第十二章細(xì)胞增殖

細(xì)胞增殖(cellproliferation)的意義◆細(xì)胞增殖(cellproliferation)是細(xì)胞生命活動的重要特征之一,是生物繁育的基礎(chǔ)?！魡渭?xì)胞生物細(xì)胞增殖導(dǎo)致生物個(gè)體數(shù)量的增加?！舳嗉?xì)胞生物由一個(gè)單細(xì)胞(受精卵)分裂發(fā)育而來，細(xì)胞增殖是多細(xì)胞生物繁殖基礎(chǔ)?！舫审w生物仍然需要細(xì)胞增殖，主要取代衰老死亡的細(xì)胞，維持個(gè)體細(xì)胞數(shù)量的相對平衡和機(jī)體的正常功能。 ◆機(jī)體創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理組織修復(fù)等，都要依賴細(xì)胞增殖。第一頁，共八十五頁。第一節(jié)細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂●細(xì)胞周期(cellcycle)概述●有絲分裂(mitosis)●胞質(zhì)分裂(Cytokinesis)●減數(shù)分裂(Meiosis)

第二頁，共八十五頁。一、細(xì)胞周期第三頁，共八十五頁?！窦?xì)胞周期(cellcycle)概述

◆概念：

細(xì)胞從一次有絲分裂結(jié)束到下一次有絲分裂完成所經(jīng)歷的一個(gè)有序過程。其間細(xì)胞遺傳物質(zhì)和其他內(nèi)含物分配給子細(xì)胞?！艏?xì)胞周期時(shí)相組成間期(interphase):G1phase，Sphase，G2phase·Mphase:有絲分裂期(Mitosis),胞質(zhì)分裂期(Cytokinesis)細(xì)胞沿著G1→S→G2→M→G1周期性運(yùn)轉(zhuǎn)，在間期細(xì)胞體積增大(生長)，在M期細(xì)胞先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，完成一個(gè)細(xì)胞周期。第四頁，共八十五頁。第五頁，共八十五頁?！艏?xì)胞周期時(shí)間不同細(xì)胞的細(xì)胞周期時(shí)間差異很大S+G2+M的時(shí)間變化較小，細(xì)胞周期時(shí)間長短主要差別在G1期有些分裂增殖的細(xì)胞缺乏G1、G2期第六頁，共八十五頁。第七頁，共八十五頁?！舾鶕?jù)增殖狀況，細(xì)胞分類三類·連續(xù)分裂細(xì)胞(cyclingcell)·休眠細(xì)胞(Go細(xì)胞)·終末分化細(xì)胞G0期細(xì)胞和終末分化細(xì)胞的界限有時(shí)難以劃分，有的細(xì)胞過去認(rèn)為屬于終末分化細(xì)胞，目前可能被認(rèn)為是G0期細(xì)胞。第八頁，共八十五頁。●細(xì)胞周期中各個(gè)不同時(shí)相及其主要事件

G1與DNA合成啟動相關(guān)，開始合成細(xì)胞生長所需要的多種蛋白質(zhì)、RNA、碳水化合物、脂等，同時(shí)染色質(zhì)去凝集。S期·DNA復(fù)制與組蛋白合成同步，組成核小體串珠結(jié)構(gòu)·S期DNA合成不同步第九頁，共八十五頁。G2期DNA復(fù)制完成，在G2期合成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)和RNA分子M期M期即細(xì)胞分裂期，真核細(xì)胞的細(xì)胞分裂主要包括兩種方式，即有絲分裂(mitosis)和減數(shù)分裂(meiosis)。遺傳物質(zhì)和細(xì)胞內(nèi)其他物質(zhì)分配給子細(xì)胞。第十頁，共八十五頁。●細(xì)胞周期長短測定◆脈沖標(biāo)記DNA復(fù)制和細(xì)胞分裂指數(shù)觀察測定法◆流式細(xì)胞儀測定法(FlowCytometry)◆縮時(shí)攝像技術(shù)， 可以得到準(zhǔn)確的細(xì)胞周期時(shí)間及分裂間期和分裂期的準(zhǔn)確時(shí)間。第十一頁，共八十五頁。●細(xì)胞周期同步化◆自然同步化，如有一種粘菌的變形體plasmodia，某些受精卵早期卵裂

