《醫(yī)學(xué)細(xì)胞生物學(xué)》本科課件13章 細(xì)胞分裂與細(xì)胞周期

1、 細(xì)胞分裂與細(xì)胞周期Cell division & cell cycle 細(xì)胞分裂（cell division）是一個細(xì)胞分裂為兩個子細(xì)胞的過程。細(xì)胞分裂是生物體的重要生命活動特征之一，是所有生命個體繁殖和生長發(fā)育的基礎(chǔ)。通過細(xì)胞分裂，親本細(xì)胞的遺傳物質(zhì)復(fù)制后平均地分配到子代細(xì)胞中，以保證遺傳物質(zhì)的相對穩(wěn)定和物種的延續(xù)。 細(xì)胞分裂原核細(xì)胞分裂 二分裂（binary division）真核細(xì)胞分裂無絲分裂a(bǔ)mitosis有絲分裂mitosis減數(shù)分裂meiosis 通常原核細(xì)胞的分裂為二分裂，DNA復(fù)制但不形成染色體和紡錘體，具體過程包括兩個方面：(1)復(fù)制后細(xì)胞DNA的平均分配，使分裂后的子細(xì)

2、胞能得到親代細(xì)胞的一整套遺傳物質(zhì)；(2)通過胞質(zhì)分裂把細(xì)胞基本上分成兩等分。第一節(jié) 細(xì)胞分裂 一、無絲分裂（amitosis） 又稱直接分裂。細(xì)胞分裂過程中，核仁、核膜都不消失，沒有染色體的出現(xiàn)，細(xì)胞質(zhì)中也不形成紡錘體，看不到染色體復(fù)制和平均分配到子細(xì)胞中的過程。主要見于低等生物。 高等動物細(xì)胞分布：創(chuàng)傷、癌變及衰老的細(xì)胞；上皮組織、疏松結(jié)締組織、肌組織及肝臟等組織的細(xì)胞 。二、 有絲分裂（mitosis) 分期 prophase ; metaphase ; anaphase; telophase , cytokinesis 主要事件 1. 核膜的解體和重建 2. 染色質(zhì)凝集和重新形成 3.

3、紡錘體形成和染色體運(yùn)動 4. 細(xì)胞質(zhì)分裂（收縮環(huán)；細(xì)胞板） 細(xì)胞分裂用時 0.52hr （一）前期（prophase）主要事件：染色質(zhì)凝集、分裂極確定、核仁縮小并解體。 1.染色質(zhì)凝集成染色體 已復(fù)制的染色質(zhì)纖維開始螺旋化，逐漸凝集成具有棒狀或桿狀的染色體。 因染色質(zhì)上的核仁組織中心組裝到了染色體中，導(dǎo)致rRNA合成停止，核仁逐漸分解最終消失。凝縮蛋白(condensin ）: 由5種亞基組成的蛋白復(fù)合體，與染色體凝集的發(fā)生相關(guān)。 黏連蛋白（Cohesin）利用ATP水解供能，將兩條姐妹染色單體沿垂直于染色體縱軸的方向黏連在一起。黏連涉及染色體臂和著絲點(diǎn)部位，并隨細(xì)胞周期發(fā)生動態(tài)的變化。黏連蛋

4、白結(jié)構(gòu) 前期黏連蛋白被降解 2. 馬達(dá)蛋白與中心體的極向移動主要特征：核膜的崩裂，紡錘體的形成， 染色體向赤道面運(yùn)動。 （二）前中期（prometaphase）.核膜破裂、核仁消失 核纖層磷酸化降解核膜消失核纖層蛋白磷酸化使核纖層解體，核膜因此破裂，形成許多斷片及小泡，分布于胞質(zhì)中。.紡錘體(spindle) 在前期末出現(xiàn)的臨時性細(xì)胞器 。紡錘體 由兩端星體，包括極間微管、動粒微管和星體微管組合形成紡錘樣結(jié)構(gòu)。.染色體向赤道面的運(yùn)動 核膜破裂后，游離于細(xì)胞質(zhì)中的染色體不斷振動，捕捉紡錘體微管，如果一條染色體兩側(cè)的姊妹著絲粒分別與兩極來的微管相連，兩側(cè)的紡錘絲對染色體產(chǎn)生拉力，兩側(cè)拉力達(dá)到平衡時

