cellcycle第十三章細(xì)胞周期

1、CELL CYCLE,第十三章 細(xì)胞周期,細(xì)胞增殖是生命的基本特征。初生嬰兒1012個(gè)細(xì)胞，成人1014個(gè)，約200種類型。成人每秒鐘有數(shù)百萬新細(xì)胞產(chǎn)生。一個(gè)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。,第一節(jié) 基本概念,MAJOR CONCEPTS,一、什么是細(xì)胞周期,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。分為：G1期(gap1)，分裂完成到DNA復(fù)制之前。S期(synthesis ph

2、ase)，DNA復(fù)制階段。G2期(gap2)，DNA復(fù)制完成到分裂之前。M期，又稱D期，分裂開始到結(jié)束。,Eucaryotic Cell Cycle,A typical mammalian cell has a cell cycle time of 24 hours, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M,根據(jù)細(xì)胞周期可將高等動(dòng)物細(xì)胞分為3類：①連續(xù)分裂細(xì)胞，如表皮生發(fā)層、骨

3、髓干細(xì)胞。②休眠細(xì)胞，暫不分裂，適當(dāng)刺激下可重新進(jìn)入細(xì)胞周期，稱G0期細(xì)胞，如淋巴細(xì)胞、肝、腎細(xì)胞等。③不分裂細(xì)胞，又稱終端細(xì)胞，不再分裂，如神經(jīng)、肌肉、多形核細(xì)胞等。,二、細(xì)胞周期時(shí)間的測(cè)定,G1期差異較大，M期最短，約0.5～4.5小時(shí)。周期長短與物種/細(xì)胞類型有關(guān)。測(cè)定方法：標(biāo)記有絲分裂百分率法（PLM），用3H TDR對(duì)測(cè)定細(xì)胞脈沖標(biāo)記、定時(shí)取材，通過統(tǒng)計(jì)標(biāo)記有絲分裂細(xì)胞百分?jǐn)?shù)來測(cè)定細(xì)胞周期。,T,PLM,常以（TG2+

4、1/2TM）-TG2的方式求出TM,,三、細(xì)胞同步化,（一）自然同步化1. 多核體：粘菌、瘧原蟲。2 . 水生動(dòng)物受精卵：海膽、兩棲類。3. 增殖抑制解除后的同步分裂：真菌休眠孢子。,（二）人工同步化,1. 選擇同步化1）有絲分裂選擇法優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，同步化程度高，細(xì)胞不受藥物傷害。缺點(diǎn)：獲得的細(xì)胞數(shù)量較少（分裂細(xì)胞約占1%～2%） 。2）細(xì)胞沉降分離法優(yōu)點(diǎn)：可用于任何懸浮培養(yǎng)的細(xì)胞。缺點(diǎn)：同步化程度較低。,2. 誘導(dǎo)

5、同步化1）DNA合成阻斷法：用DNA合成抑制劑，可逆阻斷細(xì)胞周期，然后釋放。常用TDR雙阻斷法。優(yōu)點(diǎn)：同步化程度高；缺點(diǎn)：產(chǎn)生非均衡生長，個(gè)別細(xì)胞體積增大。2）中期阻斷法用秋水仙素等微管抑制劑將細(xì)胞阻斷在中期。優(yōu)點(diǎn)是便于觀察染色體，缺點(diǎn)是可逆性較差。,第二節(jié) 有絲分裂,MITOSIS,一、細(xì)胞分裂的類型,無絲分裂：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 。有絲分裂：又稱間接分裂

6、，由Fleming (1882)和Strasburger(1880)發(fā)現(xiàn)。減數(shù)分裂：DNA復(fù)制1次，細(xì)胞連續(xù)分裂2次。,二、有絲分裂過程,為了便于描述人為的劃分為六個(gè)時(shí)期：間期（interphase）；前期(prophase)；前中期(premetaphase)；中期(metaphase)；后期(anaphase)；末期(telophase)。間期包括G1期、S期和G2期，進(jìn)行DNA、中心體復(fù)制，細(xì)胞體積增大等準(zhǔn)備工作。,,,（一

7、）前期①染色質(zhì)凝縮，②分裂極確立與紡錘體開始形成，③核仁解體，④核膜消失。,S期中心粒已完成復(fù)制，核膜解體時(shí)，中心粒已到達(dá)兩極，并形成紡錘體。紡錘體的三種微管結(jié)構(gòu)：①極體微管（polar mt）；②著絲點(diǎn)微管（kinetochore mt；③星體微管（astral mt）。,,,Two centrosomes, and their forming radial arrays of astral microtubules sep

