第十三章_細(xì)胞周期

1、第一節(jié)基本概念一、什么是細(xì)胞周期細(xì)胞周期指由細(xì)胞分裂結(jié)束到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程，所需的時間叫細(xì)胞周期時間。可分為四個階段（圖13-1）：G1期(gap1)，指從有絲分裂完成到期DNA復(fù)制之前的間隙時間；S期(synthesis phase)，指DNA復(fù)制的時期，只有在這一時期H3-TDR才能摻入新合成的DNA中；G2期(gap2)，指DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始之前的一段時間；M期又稱D期(mitosis or division)，細(xì)胞分裂開始到結(jié)束。圖13-1 細(xì)胞周期可劃分為四個階段從增殖的角度來看，可將高等動物的細(xì)胞分為三類：連續(xù)分裂細(xì)胞，在細(xì)胞周期中連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)因而又稱為周期細(xì)胞

2、，如表皮生發(fā)層細(xì)胞、部分骨髓細(xì)胞。休眠細(xì)胞暫不分裂，但在適當(dāng)?shù)拇碳は驴芍匦逻M(jìn)入細(xì)胞周期，稱G0期細(xì)胞，如淋巴細(xì)胞、肝、腎細(xì)胞等。不分裂細(xì)胞，指不可逆地脫離細(xì)胞周期，不再分裂的細(xì)胞，又稱終端細(xì)胞，如神經(jīng)、肌肉、多形核細(xì)胞等等。細(xì)胞周期的時間長短與物種的細(xì)胞類型有關(guān)，如：小鼠十二指腸上皮細(xì)胞的周期為10小時，人類胃上皮細(xì)胞24小時，骨髓細(xì)胞18小時，培養(yǎng)的人了成纖維細(xì)胞18小時，CHO細(xì)胞14小時，HeLa細(xì)胞21小時。不同類型細(xì)胞的G1長短不同，是造成細(xì)胞周期差異的主要原因。二、細(xì)胞周期時間的測定標(biāo)記有絲分裂百分率法（percentage labeled mitoses，PLM）是一種常用的測定

3、細(xì)胞周期時間的方法。其原理是對測定細(xì)胞進(jìn)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。有關(guān)名詞：TG1：G1期的持續(xù)時間TG2：G2期的持續(xù)時間TS：S期的持續(xù)時間TM：M期的持續(xù)時間TC：一個細(xì)胞周期的持續(xù)時間PLM：標(biāo)記的有絲分裂細(xì)胞所占的比例TDR：胸腺嘧啶核苷，是DNA的特異前體，能被S期細(xì)胞攝入，而摻進(jìn)DNA中。通常使用的是3H或者14C標(biāo)記的TDR。測定原理（圖13-2）：待測細(xì)胞經(jīng)3H-TDR標(biāo)記后，所有S期細(xì)胞均被標(biāo)記。 S期細(xì)胞經(jīng)G2期才進(jìn)入M期，所以一段時間內(nèi)PLM=0。開始出現(xiàn)標(biāo)記M期細(xì)胞時，表示處于S期最后階段

4、的細(xì)胞，已渡過G2期，所以從PLM=0到出現(xiàn)PLM的時間間隔為TG2。 S期細(xì)胞逐漸進(jìn)入M期，PLM上升，到達(dá)到最高點(diǎn)的時候說明來自處于S最后階段的細(xì)胞，已完成M，進(jìn)入G1期。所以從開始出現(xiàn)M到PLM達(dá)到最高點(diǎn)（100%）的時間間隔就是TM。當(dāng)PLM開始下降時，表明處于S期最初階段的細(xì)胞也已進(jìn)入M期，所以出現(xiàn)LM到PLM又開始下降的一段時間等于TS。從LM出現(xiàn)到下一次LM出現(xiàn)的時間間隔就等于TC，根據(jù)TC=TG1+TS+TG2+TM即可求出的TG1長度。事實(shí)上由于一個細(xì)胞群體中TC和各時相不盡相同，第一個峰常達(dá)不到100%，以后的峰會發(fā)生衰減，PLM不一定會下降到零，所以實(shí)際測量時，常以（TG

5、2+1/2TM）-TG2的方式求出TM。圖13-2 細(xì)胞周期各階段的時間與PLM的關(guān)系三、細(xì)胞同步化細(xì)胞同步化(synchronization)是指在自然過程中發(fā)生或經(jīng)人為處理造成的細(xì)胞周期同步化，前者稱自然同步化，后者稱為人工同步化。（一）自然同步化1多核體如粘菌只進(jìn)行核分裂，而不發(fā)生胞質(zhì)分裂，形成多核體。數(shù)量眾多的核處于同一細(xì)胞質(zhì)中，進(jìn)行同步化分裂，使細(xì)胞核達(dá)108，體積達(dá)56cm。瘧原蟲也具有類似的情況。2某些水生動物的受精卵如海膽卵可以同時授精，最初的3次細(xì)胞分裂是同步的，再如大量海參卵受精后，前9次細(xì)胞分裂都是同步化進(jìn)行的。3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

6、們一起發(fā)芽，同步分裂。（二）人工同步化1選擇同步化1）有絲分裂選擇法：使單層培養(yǎng)的細(xì)胞處于對數(shù)增殖期，此時分裂活躍，MI高。有絲分裂細(xì)胞變圓隆起，與培養(yǎng)皿的附著性低，此時輕輕振蕩，M期細(xì)胞脫離器壁，懸浮于培養(yǎng)液中，收集培養(yǎng)液，再加入新鮮培養(yǎng)液，依法繼續(xù)收集，則可獲得一定數(shù)量的中期細(xì)胞。其優(yōu)點(diǎn)是，操作簡單，同步化程度高，細(xì)胞不受藥物傷害，缺點(diǎn)是獲得的細(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：不同時期的細(xì)胞體積不同，而細(xì)胞在給定離心場中沉降的速度與其半徑的平方成正比，因此可用離心的方法分離。其優(yōu)點(diǎn)是可用于任何懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞，缺點(diǎn)是同步化程度較低。2誘導(dǎo)同步化1）DNA合成陰斷法：選

