高中生物競賽：第十二章 細胞周期與細胞分裂課件

第十二章細胞周期與細胞分裂細胞周期cellcycle細胞分裂celldivision細胞增殖(cellproliferation)：細胞生命活動的重要特征之一細胞分裂(celldivision)：細胞增殖最直觀的表現細胞周期(cellcycle)：細胞增殖過程/sites/default/files/figure-03-23.jpg本章主要內容細胞周期01細胞分裂02第一節(jié)細胞周期概述細胞周期中各不同時相及其主要事件細胞周期同步化細胞周期特殊的細胞周期一、細胞周期概述細胞周期：從一次細胞分裂結束開始，經過物質準備，直到下一次細胞分裂結束為止的過程細胞周期中3個根本問題分裂前DNA精確的復制完整復制DNA如何準確分配到兩個子細胞物質準備與細胞分裂是如何調控的細胞周期的時期劃分細胞有絲分裂期（mitosis）分裂間期（interphase）真核細胞的周期示意圖細胞周期概述標準的細胞周期StandardCellcycleG1期、S期、G2期和M期32P標記蠶豆根尖細胞，放射自顯影實驗圖12-1標準的細胞周期一個標準的細胞周期一般包括4個時相：DNA合成期（S）、細胞分裂期（M）以及介于二者之間的G1期和G2期。細胞周期從G1期開始，經S期和G2期，到M期結束細胞周期概念的提出NATURE|VOL426|18/25DECEMBER2003,759細胞社會中的3類細胞群體周期中細胞（cyclingcell）：連續(xù)分裂G0

期細胞（靜止期細胞，quiescentcell）：暫時脫離細胞周期，停止細胞分裂，但需要時仍可以恢復周期終末分化細胞（terminallydifferentiatedcell）：高度分化的細胞，發(fā)揮特定功能直至死亡。如何確定動物細胞周期的具體時期？顯微鏡觀察用流式細胞儀（熒光活化細胞分選儀，FACS）測量DNA含量BrdU-labledepitheliacellsofthezebrafishgut.(Gree:Sphasecells)G1期：合成細胞生長所需的蛋白質、糖類、脂質等S期：合成DNAG2期：檢查DNA是否完成復制，細胞是否已生長到合適大小，環(huán)境因素是否利于細胞分裂等M期：細胞分裂兩個重要的事件：DNA的復制和細胞分裂二、細胞周期中各不同時相及其主要事件檢驗點檢驗點是作用于細胞周期轉換時序的調控信號通路G1/S檢驗點：在酵母中稱start點，在哺乳動物中稱R點S期檢驗點G2/M檢驗點中-后期檢驗點圖12-2細胞周期檢驗點及其主要事件“引擎”與“剎車”“剎車”細胞周期蛋白依賴的蛋白激酶復合物（cyclin-dependentkinasecomplex，CDK）Figure17-14MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)不同細胞周期時間不同最大的變化發(fā)生在G1期細胞周期時間測定——標記有絲分裂百分率法標記有絲分裂百分率法（percentagelabeledmitosis，PLM）對測定細胞進行脈沖標記、定時取材、利用放射自顯影技術顯示標記細胞，通過統(tǒng)計標記有絲分裂細胞百分數的辦法來測定細胞周期放射標記物為3H或者14C標記的TdR標記有絲分裂百分率法50100TG20TMTsTcTG2+1/2TM1nPLM細胞周期時間測定——流式細胞儀測定法三、細胞周期同步化天然同步化(naturalsynchronization)一種黏菌的變形體大多數無脊椎動物和少數脊椎動物的早期胚胎人工同步化(artificialsynchronization)選擇同步化(Selectedsynchronization)誘導同步化(Inducedsynchronization)圖12-3從培養(yǎng)細胞中收集M期細胞的同步化方法誘導同步化DNA合成阻斷法分裂中期阻斷法圖12-4應用過量的TdR阻斷法進行細胞周期同步化A.處于對數生長期的細胞。B.第一次加入TdR，所有處于S期的細胞立即被抑制，其他細胞運行到G1/S期交界處被抑制。C.將TdR洗脫，解除抑制，被抑制的細胞沿細胞周期運行。D.在解除抑制的細胞到達G1期終點前，第二次加入TdR并繼續(xù)培養(yǎng)，所有的細胞被抑制在G1/S期交界處四、特殊的細胞周期——早期胚胎細胞受精卵迅速卵裂，卵裂球數量增加，但其總體積并不增加；細胞周期中沒有細胞的生長G1