8、arating on the surface of an early prophase newt lung cell nucleus.,圖片來自http://www.wadsworth.org/,圖片來自http://www.wadsworth.org/,（二）前中期從核膜解體到染色體排列到赤道面上。,（三）中期染色體排列到赤道面上。,,（四）后期指妹妹染色體單體分開并移向兩極的時(shí)期。分為后期A、后期B兩個(gè)過程。,Anaphase

9、 A: separation of the sister chromatids.,Anaphase B: separation of the poles.,植物細(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(gè)新細(xì)胞為止的時(shí)期。涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個(gè)方面。,末期核纖肽B去磷酸化，介導(dǎo)核膜重新裝配，同時(shí)染色體解聚縮，核仁出現(xiàn)和核膜重新形成。

10、核分裂與胞質(zhì)分裂是相繼發(fā)生的，屬于兩個(gè)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,動(dòng)物的胞質(zhì)分裂通過胞質(zhì)收縮環(huán)的收縮實(shí)現(xiàn)，收縮環(huán)由平行排列的肌動(dòng)蛋白組成。,用細(xì)胞松弛素處理這一時(shí)期的細(xì)胞，會(huì)出現(xiàn)什么現(xiàn)象？,Dividing Muscle Myoblast (primitive muscle cell) (SEM x8,000),植物細(xì)胞

11、末期近兩極處紡錘絲消失，中間微管保留，形成成膜體。來自高爾基體囊泡沿微管轉(zhuǎn)運(yùn)到成膜體中間。融合形成細(xì)胞板，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（reductional division）。減數(shù)分裂II分離的是姊妹染色體，類似于有絲分裂，

12、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)分裂分為不同時(shí)期。,,Meiosis,Concepts:Gametic meiosisSporic meiosisZygotic meiosis,一、間期,稱前減數(shù)分裂間期或前減數(shù)分裂期(premeiosis)，也分為G1、S和G2期。G2期是有絲分裂向減數(shù)分裂轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵時(shí)期。S期時(shí)間較長，部分DN

13、A（約0.3%左右）是在合線期合成的。,二、分裂期,（一）減數(shù)分裂I1. 前期I通常分為5個(gè)時(shí)期：①leptotene ，②zygotene ，③pachytene，④diplotene，⑤diakinesis。,2 . 中期I3 . 后期I：同源染色體隨機(jī)分向兩極，染色體重組，人類染色體重組概率有223個(gè)。4 . 末期I5 . 減數(shù)分裂間期。 （二）減數(shù)分裂II可分為前、中、后、末四個(gè)四期，與有絲分裂相似。一個(gè)精母細(xì)胞

14、形成4個(gè)精子；一個(gè)卵母細(xì)胞形成一個(gè)卵子及2-3個(gè)極體。,Chromosome recombination 1,Chromosome recombination 2,,Minimum number of gamete types = 2n , In humans, n = 23,三、聯(lián)會(huì)復(fù)合體,SC由兩條同源染色體沿縱軸形成，外觀呈梯子狀。SC幫助交換的完成，SC上有重組節(jié)，是交換發(fā)生的部位。SC主要由堿性蛋白質(zhì)和RNA組成，含有少量

15、DNA。SC形成合線期，成熟于粗線期，消失于雙線期。在細(xì)線期/合線期加入DNA合成抑制劑，則抑制SC形成。,synaptonemal complex,第四節(jié) 細(xì)胞周期調(diào)控,CELL CYCLE CONTROL,一、研究背景,1970s Rao等發(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。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(gè)部位開始復(fù)制。G2期PCC為雙線染色體，

16、說明DNA復(fù)制已完成。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( MPF)。,prematurely condensed chromosome，PCC,G1,S,G2,Hartwell 1960s, Nurse 1970s 分別以芽殖酵母和裂殖酵母為材料，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( cdc)。如：裂殖酵母cdc2、 芽殖酵母cdc28突變型在限制溫度下無法

17、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34KD的蛋白激酶，促進(jìn)細(xì)胞周期進(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,T. Hunt 1980s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cyclin A和B，其mRNA能誘導(dǎo)蛙卵成熟。19

18、88年Lohka將非洲爪蟾的MPF純化。經(jīng)鑒定MPF由32KD和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 B,Leland 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(jī)理的研究