7、用DNA合成的抑制劑，可逆地抑制DNA合成，而不影響其他時期細(xì)胞的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終可將細(xì)胞群阻斷在S期或G/S交界處。5-氟脫氧尿嘧啶、羥基脲、阿糖胞苷、氨甲蝶呤、高濃度ADR、GDR和TDR，均可抑制DNA合成使細(xì)胞同步化。其中高濃度TDR對S期細(xì)胞的毒性較小，因此常用TDR雙阻斷法誘導(dǎo)細(xì)胞同步化：在細(xì)胞處于對數(shù)生長期的培養(yǎng)基中加入過量TDR，（Hela，2mol/L；CHO，）。S期細(xì)胞被抑制，其它細(xì)胞繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，最后停在G1/S交界處。移去TDR。洗滌細(xì)胞并加入新鮮培養(yǎng)液、細(xì)胞又開始分裂。當(dāng)釋放時間大于TS時，所有細(xì)胞均脫離S期，再次加入過量TDR，細(xì)胞繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至G1/S交界處，被過量TDR抑制

8、而停止。優(yōu)點(diǎn)是同步化程度高，適用于任何培養(yǎng)體系。可將幾乎所有的細(xì)胞同步化。缺點(diǎn)是產(chǎn)生非均衡生長，個別細(xì)胞體積增大。2）中期阻斷法：利用破壞微管的藥物將細(xì)胞阻斷在中期，常用的藥物有秋水仙素和秋水仙酰胺，后者毒性較少。優(yōu)點(diǎn)是無非均衡生長現(xiàn)象，缺點(diǎn)是可逆性較差。第二節(jié)有絲分裂一、細(xì)胞分裂的類型細(xì)胞分裂(cell division)可分為無絲分裂(amitosis)、有絲分裂(mitosis)和減數(shù)分裂(meiosis)三種類型。無絲分裂又稱為直接分裂，由R. Remark（1841）首次發(fā)現(xiàn)于雞胚血細(xì)胞。表現(xiàn)為細(xì)胞核伸長，從中部縊縮，然后細(xì)胞質(zhì)分裂，其間不涉及紡錘體形成及染色體變化，故稱為無絲分裂。

9、無絲分裂不僅發(fā)現(xiàn)于原核生物，同時也發(fā)現(xiàn)于高等動植物，如植物的胚乳細(xì)胞、動物的胎膜，間充組織及肌肉細(xì)胞等等。有絲分裂，又稱為間接分裂，由W. Fleming (1882)年首次發(fā)現(xiàn)于動物及E. Strasburger（1880）年發(fā)現(xiàn)于植物。特點(diǎn)是有紡錘體染色體出現(xiàn)，子染色體被平均分配到子細(xì)胞，這種分裂方式普遍見于高等動植物。減數(shù)分裂是指染色體復(fù)制一次而細(xì)胞連續(xù)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、有絲分裂有絲分裂過程是一個連續(xù)的過程，為了便于描述人為的劃分為六個時期：間期（interphase）、前期(prophase)、前中期(premetaphase)、中期(metap

10、hase)、后期(anaphase)和末期(telophase)。其中間期包括G1期、S期和G2期，主要進(jìn)行DNA復(fù)制等準(zhǔn)備工作。（一）前期前期（圖13-3）的主要事件是：染色質(zhì)凝縮，分裂極確立與紡錘體開始形成，核仁解體，核膜消失。前期最顯著的特征是染色質(zhì)通過螺旋化和折疊，變短變粗，形成光學(xué)顯微鏡下可以分辨的染色體，每條染色體包含2個染色單體。圖13-3 前期兩個中心體向兩極移動（圖片來自） 早在S期兩個中心粒已完成復(fù)制，在前期移向兩極，兩對中心粒之間形成紡錘體微管，當(dāng)核膜解體時，兩對中心粒已到達(dá)兩極，并在兩者之間形成紡錘體，紡錘體微管包括 （圖13-8）：著絲點(diǎn)微管（kinetoc

11、hore mt）：由中心體發(fā)出，連接在著絲點(diǎn)上，負(fù)責(zé)將染色體牽引到紡錘體上，著絲點(diǎn)上具有馬達(dá)蛋白。星體微管（astral mt）：由中心體向外放射出，末端結(jié)合有分子馬達(dá)，負(fù)責(zé)兩極的分離，同時確定紡錘體縱軸的方向。極體微管（polar mt或overlap mt）：由中心體發(fā)出，在紡錘體中部重疊，重疊部位結(jié)合有分子馬達(dá)，負(fù)責(zé)將兩極推開。 有兩類馬達(dá)蛋白參與染色體、分裂極的分離，一類是dynein，另一類是kinesin。植物沒有中心粒和星體，其紡錘體叫作無星紡錘體，分裂極的確定機(jī)理尚不明確。（二）前中期指由核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorial plane)這一階段（圖13

