1、細(xì)胞增殖及其調(diào)控“All cells come from reproduction (division) of existing cells.” M. Schleiden & T. Schwann, 1838-1839 R. Virchow, 1858各種細(xì)胞在分裂之前，還必須進(jìn)行一定的物質(zhì)準(zhǔn)備。物質(zhì)準(zhǔn)備和細(xì)胞分裂是一個相互連續(xù)的過程，這一過程即為細(xì)胞增殖(cell proliferation)。細(xì)胞增殖是細(xì)胞生命活動的重要特征之一，是生物繁育的基礎(chǔ)。（單細(xì)胞生物、多細(xì)胞生物）細(xì)胞增殖對于機(jī)體創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理組織修復(fù)等至關(guān)重要。一、細(xì)胞周期細(xì)胞在分裂之前，必須進(jìn)行各種必要的物質(zhì)準(zhǔn)備（蛋

2、白質(zhì)、遺傳物質(zhì)、中心體等）。細(xì)胞分裂過程也是一個十分復(fù)雜而又必須精確的生命過程。 從一次細(xì)胞分裂結(jié)束開始，經(jīng)過物質(zhì)準(zhǔn)備過程，直到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束為止，稱為一個細(xì)胞周期（cell cycle）。 1、細(xì)胞周期概述細(xì)胞周期是指連續(xù)分裂的細(xì)胞從一次分裂結(jié)束到下一次分裂結(jié)束所經(jīng)歷的整個過程。在這一過程中，細(xì)胞遺傳物質(zhì)復(fù)制，然后平均分配到兩個子細(xì)胞中。 細(xì)胞周期時間 不同生物細(xì)胞的細(xì)胞周期時間有差異，同一系統(tǒng)中不同細(xì)胞，其細(xì)胞周期時間也有很大差異。一般說來，S+G2+M的時間變化小，而G1期的持續(xù)時間差異可能很大。周期中細(xì)胞（cycling cells）：細(xì)胞持續(xù)分裂，細(xì)胞周期持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。如小腸絨毛上皮

3、組織的基底層細(xì)胞、干細(xì)胞等。G0期細(xì)胞：又稱靜止期細(xì)胞（quiescent cells）.暫時脫離細(xì)胞周期，停止細(xì)胞分裂，但在適當(dāng)刺激下可重新進(jìn)入細(xì)胞周期。如淋巴細(xì)胞、肝細(xì)胞等。終端分化細(xì)胞（terminally differentiated cells）：是指那些不可逆地脫離細(xì)胞周期，喪失分裂能力，保持生理機(jī)能活動的細(xì)胞。分化程度很高，一旦生成，終生不再分裂。如神經(jīng)細(xì)胞、肌肉細(xì)胞、紅細(xì)胞等。2、細(xì)胞周期各個不同時期及其主要事件G1期關(guān)鍵事件合成細(xì)胞生長所需要的各種蛋白質(zhì)、糖類、脂質(zhì)等，但不合成DNA。 G1晚期有一個特定環(huán)節(jié)，控制G1期至S期的過渡，在芽殖酵母中稱為起始點(diǎn)（start），在其

4、它真核生物中，稱為限制點(diǎn)(restriction point，R點(diǎn))，或檢驗(yàn)點(diǎn)(check point) 。影響這一事件的外在因素主要包括營養(yǎng)供給和相關(guān)的激素刺激等；內(nèi)在因素則主要是一些與cdc（cell division cycle）基因調(diào)控過程相關(guān)的因素。染色體處于復(fù)制前感受狀態(tài)或允許(licensing)狀態(tài)。真核生物 DNA復(fù)制的特點(diǎn):多個復(fù)制起點(diǎn)成簇活化，向兩個方向以復(fù)制叉方式進(jìn)行生長；S期DNA復(fù)制的不同步特性： 大多數(shù)有轉(zhuǎn)錄活性的常染色質(zhì)復(fù)制較早，異染色質(zhì)復(fù)制晚。早S期復(fù)制的DNA GC含量較高，晚S期復(fù)制的DNA AT含量較高。大多數(shù)與DNA合成有關(guān)的酶在G1S交界或早S期升高

