第12章 細胞分裂與細胞周期課件

細胞分裂生命的基本特征之一細胞從上次分裂結(jié)束到下次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的時間細胞周期細胞生長、分裂一切有機體建立的基礎(chǔ)；機體組織更新的需要；機體對細胞增殖有精確的調(diào)節(jié)。第十二章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期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。初生嬰兒有1012個細胞，成人1014個，約200種類型。成人體內(nèi)每秒鐘有數(shù)百萬新細胞產(chǎn)生，以補償衰老和死亡的細胞。一個大腸桿菌若按20分鐘分裂一次，并保持這一速度，則兩天即可超過地球的重量。第12章細胞分裂與細胞周期第一節(jié)細胞分裂細胞分裂的方式無絲分裂有絲分裂減數(shù)分裂(amitosis)直接分裂(mitosis)間接分裂(meiosis)成熟分裂細胞分裂（celldivision）：是細胞生命活動的重要特征之一，是一個親代細胞形成兩個子代細胞的過程。通過細胞分裂，親代細胞的遺傳物質(zhì)和某些細胞組分可以相對均等地分配到兩個子代細胞中，有效地保證了生物遺傳的穩(wěn)定性。第12章細胞分裂與細胞周期又稱間接分裂，是高等真核生物細胞分裂的主要方式。有絲分裂的主要特征是：有絲分裂裝置的產(chǎn)生——有絲分裂器一.有絲分裂由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。第12章細胞分裂與細胞周期有絲分裂過程間期核膜核仁染色質(zhì)中心粒動物細胞的有絲分裂根據(jù)分裂細胞形態(tài)和結(jié)構(gòu)的變化，可將連續(xù)的有絲

分裂過程人為地分為前中后末四個時期：前期中期末期后期第12章細胞分裂與細胞周期(一)分裂前期染色質(zhì)的凝集；分裂極的確定核仁縮小解體；紡綞體形成。主要事件前期以核內(nèi)松散的染色質(zhì)纖維螺旋化形成染色體為起始標(biāo)志。同時組蛋白開始磷酸化第12章細胞分裂與細胞周期2.分裂極確定概念:星體中心體（centrosome）以星體（aster）為軌道，牽引兩個子中心體移向細胞兩極，它們最后到達的位置將決定細胞分裂極。第12章細胞分裂與細胞周期前期核膜的變化3.核仁消失、核膜破裂第12章細胞分裂與細胞周期紡錘體（spindle）形成結(jié)構(gòu)組成：1.星體微管：是指圍繞中心粒向外輻射狀發(fā)射的微管。2.動粒微管：是指一端由極部發(fā)出，另一端結(jié)合到動粒上的微管，又稱為動粒微管。

3.重疊微管/極微管：指一極與另一極相連的紡錘絲，但絕大多數(shù)極間絲（連續(xù)絲）并非真正連續(xù)，而是來自兩極的微管在赤道面彼此相搭，側(cè)面結(jié)合。

4.區(qū)間微管：是指在后期和末期時連接已經(jīng)分向兩極的染色單體或子核之間的微管。concept：由微管和微管蛋白組成的參與染色體向極移動的紡錘式的臨時結(jié)構(gòu)。第12章細胞分裂與細胞周期中心粒星體微管紡錘體微管極微管橫橋動粒微管著絲粒極微管動粒微管區(qū)間微管紡錘體(spindle)第12章細胞分裂與細胞周期染色體列隊：指染色體在兩極的動粒微管牽拉或在星體的排斥力外推作用下，可能同時作用下，或有其他機制共同參與，最終被排列在赤道板上的過程。是有絲分裂過程中的重要事件之一，是啟動染色體分離并向兩個子細胞中平均分配的先決條件。第12章細胞分裂與細胞周期分裂中期主要事件染色體達到最大凝集,排列在赤道面上形成赤道板；有絲分裂器形成。第12章細胞分裂與細胞周期前中期紡錘體的形態(tài)第12章細胞分裂與細胞周期中期紡錘體的形態(tài)第12章細胞分裂與細胞周期concept:是在有絲分裂中期由染色體(chromosome)、星體、中心體(centrosome)和紡錘絲(spindle)共同組成的臨時性結(jié)構(gòu)。功能:對于中期以后發(fā)生的染色體分離、染色體向兩極的移動及平均分配到子代細胞等活動有關(guān)鍵作用?！镉薪z分裂器：(mitoticapparatus)第12章細胞分裂與細胞周期中期，右圖顯示與染色體聯(lián)接的微管第12章細胞分裂與細胞周期分裂后期主要事件姐妹染色單體分離移向細胞兩極。第12章細胞分裂與細胞周期后期染色體和紡錘體第12章細胞分裂與細胞周期后期A：動粒微管的微管蛋白發(fā)生去組裝，長度不斷縮短，帶動染色體的動粒向兩極移動。后期B：紡錘體拉長，兩極間的距離增加，染色體向兩極運動。第12章細胞分裂與細胞周期MicrotubulesandMotorsinthespindle