12、-4）。紡錘體微管向細(xì)胞內(nèi)部侵入，與染色體的著絲點(diǎn)結(jié)合。著絲點(diǎn)處的分子馬達(dá)使染色體向微管的負(fù)端移動。在光鏡下可以看到，此時染色體也就是既向一極移動也向另一極移動，是以振蕩的方式移向紡錘體中部的。其原因是姊妹染色單體的著絲點(diǎn)都結(jié)合有微管和分子馬達(dá)。圖13-4 左，前中期；右，中期（圖片來自）（三）中期指從染色體排列到赤道面上（圖13-4右、13-5），到姊妹染色單體開始分向兩極的一段時間，縱向觀動物染色體呈輻射狀排列。染色體兩邊的牽引力就像拔河一樣達(dá)到平衡。圖13-5 中期，右圖顯示與染色體聯(lián)接的微管（圖片來自）（四）后期指姊妹染色單體分開并移向兩極的時期，當(dāng)子染色體到達(dá)兩極后，標(biāo)志這一時期結(jié)束

13、（圖13-6）。圖13-6 后期姊妹染色單體分離（圖片來自）后期可以分為兩個方面（圖13-7）：后期A，指染色體向兩極移動的過程。這是因?yàn)槿旧w著絲點(diǎn)微管在著絲點(diǎn)處去組裝而縮短，在分子馬達(dá)的作用下染色體向兩極移動，體外實(shí)驗(yàn)證明即使在不存在ATP的情況下，染色體著絲點(diǎn)也有連接到正在去組裝的微管上的能力，使染色體發(fā)生移動。后期B，指兩極間距離拉大的過程。這是因?yàn)橐环矫鏄O體微管延長，結(jié)合在極體微管重疊部分的馬達(dá)蛋白提供動力，推動兩極分離，另一方面星體微管去組裝而縮短，結(jié)合在星體微管正極的馬達(dá)蛋白牽引兩極距離加大?？梢娙旧w的分離是在微管與分子馬達(dá)的共同作用下實(shí)現(xiàn)的（圖13-8）。后期A，B是用藥物鑒

14、定出來的，如紫杉酚（taxol）能結(jié)合在微管的(+)端，抑制微管(+)端去組裝，從而抑制后期A。動物中通常先發(fā)生后期A，再后期B，但也有些只發(fā)生后期A，還有的后期A、B同時發(fā)生。植物細(xì)胞沒有后期B。圖13-7 后其A染色體分離，后期B兩極延伸圖13-8 馬達(dá)蛋白和微管系統(tǒng)共同協(xié)作，使染色體分離（五）末期末期（圖13-9）是從子染色體到達(dá)兩極，至形成兩個新細(xì)胞為止的時期。末期涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個方面。圖13-9 末期1、子核的形成末期子核的形成，大體經(jīng)歷了與前期相反的過程，即染色體解聚縮，核仁出現(xiàn)和核膜重新形成。核仁由染色體上的核仁組織中心形成（NORs），幾個NORS共同組成一個大的核

15、仁，因此核仁的數(shù)目通常比NORs的數(shù)目要少。前期核膜解體后，核纖層蛋白B與核膜殘余小泡結(jié)合，末期核纖層蛋白B去磷酸化，介導(dǎo)核膜的重新裝配。2、胞質(zhì)分裂雖然核分裂與胞質(zhì)分裂（cytokinesis）是相繼發(fā)生的，但屬于兩個分離的過程，例如大多數(shù)昆蟲的卵，核可進(jìn)行多次分裂而無胞質(zhì)分裂，某些藻類的多核細(xì)胞可長達(dá)數(shù)尺，以后胞質(zhì)才分裂形成單核細(xì)胞。動物細(xì)胞的胞質(zhì)分裂是以形成收縮環(huán)的方式完成的（圖13-10），收縮環(huán)在后期形成，由大量平行排列的肌動蛋白和結(jié)合在上面的myosin II等成分組成，用細(xì)胞松馳素及肌動蛋白和肌球蛋白抗體處理均能抑制收縮環(huán)的形成。不難想象胞質(zhì)收縮環(huán)工作原理和肌肉收縮時一樣的。圖1

16、3-10 動細(xì)胞的胞質(zhì)收縮環(huán)動物胞質(zhì)分裂的另一特點(diǎn)是形成中體。末期紡錘體開始瓦解消失，但在紡錘體的中部微管數(shù)量增加，其中摻雜有高電子密度物質(zhì)和囊狀物，這一結(jié)構(gòu)稱為中體。在胞質(zhì)分裂中的作用尚不清楚。植物胞質(zhì)分裂的機(jī)制不同于動物，后期或末期兩極處微管消失，中間微管保留，并數(shù)量增加，形成桶狀的成膜體(phragmoplast)。來自于高爾基體的囊泡沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)到成膜體中間，融合形成細(xì)胞板。囊泡內(nèi)的物質(zhì)沉積為初生壁和中膠層，囊泡膜形成新的質(zhì)膜，由于兩側(cè)質(zhì)膜來源于共同的囊泡，因而膜間有許多連通的管道，形成胞間連絲。源源不斷運(yùn)送來的囊泡向細(xì)胞板融合，使細(xì)胞板擴(kuò)展，形成完整的細(xì)胞壁，將子細(xì)胞一分為二（圖13-

