第12章 细胞增殖及其调控

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。◆成体生物仍然需要细胞增殖，主要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。第十二章细胞增殖及其调控第一节细胞周期概述第二节细胞分裂第三节细胞周期的调控讲述的主要内容第一节细胞周期概述一、细胞周期二、细胞周期中各个不同时相及其主要事件三、细胞周期长短测定四、细胞周期同步化五、特异的细胞周期一、细胞周期◆概念：细胞从一次分裂结束到下一次分裂完成所经历的一个有序过程。分裂期分裂间期标准的细胞周期一个标准的细胞周期一般包括4个时相：DNA合成期（S），细胞分裂期（M）和介于S、M之间的G1期和G2期。细胞从G1期开始，到M期结束。细胞周期时间不同细胞的细胞周期时间差异很大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有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期根据增殖状况，细胞分裂状态分为三类周期中细胞(cyclingcell)静止期细胞(Go细胞)终末分化细胞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G0期细胞分裂之后，某些细胞离开细胞周期，执行某种生物学功能或进行细胞分化。当受到某种适当的刺激后，它们会重返细胞周期，进行分裂增殖。细胞周期检验点(checkpoint)细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制,主要是确保周期每一时相事件的有序、全部完成并与外界环境因素相联系,由内因和外因控制G1/S检验点:在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点，控制细胞由静止状态的G1进入DNA合成期，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期检验点：纺锤体组装检验点）：任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会抑制APC的活性，引起细胞周期中断。二、细胞周期中各个不同时相及其主要事件◆G1期：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◆S期：DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构◆G2期：在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分子◆M期：M期即细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式，即有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞三、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◆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。一、有丝分裂(mitosis)●前期(prophase)●前中期（prometaphase）●中期(metaphase)●后期(anaphase)●末期(telophase)●胞质分裂(Cytokinesis)第二节细胞分裂(A)前期；（B）（C）前中期；（D）中期；（E）后期；（F）末期；（G）（H）胞质分裂；（一）前减数分裂间期（二）减数分裂过程（三）减数分裂过程的特殊结构及其变化二、减数分裂减数分裂(Meiosis)概念及其特点概念：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。减数分裂特点：1、遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半；2、S期持续时间较长，合成DNA总量的99.7～99.9%，而剩下的0.1～0.3%在减数分裂Ⅰ的偶线期进行复制；3、前期I分为细线期，偶线期，粗线期，双线期，终变期等五个阶段；4、同源染色体在减数分裂期I配对联会、基因重组；5、减数分裂同源染色体配对排列在中间板上,第一次分裂时,同源染色体分开。减数分裂的意义：1、确保世代间遗传的稳定性；2、增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力；3、减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。脊椎动物配子发生过程（一）前减数分裂间期特点：S期持续的时间较长，复制DNA总量的99.7%～99.9%，其余的0.1%～0.3%在减数分裂前期Ⅰ阶段复制，而延迟复制的这些DNA小片段与减数分裂前期Ⅰ染色体配对和基因重组有关。（二）减数分裂过程1、减数分裂Ⅰ（1）前期Ⅰ（2）中期Ⅰ（3）后期Ⅰ（4）末期Ⅰ2、减数分裂Ⅱ1、减数分裂Ⅰ（1）前期Ⅰ•减数分裂的特殊过程主要发生在前期Ⅰ，通常分为5个时期：①细线期（leptotene）；②偶线期；③粗线期（pachytene）；④双线期（diplotene）；⑤终变期（diakinesis）。（1）前期Ⅰ细线期：又称凝集期或花束期A、染色质凝集成染色体，呈细线状B、在细纤维样染色体上具有念珠状的染色粒C、染色体端粒通过接触斑与核膜相连，而染色体的其它部分以袢环状延伸到核质中偶线期：亦称合线期、配对期，是同源染色体配对的时期。A、配对、从端粒与核膜的接触斑处开始联会，出现联会复合体(synaptonemalcomplex.SC）、二价体（bivalent）、四分体（tetrad）。B、合成约0.3%左右的DNA，称为zygDNA。粗线期：A、染色体进一步浓缩，变粗变短，并与核膜继续保持接触B、出现重组结，同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期C、合成P-DNAD、合成减数分裂专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部置换下来E、卵母细胞中，扩增rDNA，参与形成附加的核仁双线期：A、联会的同源染色体相互排斥、开始分离，出现交叉，B、联会复合体消失补充：植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期，排卵年龄大约在12～50岁之间。