第十二章細胞增殖

細胞增殖(cellproliferation)的意義◆細胞增殖(cellproliferation)是細胞生命活動的重要特征之一,是生物繁育的基礎?！魡渭毎锛毎鲋硨е律飩€體數(shù)量的增加?！舳嗉毎镉梢粋€單細胞(受精卵)分裂發(fā)育而來，細胞增殖是多細胞生物繁殖基礎?！舫审w生物仍然需要細胞增殖，主要取代衰老死亡的細胞，維持個體細胞數(shù)量的相對平衡和機體的正常功能。 ◆機體創(chuàng)傷愈合、組織再生、病理組織修復等，都要依賴細胞增殖。當前1頁，總共85頁。第一節(jié)細胞周期與細胞分裂●細胞周期(cellcycle)概述●有絲分裂(mitosis)●胞質(zhì)分裂(Cytokinesis)●減數(shù)分裂(Meiosis)

當前2頁，總共85頁。一、細胞周期當前3頁，總共85頁?！窦毎芷?cellcycle)概述

◆概念：

細胞從一次有絲分裂結束到下一次有絲分裂完成所經(jīng)歷的一個有序過程。其間細胞遺傳物質(zhì)和其他內(nèi)含物分配給子細胞?！艏毎芷跁r相組成間期(interphase):G1phase，Sphase，G2phase·Mphase:有絲分裂期(Mitosis),胞質(zhì)分裂期(Cytokinesis)細胞沿著G1→S→G2→M→G1周期性運轉(zhuǎn)，在間期細胞體積增大(生長)，在M期細胞先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，完成一個細胞周期。當前4頁，總共85頁。當前5頁，總共85頁?！艏毎芷跁r間不同細胞的細胞周期時間差異很大S+G2+M的時間變化較小，細胞周期時間長短主要差別在G1期有些分裂增殖的細胞缺乏G1、G2期當前6頁，總共85頁。當前7頁，總共85頁?！舾鶕?jù)增殖狀況，細胞分類三類·連續(xù)分裂細胞(cyclingcell)·休眠細胞(Go細胞)·終末分化細胞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。當前8頁，總共85頁?！窦毎芷谥懈鱾€不同時相及其主要事件

G1與DNA合成啟動相關，開始合成細胞生長所需要的多種蛋白質(zhì)、RNA、碳水化合物、脂等，同時染色質(zhì)去凝集。S期·DNA復制與組蛋白合成同步，組成核小體串珠結構·S期DNA合成不同步當前9頁，總共85頁。G2期DNA復制完成，在G2期合成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)和RNA分子M期M期即細胞分裂期，真核細胞的細胞分裂主要包括兩種方式，即有絲分裂(mitosis)和減數(shù)分裂(meiosis)。遺傳物質(zhì)和細胞內(nèi)其他物質(zhì)分配給子細胞。當前10頁，總共85頁?！窦毎芷陂L短測定◆脈沖標記DNA復制和細胞分裂指數(shù)觀察測定法◆流式細胞儀測定法(FlowCytometry)◆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。當前11頁，總共85頁?！窦毎芷谕交糇匀煌交?，如有一種粘菌的變形體plasmodia，某些受精卵早期卵裂

◆人工選擇同步化◆藥物誘導法◆條件依賴性突變株在細胞周期同步化中的應用：將與細胞周期調(diào)控有關的條件依賴性突變株轉(zhuǎn)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。當前12頁，總共85頁。人工選擇同步化·有絲分裂選擇法：用于單層貼壁生長細胞。優(yōu)點是細胞未經(jīng)任何藥物處理，細胞同步化效率高。缺點是分離的細胞數(shù)量少?！っ芏忍荻入x心法：根據(jù)不同時期的細胞在體積和重量上存在差別進行分離。優(yōu)點是方法簡單省時，效率高，成本低。缺點是對大多數(shù)種類的細胞并不適用。當前13頁，總共85頁。藥物誘導法·DNA合成阻斷法─G1/S-TdR雙阻斷法：最終將細胞群阻斷于G1/S交界處。優(yōu)點是同步化效率高，幾乎適合于所有體外培養(yǎng)的細胞體系。缺點是誘導過程可造成細胞非均衡生長·分裂中期阻斷法：通過抑制微管聚合來抑制細胞分裂器的形成，將細胞阻斷在細胞分裂中期。優(yōu)點是操作簡便，效率高。缺點是這些藥物的毒性相對較大當前14頁，總共85頁。二、有絲分裂(mitosis)●前期(prophase)●前中期(prometaphase)●中期(metaphase)●后期(anaphase)

