細胞生物學CellBiology課件制作與講授:楊谷良第十一章細胞增殖及其調控(2)

Pleasebequiet,上課了??！第十一章細胞增殖及其調控(2)

Cellreproduction®ulationⅪ細胞增殖及其調控第十一章細胞增殖及其調控(2)Summary:》細胞增殖是生命的基本特征，種族繁衍、個體發(fā)育、機體修復等都離不開細胞增殖。

細胞增殖cellreproduction,親代細胞(mothercell)經(jīng)物質準備，分裂（celldivision）產(chǎn)生子代細胞(daughtercell)的過程?！芳毎鲋呈車烂艿恼{控（regulation）機制的監(jiān)控，其增殖過程必須遵循一定的規(guī)律。1第十一章細胞增殖及其調控(2)1CellCycle&CellDivision

1.1CellCycle》任何細胞都是一個生命，開始于產(chǎn)生它的親代細胞的分裂，結束于它的子代細胞的形成。1.1.1ConceptionofCellcycle

起始生長、物質積累Mothercell結束2第十一章細胞增殖及其調控(2)》細胞周期Cellcycle,從一次細胞分裂(celldivision)結束開始，經(jīng)過物質積累過程，直到下一次細胞分裂結束為止，所經(jīng)歷的過程稱為細胞周期，又稱細胞增殖周期(cellreproductivecycle)。》一個周期所占用的時間，即為細胞的一個世代（generationtime）,在這一過程中,細胞的遺傳物質復制并均等地分配給兩個子細胞。。細胞周期及染色體行為3第十一章細胞增殖及其調控(2)1.1.2PhasesofCellcycle》細胞分裂時形態(tài)顯著，利用光學顯微鏡即可觀察到一個細胞分裂成二個細胞的變化。玉米減數(shù)分裂照片－生科學生作業(yè)細胞周期是一個相當復雜的過程,不同類型的細胞周期持續(xù)的時間不完全相同,而且,細胞的分裂狀態(tài)也各有異。4第十一章細胞增殖及其調控(2)MphaseInterphase（1）分裂期mitoticphase簡稱M期;DNA合成期（DNAsynthesisphase,簡稱S期）Sphase細胞周期的時相（2）分裂間期interphase。

第一時間間隔期（gap1phase,簡稱G1期）。G1phaseG2phase第二時間間隔期，(gap2phase,簡稱G2期)。5第十一章細胞增殖及其調控(2)一個細胞周期可以人為的劃分為先后連續(xù)的4個時期（時相）：G1

a

S

a

G2

a

M》絕大多數(shù)真核細胞的細胞周期都包含這4個時相，所以將包含有這4個不同時相的細胞周期稱為標準細胞周期(standardcellcycle).6第十一章細胞增殖及其調控(2)各時相持續(xù)時間

不同類型細胞細胞周期時間長短不同，一般說來，S+G2+M的時間變化較??；而G1期持續(xù)時間的差異可能很大。

細胞周期所持續(xù)的時間一般為12－32h；M期最短，約0.5－4.5h。小鼠食管上皮細胞：周期時間115h,G1期103h；

十二指腸上皮細胞：周期15h,G1期6h.7第十一章細胞增殖及其調控(2)細胞周期和細胞類群》從增殖的角度來看，可將高等生物（動物）的細胞分為三類：（1）周期中細胞，cyclingcell，或連續(xù)分裂細胞：－細胞周期連續(xù)運轉，如表皮生發(fā)層細胞、部分骨髓細胞；（2）靜止期細胞，quiescentcell，或G0期細胞、休眠細胞：－休眠細胞暫不分裂，但在適當?shù)拇碳は驴芍匦逻M入細胞周期；如淋巴細胞、肝、腎細胞等。（3）終末分化細胞，terminaldifferentiationcell：－指暫時脫離細胞周期，不再分裂的細胞，又稱終端細胞，如神經(jīng)、肌肉、多形核細胞等等。8第十一章細胞增殖及其調控(2)》G0期細胞和終末分化細胞的界限有時難以劃分，有的細胞過去認為屬于終末分化細胞，目前可能被認為是G0期細胞。9第十一章細胞增殖及其調控(2)1.1.3MaineventsofeachPhase（1）G1Phase》發(fā)生的主要生化事件包括：合成rRNA、蛋白質、脂類和糖類等，為DNA合成作準備。10第十一章細胞增殖及其調控(2)（2）Sphase》主要的生化事件：DNA合成。還包括：組蛋白（histone）的合成、DNA復制所需的酶的合成?！稴期檢驗點：監(jiān)察DNA復制是否完全？（3）G2phase》主要的生化事件：大量合成ATP、RNA、及細胞分裂相關的蛋白質。為細胞分裂作準備?！稧2/M期檢驗點：DNA損傷是否已被修復？細胞體積是否夠大？11第十一章細胞增殖及其調控(2)（4）Mphase》主要的生化事件：細胞染色質凝集，分離并平均分配到兩個子代細胞，細胞一分為二。細胞增殖的直接實施階段。》細胞分裂的方式有三種：－真核細胞分裂主要包括兩種方式：

