1、精品文檔第十一章細胞周期及其調控（cellcycleandregulation）教學目的1、掌握細胞增殖的方式及特點2、了解細胞周期調控的機理教學內容本章從四個方面討論了細胞周期的機制：1 .細胞周期2 .細胞周期調控3 .有絲分裂4 .減數分裂計劃學時及安排5 章計劃4學時。教學重點和難點本章是細胞生物學的重點章節，2001年諾貝爾醫學和生理學獎頒給了在細胞周期研究中有巨大貢獻的三位科學家。細胞周期與細胞分裂是細胞的生長和增殖的生命活動，與癌的發生有密切關系。1 .將細胞周期分為兩個主要的時期：有絲分裂期（M期）和分裂間期。根據新細胞從開始生長到分裂前止的分裂間隔期中的生理和生化變化，可將分

2、裂間期分為：G1期、S期、G2期。學習和掌握細胞周期的動態關系和基本過程是本節的重點。2 .細胞周期受到嚴格的控制。細胞周期的調控機制最早是從酵母中獲得突破，發現了細胞周期蛋白和周期蛋白依賴性蛋白激酶，它們控制著細胞周期的進程。細胞周期的控制有兩個主要事件，一個是對DNA復制起始的控制，發生在G1期，該控制點稱為START。第二個事件是對有絲分裂起始的控制，發生在G2期和M期之間。3 .有絲分裂是細胞周期的絲裂期（M期）進行的分裂活動。在這個時期，通過紡錘絲的形成和運動以及染色體的形成，把在S期已經復制好了的DNA平精品文檔精品文檔均分配到兩個子細胞，以保證遺傳的連續性和穩定性。此節的重點是學

3、習和掌握染色體分離的機制。4 .減數分裂是生殖細胞產生配子的分裂，包括兩次連續的有絲分裂，形成4個單倍體的子細胞。相繼的兩次分裂分別稱為減數分裂I和減數分裂n。難點是減數分裂I的染色體行為，在此過程中發生了分子水平的重組和染色體組的重組。5 .本章的核心內容是細胞周期調控和染色體在細胞分裂中的分離機制?？赏ㄟ^對有絲分裂和減數分裂的比較加深對染色體行為的認識和理解。教學方法講授與討論教學過程細胞增殖(cellproliferation)的意義：1 .細胞增殖(cellproliferation)是細胞生命活動的重要特征之一，是生物繁育的基礎。2 .單細胞生物細胞增殖導致生物個體數量的增加。3 .

4、多細胞生物由一個單細胞(受精卵)分裂發育而來，細胞增殖是多細胞生物繁殖基礎。4 .成體生物仍然需要細胞增殖，主要取代衰老死亡的細胞，維持個體細胞數量的相對平衡和機體的正常功能。5 .機體創傷愈合、組織再生、病理組織修復等，都要依賴細胞增殖。第一節細胞周期與細胞分裂(cellcycleandcelldivision一、細胞周期概述(ThecellcyclesummarizeS1.細胞周期概念：指通過細胞分裂產生的新細胞的生長開始到下一次細胞分裂形成子細胞結束為止所經歷的過程稱為細胞周期.分為：物質積累期和細胞分裂期。細胞周期時相組成間期(interphase*G1phase,SphaseG2ph

5、ase分裂間期，即新細胞的生長期，可分為：精品文檔精品文檔G1期（Gap1phase即從M期結束到S期開始前的一段間歇期；S期,即DNA合成期（DNAsyntheticphase）;G2期（G2phase）即DNA合成后（S期）到有絲分裂前的一個間歇期。Mphase：包括有絲分裂期（Mitosis）和胞質分裂期（Cytokinesis）0細胞沿著GS-G2M>G1周期性運轉，在間期細胞體積增大（生長）,在M期細胞先是核分裂，接著胞質分裂，完成一個細胞周期。細胞周期時間不同細胞的細胞周期時間差異很大S+G2+M的時間變化教小，細胞周期時間長短主要差別在G1期有些分裂增殖的細胞缺乏G1、G2

6、期某些真核生物的細胞周期時間細胞類型細胞周期時間早期的蛙胚細胞30分鐘酵母細胞1.53小時腸表皮細胞12小時培養的哺乳動物成纖維細胞20小時人的肝細胞1年細胞周期的類型真核生物細胞分為三類：持續分裂細胞，又稱周期性細胞，即在細胞周期中連續運轉的細胞。G0細胞，又稱休眠細胞，暫時脫離細胞周期，但在某些條件的誘導下重新進入細胞周期。終端分化細胞，即永久性失去了分裂能力的細胞2.細胞周期中各個不同時相及其主要事件G1期G1期是從有絲分裂完成到DNA復制前的一段時期，又叫合成前期。此期主要合成rRNA、蛋白質、脂類和碳水化合物。S期即DNA合成期。精品文檔精品文檔包括DNA合成、組蛋白的合成，DNA復

