細胞生物學15.ppt

1、第十二章細胞增殖及其調(diào)控，第一節(jié)細胞周期和細胞分裂，二、細胞分裂(三)減數(shù)分裂的概念：減數(shù)分裂是一種特殊的有絲分裂形式，僅發(fā)生在有性生殖細胞形成過程的某個階段。 減數(shù)分裂的主要特征是細胞只進行一次DNA復制，然后進行兩次分裂。 1、減數(shù)分裂前的期間、減數(shù)分裂前的期間也可以分為G1期、s期和G2期，G1期和s期在體外培養(yǎng)麝香百合的花粉母細胞，發(fā)現(xiàn)細胞有絲分裂，G2末期的細胞在體外培養(yǎng)則進行減數(shù)分裂，G2期顯示了有絲分裂轉(zhuǎn)化為減數(shù)分裂的關(guān)鍵時期。 s期持續(xù)時間長，也會發(fā)生一系列與減數(shù)分裂相關(guān)的特殊事件。 減數(shù)分裂前期的s期只復制其DNA總量的997999，剩下的0103必須復制到減數(shù)分裂前的階段。

2、 2、減數(shù)分裂過程，1 )減數(shù)分裂期(1)前期持續(xù)時間長，進行染色體配對和基因重組，合成一定量的RNA和蛋白質(zhì)。 可以人為地將前期I劃分為細線期、偶線期、粗線期。 雙線期、終變期等5個階段。細線期： 1染色質(zhì)凝聚2細纖維樣染色體上出現(xiàn)一系列大小不同的顆粒狀結(jié)構(gòu)，稱為染色粒。 3染色體端粒通過接觸斑與核膜相連(花束期)。 偶線期： 1主要發(fā)生相同染色體對(配對期)形成聯(lián)合會復合體。 2s期未合成的約03個DNA (偶線期DNA，即zygDNA)zygDNA轉(zhuǎn)錄被認為與同源染色體對有關(guān)，聯(lián)合會復合體的結(jié)構(gòu)a :側(cè)生成分、中央成分、L-C纖維、圖示重組鍵和同源染色體的姐妹染色單體b :在電子顯微鏡下

3、聯(lián)合會復合體粗線期： 1染色體進一步濃縮，在2個等位基因之間發(fā)生部分DNA片段的交換和重組，產(chǎn)生了新的等位基因組合。 3合成一部分未合成的DNA，稱為P DNA。 PDNA編碼與DNA的切點和修復有關(guān)的酶類。 4合成減數(shù)分裂期特有的組蛋白，置換體細胞型組蛋白的一部分或全部。 5粗線期還發(fā)生rDNA放大。 雙線期： 1同源染色體多少發(fā)生脫聚，RNA轉(zhuǎn)錄活躍。 雙線期的持續(xù)時間一般較長，其長度變化較大。 終變期： 1染色體再次開始凝聚，形成短棒狀結(jié)構(gòu)的24分體比較均勻地分布于細胞核，3交叉轉(zhuǎn)移到染色體臂的端部(末端化)，(2)中期I:4分體逐漸向赤道方向移動，最終排列于赤道面。 (3)后期I :同

4、源染色體對相互分離向兩極移動(4)末期I，細胞質(zhì)分裂I和減數(shù)分裂期，2 )第二次減數(shù)分裂，第二次減數(shù)分裂過程與有絲分裂過程非常相似。 即分裂前期、中期、后期、末期和細胞質(zhì)分裂等幾個過程。 各過程中細胞形態(tài)的變化也與有絲分裂過程類似。減數(shù)分裂和有絲分裂的比較、第二節(jié)細胞周期的調(diào)控，為了有序地推進細胞周期這一生命增殖過程，在細胞內(nèi)發(fā)展了一系列的調(diào)控機制。 近十年來，細胞周期調(diào)控研究取得了許多劃時代的進展，2001年10月8日美國人Leland Hartwell、英國人Paul Nurse、Timothy Hunt因細胞周期調(diào)控機制的研究而獲得諾貝爾生理醫(yī)學獎。 另一方面，MPF的發(fā)現(xiàn)及其作用，Ra

