第十二章細胞增殖及其調(diào)控

1、細胞增殖細胞增殖(cell proliferation)(cell proliferation)的意義的意義細胞周期與細胞分裂細胞周期與細胞分裂細胞周期調(diào)控細胞周期調(diào)控l細胞增殖細胞增殖 cell reproduction,親代細胞親代細胞(mother cell)經(jīng)物質(zhì)準備，分裂（經(jīng)物質(zhì)準備，分裂（cell division）產(chǎn)生子）產(chǎn)生子代細胞代細胞(daughter cell)的過程。的過程。l細胞增殖是生命的基本特征，種族繁衍、個細胞增殖是生命的基本特征，種族繁衍、個體發(fā)育、機體修復(fù)等都離不開細胞增殖。體發(fā)育、機體修復(fù)等都離不開細胞增殖。l細胞增殖受嚴密的調(diào)控（細胞增殖受嚴密的調(diào)控（r

2、egulation）機制）機制的監(jiān)控，其增殖過程必須遵循一定的規(guī)律。的監(jiān)控，其增殖過程必須遵循一定的規(guī)律。細胞增殖細胞增殖(cell proliferation)(cell proliferation)是細胞生命活動的是細胞生命活動的重要特征之一重要特征之一, ,是生物繁育的基礎(chǔ)。是生物繁育的基礎(chǔ)。單細胞生物細胞增殖導(dǎo)致生物個體數(shù)量的增加。單細胞生物細胞增殖導(dǎo)致生物個體數(shù)量的增加。多細胞生物由一個單細胞多細胞生物由一個單細胞(受精卵受精卵)分裂發(fā)育而來，分裂發(fā)育而來， 細胞增殖是多細胞生物繁殖基礎(chǔ)（細胞增殖是多細胞生物繁殖基礎(chǔ)（1012-1014）。）。成體生物仍然需要細胞增殖，主要取代衰老死

3、亡的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(shù)量的相對平衡和機體的正常細胞，維持個體細胞數(shù)量的相對平衡和機體的正常功能。功能。機體創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理組織修復(fù)等，都要機體創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理組織修復(fù)等，都要 依賴細胞增殖。依賴細胞增殖。細胞周期細胞周期(cell cycle)(cell cycle)概述概述有絲分裂有絲分裂(mitosis)(mitosis)胞質(zhì)分裂胞質(zhì)分裂(Cytokinesis)減數(shù)分裂減數(shù)分裂(Meiosis) 細胞周期調(diào)控系統(tǒng)的主要作用細胞周期檢驗點(Cell Cycle Checkpoint)MPFCyclin-Cdk復(fù)合物的多樣性及細胞

4、周期運轉(zhuǎn)細胞周期運轉(zhuǎn)的阻遏(細胞周期運轉(zhuǎn)的負調(diào)控)細胞周期細胞周期細胞周期中各個不同時相及其主要事件細胞周期中各個不同時相及其主要事件細胞周期長短測定細胞周期長短測定細胞周期同步化細胞周期同步化特異的細胞周期特異的細胞周期前期前期(prophase)(prophase)前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)中期中期(metaphase)(metaphase)后期后期(anaphase) 末期末期(telophase)(telophase)動物細胞胞質(zhì)分裂動物細胞胞質(zhì)分裂植物細胞胞質(zhì)分裂植物細胞胞質(zhì)分裂減數(shù)分裂概念與過程：減數(shù)分裂的意義減數(shù)分裂特點脊椎動物配子發(fā)生過

5、程概念：概念：細胞從一次有絲分裂結(jié)束到下一次有絲分細胞從一次有絲分裂結(jié)束到下一次有絲分 完成所經(jīng)歷的一個有序過程。其間細胞遺傳物完成所經(jīng)歷的一個有序過程。其間細胞遺傳物 質(zhì)和其他內(nèi)含物分配給子細胞質(zhì)和其他內(nèi)含物分配給子細胞。細胞周期時相組成細胞周期時相組成細胞周期時間細胞周期時間根據(jù)增殖狀況，細胞分類三類根據(jù)增殖狀況，細胞分類三類Figure 17-1 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figure 17-3 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)Figu