7、制所需酶的合成。DNA復制時，不同序列的復制先后是不同的：常染色質：先；異染色質：后；能轉錄的DNA:先；不能轉錄的DNA:后；GC含量高：先；AT含量高：后；(3) G2期是DNA合成的后期。大量合成ATP、RNA、蛋白質，包括微管蛋白和成熟促進因子MPF(maturationpromotingfactor)等，為有絲分裂作準備。M期M期即細胞分裂期，真核細胞的細胞分裂主要包括兩種方式，即有絲分裂(mitosis)和減數分裂(meiosis)。遺傳物質和細胞內其他物質分配給子細胞。過程：從細胞分裂開始到結束所經歷的過程，也就是從染色體的凝縮、分離到平均分配到兩個子細胞為止。特點：RNA合成停

8、止，蛋白質合成減少，以及染色體高度螺旋化。結果：分裂后，S期合成的DNA減半。3 .細胞周期長短測定脈沖標記DNA復制和細胞分裂指數觀察測定法流式細胞儀測定法(FlowCytometry)縮時攝像技術，可以得到準確的細胞周期時間及分裂問期和分裂期的準確時間。4 .細胞周期同步化自然同步化，如有一種粘菌的變形體plasmodia,某些受精卵早期卵裂人工選擇同步化有絲分裂選擇法：用于單層貼壁生長細胞。優點是細胞未經任何藥物處理，細胞同步化效率高。缺點是分離的細胞數量少。密度梯度離心法：根據不同時期的細胞在體積和重量上存在差別進行分離。優點是方法簡單省時，效率高，成本低。缺點是對大多數種類的細胞并不

9、適用。藥物誘導法DNA合成阻斷法一G1/STdR雙阻斷法：最終將細胞群阻斷于G1/S交界處。優點是同步化效率高，幾乎適合于所有體外培養的細胞體系。缺點是誘導過程可造成細胞非均衡生長分裂中期阻斷法：通過抑制微管聚合來抑制細胞分裂器的形成，將細胞精品文檔精品文檔阻斷在細胞分裂中期。優點是操作簡便，效率高。缺點是這些藥物的毒性相對較大條件依賴性突變株在細胞周期同步化中的應用：將與細胞周期調控有關的條件依賴性突變株轉移到限定條件下培養，所有細胞便被同步化在細胞周期中某一特定時期5.特異的細胞周期特異的細胞周期是指那些特殊的細胞所具有的與標準的細胞周期相比有著鮮明特點的細胞周期。爪蟾早期胚胎細胞的細胞周

10、期細胞分裂快，無G1期，G2期非常短,S期也短（所有復制子都激活）,以至認為僅含有S期和M期無需臨時合成其它物質子細胞在G1、G2期并不生長，越分裂體積越小細胞周期調控因子和調節機制與一般體細胞標準的細胞周期基本是一致的酵母細胞的細胞周期酵母細胞的細胞周期與標準的細胞周期在時相和調控方面相似，酵母細胞周期明顯特點：酵母細胞周期持續時間較短；封閉式細胞分裂，即細胞分裂時核膜不解聚；紡錘體位于細胞核內；在一定環境下，也進行有性繁殖植物細胞的細胞周期植物細胞的細胞周期與動物細胞的標準細胞周期非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四個時期。植物細胞不含中心體，但在細胞分裂時可以正常組裝紡錘體。植物細

11、胞以形成中板的形式進行胞質分裂細菌的細胞周期慢生長細菌細胞周期過程與真核細胞周期過程有一定相似之處。其DNA復制之前的準備時間與G1期類似。分裂之前的準備時間與G2期類似。再加上S期和M期，細菌的細胞周期也基本具備四個時期。細菌在快速生長情況下，如何協調快速分裂和最基本的DNA復制速度之間的矛盾細胞分裂分為：無絲分裂（am讓osis）有絲分裂（mitosis）精品文檔精品文檔減數分裂(meiosis)。無絲分裂(amitosis)：又稱為直接分裂(directdivision),由雷馬克(R.Remark)1841年首次發現于雞胚血細胞。主要表現為細胞核伸長，從中部縊縮，然后細胞質分裂，期間不

