细胞生物学：第11章-2 细胞增殖及其调控

1CHAPTER11CellProliferationandit’sRegulation2二、减数分裂◆概念：减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂◆发生分裂的细胞生殖细胞进行的产生配子的分裂过程，其结果是产生了染色体组数目减半的配子；◆连续的两次分裂●第一次减数分裂●第二次减数分裂◆两个基本特点●染色体组数目减半●发生遗传重组3MEIOSIS4前减数分裂间期特点◆S期持续时间较长◆S期只复制其DNA总量的99.7℅~99.9℅℅5减数分裂前S期有丝分裂前S期蝾螈10天12小时小鼠14小时5～6小时小麦12小时3.8小时酵母1.0小时0.5小时减数分裂前S期与有丝分裂前S期长度比较6减分I（MeiosisI）第一次减数分裂的两个特点◆一对复制了的同源染色体分开，分别进入两个子细胞，同源染色体分开之前通常要发生交换重组。◆在染色体组中，同源染色体的分离是随机的，同源染色体组要发生重组合。7减数分裂的染色体行为8减分I过程前期I●主要事件是完成同源染色体的配对，在此过程中要发生配对同源染色体间的分子重组●该期细分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等。9StagesoftheprophaseofmeiosisIMicrographsillustratingthemorphologyofchromosomesofthelily.10减数分裂的前期I11◆细线期又称凝集期或花束期主要特点：●染色体已加倍,并凝缩成细线状,但看不到染色体的双重性。●染色体端粒通过接触斑与核膜相连12◆偶线期(配对期)主要特点是：●联会与联会复合体▲联会(synapsis)▲联会复合体(synatonemalcomplex)●二价体与四分体●合成0.3℅DNA(zygDNA)13同源染色体配对（联会）14联会复合体15联会与联会复合体16◆粗线期(重组期)主要特点：●持续时间长●同源染色体之间发生DNA片段的交换,产生重组的基因组合,可见重组节●合成小部分DNA（P-DNA）：编码一些与DNA点切及修复有关的酶●合成减数分裂专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白全部置换。17同源染色体间的交换重组18◆双线期(合成期)主要特点：●同源染色体分开，明显可见四分体；●出现交叉19AbivalentchromosomeatthediplotenestageThebivalentchromosomeconsistsofpairedhomologouschromosomes.Sisterchromatidsofeachchromosomearejoinedatthecentromere.20◆终变期又称再凝集期主要特点:●染色体变成紧密凝集状态；●大多数核仁消失,交叉出现端化,姐妹染色体借着着丝粒连接在一起。21中期I◆核被膜的破裂是前期Ⅰ向中期Ⅰ转化的标志。纺锤体侵入核区,分散于核中的四分体开始向四分体的中部移动。◆与有丝分裂不同的是,四分体上有四个着丝点,一侧纺锤体只和同侧的两个着丝点相连。最后染色体排列在赤道板上。22后期I◆同源染色体分开,发生数量的减半,而且,染色体移向两极是随机的。◆由于每条染色体仍含有两条染色单体,因而每个极仍含有两套染色体。◆不同的同源染色体对向两极的移动是随机的、独立的、父方、母方来源的染色体要发生随机组合,有利于减数分裂产物的基因组变异。23末期I及间期◆在自然界中,末期Ⅰ和间期的类型有二,一种是没有明显可见的染色体去凝集,另一种是完全逆转到间期核的状态。◆大多数种类,末期Ⅰ和间期是在第一次及第二次减数分裂期之间的短暂停顿,在所知的生物中,未见有DNA的合成。24减分II（MeiosisII）第二次减数分裂分为前期II、中期II、后期II、末期II，最后形成4个单倍体细胞。25比较有丝分裂与减数分裂]◆有丝分裂是体细胞的分裂方式，减数分裂主要是产生配子的过程;◆有丝分裂是一次细胞周期,DNA复制一次,分裂一次,染色体由2n→2n;减数分裂是两次细胞周期,DNA复制一次,细胞分裂两次,染色体由2n→1n;◆有丝分裂中,每个染色体是独立活动;减数分裂,染色体要配对、联会、交换和交叉。26◆有丝分裂之前,经DNA合成,进入G2期,才进行有丝分裂;减数分裂之前,DNA合成时间很长(99.7%合成,0.3%未合成),一旦合成,即进入减数分裂期,G2期短或没有;◆有丝分裂时间短,1-2小时;减数分裂时间长,20多小时,至几年。27减数分裂与有丝分裂的比较28减数分裂的生物学意义◆保证了染色体数目在世代交替中的恒定,先减半成1n,形成合子时,又成为2n;◆染色体间分离时的重组,提供了遗传的多样性;◆同源染色体配对时交换重组,提高了基因内、基因间重组的频率,加快了进化的速度。29同源染色体间遗传物质重组3011.3RegulationoftheCellCycle31细胞周期的控制系统32一、MPF的发现及作用成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF）,早期称为M-期促进因子(M-phasepromotingfactor,MPF)，是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子33研究背景1970sRao等发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体（PCC）。–G1期PCC为单线状，因DNA未复制。–S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。–G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(MPF)。34prematurelycondensedchromosome，PCCG1SG235非洲爪蟾卵发育的实验◆研究思路◆实验设计（注意关键步骤的用意！！！）●材料的选择：卵母细胞发育的第Ⅳ期，含有一个较大的小核，以辨认。