細胞生物學[第十二章細胞增殖及其調控]課程預習

第十二章 細胞增殖及其調控 一、細胞周期概述 (一)細胞周期 細胞周期是指細胞從一次有絲分裂結束到下一次有絲分完成所經歷的一個有序過程。其間細胞遺傳物質和其他內含物分配給子細胞。 細胞周期時相組成：間期(inter phase)：G1期、S期、G2期；有絲分裂期(mitosis phase)：M期；胞質分裂期(cytokinesis)。 細胞沿著G1SG2MG1周期性運轉，在問期細胞體積增大(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的時間變化較小，細胞周期時間長短主要差別在G1期。 根據(jù)增殖狀況，細胞分類三類：連續(xù)分裂細胞(cycling cell)、休眠細胞(G0細胞)和終末分化細胞。 (1)連續(xù)分裂細胞這類細胞始終保持旺盛的增殖活性，不停地通過G1期及細胞周期各時期，完成細胞分裂，稱為增殖細胞。這類細胞代謝水平高，對環(huán)境信號敏感，分化程度都比較低，如：胚胎早期的細胞、造血干細胞、上皮基底細胞，它們對機體的建立和組織的更新起了十分重要的作用。 (2)休眠細胞這類細胞可長期停留在G1早期而不越過R點，處于增殖靜止狀態(tài)。它們合成具有特殊功能的RNA和蛋白質，使細胞的結構和功能發(fā)生分化，但這類細胞并未喪失增殖能力，在一定條件下可以恢復其增殖狀態(tài)，但需要經過較長的恢復時間。通常把這類細胞稱為G0期細胞。如：肝、腎的實質細胞、血液中的淋巴細胞都屬于這類細胞。它們通常處于G0狀態(tài)，當組織受到損傷或激素的刺激時可重新進入細胞增殖周期。細胞遺傳學中常用PHA(植物凝集素)來刺激處于G0狀態(tài)的淋巴細胞進入細胞周期，從而獲得大量分裂期細胞來制備染色體。 (3)終末分化細胞這類細胞的結構和功能發(fā)生高度分化，已經喪失增殖能力，終生處于G0期，直到衰老死亡。如：人的紅細胞、神經元細胞和骨骼肌細胞等。 (二)細胞周期中各個不同時期及其主要事件 (1)G1期(DNA合成前期)。 從細胞分裂完成到DNA合成開始前的階段。是DNA合成前的準備時期，也是細胞生長的主要階段。G1早期由于細胞大量合成RNA和進行核糖體組裝，導致結構蛋白和酶的形成，這些酶控制著用于形成新細胞成分的代謝活動。進入G1后期，則主要合成DNA復制所需的前體物質和酶類，如脫氧核苷酸及胸苷激酶等。這一時期細胞體積增大，核仁增大。DNA含量是2c(content)。 (2)S期(DNA合成期)。 從DNA合成開始到DNA合成結束的全過程，一般是68小時。S期是DNA進行復制的階段，使體細胞的DNA含量由2C增加到4C。主要特點是進行DNA復制及合成與DNA復制相關的酶和組蛋白：如：胸苷激酶、胸苷酸合成酶、DNA聚合酶等。同時還合成組蛋白。 (3)C2期(DNA合成后期)。 從DNA合成結束到有絲分裂期開始之前的階段，是細胞進入有絲分裂前的準備時期。主要特點是有絲分裂促進因子(M-phase promoting factor，MPF)的活化和微管蛋白等有絲分裂器組分的合成，為進入M期作準備。人體細胞的G2期一般要經歷25小時。 (4)M期(有絲分裂期)。 有絲分裂是遺傳傳物質已經復制完備的母細胞，進一步將染色質加工、包裝成染色體，并把它們均等地分配給成兩個子細胞的過程。 (三)細胞周期長短測定 細胞周期的測定方法有： (1)脈沖標記DNA復制和細胞分裂指數(shù)觀察測定法。 (2)流式細胞儀分選測定法。 (四)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： (1)DNA合成阻斷法； (2)分裂中期阻斷法； (3)條件依賴性突變株在細胞周期同步化中的應用。 (五)特殊的細胞周期 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。例如早期胚胎細胞的細胞周期、酵母細胞的細胞周期、植物細胞的細胞周期、細菌的細胞周期。 二、細胞分裂 (一)有絲分裂 1有絲分裂過程 根據(jù)該過程出現(xiàn)的形態(tài)學特征，可劃分為前期、中期、后期和末期四個時期。 (1)前期(prophase)。這一時期的主要表現(xiàn)是染色體的凝集，分裂極的確定的和核膜、核仁的解體。 (2)前中期(prometaphase)。指由核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorial plane)這一階段。 (3)中期(metaphase)。染色體最大程度地壓縮，呈現(xiàn)出典型的中期染色體形態(tài)特征。 (4)后期(anaphase)。染色體的著絲粒發(fā)生斷裂，姐妹染色單體在紡錘絲的牽引下分別移向兩極。 (5)末期(telophase)。染色體到達細胞兩極，即進入未期。