第十章 細(xì)胞增殖及其調(diào)控

第十章細(xì)胞增殖及其調(diào)控

細(xì)胞增殖是細(xì)胞生命活動的重要特征之一。細(xì)胞增殖是生物繁育的基礎(chǔ)。成體生物仍然需要細(xì)胞增殖，以彌補代謝過程中的細(xì)胞損失。細(xì)胞增殖受到嚴(yán)密的調(diào)控機制所監(jiān)控。

一細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂二細(xì)胞周期調(diào)控一細(xì)胞周期與細(xì)胞分裂（一）細(xì)胞周期概述（二）有絲分裂（三）減數(shù)分裂（一）細(xì)胞周期概述1細(xì)胞周期2G0期細(xì)胞3細(xì)胞周期檢驗點4細(xì)胞周期研究中常用的細(xì)胞1細(xì)胞周期

從一次細(xì)胞分裂結(jié)束開始，經(jīng)過物質(zhì)積累過程，直到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束為止，稱為一個細(xì)胞周期（cellcycle）。細(xì)胞沿著G1→S→G2→M→G1周期性運轉(zhuǎn)，在間期細(xì)胞體積增大(生長)，在M期細(xì)胞先是核分裂，接著胞質(zhì)分裂，完成一個細(xì)胞周期。細(xì)胞周期圖解2G0期細(xì)胞

根據(jù)增殖狀況，細(xì)胞分類三類

1）連續(xù)分裂細(xì)胞(cyclingcell)2）休眠細(xì)胞(Go期細(xì)胞)3）終末分化細(xì)胞Go期細(xì)胞3細(xì)胞周期檢驗點細(xì)胞周期檢驗點是細(xì)胞周期調(diào)控的一種機制，主要是確保周期每一時相事件的有序、全部完成并與外界環(huán)境因素相聯(lián)系。1）G1期檢驗點酵母——Start；動物細(xì)胞——RestrictionPoint2）G2/M檢驗點細(xì)胞周期檢驗點及其作用細(xì)胞周期檢驗點及其作用R點：在G1期的晚期階段有一個特定時期，如果細(xì)胞繼續(xù)走向分裂，則可以通過這個特定時期，進(jìn)入S期，開始合成DNA,并繼續(xù)前進(jìn)，直到完成細(xì)胞分裂。在芽殖酵母中，個特定時期被稱為起始點。在其他真核細(xì)胞中，這一特定時期稱為限制點（R點），或檢驗點。G2/M檢驗點：在S期，DNA復(fù)制完成后，細(xì)胞即進(jìn)入G2期。通過G2期后，細(xì)胞即進(jìn)入M期。但細(xì)胞能否順利地進(jìn)入M期，要受到G2期檢驗點的控制。G2期檢驗點要檢查DNA是否完成復(fù)制，細(xì)胞是否已生長到合適大小，環(huán)境因素是否利于細(xì)胞分裂等。只有當(dāng)所有有利于細(xì)胞分裂的因素得到滿足后，細(xì)胞才能順利實現(xiàn)從G2期向M期的轉(zhuǎn)化。細(xì)胞周期中的檢驗點4細(xì)胞周期研究中常用的細(xì)胞

（1）HeLa細(xì)胞（2）非洲爪蟾卵細(xì)胞（3）酵母細(xì)胞（1）HeLa細(xì)胞目前世界上許多實驗室所廣泛傳用的HeLa細(xì)胞系是1951年從一位名叫Henrietta

Lacks的黑人婦女身上取下的宮頸癌細(xì)胞培養(yǎng)而成。此細(xì)胞系一直延用至今。HeLa細(xì)胞是有關(guān)哺乳類尤其是人類細(xì)胞生物學(xué)實驗研究的基本材料。（2）非洲爪蟾卵細(xì)胞

