髓细胞。细胞、部分骨髓细胞。G G0 0期期细细胞胞(G(G0 0 cell)cell)，又又称称静静止止期期细细胞胞(quiescent(quiescent cell)cell)，暂暂时时退退出出细细胞胞周周期期，但但在在适适当当的的刺刺激激下下可可重重新新进进入入细细胞胞周周期期，如如淋淋巴巴细细胞胞、肝肝、肾细胞和结缔组织的成纤维细胞等。肾细胞和结缔组织的成纤维细胞等。终终 末末 分分 化化 细细 胞胞(terminally terminally differentiated differentiated cellscells)，指指不不可可逆逆地地脱脱离离细细胞胞周周期期，不不再再分分裂裂的的细细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。三、细胞周期时间的测定三、细胞周期时间的测定同种细胞之间，细胞周期时间长短相似或相同；同种细胞之间，细胞周期时间长短相似或相同；不同细胞种类之间，细胞周期时间长短差别很大。不同细胞种类之间，细胞周期时间长短差别很大。周期时间的主要差别在周期时间的主要差别在G1G1期，而期，而S S、G2G2和和M M期时间相对恒定。期时间相对恒定。（一）脉冲标记（一）脉冲标记DNADNA复制和细胞分裂指数观察测定法：复制和细胞分裂指数观察测定法：这种方法主要适用于细胞构成相对简单，细胞周期这种方法主要适用于细胞构成相对简单，细胞周期时间相对较短，周期运转均匀的细胞群体。时间相对较短，周期运转均匀的细胞群体。优点：可同时测定细胞周期总时间和各时相时间优点：可同时测定细胞周期总时间和各时相时间缺点：要求有同位素室，细胞还须同步化。缺点：要求有同位素室，细胞还须同步化。（二）流式细胞仪测定法：（二）流式细胞仪测定法：这种方法依据细胞各时期这种方法依据细胞各时期DNADNA含量的特征及其变化含量的特征及其变化来确定细胞周期时间。来确定细胞周期时间。优点：可测定各种细胞的周期时间，测定快速，结优点：可测定各种细胞的周期时间，测定快速，结果可靠。果可靠。缺点：要求有流式细胞仪。缺点：要求有流式细胞仪。四、细胞周期同步化四、细胞周期同步化(synchronization)(synchronization)细细胞胞周周期期同同步步化化指指在在自自然然过过程程中中发发生生或或经经人人为为处处理理造成细胞群体处于周期中同一个时期的现象或技术。造成细胞群体处于周期中同一个时期的现象或技术。（一）自然同步化（一）自然同步化如：粘菌的多核体等。如：粘菌的多核体等。某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类。某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类。增增殖殖抑抑制制解解除除后后的的同同步步分分裂裂：如如真真菌菌的的休休眠眠孢孢子子移移入入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。（二）人工同步化（二）人工同步化1 1、选择同步化、选择同步化1 1）有有丝丝分分裂裂选选择择法法：M M期期细细胞胞与与培培养养皿皿的的附附着着性性低低，振振荡荡脱脱离器壁收集。离器壁收集。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。缺缺点点：获获得得的的细细胞胞数数量量较较少少（分分裂裂细细胞胞约约占占1%1%2%2%）。2 2）细胞沉降分离法：）细胞沉降分离法：M M期细胞体积大，可用离心分离。期细胞体积大，可用离心分离。优点：可用于任何悬浮培养的细胞。优点：可用于任何悬浮培养的细胞。缺点：同步化程度较低。缺点：同步化程度较低。2 2、诱导同步化、诱导同步化1 1）DNADNA合合成成阻阻断断法法：选选用用DNADNA合合成成的的抑抑制制剂剂，可可逆逆地地抑抑制制DNADNA合合成。常用成。常用TdR(TdR(胸腺嘧啶脱氧核苷胸腺嘧啶脱氧核苷)双阻断法：双阻断法：在在细细胞胞处处于于对对数数生生长长期期的的培培养养基基中中加加入入过过量量TdRTdR。S S期期细细胞胞被被抑抑制制，停停在在G G1 1/S/S交交界界处处。移移去去TdRTdR，释释放放时时间间大大于于T TS S时，再次加入过量时，再次加入过量TdRTdR。优点：同步化程度高优点：同步化程度高 缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。2 2）中期阻断法）中期阻断法 用用秋秋水水仙仙素素、nocodazolenocodazole等等细细胞胞分分裂裂抑抑制制剂剂将将细细胞胞阻阻断断在在中中期。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差。期。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差。