◆人工選擇同步化◆藥物誘導(dǎo)法◆條件依賴性突變株在細(xì)胞周期同步化中的應(yīng)用：將與細(xì)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(xì)胞便被同步化在細(xì)胞周期中某一特定時(shí)期。第十二頁，共八十五頁。人工選擇同步化·有絲分裂選擇法：用于單層貼壁生長細(xì)胞。優(yōu)點(diǎn)是細(xì)胞未經(jīng)任何藥物處理，細(xì)胞同步化效率高。缺點(diǎn)是分離的細(xì)胞數(shù)量少。·密度梯度離心法：根據(jù)不同時(shí)期的細(xì)胞在體積和重量上存在差別進(jìn)行分離。優(yōu)點(diǎn)是方法簡單省時(shí)，效率高，成本低。缺點(diǎn)是對大多數(shù)種類的細(xì)胞并不適用。第十三頁，共八十五頁。藥物誘導(dǎo)法·DNA合成阻斷法─G1/S-TdR雙阻斷法：最終將細(xì)胞群阻斷于G1/S交界處。優(yōu)點(diǎn)是同步化效率高，幾乎適合于所有體外培養(yǎng)的細(xì)胞體系。缺點(diǎn)是誘導(dǎo)過程可造成細(xì)胞非均衡生長·分裂中期阻斷法：通過抑制微管聚合來抑制細(xì)胞分裂器的形成，將細(xì)胞阻斷在細(xì)胞分裂中期。優(yōu)點(diǎn)是操作簡便，效率高。缺點(diǎn)是這些藥物的毒性相對較大第十四頁，共八十五頁。二、有絲分裂(mitosis)●前期(prophase)●前中期(prometaphase)●中期(metaphase)●后期(anaphase)

●末期(telophase)第十五頁，共八十五頁。前期(prophase)◆標(biāo)志前期開始的第一個(gè)特征是染色質(zhì)開始濃縮(condensation)形成有絲分裂染色體(mitoticchromosome）◆第二個(gè)特征細(xì)胞骨架解聚，有絲分裂紡錘體(mitoticspindle)開始裝配◆Golgi體、ER等細(xì)胞器解體，形成小的膜泡第十六頁，共八十五頁。第十七頁，共八十五頁?！み@種染色體由兩條染色單體(chromatid)構(gòu)成 ·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(kinetochore)第十八頁，共八十五頁。第十九頁，共八十五頁。 間期動物細(xì)胞含一個(gè)MTOC，即中心體，在S期末，兩個(gè)中心粒在各自垂直的方向復(fù)制出一個(gè)中心粒，形成兩個(gè)中心體。當(dāng)前期開始時(shí)，2個(gè)中心體移向細(xì)胞兩極，并同時(shí)組織微管生長，由兩極形成的微管通過微管結(jié)合蛋白在正極末端相連，最后形成有絲分裂紡錘體。第二十頁，共八十五頁。第二十一頁，共八十五頁。前中期(prometaphase) ◆核膜破裂成小的膜泡，這一過程是由核纖層蛋白中 特異的Ser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 每個(gè)已復(fù)制的染色體有兩個(gè)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， 形成三種類型的微管◆不斷運(yùn)動的染色體開始移向赤道板。細(xì)胞周期也由前中期逐漸向中期運(yùn)轉(zhuǎn)。第二十二頁，共八十五頁。第二十三頁，共八十五頁。第二十四頁，共八十五頁。第二十五頁，共八十五頁。中期(metaphase)◆所有染色體排列到赤道板(MetaphasePlate)上，標(biāo)志著細(xì)胞分裂已進(jìn)入中期◆是什么機(jī)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

第二十六頁，共八十五頁。第二十七頁，共八十五頁。第二十八頁，共八十五頁。后期(anaphase)

◆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(yùn)動◆后期(anaphase)大致可以劃分為連續(xù)的兩個(gè)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(yùn)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(yùn)動第二十九頁，共八十五頁。第三十頁，共八十五頁。第三十一頁，共八十五頁。末期(telophase)◆染色單體到達(dá)兩極，即進(jìn)入了末期（telophase）,到達(dá)兩極的染色單體開始去濃縮◆核膜開始重新組裝◆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)束第三十二頁，共八十五頁。第三十三頁，共八十五頁。動物細(xì)胞胞質(zhì)分裂◆胞質(zhì)分裂(cytokinesis)開始于細(xì)胞分裂后期，在赤道板周圍細(xì)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(shí)，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(xì)胞，稱為

