第十一章 細(xì)胞增殖及其調(diào)控

1、Chapter 11 Cell proliferation and its regulationSignificance: 1. For the growth and development of a multicellular organism, and for the generation of offspring; 2. Produce new organisms in unicellular species; 3. Renew the aging, apoptotic cells, and damaged tissue; So, cell proliferation is one of

2、 the most important characters for lifeIf damaged seriously by UV, mouse will die within several days.Section 1. The cell cycle and proliferation1.The cell cycle （一）細(xì)胞周期時相組成及主要事件：1、 G1 phase: (gap1)，指從上一次細(xì)胞分裂完成之后開始到DNA復(fù)制之前的間隙時間。 從一次細(xì)胞分裂結(jié)束開始到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程，稱為細(xì)胞周期。事件：細(xì)胞體積增大，主要合成為S期DNA復(fù)制所必須的酶類。特別是DNA聚

3、合酶含量開始增加。2、S期(synthesis phase)，指DNA復(fù)制的時期。事件：完成DNA復(fù)制、組蛋白合成；染色質(zhì)在S期復(fù)制成完全相同的兩份。3、G2期(gap2)，指DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始之前的一段時間。事件：大量的RNA和蛋白質(zhì)合成（微管蛋白大量合成）， 有絲分裂因子合成。4、M期又稱D期(mitosis or division)，細(xì)胞分裂開始到結(jié)束。事件：細(xì)胞將遺傳物質(zhì)平均分配到兩個子細(xì)胞中。Eucaryotic(真核）真核） Cell Cycle A typical mammalian （哺乳動物）cell has a cell cycle time of 24 hour

4、s, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M ，人的細(xì)胞周期24h，G19h，M期30min，S期10h，G24.5。（二）特異的細(xì)胞周期1、早期胚胎細(xì)胞 卵細(xì)胞積累大量物質(zhì)，細(xì)胞體積增大；受精后快速卵裂，細(xì)胞周期較短。2、酵母細(xì)胞周期 芽殖酵母和裂殖酵母3、植物細(xì)胞周期4、細(xì)菌細(xì)胞周期（三）細(xì)胞類型 從增殖的角度來看，可將高等動物的細(xì)胞分為三類：周期中細(xì)胞（連續(xù)分裂細(xì)胞），如表皮生長層細(xì)胞、部分骨髓細(xì)胞。靜止細(xì)胞（休眠細(xì)胞 ）稱G0期細(xì)胞，如淋巴細(xì)胞、肝、腎細(xì)胞等。不分裂細(xì)胞（終末分化細(xì)胞），如神經(jīng)、肌肉細(xì)胞等。1、標(biāo)記有絲分裂百分率法（

5、percentage labeled mitoses，PLM） 利用放射標(biāo)記物3H或者14C標(biāo)記的TdR(胸腺嘧啶核苷），對測定細(xì)胞進行脈沖標(biāo)記、定時取材、利用放射自顯影技術(shù)顯示標(biāo)記細(xì)胞，通過統(tǒng)計標(biāo)記有絲分裂細(xì)胞百分?jǐn)?shù)的辦法來測定細(xì)胞周期。2、流式細(xì)胞分選儀測定法（四）細(xì)胞周期時間的測定（五）細(xì)胞周期同步化(synchronization) 1、自然同步化 多核體：如變形蟲。 某些水生動物的受精卵，如海膽、海參、兩棲類。 增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入適宜環(huán)境后，它們一起發(fā)芽，同步分裂。指在自然過程中發(fā)生或經(jīng)人為處理造成的細(xì)胞群處于細(xì)胞周期的同一個分裂時期。2 人工選擇同步化(

6、1)有絲分裂選擇法：M期細(xì)胞與培養(yǎng)皿的附著性低，振蕩脫離器壁收集。 優(yōu)點：操作簡單，同步化程度高，細(xì)胞不受藥物傷害。 缺點：獲得的細(xì)胞數(shù)量較少（分裂細(xì)胞約占1%-2%）。(2)細(xì)胞沉降分離法：M期細(xì)胞體積大，可用離心分離。優(yōu)點：可用于任何懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞。缺點：同步化程度較低。3、藥物誘導(dǎo)同步化1）DNA合成阻斷法：選用DNA合成的抑制劑 A：胸腺嘧啶核苷TdR. 使用過量的胸腺嘧啶核苷(Thymine Deoxyribonucleoside, TdR)只是暫時性地減慢DNA的合成，如果恰當(dāng)選擇TdR的濃度，當(dāng)去除TdR后，細(xì)胞能夠正常地生長、增殖和傳代，說明TdR對細(xì)胞的生理代謝的干擾是可逆的