非洲爪蟾的卵母細(xì)胞體積大（直徑約1mm）、數(shù)量多,易于顯微操作,還可制成具有生物活性的無細(xì)胞體系,易于生化分析,在發(fā)育生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)研究中具有不可替代的作用。非洲爪蟾的卵母細(xì)胞發(fā)育過程可以分為6個階段，即Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ期。第Ⅰ至Ⅳ期為卵母細(xì)胞生成和生長階段。在這段時期內(nèi)，卵細(xì)胞積累了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，基本可以滿足早期胚胎發(fā)育的物質(zhì)需求。第Ⅳ期卵母細(xì)胞達(dá)到一定體積，停止生長，等待成熟。此時的卵母細(xì)胞處于第一次減數(shù)分裂期前期階段，含有一個體積較大的細(xì)胞核，稱為生發(fā)泡。卵母細(xì)胞成熟需要雌性激素孕酮的刺激。在孕酮作用下，卵母細(xì)胞向Ⅴ和Ⅵ期轉(zhuǎn)化，生發(fā)泡破裂，染色體凝集，進(jìn)行第一次減數(shù)分裂，然后立即進(jìn)行第二次減數(shù)分裂，并停留在分裂中期，即為成熟的卵母細(xì)胞（第Ⅵ期卵細(xì)胞）。卵細(xì)胞受精后，形成受精卵，很快開始卵裂。非洲爪蟾卵細(xì)胞蛙的胚胎發(fā)育處于第六期的爪蟾卵母細(xì)胞（RD前期I）具GV（3）酵母細(xì)胞酵母細(xì)胞的細(xì)胞周期與標(biāo)準(zhǔn)的細(xì)胞周期相似，也包括G1期、S期、G2期和M期等4個時期。而且參與細(xì)胞周期調(diào)控的基因與高等生物的也基本相同。酵母細(xì)胞周期至少有下面三個特點：1）酵母細(xì)胞周期持續(xù)時間較短，大約為90min。2）和許多單細(xì)胞生物一樣，細(xì)胞分裂過程屬于封閉式，即在細(xì)胞分裂時，細(xì)胞核核膜不解聚，與細(xì)胞核分裂直接相關(guān)的紡綞體不是在細(xì)胞質(zhì)中，而是位于細(xì)胞核內(nèi)。3）在一定的環(huán)境因素下，酵母細(xì)胞也可進(jìn)行有性繁殖。進(jìn)行細(xì)胞周期調(diào)控研究的酵母主要包括兩種，即芽殖酵母和裂殖酵母。芽殖酵母芽殖酵母以出芽方式進(jìn)行分裂，因而很易在生活狀態(tài)下觀察細(xì)胞周期進(jìn)程。細(xì)胞在G1期呈卵圓型，含有一個細(xì)胞核，基因組為單倍體。細(xì)胞周期起始點位于G1期的后期階段。起始點過后，細(xì)胞馬上開始出芽。細(xì)胞出芽后，很快便進(jìn)入S期，開始DNA復(fù)制，同時，紡綞體開始裝配。酵母的紡綞體裝配與S期DNA提制同時進(jìn)行，而不是在DNA復(fù)制之后。細(xì)胞分裂為不等分裂，即生成的兩個細(xì)胞體積不等，以芽體逐漸形成的子細(xì)胞體積較小。芽殖酵母生活史裂殖酵母G1期裂殖酵母細(xì)胞為短棒狀。與芽殖酵母相比，其細(xì)胞周期的特點是：1)分裂起始點無明顯的形態(tài)學(xué)標(biāo)志。2)細(xì)胞分裂為均等分裂。3)細(xì)胞生長僅是細(xì)胞長度的增加，細(xì)胞直徑保持不變。裂殖酵母生活史

（二）有絲分裂

1與有絲分裂直接相關(guān)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)2有絲分裂過程中染色體分離的動力機制1與有絲分裂直接相關(guān)的亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)

1)中心體2)動粒3)紡綞體1)中心體中心體是一種與微管裝配和細(xì)胞分裂密切相關(guān)的細(xì)胞器。在間期細(xì)胞中，微管圍繞中心體裝配，如同星光向四周輻射，因而，中心體與四射的微管合稱為星體。中心體在G1期末開始復(fù)制，到S期時，細(xì)胞中已經(jīng)含有一對中心體。等到G2期，一對中心體開始分離，并各自向細(xì)胞的兩極移動，參與裝配紡綞體。前期開始分開的星體2)動粒每條中期染色體上含有兩個動粒，分別位于著絲粒的兩側(cè)。細(xì)胞分裂后，兩個動粒分別被分配到兩個子細(xì)胞中。當(dāng)細(xì)胞再次進(jìn)入S期后，動粒又會重新復(fù)制。染色體依靠動粒捕捉由紡綞體極體發(fā)出的微管。沒有動粒的染色體不能與紡綞體微管發(fā)生聯(lián)系，也不能和其它染色體一起向兩極運動。

3)紡綞體

組成紡綞體的微管可以分為三種類型：①動粒微管：正極與動粒相連，負(fù)責(zé)將染色體牽引到紡錘體上，其上具有動力蛋白；②極微管：正極于赤道面處相互搭橋而重疊，重疊部位結(jié)合有驅(qū)動蛋白，負(fù)責(zé)將兩極推開；③星體微管：由中心體向外放射出，末端結(jié)合有動力蛋白，負(fù)責(zé)兩極的分離，同時確定紡錘體縱軸的方向。