17、11）。圖13-11 植物細(xì)胞成膜體的形成第三節(jié) 減數(shù)分裂減數(shù)分裂（Meiosis）的特點(diǎn)是DNA復(fù)制一次，而細(xì)胞連續(xù)分裂兩次，形成單倍體的精子和卵子（圖13-12），通過受精作用又恢復(fù)二倍體，減數(shù)分裂過程中同源染色體間發(fā)生交換，使配子的遺傳多樣化，增加了后代的適應(yīng)性，因此減數(shù)分裂不僅是保證生物種染色體數(shù)目穩(wěn)定的機(jī)制，同且也是物種適應(yīng)環(huán)境變化不斷進(jìn)化的機(jī)制。減數(shù)分裂可分為3種主要類型：配子減數(shù)分裂（gametic meiosis），也叫終端減數(shù)分裂(terminal meiosis)，其特點(diǎn)是減數(shù)分裂和配子的發(fā)生緊密聯(lián)系在一起，在雄性脊椎動物中，一個精母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂形成4個精細(xì)胞，后者在經(jīng)

18、過一系列的變態(tài)發(fā)育，形成成熟的精子。在雌性脊椎動物中，一個卵母細(xì)胞經(jīng)過減數(shù)分裂形成1個卵細(xì)胞和2-3個極體。孢子減數(shù)分裂（sporic meiosis），也叫中間減數(shù)分裂(intermediate meiosis)，見于植物和某些藻類。其特點(diǎn)是減數(shù)分裂和配子發(fā)生沒有直接的關(guān)系，減數(shù)分裂的結(jié)果是形成單倍體的配子體（小孢子和大孢子）。小孢子再經(jīng)過兩次有次分裂形成包含一個營養(yǎng)核和兩個雄配子（精子）的成熟花粉（雄配子體），大孢子經(jīng)過三次有絲分裂形成胚囊（雌配子體），內(nèi)含一個卵核、兩個極核、3個反足細(xì)胞和兩個助細(xì)胞。合子減數(shù)分裂（zygotic meiosis），也叫初始減數(shù)分裂(initial mei

19、osis),僅見于真菌和某些原核生物，減數(shù)分裂發(fā)生于合子形成之后，形成單倍體的孢子，孢子通過有絲分裂產(chǎn)生新的單倍體后代。此外某些生物還具有體細(xì)胞減數(shù)分裂（somatic meiosis）現(xiàn)象，如在蚊子幼蟲的腸道中，有一些由核內(nèi)有絲分裂形成的多倍體細(xì)胞（可高達(dá)32X），在蛹期又通過減數(shù)分裂降低了染色體倍性，增加了細(xì)胞數(shù)目。減數(shù)分裂由緊密連接的兩次分裂構(gòu)成。通常減數(shù)分裂I分離的是同源染色體，所以稱為異型分裂（heterotypic division）或減數(shù)分裂（reductional division）。減數(shù)分裂II分離的是姊妹染色體，類似于有絲分裂，所以稱為同型分裂（homotypic divi

20、sion）或均等分裂（equational division）。和有絲分裂一樣為了描述方便將減數(shù)分裂分為幾個期和亞期（圖13-13）。圖13-12 黑圓角蟬的精子發(fā)生圖13-13 減數(shù)分裂模式圖一、間期有絲分裂細(xì)胞在進(jìn)入減數(shù)分裂之前要經(jīng)過一個較長的間期，稱前減數(shù)分裂間期(premeiotic interphase)或前減數(shù)分裂期(premeiosis)。前減數(shù)分裂期也可分為G1期、S期和G2期，在G1期和S期把麝香百合的花粉每細(xì)胞在體外培養(yǎng)，則發(fā)現(xiàn)細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂，將G2晚期的細(xì)胞在體外培養(yǎng)則向減數(shù)分裂進(jìn)行，說明G2期是有絲分裂向減數(shù)分裂轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時期。和有絲分裂不同的是，DNA不僅在S期合成

21、，而且也在前期合成一小部分。D. E. Wimber和 W. Prensky（1963）認(rèn)為合線期-粗線期合成大約2%的DNA。Y. Hotta等人（1966）在百合屬（Lilium）和延齡草屬（Trillium）中發(fā)現(xiàn)，粗線期合成大約0.3%的DNA。稱為合線期DNA（zyg-DNA）或粗線期DNA(P-DNA)。這些DNA的合成可能與聯(lián)會復(fù)合體的形成有關(guān)。二、分裂期（一）、減數(shù)分裂I1、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(xì)線期（leptotene）、合線期（zygotene）、粗線期（pachytene）、雙線期（diplotene）、終變期（diakine

22、sis）。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。1）細(xì)線期: 染色體呈細(xì)線狀，具有念珠狀的染色粒。持續(xù)時間最長，占減數(shù)分裂周期的40%。細(xì)線期雖然染色體已經(jīng)復(fù)制，但光鏡下分辨不出兩條染色單體。由于染色體細(xì)線交織在一起，偏向核的一方，所以又稱為凝線期(synizesis)，在有些物種中表現(xiàn)為染色體細(xì)線一端在核膜的一側(cè)集中，另一端放射狀伸出，形似花束，稱為花束期(bouquet stage)。2）合線期：持續(xù)時間較長，占有絲分裂周期的20%。亦稱偶線期，是同源染色體配對的時期，這種配對稱為聯(lián)會(synapsis)。這一時期同源染色體間形成聯(lián)會復(fù)合體(synaptonemal

23、 complex，SC)。在光鏡下可以看到兩條結(jié)合在一起的染色體，稱為二價體（bivalent）。每一對同源染色體都經(jīng)過復(fù)制，含四個染色單體，所以又稱為四分體（tetrad）。3)粗線期：持續(xù)時間長達(dá)數(shù)天，此時染色體變短，結(jié)合緊密，在光鏡下只在局部可以區(qū)分同源染色體，這一時期同源染色體的非姊妹染色單體之間發(fā)生交換的時期。在果蠅粗線期SC上具有與SC寬度相近的電子致密球狀小體，稱為重組節(jié)，與DNA的重組有關(guān)。4）雙線期：聯(lián)會的同源染色體相互排斥、開始分離，但在交叉點(diǎn)(chiasma)上還保持著聯(lián)系。雙線期染色體進(jìn)一步縮短，在電鏡下已看不到聯(lián)會復(fù)合體。交叉的數(shù)目和位置在每個二價體上并非是固定的，而