●末期(telophase)當前15頁，總共85頁。前期(prophase)◆標志前期開始的第一個特征是染色質(zhì)開始濃縮(condensation)形成有絲分裂染色體(mitoticchromosome）◆第二個特征細胞骨架解聚，有絲分裂紡錘體(mitoticspindle)開始裝配◆Golgi體、ER等細胞器解體，形成小的膜泡當前16頁，總共85頁。當前17頁，總共85頁?！み@種染色體由兩條染色單體(chromatid)構成 ·在前期末，染色體主縊痕部位形成一種蛋白復 合物稱為動粒(kinetochore)當前18頁，總共85頁。當前19頁，總共85頁。 間期動物細胞含一個MTOC，即中心體，在S期末，兩個中心粒在各自垂直的方向復制出一個中心粒，形成兩個中心體。當前期開始時，2個中心體移向細胞兩極，并同時組織微管生長，由兩極形成的微管通過微管結合蛋白在正極末端相連，最后形成有絲分裂紡錘體。當前20頁，總共85頁。當前21頁，總共85頁。前中期(prometaphase) ◆核膜破裂成小的膜泡，這一過程是由核纖層蛋白中 特異的Ser殘基磷酸化導致核纖層解體 ◆紡錘體微管與染色體的動粒結合，捕捉住染色體 每個已復制的染色體有兩個動粒，朝相反方向，保 證與兩極的微管結合；紡錘體微管捕捉住染色體后， 形成三種類型的微管◆不斷運動的染色體開始移向赤道板。細胞周期也由前中期逐漸向中期運轉(zhuǎn)。當前22頁，總共85頁。當前23頁，總共85頁。當前24頁，總共85頁。當前25頁，總共85頁。中期(metaphase)◆所有染色體排列到赤道板(MetaphasePlate)上，標志著細胞分裂已進入中期◆是什么機制確保染色體正確排列在赤道板上？ ·著絲粒微管動態(tài)平衡形成的張力

當前26頁，總共85頁。當前27頁，總共85頁。當前28頁，總共85頁。后期(anaphase)

◆排列在赤道面上的染色體的姐妹染色單體分離產(chǎn)生向極運動◆后期(anaphase)大致可以劃分為連續(xù)的兩個階段，即后期A和后期B

·后期A，動粒微管去裝配變短，染色體產(chǎn)生兩極運動·后期B，極間微管長度增加，兩極之間的距離逐漸拉長，介導染色體向極運動當前29頁，總共85頁。當前30頁，總共85頁。當前31頁，總共85頁。末期(telophase)◆染色單體到達兩極，即進入了末期（telophase）,到達兩極的染色單體開始去濃縮◆核膜開始重新組裝◆Golgi體和ER重新形成并生長◆核仁也開始重新組裝，RNA合成功能逐漸恢復,有絲分裂結束當前32頁，總共85頁。當前33頁，總共85頁。動物細胞胞質(zhì)分裂◆胞質(zhì)分裂(cytokinesis)開始于細胞分裂后期，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)。分裂溝的位置與紡錘體極性微管和鈣離子濃度升高的變化有關 ◆胞質(zhì)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)。收縮環(huán)收縮、收縮環(huán) 處細胞膜融合并形成兩個子細胞當前34頁，總共85頁。當前35頁，總共85頁。當前36頁，總共85頁。植物細胞胞質(zhì)分裂 ◆與動物細胞胞質(zhì)分裂不同的是，植物細胞胞質(zhì)分裂是因為在細胞內(nèi)形成新的細胞膜和細胞壁而將細胞分開當前37頁，總共85頁。當前38頁，總共85頁。三、減數(shù)分裂(Meiosis)◆概念：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◆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。當前39頁，總共85頁?！籼攸c：◆遺傳物質(zhì)只復制一次，細胞連續(xù)分裂兩次，導致染色體數(shù)目減半◆S期持續(xù)時間較長◆同源染色體在減數(shù)分裂期I(MeiosisI)配對聯(lián)會、基因重組◆減數(shù)分裂同源染色體配對排列在中期板上,第一次分列時,同源染色體分開當前40頁，總共85頁。當前41頁，總共85頁。當前42頁，總共85頁。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，稱前減數(shù)分裂或減數(shù)分裂前間期。

S期持續(xù)時間較長只復制DNA總量的99.7%-99.9%

一、間期過程當前43頁，總共85頁。二、分裂期（一）減數(shù)分裂I1、前期I★細線期：染色質(zhì)凝集，單線狀，染色粒，染色體端粒與核膜相連。當前44頁，總共85頁。當前45頁，總共85頁?！锱季€期：

