《細胞生物學》教學課件：13 細胞分裂與細胞周期

1、第十三章 細胞分裂與細胞周期,(cell division and cell cycle),第一節(jié) 細胞分裂 細胞的分裂是細胞的基本特征之一，沒有細胞的分裂，就沒有生物的生長、發(fā)育、遺傳和進化。 真核細胞的分裂方式可分為；無絲分裂(amitosis)、有絲分裂(mitosis)、減數(shù)分裂(meiosis)。,一、無絲分裂（amitosis） 無絲分裂過程中間期的細胞核拉長成啞鈴狀，中央部分變細斷開，細胞隨之分裂成兩個。 無絲分裂不形成紡錘絲，也不形成染色體，因此分裂后遺傳物質(zhì)不一定平均分配給兩個子細胞。,二、 有絲分裂（mitosis） 是真核細胞體細胞最基本的分裂方式。 其特征是分裂時期染色

2、質(zhì)形成絲狀或帶狀的染色體，并形成由紡錘絲組成的紡錘體。 其結果是將染色質(zhì)等量地分配到兩個子細胞，使親代和子代細胞具有相等的遺傳物質(zhì)，以保證遺傳性狀的穩(wěn)定性。,有絲分裂,紡錘體,根據(jù)分裂細胞形態(tài)和結構的變化，可將連續(xù)的有絲分裂過程認為地劃分為前期、前中期、中期、后期、末期及胞質(zhì)分裂6個時期。,有絲分裂,有絲分裂,（一）前期（prophase） 主要事件： 染色質(zhì)凝集、分裂極確定、核仁縮小并解體。,1.染色質(zhì)凝集成染色體,已復制的染色質(zhì)纖維開始螺旋化，逐漸凝集成具有棒狀或桿狀的染色體。,因染色質(zhì)上的核仁組織中心組裝到了染色體中，導致rRNA合成停止，核仁逐漸分解最終消失。,凝縮蛋白(condens

3、in ）: 由5種亞基組成的蛋白復合體，與染色體凝集的發(fā)生相關。,Smc分子呈卷曲螺旋結構，頭部末端具ATP酶活性結構域，凝縮蛋白中的一個Smc分子穿越DNA螺旋結構，與另一Smc分子在尾部末端相連，形成的二聚體呈現(xiàn)V形，三種非Smc蛋白將兩個Smc分子頭部連接在一起，整個凝縮蛋白復合體形成一種環(huán)狀結構。,凝縮蛋白,2.分裂極確定,在前期，伴隨著染色質(zhì)的凝集，原分布于細胞同一側的兩個中心體開始沿核膜外圍分別向細胞兩極移動，它們最后所到達的位置將決定細胞分裂極。 中心體的極向移動需要多種馬達蛋白的參與 。,馬達蛋白與中心體的極向移動,主要特征：核膜的崩裂，紡錘體的形成，染色體向 赤道面運動。,（

4、二）前中期（prometaphase）,.核膜破裂、核仁消失 核纖層磷酸化降解核膜消失,與核纖層蛋白磷酸化有關。核纖層蛋白磷酸化使核纖層解體，核膜因此破裂，形成許多斷片及小泡，分布于胞質(zhì)中。,.紡錘體(spindle) 在前期末出現(xiàn)的臨時性細胞器 。,紡錘體,由兩端星體，包括極間微管、動粒微管和星體微管組合形成紡錘樣結構。,.染色體向赤道面的運動 核膜破裂后，游離于細胞質(zhì)中的染色體不斷振動，捕捉紡錘體微管，如果一條染色體兩側的姊妹著絲粒分別與兩極來的微管相連，兩側的紡錘絲對染色體產(chǎn)生拉力，兩側拉力達到平衡時，染色體就排列在赤道面上。,染色體向赤道面的運動,主要特征： 染色體達到最大的凝集，排列