24、隨著時間推移，向端部移動，這種移動現(xiàn)象稱為端化(terminalization)，端化過程一直進(jìn)行到中期。植物細(xì)胞雙線期一般較短，但在許多動物中雙線期停留的時間非常長，人的卵母細(xì)胞在五個月胎兒中已達(dá)雙線期，而一直到排卵都停在雙線期，排卵年齡大約在12-50歲之間。成熟的卵細(xì)胞直到受精后，才迅速完成兩次分裂，形成單倍體的卵核。在魚類、兩棲類、爬行類、鳥類以及無脊椎動物的昆蟲中，雙線期的二價體解螺旋而形成燈刷染色體，這一時期是卵黃積累的時期。5）終變期：二價體顯著變短，并向核周邊移動，在核內(nèi)均勻散開。所以是觀察染色體的良好時期。由于交叉端化過程的進(jìn)一步發(fā)展，故交叉數(shù)目減少，通常只有一至二個交叉。終

25、變期二價體的形狀表現(xiàn)出多樣性,如V形、O形等。核仁此時開始消失，核被膜解體，但有的植物，如玉米，在終變期核仁仍然很顯著。2、中期I核仁消失，核被膜解體，標(biāo)志進(jìn)入中期I，中期I的主要特點(diǎn)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(xì)胞的DNA含量仍為2C。同源染色體隨機(jī)分向兩極，使母本和父本染色體重所組合，產(chǎn)生基因組的變異。如人類染色體是23對，染色體組合的方式有223個（不包括交換），因此除同

26、卵孿生外，幾乎不可能得到遺傳上等同的后代。4、末期I染色體到達(dá)兩極后，解旋為細(xì)絲狀、核膜重建、核仁形成，同時進(jìn)行胞質(zhì)分裂。5、減數(shù)分裂間期在減數(shù)分裂I和II之間的間期很短，不進(jìn)行DNA的合成，有些生物沒有間期，而由末期I直接轉(zhuǎn)為前期II。（二）、減數(shù)分裂II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(xì)胞形成4個精子。而一個卵母細(xì)胞形成一個卵子及2-3個極體。三、聯(lián)會復(fù)合體聯(lián)會復(fù)合體（synaptonemal complex, SC)是減數(shù)分裂合線期兩條同源染色體之間形成的一種結(jié)構(gòu)，它與染色體的配對，交換和分離密切相關(guān)。SC是同源染色體間形成的梯子樣的結(jié)構(gòu)。在電鏡下觀察，

27、兩側(cè)是約40nm的側(cè)生組分(lateral element)，電子密度很高，兩側(cè)之間為寬約100nm的中間區(qū)(intermediate space)，在電鏡下是明亮區(qū)，在中間區(qū)的中央為中央組分(central element)，寬約30nm。側(cè)生組分與中央組分之間有橫向排列的粗約710nm的SC纖維，使SC外觀呈梯子狀（圖13-14）。長期以來人們認(rèn)為SC將同源染色體組織在一起，使伸入SC的DNA之間產(chǎn)生重組，但實(shí)驗(yàn)證明不僅SC的形成晚于基因重組的啟動，而且基因突變不能形成SC的酵母中，同源染色體間照樣可以發(fā)生交換。現(xiàn)在一般認(rèn)為它與同源染色體間交換的完成有關(guān)。在磷鎢酸染色的SC中央，還可以看到

28、呈圓形或橢圓形的重組節(jié)(recombination nodules,RNs)，RNs是同源染色體發(fā)生交叉的部位，RNs上有基因交換所需要的酶。從形態(tài)學(xué)來看，SC形成合線期，成熟于粗線期，并存在數(shù)天，消失于雙線期。聯(lián)會復(fù)合體的形成與合線期DNA(Zyg-DNA)有關(guān)，在細(xì)線期或合線期加入DNA合成抑制劑，則抑制SC的形成。圖13-14 一種昆蟲的聯(lián)會復(fù)合體第四節(jié)細(xì)胞周期調(diào)控一、研究背景Rao和Johnson(1970、1972、1974)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(prematu

29、rely condensed chromosome，PCC)，這種現(xiàn)象叫做早熟染色體凝集(premature chromosome condensation)。G1期PCC為單線狀，因DNA未復(fù)制。S期PCC為粉末狀，因DNA由多個部位開始復(fù)制。G2期PCC為雙線染色體，說明DNA復(fù)制已完成。圖13-15 不同形態(tài)的PCC不僅同類M期細(xì)胞可以誘導(dǎo)PCC，不同類的M期細(xì)胞也可以誘導(dǎo)PCC產(chǎn)生，如人和蟾蜍的細(xì)胞融合時同樣有這種效果，這就意味著M期細(xì)胞具有某種促進(jìn)間期細(xì)胞進(jìn)行分裂的因子，即成熟促進(jìn)因子(maturation promoting factor，MPF)。早在1960s，Yoshio M

