第1页：第十一章 细胞增殖及其调控
第十一章 细胞增殖及其调控
本页为第十一章 细胞增殖及其调控的章节封面，标示本章主题与内容安排。
第2页：细胞增殖及其调控（续）
- 细胞增殖是生命的基本特征，种族繁衍、个体发育、机体修复等都离不开细胞增殖。
- 初生婴儿有1012个细胞，成人1014个，约200种类型。
- 成人体内每秒钟有数百万新细胞产生，以补偿衰老和死亡的细胞。
- 一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。
第3页：第一节 基本概念
第一节 基本概念
第4页：一、什么是细胞周期
一、什么是细胞周期
- 由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，叫细胞周期。分为4个期：
- G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间。
- S期(synthesis phase)，指DNA复制的时期。
- G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。
- M期又称D期(mitosis or division)，细胞分裂开始到结束。
第5页：细胞周期示意图
细胞周期示意图。本页为课件原图，图注为「Eucaryotic Cell CycleA 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」，对应基本概念部分的内容。
第6页：什么是细胞周期（续）
- 从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：–
- ①连续分裂细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。–
- ②休眠细胞暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。–
- ③不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等
第7页：二、细胞周期时间的测定
二、细胞周期时间的测定
- 细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关。通常G1期持续时间差异较大，M期最短约0.5～4.5小时。
- 标记有丝分裂百分率法（percentagelabeledmitoses，PLM）：对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。放射标记物为3H或者14C标记的TDR。
第8页：50100TG20TMTsTcTG2…
本页为课件原图，图注为「50100TG20TMTsTcTG2 +1/2TMTPLM常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM」，对应基本概念部分的内容。
第9页：三、细胞同步化
三、细胞同步化
- 细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化。
- （一）自然同步化
- 1、多核体：如：粘菌、疟原虫。
- 2、某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类。
- 3、增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。
第10页：1、选择同步化
1、选择同步化
- 1）有丝分裂选择法
- M期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。–优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。–缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占1%～2%）。
- 2）细胞沉降分离法
- M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。–缺点：同步化程度较低。（二）人工同步化
第11页：2、诱导同步化
2、诱导同步化
- 1）DNA合成阻断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成。常用TDR双阻断法：
- 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR（Hela2mol/L；CHO7.5mol/L）。S期细胞被抑制，停在G1/S交界处。移去TDR，释放时间大于TS时，再次加入过量TDR。
- 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。
- 2）中期阻断法
- 用秋水仙素等细胞分裂抑制剂将细胞阻断在中期。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差。
第12页：第二节 有丝分裂
第二节 有丝分裂
第13页：一、细胞分裂的类型
一、细胞分裂的类型
- 无丝分裂(amitosis)：又称直接分裂，由Remark（1841）发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化。
- 有丝分裂(mitosis)：又称为间接分裂，由Fleming(1882)年首次发现于动物，Strasburger(1880)发现于植物。
- 减数分裂(meiosis）：染色体复制一次，细胞连续分裂两次。
第14页：二、有丝分裂
二、有丝分裂
- 为了便于描述人为的划分为六个时期：①间期（interphase）；②前期(prophase)；③前中期(premetaphase)；④中期(metaphase)；⑤后期(anaphase)；⑥末期(telophase)。
- 其中间期包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制、中心体复制、细胞体积增大等准备工作。
第15页：（一）前期
（一）前期
- ①染色质凝缩，
- ②分裂极确立与纺锤体开始形成，
- ③核仁解体，
- ④核膜消失。
第16页：前期（续）
- S期中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。
- 纺锤体有三种微管结构：
- ①极体微管（polarmt）两极间的微管，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达。
- ②着丝点微管（kinetochoremt），是从着丝点到另一极的微管；
- ③星体微管（astralmt），由中心粒放射出来的微管。植物没有中心粒和星体，其纺锤体称无星纺锤体。
第17页：微管中心体前期示意图
微管中心体前期示意图。本页为课件原图，图注为「Two centrosomes, and their forming radial arrays of astral microtubules separating on the surface of an early prophase newt lung cell nucleus. 图片来自http://www.wa」，对应有丝分裂部分的内容。
第18页：有丝分裂部分的图片来源
有丝分裂部分的图片来源。本页为课件原图，图注为「图片来自http://www.wadsworth.org/」，对应有丝分裂部分的内容。
第19页：（二）前中期
（二）前中期
- 核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane) 上。
第20页：（三）中期
（三）中期
第21页：（四）后期
（四）后期
- 指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期A、后期B两个过程。
第22页：后期分离示意图
后期分离示意图。本页为课件原图，图注为「•Anaphase A: separation of the sister chromatids.」，对应有丝分裂部分的内容。
第23页：后期分离示意图
后期分离示意图。本页为课件原图，图注为「•Anaphase B: separation of the poles. 植物细胞有没有后期B ？」，对应有丝分裂部分的内容。
第24页：微管纺锤体示意图
微管纺锤体示意图。本页为课件原图，图注为「Microtubules and Motors in the spindle」，对应有丝分裂部分的内容。
第25页：（五）末期
（五）末期
