高中生物競(jìng)賽：第十二章 細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂課件

第十二章細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂細(xì)胞周期cellcycle細(xì)胞分裂celldivision細(xì)胞增殖(cellproliferation)：細(xì)胞生命活動(dòng)的重要特征之一細(xì)胞分裂(celldivision)：細(xì)胞增殖最直觀的表現(xiàn)細(xì)胞周期(cellcycle)：細(xì)胞增殖過(guò)程/sites/default/files/figure-03-23.jpg本章主要內(nèi)容細(xì)胞周期01細(xì)胞分裂02第一節(jié)細(xì)胞周期概述細(xì)胞周期中各不同時(shí)相及其主要事件細(xì)胞周期同步化細(xì)胞周期特殊的細(xì)胞周期一、細(xì)胞周期概述細(xì)胞周期：從一次細(xì)胞分裂結(jié)束開(kāi)始，經(jīng)過(guò)物質(zhì)準(zhǔn)備，直到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束為止的過(guò)程細(xì)胞周期中3個(gè)根本問(wèn)題分裂前DNA精確的復(fù)制完整復(fù)制DNA如何準(zhǔn)確分配到兩個(gè)子細(xì)胞物質(zhì)準(zhǔn)備與細(xì)胞分裂是如何調(diào)控的細(xì)胞周期的時(shí)期劃分細(xì)胞有絲分裂期（mitosis）分裂間期（interphase）真核細(xì)胞的周期示意圖細(xì)胞周期概述標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞周期StandardCellcycleG1期、S期、G2期和M期32P標(biāo)記蠶豆根尖細(xì)胞，放射自顯影實(shí)驗(yàn)圖12-1標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞周期一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞周期一般包括4個(gè)時(shí)相：DNA合成期（S）、細(xì)胞分裂期（M）以及介于二者之間的G1期和G2期。細(xì)胞周期從G1期開(kāi)始，經(jīng)S期和G2期，到M期結(jié)束細(xì)胞周期概念的提出NATURE|VOL426|18/25DECEMBER2003,759細(xì)胞社會(huì)中的3類細(xì)胞群體周期中細(xì)胞（cyclingcell）：連續(xù)分裂G0

期細(xì)胞（靜止期細(xì)胞，quiescentcell）：暫時(shí)脫離細(xì)胞周期，停止細(xì)胞分裂，但需要時(shí)仍可以恢復(fù)周期終末分化細(xì)胞（terminallydifferentiatedcell）：高度分化的細(xì)胞，發(fā)揮特定功能直至死亡。如何確定動(dòng)物細(xì)胞周期的具體時(shí)期？顯微鏡觀察用流式細(xì)胞儀（熒光活化細(xì)胞分選儀，F(xiàn)ACS）測(cè)量DNA含量BrdU-labledepitheliacellsofthezebrafishgut.(Gree:Sphasecells)G1期：合成細(xì)胞生長(zhǎng)所需的蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)等S期：合成DNAG2期：檢查DNA是否完成復(fù)制，細(xì)胞是否已生長(zhǎng)到合適大小，環(huán)境因素是否利于細(xì)胞分裂等M期：細(xì)胞分裂兩個(gè)重要的事件：DNA的復(fù)制和細(xì)胞分裂二、細(xì)胞周期中各不同時(shí)相及其主要事件檢驗(yàn)點(diǎn)檢驗(yàn)點(diǎn)是作用于細(xì)胞周期轉(zhuǎn)換時(shí)序的調(diào)控信號(hào)通路G1/S檢驗(yàn)點(diǎn)：在酵母中稱start點(diǎn)，在哺乳動(dòng)物中稱R點(diǎn)S期檢驗(yàn)點(diǎn)G2/M檢驗(yàn)點(diǎn)中-后期檢驗(yàn)點(diǎn)圖12-2細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)及其主要事件“引擎”與“剎車”“剎車”細(xì)胞周期蛋白依賴的蛋白激酶復(fù)合物（cyclin-dependentkinasecomplex，CDK）Figure17-14MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)不同細(xì)胞周期時(shí)間不同最大的變化發(fā)生在G1期細(xì)胞周期時(shí)間測(cè)定——標(biāo)記有絲分裂百分率法標(biāo)記有絲分裂百分率法（percentagelabeledmitosis，PLM）對(duì)測(cè)定細(xì)胞進(jìn)行脈沖標(biāo)記、定時(shí)取材、利用放射自顯影技術(shù)顯示標(biāo)記細(xì)胞，通過(guò)統(tǒng)計(jì)標(biāo)記有絲分裂細(xì)胞百分?jǐn)?shù)的辦法來(lái)測(cè)定細(xì)胞周期放射標(biāo)記物為3H或者14C標(biāo)記的TdR標(biāo)記有絲分裂百分率法50100TG20TMTsTcTG2+1/2TM1nPLM細(xì)胞周期時(shí)間測(cè)定——流式細(xì)胞儀測(cè)定法三、細(xì)胞周期同步化天然同步化(naturalsynchronization)一種黏菌的變形體大多數(shù)無(wú)脊椎動(dòng)物和少數(shù)脊椎動(dòng)物的早期胚胎人工同步化(artificialsynchronization)選擇同步化(Selectedsynchronization)誘導(dǎo)同步化(Inducedsynchronization)圖12-3從培養(yǎng)細(xì)胞中收集M期細(xì)胞的同步化方法誘導(dǎo)同步化DNA合成阻斷法分裂中期阻斷法圖12-4應(yīng)用過(guò)量的TdR阻斷法進(jìn)行細(xì)胞周期同步化A.處于對(duì)數(shù)生長(zhǎng)期的細(xì)胞。B.第一次加入TdR，所有處于S期的細(xì)胞立即被抑制，其他細(xì)胞運(yùn)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(xì)胞沿細(xì)胞周期運(yùn)行。D.在解除抑制的細(xì)胞到達(dá)G1期終點(diǎn)前，第二次加入TdR并繼續(xù)培養(yǎng)，所有的細(xì)胞被抑制在G1/S期交界處四、特殊的細(xì)胞周期——早期胚胎細(xì)胞受精卵迅速卵裂，卵裂球數(shù)量增加，但其總體積并不增加；細(xì)胞周期中沒(méi)有細(xì)胞的生長(zhǎng)G1

期和G2

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

期、S期、G2

期和M期4個(gè)時(shí)相酵母細(xì)胞周期持續(xù)時(shí)間較短，大約為90min細(xì)胞分裂過(guò)程屬于封閉式：核膜不解聚，紡錘體位于核內(nèi)兩種：芽殖酵母和裂殖酵母圖12-5芽殖酵母的細(xì)胞周期圖12-6裂殖酵母的細(xì)胞周期芽殖酵母和裂殖酵母四、特殊的細(xì)胞周期——植物細(xì)胞高等植物細(xì)胞雖不含中心體，但可以正常組裝紡錘體在成膜體指導(dǎo)下，以形成細(xì)胞板（中間板）的形式完成胞質(zhì)分裂圖12-7植物細(xì)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(zhì)微管（紡錘體），紅色熒光顯示細(xì)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(zhì)分裂過(guò)程四、特殊的細(xì)胞周期——植物細(xì)胞四、特殊的細(xì)胞周期——細(xì)菌DNA復(fù)制是細(xì)菌細(xì)胞周期中的重要事件之一細(xì)菌DNA為一環(huán)形分子，含有一個(gè)復(fù)制起始點(diǎn)DNA復(fù)制之前，一般要經(jīng)過(guò)一個(gè)臨界時(shí)間慢生長(zhǎng)快生長(zhǎng)圖12-8細(xì)菌的細(xì)胞周期A.