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二阶体去凝集而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。终变期：A、二价体显著变短B、由于交叉端化，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉，仅在端部和着丝粒处C、核仁此时开始消失，核被膜解体（2）中期Ⅰ减数分裂中期Ⅰ与一般有丝分裂中期相似，每个染色体的两个着丝粒分别位于染色体的两侧，分别与从两极出发的纺锤体微管相连接。减数分裂中期Ⅰ减数分裂中期Ⅱ动粒与纺锤体的联系示意图（3）后期Ⅰ•二价体的两条同源染色体分开，分别向两极移动。•同源染色体随机分向两极，染色体重组，人类染色体重组概率有223个。（4）末期Ⅰ胞质分裂Ⅰ和减数分裂的间期CellPhotographofTelophaseI2、减数分裂Ⅱ可分为四个时期，与有丝分裂相似（1）前期Ⅱ（2）中期Ⅱ（3）后期Ⅱ（4）末期Ⅱ经过以上四个时期的分裂过程，一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2～3个极体。动物卵母细胞及其卵裂同源染色体交叉配对偶线期姊妹染色单体CellPhotographofMetaphaseICellPhotographofAnaphaseICellPhotographofProphaseII与中期Ⅰ相同，纺锤丝牵引二分体沿着丝粒分开CellPhotographofMetaphaseIICellPhotographofAnaphaseII将二分体分裂为姊妹染色单体，并趋向各自的两极CellPhotographofTelophaseII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。（一）自然同步化1、多核体：如：粘菌、疟原虫。2、某些水生动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类。3、增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。四、细胞同步化1、选择同步化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%）。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。（二）人工同步化2、诱导同步化方法1）DNA合成阻断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成。常用TdR双阻断法：①在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TdR（Hela2mol/L；CHO7.5mol/L）。S期细胞被抑制，停在S期，其他时期细胞照常运转至G1/S交界处停止。移去TdR，释放时间大于TS时，再次加入过量TdR，则所有的细胞都被阻断在G1/S交界处。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:用秋水仙素等细胞分裂抑制剂将细胞阻断在中期。优点:无非均衡生长现象，操作简单效率高，缺点：可逆性较差，药物的毒性相对较大。五、特异的细胞周期特异的细胞周期是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。1、早期胚胎细胞的细胞周期2、酵母细胞的细胞周期3、植物细胞的细胞周期4、细菌的细胞周期1、早期胚胎细胞的细胞周期（1）分裂迅速，但总体积并不增加，卵裂球数量增加，体积越来越小（2）细胞周期时间大大短于体细胞周期（3）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（4）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: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：G1期后期开始出芽纺锤体装配与S期DNA复制同时进行形成大小不等的两个子细胞裂殖酵母均等分裂细胞生长仅是细胞长度的增加，直径保持不变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期四个时相。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相。细菌在快速生长情况下，分裂的同时开始复制。（一）有丝分裂过程1、前期(prophase)◆染色质浓缩(condensation)：开始形成有丝分裂染色体，进一步凝集由两条染色单体(chromatid)构成X形，动粒组装◆中心体和星体◆核膜破裂，核仁解体：核纤层解体；Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡2、前中期(prometaphase)◆纺锤体开始装配：形成纺锤体和三种类型的微管◆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3、中期(metaphase)◆所有染色体排列到赤道板(MetaphasePlate)上，标志着细胞分裂已进入中期。4、后期(anaphase)◆排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离,产生向极运动后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生向极运动。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。5、末期(telophase)◆染色单体到达两极，即进入了末期,到达两极的染色单体开始去浓缩◆核膜、核仁开始重新组装、Golgi体和ER重新形成并生长◆RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束6、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)。◆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)。收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞（2）