5、。組蛋白的合成與核小體的組裝：組蛋白的合成主要在 S期，在 S期組蛋白 mRNA的水平可增加50倍。與DNA合成之間存在聯(lián)動反饋機(jī)制，保證組蛋白形成的數(shù)量能相應(yīng)于新合成的 DNA數(shù)量。組蛋白合成后被修飾，可進(jìn)行磷酸化、乙酰化、甲基化和ADP-核糖基化作用，其中組蛋白的磷酸化和乙?；徽J(rèn)為在調(diào)節(jié)細(xì)胞周期前進(jìn)中和基因表達(dá)方面起重要作用。 G2期關(guān)鍵事件：主要與細(xì)胞進(jìn)入M期所需的多種結(jié)構(gòu)與功能的準(zhǔn)備有關(guān)。G2/M期檢驗(yàn)點(diǎn)檢查DNA是否完成復(fù)制、細(xì)胞是否生長到合適大小，環(huán)境因素是否利于細(xì)胞分裂等。核糖體的存在與數(shù)目對于完成 G2期和進(jìn)入有絲分裂的進(jìn)程也是起重要作用的。細(xì)胞周期調(diào)控分子活化，使細(xì)胞由G2

6、期進(jìn)入M期 。早期胚胎細(xì)胞的細(xì)胞周期：早期胚胎細(xì)胞的細(xì)胞周期主要指受精卵在卵裂過程中的細(xì)胞周期。顯著的特點(diǎn)包括：當(dāng)受精以后，受精卵便開始迅速卵裂，卵裂球數(shù)量增加，但其總體積并不增加，因而，卵裂球體積將越分越小；每次卵裂所持續(xù)的時間，即一個細(xì)胞周期所持續(xù)的時間，大大短于一個體細(xì)胞周期所持續(xù)的時間；G1期和G2期非常短。細(xì)胞周期調(diào)控因子和調(diào)節(jié)機(jī)制與一般體細(xì)胞標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞周期基本是一致的。4、特異的細(xì)胞周期酵母細(xì)胞的細(xì)胞周期： 常用的兩種酵母細(xì)胞：芽殖酵母（budding yeast） S. cerevisiae; 裂殖酵母（fission yeast） S. pombe 。酵母細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)過程也包括

7、G1期、S期、G2期和M期等4個時期。參與調(diào)控細(xì)胞周期的基因與高等生物也基本相同。 酵母細(xì)胞周期持續(xù)時間較短，大約為90min。細(xì)胞分裂過程屬于封閉式，即在細(xì)胞分裂時，細(xì)胞核核膜不解聚。與細(xì)胞核分裂直接相關(guān)的紡錘體不是在細(xì)胞質(zhì)中，而是位于細(xì)胞核內(nèi)。在一定環(huán)境因素作用下，也進(jìn)行有性繁殖。 植物細(xì)胞的細(xì)胞周期也含有G1期、S期、G2期和M期4個時期。 植物細(xì)胞無中心體，但紡錘體裝配正常；有絲分裂后期的紡錘體中央?yún)^(qū)域出現(xiàn)成膜體(phragmoplast)，指導(dǎo)植物細(xì)胞的胞質(zhì)分裂。植物細(xì)胞的細(xì)胞周期：細(xì)菌的細(xì)胞周期： 細(xì)菌細(xì)胞周期也基本具備4個時期；在快速生長時，細(xì)菌每分裂一次僅需要35min，而理論

8、上卻需要70min（10min復(fù)制起始準(zhǔn)備 + 40min DNA復(fù)制 + 20min 染色體分離和細(xì)胞分裂）。二、有絲分裂細(xì)胞分裂：細(xì)胞分裂是個體生長和生命延續(xù)的基本保證。細(xì)胞分裂包括核分裂和胞質(zhì)分裂（cytokinesis)兩個過程。細(xì)胞分裂經(jīng)過長期的生物進(jìn)化過程由簡單而逐漸臻于完善，出現(xiàn)了無絲分裂(amitosis)、有絲分裂(mitosis)和減數(shù)分裂(meiosis)。隨著真核細(xì)胞的演化，有絲分裂的機(jī)構(gòu)也隨著復(fù)雜化，高等真核生物某些種類的器官和組織，在自然狀態(tài)下有絲分裂存在某些變異。 紡錘體(spindle)：1、與有絲分裂相關(guān)的重要結(jié)構(gòu)紡錘體是細(xì)胞分裂過程中的一種與染色體分離直接相

