13细胞周期与细胞分裂

第十三章细胞周期与细胞分裂CellCycleandCellDivision第十三章细胞周期与细胞分裂细胞周期细胞分裂细胞增殖的生物学意义：细胞增殖（cellproliferation）是细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础；单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加；多细胞生物由一个单细胞（受精卵）分裂发育而来，细胞增殖是多细胞生物繁殖基础；成体生物仍需要细胞增殖，以取代衰老、死亡的细胞，维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能；机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖细胞增殖；第十三章细胞周期与细胞分裂第一节细胞周期一.细胞周期概述细胞周期（cellcycle）：是细胞从一次分裂结束开始生长，到再次分裂终了所经历的过程。根据细胞合成DNA能力的不同，细胞分成三个类群：周期中细胞（cyclingcell）；静止期细胞（quiescentcell）（G0期细胞）：由于R点作用，暂时脱离细胞周期不进行增殖（处于G1期），但给予适当刺激后可重新进入细胞周期；终末分化细胞（terminallydifferentiatedcell）：不可逆脱离细胞周期，丧失分裂能力。G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前可能被认为是G0期细胞。细胞周期时间：TC＝TG1+TS+TG2+TM；S+G2+M的时间变化较小；细胞周期时间长短主要差别在G1期，M期最短，约0.5～4.5小时。不同细胞的细胞周期时间差异很大：与物种/细胞类型有关；有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期；细胞沿着G1→S→G2→M→G1周期性运转，在间期细胞体积增大(生长)，在M期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。细胞增殖活动示意图细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关，如：小鼠十二指肠上皮细胞的周期为10小时，人类胃上皮细胞24小时，骨髓细胞18小时，培养的人成纤维细胞18小时，CHO细胞14小时，HeLa细胞21小时。不同类型细胞的G1长短不同，是造成细胞周期差异的主要原因。早期蛙胚胎细胞酵母细胞肠上皮细胞培养的哺乳动物成纤维细胞人肝细胞EucaryoticCellCycleAtypicalmammaliancellhasacellcycletimeof24hours,with12hG1,6-8hS,3-4hG2,and1hMRPoint/G1CheckPointG2CheckPoint二.细胞周期中各个不同时相及其主要事件1.G1期：G1早期：细胞快速生长，大量合成各种RNA、RNP和酶；组蛋白和非组蛋白合成；H1组蛋白的磷酸化；分裂决定：R点决定细胞进入S期，还是进入G0期；决定是否完成G1/S的转换；为S期准备必要的物质基础：DNA聚合酶、胸苷激酶的合成；各种脱氧核苷酸的合成。2.S期：DNA的复制：顺序性:早期合成GC含量较高的DNA序列（常染色质）；兼性异染色质次之；晚期合成AT较高的DNA序列（结构异染色质）；类型：连续型和非连续型：组蛋白和非组蛋白（染色质蛋白质）的合成;染色质的组装；中心粒的合成；3.G2期：检查基因组复制是否完成：否则会出现遗传差错，若修复失败，则不启动分裂，而是走向分化或凋亡；其他的物质准备：微管蛋白和微管相关蛋白的大量合成；有丝分裂促进因子（MPF）的合成；该因子促使核膜破裂，并使染色质凝聚；中心粒开始移向两极，纺锤体开始组装；4.M期：细胞进行有丝分裂和减数分裂;三.细胞周期同步化细胞同步化（synchronization）：是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化。自然同步化：多核体：粘菌、疟原虫；水生动物受精卵：海胆、两栖类；增殖抑制解除后的同步分裂：真菌休眠孢子；果蝇胚胎的同步卵裂人工同步化：选择同步化；1.有丝分裂选择法：M期细胞与培养皿的附着性低，振荡脱离器壁收集。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害;缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占1%～2%）;2.细胞沉降分离法：M期细胞体积大，可用离心分离。优点：可用于任何悬浮培养的细胞；缺点：同步化程度较低。诱导同步化；1.DNA合成阻断法：可逆地抑制DNA合成。常用TDR双阻断法：在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR。S期细胞被抑制，停在G1/S交界处。移去TDR，释放时间大于TS时，再次加入过量TDR。优点：同步化程度高；缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。2.分裂中期阻断法：用秋水仙素等微管抑制剂将细胞阻断在中期。优点：便于观察染色体；缺点：可逆性较差。RestrictionPoint/CheckPoint(真核细胞)StartPoint(芽殖酵母)在真核细胞中也发现多种监控机制，以调控周期各时相有序而适时地进行更迭，并使周期序列过程中后一个事件的开始依赖于前一个事件的完成，从而保证周期事件高度有序地完成。检验点不仅存在于G1期，也存在于其他时相，如S期检验点、G2期检验点、纺锤体组装检验点等。从分子水平看，检验点是作用于细胞周期转换时序的调控信号通路，其监控作用在于保证基因和基因组的稳定性，而不是细胞分裂的基本条件。间期DNA合成的动态变化(fromHarber,1968)S期内DNA合成的类型掺入组蛋白中的3H标记的亮氨酸的量(ο)掺入DNA中的14C标记的胸腺嘧啶的量()DNA和组蛋白合成的协同实验肝部分切除后/h从培养细胞中收集M期细胞的同步化方法应用过量的TDR阻断法进行细胞周期同步化四.特殊的细胞周期特殊的细胞周期：指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期。