6、re 17-4 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)間期間期(interphase): G1 phase(interphase): G1 phase，S phaseS phase，G2 phaseG2 phaseM phase: M phase: 有絲分裂期有絲分裂期(Mitosis), (Mitosis), 胞質(zhì)分裂期胞質(zhì)分裂期(Cytokinesis)(Cytokinesis) 細胞沿著細胞沿著G1SG2MG1G1SG2MG1周期性運轉(zhuǎn)，在間期細胞體周期性運轉(zhuǎn)，在間期細胞體積增大積增大( (生長生長) )，在，在 M M

7、 期細胞期細胞 先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，完成一個細胞周期。完成一個細胞周期。不同細胞的細胞周期時間差異很大不同細胞的細胞周期時間差異很大S+G2+M S+G2+M 的時間變化較小，細胞周的時間變化較小，細胞周 期時間長短主要差別在期時間長短主要差別在G1G1期期有些分裂增殖的細胞缺乏有些分裂增殖的細胞缺乏G1G1、G2G2期期連續(xù)分裂細胞連續(xù)分裂細胞(cycling cell)(cycling cell)休眠細胞休眠細胞(G0(G0細胞細胞) )終末分化細胞終末分化細胞 G0G0期細胞和終末分化細胞的界限有時難以劃期細胞和終末分化細胞的界限有時難以劃分，有的細胞過去

8、認為屬于終末分化細胞，目前分，有的細胞過去認為屬于終末分化細胞，目前可能被認為是可能被認為是G0G0期細胞。期細胞。 G1 G1期期 S S 期期 G2 G2期期 M 期期與與DNADNA合成啟動相關(guān)，開始合成細胞生長所合成啟動相關(guān)，開始合成細胞生長所 需要的多種蛋白質(zhì)、需要的多種蛋白質(zhì)、RNARNA、碳水化合物、脂、碳水化合物、脂 等，同時染色質(zhì)去凝集。等，同時染色質(zhì)去凝集。(Checkpoint)DNADNA復(fù)制完成，在復(fù)制完成，在G2G2期合成期合成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)和一定數(shù)量的蛋白質(zhì)和RNARNA分子分子G2 check pointG2 check pointMM期即細胞分裂期，真核細胞

9、的細胞分裂主期即細胞分裂期，真核細胞的細胞分裂主要包括兩種方式，即有絲分裂要包括兩種方式，即有絲分裂(mitosis)(mitosis)和和減數(shù)分裂減數(shù)分裂(meiosis)(meiosis)。遺傳物質(zhì)和細胞內(nèi)其。遺傳物質(zhì)和細胞內(nèi)其他物質(zhì)分配給子細胞。他物質(zhì)分配給子細胞。 DNA DNA復(fù)制與組蛋白合成同步，組成核小體串珠結(jié)復(fù)制與組蛋白合成同步，組成核小體串珠結(jié)構(gòu)構(gòu) SS期期DNADNA合成不同步合成不同步脈沖標記脈沖標記DNADNA復(fù)制和細胞分裂指數(shù)觀察測定法復(fù)制和細胞分裂指數(shù)觀察測定法流式細胞儀測定法流式細胞儀測定法(Flow Cytometry)(Flow Cytometry)自然同步化

10、，如有一種粘菌的變形體自然同步化，如有一種粘菌的變形體plasmodiaplasmodia， 某些受精卵早期卵裂某些受精卵早期卵裂 人工選擇同步化人工選擇同步化 藥物誘導(dǎo)法藥物誘導(dǎo)法 條件依賴性突變株在細胞周期同步化中的應(yīng)用：條件依賴性突變株在細胞周期同步化中的應(yīng)用： 將與細胞周期調(diào)控有關(guān)的條件依賴性突變株轉(zhuǎn)移將與細胞周期調(diào)控有關(guān)的條件依賴性突變株轉(zhuǎn)移 到限定條件下培養(yǎng)，所有細胞便被同步化在細胞到限定條件下培養(yǎng)，所有細胞便被同步化在細胞 周期中某一特定時期周期中某一特定時期。有絲分裂選擇法：用于有絲分裂選擇法：用于單層貼壁單層貼壁生長細胞。優(yōu)點是細生長細胞。優(yōu)點是細 胞未經(jīng)任何藥物處理，細胞同