此時染色體開始解旋伸展變?yōu)榧毥z，最后恢復成染色質狀態(tài)。同時，核纖層蛋白去磷酸化，子細胞核膜重建。染色質上的核仁組織區(qū)也進行rRNA轉錄，進行核糖體亞單位的裝配，核仁重新出現(xiàn)。 (6)細胞質分裂(cytokinesis)。 動物細胞胞質分裂：兩個子細胞核形成后，細胞膜從中部凹陷形成分裂溝(furrow)，繼而細胞質分割成兩部分，形成兩個子細胞。新形成的兩個子細胞進入新的細胞周期。 植物細胞胞質分裂：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。 2與有絲分裂直接相關的亞細胞結構 (1)中心體(centrosome)是一種與微管裝配和細胞分裂密切相關的細胞器。 中心體的組成：中心粒+周圍的無定型物質。 中心粒組成：中心粒呈圓筒狀結構，圓筒的壁由9組三聯(lián)微管構成。中心體與四射的微管合 稱為星體。當細胞走向分裂時，星體參與裝配紡錘體。 中心體(或中心粒)周期(eentrosome cycle，centriole cycle)。 中心粒的復制：G1期末到S期復制；晚G2期到M期，子中心粒長大并逐漸分離；有絲分裂前期分離成為一個生長輻射狀微管的核心。 (2)動粒(kinetochore，又稱著絲點)。動粒外側主要用于紡錘體微管附著，內側與著絲粒相互交織。細胞進入S期后，動粒再次復制。 動粒在細胞分裂過程中起到相當重要的作用：染色體依靠動粒捕捉由紡錘體極體發(fā)出的微管。沒有動粒的染色體不能與紡錘體微管發(fā)生有機聯(lián)系，也不能和其他染色體一起向兩極運動。用藥物caffeine處理細胞，可以使動粒與染色體脫離，等到分裂期，動粒則單獨向兩極移動。 (3)紡錘體(spindle)。主要由微管和微管結合蛋白組成，兩端為星體，紡錘體的微管分為三種類型，即動粒微管、極性微管和星體微管。動粒微管的一端與中心體相連，另一端與動粒相連。極性微管的一端與中心體相連，而另一端游離。 有絲分裂器(mitotic apparatus)：由中心體、紡錘體和染色體和共同組成的暫時性結構。它是在細胞分裂過程中專門執(zhí)行有絲分裂功能的結構，在維持染色體的平衡、運動以及均等分配過程中起著極為重要的作用。 3有絲分裂過程中染色體運動的動力機制 (1)染色體列隊。 1)牽拉假說：認為染色體向赤道板的運動，是由于動粒微管的牽拉，動粒微管越長，拉力越大，當兩極動粒微管拉力相等時，染色體便穩(wěn)定在赤道板上。 2)外推假說：認為染色體向赤道方面的運動，是由于二個星體的排斥將染色體外推的結果，染色體距中心體越近，星體的推力越強，當來自兩極推力達到平均時，染色體被穩(wěn)定在赤道板上。 (2)染色體分離機制。 1)后期A：動粒微管逐漸變短，將染色體移向兩極。動粒微管的縮短，是由于動粒端微管蛋白解聚造成的，蛋白解聚又是由于dynein蛋白拖著動粒盤向著極部運動引起的。 2)后期B：極性微管不斷增長，使兩極間距離逐漸拉長。在后期B，Kinesin蛋白與來自一端的極性微管結合，同時與來自另一端的極性微管搭橋，當Kinesin蛋白帶著連接的微管沿著另一根微管向著正極運動時，可使兩根微管之間產生相互滑動，由此使兩極間的距離逐漸變長。 (二)減數(shù)分裂 1減數(shù)分裂概念 減數(shù)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(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂。用以形成配子。 2減數(shù)分裂過程 (1)減數(shù)分裂I。 1)前期I。減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在前期I，通常人為劃分為5個時期：細線期(leptotene)、合線期(zygotene)、粗線期(pachytene)、雙線期(diplotene)、終變期(diakinesis)。必須注意的是這5個階段本身是連續(xù)的，它們之間并沒有截然的界限。 2)中期I。核仁消失，核被膜解體，標志進入中期I，中期I的主要特點是染色體排列在赤道面上。每個二價體有4個著絲粒、姊妹染色單位的著絲粒定向于紡錘體的同一極，故稱聯(lián)合定向 (co-orientation)。 3)后期I。二價體中的兩條同源染色體分開，分別向兩極移動。由于相互分離的是同源染色體，所以染色體數(shù)目減半。但每個子細胞的DNA含量仍為2C。同源染色體隨機分向兩極，使母本和父本染色體重所組合，產生基因組的變異。 4)末期I。染色體到達兩極后，解旋為細絲狀、核膜重建、核仁形成，同時進行胞質分裂。 5)減數(shù)分裂間期。在減數(shù)分裂I和之間的問期很短，不進行DNA的合成，有些生物沒有問期，而由末期I直接轉為前期。 (2)減數(shù)分裂。