紡綞體的形成及兩極的動運：中心體分離時，負(fù)向（－）運動的動力蛋白在來自姐妹中心體的微管之間搭橋，通過向負(fù)極運動，將被結(jié)合的微管牽拉在一起，組成紡綞體微管，此時中心體也自然形成了紡綞體的兩極。這一過程稱為中心體列隊。正向（＋）運動的驅(qū)動蛋白在紡綞體微管之間搭橋，借助向微管正極運動，將紡綞體拉長，中心體之間的距離逐漸加大。當(dāng)紡綞體拉長到一定程度后，負(fù)向運動的動力蛋白在細(xì)胞膜和星體微管之間搭橋，借助負(fù)向運動，將星體拉近兩極的細(xì)胞膜，紡綞體也進(jìn)一步被拉長。紡綞體兩極的形成紡綞體微管種類及作用2有絲分裂過程中染色體

分離的動力機制1）染色體列隊2）染色體分離1）染色體列隊染色體列隊是指染色體排列在赤道面上的過程，是有絲分裂中的重要事件之一，也是啟動染色體分離并向兩個子細(xì)胞中平均分配的先決條件。研究發(fā)現(xiàn)，至少有數(shù)種蛋白質(zhì)與染色體列隊直接相關(guān)，其中首要的兩組蛋白質(zhì)稱為Mad蛋白和Bub蛋白。Mad蛋白和Bub蛋白可以使動粒敏化，促使微管與動粒接觸。當(dāng)染色體上的兩個動粒被微管捕捉后，動粒微管的牽拉或星體對染色體的外推最終將染色體排列在赤道上。動粒微管力的平衡使染色體排列于赤道面上2）染色體分離

當(dāng)染色體排列到赤道板上后，染色單體分離并開始向兩極移動。關(guān)于運動的機制，目前認(rèn)為分后期A和后期B兩個階段。后期A：微管動力蛋白首先結(jié)合到動粒上，由ATP提供能量，沿動粒微管向負(fù)極部即（—）極運動，并帶動動粒和染色單體向極部運動，動粒微管末端隨之降解。當(dāng)染色單體接近兩極，后期A結(jié)束。后期B：極微管加長，形成較寬的極微管重疊區(qū)。驅(qū)動蛋白與重疊區(qū)微管結(jié)合并向微管正極行走，使重疊區(qū)逐漸變狹窄，兩極之間的距離逐漸變長。同時，胞質(zhì)動力蛋白在星體微管和細(xì)胞膜之間搭橋，并向星體微管負(fù)極運動，進(jìn)一步將兩極之間的距離拉長。從而最終將染色體拉向兩極。染色體分向兩極的后期A和B過程染色體分向兩極的后期B過程馬達(dá)蛋白和微管系統(tǒng)協(xié)作使染色體分向兩極（三）減數(shù)分裂

1聯(lián)會與聯(lián)會復(fù)合體2Z-DNA和P-DNA1聯(lián)會(synapsis)與聯(lián)會復(fù)合體（SC）在減數(shù)分裂前期的偶線期，同源染色體配對的過程稱為聯(lián)會。聯(lián)會初期，同源染色體端粒與核膜相連的接觸斑相互靠近并結(jié)合。從端粒處開始，這種結(jié)合不斷向其它部位延伸，直到整對同源染色體的側(cè)面緊密聯(lián)會。在聯(lián)會的部位形成一種特殊復(fù)合結(jié)構(gòu)，稱為聯(lián)會復(fù)合體（synaptonemalcomplex,SC)。聯(lián)會復(fù)合體沿同源染色體長軸分布，寬約1.5～2μm，由位于中間的中央成分和位于兩側(cè)的側(cè)成分共同構(gòu)成。側(cè)成分的外側(cè)為配對的同源染色體。在SC的中央?yún)^(qū)域有時會出現(xiàn)一些棒狀的重組結(jié)，結(jié)構(gòu)及功能不清楚。SC于偶線期開始形成，與偶線期DNA(Zyg-DNA)的合成有關(guān)，成熟于粗線期，并存在數(shù)天，消失于雙線期?，F(xiàn)在一般認(rèn)為SC的形成晚于基因重組的啟動，與同源染色體間交換的完成有關(guān)。

