细胞生物学第四版(13-17章)

细胞生物学教学课件第十三章~~~~~~第十七章第十三章细胞周期与细胞分裂第一节细胞周期第二节细胞分裂第一节细胞周期一、细胞周期概述二、细胞周期中各不同时相及其主要事件三、细胞周期同步化四、特殊的细胞周期标准的细胞周期（图13-1）细胞周期检查点及其主要事件（图13-2）从培养细胞中收集M期细胞的同步化方法（图13-3）应用过量的TdR阻断法进行细胞周期同步化（图13-4）芽殖酵母的细胞周期（图13-5）裂殖酵母的细胞周期（图13-6）植物细胞的有丝分裂（图13-7）细菌的细胞周期（图13-8）第二节细胞分裂一、有丝分裂二、减数分裂高等动物细胞的有丝分裂过程（图13-9）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（图13-10）动物细胞中心体的复制与细胞周期的关系（图13-11）细胞分裂过程中核被膜和核纤层的动态变化（图13-12）高等动物细胞纺锤体结构（图13-13）纺锤体组装过程（图13-14）动粒位置和结构（图13-15）染色体整列（图13-16）解释染色体在赤道面整列的两种假说（图13-17）细胞有丝分裂后期由ATP驱动的马达蛋白沿微管向极部运动试染色体分开（图13-18）细胞分裂后期A和后期B产生染色体向极部运动的示意图（图13-19）有丝分裂中后期转换（图13-20）动物细胞胞质分裂示意图（图13-21）中央纺锤体和星体微管作用于细胞皮层并诱导分裂沟形成（图13-22）真核细胞减数分裂的3种类型（图13-23）有丝分裂与减数分裂比较（图13-1）减数分裂过程图解（图13-24）偶线期DNA在减数分裂前期Ⅰ才进行复制示意图（图13-25）联会复合体和重组节结构（图13-26）双线期二价染色体图解（图13-27）减数分裂中期Ⅰ（A）与减数分裂中期Ⅱ（B）动粒与纺锤体的联系示意图（图13-28）粗线期的联会复合体（图13-29）本章概要•细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一。细胞增殖是生物繁殖和生长发育的基础。细胞增殖是通过细胞周期来实现的。细胞周期是细胞生命活动的全过程。细胞从一次分裂结束到下次分裂结束，即走完一个细胞周期。细胞种类繁多，各种细胞之间的细胞周期长短差别很大。同种细胞的细胞周期时间长短，也随生理活动、营养状况等变化而有所变化。细胞周期的时间长短可以通过多种方法测定。细胞周期还可以通过某些方法实现同步化。最重要的人工细胞周期同步化方法包括DNA合成阻断法和中期阻断法。•真核细胞的细胞周期一般可以分为四个时期，即G1期、S期、G2期和M期。前三个时期合称为分裂间期，M期即分裂期。分裂间期是细胞分裂前重要的物质准备和积累阶段，分裂期即为细胞分裂实施过程。根据细胞繁殖状况，可将机体内所有细胞相对地分为三类，即周期中细胞、静止期细胞（G0期细胞）和终末分化细胞。周期中细胞一直在进行细胞周期运转。静止期细胞为一些暂时离开细胞周期，去执行其生理功能的细胞。静止期细胞在一定因素诱导下，可以很快返回细胞周期。体外培养的细胞在营养物质短缺时，也可以进入静止期状态。终末分化细胞为那些一旦生成后终身不再分裂的细胞。•在一个细胞周期中，DNA复制一次，而且只有一次。DNA复制发生在S期。在M期，复制的DNA伴随其它相关物质，平均分配到新形成的两个子细胞中。M期也可以人为地划分为前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂等几个时期。减数分裂是一种特殊的有丝分裂方式。生殖细胞在成熟过程中发生减数分裂。其特点是，DNA复制一次，然后发生两次连续的有丝分裂，导致最终生成的细胞的染色体数减半。第十四章细胞增殖调控与癌细胞细胞增殖是通过严格调控的细胞周期来实现的，在细胞周期的不同阶段有一系列检查点对该过程进行严密监控。不然，不受约束而生成的细胞将被机体免疫系统所清除，或者癌变，转化为癌细胞。癌细胞不仅表现出增殖失控，同时还具有侵润和转移的特征，最终导致个体的死亡。第一节细胞增殖调控第二节癌细胞第一节细胞增殖调控一、MPF的发现及其作用二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系三、周期蛋白四、CDK和CDK抑制因子五、细胞周期运转调控六、其他因素在细胞周期调控中的作用一、MPF的发现及其作用•MPF（maturation-/mitosis-/M-phase-promotingfactor）：即（卵细胞）成熟促进因子，或细胞有丝分裂促进因子，也称M期促进因子，在细胞周期调控中起重要作用。