7、。 B：羥基脲HU（可以阻止核苷酸還原為脫氧核苷酸，因而選擇性地抑制DNA的合成，能抑制胸腺嘧啶核苷酸摻入DNA )，可逆地抑制DNA合成。優(yōu)點：同步化程度高。 缺點：產(chǎn)生非均衡生長，個別細(xì)胞體積增大。2）中期阻斷法 用秋水仙素等細(xì)胞分裂抑制劑將細(xì)胞阻斷在中期。 優(yōu)點：操作簡單效率高，無非均衡生長現(xiàn)象。 缺點：藥物毒性較大。二、有絲分裂（一）與有絲分裂有關(guān)的亞纖維結(jié)構(gòu)（有絲分裂器）1、中心體2、動粒與著絲粒著著絲絲粒粒與與動動粒粒3、紡錘體 由微管和微管蛋白組成。 紡錘體微管分為： 動粒微管 極性微管 有絲分裂器（二）有絲分裂（二）有絲分裂過程過程1,21,2 1、前期 染色質(zhì)凝縮為染色體，

8、細(xì)胞器解體， 細(xì)胞骨架解聚。 分裂間期和前期2、前中期 核膜破裂，紡錘體開始裝配， 染色體縮短成X狀。3、中期 染色體排列到赤道板（equatorial plane）上（染色體列隊）；紡錘體出現(xiàn)紡錘樣；染色體濃縮程度最大。4、后期染色體的兩條染色單體分開并移向兩極，分為后期A、后期B兩個過程。 Anaphase A: separation of the sister chromatids. Anaphase B: separation of the poles. 5、末期染色單體到達兩極，動力微管消失，核膜核仁形成。6、胞質(zhì)分裂 通過收縮環(huán)收縮使胞質(zhì)完全分裂。三、 減數(shù)分裂（Meiosis）減

9、數(shù)分裂（meiosis）是有性生殖個體形成生殖細(xì)胞過程中發(fā)生的一種特殊分裂方式。經(jīng)兩 次細(xì)胞分裂，而DNA只復(fù)制一次，因此子細(xì)胞中染 色體數(shù)目減半（2n n）。 減數(shù)分裂的意義： 確保世代間穩(wěn)定的遺傳 增加變異機會，保證生物多樣性。 減數(shù)分裂是有性生殖的基礎(chǔ)，是生物遺傳生物進化和生物多樣性的重要基礎(chǔ)保證。(一)減數(shù)分裂前間期(premeiosis)分為G1期、S期和G2期。減數(shù)分裂的S期時間較長，只合成99.7%的DNA，約0.3%左右是在減數(shù)分裂前期合成的。(二)減數(shù)分裂過程1、減數(shù)分裂期前期1）細(xì)線期：染色質(zhì)凝集折疊螺旋為細(xì)線狀染色體，具有念珠狀的染色粒，染色體端粒通過接觸斑與核膜相連。2

10、）偶線期：亦稱合線期或配對期，發(fā)生同源染色體配對即聯(lián)會，同時合成約0.3%左右的DNA（稱為zyg-DNA）出現(xiàn)二價體（bivalent）和四分體（tetrad） 聯(lián)會復(fù)合體(synaptonemal complex，SC） 二價體：同源染色體配對以后兩條同源染色體緊密結(jié)合在一起形成的結(jié)構(gòu)為二價體。 四分體：由于二價體由兩條染色體構(gòu)成，共含有4條染色單體，又稱為四分體。 Synaptonemal(聯(lián)會復(fù)合體)：在聯(lián)會部位形成 一種特殊結(jié)構(gòu)，沿同源染色體縱軸分布，該結(jié)構(gòu)由蛋白質(zhì)構(gòu)成，可分為側(cè)生組分和中央組分，是一暫時性的結(jié)構(gòu)。聯(lián)聯(lián)會會復(fù)復(fù)合合體體重組節(jié)3）粗線期：同源染色體的非姊妹染色單體間發(fā)生