同源染色體配對，形成二價體，此過程同源染色體聯(lián)會，形成聯(lián)會復合體，合成zygDNA當前46頁，總共85頁。偶線期：聯(lián)會復合體當前47頁，總共85頁?！锎志€期：

等位基因之間DNA的重組和交換，形成重組結，P-DNA的產(chǎn)生。當前48頁，總共85頁。雙線期：交叉★雙線期：四分體清晰可見，形成交叉。

★終變期：交叉端化。當前49頁，總共85頁。2、中期I3、后期I4、末期I5、減數(shù)分裂間期在減數(shù)分裂I和II之間的間期很短，不進行DNA的合成（二）減數(shù)分裂II前期II

、中期II、后期II、末期II當前50頁，總共85頁。三、聯(lián)會復合體（SC)減數(shù)分裂偶線期兩條同源染色體之間形成的一種結構，它與染色體的配對，交換和分離密切相關。SC是同源染色體間形成的梯子樣的結構（13-14），SC形成合線期，成熟于粗線期，并存在數(shù)天，消失于雙線期，聯(lián)會復合體的形成與偶線期DNA(Zyg-DNA)有關，在細線期或合線期加入DNA合成抑制劑，則抑制SC的形成。1.定義：2.特點：當前51頁，總共85頁。圖13-14一種昆蟲的聯(lián)會復合體當前52頁，總共85頁。當前53頁，總共85頁。當前54頁，總共85頁。當前55頁，總共85頁。Visibleevidenceofcrossingover當前56頁，總共85頁。一、研究背景

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，產(chǎn)生了形態(tài)各異的早熟凝集染色體(PCC)。G1期PCC為單線狀S期PCC為粉末狀，G2期PCC為雙線染色體。不僅同類M期細胞可以誘導PCC，不同類的M期細胞也可以誘導PCC產(chǎn)生，如人和蟾蜍的細胞融合第二節(jié)細胞周期的調(diào)控(Cell-CycleControl)

當前57頁，總共85頁。圖13-15不同形態(tài)的PCC當前58頁，總共85頁。圖13-19MPF=CDC2+CyclinB

1988年M.J.Lohka純化了爪蟾的MPF，經(jīng)鑒定由CDC2和CyclinB兩種蛋白組成，二者結合可使多種蛋白質(zhì)磷酸化（圖13-19）。當前59頁，總共85頁。MPF的結構組成◆是由兩個不同的亞基組成的異質(zhì)二聚體:●催化亞基▲是絲氨酸/蘇氨酸型蛋白激酶▲其活性有賴于周期蛋白，故蛋白稱為周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentproteinkinases,Cdks);●調(diào)節(jié)亞基：周期蛋白(cyclin)。當前60頁，總共85頁。二、CDKCDC2與細胞周期蛋白結合才具有激酶的活性，稱為細胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependentkinase，CDK)。2.作用：目前發(fā)現(xiàn)的CDK為CDK1、CDK2、CDK3、CDK4、CDK5、CDK6CDK7CDK8。

1.定義：激活的CDK1可將靶蛋白磷酸化而產(chǎn)生相應的生理效應，如將核纖層蛋白磷酸化導致核纖層解體、核膜消失，將H1磷酸化導致染色體的凝縮等,因此，CDK激酶和其調(diào)節(jié)因子又被稱作細胞周期引擎。3.種類當前61頁，總共85頁。三、CKI細胞中還具有細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子（CKI）對細胞周期起負調(diào)控作用。①Ink4，如P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，特異性抑制cdk4·cyclinD1、cdk6·cyclinD1復合物。②Kip：包括P21cip1(cyclininhibitionprotein1)、P27kip1、P57kip2等，能抑制大多數(shù)CDK的激酶活性，P21cip1還能與DNA聚合酶δ的輔助因子PCNA（proliferatingcellnuclearantigen）結合，直接抑制DNA的合成（圖13-21）。1.定義：2.兩大家族：當前62頁，總共85頁。圖13-21P21cip1抑制CDK和PCNA當前63頁，總共85頁。四、Cyclin（周期蛋白）是一種蛋白分子，與周期蛋白依賴性激酶特異結合。