收縮環(huán)（contractilering)。收縮環(huán)收縮、收縮環(huán) 處細(xì)胞膜融合并形成兩個(gè)子細(xì)胞第三十四頁，共八十五頁。第三十五頁，共八十五頁。第三十六頁，共八十五頁。植物細(xì)胞胞質(zhì)分裂 ◆與動物細(xì)胞胞質(zhì)分裂不同的是，植物細(xì)胞胞質(zhì)分裂是因?yàn)樵诩?xì)胞內(nèi)形成新的細(xì)胞膜和細(xì)胞壁而將細(xì)胞分開第三十七頁，共八十五頁。第三十八頁，共八十五頁。三、減數(shù)分裂(Meiosis)◆概念：減數(shù)分裂是細(xì)胞僅進(jìn)行一次DNA復(fù)制，隨后進(jìn)行兩次分裂，染色體數(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂◆意義：確保世代間遺傳的穩(wěn)定性； 增加變異機(jī)會，確保生物的多樣性，增強(qiáng)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(jìn)化和生物多樣性的重要基礎(chǔ)保證。第三十九頁，共八十五頁。◆特點(diǎn)：◆遺傳物質(zhì)只復(fù)制一次，細(xì)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(shí)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(shí),同源染色體分開第四十頁，共八十五頁。第四十一頁，共八十五頁。第四十二頁，共八十五頁。有絲分裂細(xì)胞在進(jìn)入減數(shù)分裂之前要經(jīng)過一個(gè)較長的間期，稱前減數(shù)分裂或減數(shù)分裂前間期。

S期持續(xù)時(shí)間較長只復(fù)制DNA總量的99.7%-99.9%

一、間期過程第四十三頁，共八十五頁。二、分裂期（一）減數(shù)分裂I1、前期I★細(xì)線期：染色質(zhì)凝集，單線狀，染色粒，染色體端粒與核膜相連。第四十四頁，共八十五頁。第四十五頁，共八十五頁?！锱季€期：

同源染色體配對，形成二價(jià)體，此過程同源染色體聯(lián)會，形成聯(lián)會復(fù)合體，合成zygDNA第四十六頁，共八十五頁。偶線期：聯(lián)會復(fù)合體第四十七頁，共八十五頁?！锎志€期：

等位基因之間DNA的重組和交換，形成重組結(jié)，P-DNA的產(chǎn)生。第四十八頁，共八十五頁。雙線期：交叉★雙線期：四分體清晰可見，形成交叉。

★終變期：交叉端化。第四十九頁，共八十五頁。2、中期I3、后期I4、末期I5、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（二）減數(shù)分裂II前期II

、中期II、后期II、末期II第五十頁，共八十五頁。三、聯(lián)會復(fù)合體（SC)減數(shù)分裂偶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)（13-14），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)合體的形成與偶線期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。1.定義：2.特點(diǎn)：第五十一頁，共八十五頁。圖13-14一種昆蟲的聯(lián)會復(fù)合體第五十二頁，共八十五頁。第五十三頁，共八十五頁。第五十四頁，共八十五頁。第五十五頁，共八十五頁。Visibleevidenceofcrossingover第五十六頁，共八十五頁。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，產(chǎn)生了形態(tài)各異的早熟凝集染色體(PCC)。G1期PCC為單線狀S期PCC為粉末狀，G2期PCC為雙線染色體。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)胞融合第二節(jié)細(xì)胞周期的調(diào)控(Cell-CycleControl)

第五十七頁，共八十五頁。圖13-15不同形態(tài)的PCC第五十八頁，共八十五頁。圖13-19MPF=CDC2+CyclinB

1988年M.J.Lohka純化了爪蟾的MPF，經(jīng)鑒定由CDC2和CyclinB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）。第五十九頁，共八十五頁。MPF的結(jié)構(gòu)組成◆是由兩個(gè)不同的亞基組成的異質(zhì)二聚體:●催化亞基▲是絲氨酸/蘇氨酸型蛋白激酶▲其活性有賴于周期蛋白，故蛋白稱為周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,Cdks);●調(diào)節(jié)亞基：周期蛋白(cyclin)。第六十頁，共八十五頁。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-dependentkinase，CDK)。2.作用：目前發(fā)現(xiàn)的CDK為CDK1、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6CDK7CDK8。

1.定義：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,因此，CDK激酶和其調(diào)節(jié)因子又被稱作細(xì)胞周期引擎。3.種類第六十一頁，共八十五頁。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（CKI）對細(xì)胞周期起負(fù)調(diào)控作用。①Ink4，如P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，特異性抑制cdk4·cyclinD1、cdk6·cyclinD1復(fù)合物。②Kip：包括P21cip1(cyclininhibitionprotein1)、P27kip1、P57kip2等，能抑制大多數(shù)CDK的激酶活性，P21cip1還能與DNA聚合酶δ的輔助因子PCNA（proliferatingcellnuclearantigen）結(jié)合，直接抑制DNA的合成（圖13-21）。1.定義：2.兩大家族：第六十二頁，共八十五頁。圖13-21P21cip1抑制CDK和PCNA第六十三頁，共八十五頁。四、Cyclin（周期蛋白）是一種蛋白分子，與周期蛋白依賴性激酶特異結(jié)合。