30、asui發(fā)現(xiàn)成熟蛙卵的提取物能促進(jìn)未成熟卵的胚胞破裂(Germinal Vesicle Breakdown，GVBD)，后來Sunkara將不同時期Hela細(xì)胞的提取液注射到蛙卵母細(xì)胞中，發(fā)現(xiàn)G1和S期的抽取物不能誘導(dǎo)GVBD，而G2和M期的則具有促進(jìn)胚胞破裂的功能，它將這種誘導(dǎo)物質(zhì)稱為有絲分裂因子(MF)。后來在CHO細(xì)胞，酵母和粘菌中也提取出相同性質(zhì)的MF。這類物質(zhì)被統(tǒng)稱為MPF。 1960s Leland Hartwell以芽殖酵母（圖13-16）為實(shí)驗(yàn)材料，利用阻斷在不同細(xì)胞周期階段的溫度敏感突變株（在適宜的溫度下和野生型一樣），分離出了幾十個與細(xì)胞分裂有關(guān)的基因(cell

31、division cycle gene，CDC)。如芽殖酵母的cdc28基因，在G2/M轉(zhuǎn)換點(diǎn)發(fā)揮重要的功能。Hartwell還通過研究酵母菌細(xì)胞對放射線的感受性，提出了checkpoint（細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)）的概念，意指當(dāng)DNA受到損傷時，細(xì)胞周期會停下來。圖13-16 裂殖酵母細(xì)胞周期1970s Paul Nurse等人以裂殖酵母（圖13-17）為實(shí)驗(yàn)材料，同樣發(fā)現(xiàn)了許多細(xì)胞周期調(diào)控基因，如：裂殖酵母cdc2、cdc25的突變型和在限制的溫度下無法分裂；wee1突變型則提早分裂，而cdc25和wee1都發(fā)生突變的個體卻會正常地分裂（圖13-18）。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)cdc2和cdc28都編碼一

32、個34KD的蛋白激酶，促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)行。而weel和cdc25分別表現(xiàn)為抑制和促進(jìn)CDC2的活性。這也解釋了為何cdc25和wee1雙重突變的個體可以恢復(fù)野生型的表型。圖13-17 芽殖酵母細(xì)胞周期圖13-18 Cdc25表達(dá)不足，細(xì)胞長得過長而不分裂；Wee1表達(dá)不足，細(xì)胞很小就開始分裂了1983年Timothy Hunt首次發(fā)現(xiàn)海膽卵受精后，在其卵裂過程中兩種蛋白質(zhì)的含量隨細(xì)胞周期劇烈振蕩，在每一輪間期開始合成，G2/M時達(dá)到高峰，M結(jié)束后突然消失，下輪間期又重新合成，故命名為周期蛋白(cyclin)。后來在青蛙、爪蟾、海膽、果蠅和酵母中均發(fā)現(xiàn)類似的情況，各類動物來源的細(xì)胞周期蛋白mRN

33、A均能誘導(dǎo)蛙卵的成熟。用海洋無脊椎動物和兩棲類的卵為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行這類實(shí)驗(yàn)，好處在于卵的量比較大，而且在胚胎發(fā)育的早期，細(xì)胞分裂是同步化的。圖13-19 MPF=CDC2+Cyclin B1988年M. J. Lohka 純化了爪蟾的MPF，經(jīng)鑒定由32KD和45KD兩種蛋白組成，二者結(jié)合可使多種蛋白質(zhì)磷酸化（圖13-19）。后來Paul Nurse（1990）進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明P32實(shí)際上是CDC2的同源物，而P45是cyclinB的同源物，從而將細(xì)胞周期三個領(lǐng)域的研究聯(lián)系在一起。2001年10月8日美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy

34、60;Hunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機(jī)理的研究而榮獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎（圖13-20）。圖13-20 2001年諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎獲得者（圖片來自）二、CDKCDC2與細(xì)胞周期蛋白結(jié)合才具有激酶的活性，稱為細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)，因此CDC2又被稱為CDK1，激活的CDK1可將靶蛋白磷酸化而產(chǎn)生相應(yīng)的生理效應(yīng)，如將核纖層蛋白磷酸化導(dǎo)致核纖層解體、核膜消失，將H1磷酸化導(dǎo)致染色體的凝縮等等。這些效應(yīng)的最終結(jié)果是細(xì)胞周期的不斷運(yùn)行。因此，CDK激酶和其調(diào)節(jié)因子又被稱作細(xì)胞周期引擎。目前發(fā)現(xiàn)的CDK在動物中有7種。各種CDK分子均含有一段相似的激酶結(jié)構(gòu)

35、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)。三、CKI細(xì)胞中還具有細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子（CDK inhibitor，CKI）對細(xì)胞周期起負(fù)調(diào)控作用，目前發(fā)現(xiàn)的CKI分為兩大家族：Ink4(Inhibitor of cdk 4)，如P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，特異性抑制cdk4·cyclin D1、cdk6·cyclin D1復(fù)合物。Kip(Kinase inhibition protein)：包括P21cip1 (cyclin inhibition protein 1)、P27kip1(

36、kinase inhibition protein 1)、P57kip2等，能抑制大多數(shù)CDK的激酶活性，P21cip1還能與DNA聚合酶的輔助因子PCNA（proliferating cell nuclear antigen）結(jié)合，直接抑制DNA的合成（圖13-21）。圖13-21 P21cip1抑制CDK和PCNA四、Cyclin周期蛋白不僅僅起激活CDK的作用，還決定了CDK何時、何處、將何種底物磷酸化，從而推動細(xì)胞周期的前進(jìn)。目前從芽殖酵母、裂殖酵母和各類動物中分離出的周期蛋白有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G1型、G1/S型S

