11 第十一章 细胞增值及其调控.ppt

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细胞增殖(cell proliferation)的意义细胞周期与细胞分裂细胞周期调控

第2页：细胞增殖的意义

细胞增殖(cell proliferation)的意义

• 细胞增殖(cellproliferation)是细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础。
• 单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。
• 多细胞生物由一个单细胞(受精卵)分裂发育而来，细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。
• 成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞，

第3页：第一节 细胞周期与细胞分裂

第一节细胞周期与细胞分裂

• 细胞周期(cell cycle)概述
• 有丝分裂(mitosis)
• 胞质分裂(Cytokinesis)
• 减数分裂(Meiosis)

第4页：细胞周期的调控导览

细胞周期的调控(Cell-Cycle Control)

• 细胞周期调控系统的主要作用
• 细胞周期检验点(Cell Cycle Checkpoint)
• MPF
• Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转
• 细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控)

第5页：细胞周期概述

一、细胞周期(cell cycle)概述

• 细胞周期
• 细胞周期中各个不同时相及其主要事件
• 细胞周期长短测定
• 细胞周期同步化
• 特异的细胞周期

第6页：有丝分裂的分期

二、有丝分裂(mitosis)

• 前期(prophase)
• 前中期(prometaphase)
• 中期(metaphase)
• 后期(anaphase)
• 末期(telophase)

第7页：胞质分裂导览

三、胞质分裂(Cytokinesis)

• 动物细胞胞质分裂
• 植物细胞胞质分裂

第8页：减数分裂导览

四、减数分裂(Meiosis)

• 减数分裂概念与过程
• 减数分裂的意义
• 减数分裂特点
• 脊椎动物配子发生过程

第9页：细胞周期的概念

细胞周期

• 概念：细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂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
• 细胞周期时间
• 根据增殖状况，细胞分为三类

第10页：细胞周期时相组成

细胞周期时相组成

• Interphase:G1phase，Sphase，G2phase
• Mphase:有丝分裂期(Mitosis),胞质分裂期(Cytokinesis)细胞沿着 G1
• S
• G2
• M
• G1周期性运转。在间期，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。

第11页：细胞周期时间

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在 G1期
• 有些分裂增殖的细胞缺乏 G1、G2期

第12页：按增殖状况的细胞分类

根据增殖状况，细胞分类三类

• 连续分裂细胞(cyclingcell)
• 休眠细胞(Go细胞)
• 终末分化细胞 G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前可能被认为是 G0期细胞。

第13页：各时相及其主要事件

细胞周期中不同时相及其主要事件

• G1期
• S期
• G2期
• M期

第14页：G1期

G1期

• 与 DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集。

第15页：G2期

G2期

• DNA复制完成，在 G2期合成一定数量的蛋白质和 RNA分子

第16页：M期

M 期

• M期，即细胞分裂期，真核细胞的细胞分主要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。

第17页：S期

S期

• DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构
• S期 DNA合成不同步

第18页：细胞周期长短测定

细胞周期长短测定

• 脉冲标记 DNA复制和细胞分裂指数观察测定法
• 流式细胞仪测定法(Flow Cytometry)
• 缩时摄像技术，可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期的准确时间。

第19页：细胞周期同步化

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
• 人工选择同步化
• 药物诱导法
• 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用：将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞周期中某一特定时期。

第20页：人工选择同步化

人工选择同步化

• 有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点：细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点：分离的细胞数量少。
• 密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。优点：方法简单省时，效率高，成本低。缺点：对大多数种类的细胞并不适用。

第21页：药物诱导法

药物诱导法

• DNA合成阻断法─G1/S-Td R双阻断法：最终将细胞群阻断于 G1/S交界处。优点：同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点：诱导过程可造成细胞非均衡生长
• 分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点：操作简便，效率高。缺点：这些药物的毒性相对较大