正常培养细胞正常培养细胞2-3d2-3d；加入终浓度加入终浓度2mmol/L2mmol/L胸苷胸苷(TdR)(TdR)，继续培养，继续培养15-18h15-18h，诱导细胞停留在诱导细胞停留在G1/SG1/S期边界；期边界；吸去培养液，洗吸去培养液，洗1-21-2次，用新鲜培养液培养次，用新鲜培养液培养10h10h；加入终浓度加入终浓度2mmol/L TdR 2mmol/L TdR，培养，培养18h18h；吸去培养液，洗吸去培养液，洗1-21-2次，次，收集收集G1G1期细胞期细胞；在诱导的在诱导的G1G1期细胞中，加入新鲜的培养液，培养期细胞中，加入新鲜的培养液，培养3h3h，收集收集S S期细胞期细胞；在诱导的在诱导的G1G1期细胞中，加入新鲜的培养液，培养期细胞中，加入新鲜的培养液，培养8h8h，收集收集G2G2期细胞期细胞；在诱导的在诱导的G1G1期细胞中，加入期细胞中，加入nocodazole(nocodazole(终浓度终浓度600ng/ml)600ng/ml)的培养液，培养的培养液，培养12-14h12-14h，收集收集M M期细胞期细胞；G0G0期细胞可在细胞正常培养到期细胞可在细胞正常培养到90%90%的覆盖率后，用仅的覆盖率后，用仅含含0.5%0.5%小牛血清的培养基饥饿小牛血清的培养基饥饿3d3d后获得。后获得。五、特殊的细胞周期五、特殊的细胞周期1.1.早期胚胎细胞的细胞周期早期胚胎细胞的细胞周期 细胞分裂快，主要由细胞分裂快，主要由M M期与期与S S期两个时期组成。期两个时期组成。果蝇的受精卵在前果蝇的受精卵在前2h2h每发生一次卵裂仅每发生一次卵裂仅10min10min，12h12h内内就可形成就可形成5000050000个细胞；斑马鱼受精卵在前个细胞；斑马鱼受精卵在前3h3h每发生每发生一次卵裂仅一次卵裂仅15min15min，24h24h内就可形成具有眼、耳和中枢内就可形成具有眼、耳和中枢神经系统及能见到肌肉收缩和心跳的脊椎动物雏形；神经系统及能见到肌肉收缩和心跳的脊椎动物雏形；鲢鱼在鲢鱼在2424左右，仅左右，仅20h20h就可孵化出苗。就可孵化出苗。发育和增殖所需要的蛋白质、发育和增殖所需要的蛋白质、mRNAmRNA和其他营养物质已经在其和其他营养物质已经在其卵子发生过程中预先被储存，细胞分裂没有体积的增加，只卵子发生过程中预先被储存，细胞分裂没有体积的增加，只需将事先储存有大量卵质分配到不断增多的小细胞中需将事先储存有大量卵质分配到不断增多的小细胞中。2.2.酵母细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期 在细胞分裂时，细胞核膜不解聚，纺锤体位于细在细胞分裂时，细胞核膜不解聚，纺锤体位于细胞核内，纺锤体的装配与胞核内，纺锤体的装配与S S期期DNADNA复制同时进行，复制同时进行，而不是在而不是在DNADNA复制之后。复制之后。芽殖酵母，不均等分裂。芽殖酵母，不均等分裂。裂殖酵母，均等分裂，长度增加，直径不变。裂殖酵母，均等分裂，长度增加，直径不变。3.3.植物细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期不含中心体，以形成中间板的形式进行胞质分裂。不含中心体，以形成中间板的形式进行胞质分裂。4.4.细菌的细胞周期细菌的细胞周期 快速生长与慢速复制快速生长与慢速复制快速分裂与快速分裂与DNADNA的慢速复制问题的解决是在上一的慢速复制问题的解决是在上一次细胞分裂结束时，次细胞分裂结束时，DNADNA已经复制一半，细胞分已经复制一半，细胞分裂后，立即进行新一轮的复制。裂后，立即进行新一轮的复制。第二节第二节 细胞分裂细胞分裂(cell division)细胞分裂的类型细胞分裂的类型无无 丝丝 分分 裂裂(amitosis)(amitosis)：又又 称称 直直 接接 分分 裂裂，由由RemarkRemark（18411841）发发现现于于鸡鸡胚胚血血细细胞胞，不不涉涉及及纺纺锤锤体形成及染色体变化体形成及染色体变化 。有有丝丝分分裂裂(mitosis)(mitosis)：又又称称为为间间接接分分裂裂，由由Fleming Fleming(1882)(1882)年年 首首 次次 发发 现现 于于 动动 物物，Strasburger(1880)Strasburger(1880)发发现现于于植植物物。染染色色体体复复制制一一次次，细胞分裂一次。细胞分裂一次。减减数数分分裂裂(meiosis(meiosis）：染染色色体体复复制制一一次次，细细胞胞连连续分裂两次。续分裂两次。一、有丝分裂一、有丝分裂(mitosis)(mitosis)为了便于描述人为的划分为六个时期：为了便于描述人为的划分为六个时期：间期（间期（interphaseinterphase）；）；前期前期(prophase)(prophase)；前中期前中期(premetaphase)(premetaphase)；中期中期(metaphase)(metaphase)；后期后期(anaphase)(anaphase)；末期末期(telophase)(telophase)。