9、關(guān)的細(xì)胞器，主要由微管和微管結(jié)合蛋白組成。高等細(xì)胞的紡錘體為紡錘狀。組成紡錘體的微管有三種：動粒微管（kinetochore microtubules），極性微管(polar microtubules)和星體微管（astral microtubules）。中心體（centrosome）：中心體是一種與微管的組織和細(xì)胞分裂密切相關(guān)的細(xì)胞器，是動物細(xì)胞內(nèi)的主要的微管組織中心（microtubule-organizing center，MTOC）。中心體由一對中心粒（centrioles）和周圍的稱作中心粒外基質(zhì)（pericentriolar materials，PCM）的無定形物質(zhì)構(gòu)成。植物細(xì)胞不

10、含中心體，但依然可形成紡錘體。中心體中心粒是一對互相垂直的圓筒狀小體，直徑0.25m，長度不定，鄰近核膜胞質(zhì)中。筒壁為9組大約呈30度傾斜排列的三聯(lián)微管組成。中心粒本身對微管的組織并不重要。中心粒外基質(zhì)是一團(tuán)電子密度高、不定形的物質(zhì)，含有微管蛋白、pericentrin、centrin等多種蛋白質(zhì)，對于微管的組織至關(guān)重要。微管圍繞中心體進(jìn)行組裝。微管朝向中心體的一端為負(fù)極，遠(yuǎn)離中心體的一端為正極。At a certain point in G1 phase the two centrioles separate by a few micrometers. During S phase a da

11、ughter centriole begins to grow near the base of each old centriole and at a right angle to it. The elongation of the daughter centriole is completed by G2 phase. The two centriole pairs remain close together in a single centrosomal complex until the beginning of M phase, At the end of M phase, the

12、two centrosomes separate into two daughter cells.著絲粒（centromere）：是染色體主縊痕（primary constriction）部位的染色質(zhì)。動粒（kinetochore）：又稱著絲點(diǎn)，附著于著絲粒上，是紡錘體微管附著于染色體的部位。 Schematic representation of the kinetochore動粒和著絲粒聯(lián)系緊密，結(jié)構(gòu)成分相互穿插，功能方面聯(lián)系密切。著絲粒DNA主要由衛(wèi)星DNA構(gòu)成。著絲粒DNA片段大小不等，大的片段主要由一些特殊序列重復(fù)排列構(gòu)成。已知的動粒蛋白主要包括CENP-A，CENP-B, CENP

13、-C，CENP-E，CENP-F，INCENP等。CENP蛋白在進(jìn)化上有高度保守性，但分子量隨動物種類、不同發(fā)育階段有所差異：CENP-A是著絲粒區(qū)域的一種特殊組蛋白，與組蛋白H3有一些進(jìn)化上的關(guān)系；推測它可能直接參與著絲粒-動粒復(fù)合體的染色質(zhì)的包裝及功能。CENP-B是DNA結(jié)合蛋白，并和微管蛋白相聯(lián)系。CENP-C主要位于動粒的三層結(jié)構(gòu)的內(nèi)層，只存在于活性著絲粒染色體上，有CDC2激酶磷酸化位點(diǎn)和微管結(jié)合蛋白(MAP)激酶作用位點(diǎn)。CENP-E是一種驅(qū)動蛋白(kinesin)，定位于動粒外層表面的冠上。被認(rèn)為在促使染色體與來自兩極的微管相聯(lián)結(jié)過程中起重要作用 。CENPF是一種核骨架蛋白，