11、步化效率高。缺點是胞未經(jīng)任何藥物處理，細胞同步化效率高。缺點是 分離的細胞數(shù)量少。分離的細胞數(shù)量少。密度梯度離心法：根據(jù)不同時期的細胞在體積和重量密度梯度離心法：根據(jù)不同時期的細胞在體積和重量上存在差別進行分離。優(yōu)點是方法上存在差別進行分離。優(yōu)點是方法 簡單省時，效率高，簡單省時，效率高，成本低。缺點是對大多數(shù)種類的細胞并不適用。成本低。缺點是對大多數(shù)種類的細胞并不適用。 DNADNA合成阻斷法合成阻斷法 G1/S-TdR G1/S-TdR雙阻斷法：最終將雙阻斷法：最終將 細胞群阻斷于細胞群阻斷于G1/SG1/S交界處。優(yōu)點是同步化效率高，交界處。優(yōu)點是同步化效率高， 幾乎適合于所有體外培養(yǎng)的

12、細胞體系。缺點是誘幾乎適合于所有體外培養(yǎng)的細胞體系。缺點是誘 導(dǎo)過程可造成細胞非均衡生長導(dǎo)過程可造成細胞非均衡生長 分裂中期阻斷法分裂中期阻斷法：通過抑制微管聚合來抑制細胞：通過抑制微管聚合來抑制細胞 分裂器的形成，將細胞阻斷在細胞分裂中期。優(yōu)點分裂器的形成，將細胞阻斷在細胞分裂中期。優(yōu)點 是操作簡便，效率高。缺點是這些藥物的毒性相對是操作簡便，效率高。缺點是這些藥物的毒性相對 較大較大特異的細胞周期是指那些特殊的細胞所具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有的與標準的細胞周期相比有著鮮明特點的細 胞周期。胞周期。 爪蟾早期胚胎細胞的細胞周期爪蟾早期胚

13、胎細胞的細胞周期 酵母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植物細胞的細胞周期 細菌的細胞周期細菌的細胞周期細胞分裂快細胞分裂快, ,無無G1G1期期, G2, G2期非常短期非常短,S,S期也短期也短( (所有復(fù)所有復(fù) 制子都激活制子都激活),), 以至認為僅含有以至認為僅含有S S期和期和M M期期無需臨時合成其它物質(zhì)無需臨時合成其它物質(zhì)子細胞在子細胞在G1G1、G2G2期并不生長，越分裂體積越小期并不生長，越分裂體積越小 細胞周期調(diào)控因子和調(diào)節(jié)機制與一般體細胞標準的細胞周期基本是一致的細胞周期調(diào)控因子和調(diào)節(jié)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與標準的

14、細胞周期在時相和調(diào)控方酵母細胞的細胞周期與標準的細胞周期在時相和調(diào)控方面相似面相似酵母細胞周期明顯特點酵母細胞周期明顯特點: : 酵母細胞周期持續(xù)時間較短；酵母細胞周期持續(xù)時間較短； 封閉式細胞分裂封閉式細胞分裂 ，即細胞分裂時核膜不解聚；，即細胞分裂時核膜不解聚； 紡錘體位于細胞核內(nèi)；紡錘體位于細胞核內(nèi)； 在一定環(huán)境下，也進行有性繁殖在一定環(huán)境下，也進行有性繁殖植物細胞的細胞周期與動物細胞的標準細胞周植物細胞的細胞周期與動物細胞的標準細胞周期期非常相似，含有非常相似，含有G1G1期、期、S S期、期、G2G2期和期和M M期四個時期。期四個時期。植物細胞不含植物細胞不含中心體中心體，但在細胞