●方法：●实验结果：36卵细胞提取物注射实验37二、p34cdc2蛋白激酶的发现及与MPF的关系•p34cdc2蛋白激酶的发现•周期蛋白的发现•MPF的组成38•Hartwell1960s,Nurse1970s分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cdc)。如：–裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；–cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶（称为p34cdc2蛋白p34cdc28蛋白），促进细胞周期的进行，若该基因发生突变，细胞周期就会停止在某一点，细胞就不会在分裂。39buddingyeast40细胞周期蛋白的鉴定T.Hunt1980s等以同步化的受精的海胆卵为材料进行研究，发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为周期蛋白（cyclin）A和B，其mRNA能诱导蛙卵成熟。•1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。进一步的研究发现MPF=cdc2+clyclinB41MPF的结构组成◆是由两个不同的亚基组成的异质二聚体:●催化亚基▲是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶▲其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,Cdks);●调节亚基：周期蛋白(cyclin)。42三、细胞周期蛋白cyclin•特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导与CDK结合。M其周期蛋白N端有破坏框，参与周期蛋白A和B的降解。•作用：激活和引导CDK作用于不同底物已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。可分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。43四、CDK•cdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)。•cdc2又称CDK1，可将特定蛋白磷酸化，如：–将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；–将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。•在动物中已知7种CDK。均含PSTAIRE保守序列，与周期蛋白的结合有关。44不同类型的CDK/cyclin复合体•*包括D1-3，各亚型cyclinD在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。脊椎动物芽殖酵母激酶复合体CyclinCDKCyclinCDKG1-CDKCyclinD*CDK4、6Cln3CDK1(CDC28)G1/S-CDKCyclinECDK2Cln1、2CDK1(CDC28)S-CDKCyclinACDK2Clb5、6CDK1(CDC28)M-CDKCyclinBCDK1(CDC2)Clb1-4CDK1(CDC28)45•G1期，在生长因子的刺激下，cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，释放转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。•G1-S期，cyclinE与CDK2结合，激活DNA复制。•G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1引起染色体凝缩、核膜解体（书P404表11-3）等。46•cellcycleregulation47三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子•CDKI对细胞周期起负调控作用，分为：–①INK4家族:抑制CDK4·cyclinD1,CDK6·cyclinD1。–②CIP/KIP家族：抑制大多数CDK。其中P21cip1还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。48MPF的结构49LelandH.HartwellR.Timothy(Tim)HuntSirPaulM.Nurse•2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人PaulNurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。50五、细胞周期运转调控（一）G2/M其转化及调控（下图）51M期调控示意图123452（二）中期向后期的转化：周期蛋白A和B的降解周期蛋白N端破坏框(destructionbox)53泛素与周期蛋白的降解◆多泛素化作用●泛素活化酶（E1）●泛素缀合酶（E2）：将活化的泛素连接在周期蛋白B上●泛素连接酶（E3）：形成多聚泛素链◆蛋白酶体的降解作用：周期蛋白B中的破坏框起调节作用◆后期促进因子（APC)54Polyubiquitination55APC的活性调节控制周期蛋白B的降解◆当MPF的活性在有丝分裂中期达到最高峰时,它将APC磷酸化并将其激活；◆接着发生周期蛋白B泛素多聚化,引起周期蛋白B的降解；◆由于周期蛋白B是MPF的一个必需亚基,它的降解势必导致MPF的失活；◆在G1期的后期,APC失活,使得周期蛋白B的浓度升高,同时提高MPF的活性,以便进入下一个有丝分裂期。56Regulationofmitoticcyclinlevelsincyclingcells57真核生物细胞周期调控的一般模型◆三类周期蛋白-CDK复合物:●G1期周期蛋白-CDK复合物●S期周期蛋白-CDK复合物●有丝分裂周期蛋白-CDK复合物◆三个关键的过渡●G1期→S期●中期→后期●后期→末期及胞质分裂期过渡