1、第十一章第十一章 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控 细胞增殖的意义细胞增殖的意义 细胞周期与细胞分裂细胞周期与细胞分裂 细胞周期调控细胞周期调控细胞增殖的意义细胞增殖的意义 细胞生命活动的重要特征之一细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础。是生物繁育的基础。单细胞生物：导致生物个体数量的增加。单细胞生物：导致生物个体数量的增加。多细胞生物：由一个单细胞（受精卵）分裂发育多细胞生物：由一个单细胞（受精卵）分裂发育而来，多细胞生物繁殖基础。而来，多细胞生物繁殖基础。成体生物：主要取代衰老死亡的细胞，成体生物：主要取代衰老死亡的细胞，维持个体维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。细胞数量
2、的相对平衡和机体的正常功能。机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等。机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等。1 1 细胞周期与细胞分裂细胞周期与细胞分裂 细胞周期细胞周期(cell cycle)(cell cycle)概述概述 有丝分裂有丝分裂(mitosis)(mitosis)胞质分裂胞质分裂(cytokinesis)(cytokinesis)减数分裂减数分裂(meiosis)(meiosis)1.1 1.1 细胞周期概述细胞周期概述 细胞周期细胞周期 细胞周期中各个不同时相及主要事件细胞周期中各个不同时相及主要事件 细胞周期长短测定细胞周期长短测定 细胞周期同步化细胞周期同步化1.1.1
3、1.1.1 细胞周期细胞周期1.1.概念：概念：细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分完成所细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分完成所经历的一个有序过程。其间细胞遗传物质和其他经历的一个有序过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。内含物分配给子细胞。2.2.细胞周期时相组成：细胞周期时相组成：间期（间期（interphaseinterphase）G1 phaseG1 phase、S phaseS phase、G2 phaseG2 phase M phase M phase 有丝分裂期（有丝分裂期（mitosismitosis）胞质分裂期（胞质分裂期（cytokinesiscytokine
4、sis）细胞沿着细胞沿着G1SG2MG1G1SG2MG1周期性运转，在间期细周期性运转，在间期细胞体积增大（生长），在胞体积增大（生长），在M M期细胞先是核分裂，接着期细胞先是核分裂，接着胞质分裂，完成一个细胞周期。胞质分裂，完成一个细胞周期。3.3.细胞周期时间细胞周期时间 不同细胞的细胞周期时间差异很大；不同细胞的细胞周期时间差异很大；S+G2+M S+G2+M 时间变化较小，时间变化较小，时间长短主要差别在时间长短主要差别在G1G1期；期；有些分裂增殖的细胞缺乏有些分裂增殖的细胞缺乏G1G1、G2G2期。期。4.4.细胞分类细胞分类 根据增殖状况，细胞分为三类：根据增殖状况，细胞分为三
5、类：连续分裂细胞（连续分裂细胞（cycling cellcycling cell）：如表皮生发层：如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。细胞、部分骨髓细胞。休眠细胞（休眠细胞（G0G0细胞）：细胞）：暂不分裂，但在适当的刺暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，如淋巴细胞、肝、肾激下可重新进入细胞周期，如淋巴细胞、肝、肾细胞。细胞。终末分化细胞：终末分化细胞：不可逆地脱离细胞周期，不再分不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞。核细胞。1.1.2 1.1.2 细胞周期中不同时相及主要事件细胞周期中不同时相及主要事件
6、G1G1期期 S S 期期 G2G2期期 M M 期期1.G11.G1期：期：与与DNADNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多合成启动相关，开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、种蛋白质、RNARNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集。集。2.S 2.S 期：期：DNADNA复制与组蛋白合成同步复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构。，组成核小体串珠结构。Experimental demonstration of the coordinated Synthesis of DNA and histones.3.G23.G2期：期：DNADNA复制完成，
7、在复制完成，在G2G2期合成一定数量的蛋白质和期合成一定数量的蛋白质和RNARNA分子。分子。4.M 4.M 期：期：细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括：有细胞分裂期，真核细胞的细胞分裂主要包括：有丝分裂和减数分裂。遗传物质和细胞内其他物质分丝分裂和减数分裂。遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞。配给子细胞。1.1.3 1.1.3 细胞周期长短测定细胞周期长短测定 脉冲标记脉冲标记DNADNA复制和细胞分裂指数观察测定法复制和细胞分裂指数观察测定法 流式细胞仪测定法流式细胞仪测定法 缩时摄像技术缩时摄像技术 可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和