5、，染色體就排列在赤道面上。 主要特征： 染色體達(dá)到最大的凝集，排列在赤道板上，小的在內(nèi)側(cè)，大的在外側(cè)。 （三）中期（metaphase ）主要特征：由于兩條染色單體在主縊痕處分開，打斷了中期紡錘絲力量的平衡，染色單體開始向兩極移動。姐妹染色單體分離的原因主要與其彼此間的連接消失相關(guān)，而動粒微管的張力對其的影響不大。（四）后期（anaphase ）分離染色單體的極向運(yùn)動需依靠紡錘體微管的牽引完成，包括兩個獨(dú)立但又相互重疊的過程，即后期A與后期B。 后期A發(fā)生于染色體極向運(yùn)動的起始階段，與動粒微管相關(guān)，當(dāng)動粒微管正端的微管蛋白發(fā)生去組裝時，其長度將不斷地縮短，由此帶動染色體的動粒向兩極移動。 后期

6、B通過使紡錘體拉長，細(xì)胞兩極間的距離增大，促使染色體發(fā)生極向運(yùn)動。 后期與后期（五）末期（telophase） 。 主要特點(diǎn)：染色體移動到兩極，被平均分配，染色體上的組蛋白H1發(fā)生去磷酸化，高度凝聚的染色體解旋，染色質(zhì)纖維重新出現(xiàn)RNA合成恢復(fù)，核仁重新形成。分散在胞質(zhì)中的核膜小泡與染色體表面相連，并相互融合，形成雙層核膜，并重新與內(nèi)質(zhì)網(wǎng)相連。NPC在核膜上重新組裝，去磷酸化的核纖層蛋白結(jié)合形成核纖層，并連接于核膜上，兩個子細(xì)胞核形成，核分裂完成 。（六）胞質(zhì)分裂（ cytokinesis）細(xì)胞分裂末期，中部質(zhì)膜的下方出現(xiàn)大量由肌動蛋白、肌球蛋白等形成的收縮環(huán)。收縮環(huán)中的肌動蛋白、肌球蛋白纖維

7、相互滑動使收縮環(huán)不斷縊縮，直徑減小，與其相連的細(xì)胞膜逐漸內(nèi)陷，形成分裂溝。分裂溝不斷加深至一定程度時，細(xì)胞在此發(fā)生斷裂。 收縮環(huán) 有絲分裂包括了核分裂和胞質(zhì)分裂兩個過程 染色質(zhì)凝集、紡錘體和收縮環(huán)的出現(xiàn)是有絲分裂 的三個重要特征 蛋白質(zhì)的磷酸化與去磷酸化是細(xì)胞形態(tài)變化產(chǎn)生 的分子基礎(chǔ) （染色質(zhì)的凝集與去凝集、核膜的 解聚與重建） 三、減數(shù)分裂發(fā)生于有性生殖的配子成熟過程中，也稱成熟分裂；主要特征：DNA只復(fù)制一次， 細(xì)胞連續(xù)分裂兩次， 子細(xì)胞中染色體數(shù)目比親代細(xì)胞減少一半。 意義：維持生物世代間遺傳的穩(wěn)定性（有性生殖生物 上下代在染色體數(shù)目上的恒定。 遺傳物質(zhì)的交換、重組及自由組合，構(gòu)成生物

8、變異及多樣性 精子與卵細(xì)胞結(jié)合減 數(shù) 分 裂減數(shù)分裂的特殊過程主要發(fā)生在第一次減數(shù)分裂，特別是它的前期，即前期I。 前期 I 持續(xù)時間長，細(xì)胞變化復(fù)雜，胞核顯著增大，減數(shù)分裂所特有的過程如染色體配對、交換等均發(fā)生于此期。根據(jù)細(xì)胞形態(tài)變化的特點(diǎn)可將前期細(xì)分為五個不同階段。 （一）第一次減數(shù)分裂1.前期I 細(xì)線期（lepotene stage）染色質(zhì)開始凝集，核及核仁 體積增大。 偶線期（zygotene stage）同源染色體配對， 形成聯(lián)會復(fù)合體。 Z-DNA 粗線期（pachytene stage） 雙線期（diplotene stage） 終變期（diakinesisstage）在減數(shù)分裂