有絲分裂Mitosis，體細胞分裂方式；

減數(shù)分裂Meiosis，性細胞分裂方式。－原核細胞是以無絲分裂Amitosis方式進行。12第十一章細胞增殖及其調控(2)》檢驗點checkpoint:在細胞周期中可使細胞周期運轉暫時剎車的位點，待條件適宜才允許細胞進入下一階段。》在G1期的檢驗點(G1checkpoint)又稱限制點restriction,R點：DNA是否損傷？細胞外環(huán)境是否適宜？細胞體積是否足夠大？。在芽殖酵母中稱為起始點Start?！法CS期檢驗點：DNA復制是否完成？–G2/M檢驗點：DNA是否損傷？細胞體積是否足夠大？–中-后期檢驗點：紡錘體組裝檢驗點。13第十一章細胞增殖及其調控(2)其他影響細胞周期的事件

●DNA復制不完全?！窦忓N體裝配不正常?！馜NA損傷。

細胞周期的關卡和影響的事件14第十一章細胞增殖及其調控(2)1.1.4MensuratetheCellcycle（一）標記有絲分裂百分率法(S期:DNA合成)percentagelabeledmitoses，PLM》最經(jīng)典的測定細胞周期各時相時間的方法。利用3H-TdR（胸腺嘧啶核苷）摻入DNA和放射自顯影技術?！愤m用于細胞類群相對簡單，細胞周期時間相對較短，周期運轉均勻的細胞群體。15第十一章細胞增殖及其調控(2)》基本原理：－用3H-TdR給待測細胞以脈沖標記（即給動物一次3H-TdR注射，或加3H-TdR于細胞培養(yǎng)液中短暫培養(yǎng)然后洗脫），使在該段時間內已處于S期不同階段的全部細胞其DNA被3H標記，而處于其它時相的細胞則不被標記。－隨后，每隔一定時間取樣做細胞放射自顯影，找出正處于有絲分裂的細胞，計算其中帶3H標記的細胞占有絲分裂細胞的百分數(shù)，繪制曲線即可測得各時相持續(xù)時間。16第十一章細胞增殖及其調控(2)PLM原理詳解：（1）經(jīng)3H-TdR脈沖標記后，S期的細胞其DNA具3H（圖中紅色表示這部分細胞）。以PLM對時間T作圖。－PLM：被標記分裂期細胞占所有分裂期細胞的百分比。－T：從洗脫，更換培養(yǎng)液開始計時，隔一定時間測PLM?！泛茱@然，在被標記細胞進入M期之前，PLM=0；PLM時間T0.51.0017第十一章細胞增殖及其調控(2)（2）從洗脫（0時）到標記細胞開始進入M期的時間是G2期持續(xù)的時間，記作TG2(為細胞分裂作準備)。(坐標中綠色時間段)－標記細胞將陸續(xù)進入M期，PLM相應升高；PLM時間T0.51.0018第十一章細胞增殖及其調控(2)（3）當最早進入M期(細胞一分為二)的標記細胞結束M期時，PLM達到理論最大值=1；所以，從標記細胞開始進入M期到這一時刻所持續(xù)的時間即為M期，記作TM，坐標中紅色時間段。PLM時間T0.51.0019第十一章細胞增殖及其調控(2)（4）直到最晚進入M期的標記細胞開始進入M期時，PLM始終保持理論最大值=1，然后，隨著周期運轉PLM值將下降。那么，從標記細胞開始進入M期到PLM開始下降，所持續(xù)的時間段即為S期長，記作TS，對應于圖中所有紅色時間段。PLM時間T0.51.0020第十一章細胞增殖及其調控(2)PLM時間T0.51.00》在實際工作中測定Ts時，由于各種因素的影響，PLM的最大值達不到1。為減少誤差，常采用半高度法讀數(shù)。－即從PLM值上升到0.5時開始，經(jīng)歷最大值，再下降到0.5時為止，所經(jīng)歷的時間計為TS。坐標中紫色時間段。21第十一章細胞增殖及其調控(2)（5）如下圖，紅色時間段對應的又是什么時間？PLM時間T0.51.00》一個細胞周期的總時間，TC。－從M期開始出現(xiàn)標記細胞并逐漸消失，到下次M期再次出現(xiàn)標記細胞，所歷經(jīng)時間。－在實際工作中同樣可采用半高度法讀取。如紫色時間段?！稵G1=TC－（TG2＋TM＋TS）22第十一章細胞增殖及其調控(2)》優(yōu)點：PLM法不僅可以細胞周期的總時間，還可測出各時期所持續(xù)的時間。缺點：－放射自顯影技術要求一定的防護措施；－放射性同位素對細胞周期有一定影響；－當細胞類群較為復雜時，此法不適用。23第十一章細胞增殖及其調控(2)（二）流式細胞儀測定法(FlowCytometry)》從DNA含量著眼，G1期和G2、M期細胞含有固定含量的DNA；S期細胞的DNA含量介于他們之間。用流式細胞儀通過監(jiān)察細胞DNA含量在不同時期的變化，從而測定細胞周期長短。24第十一章細胞增殖及其調控(2)（三）縮時攝像技術》可以得到準確的細胞周期時間及分裂間期和分裂期的準確時間。細胞周期及染色體行為25第十一章細胞增殖及其調控(2)1.1.5CellSynchronization細胞同步化》細胞同步化(Cellsynchronization)是指在自然過程中發(fā)生或經(jīng)人為處理造成的細胞周期一致的現(xiàn)象。細胞同步化分為自然同步化和人工同步化。自然同步化是自然界存在的現(xiàn)象,人工同步化是利用細胞培養(yǎng)的方法,用各種理化因素處理獲得的同步化生長的細胞。常用的細胞人工同步化的方法分為選擇同步化、誘導同步化或者兩者的結合。26第十一章細胞增殖及其調控(2)(一)選擇同步化1）有絲分裂選擇法：M期細胞與培養(yǎng)皿的附著性低，振蕩脫離器壁收集。–優(yōu)點：操作簡單，同步化程度高，細胞不受藥物傷害。–缺點：獲得的細胞數(shù)量較少（分裂細胞約占1%～2%）。2）細胞沉降分離法：