5、o和Johnson (1970，1972，1974 )將Hela細胞同步到不同的階段，然后與m期細胞混合，通過仙臺病毒誘導細胞融合，發(fā)現(xiàn)與m期細胞融合的間期細胞產(chǎn)生的PCC )，將這一現(xiàn)象作為早熟染色體凝集(prr不僅同種m期細胞，異種m期細胞也可誘導PCC產(chǎn)生，在人與蟾蜍細胞融合時也有同樣的效果，這是m期細胞促進某種間期細胞分裂的因子，即成熟促進因子(maturation promoting factor，MPF ) 含有蛋白質(zhì)的MPF被發(fā)現(xiàn)后，許多學者著手對其進行純化，1988年，Lohka得到了純化MPF，證明主要含有p32和p45兩種蛋白質(zhì)，這兩種蛋白質(zhì)結(jié)合后，顯示蛋白激酶的活性，多因

6、此，證明是蛋白激酶。MPF的結(jié)構(gòu)組成、二、p34cdc2激酶的發(fā)現(xiàn)與MPF的關(guān)系、Leland Hartwell、Paul Nurse等分別以芽殖酵母和裂殖酵母為實驗材料，分離得到數(shù)十個溫度敏感變異體(適宜溫度下與野生型相同)。 細胞分裂相關(guān)的cdc基因(cell division cycle gene )被分離出幾十個，人們根據(jù)發(fā)現(xiàn)cdc的優(yōu)先順序等對這些基因進行命名。 例如，存在cdc2、cdc25、cdc28等。 cdc2基因是首先分離的cdc基因，由于其突變，細胞停留在G2/M邊界，其表達產(chǎn)物是相對分子量為341000的蛋白，稱為p34cdc2，因其具有蛋白激酶活性，稱為p34cdc2

7、激酶，是裂殖酵母細胞周期調(diào)控過程進一步研究表明，p34cdc2激酶和MPF可能是作用相同的物質(zhì)。 三、周期蛋白的發(fā)現(xiàn)，自1983年Timothy Hunt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)的含量隨細胞周期激烈振蕩，在各周期開始合成，以G2/M達到峰值，m結(jié)束后突然消失，為下一個周期再合成在短短的10年內(nèi)，人們從各種生物體中克隆分離出幾十種周期蛋白質(zhì)，這些周期蛋白質(zhì)在細胞周期中的表達時期不同，所執(zhí)行的功能也多種多樣。 一般分為G1期周期蛋白(周期蛋白c、d、e等)和m期周期蛋白(周期蛋白a、b等)。 各周期蛋白質(zhì)均包含相當保守的氨基酸序列，稱為周期蛋白質(zhì)框，周期蛋白質(zhì)框通過周期蛋白質(zhì)

8、與CDK的結(jié)合，不同的周期蛋白質(zhì)框識別不同的CDK，構(gòu)成不同的周期蛋白質(zhì)CDK復合體，顯示不同的CDK激酶活性。 m周期蛋白的n末端有與分解相關(guān)的序列，被稱為分解盒。 MPF活性最高時，泛素連接酶催化泛素和cyclin的結(jié)合，cyclin被26S蛋白質(zhì)組水解。 G1周期蛋白質(zhì)也用同樣的方法分解，但其n端沒有分解箱，c端有PEST序列，與其分解有關(guān)。 四、CDK激酶和CDK激酶抑制物，CDK :周期蛋白依賴性蛋白激酶。 一種蛋白激酶，含有特征性的絲氨酸/蘇氨酸，不與細胞周期蛋白結(jié)合，是一種具有激酶活性的蛋白激酶，通過磷酸化多種與細胞周期相關(guān)的蛋白質(zhì)，調(diào)控細胞周期的全過程。 含有CDK1-CDK8