37、型和M型4類（見表13-1）。各類周期蛋白均含有一段約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。表13-1不同類型的周期蛋白激酶復(fù)合體脊椎動物芽殖酵母CyclinCDKCyclinCDKG1-CDKCyclin D*CDK4 、6Cln 3CDK1(CDC28)G1/S-CDKCyclin ECDK2Cln 1、2CDK1(CDC28)S-CDKCyclin ACDK2Clb 5、6CDK1(CDC28)M-CDKCyclin BCDK1(CDC2)Clb 1-4CDK1(CDC28)*包括D1-3，各亞型cyclin D，在不同細(xì)胞中的表達(dá)量不同，但具有相同的功效細(xì)

38、胞在生長因子的刺激下，G1期cyclin D表達(dá)，并與CDK4、CDK6結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，磷酸化的Rb釋放出轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進(jìn)許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。圖13-22 Cyclin D與CDK結(jié)合使Rb釋放結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子E2F在G1-S期， cyclinE與CDK2結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞通過G1/S限制點(diǎn)而進(jìn)入S期。向細(xì)胞內(nèi)注射CyclinE的抗體能使細(xì)胞停滯于G1期，說明細(xì)胞進(jìn)入S期需要CyclinE的參與。同樣將CyclinA的抗體注射到細(xì)胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)能抑制細(xì)胞的DNA合成，推測CyclinA是DNA復(fù)制所必需的。在G2-M期，cyclinA、cycl

39、inB與CDK1結(jié)合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如將組蛋白H1磷酸化導(dǎo)致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等下游細(xì)胞周期事件。圖13-23 Cyclin的周期性變化在中期當(dāng)MPF活性達(dá)到最高時，通過一種未知的途徑，激活后期促進(jìn)因子APC，將泛素連接在cyclinB上，導(dǎo)致cyclinB被蛋白酶體（proteasome）降解，完成一個細(xì)胞周期（圖13-24）。圖13-24 Cyclin B的降解途徑分裂期周期蛋白N端有一段序列與其降解有關(guān)，稱降解盒(destruction box，圖13-25)。當(dāng)MPF活性達(dá)到最高時，通過泛素連接酶催化泛素與cyclin結(jié)合，cyclin隨之被26S蛋白酶

40、體水解。G1周期蛋白也通過類似的途徑降解，但其N端沒有降解盒，C端有一段PEST序列與其降解有關(guān)。泛素由76個氨基酸組成，高度保守，普遍存在于真核細(xì)胞，故名泛素。共價結(jié)合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識別和降解，這是細(xì)胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑，泛素相當(dāng)于蛋白質(zhì)被摧毀的標(biāo)簽。26S蛋白酶體是一個大型的蛋白酶，可將泛素化的蛋白質(zhì)分解成短肽。圖13-25 細(xì)胞周期蛋白的降解盒與降解途徑在蛋白質(zhì)的泛素化過程中（圖13-25），E1（ubiquitin-activating enzyme，泛素激活酶）水解ATP獲取能量，通過其活性位置的半胱氨酸殘基與泛素的羧基末端形成高能硫酯鍵而激活泛素，然

41、后E1將泛素交給E2（ubiquitin-conjugating enzyme，泛素結(jié)合酶），最后在E3（ubiquitin-ligase，泛素連接酶）的作用下將泛素轉(zhuǎn)移到靶蛋白上。參與細(xì)胞周期調(diào)控的泛素連接酶至少有兩類，其中SCF（skp1-cullin-F-box protein，三個蛋白構(gòu)成的復(fù)合體）負(fù)責(zé)將泛素連接到G1/S期周期蛋白和某些CKI上，APC(anaphase promoting complex)負(fù)責(zé)將泛素連接到M期周期蛋白上。五、DNA復(fù)制當(dāng)且僅當(dāng)一次DNA的復(fù)制是由起始復(fù)制點(diǎn)（origins of replication）開始的，起始復(fù)制點(diǎn)也就是上一章提到的自主復(fù)制序列

42、，散布在染色體上。在整過細(xì)胞周期中，起始復(fù)制點(diǎn)上結(jié)合有起始識別復(fù)合體（Origin recognition complex, ORC），其作用就象一個停泊點(diǎn)，供其它調(diào)節(jié)因子?？俊DC6是其中的一個調(diào)節(jié)因子，在G1期CDC6含量瞬間提高，CDC6結(jié)合在ORC上，在ATP供能下，促進(jìn)6個亞單位構(gòu)成的MCM復(fù)合體和其他一些蛋白結(jié)合到ORC上，形成前復(fù)制復(fù)合體（pre-replicative complex，pre-RC），MCM實(shí)際上就是DNA解旋酶（helicase）。S-CDK觸發(fā)pre-RC的啟動，同時阻止了DNA再次進(jìn)行復(fù)制，因?yàn)镾-CDK將CDC6磷酸化，使其脫離ORC，磷酸化的CDC6

43、隨后被SCF參與的泛素化途徑降解；S-CDK還可以將某些MCM磷酸化，使其被輸出細(xì)胞核。其它一些CDK也參與阻止pre-RC的再次形成，從而保證了DNA的復(fù)制當(dāng)且僅當(dāng)一次（圖13-26）。圖13-26 每個細(xì)胞周期啟動一次DNA復(fù)制（圖片來自Molecular Biology of the Cell 4th ed.）六、M期CDK的激活M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的積累，在胚胎細(xì)胞周期中cyclin一直在合成，其濃度決定于降解的速度；但在大多數(shù)細(xì)胞的有絲分裂周期中，cyclin的積累是因?yàn)樵贕2-M期M-cyclin基因轉(zhuǎn)錄的增強(qiáng)。隨著M-cyclin的積累，結(jié)合周期蛋白的M-CD