9、的前期I的偶線期出現(xiàn)在聯(lián)會的同源染色體之間的一種臨時生成的特殊結(jié)構(gòu)。電鏡下顯示為三個平行的部分： 側(cè)生成分 中央成分 橫向纖維聯(lián)會復(fù)合體（synaptonemal complex， SC）由多種蛋白質(zhì)組成。在哺乳動物中，側(cè)生成分主要由Scp2、Scp3等蛋白構(gòu)成。其裝配最早發(fā)生于偶線期，在粗線期完成，雙線期解聚，與同源染色體間的配對過程密切相關(guān)。 聯(lián)會復(fù)合體（synaptonemal complex， SC）粗線期：主要事件是同源染色體片斷的交換和重組。 重組和片段交換發(fā)生在同源非姐妹染色體之間 與重組結(jié)的作用有關(guān)。 DNA（P-DNA）的合成，參與與交換中DNA 鏈的修復(fù)、連接有關(guān)。 雙線期

10、同源染色體相互分開非姊妹染色單體之間的某些部位上，可見接觸點(diǎn)，稱為交叉，交叉是交換的結(jié)果；隨著雙線期的進(jìn)行，交叉向染色體的端部移動，交叉的數(shù)目也因此減少，此現(xiàn)象稱為交叉端化。女性在其胚胎發(fā)育時期，其卵母細(xì)胞就已經(jīng)發(fā)育至雙線期，此期持續(xù)時間可長達(dá)50年之久。 終變期同源染色體進(jìn)一步凝集交叉端化繼續(xù)進(jìn)行，同源染色體僅在其端部靠交叉核仁消失核膜破裂紡錘體形成染色體開始移向赤道面上。 2.中期 I同源染色體排列到赤道面上，形成赤道板，此時每一染色體有兩個動粒，相連的動粒微管均位于紡錘體的同一側(cè)面。3.后期I同源染色體分離并向兩極移動非同源染色體之間可發(fā)生自由組合。4.末期I染色體去凝集，核仁、核膜重現(xiàn)

11、，胞質(zhì)分裂，兩個子細(xì)胞，每個子細(xì)胞中，含有母細(xì)胞一半的染色體數(shù)目。（二）第二次減數(shù)分裂(meosis)與有絲分裂類似，分前期、中期、后期、末期、胞質(zhì)分裂。 結(jié)束時，一個親代細(xì)胞共形成4個子細(xì)胞，子細(xì)胞中染色體數(shù)目與分裂前相比，均減少了一半，子細(xì)胞間在染色體組成及組合上也存在差異。 減數(shù)分裂與有絲分裂比較減數(shù)分裂與有絲分裂的區(qū)別有絲分裂減數(shù)分裂分裂次數(shù)DNA復(fù)制一次，分裂一次DNA復(fù)制一次，分裂二次分裂過程前期無染色體的配對、交換、重組同源染色體配對、交換、重組中期二分體排列于赤道板上，與染色體兩個動粒相連的動粒微管分別位于染色體的兩側(cè)同源染色體并列于赤道板上，與染色體兩個動粒相連的動粒微管分別