可分為前、中、后、末四個四期，與有絲分裂相似。通過減數(shù)分裂一個精母細胞形成4個精子。而一個卵母細胞形成一個卵子及23個極體。 3減數(shù)分裂特點和意義。 減數(shù)分裂特點：遺傳物質只復制一次，細胞連續(xù)分裂兩次，導致染色體數(shù)目減半；s期持續(xù)時間較長；同源染色體在減數(shù)分裂期I配對聯(lián)會、基因重組；減數(shù)分裂同源染色體配對排列在中期板上，第一次分列時，同源染色體分開。 減數(shù)分裂的意義：確保世代間遺傳的穩(wěn)定性；增加變異機會，確保生物的多樣性，增強生物適應環(huán)境變化的能力；減數(shù)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。 三、細胞周期的調控 (一)MPF的發(fā)現(xiàn)及其作用 1970年，Johnson和Rao將HeLa細胞同步化在細胞周期中的不同階段，然后將M期細胞與其他問期細胞在仙臺病毒介導下融合，并繼續(xù)培養(yǎng)一定時間。他們發(fā)現(xiàn)，與M期細胞融合的間期細胞發(fā)生了形態(tài)各異的染色體凝集，稱之為早熟染色體凝集(PCC)。不同時相的見其細胞與M期細胞融合，產生的：PCC形態(tài)各異。 1971年，Masui和Markert用非洲爪蟾卵做實驗，明確提出了MPP這一概念；1988年，Maller實驗室分離出毫克級的純化MPF，并證明其主要含p32和p45兩種蛋白，它們結合后表現(xiàn)出蛋白激酶活性。 (二)p34cdc2激酶的發(fā)現(xiàn)及其與MPF的關系 與此同時，科學家通過對裂殖酵母和芽殖酵母的突變體分析，發(fā)現(xiàn)了一種p34 cdc2激酶，并證明p34 cdc2跟MPF中的p32是同源物。 MPP的化學成分被證實含有兩個亞單位，即Cdc2蛋白和周期蛋白B，當二者結合之后，表現(xiàn)出蛋白激酶活性。 (三)周期蛋白 周期蛋白是一個家族，各個周期蛋白間具有一些共同的分子結構特點，如它們含有一段相當保守的氨基酸序列(約100個氨基酸)，稱為周期蛋白框(cyclin box)，該框介導周期蛋白與CDK激酶結合。 各個周期蛋白也有其特性：在細胞周期時相表達不同，其結構上也具有不同特性。G1期周期蛋白分子中不含有破壞框，但其C端含有一段特殊的PEST序列，該序列可能對G1期周期蛋白的降解起促進作用。不同的周期蛋白在細胞周期中表達的時期不同，并與不同的CDK激酶結合，調節(jié)不同的CDK激酶活性。 (四)CDK激酶和CDK激酶抑制物 CDK激酶是一個家族，其成員有CDK1(即Cdc2)、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6、CDK7、CDK8、CDK9。這個家族的成員含有兩方面的共同特點： (1)它們含有一段類似的CDK激酶結構域(CDK-kinase domain)，在該結構域中有一段保守序列，即PSTAIRE區(qū)域； (2)該序列可與周期蛋白框結合，并將周期蛋白作為其調節(jié)亞單位，進而表現(xiàn)出蛋白激酶活性。 CDK激酶抑制物(cyclin-dependent kinase inhibitors，CDK1)：除了周期蛋白和修飾性因子對CDK激酶活性進行調控外，細胞內還存在一些對CDK激酶活性起負性調控的蛋白。到目前為止，已經發(fā)現(xiàn)多種對CDK激酶起負性調控的CDK1，分別歸為Cip/Kip家族和INK4家族。Cip/Kip家族成員主要包括p21Cip/WAF1、p27Kip1和p57Kip2，p21Cip/WAF1等；INK4家族成員主要包括p16、p15、p18和p19等，p16為此家族的典型代表，p16主要抑制CDK4和CDK6激酶活性。 (五)細胞周期運轉調控 1以CDK1為例來看CDK激酶在細胞周期中視如何被激活并執(zhí)行調控功能： (1)CDK蛋白本身不具有蛋白激酶活性。 (2)當周期蛋白BA含量積累到一定值時，二者相互結合形成復合體，但不表現(xiàn)出激酶活性。 (3)在WeekMik1和CAK激酶的催化下CDKThr14、Tyr15、Thr161磷酸化，形成高度磷酸化的周期蛋白CDK復合體，但仍不具備激酶活性。 (4)在磷酸酶Cdc25的催化下，Thr14和Tyr15去磷酸化，CDK激酶活性才能表現(xiàn)出來。Thr161位點保持磷酸化狀態(tài)是CDK1激酶活性表現(xiàn)所必需的。 (5)CDK活化后，CDK1使底物蛋白磷酸化，如將組蛋白H1磷酸化導致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等下游細胞周期事件。 (6)分裂中期過后，周期蛋白降解，CDK失去活性。 2細胞周期調控系統(tǒng)的主要作用 (1)在適當時候激