12、涉及紡錘體形成及染色體變化，因此稱為無絲分裂。有絲分裂(mitosis)：又稱為間接分裂(indirectdivision),由W.Fleming(1882)年首次發現于動物及E.Strasburger(1880)年發現于植物。特點是有紡錘體的出現和染色體的變化，最終子染色體被平均分配到子細胞，這種分裂方式普遍見于高等動植物減數分裂(meiosis)是指染色體復制一次而細胞連續分裂兩次的分裂方式，是高等動植物配子體形成的分裂方式。二、有絲分裂(mitosis特點：有絲分裂保證了攜帶遺傳信息的染色體一代代以相同的染色體數目傳遞下去，從而維持了遺傳的穩定性。過程：分裂間期和分裂期，其中分裂期包括前

13、期、前中期、中期、后期、末期、胞質分裂期6個階段。1 .前期(prophase)標志前期開始的第一個特征是染色質開始濃縮(condensation用成有絲分裂染色體(mitoticchromosome)這種染色體由兩條染色單體(chromatid)構成在前期末，染色體主縊痕部位形成一種蛋白復物稱為動粒(kinetochore)第二個特征細胞骨架解聚，有絲分裂紡錘體(mitoticspindle)開始裝配，問期動物細胞含一個MTOC,即中心體，在S期末，兩個中心粒在各自垂直的方向復制出一個中心粒，形成兩個中心體。當前期開始時，2個中心體移向細胞兩極，并同時組織微管生長，由兩極形成的微管通過微管結

14、合蛋白在正極末端相連，最后形成有絲分裂紡錘體。Golgi體、ER等細胞器解體，形成小的膜泡2 .前中期(prometaphase)核膜破裂成小的膜泡，這一過程是由核纖層蛋白中特異的Ser殘基磷酸化導致核纖層解體精品文檔精品文檔紡錘體微管與染色體的動粒結合，捕捉住染色體每個已復制的染色體有兩個動粒，朝相反方向，保證與兩極的微管結合；紡錘體微管捕捉住染色體后，形成三種類型的微管。不斷運動的染色體開始移向赤道板。細胞周期也由前中期逐漸向中期運轉。3 .中期(metaphase)所有染色體排列到赤道板(MetaphasePlate)上，標志著細胞分裂已進入中期是什么機制確保染色體正確排列在赤道板上？著

15、絲粒微管動態平衡形成的張力4 .后期(anaphase)排列在赤道面上的染色體的姐妹染色單體分離產生向極運動后期(anaphase)t致可以劃分為連續的兩個階段，即后期A和后期B后期A,動粒微管去裝配變短，染色體產生兩極運動后期B,極間微管長度增加，兩極之間的距離逐漸拉長，介導染色體向極運動5 .末期(telophase)染色單體到達兩極，即進入了末期(telophase，到達兩極的染色單體開始去濃縮。核膜開始重新組裝。Golgi體和ER重新形成并生長。核仁也開始重新組裝，RNA合成功能逐漸恢復，有絲分裂結束。6 .胞質分裂(cytokinesis)期將細胞膜、細胞骨架、細胞器以及可溶性蛋白質

16、等分配給兩個子細胞稱為胞質分裂。三、胞質分裂(Cytokinesis1 .動物細胞胞質分裂胞質分裂(cytokinesis)開始于細胞分裂后期，在赤道板周圍細胞表面下陷，形成環形縊縮，稱為分裂溝(furrow)。分裂溝的位置與紡錘體極性微管和鈣離子濃度升高的變化有關胞質分裂開始時，大量肌動蛋白和肌球蛋白在中體處組裝成微絲并相互組成微絲束，環繞細胞，稱為收縮環(contractilering)。收縮環收縮、收縮環處細胞膜融合并形成兩個子細胞。2 .植物細胞胞質分裂精品文檔精品文檔與動物細胞胞質分裂不同的是，植物細胞胞質分裂是因為在細胞內形成新的細胞膜和細胞壁而將細胞分開。有絲分裂的機理紡錘體微管

17、的類型及其形成紡錘體又稱有絲分裂器(mioticapparatus),它是在有絲分裂期間,從中心粒形成的各種微管。包括動粒粒微管、極微管、星體微管等，功能是將遺傳物質均等分配到兩個子細胞。核的解體與重建機理核解體H1組蛋白和核纖層蛋白的磷酸化導致染色體的凝集和核膜的解體，它們的磷酸化作用主要由激活的MPF催化的。核重建核重建是核解體的相反過程，前期磷酸化的核纖層蛋白經去磷酸化后重新形成核纖層。后期A與后期B在有絲分裂過程中染色體被拉向兩極是受兩種力的作用：一種是動粒微管去裝配產生的拉力，另一種是極微管的聚合產生的推力。有絲分裂的后期可分為兩個階段：后期A和后期Bo在后期A,染色體運動的力主要是