15、分裂時可以正，但在細胞分裂時可以正常常組裝紡錘體。組裝紡錘體。植物細胞以形成植物細胞以形成中板中板的形式進行胞質(zhì)分裂的形式進行胞質(zhì)分裂 慢生長細菌細胞周期過程與真核細胞周期過程慢生長細菌細胞周期過程與真核細胞周期過程有有一定相似之處。其一定相似之處。其DNADNA復(fù)制之前的準備時間與復(fù)制之前的準備時間與G1G1期期類似。分裂之前的準備時間與類似。分裂之前的準備時間與G2G2期類似。再加上期類似。再加上S S期和期和M M期，細菌的細胞周期也基本具備四個時期期，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(xié)調(diào)快速分裂和細菌在快速生長情況下，如何協(xié)調(diào)快速分裂和最最 基本的基本的DN

16、ADNA復(fù)制速度之間的矛盾復(fù)制速度之間的矛盾? ?標志前期開始的第一個特征是染色質(zhì)開始濃縮標志前期開始的第一個特征是染色質(zhì)開始濃縮 (condensation)(condensation)形成有絲分裂染色體形成有絲分裂染色體(mitotic (mitotic chromosomechromosome） 第二個特征細胞骨架解聚，有絲分裂紡錘體第二個特征細胞骨架解聚，有絲分裂紡錘體(mitotic spindle)(mitotic spindle)開始裝配開始裝配GolgiGolgi體、體、ERER等細胞器解體，形成小的膜泡等細胞器解體，形成小的膜泡這種染色體由兩條染色單體這種染色體由兩條染色單體

17、(chromatid)(chromatid)構(gòu)成構(gòu)成 在前期末，染色體主縊痕部位形成一種蛋白復(fù)在前期末，染色體主縊痕部位形成一種蛋白復(fù)合物稱為動粒合物稱為動粒(kinetochore)(kinetochore)間期動物細胞含一個間期動物細胞含一個MTOCMTOC，即中心體，即中心體，在在S S期末，兩個中心粒在各自垂直的方向復(fù)期末，兩個中心粒在各自垂直的方向復(fù)制出一個中心粒，形成兩個中心體。制出一個中心粒，形成兩個中心體。 當(dāng)前期開始時，當(dāng)前期開始時，2 2個中心體移向細胞兩極，個中心體移向細胞兩極，并同時組織微管生長，由兩極形成的微管并同時組織微管生長，由兩極形成的微管通過微管結(jié)合蛋白在正極

18、末端相連，最后通過微管結(jié)合蛋白在正極末端相連，最后形成有絲分裂紡錘體。形成有絲分裂紡錘體。核膜破裂成小的膜泡，這一過程是由核纖層蛋白中核膜破裂成小的膜泡，這一過程是由核纖層蛋白中 特異的特異的SerSer殘基磷酸化導(dǎo)致核纖層解體殘基磷酸化導(dǎo)致核纖層解體紡錘體微管與染色體的動粒結(jié)合，捕捉住染色體紡錘體微管與染色體的動粒結(jié)合，捕捉住染色體 每個已復(fù)制的染色體有兩個動粒，朝相反方向，保每個已復(fù)制的染色體有兩個動粒，朝相反方向，保 證與兩極的微管結(jié)合；紡錘體微管捕捉住染色體后，證與兩極的微管結(jié)合；紡錘體微管捕捉住染色體后， 形成三種類型的微管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

19、也由前中期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(zhuǎn)。逐漸向中期運轉(zhuǎn)。所有染色體排列到赤道板(Metaphase Plate)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？ 著絲粒微管動態(tài)平衡形成的張力 排列在赤道面上的染色體的姐妹染色單體分離 產(chǎn)生向極運動后期(anaphase)大致可以劃分為連續(xù)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(chǎn)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(dǎo)染色體向極運動染色單體到達兩極，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

20、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(fù), 有絲分裂結(jié)束 胞質(zhì)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(huán)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(guān)胞質(zhì)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(huán)繞細胞，稱為 收縮環(huán)（contractile ring)。收縮環(huán)收縮、收縮環(huán) 處細胞膜融合并形成兩個子細胞 細胞骨架細胞骨架?與動物細胞胞質(zhì)分裂不同的是，植物細胞胞 質(zhì)分裂是因為在細胞內(nèi)形成新的細胞膜和細 胞壁而將細胞分開概念：減數(shù)分裂是細胞僅進行

