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細胞分裂和細胞周期 一切細胞來自細胞 1 一切細胞來自細胞 2 細胞周期是指由細胞分裂結束到下一次細胞分裂結束所經歷的過程 分裂期 M期 無絲分裂 有絲分裂 減數(shù)分裂 前期 中期 后期 末期間期 DNA合成前期 G1期 DNA合成期 S期 DNA合成后期 G2期 3 一 無絲分裂 amitosis 特點 1 不形成紡綞體 也不形成染色體 2 遺傳物質不一定平均分配到兩個子細胞 4 二 有絲分裂 mitosis 有絲分裂分期 間期 interphase 前期 prophase 前中期 premetaphase 中期 metaphase 后期 anaphase 末期 telophase 其中間期包括G1期 S期和G2期 主要進行DNA復制 中心體復制 細胞體積增大等準備工作 5 1 前期特征 染色質凝集 分裂極確定 核仁縮小并解體 凝縮蛋白和染色體凝集 染色體結構維持蛋白 SMC 是20世紀90年代初發(fā)現(xiàn)的一類蛋白 凝縮蛋白 condensin 由兩個SMC亞基 Smc2 Smc4 和三個非SMC亞基組成 是染色質的構成部分 參與有絲分裂染色體集縮和分離 粘連蛋白 cohesin 由smc1 smc3 scc1 scc3組成蛋白復合體 促成姐妹染色體之間的締合 6 1 微管的極性 復習 細胞骨架內容 微管的組裝和極性 微管是以 二聚體作為基本構件進行組裝的 并且是以首尾排列的方式進行組裝 所以每一根原纖維都有相同的極性 方向由負極到正極 這樣 組裝成的微管的一端是 微管蛋白亞基組成的環(huán) 而相對的一端是以 微管蛋白亞基組成的環(huán) 極性的另一層涵義是兩端的組裝速度是不同的 正端生長得快 負端則慢 同樣 如果微管去組裝也是正端快負端慢 分裂極確定 馬達蛋白與中心體極向移動 7 2 體內組裝 微管組織中心 microtubuleorganizingcenter MTOCs 微管進行組裝的區(qū)域 著絲粒 成膜體 中心體 基體均具有微管組織中心的功能 所有微管組織中心都具有 微管球蛋白 這種球蛋白的含量很低 可聚合成環(huán)狀復合體 像模板一樣參與微管蛋白的核化 幫助 和 球蛋白聚合為微管纖維 8 體內組裝 9 微管結合而起運輸作用的馬達蛋白有兩大類 驅動蛋白kinesin 動力蛋白dynein 兩者均需ATP提供能量 A 驅動蛋白 kinesin 發(fā)現(xiàn)于1985年 是由兩條輕鏈和兩條重鏈構成的四聚體 外觀具有兩個球形的頭 具有ATP酶活性 一個螺旋狀的桿和兩個扇子狀的尾 向著微管 極運輸小泡 10 B 動力蛋白 Dynein 發(fā)現(xiàn)于1963年 由兩條相同的重鏈和一些種類繁多的輕鏈以及結合蛋白構成 其作用主要有以下幾個方面 在細胞分裂中推動染色體的分離 驅動鞭毛的運動 向著微管 極運輸小泡 11 12 馬達蛋白與中心體極向移動 動粒微管 kinetochoremt 由中心體發(fā)出 連接在著絲點上 負責將染色體牽引到紡錘體上 著絲點上具有馬達蛋白 星體微管 astralmt 由中心體向外放射出 末端結合有分子馬達 負責兩極的分離 同時確定紡錘體縱軸的方向 極性 重疊微管 polarmt或overlapmt 由中心體發(fā)出 在紡錘體中部重疊 重疊部位結合有分子馬達 負責將兩極推開 有兩類馬達蛋白參與染色體 分裂極的分離 一類是dynein 另一類是kinesin 13 14 2 前中期特點 核膜崩解 紡錘體形成 染色體向赤道面移動 核膜崩解和蛋白質磷酸化 15 紡錘體形成及其機制 紡錘體 SpindleApparatus 產生于細胞分裂細胞分裂前初期 Pre Prophase 到末期 Telophase 的一個特殊細胞器 其主要元件包括微管 Microtubules 附著微管的動力分子分子馬達 Molecularmotors 以及一系列復雜的超分子結構 一般來講 在動物細胞中 中心體也是紡錘體的一部分 動粒微管形成 16 復習 細胞核內容 著絲粒及動粒著絲粒 染色體中將兩條姐妹染色單體結合起來的區(qū)域 由無編碼意義的高度重復DNA序列組成 一般位于染色體的主縊痕或染色體端部 使姐妹染色單體連在一起 在其兩側各有一由蛋白質構成的動粒 