18、由動粒微管的去裝配產生的，此時的染色體運動稱為向極運動。在后期B,染色體運動的力主要是由極微管的聚合產生的，此時的運動稱為染色體極分離運動。紡錘體微管運動機理后期A:微管去聚合作用假說紡錘體微管滑動假說胞質分裂的機制胞質分裂是一個信號誘導的過程，由星微管傳遞的，說明胞質分裂是由星微管決定的。星微管傳遞的信號決定肌動蛋白在分裂細胞中間裝配成收縮環。四、減數分裂(Meiosis)精品文檔精品文檔1 .減數分裂概念與過程：概念：減數分裂是細胞僅進行一次DNA復制，隨后進行兩次分裂，染色體數目減半的一種特殊的有絲分裂。減數分裂過程減數分裂間期：S期持續的時間比較長，并且DNA進行不完全復制，復制總量的

19、99.7%99.9%。減數分裂分裂期：減數分裂期I:前期I、中期I、后期I、末期I。減數分裂期n：前期r、中期r、后期r、末期r。第一次減數分裂：兩個主要特點：一對同源染色體分開，分別進入兩個子細胞，同源染色體分開之前通常要發生交換和重組。在染色體組中，同源染色體的分離是隨機的，也就是說染色體組要發生重組合。 前期I特點：持續時間長、胞核顯著增大、同源染色體進行配對、交換等。類型：細線期偶線期粗線期雙線期終變期 細線期(leptotenestage)又稱凝集期(condensationstage),染色質在凝集前已復制，呈單條細線狀，看不到成雙的結構染色體。在電子顯微鏡下，可觀察到染色體是由兩

20、條染色單體構成的。 偶線期(zygotenestage)染色質進一步凝集，同源染色體(homologouschromosomes發生配對，稱為聯會(synapsis)所以此期又稱配對期(pairingstage)。 粗線期(pachytenestage,pachynema)又稱重組期(recombinationstage)染色體明顯變粗變短，結合緊密，此期染色體形態是一個明顯的四分體。 雙線期(diplotenestage)精品文檔精品文檔此期染色體長度進一步變短，聯會復合體因發生去組裝而逐漸消失，緊密配對的同源染色體相互分開，而在非姊妹染色單體之間有交叉(chiasmaj)。 終變期(dia

21、kinesis)又稱再凝集期(recondensationstage)染色質又被包裝壓縮成染色體。大多數核仁消失，四分體均勻地分布在核中，姐妹染色單體通過著絲粒連接在一起。 中期I紡錘體侵入核區，分散于核中的四分體開始向四分體的中部移動；此時四分體上有四個著絲點，一側紡錘體只和同側的兩個著絲點相連。最后染色體排列在赤道板上。 后期I同源染色體在兩極紡錘體的作用下分開，并逐漸移向兩極。由于每條染色體仍含有兩條染色單體，因而每個極仍含有兩套染色體。 末期I及分裂間期在末期I,每一個極接受一套隨機組合的染色體組。兩次減數分裂之間的時期稱為分裂間期(interkinesis),是一個極短的時期。第二次

22、減數分裂：通過分裂間期即進入第二次減數分裂。最后形成四個單倍體細胞。前期核被膜解體，重新包裝壓縮染色體；中期H：染色體排列在赤道板，姐妹染色單體中的動粒被兩極的紡錘體結合；后期H：著絲粒對稱斷裂，姐妹染色單體被拉向兩極；末期H：染色體完全移到兩極，開始去凝集，并重新形成核膜。2 .減數分裂與有絲分裂的比較共同點：都是通過紡錘體同染色體的相互作用進行細胞的分裂。不同點：有絲分裂是體細胞的分裂方式，減數分裂主要是細胞產生配子的過程(生殖細胞也有有絲分裂)。有絲分裂是一次細胞周期，DNA復制一次，分裂一次，染色體由2n-2n;減數分裂是兩次細胞周期，DNA復制一次，細胞分裂兩次，染色體由2n1n0有