14、在分裂前期，轉(zhuǎn)移到動粒上。2、有絲分裂過程根據(jù)形態(tài)結(jié)構(gòu)的變化，人為地分為前期、前中期、中期、后期、末期及胞質(zhì)分裂期。前期、前中期、中期、后期和末期是一個相互連續(xù)的過程。胞質(zhì)分裂相對獨(dú)立，開始于以上5個時期的一定階段。G2期末：染色質(zhì)已復(fù)制，但松散包裝，呈彌漫樣分布。中心體已復(fù)制。前期(prophase) 細(xì)胞核染色質(zhì)開始濃縮，經(jīng)過螺旋化、折疊和包裝，變短變粗，形成光鏡下可見的早期染色體結(jié)構(gòu)。每條染色體開始形成2條染色單體的成雙結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)主縊痕。核仁消失。在中心體周圍，微管大量裝配，形成兩個星體。兩個星體逐漸向細(xì)胞兩極移動，開始形成紡錘體。前中期(prometaphase) 核膜崩解（nucle

15、ar envelope breakdown）標(biāo)志著前中期的開始。核纖層解聚。染色體進(jìn)一步凝集濃縮，并劇烈運(yùn)動。紡錘體微管捕獲（capture）染色體（通過動粒與染色體結(jié)合）。染色體逐漸向赤道方向移動。中期(metaphase) 所有染色體排列在赤道板（equatorial plate，又稱中期板metaphase plate）上。位于染色體兩側(cè)的動粒微管長度相等，作用力均衡。染色體向赤道板運(yùn)動的過程稱為染色體列隊(duì)（chromosome alignment）或染色體中板聚合（chromosome congression）。后期(anaphase) 姐妹染色單體相互分離，形成子代染色體，并分別向兩

16、極運(yùn)動，標(biāo)志著后期的開始。可劃分為兩個連續(xù)的階段：后期A和后期B。在后期A，動粒微管變短，染色體逐漸向兩極運(yùn)動。在后期B，極性微管長度增加，兩極之間的距離逐漸拉長。末期(telophase) 染色體到達(dá)兩極。動粒微管消失，極性微管繼續(xù)加長。染色體開始去濃縮，在每個染色體周圍，核膜開始重新裝配。核仁開始重新裝配。RNA合成功能逐漸恢復(fù)。核膜的解聚和重新裝配 胞質(zhì)分裂(cytokinesis) 胞質(zhì)分裂開始于細(xì)胞分裂后期，完成于細(xì)胞分裂末期。在赤道板周圍細(xì)胞表面下陷，形成環(huán)狀縊縮，稱為分裂溝（cleavage furrow）。分裂溝逐漸加深，直到兩個子細(xì)胞完全分開。肌動蛋白和肌球蛋白參與了分裂溝的

17、形成和整個胞質(zhì)分裂過程。在分裂溝下方，微管和小膜泡等物質(zhì)聚集，構(gòu)成一個環(huán)形致密層，稱為中間體（midbody）。大量的肌動蛋白和肌球蛋白在中間體處裝配成微絲，并組成微絲束，環(huán)繞細(xì)胞，稱為收縮環(huán)（contractile ring）。收縮環(huán)收縮，分裂溝逐漸加深，直到兩個子細(xì)胞分離。在動物細(xì)胞中，紡錘體微管決定分裂溝的位置。在植物細(xì)胞中， 成膜體（phragmoplast）指導(dǎo)胞質(zhì)分裂。3、變異的有絲分裂 高等真核生物某些種類的器官和組織，在自然狀態(tài)下有絲分裂存在某些變異，常見的類型有：胞質(zhì)不分裂，形成二核或多核細(xì)胞，見于橫紋肌、體外培養(yǎng)細(xì)胞和某些植物雌配子的八核胚囊。姐妹染色單體不分離，形成雙份染

18、色體。偶見于培養(yǎng)的人體細(xì)胞、植物花粉粒。 核染色質(zhì)反復(fù)加倍而不分開，結(jié)果形成多線染色體，典型的例子是果蠅晚期幼蟲唾腺細(xì)胞。體細(xì)胞減數(shù)分裂，可以產(chǎn)生單倍體。見于蚊腸上皮細(xì)胞、玉米和水稻根尖細(xì)胞。多極分裂，由紡錘體極部縱裂并轉(zhuǎn)向，引起三極乃至更多極的核分裂。如果胞質(zhì)也隨著分開，便形成幾個染色體數(shù)減少了的細(xì)胞。如果胞質(zhì)未相應(yīng)地分裂，則產(chǎn)生一個多核細(xì)胞。多極分裂普遍存在于培養(yǎng)的癌細(xì)胞中。4、有絲分裂過程的動力學(xué)事件 紡錘體微管比間期微管更動態(tài)（10100倍），使得染色體能夠有效的捕獲、向赤道板排列，以及分離到子細(xì)胞中。In this experiment fluoroscein-labeled tub