聯(lián)會復(fù)合體圖解重組結(jié)示意圖2Z-DNA和P-DNA減數(shù)分裂的偶線期，會合成在S期未合成的約0.3％的DNA。這些DNA稱為偶線期DNA或Z-DNA。Z-DNA偶線期轉(zhuǎn)錄活躍，被認(rèn)為與同源染色體配對有關(guān)。而在粗線期，也合成一小部分尚未合成的DNA，稱為P-DNA。P-DNA編碼一些與DNA點切和修復(fù)有關(guān)的酶類。二細(xì)胞周期調(diào)控（一）細(xì)胞周期調(diào)控研究概況（2001年生理學(xué)諾獎）；（二）MPF復(fù)合物的發(fā)現(xiàn)；（三）細(xì)胞分裂周期調(diào)控基因－cdc；（四）周期蛋白(cyclin)；（五）周期蛋白依賴性蛋白激酶－CDK；（六）細(xì)胞周期運轉(zhuǎn)調(diào)控。（一）細(xì)胞周期調(diào)控研究概況

（2001年生理學(xué)諾獎）1LelandHartwell(利蘭·哈特韋爾，美國西雅圖的弗雷德·哈欽森癌癥研究中心,以芽殖酵母為材料因發(fā)現(xiàn)了控制細(xì)胞周期的一類特異基因而受獎。其中一個叫“啟動器”（start）的基因（基因cdc28）對控制每個細(xì)胞周期的初始階段具有主要作用。哈特韋爾還引入了一個概念“檢驗點”（checkpoint)。2PaulNurse（保羅·納斯，在英國帝國癌癥研究基金工作，以裂殖酵母為實驗材料克隆并闡述了細(xì)胞周期的一個關(guān)鍵調(diào)節(jié)物質(zhì)－細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶（cyclindependentkinase，CDK）（基因cdc2）。他發(fā)現(xiàn)CDK的功能在進(jìn)化中被很好的保存了下來。CDK通過對其它蛋白質(zhì)的磷酸化來驅(qū)動細(xì)胞周期運轉(zhuǎn)。

3TimothyHunt(蒂莫西·亨特)，在英國帝國癌癥研究基金工作，他的貢獻(xiàn)是從海膽卵中發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期蛋白（cyclins）（一類調(diào)節(jié)CDK功能的蛋白質(zhì))。2001年獲生理學(xué)諾獎的三位科學(xué)家細(xì)胞分裂調(diào)控早期的研究是在三個不同的領(lǐng)域中進(jìn)行的①以兩棲類卵母細(xì)胞及哺乳類培養(yǎng)細(xì)胞為材料發(fā)現(xiàn)了MPF。②以芽殖酵母和裂殖酵母為研究對象發(fā)現(xiàn)了周期蛋白依賴性蛋白激酶－CDK。③以海膽卵細(xì)胞為研究對象發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期蛋白－cyclin。