慢生長(zhǎng)。B.快生長(zhǎng)第二節(jié)有絲分裂減數(shù)分裂細(xì)胞分裂一、有絲分裂Mitosis細(xì)胞周期的M期時(shí)相包括核分裂與胞質(zhì)分裂兩個(gè)相互聯(lián)系的過(guò)程細(xì)胞有絲分裂(mitosis)即指核分裂(nucleardivision)有絲分裂過(guò)程人為地劃分為前期、前中期、中期、后期和末期胞質(zhì)分裂（cytokinesis）相對(duì)獨(dú)立，一般開(kāi)始于細(xì)胞有絲分裂后期，完成于細(xì)胞有絲分裂末期通過(guò)核分裂與胞質(zhì)分裂，使已經(jīng)復(fù)制好的染色體DNA平均分配到2個(gè)子細(xì)胞中一、有絲分裂Mitosis圖12-9高等動(dòng)物細(xì)胞有絲分裂過(guò)程姐妹染色單體間彼此黏著和凝縮是基因組準(zhǔn)確分離的先決條件Smc

(structuralmaintenanceofchromosome)蛋白復(fù)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(xì)胞分裂極的確立和紡錘體裝配動(dòng)物細(xì)胞分裂極確立與中心體復(fù)制、分離和有星紡錘體的裝配密切相關(guān)高等植物細(xì)胞裝配無(wú)星紡錘體，分裂極確立機(jī)制尚不清楚中心體半保留復(fù)制圖12-11動(dòng)物細(xì)胞中心體的復(fù)制與細(xì)胞周期的關(guān)系在每個(gè)細(xì)胞周期中，中心體進(jìn)行一次半保留復(fù)制。在有絲分裂末期，每個(gè)子代細(xì)胞繼承一個(gè)中心體，而在下次有絲分裂開(kāi)始之前，它又包含2個(gè)中心體Figure17-31MolecularBiologyoftheCell(?GarlandScience2008)中心體復(fù)制與細(xì)胞周期的關(guān)系核纖層蛋白的磷酸化與去磷酸化圖12-12細(xì)胞分裂過(guò)程中核被膜和核纖層的動(dòng)態(tài)變化A.核被膜在細(xì)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(dòng)物細(xì)胞有絲分裂器由星體微管、染色體動(dòng)粒微管和極間微管及其結(jié)合蛋白構(gòu)成有星紡錘體植物細(xì)胞不含中心體，但能形成無(wú)星紡錘體介導(dǎo)植物細(xì)胞的核分裂圖12-13高等動(dòng)物細(xì)胞紡錘體結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(dá)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(qū)動(dòng)蛋白相關(guān)蛋白細(xì)胞質(zhì)動(dòng)力蛋白中心體列隊(duì)圖12-14紡錘體組裝過(guò)程A.中心體分離，負(fù)向運(yùn)動(dòng)馬達(dá)蛋白與來(lái)自姐妹中心體的紡錘體微管結(jié)合。B.借助馬達(dá)蛋白向微管負(fù)極運(yùn)動(dòng)，將紡錘體微管牽拉在一起，形成早期紡錘體。C.正向運(yùn)動(dòng)馬達(dá)蛋白在紡錘體微管之間搭橋，借助正向運(yùn)動(dòng)，將紡錘體拉長(zhǎng)。D.負(fù)向運(yùn)動(dòng)的馬達(dá)蛋白在細(xì)胞膜和星體微管之間搭橋，借助負(fù)向運(yùn)動(dòng)，將中心體進(jìn)一步拉近兩極的細(xì)胞膜，紡錘體進(jìn)一步被拉長(zhǎng)2.前中期——紡錘體組裝過(guò)程著絲粒－動(dòng)粒復(fù)合體動(dòng)粒為一個(gè)圓盤狀結(jié)構(gòu)，分內(nèi)、中、外三層著絲粒DNA主要由α衛(wèi)星DNA構(gòu)成著絲粒動(dòng)粒蛋白質(zhì)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(yīng)用免疫熒光技術(shù)和電鏡技術(shù)顯示動(dòng)粒位置和結(jié)構(gòu)A.DNA（藍(lán)色）和動(dòng)粒蛋白HEC1（紅色）雙重?zé)晒馊玖先旧?。