19、ulin was injected into a living cell, where it became incorporated into the spindle microtubules (green). Rhodamine-labeled tubulin was then introduced into the cell at metaphase, where it became incorporated into kinetochore microtubules at the kinetochore-attached (plus) end (red). Some incorporat

20、ion is also seen at the centrosome. 微管在動粒附近的動態(tài)組裝In both cases the chromosomes enter the spindle randomly during prometaphase. In (A) the chromosomes eventually line up at the equator (the metaphase plate) because a pulling force on each kinetochore increases as it gets farther from a pole. In (B) th

21、e chromosomes end up at the equator because the astral exclusion forces push them there. In both cases the chromosomes are held under tension at the equator by balanced forces.染色體向赤道板排列的兩種假說：牽拉（pull）和外推（push）（A）ATP水解驅(qū)動染色體向兩極移動，促使動粒端微管的去組裝。（B）隨著動粒端的微管去組裝，動粒傾向于向兩極滑行以恢復(fù)“袖筒”壁與微管的結(jié)合，拉著染色體向兩極運(yùn)動。 三、減數(shù)分裂減數(shù)分

22、裂（meiosis）是一種特殊的有絲分裂，僅發(fā)生于有性生殖細(xì)胞形成過程中。減數(shù)分裂的主要特點(diǎn)是，細(xì)胞僅進(jìn)行一次 DNA復(fù)制，隨后進(jìn)行兩次分裂。兩次分裂之間有一個分裂間期，但無DNA合成。結(jié)果染色體數(shù)減少一半。染色體數(shù)目為2n的兩性生殖細(xì)胞通過減數(shù)分裂產(chǎn)生染色體數(shù)目為n的雌雄配子，雌雄配子融合后形成合子，染色體數(shù)目又恢復(fù)為2n。減數(shù)分裂的意義在于，既有效獲得父母雙方的遺傳物質(zhì)，保持后代的遺傳性，又可以增加更多的變異機(jī)會，確保生物的多樣性，增強(qiáng)生物適應(yīng)環(huán)境變化的能力。減數(shù)分裂是有性生殖的基礎(chǔ)，是生物遺傳、生物進(jìn)化和生物多樣性的重要基礎(chǔ)保證。1、減數(shù)分裂前間期減數(shù)分裂前間期(premeiotic i

23、nterphase)：減數(shù)分裂前的間期階段。也可劃分為G1、S、G2期。減數(shù)分裂前間期S期特別長，如蠑螈的體細(xì)胞有絲分裂前的S期為12小時，而減數(shù)分裂前的S期可持續(xù)10天。此種延長并非由于復(fù)制叉的運(yùn)動減慢，而是由于每單位長度DNA復(fù)制單位的啟動數(shù)量減少所致。在有些生物中，減數(shù)分裂前的S期只合成全部染色體DNA的99.7，其余的0.3在偶線期合成。2、減數(shù)分裂過程第一次減數(shù)分裂（meiosis I）：前期I 變化復(fù)雜，呈現(xiàn)許多減數(shù)分裂的特征形態(tài)變化。 持續(xù)時間長，可達(dá)幾周，幾月，甚至幾年，幾十年。 進(jìn)行染色體配對和基因重組。 合成配子所需要的或胚胎早期發(fā)育所需要的全部或大部分RNA、蛋白質(zhì)及碳水

24、化合物。細(xì)線期(leptotene，1eptonema)，又稱凝集期（condensation stage）：染色質(zhì)凝集成細(xì)纖維狀的染色體。 偶線期(zygotene，zygonema)，又稱配對期(pairing stage)：兩條同源染色體側(cè)面緊密相貼進(jìn)行配對，此現(xiàn)象稱為聯(lián)會(synapsis)。形成聯(lián)會復(fù)合體（synaptonemal complex, SC). 形成二價體（bivalent），又稱四分體（tetrad）。粗線期(pachytene，pachynema)，又稱重組期(recombination stage)：聯(lián)會復(fù)合體結(jié)構(gòu)中間出現(xiàn)重組結(jié)，含有多種酶，為球形，橢圓形或棒狀，