第12章細胞分裂與細胞周期分裂末期主要事件子細胞核重建；細胞質(zhì)分裂——收縮環(huán)。第12章細胞分裂與細胞周期染色體解聚,核仁重新形成,核膜重建（核纖層蛋白去磷酸化）,子代細胞的核形成,核分裂完成第12章細胞分裂與細胞周期胞質(zhì)分裂cytokinisis中部質(zhì)膜下方出現(xiàn)由肌動蛋白和肌球蛋白聚集成的收縮環(huán)紡錘體解體,聚集于細胞中部,形成中體構(gòu)成收縮環(huán)的肌動蛋白\肌球蛋白相互滑動,收縮環(huán)縊縮形成分裂溝分裂溝加深至中體,細胞斷裂.第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期二.減數(shù)分裂減數(shù)分裂：是有性生殖個體的生殖細胞在形成過程中所進行的特殊分裂方式。細胞連續(xù)分裂兩次，DNA只復(fù)制一次結(jié)果產(chǎn)生僅具單倍體遺傳物質(zhì)的生殖細胞（配子：精子或卵子）。一次DNA復(fù)制和兩次細胞分裂；子細胞與母細胞之間的遺傳性具有較大差異；由1個母細胞形成4個子細胞,染色體的數(shù)目減半。第12章細胞分裂與細胞周期減數(shù)分裂過程：減數(shù)分裂第一次減數(shù)分裂第二次減數(shù)分裂前期中期后期末期前期中期后期末期細線期偶線期粗線期雙線期終變期減數(shù)分裂前間期（G1，S，G2）減數(shù)分裂間期（短,不進行DNA復(fù)制）第12章細胞分裂與細胞周期（一）第一次減數(shù)分裂間期前期I(細線期)2.同源染色體開始配對——聯(lián)會1.染色質(zhì)凝集持續(xù)時間從數(shù)周到數(shù)年不等胞核顯著增大染色質(zhì)凝集染色體配對片段交換前期I(偶線期)同源染色體配對/聯(lián)會二價體/四分體第12章細胞分裂與細胞周期聯(lián)會（synapsis）：指分別來自父母的、形態(tài)及大小相同的同源染色體相互靠近、配對。二價體（bivalent）：同源染色體完全配對后形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)。因其共有四條染色單體，又被稱為四分體（tetrad）。同源染色體：大小形態(tài)相同、結(jié)構(gòu)相似、一條來自父親一條來自母親，上面載有等位基因的一對染色體——同源染色體。第12章細胞分裂與細胞周期聯(lián)會復(fù)合體SC:聯(lián)會的同源染色體之間沿縱軸形成的特殊結(jié)構(gòu)兩個側(cè)生成分-蛋白質(zhì)和DNA

一個中央成分-非組蛋白側(cè)生成分與中央成分由橫向排列被稱為L-C纖維的細絲相連姐妹染色單體1和2的染色質(zhì)姐妹染色單體3和4的染色質(zhì)聯(lián)會復(fù)合體SC側(cè)體軸體重組節(jié)第12章細胞分裂與細胞周期synaptonemalcomplex第12章細胞分裂與細胞周期前期I(粗線期)1.染色體進一步凝集2.同源染色體之間發(fā)生片段交換重組。3.合成減數(shù)分裂特有組蛋白,還可合成少量DNA同源染色體I的2條姐妹染色單體同源染色體II的2條姐妹染色單體四分體重組小結(jié):與染色體片段重組直接相關(guān)的結(jié)構(gòu).是在SC中央新出現(xiàn)的一些橢圓型或球形,富含蛋白質(zhì)及酶的棒狀結(jié)構(gòu).第12章細胞分裂與細胞周期前期I(雙線期)1.聯(lián)會復(fù)合體消失。2.同源染色體分離，某些部分出現(xiàn)交叉。前期I(終變期)交叉:SC去組裝逐漸小時,同院染色體分離，僅在非姐妹染色單體間某些部位上殘留一些接觸點.交叉被認為是粗線期交換發(fā)生的細胞形態(tài)學(xué)證據(jù)。隨著雙線期的進行，交叉開始遠離著絲粒，逐漸向染色體臂的端部移動，此現(xiàn)象稱為交叉端化。交叉繼續(xù)端化核仁消失，核膜解體。第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期同源染色體的交叉互換第12章細胞分裂與細胞周期遺傳學(xué)第三定律：連鎖與交換率1:141.5%:41.5%