早期胚胎细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期细菌的细胞周期爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期：细胞分裂快，无G1期,G2期非常短，S期也短（所有复制子都激活）,以至于认为仅含有S期和M期；无需临时合成其它物质；子细胞在G1、G2期并不生长，卵裂球越分裂体积越小；细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本是一致的；酵母细胞的细胞周期：酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似；酵母细胞周期的明显特点：酵母细胞周期持续时间较短；封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞核内；在一定环境下，也进行有性繁殖；芽殖酵母和裂殖酵母的细胞周期：植物细胞的细胞周期：与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期；植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体；植物细胞以形成细胞板的形式进行胞质分裂;细菌的细胞周期：慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处；其DNA复制之前的准备时间与G1期类似；分裂之前的准备时间与G2期类似；加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期；细菌在快速生长情况下，主要的变化在于如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾：分裂的同时开始复制。非洲爪蟾体细胞周期和早期胚胎细胞周期比较A：体细胞标准细胞周期B：早期胚胎细胞周期生长胞质分裂染色体分离;核分裂纺锤体形成核迁移纺锤体极体复制出芽DNA复制芽殖酵母细胞周期开始点胞质分裂核分裂纺锤体形成纺锤体极体复制染色体分离DNA复制染色体凝集裂殖酵母细胞周期开始点细菌的细胞周期慢生长快生长第十三章细胞周期与细胞分裂第二节细胞分裂减数分裂有丝分裂无丝分裂真核细胞分裂细胞分裂原核细胞分裂：分裂方式简单，细胞周期短；无丝分裂：无丝/直接分裂（amitosis/directdivi-sion）是指处于间期的细胞核拉长呈哑铃形，中央部分变细断开，细胞随之分裂成而个；由R.Remak（1841）发现于鸡胚血细胞;无丝分裂的特点：不形成纺缍体，也不形成染色体；遗传物质不一定平均分配到两个子细胞；一.有丝分裂有丝分裂：有丝/间接分裂（mitosis/indirectdivi-sion）是真核生物体细胞的主要增殖方式，保证每个子细胞得到一套完整的染色体组、相应的细胞质成分和细胞器；这一过程由有丝分裂器完成；由Fleming（1882）和Strasburger（1880）发现;高等动物细胞有丝分裂过程(一).有丝分裂各期的重要事件及其结构装置1.前期前期（prophase）的主要特征：染色质凝集：染色质凝集实质为染色质的螺旋化，从一级结构包装成四级结构的过程；每条染色体由两条染色单体（chromatid）构成，前期末主缢痕部位形成动粒（kineto-chore）；分裂极的确定：细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体（mitoticspindle）开始装配；核仁缩小消失及核膜崩解;(一).有丝分裂各期的重要事件及其结构装置2.前中期前中期（prometaphase）的特征：核膜崩解：核纤层蛋白中特异的Ser（丝）残基磷酸化导致核纤层解体，核膜破裂成小的膜泡；纺锤体的装配：纺锤体微管与染色体的动粒结合；每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管；染色体整列：不断运动的染色体开始移向赤道板；细胞周期也由前中期逐渐向中期运转。(一).有丝分裂各期的重要事件及其结构装置3.中期中期（metaphase）：主要标志：染色体整列完成；所有染色体排列到赤道面（equatorialplate）上；纺锤体结构呈现典型的纺锤样。牵拉（pull）假说和外推（push）假说：着丝粒微管动态平衡形成的张力确保染色体正确排列在赤道板上；(一).有丝分裂各期的重要事件及其结构装置4.后期后期（anaphase）：排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离，产生向极运动；后期染色体分离和向极移动机制：后期A和后期B假说：后期A：动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动；后期B：极间微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长，介导染色体向极运动；(一).有丝分裂各期的重要事件及其结构装置5.末期末期（telophase）：到达两极的染色单体去浓缩，即解螺旋;核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复；核膜开始重新组装；(一).有丝分裂各期的重要事件及其结构装置6.胞质分裂胞质分裂（cytokinesis）：动物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂：胞质分裂开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期;胞质分裂开始时，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟（furrow）；大量的肌动蛋白和肌球蛋白在中间体处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环（contractilering）。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞；植物细胞胞质分裂：植物胞质分裂的机制不同于动物，后期或末期两极处微管消失，中间微管保留，并数量增加，形成桶状的成膜体（phragmoplast）；earlyprophaselateprophase荧光染色显示染色体骨架(红色)和DNA(兰色)Smc蛋白（A）及其黏连蛋白（Smc1/3）（B）、凝缩蛋白（Smc2/4）（C）异二聚体的作用G1G2SMCentrosomeduplicatedatSphase,andseparateformmitoticspindleatthebeginningofprophase动物细胞中心体的复制与细胞周期的关系prometaphase细胞分裂过程中核被膜和核纤层的动态变化高等动物细胞纺锤体的结构前中期标志性事件之二：纺锤体组装过程应用免疫荧光技术和电镜技术显示动粒位置和结构chromosomalmicrotubules染色体微管kinetochore着丝点chromatinfibres染色质纤丝middlelayer中层25-30㎚innerlayer内层40-50㎚outerlayer外层40-50㎚KinetochoredomainSchematicrepresentationofthekinetochore前中期标志性事件之三：染色体整列染色体整列（ch