B.透射電鏡技術(shù)顯示染色單體上的動(dòng)粒結(jié)構(gòu)及其與動(dòng)粒微管的連接。C.動(dòng)粒結(jié)構(gòu)及動(dòng)粒-微管相互連接示意圖染色體整列染色體向赤道面運(yùn)動(dòng)的過(guò)程Mad和Bub蛋白NatureReviewsMolecularCellBiology2,678-687(September2001)圖12-16染色體整列A.細(xì)胞分裂前期和前中期，Mad和Bub蛋白在染色體的動(dòng)粒上聚集。B.微管與動(dòng)粒聯(lián)結(jié)后，Mad和Bub蛋白消失，某些染色體滯后，未與微管聯(lián)結(jié)的動(dòng)粒依然含有Mad和Bub蛋白。C.所有染色體的動(dòng)粒均與微管聯(lián)結(jié)，Mad和Bub蛋白消失，染色體列隊(duì)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(jié)構(gòu)呈現(xiàn)典型紡錘樣牽拉（pull）假說(shuō)外推（push）假說(shuō)圖12-17解釋染色體在赤道面整列的兩種假說(shuō)3.中期（metaphase）3.中期（metaphase）姐妹染色單體分離向兩極運(yùn)動(dòng)依靠紡錘體微管的作用后期A動(dòng)粒微管變短，牽動(dòng)染色體向兩極運(yùn)動(dòng)后期B極性微管長(zhǎng)度增加，兩極之間的距離逐漸拉長(zhǎng)圖12-18細(xì)胞有絲分裂后期由ATP驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)蛋白沿微管向極部運(yùn)動(dòng)使染色體分開(kāi)A.ATP-驅(qū)動(dòng)的染色體運(yùn)動(dòng)促使微管解聚。B.微管解聚促使染色體運(yùn)動(dòng)4.后期（anaphase）圖12-19細(xì)胞分裂后期Ａ和后期Ｂ產(chǎn)生染色體向極部運(yùn)動(dòng)的示意圖后期A：動(dòng)粒微管在兩端解聚縮短，致使姐妹染色單體向兩極運(yùn)動(dòng)。后期B：通過(guò)星體微管牽拉和極微管重疊區(qū)滑動(dòng)，使紡錘體兩極和染色體進(jìn)一步分開(kāi)4.后期（anaphase）AnaphaseA(chromosome-to-polemovement)AnaphaseB(pole-poleseparation)染色體分離后期涉及的兩種運(yùn)動(dòng)類型圖12-20有絲分裂中后期轉(zhuǎn)換有絲分裂中-后期轉(zhuǎn)換是由活化APC啟動(dòng)的，抑制物securin的降解導(dǎo)致分離酶活化，進(jìn)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(zhuǎn)換有絲分裂中后期轉(zhuǎn)換動(dòng)粒和有絲分裂染色體分離NatureReviewsMolecularCellBiology9,33-46(January2008)動(dòng)粒上特定微管定向活動(dòng)的分子機(jī)制NatureReviewsMolecularCellBiology9,33-46(January2008)動(dòng)粒微管消失，極微管繼續(xù)加長(zhǎng)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(zhì)分裂Cytokinisis(Cytoplasmdivision)動(dòng)物細(xì)胞的胞質(zhì)分裂圖13-21動(dòng)物細(xì)胞胞質(zhì)分裂示意圖胞質(zhì)分裂4個(gè)步驟分裂溝位置的確立；肌動(dòng)蛋白聚集和收縮環(huán)形成；收縮環(huán)收縮；收縮環(huán)處細(xì)胞融合并形成兩個(gè)子細(xì)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(xì)胞皮層并誘導(dǎo)分裂溝形成A.