動粒 由多種蛋白質在有絲分裂染色體著絲粒部位形成的一種圓盤狀結構 微管與之連接 與染色體分離密切相關 每一個中期染色體含有兩個動粒 位于著絲粒的兩側 動粒結構域 內板 中間間隙 外板中心結構域 富含高度重復DNA序列 高度濃縮的異染色質所組成 配對結構域 姐妹染色單體間的相互作用位點 已知的蛋白有內部著絲粒蛋白 INCENP 和染色單體連接蛋白 CLIPS 17 18 中心體放出星體纖維和動粒結合 動粒微管形成 染色體沿該微管向中心粒移動 來自紡錘體另一面的微管結合于染色體另一姐妹染色單體的動粒上 實現(xiàn)了紡錘體雙極對染色體的穩(wěn)定附著 19 3 中期 metaphase 特點 染色體達到最大程度的聚集 赤道板形成 20 4 后期 anaphase 特點 姐妹染色單體分離 子代染色體形成并移向細胞兩極 分離染色單體的極向運動依靠紡錘體微管的牽引完成 包括過程微管正端的微管蛋白去組裝 縮短長度 帶動染色體的動粒向兩極移動 通過使極性微管延長 細胞兩極間距離增大 使染色體發(fā)生極向運動 21 22 5 末期 telophase 特點 從子染色體到達兩極 至形成兩個新細胞為止的時期 涉及子核的形成和胞質分裂兩個方面 23 6 胞質分裂特點 胞質收縮環(huán) 肌動蛋白 肌球蛋白II 及多種結構蛋白 調節(jié)蛋白組成的環(huán)狀結構 24 三 減數(shù)分裂 meiosis 定義 減數(shù)分裂是有性生殖個體形成生殖細胞過程中發(fā)生的一種特殊分裂方式 經兩次細胞分裂 而DNA只復制一次 因此子細胞中染色體數(shù)目減半 2n n 對維持世代遺傳的穩(wěn)定性 生物變異及多樣性具有一定作用 25 26 減數(shù)分裂I前期I 減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在前期I 細線期 leptotene 合線期 zygotene 粗線期 pachytene 雙線期 diplotene 終變期 diakinesis 27 細線期 染色質開始凝集呈細絲狀 偶線期 合線期 特點 同源染色體配對 聯(lián)會 synapsis 聯(lián)會 細線期中兩條同源染色體隨機排列 到了偶線期同源染色體與核膜相連的部分 端粒 移位在一起 然后它們的側面沿中軸緊密相貼進行配對 形成四分體 聯(lián)會復合體 在聯(lián)會部位 緊密相貼處 形成一種特殊結構 沿同源染色體縱軸分布 該結構由蛋白質構成 可分為側生組分和中央組分 是一暫時性的結構 28 29 粗線期 染色體明顯變粗變短 同源染色體的非姊妹染色單體間發(fā)生DNA的片斷互換 crossing over 在光鏡下可看到交叉 chiasma 現(xiàn)象 可產生新的等位基因組合 30 雙線期 同源染色體開始逐漸分開 但仍有幾處相連 聯(lián)會復合體消失 終變期 染色體進一步濃縮 交叉端化 2 中期 二價體排列在赤道面上 染色體的形態(tài)因著絲粒位置不同而異 3 后期 同源染色體在紡綞絲牽引下向兩極移動 非同源染色體自由組合 4 末期 兩極各得到n條染色體 數(shù)目由2n n 31 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 32 33 減數(shù)分裂的生物學意義 使有性生殖生物體的染色體數(shù)目世代保持恒定 同源染色體配對 交換重組 非同源染色體自由組合形成了眾多的由不同染色體組成的配子 223 增加了變異性 擴大了后代的變異范圍 增強了個體對環(huán)境的適應性 為遺傳三大定律的細胞學基礎 基因的分離定律基因的自由組合定律基因的連鎖和交換定律 34 35 四 細胞周期 1 概念 由細胞分裂結束到下一次細胞分裂結束所經歷的過程 間期 Interphase G1 S G2分裂期 Mphase Mitosis Cytokinesis 36 LelandHartwellBiodesignInstituteCo director CenterforSustainableHealth PaulNurseChiefExecutiveandDirectorFrancisCrickInstitute TimothyHuntCancerResearchUKSouthMimmsUniversityofCambridge 