M期細胞體積大，可用離心分離。–優(yōu)點：可用于任何懸浮培養(yǎng)的細胞。–缺點：同步化程度較低。1.1.5.1人工同步化27第十一章細胞增殖及其調控(2)(二)誘導同步化1）胸腺嘧啶阻斷技術：–高濃度的胸腺嘧啶能夠阻斷DNA合成所需的核苷酸的合成,因此將細胞群體培養(yǎng)在具有高濃度的胸腺嘧啶的培養(yǎng)液，可獲得同步化的細胞。–優(yōu)點：同步化程度高–缺點：產(chǎn)生非均衡生長，個別細胞體積增大。28第十一章細胞增殖及其調控(2)2）中期阻斷法》用秋水仙素等細胞分裂抑制劑將細胞阻斷在中期。優(yōu)點是無非均衡生長現(xiàn)象，缺點是可逆性較差。3）應用條件依賴性突變株使細胞周期同步化》將與細胞周期調控有關的條件依賴性突變株轉移到限定條件下培養(yǎng)，所有細胞便被同步化在細胞周期中某一特定時期。29第十一章細胞增殖及其調控(2)1.1.6ExtraordinaryCellcycle（一）早期胚胎細胞的細胞周期》無需臨時合成其它物質，細胞分裂快,無G1期,G2期非常短,S期也短(所有復制子都激活),以至認為僅含有S期和M期；》子細胞在G1、G2期并不生長，越分裂體積越??；》細胞周期調控因子和調節(jié)機制與一般體細胞標準的細胞周期基本是一致的；30第十一章細胞增殖及其調控(2)爪蟾早期胚胎細胞SEM照片31第十一章細胞增殖及其調控(2)（二）酵母細胞的細胞周期》酵母細胞的細胞周期與標準的細胞周期在時相和調控方面相似；》酵母細胞周期明顯特點:－酵母細胞周期持續(xù)時間較短(約90分鐘)；－封閉式細胞分裂，即細胞分裂時核膜不解體與重建；－紡錘體不位于細胞質中,而位于細胞核內；－在一定環(huán)境下(環(huán)境條件不合適時)，也進行有性繁殖；32第十一章細胞增殖及其調控(2)（三）植物細胞的細胞周期》植物細胞不含中心體(中心體是微管組織中心,是紡綞體裝配必需的)，但在細胞分裂時可以正常組裝紡錘體?！分参锛毎孕纬杉毎宓男问竭M行胞質分裂；動物細胞的胞質分裂植物細胞的胞質分裂33第十一章細胞增殖及其調控(2)（四）細菌的細胞周期P371》慢生長細菌細胞周期過程與真核細胞周期過程有一定相似之處?！芳毦诳焖偕L情況下，細胞周期變化較大（見微生物學）。34第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2有絲分裂Mitosis

有絲分裂是細胞周期的絲裂期(M期)進行的分裂活動。根據(jù)細胞形態(tài)結構的變化，將有絲分裂人為地劃分為6個時期：35第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2.1前期Prophase（1）染色質(chromatin)凝縮成染色體(由兩條染色單體組成)；（2）中心體(centrosome)移向兩極，分裂極確立，紡錘體(spindle)開始裝配；（3）核仁(nucleonus)消失，核被膜裂解；↑動物細胞前期模式圖↗前期較早時熒光照片，藍色染色質，綠色微管36第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2.2前中期Prometaphase（1）染色體進一步凝集濃縮，變粗變短；（2）紡錘體形成，紡錘絲捕獲染色體，并拉動染色體向紡錘體赤道面移動?！@微攝影示前期和前中期↗前中期熒光照片，示紡錘體形成和染色體運動37第十一章細胞增殖及其調控(2)紡錘體spindle與星體aster