中央紡錘體發(fā)出的信號(hào)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(hào)，促進(jìn)分裂溝的形成。C.遠(yuǎn)離分裂溝位置的星體微管發(fā)出抑制性信號(hào)(T形箭頭)，抑制遠(yuǎn)離分裂溝端部的細(xì)胞皮層收縮，間接促進(jìn)分裂溝的形成中央紡錘體和星體微管作用于細(xì)胞皮層并誘導(dǎo)分裂溝形成棘皮動(dòng)物的卵細(xì)胞分裂面的形成二、減數(shù)分裂（meiosis）配子形成三種類型的減數(shù)分裂圖12-23真核生物減數(shù)分裂的3種類型A.配子減數(shù)分裂。B.孢子減數(shù)分裂。C.合子減數(shù)分裂（一）減數(shù)分裂前間期細(xì)胞核大于其體細(xì)胞核；分G1期、S期和G2期S期持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，但DNA未全部復(fù)制完成？G2期的長(zhǎng)短變化較大圖12-24減數(shù)分裂過(guò)程圖解（二）減數(shù)分裂的過(guò)程你知道嗎？Why？女性卵巢中卵母細(xì)胞約從胚胎期第五個(gè)月開(kāi)始進(jìn)入前期I的雙線期，可保持幾十年脊椎動(dòng)物排出的卵減數(shù)分裂進(jìn)程停滯在中期II？動(dòng)物細(xì)胞的減數(shù)分裂動(dòng)物細(xì)胞的減數(shù)分裂動(dòng)物細(xì)胞的減數(shù)分裂/ap-biology/study-center/summaries/meiosis-&-gametogenesis/meiosis1.減數(shù)分裂I1.減數(shù)分裂I——前期I（同源染色體配對(duì)和基因重組）前期I前期I細(xì)線期：染色質(zhì)凝縮；染色粒；接觸斑偶線期：配對(duì)；聯(lián)會(huì)復(fù)合體；Z-DNA粗線期：重組節(jié)；P-DNA；專用組蛋白合成；rDNA擴(kuò)增雙線期：同源染色體分離；交叉；RNA轉(zhuǎn)錄活躍終變期：交叉端化圖12-25偶線期DNA在減數(shù)分裂前期I才進(jìn)行復(fù)制示意圖可能是由于此種未復(fù)制的DNA片段的存在，導(dǎo)致兩條姐妹染色單體緊密聯(lián)系在一起1.減數(shù)分裂I——前期I（同源染色體配對(duì)和基因重組）聯(lián)會(huì)復(fù)合體與同源染色體聯(lián)會(huì)和基因重組有關(guān)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(zhì)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(jiàn)到的聯(lián)會(huì)復(fù)合體和重組節(jié)結(jié)構(gòu)（A）及其圖解（B）A.照片顯示聯(lián)會(huì)復(fù)合體和重組節(jié)（箭頭所指）。B.圖解顯示側(cè)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(lián)會(huì)復(fù)合體（synaptonemalcomplex）聯(lián)會(huì)復(fù)合體二價(jià)體（bivalent）四分體（tetrad）可見(jiàn)4條染色單體，兩個(gè)交叉，兩個(gè)同源染色體各自的兩個(gè)姐妹著絲粒并排存在圖12-27雙線期二價(jià)染色體圖解可見(jiàn)4條染色單體，1個(gè)交叉，兩個(gè)同源染色體各自的兩個(gè)姐妹著絲粒并排存在1.減數(shù)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(shù)分裂中期Ⅰ（A）與減數(shù)分裂中期Ⅱ（B）動(dòng)粒與紡錘體的聯(lián)系示意圖在減數(shù)分裂中期I，四分體中同源染色體的兩個(gè)動(dòng)粒位于同側(cè)，只與從同一極發(fā)出的紡錘體微管相聯(lián)結(jié)；減數(shù)分裂中期II與一般有絲分裂中期相似，每個(gè)染色體的兩個(gè)動(dòng)粒分別位于染色體的兩側(cè)，分別與