這一研究成果有可能對于攻克癌癥這種頑癥有重大的啟示作用 所有癌細胞的循環(huán)周期中都存在缺陷 此項重大的發(fā)現(xiàn)只是為研究這一循環(huán)周期對癌細胞的影響打下了一個基礎 2001年諾貝爾生理醫(yī)學獎 細胞周期調控機理 37 Rao和Johnson 1970 1972 1974 將Hela細胞同步于不同階段 然后與M期細胞混合 在滅活仙臺病毒介導下 誘導細胞融合 發(fā)現(xiàn)與M期細胞融合的間期細胞產生了形態(tài)各異的早熟凝集染色體 prematurelycondensedchromosome PCC 這種現(xiàn)象叫做早熟染色體凝集 prematurechromosomecondensation G1期PCC為單線狀 因DNA未復制 S期PCC為粉末狀 因DNA由多個部位開始復制 G2期PCC為雙線染色體 說明DNA復制已完成 38 1960sLelandHartwell以芽殖酵母為實驗材料 利用阻斷在不同細胞周期階段的溫度敏感突變株 分離出了幾十個與細胞分裂有關的基因 celldivisioncyclegene CDC 如芽殖酵母的cdc28基因 在G2 M轉換點發(fā)揮重要的功能 Hartwell還通過研究酵母菌細胞對放射線的感受性 提出了checkpoint 細胞周期檢驗點 的概念 意指當DNA受到損傷時 細胞周期會停下來 39 1970sPaulNurse等人以裂殖酵母為實驗材料 同樣發(fā)現(xiàn)了許多細胞周期調控基因 如 裂殖酵母cdc2 cdc25的突變型和在限制的溫度下無法分裂 wee1突變型則提早分裂 而cdc25和wee1都發(fā)生突變的個體卻會正常地分裂 進一步的研究發(fā)現(xiàn)cdc2和cdc28都編碼一個34KD的蛋白激酶 促進細胞周期的進行 而weel和cdc25分別表現(xiàn)為抑制和促進CDC2的活性 40 1983年TimothyHunt首次發(fā)現(xiàn)海膽卵受精后 在其卵裂過程中兩種蛋白質的含量隨細胞周期劇烈振蕩 在每一輪間期開始合成 G2 M時達到高峰 M結束后突然消失 下輪間期又重新合成 故命名為周期蛋白 cyclin 后來在青蛙 爪蟾 海膽 果蠅和酵母中均發(fā)現(xiàn)類似的情況 各類動物來源的細胞周期蛋白mRNA均能誘導蛙卵的成熟 41 細胞周期的生物化學事件 G1期 DNA合成前期DNA復制相關蛋白的合成細胞生長相關蛋白的合成觸發(fā)蛋白等的合成 S期 DNA合成期DNA和組蛋白合成中心粒復制 G2期 DNA合成后期微管及其染色體凝集相關蛋白合成 M期 有絲分裂 減數(shù)分裂 42 細胞周期長度 Someeukaryoticcellcycletimes ThegreatestvariationoccursinthedurationofG1 增殖型細胞 細胞周期中能持續(xù)分裂的細胞 包括上皮基底型細胞 部分骨髓細胞 性細胞等 暫不增殖型細胞 細胞在受到刺激后進入細胞周期開始分裂的細胞 包括肝臟和腎臟細胞等 不增殖型細胞 結構和功能都高度特化的 致死也不分裂的細胞 包括神經細胞 肌肉細胞及成熟紅細胞等 43 2 細胞周期調控1 細胞周期所需蛋白和激酶 特點 在細胞周期中呈周期性變化 含有一段約100個氨基酸的保守序列 稱為周期蛋白框 介導周期蛋白與CDK結合 作用 激活CDK 引導CDK作用于不同底物 已知30余種 在脊椎動物中為A1 2 B1 3 C D1 3 E1 2 F G H等 分為4類 G1型 G1 S型 S型 M型 細胞周期蛋白 cyclin 44 45 細胞周期蛋白依賴性蛋白激酶 cyclin dependentkinase Cdk 在動物中已知8種CDK 均含有一段相似的激酶結構域 這一區(qū)域有一段保守序列 即PSTAIRE 與周期蛋白的結合有關 CDK活性周期性變化啟動和調節(jié)DNA復制 有絲分裂與細胞質分裂 46 47 CDK cyclin復合體 48 2 細胞周期蛋白依賴性激酶的活化 Cdk的兩個氨基酸殘基位點的磷酸化和其活性有密切的關系 Thr161位于T環(huán)上 磷酸化后結合能力增強 Cdk活性增高 Tyr15存在于Cdk與ATP結合的區(qū)域 其磷酸化發(fā)生于Thr161前 