構成紡錘體的微管(MT)可分為2種：動粒微管(kinetochoreMT)極性微管(polarMT)動粒微管極性微管星體微管動粒中心體赤道板

構成星體的微管稱為星體微管(astralMT)。星體紡錘體與星體結構示意圖38第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2.3中期metaphase（1）所有染色體排列到赤道板(equatorialplate)；（2）紡錘體呈典型的紡錘樣，位于染色體兩側的動粒微管長度相等，作用力均衡。模式圖熒光染色顯微照片透射電鏡照片39第十一章細胞增殖及其調控(2)分裂中期/后期存在檢驗點》紡錘體檢驗點(spindlecheckpoint)：所有染色體的動粒都被動粒微管捕獲時，染色單體才分離，細胞分裂向后期進行；否則分裂暫停在中期。圖的上部是不正確的紡錘體微管與染色體動粒結合的方式,是不穩(wěn)定結合。圖的下面部分是正確的結合方式,是穩(wěn)定的結合。染色體的動粒只有被兩極的紡錘體微管結合,兩側的作用力才會平衡。40第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2.4后期anaphase》中期染色體的兩條染色單體相互分離，形成子代染色（單）體，并分別向兩極運動。41第十一章細胞增殖及其調控(2)》后期可大致劃分為連續(xù)的兩個階段：(1)后期AanaphaseA:動粒微管縮短，拉動染色單體移向兩極；(2)后期BanaphaseB:極性微管延長，兩極間距離逐漸增長；42第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2.5末期telophase（1）色單體到達兩極，并開始去濃縮變成染色質，核仁重新出現(xiàn)，核膜開始重新裝配，形成子代細胞核；（2）動粒微管消失，紡錘體散開。極性微管繼續(xù)加長，最終參與構建胞質分裂的分裂溝(furrow)或細胞板；43第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2.6胞質分裂cytokinesis》多數(shù)細胞的胞質分裂開始于細胞分裂的后期，完成于末期。親代細胞的細胞質和細胞器被分配到兩個子代細胞中，子代細胞分離。胞質分裂核分裂Mitosis前期前中期中期后期末期G2G1核分裂與胞質分裂相協(xié)調的模式圖解44第十一章細胞增殖及其調控(2)(1)動物細胞：在赤道板周圍細胞表面下陷，形成環(huán)形縊縮，稱為分裂溝(furrow)?！贩至褱系男纬珊褪湛s環(huán)有關。胞質分裂開始時，大量肌動蛋白和肌球蛋白在中體處組裝成微絲并相互組成微絲束，環(huán)繞細胞，稱為收縮環(huán)（contractilering)。胞質分裂

