1、CELL CYCLE,第十三章 细胞周期,细胞增殖是生命的基本特征。初生婴儿1012个细胞，成人1014个，约200种类型。成人每秒钟有数百万新细胞产生。一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。,第一节 基本概念,MAJOR CONCEPTS,一、什么是细胞周期,细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。分为：G1期(gap1)，分裂完成到DNA复制之前。S期(synthesis phase)，DNA复制阶段。G2期(gap2)，DNA复制完成到分裂之前。M期，又称D期，分裂开始到结束。,Eucaryotic Cell Cycle,A typical m
2、ammalian cell has a cell cycle time of 24 hours, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M,根据细胞周期可将高等动物细胞分为3类：连续分裂细胞，如表皮生发层、骨髓干细胞。休眠细胞，暂不分裂，适当刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。不分裂细胞，又称终端细胞，不再分裂，如神经、肌肉、多形核细胞等。,二、细胞周期时间的测定,G1期差异较大，M期最短，约0.54.5小时。周期长短与物种/细胞类型有关。测定方法：标记有丝分裂百分率法（PLM），用3H TDR对测定细胞脉冲标记
3、、定时取材，通过统计标记有丝分裂细胞百分数来测定细胞周期。,T,PLM,常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM,三、细胞同步化,（一）自然同步化1. 多核体：粘菌、疟原虫。2 . 水生动物受精卵：海胆、两栖类。3. 增殖抑制解除后的同步分裂：真菌休眠孢子。,（二）人工同步化,1. 选择同步化1）有丝分裂选择法优点：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）细胞沉降分离法优点：可用于任何悬浮培养的细胞。缺点：同步化程度较低。,2. 诱导同步化1）DNA合成阻断法：用DNA合成抑制剂，可逆阻断细胞周期，然后释放。常用TDR双阻断法。
4、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）中期阻断法用秋水仙素等微管抑制剂将细胞阻断在中期。优点是便于观察染色体，缺点是可逆性较差。,第二节 有丝分裂,MITOSIS,一、细胞分裂的类型,无丝分裂：又称直接分裂，由Remark（1841）发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化 。有丝分裂：又称间接分裂，由Fleming (1882)和Strasburger(1880)发现。减数分裂：DNA复制1次，细胞连续分裂2次。,二、有丝分裂过程,为了便于描述人为的划分为六个时期：间期（interphase）；前期(prophase)；前中期(premetaphase)；中期
5、(metaphase)；后期(anaphase)；末期(telophase)。间期包括G1期、S期和G2期，进行DNA、中心体复制，细胞体积增大等准备工作。,（一）前期染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。,S期中心粒已完成复制，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体。纺锤体的三种微管结构：极体微管（polar mt）；着丝点微管（kinetochore mt；星体微管（astral mt）。,Two centrosomes, and their forming radial arrays of astral microtubules separating on th
6、e surface of an early prophase newt lung cell nucleus.,图片来自http:/www.wadsworth.org/,图片来自http:/www.wadsworth.org/,（二）前中期从核膜解体到染色体排列到赤道面上。,（三）中期染色体排列到赤道面上。,（四）后期指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期A、后期B两个过程。,Anaphase A: separation of the sister chromatids.,Anaphase B: separation of the poles.,植物细胞有没有后期B ？,Microtub
7、ules and Motors in the spindle,（五）末期从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。,末期核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配，同时染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核分裂与胞质分裂是相继发生的，属于两个分离的过程，如：大多数昆虫的卵，核可进行多次分裂而无胞质分裂，某些藻类的多核细胞可长达数尺，以后胞质才分裂形成单核细胞。,子核的形成与胞质分裂,动物的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由平行排列的肌动蛋白组成。,用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？,Dividing Muscle Myoblast (pr
8、imitive muscle cell) (SEM x8,000),植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，形成成膜体。来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。,第三节 减数分裂Meiosis,由连续两次分裂构成：通常减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂（heterotypic division）或减数分裂（reductional division）。减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂（homotypic division）或均等分裂（equational
9、division）。为了描述方便将减数分裂分为不同时期。,Meiosis,Concepts:Gametic meiosisSporic meiosisZygotic meiosis,一、间期,称前减数分裂间期或前减数分裂期(premeiosis)，也分为G1、S和G2期。G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。S期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。,二、分裂期,（一）减数分裂I1. 前期I通常分为5个时期：leptotene ，zygotene ，pachytene，diplotene，diakinesis。,2 . 中期I3 . 后期I：同源染色体随机分向两极，染色体