44、K（CDK1）增加，但是沒有活性，這是因?yàn)閃ee1激酶將CDK1的Thr14和Tyr15磷酸化的緣故，這種機(jī)制保證了CDK-cyclin能夠不斷積累，然后在需要的時候突然釋放。在M期，一方面Wee1的活性下降，另一方面CDC25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障礙。CDC25可被兩種激酶激活，一是polo激酶，另一個是M-CDK本身。激活的M-CDK還可以抑制它的抑制因子Wee1的活性，形成一個反饋環(huán)。因此不難想象只要有少量的CDK被CDC25或polo激活，立即就會有大量的CDK被活化。CDK的激活還需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDK activating kinase

45、CAK)的作用下完成的（圖13-27）。圖13-27 CDK1的激活需要Thr14和Tyr15去磷酸化和Tyr161的磷酸化七、細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)細(xì)胞要分裂，必須正確復(fù)制DNA和達(dá)到一定的體積，在獲得足夠物質(zhì)支持分裂以前，細(xì)胞不可能進(jìn)行分裂。細(xì)胞周期的運(yùn)行，是在一系列稱為檢驗(yàn)點(diǎn)（check point）的嚴(yán)格檢控下進(jìn)行的，當(dāng)DNA發(fā)生損傷，復(fù)制不完全或紡錘體形成不正常，周期將被阻斷。細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)由感受異常事件的感受器、信號傳導(dǎo)通路和效應(yīng)器構(gòu)成，主要檢驗(yàn)點(diǎn)包括（圖13-28）：G1/S檢驗(yàn)點(diǎn):在酵母中稱start點(diǎn)，在哺乳動物中稱R點(diǎn)(restriction point)，控制細(xì)胞由靜止?fàn)顟B(tài)的G1

46、進(jìn)入DNA合成期，相關(guān)的事件包括：DNA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？S期檢驗(yàn)點(diǎn)：DNA復(fù)制是否完成？G2/M檢驗(yàn)點(diǎn)：是決定細(xì)胞一分為二的控制點(diǎn)，相關(guān)的事件包括：DNA是否損傷？細(xì)胞體積是否足夠大？中-后期檢驗(yàn)點(diǎn)（紡錘體組裝檢驗(yàn)點(diǎn)）：任何一個著絲點(diǎn)沒有正確連接到紡錘體上，都會抑制APC的活性，引起細(xì)胞周期中斷。圖13-28 四個主要的檢驗(yàn)點(diǎn)ATM（ataxia telangiectasia-mutated gene）是與DNA損傷檢驗(yàn)有關(guān)的一個重要基因。最早發(fā)現(xiàn)于毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)癥患者，人類中大約有1%的人是ATM缺失的雜合子，表現(xiàn)出對電離輻射敏感和易患癌癥。正常細(xì)胞

47、經(jīng)放射處理后，DNA損傷會激活修復(fù)機(jī)制，如DNA不能修復(fù)則誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡，總之不會形成變異的細(xì)胞。ATM編碼一個蛋白激酶，結(jié)合在損傷的DNA上，能將某些蛋白磷酸化，中斷細(xì)胞周期。其信號通路有兩條。一條是激活Chk1（checkpoint kinase）,Chk1引起CDC25的Ser216磷酸化，通過抑制CDC25的活性，抑制M-CDK的活性，使細(xì)胞周期中斷。另一條是激活Chk2，使P53被磷酸化而激活，然后P53作為轉(zhuǎn)錄因子，導(dǎo)致P21的表達(dá)，P21抑制G1-S期CDK的活性，從而使細(xì)胞周期阻斷。八、生長因子對細(xì)胞增殖的影響單細(xì)胞生物的增值取決于營養(yǎng)是否足夠，多細(xì)胞生物細(xì)胞的增值取決于機(jī)體是否

48、需要。這種需要是通過細(xì)胞通信來實(shí)現(xiàn)的。生長因子是一大類與細(xì)胞增殖有關(guān)的信號物質(zhì)，目前發(fā)現(xiàn)的生長因子多達(dá)幾十種，多數(shù)有促進(jìn)細(xì)胞增殖的功能，故又稱有絲分裂原（mitogen），如表皮生長因子（EGF）、神經(jīng)生長因子（NGF），少數(shù)具有抑制作用如抑素(chalone)，腫瘤壞死因子（TNF），個別如轉(zhuǎn)化生長因子(TGF-)具有雙重調(diào)節(jié)作用，能促進(jìn)一類細(xì)胞的增值，而抑制另一類細(xì)胞。生長因子不由特定腺體產(chǎn)生，主要通過旁分泌作用于鄰近細(xì)胞。各種生長因子分子量大小不同，如：肝細(xì)胞生長因子(HGF)由674個氨基酸組成，分子量達(dá)80KD，內(nèi)皮素僅由21個氨基酸組成。大多數(shù)生長因子僅由一條肽鏈組成，如EGF、T

49、GF-、FGF，而PDGF、NGF、TGF-，肝細(xì)胞生長因子HGF由兩條肽組成。生長因子的信號通路主要有：ras途徑，cAMP途徑和磷脂酰肌醇途徑。如通過ras途徑，激活MAPK，MAPK進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，促進(jìn)細(xì)胞增殖相關(guān)基因的表達(dá)。如通過一種未知的途徑激活c-myc，myc作為轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)cyclin D、SCF、E2F等G1-S有關(guān)的許多基因表達(dá)，細(xì)胞進(jìn)入G1期（圖13-29）。圖13-29 生長因子的作用機(jī)理圖13-30 細(xì)胞周期和其他的一些細(xì)胞生理過程就像多米諾骨牌參考文獻(xiàn)：      1    &#

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