第十三章-细胞周期与细胞分裂

第十三章细胞周期与细胞分裂细胞周期细胞分裂第一节细胞周期一、细胞周期概述细胞周期:是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开始生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。在这一过程中,细胞的遗传物质进行复制并均等地分配给两个子细胞。细胞周期时相:间期:G1-S-G2M期:有丝分裂期（Mitosis）,胞质分裂期（Cytokinesis）细胞周期持续时间某此真核细胞周期时间G1期的持续时间最长且变化最大早期胚胎细胞分裂无G1和G2期细胞周期时相及类型Phasesofthecellcycle间期(interphase)◆G1期(Gap1phase),即从M期结束到S期开始前的一段间歇期;◆S期,即DNA合成期(DNAsyntheticphase);◆G2期(Gap2phase),即DNA合成后(S期)到有丝分裂前的一个间歇期;M期,即有丝分裂期(mitosisphase)。不一定每种细胞都有四个时期，如胚胎细胞没有G1期。细胞周期和细胞类群(根据增殖状况分类)◆持续分裂细胞◆终端分化细胞永久性失去了分裂能力的细胞。◆G0细胞又称休眠细胞。暂时脱离细胞周期,不进行增殖,也叫静止细胞群,如某些免疫淋巴细胞,肝,肾细胞等。二.细胞周期各时相及主要事件G1phase:与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集。Sphase:DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构G2phase:合成一定数量的蛋白质和RNA分子Mphase:有丝分裂,减数分裂和胞质分裂两个子细胞染色体浓缩纺锤体收缩环G1/SS期G2/M中-后期细胞周期中的主要的检验点三、细胞周期同步化细胞同步化(Cellsynchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期一致的现象。◆自然同步化：多核体：如：粘菌、疟原虫；某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类◆人工选择同步法(Selectedsynchronizationartificially)：有丝分裂选择法和细胞沉降分离法◆诱导同步法：DNA合成阻断法；分裂中期阻断法；条件依赖性突变株(conditionalmutants)受精卵的早期卵裂自然同步化Fruitflyembryo大多数无脊椎动物和少数脊椎动物人工选择同步化有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点是细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点是分离的细胞数量少。密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离。优点是方法简单省时，效率高，成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。M期细胞体积大，可用离心分离。有丝分裂选择法密度梯度离心法（酵母）诱导同步法DNA合成阻断法：TdR双阻断法：最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点是同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱导过程可造成细胞非均衡生长.分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点是操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大.DNA合成阻断法（TdR双阻断法）1.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，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四、特殊的细胞周期2.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。·酵母细胞周期明显特点:首先，酵母细胞周期持续时间较短；细胞分裂过程属于封闭式，即在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细胞周期裂殖酵母细胞周期3.植物细胞的细胞周期·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。·植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂。4.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。再加上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，如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾？环状分子，一个复制起始点。DNA复制前准备（G1）约10分钟；DNA复制（S）约40分钟；分裂前准备（G2）约20分钟；一个周期70分钟。实际上分裂和复制同时进行，一个周期只需35分钟。五、细胞周期长短测定◆脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法（PLM法）◆流式细胞仪测定法(FlowCytometry)◆缩时摄像技术，可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期的准确时间。PLM法标记有丝分裂百分率法(percentagelabeledmitoses，PLM)：对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。放射标记物为3H或者14C标记的TdR。PLM法解析SMG1•G1SG2M•G1•G1G2流式细胞仪法第二节细胞分裂一、有丝分裂(mitosis)◆有丝分裂是指整个细胞分裂,包括核分裂和胞质分裂两个过程。◆核分裂主要是通过纺锤丝的形成和运动，以及染色体的形成，把在S期已经复制好了的DNA平均分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。由于这一时期的主要特征出现纺锤丝，故称为有丝分裂。（一）有丝分裂过程1、前期◆标志前期开始的第一个特征：染色质开始凝缩(condensation)：形成有丝分裂染色体(mitoticchromosome），由两条染色单体(chromatid)构成（含动粒）◆第二个特征：分裂极确立和纺锤体装配：S期复制的中心体移向两极，在中心体周围，微管开始装配成有丝分裂纺锤体(mitoticspindle)。