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8.5%

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8.5%第12章細胞分裂與細胞周期中期I后期I1.同源染色體分離,移向細胞兩極2.非同源染色體隨機組合末期I間期前期II中期II后期II1.姐妹染色單體分離（二分體單分體）2.非姐妹染色單體隨機組合。末期II（二）減數(shù)分裂II動粒微管連接方式第12章細胞分裂與細胞周期減數(shù)分裂意義人類染色體是23對，染色體組合的方式有223個（不包括交換），因此除同卵孿生外，幾乎不可能得到遺傳上等同的后代。同時減數(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)定的機制，同且也是物種適應(yīng)環(huán)境變化不斷進化的機制。第12章細胞分裂與細胞周期有絲分裂減數(shù)分裂發(fā)生體細胞生殖細胞分裂次數(shù)12分裂過程前期無染色體配對交換重組有染色體配對交換重組中期二分體排列與赤道面上,動粒微管與染色體兩個動粒相連四分體排列與赤道面上,動粒微管只與染色體一個動粒相連后期染色單體移向細胞兩極同源染色體移向細胞兩極(后期1)末期染色體數(shù)目不變?nèi)旧w數(shù)目減半分裂結(jié)果子代細胞染色體數(shù)目與分裂前相同,子代細胞遺傳物質(zhì)與親代相同子代細胞染色體數(shù)目減少一半,子代與親代及子代細胞間遺傳物質(zhì)均不同持續(xù)時間一般為1~2h較長,可為數(shù)月,數(shù)年,數(shù)十年第12章細胞分裂與細胞周期三.無絲分裂/直接分裂由雷馬克（R.Remark）1841年首次發(fā)現(xiàn)于雞胚血細胞。直接進行細胞核與細胞質(zhì)的分裂方式:細胞核伸長，從中部縊縮，然后細胞質(zhì)分裂。分裂過程中既無染色體、紡錘體的形成，也無核膜、核仁的解體。在低等生物中較為常見。高等動物細胞分布：創(chuàng)傷、癌變及衰老的細胞；上皮組織、疏松結(jié)締組織、肌組織及肝臟等組織的細胞。第12章細胞分裂與細胞周期第二節(jié)細胞周期及其調(diào)控concept:是指持續(xù)分裂的細胞從上一次有絲分裂結(jié)束開始生長到下一次有絲分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程。細胞周期間期分裂期（M期）DNA合成前期（G1期）DNA合成期（S期）DNA合成后期（G2期）前期中期后期末期第12章細胞分裂與細胞周期典型的人的體細胞的細胞周期時間是24小時G1期約11小時S期約8小時G2期4小時M期1小時第12章細胞分裂與細胞周期永不增殖細胞:

無增殖能力的細胞，結(jié)構(gòu)和功能高度分化，如哺乳類的成熟紅細胞，神經(jīng)元細胞等。繼續(xù)增殖細胞:

始終保持旺盛的增殖活性，分化程度低，細胞代謝水平高，對環(huán)境信號敏感。如造血干細胞。暫不增殖細胞（G0期細胞）：這類細胞在G1期合成具有特殊功能的RNA和蛋白質(zhì)，使結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生分化，長期停留在G1期而不越過R點，但這種細胞并未失去增殖能力，在適當(dāng)條件下可以恢復(fù)到增殖狀態(tài)，只是需要經(jīng)過較長的恢復(fù)時間，才能越過R點進入S期。這種分化細胞長期處于增殖的靜止?fàn)顟B(tài)，因而叫…。如肝、腎的實質(zhì)細胞。根據(jù)細胞增殖特性，可分為三類：第12章細胞分裂與細胞周期在高等生物中，一個細胞周期通常持續(xù)12～32h，分裂期所需時間較短。G1期是影響細胞周期時間的關(guān)鍵。第12章細胞分裂與細胞周期二.細胞周期的主要變化G1期主要特點：RNA的合成活躍：RNA聚合酶活性升高，產(chǎn)生rRNA、tRNA、mRNA；蛋白質(zhì)合成活躍：合成DNA復(fù)制起始與延伸所需的酶類、G1期向S期轉(zhuǎn)換過程中起重要作用的一些蛋白質(zhì)；蛋白質(zhì)的磷酸化：組蛋白、非組蛋白及某些蛋白激酶發(fā)生磷酸化；細胞膜對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運作用加強：對氨基酸、核苷酸、葡萄糖等小分子營養(yǎng)物質(zhì)攝入量增加，對一些可能參與G1期向S期轉(zhuǎn)變調(diào)控物質(zhì)的轉(zhuǎn)運也增加。第12章細胞分裂與細胞周期限制點（restrictionpoint,R點）：G1期對一些環(huán)境因素的敏感點，可限制正常細胞通過周期。是控制細胞增殖的關(guān)鍵。增殖周期中的細胞G1期G2期S期M期死亡無增殖力細胞G0期暫不增殖細胞G1期是細胞生長的主要階段，在周期時間中占的比例最大。G1期細胞能對多種環(huán)境信號進行綜合，協(xié)調(diào)并作出反應(yīng)，以確定細胞是否進入S期。G1期也是決定細胞增殖狀態(tài)的關(guān)鍵階段。G1期是影響細胞周期時間的關(guān)鍵。第12章細胞分裂與細胞周期S期從DNA合成開始到DNA合成結(jié)束的全過程，是細胞增殖周期的關(guān)鍵階段。進行大量的DNA復(fù)制：早復(fù)制的多為GC含量較高的DNA序列，而晚復(fù)制的DNA序列AT含量較高；常染色質(zhì)的復(fù)制在先，異染色質(zhì)復(fù)制在后。合成組蛋白及非組蛋白：組蛋白的合成與DNA復(fù)制同步進行，新合成的組蛋白迅速進入胞核，與已復(fù)制的DNA結(jié)合，組裝成染色體。組蛋白持續(xù)磷酸化中心粒復(fù)制：一對中心粒彼此發(fā)生分離，然后各自在其垂直方向形成一個子中心粒。第12章細胞分裂與細胞周期G2期大量合成RNA,ATP及一些與M期功能相關(guān)的蛋白質(zhì)成熟促進因子MPF合成中心粒體積增大,移向細胞兩極M期染色體凝集及分離；核膜、核仁破裂及重建；紡錘體、收縮環(huán)形成；繼胞核發(fā)生分裂形成兩個子核后，胞質(zhì)一分為二，細胞完成分裂。第12章細胞分裂與細胞周期三細胞周期的調(diào)控第12章細胞分裂與細胞周期細胞周期的控制有兩個主要事件，一個是對DNA復(fù)制起始的控制，發(fā)生在G1期和S期之間。第二個事件是對染色體凝集的控制，發(fā)生在G2期和M期之間。1970年，Colorado大學(xué)的PotuRao和RobertJohnson通過一系列的細胞融合實驗打開了認識細胞周期中這兩個事件的大門。細胞周期調(diào)控蛋白——研究背景第12章細胞分裂與細胞周期DNA復(fù)制起始的控制因子

他們將同步培養(yǎng)的G1期的Hela細胞同S期的Hela細胞進行融合,發(fā)現(xiàn)G1期的細胞質(zhì)受到S期細胞質(zhì)的激活,開始了DNA復(fù)制,這一實驗結(jié)果表明,正在進行復(fù)制的細胞的細胞質(zhì)中含有促進G1期細胞進行DNA復(fù)制的起始因子。與此相反,他們將S期的細胞與G2期的細胞進行融合,發(fā)現(xiàn)G2期的細胞核不能再啟動DNA的復(fù)制,這表明,S期的細胞質(zhì)中的DNA復(fù)制起始因子對于已進行了DNA復(fù)制的G2期的細胞核沒有作用。第12章細胞分裂與細胞周期1970sRao和Johnson發(fā)現(xiàn)與M期細胞(Hela)融合的間期細胞染色體發(fā)生凝縮，稱為早熟凝集染色體(prematurelycondensedchromosome，PCC)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。甚至不同類的M期細胞也可誘導(dǎo)PCC產(chǎn)生，說明M期細胞具有促進間期細胞進行分裂的因子，即促細胞成熟因子(maturationpromotingfactor，MPF)。染色體早熟凝集第12章細胞分裂與細胞周期MPF的發(fā)現(xiàn)進一步實驗：在細胞周期的特定階段分離蛙的卵細胞,并從蛙卵細胞中制備提取物，將其注射到非洲爪蟾的卵母細胞(未受精卵的不成熟的前體),觀察這些提取物對細胞周期的影響。(a)用非洲爪蟾M期的卵細胞細胞提取物注射非洲爪蟾的卵母細胞,注射的細胞提取物驅(qū)使卵母細胞進入M期,使核破裂,并形成紡錘體。(b)用細胞間期的提取物注射卵母細胞,不能驅(qū)使卵母細胞進入M期。第12章細胞分裂與細胞周期MPF的結(jié)構(gòu)組成：調(diào)節(jié)性亞單位細胞周期蛋白（cyclin）和催化性亞單位細胞周期蛋白依賴性激酶（CDK）第12章細胞分裂與細胞周期(一)細胞周期蛋白與周期蛋白依賴激酶構(gòu)成細胞周期調(diào)控系統(tǒng)的核心第12章細胞分裂與細胞周期1.細胞周期蛋白（cyclin）：是真核細胞中的一類蛋白質(zhì)，隨細胞周期進程周期性地出現(xiàn)及消失，并與細胞中其它蛋白結(jié)合，對細胞周期相關(guān)活動進行調(diào)節(jié)。

