第八章細(xì)胞的增殖

1、CELL CYCLE細(xì)胞增殖是生命的基本特征，種族繁衍、個體發(fā)育、機體修復(fù)等都離不開細(xì)胞增殖。初生嬰兒有1012個細(xì)胞，成人1014個，約200種類型。成人體內(nèi)每秒鐘有數(shù)百萬新細(xì)胞產(chǎn)生，以補償衰老和死亡的細(xì)胞。一個大腸桿菌若按20分鐘分裂一次，并保持這一速度，則兩天即可超過地球的重量。.細(xì)胞增殖的方式有三種:無絲分裂、有絲分裂和減數(shù)分裂第一節(jié) 細(xì)胞周期一、細(xì)胞周期的概念及各時相劃分 由細(xì)胞分裂結(jié)束到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程，叫細(xì)胞周期。分為4個期： G1期(gap1)，DNA合成前期 S期(synthesis phase)，指DNA合成期。 G2期(gap2)，指DNA復(fù)制完成到有絲分裂

2、開始之前的一段時間。 M期又稱D期(mitosis or division)，細(xì)胞分裂開始到結(jié)束。細(xì)細(xì)胞胞周周期期根據(jù)細(xì)胞根據(jù)細(xì)胞DNADNA合成和分裂能力不同，合成和分裂能力不同，可將哺乳動物細(xì)胞分為三類：可將哺乳動物細(xì)胞分為三類：保持分裂能力細(xì)胞：保持分裂能力細(xì)胞：如表皮生發(fā)層細(xì)胞、部分骨髓細(xì)胞。 暫時離開細(xì)胞周期細(xì)胞，又稱暫時離開細(xì)胞周期細(xì)胞，又稱休眠細(xì)胞休眠細(xì)胞：或G0期細(xì)胞期細(xì)胞，如淋巴細(xì)胞、肝、腎細(xì)胞等。 不分裂細(xì)胞不分裂細(xì)胞：又稱終末分化細(xì)胞終末分化細(xì)胞，如神經(jīng)、肌肉細(xì)胞等。 Eucaryotic Cell Cycle A typical mammalian cell has a

3、 cell cycle time of 24 hours, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M （1 1）G G1 1期：期：是指從有絲分裂完成到DNA復(fù)制之前的這段間隙時間。首先，mRNA、rRNA、tRNA的合成加速，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)蛋白和酶蛋白的形成。其次，與DNA合成有關(guān)的一些酶如胸腺嘧啶激酶、胸腺嘧啶核苷酸激酶、脫氧胸腺嘧啶核苷酸合成酶、DNA聚合酶等活性增高，為細(xì)胞進(jìn)入S期作好準(zhǔn)備。二、細(xì)胞周期各時相的動態(tài)及特點二、細(xì)胞周期各時相的動態(tài)及特點 （2 2）S S期：期：是指從啟動DNA復(fù)制開始到DNA復(fù)制完成這段時間。此期最主要的特點

4、是DNA進(jìn)行復(fù)制及組蛋白、非組蛋白等染色體組成蛋白的合成。通過DNA復(fù)制，精確地將遺傳信息傳遞給M期分裂的子細(xì)胞，保證遺傳性狀的穩(wěn)定性。所以S期是細(xì)胞周期中最關(guān)鍵的階段。（3） G2期期：是DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始的時期。在G2期加速合成RNA和直接與有絲分裂相關(guān)的蛋白質(zhì)，如微絲、微管蛋白、有絲分裂調(diào)控的重要因子MPF(maturation promoting factor, M-phase promoting factor)，為有絲分裂做準(zhǔn)備。4。 M期期：M期就是細(xì)胞有絲分裂期，細(xì)胞周期中有絲分裂持續(xù)時間最短，一般為0.52小時,在此期間,蛋白質(zhì)合成明顯降低,只有間期20%左右水平.該

5、時期細(xì)胞形態(tài)變化最大,細(xì)胞分裂成兩個相同的子細(xì)胞,且確保復(fù)制后的染色體能夠精確均等地分配給兩個子細(xì)胞核.第四節(jié) 細(xì)胞周期調(diào)控一、研究背景 1970s Rao和Johnson發(fā)現(xiàn)與M期細(xì)胞(Hela)融合的間期細(xì)胞染色體發(fā)生凝縮，稱為早熟凝集染色體(prematurely condensed chromosome，PCC)。 G1期PCC為單線狀，因DNA未復(fù)制。 S期PCC為粉末狀，因DNA由多個部位開始復(fù)制。 G2期PCC為雙線染色體，說明DNA復(fù)制已完成。 甚至不同類的M期細(xì)胞也可誘導(dǎo)PCC產(chǎn)生，說明M期細(xì)胞具有促進(jìn)間期細(xì)胞進(jìn)行分裂的因子，即成熟促進(jìn)因子(maturation promot