不僅僅起激活CDK的作用，還決定了CDK何時(shí)、何處、將何種底物磷酸化，從而推動細(xì)胞周期的前進(jìn)

1.定義：2.作用：3.種類G1周期蛋白：CyclinC、CyclinD、CyclinE和Cln1、Cln2、Cln3M期周期蛋白：CyclinA和CyclinB第六十四頁，共八十五頁。當(dāng)MPF活性達(dá)到最高時(shí)，激活后期促進(jìn)因子APC，將泛素連接在cyclinB上，導(dǎo)致cyclinB被蛋白酶體降解，完成一個(gè)細(xì)胞周期（圖13-24）cyclinA、cyclinB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。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。R點(diǎn)，START點(diǎn)五、檢驗(yàn)點(diǎn)：1.G1-S期：2.G2-M期：3.中期-后期：第六十五頁，共八十五頁。13-24細(xì)胞周期調(diào)控點(diǎn)第六十六頁，共八十五頁。五、M期CDK1的激活

1.M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的積累，隨著M-cyclin的積累，結(jié)合周期蛋白的M-CDK（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。2.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(gè)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(gè)反饋環(huán)，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。3.CDK的激活還需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDKactivatingkinaseCAK)的作用下完成的（圖13-27）第六十七頁，共八十五頁。圖13-27CDK1的激活需要Thr14和Tyr15去磷酸化和Tyr161的磷酸化

第六十八頁，共八十五頁。CDK1⊕CAK和⊕Weel/Mik1CDK1周期蛋白B/A⊕Cdc25⊕APC

周期蛋白B/A○周期蛋白B/AThrl14○Tyrl15○pThrl161ppThrl14Tyrl15周期蛋白B/ACDK1Thrl14Tyrl15Thrl161○CDK1激酶活性綜合調(diào)控示意圖p無激酶活性無激酶活性有激酶活性第六十九頁，共八十五頁。第七十頁，共八十五頁。六、分裂中期向后期的轉(zhuǎn)化APC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:AnaphaseInhibitors和MitoticCyclin.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?！dc20和Mad2蛋白位于動粒上，在染色體結(jié)合有絲分裂紡錘體前將不能從動粒上釋放，由于Mad2與Cdc20結(jié)合而抑制APC的活性。所以只有所有染色體都與紡錘體結(jié)合后，APC才有活性，才啟動細(xì)胞向后期轉(zhuǎn)換。第七十一頁，共八十五頁。泛素由76個(gè)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(jià)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(gè)大型的蛋白酶，可將泛素化的蛋白質(zhì)分解成短肽。泛素：第七十二頁，共八十五頁。1.在蛋白質(zhì)的泛素化過程中（圖13-25），E1（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?！锓核亟到馔緩剑?.E1將泛素交給E2（泛素結(jié)合酶）3.在E3（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（三個(gè)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負(fù)責(zé)將泛素連接到M期周期蛋白上。4.cyclin隨之被26S蛋白酶體水解成短肽。第七十三頁，共八十五頁。+E1SHUb+ATPAMPSOE1CUbE2E1SHE3+靶蛋白Lys-NH2+-S-E2CUbOE3靶蛋白E2Lys-S-C-OUbE2UbUbUbLys-S-C-OUbUbUbUb靶蛋白E326SE326S++UbUbUbUb26S蛋白酶體泛素分子降解的靶蛋白第七十四頁，共八十五頁。圖13-25細(xì)胞周期蛋白的降解盒與降解途徑

第七十五頁，共八十五頁。第七十六頁，共八十五頁。第七十七頁，共八十五頁。七、G1/S期轉(zhuǎn)換第七十八頁，共八十五頁。八、細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)的阻遏

(細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)的負(fù)調(diào)控)◆細(xì)胞至少可通過兩種不同機(jī)制阻遏細(xì)胞周期的運(yùn)轉(zhuǎn)：

Cdk抑制蛋白(CDI)阻止Cyclin-Cdk復(fù)合物的裝配或活性；周期調(diào)控系統(tǒng)組分停止合成。◆C