cytokinesis動物細胞的胞質分裂45第十一章細胞增殖及其調控(2)(2)植物物細胞：以形成細胞板(cellplate)的形式完成》植物細胞末期近兩極處紡錘絲消失，中間微管保留，并數(shù)量增加，其中不斷加入囊狀物和電子密度高的物質，形成成膜體。》成膜體的囊泡來自高爾基體。小囊泡不斷融合擴大形成質膜，即細胞板(cellplate)，將細胞一分為二，最后在細胞板兩側積累多糖，形成細胞壁。46第十一章細胞增殖及其調控(2)1.2.7有絲分裂的機理

如何均等分配遺傳物質給兩個新產(chǎn)生的子細胞。1.紡錘體染色體的分裂與分配是靠紡錘體的形成、運動和解聚來完成的。紡錘體微管的類型及其形成47第十一章細胞增殖及其調控(2)中心體在細胞周期中復制、分離、復制周期。中心體循環(huán)(centrosomecycle)48第十一章細胞增殖及其調控(2)2.核的解體與重建機理核解體H1組蛋白和核纖層蛋白的磷酸化導致染色體的凝集和核膜的解體，它們的磷酸化作用主要由激活的MPF催化的。

核重建在有絲分裂的末期,前期核解體時形成的核被膜小泡此時又圍繞染色體聚集和融合形成兩個子代細胞核膜。49第十一章細胞增殖及其調控(2)1.3

Meiosis》Meiosis，減數(shù)分裂，是細胞僅進行一次DNA復制，隨后進行兩次分裂，染色體數(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂?！窚p數(shù)分裂的意義：－確保世代間遺傳的穩(wěn)定性；－增加變異機會，確保生物的多樣性，增強生物適應環(huán)境變化的能力；－減數(shù)分裂是生物有性生殖的基礎，是生物遺傳、生物進化和生物多樣性的重要基礎保證。50第十一章細胞增殖及其調控(2)1.3.1Premeioticinterphase》有絲分裂細胞在進入減數(shù)分裂之前要經(jīng)過一個較長的間期，稱減數(shù)分裂前間期(premeioticinterphase)。第一次減數(shù)分裂可分為前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ。第二次減數(shù)分裂可分為前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ

51第十一章細胞增殖及其調控(2)1.3.2減數(shù)分裂過程（一）減數(shù)分裂I1、前期I》減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在前期I，通常分為5個時期：①細線期（leptotene），②偶線期（zygotene），③粗線期（pachytene），④雙線期（diplotene），⑤終變期（diakinesis）。52第十一章細胞增殖及其調控(2)①細線期（leptotene）》染色體呈細線狀（單線），具有念珠狀的染色粒。雖然染色體已經(jīng)復制，但光鏡下分辨不出兩條染色單體?！酚捎谌旧|逐漸凝集，所以又稱為凝集期(condensationstage)。53第十一章細胞增殖及其調控(2)②偶線期（zygotene）》同源染色體配對的時期，這種配對稱為聯(lián)會(synapsis)