12、位于染色體的同側(cè)后期著絲點(diǎn)一分為二，染色單體向兩極移動后期I：同源染色體分別移向細(xì)胞的兩極后期II：著絲點(diǎn)一分為二，姐妹染色單體分別移向細(xì)胞的兩極末期染色體數(shù)目不變?nèi)旧w數(shù)目減半分裂結(jié)果子細(xì)胞染色體數(shù)目與分裂前相同子細(xì)胞的遺傳物質(zhì)與親代細(xì)胞相同子細(xì)胞染色體數(shù)目比分裂前減少一半子細(xì)胞的遺傳物質(zhì)與親代細(xì)胞及子細(xì)胞之間均不相同發(fā)生地點(diǎn)體細(xì)胞生殖腺有絲分裂減數(shù)分裂一、細(xì)胞周期概念 細(xì)胞周期（cell cycle）：是指細(xì)胞從上一次分裂結(jié)束開始生長到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程，又稱細(xì)胞增殖周期。細(xì)胞周期時間（TC） 細(xì)胞周期經(jīng)歷的時間 第二節(jié) 細(xì)胞周期 細(xì)胞周期劃分G1(gap1) 細(xì)胞有絲分裂完成

13、DNA復(fù)制前S(synthsis phase) DNA復(fù)制 2c-4cG2(gap2)： DNA復(fù)制完成到有絲分裂開始M期(mitosis,division） 分裂開始到結(jié)束 三類增殖特性不同的細(xì)胞 增殖型細(xì)胞（周期性細(xì)胞） 始終保持旺盛的增殖活性。如造血干細(xì)胞上皮組織的基底層c G0期細(xì)胞暫時離開細(xì)胞周期，停止分裂，執(zhí)行一定的生物學(xué)功能 。接收信號后返回細(xì)胞周期。如皮膚成纖維c、平滑肌c、血管內(nèi)皮c、肝c、腎c 、體外培養(yǎng)的c(營養(yǎng)物質(zhì)缺乏)不增殖型細(xì)胞（終端分化細(xì)胞）結(jié)構(gòu)和功能高度特化如橫紋肌細(xì)胞、神經(jīng)細(xì)胞終端分化細(xì)胞 G0周期性細(xì)胞 增殖型 細(xì)胞不增殖細(xì)胞（一） G1期（DNA合成前期）

14、 體積、表面積、核質(zhì)比 限制點(diǎn)（restriction point） RNA的合成活躍： 蛋白質(zhì)合成活躍：DNA復(fù)制所需酶，G1/S轉(zhuǎn)換所需蛋白 蛋白質(zhì)的磷酸化：組蛋白、非組蛋白及某些蛋白激酶磷酸化 細(xì)胞膜對物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)作用加強(qiáng)：二、細(xì)胞周期各時相的細(xì)胞形態(tài)和分子事件（二）S期（DNA合成期）1.DNA復(fù)制 啟動DNA合成 DNA復(fù)制（GC先復(fù)制，AT后復(fù)制； 常染色質(zhì)復(fù)制在先，異染色質(zhì)復(fù)制在后） 2.蛋白質(zhì)合成 酶、蛋白（組蛋白、非組蛋白）組裝核小體。3.組蛋白持續(xù)磷酸化4.中心粒復(fù)制（三）G2期（有絲分裂準(zhǔn)備期）1. 大量合成與M期結(jié)構(gòu)功能相關(guān)的蛋白質(zhì) （如微管蛋白、成熟促進(jìn)因子等）2. 合

15、成 ATP3. 中心粒的體積逐漸增大，開始分離（四）M期 第三節(jié) 細(xì)胞周期的調(diào)控細(xì)胞周期調(diào)控兩大機(jī)制：啟動 監(jiān)控細(xì)胞周期進(jìn)程嚴(yán)格、有序-domino model細(xì)胞內(nèi)外多因子、多層次-network細(xì)胞周期蛋白細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶細(xì)胞周期蛋白依賴激酶抑制蛋白一、細(xì)胞周期重要的調(diào)節(jié)因子細(xì)胞周期調(diào)控系統(tǒng)的核心 CDK類蛋白激酶 催化亞單位 細(xì)胞周期素（Cyclin) 調(diào)節(jié)亞單位 CDK抑制因子（CKI） 抑制 （一）細(xì)胞周期蛋白(cyclin)-使CDK磷酸化或活化是真核細(xì)胞中的一類蛋白質(zhì)，隨細(xì)胞周期進(jìn)程周期性地出現(xiàn)及消失，并與細(xì)胞中其它蛋白結(jié)合，對細(xì)胞周期相關(guān)活動進(jìn)行調(diào)節(jié)。G1期周期蛋白：cy