其中间期包括其中间期包括G G1 1期、期、S S期和期和G G2 2期，主要进行期，主要进行DNADNA复制、中复制、中心体复制、细胞体积增大等准备工作。心体复制、细胞体积增大等准备工作。（一）前期（一）前期浓缩素浓缩素 condensincondensin环状蛋白复合环状蛋白复合物物(Cohesin)(Cohesin)染色质凝缩染色质凝缩(condensation)(condensation)星体微管开始装配星体微管开始装配Assembly of kinetochore at the end of prophasevGolgi,ER etc.disperse to form vesicles;kinetochore assembly动力蛋白(二二)前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)核仁解体，核核仁解体，核膜破裂膜破裂核膜解体到染色体排列到赤道面核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial(equatorial plane)plane)上。上。纺锤体的装配纺锤体的装配极体微管极体微管（polar polar mtmt）两极间的微管，）两极间的微管，在纺锤体中部重叠，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有马达重叠部位结合有马达分子。分子。动力微管动力微管（kinetochore mtkinetochore mt），），是从着丝点到另一极是从着丝点到另一极的微管；的微管；星体微管星体微管（astral astral mtmt），由中心粒放射），由中心粒放射出来的微管。植物没出来的微管。植物没有中心粒和星体，其有中心粒和星体，其纺锤体称无星纺锤体。纺锤体称无星纺锤体。(三三)中期中期(Metaphase)Metaphase)染色体列队染色体列队(chromosome alignment)(chromosome alignment)或染色体中板聚合或染色体中板聚合(congression)(congression)染色体排列到赤道面上染色体排列到赤道面上假说假说1 1：拉力使染色体列队：拉力使染色体列队假说假说2 2：推力使染色体列队：推力使染色体列队中期动粒微管的动态稳定中期动粒微管的动态稳定 （四）后期（四）后期(anaphase)(anaphase)指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期期A A、后期、后期B B两个过程。两个过程。Anaphase A:separation of the sister chromatids.后期动粒微管的缩短后期动粒微管的缩短 Anaphase B:separation of the poles.1.1.驱动蛋白从负极走向驱动蛋白从负极走向正极使极微管向正极使极微管向 相反方向滑去相反方向滑去2.2.动力蛋白与两端的细动力蛋白与两端的细胞端部结合，从正极走胞端部结合，从正极走向微管负极，朝细胞端向微管负极，朝细胞端部方向牵拉星体微管部方向牵拉星体微管纺锤体变长的动力来源纺锤体变长的动力来源 染色体向两极移动的假说染色体向两极移动的假说 从子染色体到达两极，从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两的形成和胞质分裂两个方面。个方面。（五）末期（五）末期(telophase)(telophase)(六六)胞质分裂胞质分裂(cytokinisis)(cytokinisis)胞质分裂开始时，大量的肌球胞质分裂开始时，大量的肌球蛋白在两个中心粒的中间处装蛋白在两个中心粒的中间处装配成微丝束并以肌球蛋白为动配成微丝束并以肌球蛋白为动力，逐渐收缩，称为收缩环力，逐渐收缩，称为收缩环(contractile ring)(contractile ring)。收缩环。收缩环在细胞表面形成分裂沟。在细胞表面形成分裂沟。微管、小膜泡等物质聚集在微管、小膜泡等物质聚集在分裂沟下方，构成一个环形分裂沟下方，构成一个环形 致密体，称为中间体致密体，称为中间体(midbody)(midbody)。作用不清楚。作用不清楚。开始于后期，在赤道板周围细胞膜下陷，形成环形缢缩，称为开始于后期，在赤道板周围细胞膜下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟。结束于末期，分裂沟加深，至两个子代细胞完全分开。分裂沟。结束于末期，分裂沟加深，至两个子代细胞完全分开。植植物物细细胞胞末末期期近近两两极极处处纺纺锤锤丝丝消消失失，中中间间微微管管保保留留，并并数数量量增增加加，形形成成成成膜膜体体。