，所以又稱為配對期(pairingstage)?！愤@一時期同源染色體間形成聯(lián)會復合體(synaptonemalcomplex，SC)。在光鏡下可以看到兩條結合在一起的染色體，稱為二價體（bivalent）。每一對同源染色體都經(jīng)過復制，含四個染色單體，所以又稱為四分體（tetrad）?！愤@一時期合成約0.3%左右的DNA，稱為zygDNA。偶線期的染色體形態(tài)結構

54第十一章細胞增殖及其調控(2)③粗線期（pachytene）》持續(xù)時間長達數(shù)天，此時染色體變短，結合緊密，在光鏡下只在局部可以區(qū)分同源染色體，這一時期同源染色體的非姊妹染色單體之間發(fā)生交換的時期?！反志€期SC上具有與SC寬度相近的電子致密球狀小體，稱為重組節(jié)，與DNA的重組有關?！愤@一時期合成少量的DNA，稱為P-DNA。并合成減數(shù)分裂專有的組蛋白。55第十一章細胞增殖及其調控(2)④雙線期（diplotene）》聯(lián)會的同源染色體相互排斥、開始分離，但在交叉(crossover，chiasma)上還保持著聯(lián)系?！分参锛毎p線期一般較短，許多動物卵細胞中雙線期停留的時間非常長。人的卵母細胞在五個月胎兒中已達雙線期，而一直到排卵都停在雙線期。》魚類、兩棲類、爬行類、鳥類以及無脊椎動物的昆蟲中，雙線期的二價體解螺旋而形成燈刷染色體，這一時期是卵黃積累的時期。

雙線期的染色體交叉

56第十一章細胞增殖及其調控(2)染色體重組及雙線期同源染色體的交叉57第十一章細胞增殖及其調控(2)⑤終變期（diakinesis）》二價體顯著變短。由于交叉端化過程的進一步發(fā)展，故交叉數(shù)目減少，通常只有一至二個交叉。核仁此時開始消失，核被膜解體。58第十一章細胞增殖及其調控(2)2.中期Ⅰ》同源染色體配對排列在中期板上。每個二價體有4個動粒、姊妹染色單位的著絲粒定向于紡錘體的同一極59第十一章細胞增殖及其調控(2)3.后期Ⅰ》二價體的兩條同源染色體分開，分別向兩極移動，所以染色體數(shù)目減半?！吠慈旧w隨機分向兩極，染色體重組，人類染色體重組概率有223個（不包括交換）。4.末期I》染色體到達兩極后，解旋為細絲狀、核膜重建、核仁形成，同時進行胞質分裂。60第十一章細胞增殖及其調控(2)示意圖：同源染色體分離所產(chǎn)生的遺傳多樣性61第十一章細胞增殖及其調控(2)5.減數(shù)分裂間期兩種類型：－有較短間期，但不復制DNA，無G1、S、G2之分；－無間期，而由末期I直接轉為前期II。（二）減數(shù)分裂Ⅱ》可分為前、中、后、末四個四期，與有絲分裂相似。》一個精母細胞形成4個精子；一個卵母細胞形成一個卵子及2-3個極體。62第十一章細胞增殖及其調控(2)脊椎動物配子發(fā)生過程63第十一章細胞增殖及其調控(2)總結：減數(shù)分裂特征（和有絲分裂比較）1.減數(shù)分裂主要是發(fā)生在生殖細胞產(chǎn)生的某個階段；2.遺傳物質只復制一次，細胞連續(xù)分裂兩次，導致染色體數(shù)目減半；3.減數(shù)分裂前間期的S期持續(xù)時間較長，少量DNA沒有復制；4.有絲分裂中,每個染色體是獨立活動;在減數(shù)分裂中,染色體要配對、聯(lián)會、交換和交叉，產(chǎn)生遺傳多樣性；5.有絲分裂時間短,1-2小時;減數(shù)分裂時間長,幾十小時至幾年。同源染色體聯(lián)會時的交換和交叉64第十一章細胞增殖及其調控(2)有絲分裂與減數(shù)分裂的比較

65第十一章細胞增殖及其調控(2)1.3.3聯(lián)會復合體