10、重组，人类染色体重组概率有223个。4 . 末期I5 . 减数分裂间期。 （二）减数分裂II可分为前、中、后、末四个四期，与有丝分裂相似。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。,Chromosome recombination 1,Chromosome recombination 2,Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23,三、联会复合体,SC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。SC帮助交换的完成，SC上有重组节，是交换发生的部位。SC主要由碱性蛋白质和RNA组成，含有少量DNA。SC形成
11、合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。在细线期/合线期加入DNA合成抑制剂，则抑制SC形成。,synaptonemal complex,第四节 细胞周期调控,CELL CYCLE CONTROL,一、研究背景,1970s Rao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。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)。,prematurely condensed chro
12、mosome，PCC,G1,S,G2,Hartwell 1960s, Nurse 1970s 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；wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；cdc2和cdc28都编码34KD的蛋白激酶，促进细胞周期进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进cdc2的活性。,FISSION YEAST,BUDDING YEAST,Cdc 25 & Wee1 mutant,T. Hunt 1980s发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的
13、含量随细胞周期振荡，命名为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+clyclin B,Leland H. Hartwell,R. Timothy (Tim) Hunt,Sir Paul M. Nurse,2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人Paul Nurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。,二、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
14、(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。,三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子,CKI对细胞周期起负调控作用，分为：Ink4: 抑制cdk4cyclin D1, cdk6cyclin D1。Kip：抑制大多数CDK。其中P21cip1还能与DNA聚合酶的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。,四、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。作用：
15、激活和引导CDK作用于不同底物。已知30余种，分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。,不同类型的CDK/cyclin复合体,*包括D1-3，各亚型cyclin D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。,G1期，在生长因子的刺激下，cyclin D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、核膜解体等。,G1 CDK activate transcr
16、iption factor E2F,CELL CYCLE REGULATION,中期当MPF活性达到最高时，激活APC，通过泛素化途径降解cyclin B，完成细胞周期。分裂期周期蛋白N端具有降解盒。泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白能被蛋白酶体识别和降解，是细胞内短寿命蛋白和异常蛋白降解的普遍途径。,Destruction Box in Cyclins,26S蛋白酶体是大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。,M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累。结合cyclin B的CDK1被Wee1将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累
17、。在M期，Wee1的活性下降，cdc25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDK activating kinase CAK)的作用下完成的。,五、M期CDK的激活,CDK ACTIVATING,六、细胞周期检验点（check point）,组成：感受器、信号传导通路、效应器。主要检验点：G1/S检验点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restriction point)。S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期
18、检验点：纺锤体组装检验点。,FOUR CHECKPOINTS,ATM（ataxia telangiectasia-mutated gene）最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，人类中大约有1%的人是ATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。ATM编码一个蛋白激酶，结合在损伤的DNA上，其信号通路有两条。激活Chk1（checkpoint kinase）, 使cdc25的Ser216磷酸化失去活性，抑制M-CDK的活性，中断细胞周期。激活Chk2，使P53被磷酸化而激活，然后P53作为转录因子，导致P21表达，P21抑制G1-S期CDK的活性，中断细胞周期。,七、生长因子对细胞增殖的影响,生长因子是与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖。作用方式：旁分泌。信号通路：ras、cAMP、磷脂酰肌醇途径。如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclin D、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。,See you!,