•黏连蛋白(cohesin)：介导姐妹染色单体的黏着。•凝缩蛋白（condensin）：介导染色体凝缩具ATPase活性。他们为Smc家族成员，进化上高度保守。间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在S期末，两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，形成两个中心体。当前期开始时，2个中心体移向细胞两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连，最后形成有丝分裂纺锤体。需要γ微管蛋白：连接微管和中心体中心体蛋白（centrin）：钙结合蛋白，中心体的复制和分离中发挥作用。已鉴定出4种。此外，还需要：cyclinE-CDK2，钙调蛋白依赖激酶Ⅱ（CaMKⅡ），cyclinA-CDK22、前中期(prometaphase)◆核膜崩解：破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体◆完成纺锤体装配：纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体，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：着丝点微管（动粒微管），星体微管，极间微管（极体微管）一部分纺锤体微管的自由端最终结合到着丝点上,形成动粒微管。◆染色体整列：前中期的特征是染色体剧烈地活动,个别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。A.核膜崩解B.完成纺锤体组装•中心体复制和周围微管组装：γ微管蛋白，中心体蛋白，中心粒周蛋白等•中心体分离：驱动蛋白相关蛋白(KRPs)—负极运动,胞质动力蛋白—正极运动–分裂极确立：负向运动的动力蛋白在中心体微管间搭桥，中心体列队–纺锤体拉长：正向运动的动力蛋白在纺锤体微管间搭桥纺锤体微管包括：①染色体动粒微管（kinetochoremt）：由中心体发出，连接在着丝点（动粒）上，负责将染色体牵引到纺锤体上，着丝点上具有马达蛋白。②星体微管（astralmt）：由中心体向外放射出，末端结合有分子马达，负责两极的分离，同时确定纺锤体纵轴的方向。③极间微管（极体微管）（polarmt或overlapmt）：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。有两类马达蛋白参与染色体和分裂极的分离，一类是动力蛋白（dynein），另一类是驱动蛋白（kinesin）。纺锤体微管捕获染色体形成三种类型的微管由两端星体、星体微管、极间微管和动粒微管组合形成的纺锤形结构称为有丝分裂器。着丝粒—动粒复合体C.染色体整列早期染色体由两条棒状的染色单体并列而成，中间有着丝粒(centromere)相连。着丝粒的外侧部附有动粒（kinetochore），动粒是染色体与纺锤体中的动粒微管相连的部位。•着丝粒DNA：α卫星DNA•动粒形成：动粒蛋白CENP-A，CENP-B，CENP-C，CENP-E，CENP-F和HEC1等。CENP-E是一种驱动蛋白，定位于动粒外层表面的冠上，CENP-E被认为在促使与染色体与来自两极的微管相联结过程中起重要作用。染色体整列机制•Mad蛋白和Bub蛋白：使动粒敏化，促使动粒和微管接触。3、中期(metaphase)●主要特点是姐妹染色单体位于赤道板上,着丝粒分别被两端的中心体发出的纤维连接。（所有染色体排列到赤道板(MetaphasePlate上）◆染色体进一步凝缩,并移到赤道附近,排列在赤道板；姐妹染色单体的着丝粒分别与一条或多条来自对面的纤维结合,成为被争夺的对象◆是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？·着丝粒微管动态平衡形成的张力推拉力驱动染色体移到赤道板上中期染色体中期染色体所有染色体排列到赤道板上（Chromosomealigenment）纺锤体和中期染色体4、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●主要特点是:着丝粒分开,染色单体移向两极。◆后期(anaphase)大致可以划分为连续的两个阶段，即后期A和后期B·后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运动。微管去聚合作用假说·后期B，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长，介导染色体向极运动。纺锤体微管滑动假说后期(anaphase)后期A，B是用药物鉴定出来的，如紫杉醇（taxol）能结合在微管的(+)端，抑制微管(+)端去组装，从而抑制后期A。动物中通常先发生后期A，再后期B，但也有些只发生后期A，还有的后期A、B同时发生。植物细胞没有后期B。•姐妹染色单体分离的分子机制–黏连蛋白(cohesin):Smc1,Smc3,Scc1/Mcd1和Scc3–分离酶（separase）:与抑制蛋白securin结合不表现活性，CDK1也通过磷酸化分离酶而抑制其活性。后期促进因子复合体（APC）介导securin降解，解除其抑制作用，活化的分离酶剪切Scc1,导致姐妹染色单体分离。•APC也介导cyclinB降解使CDK1失活。–启动信号：需要抑制信号（动粒与微管连接）解除，CENP-E和Bub蛋白，影响Mad2的稳定性，导致Mad2对APC抑制信号的解除。5、末期(telophase)◆染色单体到达两极，即进入了末期（telophase）,到达两极的染色单体开始去浓缩◆核膜开始重新组装◆Golgi体和ER重新形成并生长◆核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束●主要特点:染色体解螺旋形成细丝,出现核仁和核膜。6、胞质分裂动物细胞胞质分裂◆胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体和钙离子浓度的变化有关◆胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中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星体微管参与分裂沟的形成分裂沟收缩环收缩环和分裂沟形成：racE基因产物为小分子GTP酶，GapA和RgaA/DPAP1。此外，微管结合蛋白PRC1，KIF4,Aurora-B激酶及其结合蛋白，RhoA信号通路的成员等。胞质分裂可简单归纳为4个步