19、而獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。,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(CDK)。cdc2又稱CDK1，可將特定蛋白磷酸化，如：將核纖肽磷酸化導(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(dòng)物中已知7種CDK。均含PSTAIRE保守序列，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,CKI對(duì)細(xì)胞周期起負(fù)調(diào)控作用，分為：①Ink4: 抑制cdk4·cycl

20、in D1, cdk6·cyclin D1。②Kip：抑制大多數(shù)CDK。其中P21cip1還能與DNA聚合酶δ的輔助因子PCNA結(jié)合，直接抑制DNA的合成。,四、細(xì)胞周期蛋白cyclin,特點(diǎn)：在細(xì)胞周期中呈周期性變化。含有一段約100個(gè)氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白框，介導(dǎo)與CDK結(jié)合。作用：激活和引導(dǎo)CDK作用于不同底物。已知30余種，分為4類：G1型、G1/S型、S型、M型。,不同類型的CDK/cyclin復(fù)合體,

21、*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，釋放轉(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，激活DNA復(fù)制。G2-M期，cyclinA、cyclinB與CDK1結(jié)合，CDK1引起染色體凝縮、核膜解體等。,G1 CD

22、K activate transcription factor E2F,CELL CYCLE REGULATION,,中期當(dāng)MPF活性達(dá)到最高時(shí)，激活A(yù)PC，通過泛素化途徑降解cyclin B，完成細(xì)胞周期。分裂期周期蛋白N端具有降解盒。泛素由76個(gè)氨基酸組成，高度保守。共價(jià)結(jié)合泛素的蛋白能被蛋白酶體識(shí)別和降解，是細(xì)胞內(nèi)短壽命蛋白和異常蛋白降解的普遍途徑。,Destruction Box in Cyclins,26S蛋白酶體是大型的

23、蛋白酶，可將泛素化的蛋白質(zhì)分解成短肽。,M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的積累。結(jié)合cyclin B的CDK1被Wee1將Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不斷積累。在M期，Wee1的活性下降，cdc25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障礙。CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDK activating kinase CAK)的作用下完成的。,五、M期CDK的激活,C

24、DK ACTIVATING,六、細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)（check point）,組成：感受器、信號(hào)傳導(dǎo)通路、效應(yīng)器。主要檢驗(yàn)點(diǎn)：G1/S檢驗(yàn)點(diǎn)：DNA是否損傷？細(xì)胞外環(huán)境是否適宜？細(xì)胞體積是否足夠大？在酵母中稱start點(diǎn)，在哺乳動(dòng)物中稱R點(diǎn)(restriction point)。S期檢驗(yàn)點(diǎn)：DNA復(fù)制是否完成？G2/M檢驗(yàn)點(diǎn)：DNA是否損傷？細(xì)胞體積是否足夠大？中-后期檢驗(yàn)點(diǎn)：紡錘體組裝檢驗(yàn)點(diǎn)。,FOUR CHECKPOINTS,

25、ATM（ataxia telangiectasia-mutated gene）最早發(fā)現(xiàn)于毛細(xì)血管擴(kuò)張性共濟(jì)失調(diào)癥患者，人類中大約有1%的人是ATM缺失的雜合子，表現(xiàn)出對(duì)電離輻射敏感和易患癌癥。ATM編碼一個(gè)蛋白激酶，結(jié)合在損傷的DNA上，其信號(hào)通路有兩條。①激活Chk1（checkpoint kinase）, 使cdc25的Ser216磷酸化失去活性，抑制M-CDK的活性，中斷細(xì)胞周期。②激活Chk2，使P53被磷酸化而激活，然

26、后P53作為轉(zhuǎn)錄因子，導(dǎo)致P21表達(dá)，P21抑制G1-S期CDK的活性，中斷細(xì)胞周期。,七、生長因子對(duì)細(xì)胞增殖的影響,生長因子是與細(xì)胞增殖有關(guān)的信號(hào)物質(zhì)，已知幾十種，多數(shù)能促進(jìn)細(xì)胞增殖。作用方式：旁分泌。信號(hào)通路：ras、cAMP、磷脂酰肌醇途徑。如通過ras途徑，激活MAPK，MAPK進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)，激活c-myc，myc作為轉(zhuǎn)錄因子促進(jìn)cyclin D、SCF、E2F等G1-S有關(guān)的基因表達(dá)，細(xì)胞進(jìn)入G1期。,See you!,