5、在赤道板上，小的在內(nèi)側，大的在外側。,（三）中期（metaphase ）,主要特征： 由于兩條染色單體在主縊痕處分開，打斷了中期紡錘絲力量的平衡，染色單體開始向兩極移動。,姐妹染色單體分離的原因主要與其彼此間的連接驟然消失相關，而動粒微管的張力對其的影響不大。,（四）后期（anaphase ）,后期,分離染色單體的極向運動需依靠紡錘體微管的牽引完成，包括兩個獨立但又相互重疊的過程，即后期A與后期B。,后期A發(fā)生于染色體極向運動的起始階段，與動粒微管相關，當動粒微管正端的微管蛋白發(fā)生去組裝時，其長度將不斷地縮短，由此帶動染色體的動粒向兩極移動。,后期B通過使紡錘體拉長，細胞兩極間的距離增大，促使

6、染色體發(fā)生極向運動。,后期與后期,（五）末期（telophase）,。,主要特點： 隨著后期末染色體移動到兩極，染色體被平均分配，此時染色體上的組蛋白H1發(fā)生去磷酸化，高度凝聚的染色體解旋，染色質(zhì)纖維重新出現(xiàn)，RNA合成恢復，核仁重新形成。 分散在胞質(zhì)中的核膜小泡與染色體表面相連，并相互融合，形成雙層核膜，并重新與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連。 核孔復合體在核膜上重新組裝，去磷酸化的核纖層蛋白又結合形成核纖層，并連接于核膜上，至此兩個子細胞核形成，核分裂完成 。,末期,（六）胞質(zhì)分裂（ cytokinesis）,當細胞分裂末期，在中部質(zhì)膜的下方，出現(xiàn)大量由肌動蛋白、肌球蛋白等形成的收縮環(huán)。 收縮環(huán)中的肌動蛋白、

7、肌球蛋白纖維相互滑動使收縮環(huán)不斷縊縮，直徑減小，與其相連的細胞膜逐漸內(nèi)陷，形成分裂溝。 隨著分裂溝不斷加深，細胞形狀隨之變?yōu)闄E圓形、啞鈴形，當分裂溝加深至一定程度時，細胞在此發(fā)生斷裂。,收縮環(huán),第二節(jié) 細胞周期及其進程,一、細胞周期（cell cycle）的概念 細胞周期是指細胞從一次細胞分裂結束開始生長到下一次分裂終了所經(jīng)歷的過程。 細胞周期包括： G1期：M期與DNA合成開始之間的階段； S期： 從DNA合成開始，到核DNA含量倍增核染色體復制的完成結束； G2期：S期到有絲分裂開始； M期： 由核分裂和胞質(zhì)分裂組成。,細胞周期,根據(jù)細胞分裂行為的不同，分為 增殖型細胞：能連續(xù)分裂，維持組

8、織更新。 G0期細胞：有時細胞可從G1期進入G0期，細胞在該期暫不分裂。細胞可停留不同長短的時間，然后在適當條件下返回細胞周期，繼續(xù)細胞增殖。 不增殖型細胞：結構和功能高度特化，始終不發(fā)生分裂。,二、細胞周期各時相點的動態(tài)變化 （一）G1期 G1期是細胞DNA復制的準備期。RNA大量合成，包括mRNA、tRNA、rRNA；一些重要的結構蛋白及酶蛋白大量形成，如RNA聚合酶、DNA合成酶等；脫氧核苷酸濃度增加，為DNA合成做好準備。 G1期專一的蛋白質(zhì)觸發(fā)蛋白（trigger protein）的積累幫助細胞通過R點（restriction point）進入S期。G1期之末是細胞周期的一個關鍵時刻

9、，細胞一旦通過這點，就可以進入下面幾個時期，G0期細胞不能通過這一點。,G1期之末是細胞周期的一個關鍵時刻，細胞一旦通過就可以進入S期。,G0期細胞（暫不增殖細胞）： 在一般情況下不分裂，受到一定刺激后，可進入細胞周期，開始分裂。,G0期細胞,（二）S期 S期是DNA及與DNA合成有關的組蛋白和非組蛋白的合成時期。 DNA聚合酶和RNA聚合酶都很活躍，S期DNA復制不同步，較早期GC合成較多，晚期AT合成較多。常染色質(zhì)復制較早，異染色質(zhì)復制較晚，復制以多個復制子進行。 中心粒在S期完成復制。,（三）G2期 G2期為細胞分裂做準備，新的RNA和蛋白質(zhì)合成，MPF、微管蛋白在此期合成，H1組蛋白磷