16、clin A、C、D、E ；G1/S周期蛋白：cyclinE ； S期周期蛋白： cyclinA； M期周期蛋白： cyclinB細(xì)胞周期蛋白類型 （二） CDK類蛋白激酶（cyclin-dependent kinase） CDK是一類必須與細(xì)胞周期蛋白結(jié)合才具有激酶活性的蛋白激酶，可將多種與細(xì)胞周期相關(guān)的蛋白磷酸化，在細(xì)胞周期調(diào)控中起關(guān)鍵作用。分子的特性：與cyclin結(jié)合 具有磷酸激酶的活性在細(xì)胞周期進(jìn)程中cyclin可不斷被合成與降解，Cdk對蛋白質(zhì)磷酸化的作用也因此呈現(xiàn)出周期性的變化。分類： CDK1CDK7等 G1、G1/S 、S期CDK M期CDK 功能： 啟動DNA復(fù)制和終止，

17、染色體的凝集、運(yùn)動和松解， 核膜、核仁的崩解和重建， 核纖層的降解和重新聚合， 紡錘體的形成和消失。（三）CDK抑制物（CDK inhibitor, CKI）CKI是對CDK激酶起負(fù)性調(diào)控作用的蛋白質(zhì)。CKIs是Cdk抑制蛋白，通過競爭性地抑制cyclin或cyclin-Cdk復(fù)合物，導(dǎo)致cyclin生物學(xué)功能喪失，對細(xì)胞生長起負(fù)調(diào)控作用。 已發(fā)現(xiàn)多種CKI INK4家族: p16 抑制CDK4 (p15、p18、p19)CIP/KIP家族: P21、27、57 在G1期抑制多種CDKp16P21 p27 p57cyclinDcyclinEcyclinB（四）細(xì)胞周期調(diào)控中cyclin和Cdk

18、s的相互作用細(xì)胞周期依賴性激酶周期蛋白作用時期功能Cdk4D1、D2、D3G1中、晚期使晚G1期細(xì)胞跨越限制點(diǎn)向S期發(fā)生轉(zhuǎn)換Cdk6D1、D2、D3G1中、晚期使晚G1期細(xì)胞跨越限制點(diǎn)向S期發(fā)生轉(zhuǎn)換Cdk2EG1/S期使晚G1期細(xì)胞跨越限制點(diǎn)向S期發(fā)生轉(zhuǎn)換Cdk2AS期啟動S期的DNA的復(fù)制，并阻止已復(fù)制的DNA再發(fā)生復(fù)制Cdk1（cdc2）AG2/M期促進(jìn)G2期向M期轉(zhuǎn)換Cdk1（cdc2）BG2，G2/M期磷酸化多種與有絲分裂相關(guān)的蛋白，促進(jìn)G2期向M期轉(zhuǎn)換，促進(jìn)細(xì)胞分裂 Cdk7H細(xì)胞周期所有時期cyclin-Cdk復(fù)合物在G1/S轉(zhuǎn)化中的關(guān)鍵作用 G1期起主要作用的cyclin-Cdk復(fù)合物是由cyclinD-Cdk4/6組成的；在G1/S轉(zhuǎn)化中，主要是cyclinE與CDK2的大量結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入S期。二、細(xì)胞周期的磷酸化調(diào)控 磷酸化與去磷酸化反應(yīng)是細(xì)胞用來改變一種蛋白質(zhì) 活性的最通用的方法。細(xì)胞周期調(diào)控系統(tǒng)是基于周期性激活的Cdk起作用，Cdk激活可磷酸化相應(yīng)的底物，從而引起細(xì)胞周期的后續(xù)事件發(fā)生。Cdk的激活除了需要細(xì)胞周期蛋白結(jié)合外，也需要自身的磷酸化修飾。所以細(xì)胞周期調(diào)控的核心問題之一，就是細(xì)胞周期相關(guān)蛋白的磷酸化與去磷酸化反應(yīng)過程的動態(tài)平衡。 Cdk的完全激活需要被