6、ing factor， MPF)。PCC 細(xì)胞周期的調(diào)控是一個極其復(fù)雜的過程細(xì)胞周期的調(diào)控是一個極其復(fù)雜的過程,涉涉及許多因子在多層次上的作用及許多因子在多層次上的作用,這些因素主要包這些因素主要包括以下幾個方面括以下幾個方面:一是機體內(nèi)環(huán)境中調(diào)控細(xì)胞周期的因素如各種生長因子;二是生長因子受體的傳感機制,最終引起細(xì)胞內(nèi)有關(guān)增殖基因的表達(dá)調(diào)控細(xì)胞增殖,三是某些基因及其產(chǎn)物對細(xì)胞周期的調(diào)控,其中包括癌基因、抑癌基因和細(xì)胞分裂周期基因等第二節(jié) 細(xì)胞的有絲分裂一、細(xì)胞分裂的類型 無絲分裂(amitosis)：又稱直接分裂，由Remark（1841）發(fā)現(xiàn)于雞胚血細(xì)胞，不涉及紡錘體形成及染色體變化 。 有

7、絲分裂(mitosis) ：又稱為間接分裂，由Fleming (1882)年首次發(fā)現(xiàn)于動物，Strasburger(1880)發(fā)現(xiàn)于植物。 減數(shù)分裂(meiosis）：染色體復(fù)制一次，細(xì)胞連續(xù)分裂兩次。二、有絲分裂為了便于描述人為的劃分為六個時期： 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(jìn)行DNA復(fù)制、中心體復(fù)制、細(xì)胞體積增大等準(zhǔn)備工作。（一）前期（一）前期染色質(zhì)凝縮，分裂極確立與紡錘體開始形成，核仁解體，核膜消

8、失。 S期中心粒已完成復(fù)制，在前期移向兩極，兩對中心粒之間形成紡錘體微管，核膜解體時，中心粒已到達(dá)兩極，并形成紡錘體。 紡錘體有三種微管結(jié)構(gòu)： 極體微管（polar mt）兩極間的微管，在紡錘體中部重疊，重疊部位結(jié)合有分子馬達(dá) 。 著絲點微管（kinetochore mt），是從著絲點到另一極的微管； 星體微管（astral mt），由中心粒放射出來的微管。植物沒有中心粒和星體，其紡錘體稱無星紡錘體。Two centrosomes, and their forming radial arrays of astral microtubules separating on the surface

9、of an early prophase newt lung cell nucleus. 圖片來自/圖片來自/（二）前中期（二）前中期核膜解體到染色體排列到赤道面(equatorial plane) 上。（三）中期（三）中期染色體排列到赤道面上。（四）后期（四）后期指妹妹染色體單體分開并移向兩極的時期。分為后期A、后期B兩個過程。 Anaphase A: separation of the sister chromatids. Anaphase B: separation of the poles. 植

10、物細(xì)胞有沒有后期B ？Microtubules and Motors in the spindle （五）末期 從子染色體到達(dá)兩極，至形成兩個新細(xì)胞為止的時期。涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個方面。 末期子核的形成，大體經(jīng)歷了與前期相反的過程，即染色體解聚縮，核仁出現(xiàn)和核膜重新形成。核纖肽B去磷酸化，介導(dǎo)核膜重新裝配。 核分裂與胞質(zhì)分裂（cytokinesis）是相繼發(fā)生的，屬于兩個分離的過程，如： 大多數(shù)昆蟲的卵，核可進(jìn)行多次分裂而無胞質(zhì)分裂，某些藻類的多核細(xì)胞可長達(dá)數(shù)尺，以后胞質(zhì)才分裂形成單核細(xì)胞。子核的形成與胞質(zhì)分裂子核的形成與胞質(zhì)分裂 動物細(xì)胞的胞質(zhì)分裂通過胞質(zhì)收縮環(huán)的收縮實現(xiàn)，收縮環(huán)由大