10、酸化使染色質(zhì)凝集。 （四）M期 M期為細胞分裂期，H1組蛋白進一步磷酸化。蛋白質(zhì)合成顯著降低，RNA合成被完全抑制。一些酶，如拓撲異構酶活性增加，參與有絲分裂時細胞形態(tài)結構的建成和改組。,第三節(jié) 細胞周期的調(diào)控,細胞周期的進程是高度有序及不可逆的，受到細胞內(nèi)外多種因素嚴格的調(diào)節(jié)、控制。,一、細胞周期重要的調(diào)節(jié)因子,（一）細胞周期蛋白(cyclin),1.細胞周期蛋白的概念 是指隨細胞周期的變化呈周期性的出現(xiàn)與消失，控制細胞周期運行的一組蛋白質(zhì)。,細胞周期蛋白,G1期周期蛋白：cyclinD G1/S周期蛋白：cyclinE S期周期蛋白： cyclinA 存在于所有真核細胞中 M期周期蛋白：c

11、yclinB,2.細胞周期蛋白類型,細胞周期蛋白類型,細胞周期蛋白框： aa組成保守，由100個左右aa殘基組成。介導周 期蛋白與周期蛋白依賴性激酶形成復合物。,破壞框: 由9個aa殘基構成，介導cyclinA、B的快速降解。 PEST序列：介導cyclin發(fā)生降解。,3.細胞周期蛋白的結構,細胞周期蛋白的結構,（二）周期蛋白依賴性激酶 (cyclin dependent kinase ,Cdk),1.周期蛋白依賴性激酶的概念 為一類能被細胞周期蛋白激活、調(diào)節(jié)細胞周期活動的激酶。,周期蛋白依賴性激酶,2.周期蛋白依賴性激酶的活化,無活性的Cdk分子中含有一彎曲的T環(huán)結構，將Cdk的袋狀催化活性

12、部位入口封閉，阻止了蛋白底物對活性位點的附著。 Cdk與cyclin結合使T環(huán)結構位移、縮回，Cdk底物附著位點由此轉向其袋狀催化活性部位分布，Cdk具有了部分活性。 Cdk將完全激活還需 T環(huán)上的特定位點發(fā)生磷酸化。,周期蛋白依賴性激酶的活化,Cdk激酶抑制物（CKI）,（三）cyclin-Cdk復合物對細胞周期的調(diào)控,cyclin-Cdk復合物是細胞周期調(diào)控體系的核心； 其周期性的形成及降解，引發(fā)了細胞周期進程中特定事件的出現(xiàn)，并促成了G1期向S期、G2期向M期、中期向后期等關鍵過程不可逆的轉換。,1. cyclin-Cdk復合物結構與功能,結構：調(diào)節(jié)亞單位: cyclin 催化亞單位:

13、Cdk,功能：在細胞周期不同階段,選擇性地磷酸化不同蛋白,進而對細胞周期進程進行調(diào)節(jié)。,2.cyclin-Cdk復合物在G1/S轉化中的作用,限制點:G1晚期的一個特定時期，只有越過此點，細胞才能進入S期。,在G1期起主要作用的cyclin-Cdk復合物是由G1期周期蛋白D、E與Cdk4/6結合構成，這些復合物能使G1晚期的細胞跨越限制點，向S期發(fā)生轉換。,cyclin-Cdk復合物,cyclin D在G1/S轉化中的關鍵作用,在一些向S期轉變的G0期細胞中，存在cyclinD的轉錄及表達，而當cyclinD抗體加入后，G0期細胞的這一轉變將受阻。,cyclinD首先在細胞中大量合成，Cdk4