1983年在海膽的早期胚細胞中第一次鑒定到與MPF結(jié)合的周期蛋白。實驗將同步化的受精的海膽卵培養(yǎng)在有放射性氨基酸的培養(yǎng)液中,然后每10分鐘取樣一次、分離純化蛋白質(zhì)、凝膠電泳、放射自顯影進行蛋白分析。發(fā)現(xiàn),經(jīng)過幾輪細胞周期之后,放射性標(biāo)記的蛋白質(zhì)的量穩(wěn)定增加,但是,其中有一種蛋白峰在有絲分裂的早期特別高,到了有絲分裂后期就急劇下降。然后在下一個細胞周期又慢慢積累直到有絲分裂前達到高峰。后來將這種蛋白命名為周期蛋白B(cyclinB)，通過基因工程技術(shù)從海膽中分離了周期蛋白B的cDNA克隆,并通過抗體技術(shù)證明了非洲爪蟾中MPF的一個亞基的確是周期蛋白B。

第12章細胞分裂與細胞周期哺乳動物:cyclinA~HG1期周期蛋白:cyclinC,D,EG1/S周期蛋白:cyclinDS期周期蛋白:cyclinAM期周期蛋白:cyclinB第12章細胞分裂與細胞周期分子特點:細胞周期蛋白框:不同周期蛋白均含有一段由100個左右氨基酸殘基組成的保守序列,介導(dǎo)cyclin與周期蛋白依賴性激酶形成復(fù)合物,調(diào)節(jié)細胞周期破壞框:S期及M期cyclin分子近N端存在一段由9個氨基酸殘基組成的特殊序列,可在中期以后cyclinA,B的快速降解中發(fā)揮作用PEST序列:G1期cyclin分子不具破壞框,但C末端存在一段PEST序列,可介導(dǎo)其發(fā)生降解.(富含Pro(P),Glu(E),Ser(S),和Thr(T)的序列

)第12章細胞分裂與細胞周期在有絲分裂的后期末,必須對周期蛋白進行快速降解，才能保證細胞順利進入G1期。通過對周期蛋白B的研究，發(fā)現(xiàn)后期周期蛋白B的降解是通過對后期促進復(fù)合物(anaphase-promotingcomplex,APC)活性的控制進行調(diào)節(jié)的。

第12章細胞分裂與細胞周期多聚泛素化降解途徑泛素/遍在蛋白為76個氨基酸組成的分子量為8.45ku的一種球型蛋白，從酵母到哺乳動物中都高度保守且分布廣泛。共價結(jié)合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識別和降解，這是細胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。cyclinA、B常常是通過多聚泛素化途徑被降解的。第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期促后期蛋白復(fù)合體(簡稱APC)

APC已證明是泛素連接酶E3連接復(fù)合體，作用是將泛素共價交連到靶蛋白賴氨酸ε氨基上第12章細胞分裂與細胞周期26S蛋白酶體是大型的蛋白酶，可將泛素化的蛋白質(zhì)分解成短肽。第12章細胞分裂與細胞周期2細胞周期蛋白依賴性激酶第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期Cdk的激活第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期Cdk激酶抑制物/CKI第12章細胞分裂與細胞周期Cdk激活機制示意圖第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期第12章細胞分裂與細胞周期第12