11、量平行排列的肌動蛋白組成。 用細(xì)胞松弛素處理這一時期的細(xì)胞，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？Dividing Muscle Myoblast (primative muscle cell) (SEM x8,000)植物細(xì)胞末期近兩極處紡錘絲消失，中間微管保留，并數(shù)量增加，形成成膜體。來自高爾基體囊泡沿微管轉(zhuǎn)運到成膜體中間。融合形成細(xì)胞板(cell plate)，囊泡的內(nèi)含物形成初生壁和中膠層，囊泡膜形成質(zhì)膜，融合留下的管道形成胞間連絲。第三節(jié) 減數(shù)分裂Meiosis 由連續(xù)兩次分裂構(gòu)成： 通常減數(shù)分裂I分離的是同源染色體，所以稱為異型分裂（heterotypic division）或減數(shù)分裂（reductio

12、nal division）。 減數(shù)分裂II分離的是姊妹染色體，類似于有絲分裂，所以稱為同型分裂（homotypic division）或均等分裂（equational division）。 為了描述方便將減數(shù)分裂分為幾個期和亞期。MeiosisConcepts:1. Gametic meiosis2. Sporic meiosis3. Zygotic meiosis 稱前減數(shù)分裂間期或前減數(shù)分裂期(premeiosis)。 間期也可分為G1期、S期和G2期。 G2期是有絲分裂向減數(shù)分裂轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時期。 減數(shù)分裂的S期時間較長，部分DNA（約0.3%左右）是在合線期合成的。一、間期.醫(yī)學(xué)生物學(xué)

13、多媒體課件.ppt二、減數(shù)分裂的意義二、減數(shù)分裂的意義 1、有性生殖過程中形成的精子和卵子都是單倍體，精卵結(jié)合為受精卵，保持了生物物種染色體數(shù)目的相對穩(wěn)定，也保證了遺傳性狀的相對穩(wěn)定； 2、減數(shù)分裂中同源染色體的相互分離，使同源染色體相對位置的等位基因彼此分離，這是孟德爾分離定律的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)； 3、減數(shù)分裂中非同源染色體之間的隨機組合，是自由組合定律的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)； 4、減數(shù)分裂中同源染色體之間發(fā)生的非姐妹染色單體的部分交換，是基因連鎖和互換的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。 5、減數(shù)分裂中，非同源染色體是否進(jìn)入同一個生殖細(xì)胞是隨機的，因此減數(shù)分裂是生物變異產(chǎn)生的細(xì)胞學(xué)基礎(chǔ)。三、配子的發(fā)生三、配子的發(fā)生 1、精子的

14、發(fā)生、精子的發(fā)生（1）增殖期46,XY46,XY46,XY46,XY46,XY46,XY46,XY（2）生長期46,XY（3）成熟期（4）變形期23,X23,Y23,X23,X23,Y23,Y 1、卵子的發(fā)生、卵子的發(fā)生（1）增殖期46,XX46,XX46,XX46,XX46,XX46,XX46,XX（2）生長期46,XX（3）成熟期23,X23, X23,X23,X23, X23, X胎兒自第胎兒自第5個月至出生后個月至出生后,卵巢中的母細(xì)胞開始退變卵巢中的母細(xì)胞開始退變,青春期已減少到約青春期已減少到約4萬個萬個,性成熟后性成熟后,每月僅有一個每月僅有一個卵泡成熟排放卵泡成熟排放,其中的次

15、其中的次級卵母細(xì)胞停留在第二次級卵母細(xì)胞停留在第二次減數(shù)分裂中期減數(shù)分裂中期,受精后才受精后才完成第二次減數(shù)分裂完成第二次減數(shù)分裂,如如未受精未受精,次級卵母細(xì)胞就次級卵母細(xì)胞就不能完成第二次分裂而死不能完成第二次分裂而死亡亡.第四節(jié)細(xì)胞增殖與醫(yī)學(xué) 一、疾病的診斷與治療 二、細(xì)胞增殖與腫瘤腫瘤細(xì)胞最顯著的特點是生長失控和幼稚化（即不分化）。 1 1、腫瘤細(xì)胞分類、腫瘤細(xì)胞分類 增殖的細(xì)胞群：增殖的細(xì)胞群：是腫瘤中處于連續(xù)增殖的細(xì)胞，與腫瘤生長直接相關(guān)，該群細(xì)胞對藥物高度敏感，是化療藥物最易攻擊的細(xì)胞群。 暫不增殖的細(xì)胞群：暫不增殖的細(xì)胞群：該群細(xì)胞處于G0期或延長了的G1期，腫瘤細(xì)胞在G0期時