来来自自高高尔尔基基体体囊囊泡泡沿沿微微管管转转运运到到成成膜膜体体中中间间。融融合合形形成成细细胞胞板板(cell(cell plate)plate)，囊囊泡泡的的内内含含物物形形成成初初生生壁壁和和中中胶胶层层，囊囊泡泡膜膜形形成成质质膜膜，融合留下的管道形成胞间连丝。融合留下的管道形成胞间连丝。(七七)植物细胞胞质分裂新细胞壁形成植物细胞胞质分裂新细胞壁形成细胞板细胞板(cell plate)(cell plate)成膜体成膜体 (phrag-(phrag-moplast)moplast)3.3.减数分裂减数分裂减数分裂是特殊的有减数分裂是特殊的有丝分裂形式，仅发生丝分裂形式，仅发生于有性生殖细胞形成于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。过程中的某个阶段。(一一)减数分裂减数分裂(meiosis)(meiosis)时期时期减数分裂的 第一次分裂（间期）减数分裂的 第二次分裂 与有丝分裂相似细线期(leptotene)偶线期(zygotene)粗线期(pachytene)双线期(diplotene)终变期(diakinesis)前期 中期 后期 末期间期G1 S G2合成大部分DNA，而不是全部(1)(1)细线期细线期(leptotene)(leptotene)染色质凝集，但两条染色体臂并不分离，呈单线染色质凝集，但两条染色体臂并不分离，呈单线状；染色体上呈现颗粒样结构，称染色粒状；染色体上呈现颗粒样结构，称染色粒(chromomere)(chromomere)；端粒通过接触斑与核膜相连，其；端粒通过接触斑与核膜相连，其他部分以袢环状伸到核质中，又称花束期。他部分以袢环状伸到核质中，又称花束期。同源染色体配对，称为联会同源染色体配对，称为联会(synapsis)(synapsis)；两条同源染色体紧密；两条同源染色体紧密结合在一起形成复合结构，称为二价体结合在一起形成复合结构，称为二价体(bivalent)(bivalent)；二价体共；二价体共含含4 4条染色单体，称为四分体条染色单体，称为四分体(tetrad)(tetrad)。合成在。合成在S S期未合成的约期未合成的约0.3%0.3%的的DNA(zygDNA)DNA(zygDNA)。(2)(2)偶线期偶线期(zygotene)(zygotene)Transverse filement(Transverse filement(横向纤维横向纤维):):两端的球形两端的球形头和盘绕的中部头和盘绕的中部(coiled coil)(coiled coil)中央成分中央成分侧成分侧成分侧成分侧成分含有多种含有多种cohesin cohesin 蛋白成分蛋白成分(3)(3)粗线期粗线期(pachytene)(pachytene)合成一小部分尚未合合成一小部分尚未合成的成的DNA(P-DNA)DNA(P-DNA)；在；在联会复合体部位的中联会复合体部位的中间，出现重组结间，出现重组结(recombination(recombination nodule)nodule)；合成减数；合成减数分裂期专有的组蛋白，分裂期专有的组蛋白，并将体细胞型的组蛋并将体细胞型的组蛋白部分或全部置换下白部分或全部置换下来。在卵母细胞中，来。在卵母细胞中，还要发生还要发生rDNArDNA的扩增。的扩增。49 重组节重组节中央成分中央成分侧成分侧成分(4)(4)双线期双线期(diplotene)(diplotene)重组阶段结束，同源染色体重组阶段结束，同源染色体相互分离，仅留几处交叉，相互分离，仅留几处交叉，四分体结构清晰可见。染色四分体结构清晰可见。染色体发生部分去凝集，体发生部分去凝集，RNARNA转转录活跃录活跃(灯刷染色体灯刷染色体)。这一期持续较长，两栖类卵这一期持续较长，两栖类卵母细胞的双线期可持续近一母细胞的双线期可持续近一年，而人的卵母细胞双线期年，而人的卵母细胞双线期从胚胎期的第从胚胎期的第5 5个月开始，个月开始，短者可持续十几年，长者可短者可持续十几年，长者可达四五十年。达四五十年。(5)(5)终变期终变期(diakinesis)(diakinesis)染色体重新开始凝集，形成短棒状结构。核仁消染色体重新开始凝集，形成短棒状结构。核仁消失，四分体均匀的分布在核中；交叉向端部移行，失，四分体均匀的分布在核中；交叉向端部移行，称端化称端化(terminalization)(terminalization)；同源染色体之间仅在；同源染色体之间仅在端部和着丝粒处相互联结。端部和着丝粒处相互联结。减数分裂第一次分裂的前期中同源染色体联会和去联会减数分裂第一次分裂的前期中同源染色体联会和去联会间期间期偶线期偶线期双线期和终变期双线期和终变期细线期细线期粗线期粗线期(二二)减数分裂减数分裂期染色体在中期的期染色体在中期的排列与分离排列与分离(三三)减数分减数分裂的意义裂的意义卵细胞的形成卵细胞的形成精子的形成精子的形成第三节第三节 细胞周期调控细胞周期调控