當Thr161被磷酸化后 Tyr15再發(fā)生去磷酸化 cdk被激活 49 細胞周期蛋白依賴性激酶抑制蛋白 Cdkinhibitorprotein CKI CDKinhibitor CKI對細胞周期起負調控作用 分為 Ink4 Inhibitorofcdk4 P16ink4a P15ink4b P18ink4c P19ink4d 特異性抑制cdk4 cyclinD1 cdk6 cyclinD1 Kip Kinaseinhibitionprotein P21cip1 P27kip1 P57kip2 抑制大多數(shù)CDK的激酶活性 P21cip1還能與DNA聚合酶 的輔助因子PCNA結合 直接抑制DNA的合成 50 51 3 細胞周期蛋白依賴性激酶的抑制 CDI的抑制作用 Cdk的磷酸化調控 Weel促磷酸化 Cdc25去磷酸化 52 SKP1 CUL1 F box proteincomplex SCF andtheAPC C SCFactivityisinvolvedinG1 Stransition whereasAPC CregulatestheprogressionthroughmitosisandG1 4 細胞周期蛋白及其激酶的泛素化降解 53 54 2 細胞周期各期特點和調控 G1期 gap1 指從有絲分裂完成到DNA復制之前的間隙時間 染色質去凝集 合成某些RNA及蛋白質 為DNA復制作準備 RNA聚合酶活性增高 蛋白質含量增加 觸發(fā)蛋白 鈣調蛋白蛋白質磷酸化 組蛋白和非組蛋白 細胞膜對物質的轉運作用增強 55 G1期調控 56 57 S期 synthesisphase DNA復制期DNA復制組蛋白合成組蛋白持續(xù)磷酸化中心粒復制 58 S期調控 復制前復合體 pre RC 起點識別復合體 ORC Cdc6 Mcm S Cdk cyclinA Cdk2 ORC磷酸化激活復制點 激活Mcm的解旋酶功能 復制后磷酸化復制前復合體使Cdc6降解 同時使Mcm向核外轉運 阻止DNA復制再次啟動 磷酸化cdc6 ORC Mcm 59 G2期 gap2 指DNA復制完成到有絲分裂開始之前的一段時間 合成某些RNA及蛋白質 其它結構物質和亞細胞結構也為細胞分裂進行了必要的準備 合成紡錘絲所需的微管蛋白促成熟因子 MPF 形成分裂期所需的蛋白質中心體體積增大移向兩極 60 Rao和Johnson將Hela細胞同步于不同階段 然后與M期細胞混合 誘導細胞融合 發(fā)現(xiàn)與M期細胞融合的間期細胞產生了形態(tài)各異的早熟凝集染色體 這種現(xiàn)象叫做早熟染色體凝集 提示M期中有促進染色質凝集的因子 早在1960 s Y Masui等首先在非洲爪蟾中發(fā)現(xiàn) 成熟卵母細胞中存在一種物質 把這種物質注射到未成熟卵母細胞中 會加速它進行減數(shù)分裂而成熟 因此他們把這種物質叫作 成熟促進因子 MPF 61 62 染色質凝集 核膜崩解 細胞器破碎 紡錘體形成 63 64 細胞周期檢查點 checkpoint 是細胞周期 cellcycle 中的一套保證DNA復制和染色體 chromosome 分配質量的檢查機制 是一類負反饋調節(jié)機制 當細胞周期進程中出現(xiàn)異常事件 如DNA損傷或DNA復制受阻時 這類調節(jié)機制就被激活 及時地中斷細胞周期的運行 待細胞修復或排除故障后 細胞周期才能恢復運轉 根據(jù)在細胞周期中的時間順序 可分為三類 1 G1Checkpoint2 G2Checkpoint3 MetaphaseCheckpoint根據(jù)調控內容 可分為三類 1 DNA損傷檢查點 負責查看DNA有無損傷 2 DNA復制檢查點 負責DNA復制的進度 3 紡錘體組裝檢查點 管理染色體的正確分配已否 65 Thesummaryofcell cyclecontrolsystem 66 內在和外在因素在細胞周期調控中的作用 67 68 69 3 細胞周期檢測方法 標記有絲分裂百分率法 percentagelabeledmitoses PLM 對測定細胞進行脈沖標記 定時取材 利用放射自顯影技術顯示標記細胞 通過統(tǒng)計標記有絲分裂細胞百分數(shù)的辦法來測定細胞周期 放射標記物為3H或者14C標記的TDR 70 流式細胞儀檢測 71 72