16、，生化代謝不活躍，對藥物不敏感，致使化療不易取得成功。但在一定條件下細(xì)胞可進(jìn)入增殖狀態(tài)，是腫瘤治療后復(fù)發(fā)的根源。不增殖的細(xì)胞群：不增殖的細(xì)胞群：該類細(xì)胞完全喪失了增殖能力，不再進(jìn)入細(xì)胞周期，最終通過分化、衰老直至死亡。2、細(xì)胞周期腫瘤治療 1. 抑制G1期cyclins（細(xì)胞周期蛋白）的過度表達(dá) G1期cyclins反義核酸，在體外和裸鼠體內(nèi)都可抑制肺癌的增殖。反義DNA可以與基因結(jié)合而阻止基因的轉(zhuǎn)錄，反義的RNA可與mRNA結(jié)合，而抑制其翻譯，都可以達(dá)到抑制腫瘤細(xì)胞增殖的目的。RNA干擾(RNA interference ，RNAi )是將雙鏈RNA(double strand RNA ，d

17、sRNA)導(dǎo)入細(xì)胞內(nèi)引起特異基因的mRNA降解的一種細(xì)胞反應(yīng)過程。屬于轉(zhuǎn)錄后基因沉默的一種。短雙鏈RNA(short interfering RNA，siRNA)是dsRNA的一種，因長度較短而得名。其每條鏈的堿基數(shù)30bp，可以在哺乳動物細(xì)胞中引發(fā)特異性的基因沉默。發(fā)夾環(huán)狀RNA(small hairpin RNA ，shRNA)也是RNAi技術(shù)應(yīng)用的一種，它是在短雙鏈RNA的一端加上9個核苷酸，形成一個環(huán)狀結(jié)構(gòu)，形似發(fā)夾，所以稱為發(fā)夾狀RNA。也可以在哺乳動物細(xì)胞內(nèi)引發(fā)高效的特異性的基因沉默。 因為 RANi的巨大的優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景，它的發(fā)現(xiàn)被美國science雜志評為2002年世界十

18、大科技之首。 2. 2. 促使腫瘤細(xì)胞表達(dá)正常的促使腫瘤細(xì)胞表達(dá)正常的CKIsCKIs有報道用正常的P16、P21、P27基因與腺病毒載體重組，將重組的腺病毒導(dǎo)入腫瘤細(xì)胞，重組的腺病毒在腫瘤細(xì)胞內(nèi)表達(dá)有功能的P16、P21和P27蛋白，抑制CDKs的活性，使腫瘤細(xì)胞停止在G0G1，抑制腫瘤細(xì)胞增殖。 3. 3. 抑制抑制E2FE2F的活性的活性把對E2F有高度親和性的雙鏈DNA片段導(dǎo)入細(xì)胞，該DNA能夠結(jié)合游離狀態(tài)的E2F生成一種復(fù)合物，復(fù)合物中的E2F不再與有關(guān)基因的啟動子結(jié)合，從而阻斷這些基因的表達(dá)，抑制細(xì)胞增生。二、分裂期 （一）減數(shù)分裂I 1、前期I 減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在前期I

19、 ，通常分為5個時期：細(xì)線期（leptotene ），合線期（zygotene ），粗線期（pachytene），雙線期（diplotene），終變期（diakinesis）。 1）細(xì)線期：染色體呈細(xì)線狀，具有念珠狀的染色粒。 2）合線期：亦稱偶線期，是同源染色體配對的時期。 概念：聯(lián)會復(fù)合體(synaptonemal complex， SC）二價體（bivalent）四分體（tetrad）。 這一時期合成約0.3%左右的DNA，稱為Z-DNA。 3）粗線期：同源染色體的非姊妹染色單體間發(fā)生交換的時期。 4）雙線期：聯(lián)會的同源染色體相互排斥、開始分離，交叉開始端化(terminalizatio

20、n)。聯(lián)會復(fù)合體消失。 補充：植物細(xì)胞雙線期一般較短，許多動物卵細(xì)胞中雙線期停留的時間非常長。人的卵母細(xì)胞在五個月胎兒中已達(dá)雙線期，而一直到排卵都停在雙線期，排卵年齡大約在12-50歲之間。魚類、兩棲類、爬行類、鳥類以及無脊椎動物的昆蟲中，雙線期的二階體解螺旋而形成燈刷染色體，這一時期是卵黃積累的時期。 5）終變期：二階體顯著變短。由于交叉端化過程的進(jìn)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。2、中期I3、后期I 二價體的兩條同源染色體分開，分別向兩極移動。 同源染色體隨機分向兩極，染色體重組，人類染色體重組概率有223個。4、末期I5、減數(shù)分裂間期。 （二