9、，各自在細胞周期具有不同的調(diào)節(jié)作用。 CAK :CDK激活激酶，進一步磷酸化結(jié)合了周期蛋白質(zhì)的CDK分子，提高CDK的活性。 在細胞中，細胞周期依賴激酶抑制因子(CDK inhibitor，CDKI )對細胞周期發(fā)揮負調(diào)控作用，迄今發(fā)現(xiàn)了分為CIP/KIP家族和INK4家族的多種CDKI。 四、細胞周期運行調(diào)控目前公認，CDK對細胞周期發(fā)揮核心調(diào)控作用，不同種類的周期蛋白質(zhì)與不同種類的CDK結(jié)合構(gòu)成不同的CDK激酶，不同的CDK激酶在細胞周期中的不同時期顯示活性，調(diào)節(jié)細胞周期的不同時期。 在1G1期主要作用于G1期的cyclin-CDK復合體由G1期周期蛋白d、e和以CDK2、CDK4、CDK

10、6為主的激酶鍵組成，這些復合體可以使晚G1期的細胞超過G1/S限制點轉(zhuǎn)化為s期。 cyclinD首先在細胞中大量合成，CDK4、CDK6與其結(jié)合，通過激酶活性激活細胞中的某些轉(zhuǎn)錄因子。G1期末期cyclinE逐漸合成、積累，與CDK2結(jié)合，在G1/S轉(zhuǎn)換點cyclinE和CDK2復合體的活性最高，細胞中其他轉(zhuǎn)錄因子被激活，從而啟動DNA復制相關(guān)基因的表達，產(chǎn)生一系列DNA合成所需的酶和蛋白質(zhì)，細胞轉(zhuǎn)化為s 同時，G1期的cyclin-CDK復合體通過磷酸化s期的cyclin-CDK復合體抑制蛋白Sic1，并使其在泛素化途徑中分解，恢復s期的cyclin-CDK活性，重新具有對DNA合成的誘導能

11、力，G1期進一步轉(zhuǎn)化為s期并結(jié)合CDK4、CDK6，磷酸化下游蛋白質(zhì)，例如Rb，釋放轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進cyclinE、a和編碼CDK1基因等多種基因的轉(zhuǎn)錄。 在G1-S期，cyclinE與CDK2結(jié)合，促進細胞通過G1/S限制點進入s期。 向細胞內(nèi)注射CyclinE的抗體使細胞在g-1期停滯，明確了細胞進入s期需要CyclinE的參與。s期抑制子分解控制G1期向s期的轉(zhuǎn)移模式圖，2S期細胞進入s期后，cyclinD/E-CDK復合體中的cyclin分解，形成cyclinA-CDK復合體。 由于cyclinD/E的分解是不可逆的，因此進入s期的細胞不能逆轉(zhuǎn)為G1期。 cyclinacdk復合體

12、是s期最主要的cyclin-CDK復合體，可以啟動DNA的復制，阻止復制的DNA的再復制。 發(fā)現(xiàn)將CyclinA的抗體注入細胞內(nèi)，可以抑制細胞的DNA合成，推測CyclinA在DNA復制中是必要的。 3G2期進入G2期后，cyclinB合成，G2末期與CDK1結(jié)合形成cyclin B-CDK復合體(MPF )，MPF在促進從G2期向m期的轉(zhuǎn)換上發(fā)揮重要作用，是促進m期啟動的調(diào)控因子。 與cyclinB結(jié)合之初，CDK1經(jīng)常處于磷酸化狀態(tài)，這是因為Wee1、CAK基因的表達產(chǎn)物使CDK1激酶上的第14位蘇氨酸(Thr14 )、第15位酪氨酸(Tyr15 )、第161位蘇氨酸(Thr161 )變化

13、了G2/M cdc25基因的表達產(chǎn)物(蛋白磷酸酶)可水解CDK1激酶上Tyr15或Thr14的磷酸基，激活CDK1激酶。 活化的CDK1激酶引起細胞分裂相關(guān)蛋白質(zhì)的磷酸化，如核纖維層蛋白的磷酸化、核纖維層蛋白的溶解和引起核膜崩解的組蛋白H1被磷酸化，染色體凝聚的微管蛋白被磷酸化，引起細胞骨架的復合MPF的激酶活性控制模式圖顯示，4M期進入m期中期后，cyclinA和b迅速分解，CDK1激酶活性喪失，被上述CDK1激酶磷酸化的蛋白質(zhì)脫磷酸化，細胞周期從m期中期轉(zhuǎn)化為后期。 m期周期蛋白質(zhì)的分解是通過分裂后期促進因子APC經(jīng)泛素化途徑實現(xiàn)的。 泛素是真核細胞內(nèi)約76個氨基酸的一種小分子蛋白，可以與