•PCC（prematurechromosomecondensation）：即早熟染色体凝缩，主要是指与M期细胞融合的间期细胞（G1、S和G2）发生的形态各异的染色体凝缩。G1期PCC为细单线状（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为双线染色体状（说明DNA复制已完成），这样的形态变化可能与DNA复制状态有关。一、MPF的发现及其作用•M期细胞中可能存在细胞有丝分裂促进因子：M期细胞可以诱导PCC，暗示在M期细胞中可能存在一种诱导染色体凝缩的因子，称为细胞有丝分裂促进因子（MPF）。M期细胞与G1（A）、S（B）和G2（C）期细胞融合诱导早熟染色体凝缩（PCC）（图14-1）•成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子的存在：两位科学家分离出第Ⅳ期等待成熟的非洲爪蟾卵母细胞，并用孕酮进行体外刺激，诱导卵母细胞成熟，然后进行细胞质移植实验，他们发现，在成熟的卵细胞的细胞质中必然有一种物质可以诱导卵母细胞成熟，即成熟促进因子（MPF）；后来还证明，在成熟卵细胞中，MPF已经存在，只需通过翻译后修饰即可转化为活性状态的MPF。•1998年分离获得了MPF：1998年，科学家们以非洲爪蟾卵为材料，分离获得了微克级的纯化MPF，并证明其主要含有p32和p45两种蛋白，并且是一种蛋白激酶。非洲爪蟾卵细胞成熟过程（Ⅰ~Ⅵ）、受精和第一次卵裂示意图（图14-2）成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子（MPF）的存在（图14-3）二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系•（已知）非洲爪蟾卵：MPF＝p32＋p45；MPF是激酶•裂殖酵母：cdc2（基因）→p34cdc2（蛋白）p34cdc2激酶→调控G2/M转换；p34cdc2＋p56cdc13。cdc即细胞分裂周期之缩写。•芽殖酵母：cdc28（基因）→p34cdc28（蛋白）p34cdc28激酶→调控G1/S和G2/M转换；p34cdc28≈p34cdc2（同源物）。•p34cdc2≈p32（同源物）。•海胆卵：含量随细胞周期进程变化而变化的蛋白质即周期蛋白（cyclin），cyclinB是MPF的另一种主要成分；cyclinB≈p56cdc13（同源物）。结论：MPF＝催化亚基单位（CDK）＋调节亚单位（Cyclin）。CDK为周期蛋白（cyclin）依赖性蛋白激酶三、周期蛋白•周期蛋白（cyclin）：指含量随细胞周期进程变化而周期性变化的蛋白质，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期中又重复这一消长现象。•周期蛋白有多种：酵母中的周期蛋白有Cln1~3、Clb1~6；哺乳动物细胞中的周期蛋白A1~2、B1~3、C、D1~3、E1~2、F、G、H、L1~2、T1~2等。•周期蛋白框（cyclinbox）：指所有周期蛋白中都存在的约由100个残基组成的相当保守的氨基酸序列，其功能是介导周期蛋白与CDK结合。三、周期蛋白•破坏框/降解盒（destructionbox）：指M期周期蛋白近N端含有的一段由9个氨基酸残基组成的特殊序列（RXXLGXIGX），其功能是参与泛素依赖性的cyclinA和B的降解。在破坏框之后有一段约40个氨基酸残基组成的Lys（K）富集区。•PEST序列：指G1期周期蛋白的C端含有的一段特殊的PEST氨基酸序列，其功能可能与G1期周期蛋白的更新（降解）有关。•不同的Cyclin-CDK复合体表现不同的CDK活性：不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时相不同，并通过不同的周期蛋白框与不同的CDK结合，组成不同的cyclin-CDK复合体，表现出不同的CDK活性。