- 从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。
第26页：末期（续）
- 末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配。
- 核分裂与胞质分裂（cytokinesis）是相继发生的，属于两个分离的过程，如：
- 大多数昆虫的卵，核可进行多次分裂而无胞质分裂，某些藻类的多核细胞可长达数尺，以后胞质才分裂形成单核细胞。子核的形成与胞质分裂
第27页：末期（续2）
- 动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成。
- 用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？
第28页：成肌细胞扫描电镜照片
成肌细胞扫描电镜照片。本页为课件原图，图注为「Dividing Muscle Myoblast (primative muscle cell) (SEM x8,000)」，对应有丝分裂部分的内容。
第29页：末期（续3）
- 植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，并数量增加，形成成膜体。
- 来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板(cellplate)，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。
第30页：
第31页：第三节 减数分裂
第三节 减数分裂
- 由连续两次分裂构成：
- 通常减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂（heterotypicdivision）或减数分裂（reductionaldivision）。
- 减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂（homotypicdivision）或均等分裂（equationaldivision）。
- 为了描述方便将减数分裂分为几个期和亚期。
第32页：减数分裂示意图
减数分裂示意图。本页为课件原图，图注为「MeiosisConcepts:1.Gametic meiosis2.Sporic meiosis3.Zygotic meiosis」，对应减数分裂部分的内容。
第33页：一、间期
一、间期
- 称前减数分裂间期或前减数分裂期(premeiosis)。
- 间期也可分为G1期、S期和G2期。
- G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。
- 减数分裂的S期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。
第34页：二、分裂期
二、分裂期
- （一）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 ，通常分为5个时期：①细线期（leptotene ），②合线期（zygotene ），③粗线期（pachytene），④双线期（diplotene），⑤终变期（diakinesis）。
第35页：分裂期（续）
- 1）细线期
- 染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。
- 2）合线期
- 亦称偶线期，是同源染色体配对的时期。–概念：联会复合体(synaptonemalcomplex，SC）二价体（bivalent）四分体（tetrad）。–这一时期合成约0.3%左右的DNA，称为Z-DNA。
- 3）粗线期
- 同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期。
- 4）双线期
- 联会的同源染色体相互排斥、开始分离，交叉开始端化(terminalization)。联会复合体消失。
第36页：分裂期（续2）
- –补充
- 植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期，排卵年龄大约在12-50岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二阶体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。
- 5）终变期
- 二阶体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失，核被膜解体。
第37页：2、中期
- 2、中期I
- 3、后期I
- 二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。
- 同源染色体随机分向两极，染色体重组，人类染色体重组概率有223个。
- 4、末期I
- 5、减数分裂间期。
- （二）减数分裂II
- 可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。
- 一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。
第38页：重组染色体示意图
重组染色体示意图。本页为课件原图，图注为「Chromosome recombination 1」，对应减数分裂部分的内容。
第39页：重组染色体示意图
重组染色体示意图。本页为课件原图，图注为「Chromosome recombination 2Minimumnumber of gamete types = 2n , In humans, n = 23」，对应减数分裂部分的内容。
第40页：三、联会复合体
三、联会复合体
- SC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。
- SC帮助交换的完成，SC上有重组节(recombinationnodules)，是交换发生的部位。
- SC主要由碱性蛋白质和RNA组成，并含有少量DNA。
- SC形成合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。
- 在细线期或合线期加入DNA合成抑制剂，则抑制SC的形成。
第41页：联会复合体示意图
联会复合体示意图。本页为课件原图，图注为「synaptonemal complex」，对应减数分裂部分的内容。
第42页：第四节 细胞周期调控
第四节 细胞周期调控
第43页：一、研究背景
一、研究背景
- 1970s Rao和Johnson发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体(prematurely condensed chromosome，PCC)。
- G1期PCC为单线状，因DNA未复制。
- S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。
- G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。
- 甚至不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF)。
第44页：PCC
本页为课件原图，图注为「PCC」，对应细胞周期调控部分的内容。
第45页：研究背景（续）
- 1960sLelandHartwell,1970sPaulNurse以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(celldivisioncyclegene,CDC)。
- 如：
- 裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；
- wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；
- cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。
第46页：Fission yeast
本页为课件原图，图注为「Fission yeast」，对应细胞周期调控部分的内容。
第47页：budding yeast
本页为课件原图，图注为「budding yeast」，对应细胞周期调控部分的内容。
第48页：Cdc 25 & Wee1…
本页为课件原图，图注为「Cdc 25 & Wee1 mutant」，对应细胞周期调控部分的内容。
第49页：研究背景（续2）