不僅僅起激活CDK的作用，還決定了CDK何時、何處、將何種底物磷酸化，從而推動細胞周期的前進

1.定義：2.作用：3.種類G1周期蛋白：CyclinC、CyclinD、CyclinE和Cln1、Cln2、Cln3M期周期蛋白：CyclinA和CyclinB當前64頁，總共85頁。當MPF活性達到最高時，激活后期促進因子APC，將泛素連接在cyclinB上，導致cyclinB被蛋白酶體降解，完成一個細胞周期（圖13-24）cyclinA、cyclinB與CDK1結合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如將組蛋白H1磷酸化導致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等下游細胞周期事件。cyclinE與CDK2結合，促進細胞通過G1/S限制點而進入S期。R點，START點五、檢驗點：1.G1-S期：2.G2-M期：3.中期-后期：當前65頁，總共85頁。13-24細胞周期調(diào)控點當前66頁，總共85頁。五、M期CDK1的激活

1.M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的積累，隨著M-cyclin的積累，結合周期蛋白的M-CDK（CDK1）增加，但是沒有活性，這是因為Wee1激酶將CDK1的Thr14和Tyr15磷酸化的緣故。2.在M期，一方面Wee1的活性下降，另一方面CDC25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障礙。CDC25可被兩種激酶激活，一是polo激酶，另一個是M-CDK本身。激活的M-CDK還可以抑制它的抑制因子Wee1的活性，形成一個反饋環(huán)，只要有少量的CDK被CDC25或polo激活，立即就會有大量的CDK被活化。3.CDK的激活還需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDKactivatingkinaseCAK)的作用下完成的（圖13-27）當前67頁，總共85頁。圖13-27CDK1的激活需要Thr14和Tyr15去磷酸化和Tyr161的磷酸化

當前68頁，總共85頁。CDK1⊕CAK和⊕Weel/Mik1CDK1周期蛋白B/A⊕Cdc25⊕APC

周期蛋白B/A○周期蛋白B/AThrl14○Tyrl15○pThrl161ppThrl14Tyrl15周期蛋白B/ACDK1Thrl14Tyrl15Thrl161○CDK1激酶活性綜合調(diào)控示意圖p無激酶活性無激酶活性有激酶活性當前69頁，總共85頁。當前70頁，總共85頁。六、分裂中期向后期的轉(zhuǎn)化APC介導選擇性降解的靶蛋白與Ubiquitin結合(通過泛素依賴性途徑降解)·APC主要介導兩類蛋白降解:AnaphaseInhibitors和MitoticCyclin.前者維持姐妹染色單體粘連,抑制后期啟動；后者的降解意味著有絲分裂即將結束，即染色體開始去凝集，核膜重建?！dc20和Mad2蛋白位于動粒上，在染色體結合有絲分裂紡錘體前將不能從動粒上釋放，由于Mad2與Cdc20結合而抑制APC的活性。所以只有所有染色體都與紡錘體結合后，APC才有活性，才啟動細胞向后期轉(zhuǎn)換。當前71頁，總共85頁。泛素由76個氨基酸組成，高度保守，普遍存在于真核細胞，故名泛素。共價結合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識別和降解，這是細胞內(nèi)短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑，泛素相當于蛋白質(zhì)被摧毀的標簽。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。泛素：當前72頁，總共85頁。1.在蛋白質(zhì)的泛素化過程中（圖13-25），E1（泛素激活酶）水解ATP獲取能量，通過其活性位置的半胱氨酸殘基與泛素的羧基末端形成高能硫酯鍵而激活泛素。★泛素降解途徑：2.E1將泛素交給E2（泛素結合酶）3.在E3（泛素連接酶）的作用下將泛素轉(zhuǎn)移到靶蛋白上。參與細胞周期調(diào)控的泛素連接酶至少有兩類，其中SCF（三個蛋白構成的復合體）負責將泛素連接到G1/S期周期蛋白和某些CKI上，APC負責將泛素連接到M期周期蛋白上。4.cyclin隨之被26S蛋白酶體水解成短肽。當前73頁，總共85頁。+E1SHUb+ATPAMPSOE1CUbE2E1SHE3+靶蛋白Lys-NH2+-S-E2CUbOE3靶蛋白E2Lys-S-C-OUbE2UbUbUbLys-S-C-OUbUbUbUb靶蛋白E326SE326S++UbUbUbUb26S蛋白酶體泛素分子降解的靶蛋白當前74頁，總共85頁。圖13-25細胞周期蛋白的降解盒與降解途徑

當前75頁，總共85頁。當前76頁，總共85頁。當前77頁，總共85頁。七、G1/S期轉(zhuǎn)換當前78頁，總共85頁。八、細胞周期運轉(zhuǎn)的阻遏

(細胞周期運轉(zhuǎn)的負調(diào)控)◆細胞至少可通過兩種不同機制阻遏細胞周期的運轉(zhuǎn)：

Cdk抑制蛋白(CDI)阻止Cyclin-Cdk復合物的裝配或活性；周期調(diào)控系統(tǒng)組分停止合成。