周期蛋白含量随细胞周期的变化部分周期蛋白分子结构特征（图14-4）细胞周期蛋白的降解盒与降解途径部分哺乳动物（A）和酵母细胞（B牙殖和C裂殖）周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK活性的关系（图14-5）四、CDK和CDK抑制因子•周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependentkinase,CDK）：由周期蛋白结合并活化的调控细胞周期进程的蛋白激酶。CDK通过磷酸化其底物而对细胞周期进行调控。•CDK有多种：在人体中发现并命名的CDK包括CDK1（Cdc2）~CDK13。不同的CDK在细胞周期中起调节作用的时期不同。•某些CDK与cyclin的配对关系及执行的功能的时期：见表14-1。•CDK激酶结构域：各种CDK的CDK激酶结构域保守程度有所不同，但其中有一小段序列则相当保守，即PSTAIRE序列，与周期蛋白结合有关。四、CDK和CDK抑制因子•CDK的活性受磷酸化修饰调节：细胞内存在多种因子，对CDK分子结构进行磷酸化修饰，从而调节CDK的活性。•CDK抑制蛋白（CDKinhibitor,CKI）：指对CDK起负调控作用的蛋白质，包括Cip/Kip家族和INK家族。①Cip/Kip家族：包括p21、p27和p57等，其中p21主要对G1期CDK（CDK2~4和CDK6）起抑制作用p21还与DNA聚合酶δ的辅助因子增殖细胞核抗原（PCNA）结合，抑制DNA的复制；②INK家族：包括p16、p15、p18和p19等，其中p16主要抑制CDK4和CDK6活性。通过PCR技术测定与CDK1类似的CDK蛋白分子图解（图14-6）不同类型的周期蛋白激酶复合体脊椎动物芽殖酵母CyclinCDKCyclinCDKG1-CDKCyclinD*CDK2、4、6Cln3CDK1(CDC28)G1/S-CDKCyclinECDK2Cln1、2CDK1(CDC28)S-CDKCyclinACDK2Clb5、6CDK1(CDC28)G2/M-CDKCyclinBCDK1(CDC2)Clb1-4CDK1(CDC28)周期蛋白-周期蛋白依赖型激酶复合物在真核生物细胞周期调控中的作用真核生物周期蛋白-周期蛋白依赖型激酶复合物在细胞周期调控中的作用G1G1-SSG2-M芽殖酵母Cln3-CDC28Cln1/2-CDC28Clb5/6-CDC28Clb1-4-CDC28裂殖酵母Cig1-CDC2Cig2-CDC2Cig2-CDC2Cdc13-CDC2脊椎动物CycD-CDK4/6CycE-CDK2CycA-CDK2CycA/B-CDK1植物CycD-CDKACycA-CDKACycA-CDKACycA/B-CDKACDC:细胞分裂周期蛋白Cyclin的周期性变化植物细胞周期控制的图示p21抑制作用的机理五、细胞周期运转调控细胞周期调控系统（cellcyclecontrolsystem）是指调节细胞周期运行的蛋白质网络系统。CDK因对细胞周期运行起着核心调控作用而被称为周期引擎分子。不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结合，构成不同的MPF。不同的MPF在细胞周期的不同时期表现活性，因而对细胞周期的不同时期进行调节。MPF又被称作细胞周期引擎。（一）G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用（二）M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化（三）G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK（四）S/G2/M期转换与DNA复制检查点（一）G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用•CDK1活性依赖于cyclinB含量的积累：cyclinB（或cyclinA）的含量达到一定值并与CDK1结合，同时在其它一些因素的调节下，逐渐表现出最高激酶活性（G2/M期转换和M期启动）。•CDK1催化底物蛋白磷酸化：CDK1通过使某些底物蛋白磷酸化，改变其下游的某些靶蛋白的结构和启动其功能，实现其调控细胞周期的作用。CDK1选择底物中某个特定序列中的某个Ser/Thr残基磷酸化。C