25、直徑90nm，參與基因重組過程。粗線期另一個重要的生化活動是，合成減數(shù)分裂期專有的組蛋白 。 許多染色體上發(fā)生DNA合成，主要用于DNA鏈的修補(bǔ)、連接，稱為P-DNA。出現(xiàn)rDNA的擴(kuò)增及活躍的rRNA合成。雙線期(diplotene，diplonema)：又稱合成期( synthesis stage)：同源染色體分開，可看到四分體。聯(lián)會復(fù)合體消失，同源染色體間存在接觸點(diǎn)，稱為交叉(crossover, chiasma)。此種交叉的數(shù)量和部位，在同一種類的不同細(xì)胞中也有所不同，至少有一個交叉。染色體去凝集，在許多動物中形成燈刷染色體（lampbrush chromosome） ，RNA轉(zhuǎn)錄活躍

26、。雙線期持續(xù)時間一般較長，其長短變化很大。人類卵母細(xì)胞雙線期從胚胎期的第5個月開始，多者可持續(xù)十幾年，到性成熟開始；長者可達(dá)四五十年，到生育期結(jié)束。終變期(diakinesis)，又稱再凝集期(recondensation stage)：核仁消失，四分體較均勻地分布在核中，染色體凝集成短棒狀。交叉向染色體臂的端部移行，稱為端化，最后四分體只靠端部交叉使其結(jié)合在一起，姐妹染色單體借著絲粒連接在一起。形成紡錘體。雄性動物的紡錘體十分像有絲分裂。卵母細(xì)胞紡錘體的形成無中心體的參與，紡錘體形態(tài)類似植物細(xì)胞。前期I的主要變化小結(jié)分期細(xì)線期偶線期粗線期雙線期終變期凝集期配對期重組期合成期再凝集期染色體染色

27、線染色粒2價體片段交換四分體短棒狀四分體配對聯(lián)會絲復(fù)合體重組小節(jié)交叉端化DNAZ-DNAP-DNArDNA擴(kuò)增蛋白質(zhì)&RNASCDNA修補(bǔ)組蛋白RNA合成活躍紡錘體形成核膜相連端部移位相連脫離破裂中期I：核膜破裂,紡錘體侵入核區(qū)，一側(cè)紡錘體只和同側(cè)的2個動粒相連。分散于核中的四分體開始向紡錘體中部移動，排列在赤道板上 。后期I：同源染色體對的分離和向極運(yùn)動的開始。每極接受單倍體數(shù)量的染色體。不同的同源染色體對分向兩極時相互間是獨(dú)立的，父方、母方來源的染色體隨機(jī)組合。末期I及間期：末期I和間期的染色體去凝集，核膜重新裝配。第二次減數(shù)分裂（meiosis II）與有絲分裂過程基本相同，可分為前、中

28、、后、末、胞質(zhì)分裂等期。 所形成的4個單倍體細(xì)胞，在不同性別動、植物種類中最終的命運(yùn)也有所不同。 The stages of oogenesis and spermatogenesis 卵細(xì)胞精子細(xì)胞精子卵母細(xì)胞極體3、聯(lián)會復(fù)合體（SC）和基因重組G2期和前期減數(shù)分裂信號刺激SC的單體在胞質(zhì)中合成；在核內(nèi)受到染色體上因子的作用，組成側(cè)生組分軸心。兩條側(cè)生組分軸心逐漸靠攏，距離達(dá)100nm左右時，借大量橫向垂直伸出的纖維，互相交錯形成中央組分。 繼而單鏈 Z-DNA順序或 RNA、蛋白質(zhì)順序識別分子組合到 SC之中，進(jìn)一步促進(jìn)同源染色體緊密地整列。聯(lián)會復(fù)合體的結(jié)構(gòu)SC位于兩條同源染色體之間，沿縱軸方向延伸。兩側(cè)為側(cè)生組分，寬為20-40nm，電子密度高。中間區(qū)，寬100nm，中間