21、）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(xì)胞形成4個精子；一個卵母細(xì)胞形成一個卵子及2-3個極體。 Chromosome recombination 1Chromosome recombination 2Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23 1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 以芽殖酵母和裂殖酵母為實驗材料，利用溫度敏感突變株，發(fā)現(xiàn)許多與細(xì)胞分裂有關(guān)的基因(cell division cycle gene, CDC)。 如： 裂殖酵母cdc2、 芽殖酵

22、母cdc28突變型在限制溫度下無法分裂； wee1突變型則提早分裂，cdc25突變型細(xì)胞體積增大而不分裂； cdc2和cdc28都編碼一個34KD的蛋白激酶，促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)行，weel和cdc25分別表現(xiàn)為抑制和促進(jìn)CDC2的活性。Fission yeast budding yeast Cdc 25 & Wee1 mutant 1980s Timothy Hunt發(fā)現(xiàn)海膽的卵裂過程中兩種蛋白質(zhì)的含量隨細(xì)胞周期振蕩，命名為周期蛋白(cyclin A和B)。后來發(fā)現(xiàn)各類動物來源的細(xì)胞周期蛋白mRNA均能誘導(dǎo)蛙卵的成熟。 1988年Lohka將非洲爪蟾的MPF純化。經(jīng)鑒定MPF由32KD和

23、45KD兩種蛋白組成，是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶。 進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)MPF=CDC2+clyclin BLeland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2001年10月8日美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy Hunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機理的研究而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎。二、CDK CDC2與細(xì)胞周期蛋白結(jié)合才具有激酶的活性，故名細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinase，CDK)。 CDC2又被稱為CDK1，可將特定蛋白磷酸化，促進(jìn)細(xì)胞周期運行，又稱作細(xì)胞周期

24、引擎。 如將核纖層蛋白磷酸化導(dǎo)致核纖層解體、核膜消失； 將H1磷酸化導(dǎo)致染色體的凝縮等。 在動物中已知7種CDK。均含有一段相似的激酶結(jié)構(gòu)域，這一區(qū)域有一段保守序列，即PSTAIRE，與周期蛋白的結(jié)合有關(guān)。三、細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子 CDK inhibitor, CKI對細(xì)胞周期起負(fù)調(diào)控作用，分為： Ink4(Inhibitor of cdk 4): P16ink4a, P15ink4b, P18ink4c, P19ink4d。特異性抑制cdk4cyclin D1, cdk6cyclin D1。 Kip(Kinase inhibition protein)：P21cip1 (cycli

25、n inhibition protein 1）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（proliferating cell nuclear antigen）結(jié)合，直接抑制DNA的合成。四、細(xì)胞周期蛋白cyclin 特點：在細(xì)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(dǎo)周期蛋白與CDK結(jié)合。 作用：激活CDK，引導(dǎo)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。不同類型的CDK/cy

26、clin復(fù)合體 *包括D1-3，各亞型cyclin D在不同細(xì)胞中的表達(dá)量不同，但具有相同的功效。 G1期，在生長因子的刺激下，cyclin D表達(dá)，并與CDK4、CDK6結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，Rb釋放出轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進(jìn)許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。 G1-S期，cyclinE與CDK2結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入S期。CyclinE的抗體能使細(xì)胞停滯于G1期。 在G2-M期，cyclinA、cyclinB與CDK1結(jié)合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如將組蛋白H1磷酸化導(dǎo)致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體。 cell cycle regulation 在中期當(dāng)MPF活性達(dá)到最高時，激活后期促進(jìn)因子APC，將泛素連接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶體(proteasome)降解，完成一個細(xì)胞周期。 分裂期周期蛋白N端有一段序列與其降解有關(guān)，稱降解盒(destruction box)。 泛素由76個氨基酸組成，高度保守。共價結(jié)合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識別和降解，這是細(xì)胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。 26S蛋白酶體是一個大型的蛋白酶，可將泛素化的蛋白質(zhì)分解成短肽。Destruction Box in Cyclins M期CDK的激活起始于分裂期c