多年來，在上述三個領(lǐng)域的研究中，互相之間并沒有聯(lián)系起來，直到1988年，M.J.Lohka（日本人）純化了爪蟾的MPF，經(jīng)鑒定由p32和p45兩種蛋白組成，二者結(jié)合可使多種蛋白質(zhì)磷酸化。后來PaulNurse（1990）進(jìn)一步的實驗證明p32實際上是CDC2的同源物，而p45是cyclinB的同源物，從而最終將細(xì)胞周期三個領(lǐng)域的研究聯(lián)系在一起。即MPF由p34cdc2(cdc2基因的產(chǎn)物)和周期蛋白B(cyclinB，cdc13的產(chǎn)物)組成。（二）MPF復(fù)合物的發(fā)現(xiàn)11960s，YoshioMasui（日本人）發(fā)現(xiàn)成熟蛙卵的提取物能促進(jìn)未成熟卵的生發(fā)泡破裂(GerminalVesicleBreakdown，GVBD)，證明成熟蛙卵中有促使染色體凝集的物質(zhì)。21970年，Colorado(美國西部的科羅拉多州)大學(xué)的R.T.Johnson和P.N.Rao(日本人)將M期的Hela細(xì)胞與其他種類的間期細(xì)胞融合。發(fā)現(xiàn)不同時期的間期細(xì)胞（如G1、S、G2期細(xì)胞）產(chǎn)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)。M期細(xì)胞可以誘導(dǎo)PCC，后來的大量實驗證實，誘導(dǎo)PCC沒有種族屏障。（JohnsonRT,RaoPN.Mammaliancellfusion:inductionofprematurechromosomecondensationininterphasenuclei.Nature,1970,226:717-792.）31971年，Masui（日本人）和Markert用孕酮處理未成熟的非洲爪蟾卵母細(xì)胞令其成熟，然后將其胞質(zhì)顯微注射到另一個未成熟的卵母細(xì)胞中，結(jié)果導(dǎo)致后者成熟，而誘導(dǎo)成熟的卵母細(xì)胞的胞質(zhì)又可使第三個未成熟的卵母細(xì)胞成熟。他們將此種活性因子稱為成熟促進(jìn)因子或M期促進(jìn)因子。從而明確提出了MPF概念。G1期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合S期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合G2期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合人M期細(xì)胞與袋鼠（Ptk）G1、S、G2期細(xì)胞融合誘導(dǎo)PCC：提示M期細(xì)胞存在誘導(dǎo)PCC的因子注射實驗表明：孕酮誘導(dǎo)卵母細(xì)胞成熟；成熟卵細(xì)胞質(zhì)中，含有卵母細(xì)胞成熟的因子，稱做MPF。MPF的結(jié)構(gòu)（三）細(xì)胞分裂周期調(diào)控基因－cdc①1960s，華盛頓大學(xué)的LelandHartwell（哈特韋爾）以芽殖酵母為實驗材料，利用阻斷在不同細(xì)胞周期階段的溫度敏感突變株（在適宜的溫度下和野生型一樣），分離出了幾十個與細(xì)胞分裂有關(guān)的基因(celldivisioncyclegene，cdc)。如芽殖酵母的cdc28基因的突變使細(xì)胞停留在晚G1期DNA復(fù)制前的“start”位點，而且在G2/M轉(zhuǎn)換點也發(fā)揮重要功能。Hartwell還通過研究酵母菌細(xì)胞對放射線的感受性，提出了checkpoint（細(xì)胞周期檢驗點）的概念（因為DNA受到損傷后，細(xì)胞不能通過G2/M檢驗點）。②1970s，PaulNurse（納斯）等人以裂殖酵母為實驗材料，同樣發(fā)現(xiàn)了許多細(xì)胞周期調(diào)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；進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)cdc2和cdc28序列有69％的同源性，都可編碼一個34KD的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。cdc2的蛋白稱為p34cdc2，cdc28的蛋白稱為p34cdc28，前者在裂殖酵母細(xì)胞周期調(diào)控中起著關(guān)鍵性的作用，而后者在芽殖酵母細(xì)胞周期調(diào)控中起著關(guān)鍵性的作用。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)，不管是cdc2，或是cdc28，其本身并不具有激酶活性，只有當(dāng)其與有關(guān)蛋白(p56cdc13)結(jié)合后，其激酶活性才能表現(xiàn)出來。③1987年，PaulNurse（納斯）又從人類細(xì)胞中分離到了cdc2的同源物。（四）周期蛋白(cyclin)1983年，英國TimothyHunt（亨特）首次發(fā)現(xiàn)海膽卵受精后，在其卵裂過程中兩種蛋白質(zhì)的含量隨細(xì)胞周期劇烈振蕩，在每一輪間期開始合成，G2/M時達(dá)到高峰，M結(jié)束后突然消失，下輪間期又重新合成，故命名為周期蛋白(cyclin)。根據(jù)它們序列上的細(xì)微差別分別稱為cyclinA和cyclinB。后來證明，這兩種蛋白廣泛存在于從酵母到人類等各種真核生物中。進(jìn)一步研究證明，周期蛋白為誘導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入M斯所必需。而且，各種生物之間的周期蛋白在功能上有著廣泛的互補性。周期蛋白的類型、分子特征及降解周期蛋白的類型到目前為止，人們已經(jīng)從不同物種中發(fā)現(xiàn)了多種周期蛋白，分別在細(xì)胞的不同分裂時期起調(diào)控作用。1裂殖酵母中的周期蛋白：Cdc13、Cig1和Cig2等。2芽殖酵母的周期蛋白：Cln1、Cln2、Cln2、Clb1、Clb2、Clb3、Clb4、Clb5和Clb6等。3高等動物的周期蛋白：A、B、C、D、E、F、G和H等。Cyclin的周期性變化周期蛋白的分子特征1周期蛋白框由100個左右的氨基酸殘基組成，可介導(dǎo)周期蛋白與CDK的結(jié)合。

2破壞框序列M期周期蛋白分子的近N端含有一段稱為破壞框的序列。破壞框主要參與由泛素介導(dǎo)的周期蛋白A和B的降解。G1期周期蛋白分子中不含破壞框，但C端含有一段特殊的PEST序列與其降解有關(guān)。周期蛋