期和G2

期非常短在細胞分裂過程中很少或不需要合成除DNA以外的其他成分四、特殊的細胞周期——酵母細胞包括G1

期、S期、G2

期和M期4個時相酵母細胞周期持續(xù)時間較短，大約為90min細胞分裂過程屬于封閉式：核膜不解聚，紡錘體位于核內兩種：芽殖酵母和裂殖酵母圖12-5芽殖酵母的細胞周期圖12-6裂殖酵母的細胞周期芽殖酵母和裂殖酵母四、特殊的細胞周期——植物細胞高等植物細胞雖不含中心體，但可以正常組裝紡錘體在成膜體指導下，以形成細胞板（中間板）的形式完成胞質分裂圖12-7植物細胞的有絲分裂上排各圖用兩種熒光染色，綠色熒光顯示胞質微管（紡錘體），紅色熒光顯示細胞核（染色體）。下排各圖用福爾根染色法顯示有絲分裂及胞質分裂過程四、特殊的細胞周期——植物細胞四、特殊的細胞周期——細菌DNA復制是細菌細胞周期中的重要事件之一細菌DNA為一環(huán)形分子，含有一個復制起始點DNA復制之前，一般要經過一個臨界時間慢生長快生長圖12-8細菌的細胞周期A.慢生長。B.快生長第二節(jié)有絲分裂減數分裂細胞分裂一、有絲分裂Mitosis細胞周期的M期時相包括核分裂與胞質分裂兩個相互聯系的過程細胞有絲分裂(mitosis)即指核分裂(nucleardivision)有絲分裂過程人為地劃分為前期、前中期、中期、后期和末期胞質分裂（cytokinesis）相對獨立，一般開始于細胞有絲分裂后期，完成于細胞有絲分裂末期通過核分裂與胞質分裂，使已經復制好的染色體DNA平均分配到2個子細胞中一、有絲分裂Mitosis圖12-9高等動物細胞有絲分裂過程姐妹染色單體間彼此黏著和凝縮是基因組準確分離的先決條件Smc