- 1980sTimothyHunt发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为周期蛋白(cyclinA和B)。后来发现各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。
- 1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。
- 进一步的研究发现MPF=CDC2+clyclinB
第50页：研究背景（续3）
- Leland H. HartwellR. Timothy (Tim) HuntSir Paul M. Nurse
- 2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人PaulNurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。
第51页：研究背景（续4）
- 二、CDK
- CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)。
- CDC2又被称为CDK1，可将特定蛋白磷酸化，促进细胞周期运行，又称作细胞周期引擎。
- 如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；
- 将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。
- 在动物中已知7种CDK。均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，与周期蛋白的结合有关。
第52页：三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子
三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子
- CDKinhibitor,CKI对细胞周期起负调控作用，分为：–
- ①Ink4(Inhibitorofcdk4):P16ink4a,P15ink4b,P18ink4c,P19ink4d。特异性抑制cdk4·cyclinD1,cdk6·cyclinD1。–
- ②Kip(Kinaseinhibitionprotein)：P21cip1(cyclininhibitionprotein1）P27kip1、P57kip2，抑制大多数CDK的激酶活性。P21cip1还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA（proliferatingcellnuclearantigen）结合，直接抑制DNA的合成。
第53页：四、细胞周期蛋白
四、细胞周期蛋白
- 特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。
- 作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。
- 已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3 、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。
- 分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。
第54页：细胞周期蛋白（续）
- 不同类型的CDK/cyclin复合体
- *包括D1-3，各亚型cyclin D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。
第55页：细胞周期蛋白（续2）
- G1期，在生长因子的刺激下，cyclin D表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。
- G1-S期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞进入S期。CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期。
- 在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，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。
第56页：细胞周期示意图
细胞周期示意图。本页为课件原图，图注为「•cell cycle regulation」，对应细胞周期调控部分的内容。
第57页：细胞周期蛋白（续3）
- 在中期当MPF活性达到最高时，激活后期促进因子APC，将泛素连接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶体(proteasome)降解，完成一个细胞周期。
- 分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒(destruction box)。
- 泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。
- 26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。
第58页：周期蛋白降解示意图
周期蛋白降解示意图。本页为课件原图，图注为「Destruction Box in Cyclins」，对应细胞周期调控部分的内容。
第59页：
第60页：
第61页：五、M期
- M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累。
- 结合cyclin B的CDK1被Wee1将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累。
- 在M期，Wee1的活性下降，CDC25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。
- CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDK activating kinase CAK)的作用下完成的。
第62页：CDK示意图
CDK示意图。本页为课件原图，图注为「CDK activating」，对应细胞周期调控部分的内容。
第63页：细胞周期蛋白（续4）
- 组成
- 感受器、信号传导通路、效应器。
- 主要检验点
- –G1/S检验点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restriction point)。–S期检验点：DNA复制是否完成？–G2/M检验点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？–中-后期检验点：纺锤体组装检验点。六、细胞周期检验点（check point）
第64页：检查点示意图
检查点示意图。本页为课件原图，图注为「Four checkpoints」，对应细胞周期调控部分的内容。
第65页：细胞周期蛋白（续5）
- ATM（ataxia telangiectasia-mutated gene）。
- 最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，人类中大约有1%的人是ATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。
- ATM编码一个蛋白激酶，结合在损伤的DNA上，其信号通路有两条。
- ①激活Chk1（checkpoint kinase）, 使CDC25的Ser216磷酸化失去活性，抑制M-CDK的活性，中断细胞周期。
- ②激活Chk2，使P53被磷酸化而激活，然后P53作为转录因子，导致P21的表达，P21抑制G1-S期CDK的活性，中断细胞周期。
第66页：七、生长因子对细胞增殖的影响
七、生长因子对细胞增殖的影响
- 单细胞生物的增殖取决于营养，多细胞生物细胞的增殖与信号途径有关。
- 生长因子：是与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（mitogen），如EGF、NGF。
- 作用方式：旁分泌。
- 信号通路：ras途径，cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。
- 如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclin D、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。
第67页：