11、交換在光鏡下可看到交叉(chiasma)現(xiàn)象；合成減數(shù)分裂期專用的組蛋白。 4）雙線期：聯(lián)會的同源染色體相互排斥、開始分離，聯(lián)會復(fù)合體消失,同源染色體的四分體結(jié)構(gòu)趨于明顯。 5）終變期：染色體進一步濃縮，交叉端化,核仁此時開始消失。 中期I 核被膜解體，紡錘體形成，二價體排列在赤道面上。后期I 同源染色體在紡綞絲牽引下向兩極移動，非同源染色體自由組合。末期I 胞質(zhì)分裂I,兩極各得到n條染色體，數(shù)目由2nn。減數(shù)分裂間期，染色體不進行復(fù)制。2 減數(shù)分裂II可分為前、中、后、末四個四期，與有絲分裂相似。一個精母細(xì)胞形成4個精子；一個卵母細(xì)胞形成一個卵子及2-3個極體。Chromosome reco

12、mbination 1減數(shù)分裂Chromosome recombination 2Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23第二節(jié) 細(xì)胞周期調(diào)控一、細(xì)胞周期調(diào)控的作用1、激活相關(guān)酶進行自身調(diào)控(正調(diào)控）2、確保每一時相事件全部完成（負(fù)調(diào)控）3、對外界環(huán)境因子起反應(yīng)二、細(xì)胞周期檢驗點（一）檢驗點的意義 檢驗點的存在保證了在細(xì)胞繁殖過程中產(chǎn)生具有正常遺傳性能和生理功能的子細(xì)胞。 當(dāng)這種R點控制失調(diào)時即可引起各種染色體畸變，包括結(jié)構(gòu)和數(shù)目異常，以及染色體擴增等，這在癌細(xì)胞中經(jīng)常可以觀察到。是細(xì)胞周期調(diào)控的一種機制主要確保周期每一時相

13、事件有序全部完成，并與外界環(huán)境相聯(lián)系。（二）周期中的各個時相與（二）周期中的各個時相與檢驗點檢驗點G1/SG1/S檢驗點：檢驗點：DNADNA是否損傷？細(xì)胞外環(huán)境是否是否損傷？細(xì)胞外環(huán)境是否適宜？細(xì)胞體積是否足夠大？在酵母中稱適宜？細(xì)胞體積是否足夠大？在酵母中稱startstart點，在哺乳動物中稱點，在哺乳動物中稱R R點點(restriction (restriction point)point)。S S期檢驗點：期檢驗點：DNADNA復(fù)制是否完成？復(fù)制是否完成？G2/MG2/M檢驗點：檢驗點：DNADNA是否損傷？細(xì)胞體積是否足是否損傷？細(xì)胞體積是否足夠大？夠大？中中- -后期檢驗點：紡

14、錘體組裝檢驗點。后期檢驗點：紡錘體組裝檢驗點。三、MPF (maturation promoting factor） 1、MPF的發(fā)現(xiàn)： A：（細(xì)胞融合實驗）：早熟凝集染色體(prematurely condensed chromosome，PCC現(xiàn)象) Rao和Johnson(1970）將Hela細(xì)胞同步于不同階段，然后與M期細(xì)胞混合，在滅活仙臺病毒介導(dǎo)下，誘導(dǎo)細(xì)胞融合，發(fā)現(xiàn)與M期細(xì)胞融合的間期細(xì)胞產(chǎn)生了形態(tài)各異的早熟凝集染色體，這種現(xiàn)象叫做早熟染色體凝集。 B ：非洲爪蟾卵實驗是指M期細(xì)胞中存在的促進細(xì)胞分裂的因子。是一種使多種底物蛋白磷酸化的蛋白激酶，由M期周期蛋白(Cyclin)及周期

15、蛋白依賴性蛋白激酶（ Cyclin-dependent kinase CDK)組成的復(fù)合物。G G1 1期細(xì)胞與期細(xì)胞與M M期細(xì)胞融合期細(xì)胞融合G1期PCC為單線狀，因DNA未復(fù)制。S S期細(xì)胞與期細(xì)胞與M M期細(xì)胞融合期細(xì)胞融合S期PCC為粉末狀，因正在復(fù)制的DNA容易受損傷，是DNA斷裂的結(jié)果。G G2 2期細(xì)胞與期細(xì)胞與M M期細(xì)胞融合期細(xì)胞融合G2期PCC為雙線染色體，說明DNA復(fù)制已完成。非洲非洲爪蟾爪蟾卵細(xì)卵細(xì)胞提胞提取物取物注射注射實驗實驗孕酮Leland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2001年10月8