(structuralmaintenanceofchromosome)蛋白復合物黏連蛋白(Cohesin)和凝縮蛋白(Condensin)圖12-10Smc蛋白（A）及其黏連蛋白（Smc1/3）（B）、凝縮蛋白（Smc2/4）（C）異二聚體的作用1.前期——染色體凝縮（chromatincondensation）黏連蛋白和凝縮蛋白Fig.CondensinandCohesincomplexesA–B,ModeloftheisolateddimerofSMC2andSMC4fromcondensin.ChemicalcrosslinksbetweenSMC2andSMC4usedtoconstrainthemodelingareshowninred.Coloredspheresrepresentlysinesinvolvedincrosslinks.B,StructureofaportionofthecohesincomplexshowingthepairedheadswithaboundfragmentoftheScc1kleisin.C–D,Subunitcompositionandstructuralorganizationofthecohesinandcondensincomplexes黏連蛋白和凝縮蛋白1.前期——細胞分裂極的確立和紡錘體裝配動物細胞分裂極確立與中心體復制、分離和有星紡錘體的裝配密切相關高等植物細胞裝配無星紡錘體，分裂極確立機制尚不清楚中心體半保留復制圖12-11動物細胞中心體的復制與細胞周期的關系在每個細胞周期中，中心體進行一次半保留復制。在有絲分裂末期，每個子代細胞繼承一個中心體，而在下次有絲分裂開始之前，它又包含2個中心體Figure17-31MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)中心體復制與細胞周期的關系核纖層蛋白的磷酸化與去磷酸化圖12-12細胞分裂過程中核被膜和核纖層的動態(tài)變化A.核被膜在細胞有絲分裂中有規(guī)律地解體與重建。B.核纖層解聚2.前中期——核膜崩解動物細胞有絲分裂器由星體微管、染色體動粒微管和極間微管及其結合蛋白構成有星紡錘體植物細胞不含中心體，但能形成無星紡錘體介導植物細胞的核分裂圖12-13高等動物細胞紡錘體結構A.DNA熒光染料染色（紅色）和抗微管蛋白抗體免疫熒光染色（綠色）。B.染色體和紡錘體結構模式圖2.前中期——完成紡錘體裝配，形成有絲分裂器(mitoticapparatus）三類微管和有絲分裂馬達蛋白有絲分裂紡錘體的微管極性微管在中心體周圍組裝中心體的分離驅動蛋白相關蛋白細胞質動力蛋白中心體列隊圖12-14紡錘體組裝過程A.中心體分離，負向運動馬達蛋白與來自姐妹中心體的紡錘體微管結合。B.借助馬達蛋白向微管負極運動，將紡錘體微管牽拉在一起，形成早期紡錘體。C.正向運動馬達蛋白在紡錘體微管之間搭橋，借助正向運動，將紡錘體拉長。D.負向運動的馬達蛋白在細胞膜和星體微管之間搭橋，借助負向運動，將中心體進一步拉近兩極的細胞膜，紡錘體進一步被拉長2.前中期——紡錘體組裝過程著絲粒－動粒復合體動粒為一個圓盤狀結構，分內、中、外三層著絲粒DNA主要由α衛(wèi)星DNA構成著絲粒動粒蛋白質2.前中期——染色體整列(chromosomealignment)染色體附著在有絲分裂紡錘體上圖12-15應用免疫熒光技術和電鏡技術顯示動粒位置和結構A.DNA（藍色）和動粒蛋白HEC1（紅色）雙重熒光染料染色。B.透射電鏡技術顯示染色單體上的動粒結構及其與動粒微管的連接。C.動粒結構及動粒-微管相互連接示意圖染色體整列染色體向赤道面運動的過程Mad和Bub蛋白NatureReviewsMolecularCellBiology2,678-687(September2001)圖12-16染色體整列A.細胞分裂前期和前中期，Mad和Bub蛋白在染色體的動粒上聚集。B.微管與動粒聯結后，Mad和Bub蛋白消失，某些染色體滯后，未與微管聯結的動粒依然含有Mad和Bub蛋白。C.所有染色體的動粒均與微管聯結，Mad和Bub蛋白消失，染色體列隊到赤道板2.前中期——染色體整列染色體整列完成，所有染色體排列到赤道面上，紡錘體結構呈現典型紡錘樣牽拉（pull）假說外推（push）假說圖12-17解釋染色體在赤道面整列的兩種假說3.中期（metaphase）3.中期（metaphase）姐妹染色單體分離向兩極運動依靠紡錘體微管的作用后期A動粒微管變短，牽動染色體向兩極運動后期B極性微管長度增加，兩極之間的距離逐漸拉長圖12-18細胞有絲分裂后期由ATP驅動的馬達蛋白沿微管向極部運動使染色體分開A.ATP-驅動的染色體運動促使微管解聚。B.微管解聚促使染色體運動4.