第22页：特异的细胞周期

特异的细胞周期特异的细胞周期

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。

• 爪蟾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

第23页：爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期

爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期

• 细胞分裂快,无 G1期,G2期非常短,S期也短(所有复制子都激活),以至认为仅含有 S期和 M期
• 无需临时合成其它物质
• 子细胞在 G1、G2期并不生长，越分裂体积越小
• 细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本是一致的

第24页：酵母细胞的细胞周期

酵母细胞的细胞周期

• 酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似
• 酵母细胞周期明显特点:
• ①酵母细胞周期持续时间较短；
• ②封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；
• ③纺锤体位于细胞核内；
• ④在一定环境下，也进行有性繁殖

第25页：植物细胞的细胞周期

植物细胞的细胞周期

• 植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有 G1期、S期、G2期和 M期四个时期。
• 植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。
• 植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂

第26页：细菌的细胞周期

细菌的细胞周期

• 慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处。其 DNA复制之前的准备时间与 G1期类似。分裂之前的准备时间与 G2期类似。再加上 S期和 M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期
• 细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本的 DNA复制速度之间的矛盾

第27页：前期

前期(prophase)

• 标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩(condensation)形成有丝分裂染色体(mitoticchromosome）
• 第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体(mitoticspindle)开始装配
• Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡。

第28页：有丝分裂染色体

有丝分裂染色体这种染色体由两条染色单体(chromatid)构成在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复合物称为动粒(kinetochore)

第29页：纺锤体的形成

间期动物细胞含一个 MTOC，即中心体，在 S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，形成两个中心体。当前期开始时，2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。纺锤体的形成

第30页：前中期

前中期(prometaphase)

• 核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中特异的 Ser残基磷酸化导致核纤层解体
• 纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管
• 不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由前中期逐渐向中期运转。

第31页：中期

中期(metaphase)

• 所有染色体排列到赤道板(Metaphase Plate)上，标志着细胞分裂已进入中期
• 是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？
• 着丝粒微管动态平衡形成的张力

第32页：后期

后期(anaphase)

• 排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产生向极运动
• 后期(anaphase)大致可以划分为连续的两个阶段，即后期 A和后期 B
• 后期 A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动
• 后期 B，极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长，介导染色体向极运动

第33页：末期

末期(telophase)

• 染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）,到达两极的染色单体开始去浓缩
• 核膜开始重新组装
• Golgi体和 ER重新形成并生长
• 核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束

第34页：动物细胞胞质分裂

动物细胞胞质分裂

• 胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体极性微管和钙离子浓度升高的变化有关
• 胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环（contractilering)。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞

第35页：植物细胞胞质分裂

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

第36页：减数分裂的概念与过程

减数分裂概念与过程

• 概念：减数分裂是细胞仅进行一次 DNA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。
• 减数分裂过程

第37页：减数分裂的意义

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。

第38页：减数分裂的特点

减数分裂特点

• 遗传物质只复制一次，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(Meiosis 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,第一次分裂时,同源染色体分开

第39页：减数分裂前S期长度比较

减数分裂前 S期与有丝分裂前 S期长度比较

第40页：前期I的五个阶段

前期 I分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，终变期等五个阶段

• 形成联会复合体(Synaptonemal Complex,SC)
• 同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组合减数分裂的特点

第41页：细胞周期调控系统的作用

• 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)
• 确保每一时相事件的全部完成(负调控)
• 对外界环境因子起反应(如多细胞生物对增殖信号的反应)一、细胞周期调控系统的主要作用

第42页：细胞周期检验点

二、细胞周期检验点(checkpoint)

• 细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制,主要是确保周期每一时相事件的有序、全部完成并与外界环境因素相联系。
• 细胞周期检验点及其作用 G1期检验点：酵母—Start；动物细胞—Restriction Point

第43页：MPF导览

• 三、MPF(Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor)
• MPF的发现及其生化实质
• Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能