21、一次DNA復(fù)制，隨 后進行兩次分裂，染色體數(shù)目減半的一種特殊的 有絲分裂減數(shù)分裂過程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(yīng)環(huán)境變 化的能力。 減數(shù)分裂是生物有性生殖的基礎(chǔ)， 是生物遺傳、生物進化和生物多 樣性的重要基礎(chǔ)保證。遺傳物質(zhì)只復(fù)制一次，細胞連續(xù)分裂兩次， 導(dǎo)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(MeiosisI)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 前 S 期 有 絲 分 裂 前 S 期 蠑螈 10天 12小時 小鼠 14小時 56小時 小麥 12小時 3.8小時 酵

22、母 1.0小時 0.5小時 減數(shù)分裂前S期與有絲分裂前S期長度比較前期I分為細線期，偶線期，粗線期，雙線期，終變期等五個階段形成聯(lián)會復(fù)合體(Synaptonemal Complex, SC)同源染色體間遺傳物質(zhì)重組,產(chǎn)生新的基因組合Figure 17-47 (part 1 of 2) Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)在適當(dāng)時候激活細胞周期各個時相的相關(guān)酶 和蛋白,然后自身失活(正調(diào)控)確保每一時相事件的全部完成(負調(diào)控) 對外界環(huán)境因子起反應(yīng)(如多細胞生物對增殖信號的反應(yīng)) 細胞周期檢驗點是細胞周期調(diào)控的一種機制, 主要

23、是確保周期每一時相事件的有序、全部完 成并與外界環(huán)境因素相聯(lián)系 細胞周期檢驗點及其作用 G1期檢驗點：酵母Start；動物細胞Restriction PointMPF(Maturation-promoting factor， Mitosis-promoting factor)的發(fā)現(xiàn)及其生化實質(zhì)Mitotic Cyclin-Cdk復(fù)合物的活化與功能細胞融合與PCC(Premature chromosomal condense) 爪蟾卵子成熟過程 MPF的發(fā)現(xiàn)MPF是一種使多種底物蛋白磷酸化的蛋白激酶； 由M期Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein kinase)

24、形成的復(fù)合物。MPF=CDK1=p34cdc2+cyclinB 活化 隨Cyclin濃度變化而變化 激酶與磷酸酶的調(diào)節(jié)， 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(guān)事件Cyclin-Cdk復(fù)合物的多樣性 Cyclin-Cdk-調(diào)控細胞周期的引擎：不同的周期蛋白與 不同的CDK結(jié)合，構(gòu)成不同的Cyclin-Cdk； 不同的Cyclin-Cdk在不同的時相表現(xiàn)活性，影響不同的下游事件。G1 Cyclin-Cdk復(fù)合物對Rb蛋白磷酸化而調(diào)控G1檢驗點Mitotic Cyclin-Cdk復(fù)合物激活 Anaphase Promoting Complex (APC), 調(diào)控紡錘

25、體裝配檢驗點周期細胞M-Cyclin的調(diào)控細胞周期調(diào)控模型總結(jié) G1 S G2/M Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Cyclin-Cdk Budding Yeast CLN1,2,3-CDC28 CLB5,(3,4)-CDC28 CLB1,2(3,4)-CDC28 Fission Yeast CIG1-CDC2 CIG2-CDC2 CIG13-CDC2 Higher Eukaryotes CyclinD1,2,3-CDK4/6 CyclinA-CDK2 CyclinB-CDC2 CyclinE1,2-CDK2G1 SubstratesS SubstratesG2/M SubstratesGrowth and MorphogenesisDNA ReplicationMitosisAPC介導(dǎo)選擇性降解的靶蛋白與Ubiquitin結(jié)合 (通過泛素依賴性途徑降解) APC主要介導(dǎo)兩類蛋白降解: Anaphase Inhibitors和Mitotic Cyclin. 前者維持姐妹染色單體粘連, 抑制后期啟動；后者的降解意味著有絲分裂即將結(jié)束，即染色體開始去凝集，核膜重建。 Cdc20 和Mad2蛋白位于動粒上，在染色體結(jié)合有絲分裂紡錘體