后期（anaphase）圖12-19細胞分裂后期Ａ和后期Ｂ產生染色體向極部運動的示意圖后期A：動粒微管在兩端解聚縮短，致使姐妹染色單體向兩極運動。后期B：通過星體微管牽拉和極微管重疊區(qū)滑動，使紡錘體兩極和染色體進一步分開4.后期（anaphase）AnaphaseA(chromosome-to-polemovement)AnaphaseB(pole-poleseparation)染色體分離后期涉及的兩種運動類型圖12-20有絲分裂中后期轉換有絲分裂中-后期轉換是由活化APC啟動的，抑制物securin的降解導致分離酶活化，進而黏連蛋白被切割，致使姐妹染色單體分離有絲分裂中后期轉換有絲分裂中后期轉換動粒和有絲分裂染色體分離NatureReviewsMolecularCellBiology9,33-46(January2008)動粒上特定微管定向活動的分子機制NatureReviewsMolecularCellBiology9,33-46(January2008)動粒微管消失，極微管繼續(xù)加長染色單體去濃縮核纖層與核膜重新組裝5.末期（telophase）分裂溝(Furrow)中體(Midbody)收縮環(huán)(Contractilering)Figure17-49aMolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)6.胞質分裂Cytokinisis(Cytoplasmdivision)動物細胞的胞質分裂圖13-21動物細胞胞質分裂示意圖胞質分裂4個步驟分裂溝位置的確立；肌動蛋白聚集和收縮環(huán)形成；收縮環(huán)收縮；收縮環(huán)處細胞融合并形成兩個子細胞中央紡錘體和星體微管共同決定了分裂溝形成的位置，星體微管參與了分裂溝的形成圖12-22中央紡錘體和星體微管作用于細胞皮層并誘導分裂溝形成A.中央紡錘體發(fā)出的信號決定分裂溝的定位。B.接近分裂溝位置的紡錘體微管發(fā)出信號，促進分裂溝的形成。C.遠離分裂溝位置的星體微管發(fā)出抑制性信號(T形箭頭)，抑制遠離分裂溝端部的細胞皮層收縮，間接促進分裂溝的形成中央紡錘體和星體微管作用于細胞皮層并誘導分裂溝形成棘皮動物的卵細胞分裂面的形成二、減數分裂（meiosis）配子形成三種類型的減數分裂圖12-23真核生物減數分裂的3種類型A.配子減數分裂。B.孢子減數分裂。C.合子減數分裂（一）減數分裂前間期細胞核大于其體細胞核；分G1期、S期和G2期S期持續(xù)時間較長，但DNA未全部復制完成？G2期的長短變化較大圖12-24減數分裂過程圖解（二）減數分裂的過程你知道嗎？Why？女性卵巢中卵母細胞約從胚胎期第五個月開始進入前期I的雙線期，可保持幾十年脊椎動物排出的卵減數分裂進程停滯在中期II？動物細胞的減數分裂動物細胞的減數分裂動物細胞的減數分裂/ap-biology/study-center/summaries/meiosis-&-gametogenesis/meiosis1.減數分裂I1.減數分裂I——前期I（同源染色體配對和基因重組）前期I前期I細線期：染色質凝縮；染色粒；接觸斑偶線期：配對；聯會復合體；Z-DNA粗線期：重組節(jié)；P-DNA；專用組蛋白合成；rDNA擴增雙線期：同源染色體分離；交叉；RNA轉錄活躍終變期：交叉端化圖12-25偶線期DNA在減數分裂前期I才進行復制示意圖可能是由于此種未復制的DNA片段的存在，導致兩條姐妹染色單體緊密聯系在一起1.減數分裂I——前期I（同源染色體配對和基因重組）聯會復合體與同源染色體聯會和基因重組有關SC由兩條同源染色體沿縱軸形成，外觀呈梯狀SC上有重組節(jié)(recombinationnodules)，是交換發(fā)生的部位。SC主要由堿性蛋白質和RNA組成，含少量DNASC形成合線期，成熟于粗線期，消失于雙線期圖12-26電鏡下見到的聯會復合體和重組節(jié)結構（A）及其圖解（B）A.照片顯示聯會復合體和重組節(jié)（箭頭所指）。B.圖解顯示側生組分、中央組分、重組節(jié)和同源染色體的姐妹染色單體聯會復合體（synaptonemalcomplex）聯會復合體二價體（bivalent）四分體（tetrad）可見4條染色單體，兩個交叉，兩個同源染色體各自的兩個姐妹著絲粒并排存在圖12-27雙線期二價染色體圖解可見4條染色單體，1個交叉，兩個同源染色體各自的兩個姐妹著絲粒并排存在1.減數分裂I——中期I核膜破裂紡錘體微管捕獲四分體四分體排列到赤道面上圖12-28減數分裂中期Ⅰ（A）與減數分裂中期Ⅱ（B）動粒與紡錘體的聯系示意圖在減數分裂中期I，四分體中同源染色體的兩個動粒位于同側，只與從同一極發(fā)出的紡錘體微管相聯結；減數分裂中期II與一般有絲分裂中期相似，每個染色體的兩個動粒分別位于染色體的兩側，分別與