14、、6與其結合，通過激酶活性磷酸化Rb蛋白，使其失活。 與Rb蛋白結合的轉錄因子E2F被釋放，S期啟動相關的基因開始轉錄，G1/S期、S期cyclin大量合成，G1/S-Cdk、S-Cdk復合物活化，致使與DNA復制相關的蛋白及酶大量的合成，DNA復制啟動，細胞進入S期 。,cyclin-Cdk復合物在G1/S轉化中的關鍵作用,3. cyclin-Cdk復合物對S期的調(diào)節(jié),cyclinA-Cdk2復合物是S期中最主要的cyclin-Cdk復合物，能啟動DNA的復制，并阻止已復制的DNA再發(fā)生復制。,當細胞進入S期后，cyclin-Cdk復合物發(fā)生的主要變化包括：cyclinD/E-Cdk復合物中

15、的cyclin發(fā)生降解、cyclinA-Cdk復合物形成。因cyclinD/E的降解是不可逆的，使得已進入S期的細胞將無法向G1期逆轉。,cyclinA-Cdk復合物啟動DNA復制的機制，目前認為與真核細胞DNA分子復制起始點及其附近DNA序列上一個由多種蛋白構成的結構，即前復制復合體有關。,cyclinA-Cdk復合物利用其激酶活性可使ORC發(fā)生磷酸化，由此激活復制起始點，DNA合成啟動。,cyclinA-Cdk復合物啟動DNA復制,4. cyclin-Cdk復合物對M期的調(diào)節(jié),成熟促進因子（MPF）： 為cyclinB-Cdk復合物，在啟動M期起著關鍵作用。,（1）MPF的發(fā)現(xiàn) 有絲分裂促

16、進因子（M-Phase-promoting，MPF ）： M期及間期細胞融合：間期細胞染色質(zhì)均會出現(xiàn)早熟凝集，都能向M期轉換。,（2）MPF活性的周期性變化 MPF活性增加：細胞進入M期 MPF活性達高峰（M期中期）：染色單體分開 MPF活性下降： 細胞退出M期,（3）MPF啟動M期的相關分子機制 MPF中Cdk1為一種Ser/Thr（絲氨酸/蘇氨酸）激酶，可催化蛋白質(zhì)Ser與Thr殘基磷酸化，是MPF的活性單位。,在細胞由G2期進入M期后，依賴于其蛋白激酶活性，MPF可對M期早期細胞形態(tài)結構變化產(chǎn)生直接或間接的作用。,MPF可通過磷酸化組蛋白H1上與有絲分裂有關的特殊位點，誘導染色質(zhì)凝集，啟

17、動有絲分裂。 MPF也可直接作用于染色體凝縮蛋白，散在的DNA分子結合于磷酸化的凝縮蛋白上后，沿其表面發(fā)生纏繞、聚集，介導了染色體形成超螺旋化結構，進而發(fā)生凝集。,Cdk類型 結合的cyclin 主要作用時期 作用特點 Cdk1 cyclinA G2 促進G2期向M期轉換 cyclinB G2 、M 磷酸化多種與有絲分裂 相關的蛋白，促進G2期 向M期轉換 Cdk2 cyclinA S 能啟動S期的DNA的復制， 并阻止已復制的DNA再發(fā)生 復制 cyclin E G1晚期 使晚G1期細胞跨越限制點 向S期發(fā)生轉換 Cdk3 ? G1 Cdk4 cyclinD(D1D2D3) G1中、晚期 使晚G1期細胞跨越限制點 向S期發(fā)生轉換 Cdk5 ? G0？ Cdk6 cyclinD(D1D2D3) G1中、晚期 使晚G1期細胞跨越限制點 向S期發(fā)生轉換,cyclin-Cdk復合物對細胞周期調(diào)節(jié)總結,CDK/cyclin復合物在細胞周期的作用,二、 細胞周期檢測點監(jiān)控細胞周期的活動,（一）細胞周期檢測點（checkpoint）概念,為了保證細胞染色體數(shù)目的完整性及細