16、日美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy Hunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。2、MPF的作用促進染色體凝集H1和H3組蛋白磷酸化核纖層磷酸化核被膜裝配細(xì)胞相關(guān)的酶與蛋白質(zhì)磷酸化3、MPF的組成不同物種MPF的組成：裂殖酵母： MPFp34cdc2 p56cdc13芽殖酵母： MPFp34cdc28p56cdc13非洲爪蟾： MPFp32p45（周期蛋白） MPF的生化成分 MPF=p34cdc2（或p34cdc28）+clyclin B（周期蛋白） Cdc2（cell division cycle)為催化亞單位，是絲氨酸和蘇氨酸蛋

17、白激酶（又稱周期蛋白依賴性蛋白激酶，CDK激酶），周期蛋白為調(diào)節(jié)亞單位酵母酵母MPFMPF的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)CDK激酶 CDK激酶共有8種，Cdc2最早被發(fā)現(xiàn)被稱為CDK1，其他7種CDK2-CDK8,均含有一段相似的激酶結(jié)構(gòu)域，這一區(qū)域有一段保守序列，即PSTAIRE，與周期蛋白的結(jié)合有關(guān)。（2）細(xì)胞周期蛋白cyclin1983年首次發(fā)現(xiàn)，特點：在細(xì)胞周期中呈周期性變化。含有一段約100個氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白框，介導(dǎo)周期蛋白與CDK結(jié)合。作用：激活CDK，引導(dǎo)CDK作用于不同底物。已知30余種，在脊椎動物中為A1-2、B1-3、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等。分為4類：G1型、G

18、1/S型、S型、M型。Destruction Box in Cyclins三、細(xì)胞周期轉(zhuǎn)運調(diào)控1 1、G2/MG2/M期轉(zhuǎn)化與期轉(zhuǎn)化與CDK1CDK1激酶的關(guān)鍵性調(diào)控激酶的關(guān)鍵性調(diào)控作用。作用。G1期晚期合成期晚期合成S期含量增加期含量增加G2期末含量達最大并維持到期末含量達最大并維持到M期中期期中期活性出現(xiàn)活性出現(xiàn)CDK1激酶活性調(diào)控蘇氨酸酪氨酸蘇氨酸磷酸酶 2 2、M M期周期蛋白與分裂中期向后期轉(zhuǎn)化期周期蛋白與分裂中期向后期轉(zhuǎn)化 周期蛋白周期蛋白A A和和B B的降解通過泛素化（多遍在蛋白的降解通過泛素化（多遍在蛋白化，化，polyubiquitinationpolyubiquitina

19、tion）途徑實現(xiàn)。）途徑實現(xiàn)。泛素化過程由以下三種組分參與：泛素化過程由以下三種組分參與：活化酶活化酶(E1) 綴合酶綴合酶(E2) 連接酶連接酶(E3) 促后期復(fù)合物促后期復(fù)合物(anaphase-promoting complex, APC) Polyubiquitination細(xì)胞周期蛋白泛素后期促進因子蛋白酶體細(xì)胞周期蛋白降解的多肽泛素激活酶泛素結(jié)合蛋白中期中期晚后期晚后期末期末期間期間期前期前期G1后期起作用 泛素泛素(ubiquitin)是一種存在于大多數(shù)真核細(xì)胞中的小蛋白,由76個氨基酸組成。它的主要功能是標(biāo)記需要分解掉的蛋白質(zhì)，使其被水解。當(dāng)附有泛素的蛋白質(zhì)遇到蛋白酶的時候，蛋白酶就會將該蛋白質(zhì)水解。作用過程: 蛋白質(zhì)泛素化系統(tǒng)由3個組分構(gòu)成， 泛素激活酶E1，它可利用水解ATP釋放的能量以其胱氨酸殘基（Cys)的巰基與泛素C端的甘氨酸殘基（Gl