第44页：MPF的发现及其生化实质

MPF的发现及其生化实质

• 细胞融合与 PCC(Prematurechromosomalcondense)
• 爪蟾卵子成熟过程
• MPF的发现
• MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；由 M期 Cyclin-Cdk(Cyclin-dependentproteinkinase)形成的复合物。MPF=CDK1=p 34cdc 2+cyclin B

第45页：Cyclin-Cdk复合物的活化与功能

Mitotic Cyclin-Cdk复合物的活化与功能

• 活化随 Cyclin浓度变化而变化激酶与磷酸酶的调节，活化的 MPF可使更多的 MPF活化
• 功能：启动细胞从 G2期进入 M期的相关事件

第46页：Cyclin-Cdk复合物的多样性

四、Cyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转

• Cyclin-Cdk复合物的多样性 Cyclin-Cdk---调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白与不同的 CDK结合，构成不同的 Cyclin-Cdk；不同的 Cyclin-Cdk在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。
• G1 Cyclin-Cdk复合物对 Rb蛋白磷酸化而调控 G1检验点
• Mitotic Cyclin-Cdk复合物激活

第47页：不同生物的Cyclin-Cdk复合物

Cyclin-Cdk复合物的多样性：下表按细胞周期时相列出三类生物的主要组合。

说明：源文件该页为粘连文本，表格按时相与三类生物重新切分；裂殖酵母S期与G2/M期的原文写法均为CIG13-CDC2，未作改动，如需精确请对照原课件图版。

第48页：APC介导的选择性降解

• APC介导选择性降解的靶蛋白与 Ubiquitin结合(通过泛素依赖性途径降解)
• APC主要介导两类蛋白降解:Anaphase Inhibitors和 Mitotic Cyclin.前者维持姐妹染色单体粘连,抑制后期启动；后者的降解意味着有丝分裂即将结束，即染色体开始去凝集，核膜重建。
• Cdc 20和 Mad 2蛋白位于动粒上，

第49页：细胞周期运转的阻遏

五、细胞周期运转的阻遏(细胞周期运转的负调控)

• 细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转：Cdk抑制蛋白(CDI)阻止 Cyclin-Cdk复合物的装配或活性；周期调控系统组分停止合成。
• CDI包括 CIP/KIP家族和 INK4家族，其作用是抑制 Cyclin-Cdk复合物的装配或活性，而将细胞阻止在不同的检验点。如 DNA受损后，细胞将停留于 G1Checkpoint让 DNA修复或者凋亡

第50页：

第51页：

第52页：DNA与组蛋白协同合成实验

Experimental demonstration of the coordinated Synthesis of DNA and hitones.

第53页：

第54页：

第55页：

第56页：

第57页：

第58页：

第59页：

第60页：

第61页：

第62页：中期板形成与张力检验点

.MT behavior during formationof the metaphase plate.Initially,MT from oppositepoles are different in length.Experimental demonstration of the importance of mecha-nical tension in metaphase checkpoint control.

第63页：

第64页：

第65页：

第66页：

第67页：

第68页：

第69页：

第70页：

第71页：联会复合体的电镜图

a.Electron micrograph of SC of human pachytene bivalent.(K: kinetochore; arrow: recombination nodules);b.

第72页：

第73页：交换的形态学证据

Visible evidence of crossing over

第74页：

第75页：

第76页：PCC诱导实验

人 M期细胞与袋鼠（Ptk）G1、S、G2期细胞融合诱导 PCC：提示 M期细胞存在诱导 PCC的因子；

第77页：爪蟾卵母细胞与生发泡

处于第六期的爪蟾卵母细胞（RD前期 I），具 GV。

第78页：孕酮诱导与MPF注射实验

注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟卵细胞质中，含有卵母细胞成熟的因子，称做 MPF。

第79页：

第80页：

第81页：CDK1的调节与活化

CDK1的调节与活化; CAK=CDK1-Activiting Kinase

第82页：

第83页：

第84页：

第85页：

第86页：

第87页：

第88页：

第89页：

第90页：

第91页：

第92页：