14、磷酸化的cyclinB相連接。 之后，由泛素依賴的蛋白質(zhì)組學將泛素與cyclinB一起分解，由于cyclinB的分解，CDK1激酶失去調(diào)節(jié)亞基而失活，并且被磷酸化，細胞處于靜止期(G0期)。 隨后，當合成了新的周期蛋白d時，細胞又開始新的環(huán)狀細胞周期。 當ATP供給能量時，泛素的c末端與泛素活化酶E1的半胱氨酸殘基共價鍵合，形成E1泛素復合體。 E1泛素復合物使泛素轉(zhuǎn)移到另一個泛素結(jié)合酶E2。 e-2可以使泛素直接轉(zhuǎn)移到靶蛋白的賴氨酸殘基上。 同時，泛素在泛素蛋白連接酶(即APC )的催化下，下一個泛素分子與前一個泛素分子的賴氨酸殘基結(jié)合，形成一個多泛素鏈。 然后，泛素化的目標蛋白質(zhì)被分子量2

15、6S的被稱為蛋白質(zhì)組學的復合體階段性分解，多蛋白被分解為單一蛋白質(zhì)分子，開始新的蛋白質(zhì)分解活動。26S蛋白質(zhì)組學是大型的蛋白質(zhì)組學，可以將泛素化的蛋白質(zhì)分解成短肽。5 .細胞周期運行的監(jiān)測系統(tǒng)細胞分裂，必須正確復制DNA，達到一定的體積，在得到充分的物質(zhì)支持分裂之前，細胞不能分裂。 細胞周期的運行是在被稱為一系列檢查點(check point )的嚴格檢查控制下進行的，一旦DNA發(fā)生損傷，復制就不完整，紡錘體就不能正常形成，周期被切斷。 只有故障修復后，才允許細胞周期進一步運行。 包括DNA損傷檢測點、未復制DNA檢測點、紡錘體組裝檢測點、染色體分離檢測點等。 細胞通過這些檢查點，就能完成細胞

16、周期。 六、其他內(nèi)在和外在因素在細胞周期調(diào)控中的作用，1、癌基因、抑癌基因和抑癌基因是細胞生命活動所必需的基因，其表達產(chǎn)物對細胞的增殖和分化發(fā)揮著重要的調(diào)控作用。 癌基因的異常表達會導致細胞轉(zhuǎn)化、增殖過程異常，甚至癌變。 抑癌基因表達產(chǎn)物對細胞增殖起負調(diào)節(jié)作用，如P53、Rb等。 P53基因突變會大大增加細胞癌變的機會。 2、外在因素對細胞周期調(diào)控的作用、離子輻射、化學物質(zhì)作用、病毒感染、溫度變化、pH變化等。 當離子輻射引起細胞DNA損傷時，細胞啟動DNA損傷修復控制系統(tǒng)，抑制細胞周期的運行。 有的能通過病毒感染抑制細胞周期，有的能誘導細胞轉(zhuǎn)化和癌變。 復習有關(guān)細胞周期的重要概念，MPF :卵泡成熟促進因子、細胞分裂促進因子、m期促進因子。 蛋白激酶(實際為CDK1)，主要包括cdc2蛋白和周期蛋白兩種蛋白，在細胞調(diào)控中起著重要作用。 cdc基因(cell division cycle gene ) :與細胞分裂周期和細胞周期調(diào)控相關(guān)的基因。 p34cdc2激酶： cdc2的表達產(chǎn)物與相關(guān)蛋白結(jié)合，具有蛋白激酶活性，即CDK1激酶，促進G2/M的轉(zhuǎn)換。 周期蛋白(cyclin ) :一種參與細胞周期調(diào)控的蛋白，具有周期蛋白框架，與不同的CDK結(jié)合，調(diào)節(jié)不同的CDK激酶活性。CDK :周期