23、絲分裂中，每個染色體是獨立活動；在減數分裂中，染色體要配對、聯會、交換和交叉。有絲分裂之前，經DNA合成，進入G2期后才進行有絲分裂；減數分裂之前，DNA合成時間很長(99.7%合成，0.3%未合成)，一旦合成，即進入減數分裂期，G2期短或沒有。有絲分裂時間短，1-2小時；減數分裂時間長，幾十小時至幾年。精品文檔精品文檔3 .減數分裂的意義確保世代間遺傳的穩定性；增加變異機會，確保生物的多樣性，增強生物適應環境變化的能力。減數分裂是生物有性生殖的基礎，是生物遺傳、生物進化和生物多樣性的重要基礎保證。4 .脊椎動物配子發生過程第二節細胞周期調控(Regulationandcontrolofcel

24、lcycle、細胞周期調控系統的主要作用(Themainactionofcellcycleregulatesandcontrolsystem1 .在適當時候激活細胞周期各個時相的相關酶和蛋白，然后自身失活(正調控)2 .確保每一時相事件的全部完成(負調控)3 .對外界環境因子起反應(如多細胞生物對增殖信號的反應)、細胞周期檢驗點(CellcycleCheckpoint1 .細胞周期檢驗點是細胞周期調控的一種機制，主要是確保周期每一時相事件的有序、全部完成并與外界環境因素相聯系2 .細胞周期檢驗點及其作用G1期檢驗點：酵母Start;動物細胞RestrictionPointMPFMaturati

25、on-promotingfactor&Mitosis-promotingfactor1. MPF(Maturation-promotingfactor,Mitosis-promotingfactor)的發現及其生化實質細胞融合與PCC(Prematurechromosomalcondense)爪蟾卵子成熟過程MPF的發現稱為M-期促進因子(M-phasepromotingfactor,MPF),后來稱為成熟促進因子。 MPF首先發現于蛙的卵細胞。MPF的結構： MPF:異質二聚體；精品文檔精品文檔催化亞基：將磷酸基團從ATP轉移到特定底物的絲氨酸和蘇氨酸殘基上，這種蛋白激酶后來被稱為周

26、期蛋白依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,Cdks);調節亞基：周期蛋白(cyclin)。周期蛋白的結構特點蛋白的氨基酸序列中，靠近N端都有一個稱為破壞框(destructionbox)的同源區。有絲分裂周期蛋白在遍在蛋白介導下降解促使細胞退出有絲分裂。2. MitoticCyclin-Cdk復合物的活化與功能活化隨Cyclin濃度變化而變化激酶與磷酸酶的調節，活化的MPF可使更多的MPF活化功能：啟動細胞從G2期進入M期的相關事件四、細胞周期的調控真核生物細胞周期調控的一般模型真核細胞主要通過三類周期蛋白-Cdk復合物的作用，控制細胞周期，分別是：G

27、1期、S期和有絲分裂Cdk復合物。 細胞周期中三個關鍵的過渡，即G1期-S期、中期-后期、后期-末期及胞質分裂期的過渡。裂殖酵母的細胞周期調控裂殖酵母是研究細胞周期的極好材料，因為酵母中與細胞周期相關基因的突變很容易被識別：如細胞的溫度敏感突變。Cdc2蛋白又稱為p34cde2蛋白。裂殖酵母的Cdc2-Cdc13相當于非洲爪蟾的MPF。芽殖酵母的細胞周期調控 芽殖酵母(S.cerevisiae是以出芽的方式進行增殖的. 芽殖酵母在G1期發動細胞周期的點稱為起點(START)0哺乳動物細胞周期的控制哺乳動物的細胞周期受一個小型Cdks家族的調節。分別命名為Cdk1、Cdk2、Cdk3等細胞周期的

28、關卡(checkpoint)細胞周期中的三個主要關卡： G1期關卡:新生的細胞生長的是否足夠大、內部環境(包才SrRNA和蛋白質精品文檔精品文檔的合成）是否合適。 G2關卡:DNA是否正確復制和是否復制完全、細胞是否生長得足夠大 中期關卡：控制染色體是否完全分離。五、Cyclin-Cdk復合物的多樣性及細胞周期運轉PolymorphismofCyclin-Cdk'scomplexandcellcyclerun1. Cyclin-Cdk復合物的多樣性Cyclin-Cdk-調控細胞周期的引擎：不同的周期蛋白與不同的CDK結合，構成不同的Cyclin-Cdk；不同的Cyclin-Cdk在不同的時相表現活性，影響不同的下游事件。2. G1Cyclin-Cdk復合物對Rb蛋白磷酸化而調控G1檢驗點3. MitoticCyclin