8、分裂期的准确时间。的准确时间。标记有丝分裂百分率法原理标记有丝分裂百分率法原理(Percentage(Percentage Labeled Mitoses,PLM)Labeled Mitoses,PLM)对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。细胞百分数的办法来测定细胞周期。有关名词有关名词TG1TG1：G1G1期的持续时间；期的持续时间；TG2TG2：G2G2期的持续时间；期的持续时间；TSTS：S S期的持续时间；期的持续时间；
9、TMTM：M M期的持续时间；期的持续时间；TCTC：一个细胞周期的持续时间；：一个细胞周期的持续时间；PLMPLM：被标记分裂期细胞占所有分裂期细胞的百分比；：被标记分裂期细胞占所有分裂期细胞的百分比；TDRTDR：胸腺嘧啶核苷，是：胸腺嘧啶核苷，是DNADNA的特异前体，能被的特异前体，能被S S期细胞期细胞摄入，而掺进摄入，而掺进DNADNA中。通常使用中。通常使用3 3H H或者或者1414C C标记的标记的TDRTDR。测定原理测定原理待测细胞经待测细胞经3 3H-TDRH-TDR标记后，所有标记后，所有S S期细胞均被标记。期细胞均被标记。S S期细胞经期细胞经G2G2期才进入期才
10、进入M M期，所以起初期，所以起初PLM=0PLM=0。开始出现标记开始出现标记M M期细胞时，表示处于期细胞时，表示处于S S期最后阶段期最后阶段的细胞，已渡过的细胞，已渡过G2G2期，所以从期，所以从PLM=0PLM=0到出现到出现PLMPLM的的时间间隔为时间间隔为TG2TG2。S S期细胞逐渐进入期细胞逐渐进入M M期，期，PLMPLM上升，到达到最高点的上升，到达到最高点的时候说明来自处于时候说明来自处于S S最后阶段的细胞，已完成最后阶段的细胞，已完成M M，进入进入G1G1期。所以从开始出现期。所以从开始出现M M到到PLMPLM达到最高点的达到最高点的时间间隔就是时间间隔就是T
11、MTM。当当PLMPLM开始下降时，表明处于开始下降时，表明处于S S期最初阶段的细胞期最初阶段的细胞也已进入也已进入M M期，所以出现期，所以出现LMLM到到PLMPLM又开始下降的一又开始下降的一段时间等于段时间等于TSTS。从从LMLM出现到下一次出现到下一次LMLM出现的时间间隔就等于出现的时间间隔就等于TCTC，TC=TG1+TS+TG2+TMTC=TG1+TS+TG2+TM，即可求出，即可求出TG1TG1长度。长度。事实上由于一个细胞群体中事实上由于一个细胞群体中TCTC和各时相不尽相同，和各时相不尽相同，第一个峰常达不到第一个峰常达不到100%100%，以后的峰会发生衰减，以后的
12、峰会发生衰减，PLMPLM不一定会下降到零，所以实际测量时，常以不一定会下降到零，所以实际测量时，常以（TG2+1/2TMTG2+1/2TM）-TG2-TG2的方式求出的方式求出TMTM。1.1.4 1.1.4 细胞同步化细胞同步化 自然同步化自然同步化 人工同步化人工同步化选择同步化选择同步化诱导同步化诱导同步化1.1.自然同步化自然同步化 多核体：如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分多核体：如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。疟原虫也具有类似的情况。裂，形成多核体。疟原虫也具有类似的情况。某些水生动物的受精卵：如大量海参卵受精后，某些水生动物的受精卵：如大量海参卵受精后，前前9
13、 9次细胞分裂都是同步化进行的。次细胞分裂都是同步化进行的。增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。2.2.选择同步化选择同步化 有丝分裂选择法有丝分裂选择法 使单层培养的细胞处于对数增殖期，此时分裂活使单层培养的细胞处于对数增殖期，此时分裂活跃，有丝分裂细胞变圆隆起，与培养皿附着性低，跃，有丝分裂细胞变圆隆起，与培养皿附着性低，轻轻振荡，轻轻振荡，M M期细胞脱离器壁，悬浮于培养液中，收期细胞脱离器壁，悬浮于培养液中，收集培养液，再加入新鲜培养液，依法继续收集，可获集培
14、养液，再加入新鲜培养液，依法继续收集，可获得一定数量的中期细胞。优点：操作简单，同步化程得一定数量的中期细胞。优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害；缺点：效率低度高，细胞不受药物伤害；缺点：效率低(占占1%1%2%)2%)密度梯度离心法密度梯度离心法 不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其半径的平方成正比。优点：用于任沉降的速度与其半径的平方成正比。优点：用于任悬浮培养的细胞，缺点：同步化程度较低。悬浮培养的细胞，缺点：同步化程度较低。3.3.诱导同步法诱导同步法 DNADNA合成阻断法合成阻断法 (G1/S-(G1/S
15、-TdRTdR双双阻断法阻断法)最终将细胞群阻断于最终将细胞群阻断于G1/SG1/S交界处。优点：同步化交界处。优点：同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系；缺效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系；缺点：诱导过程可造成细胞非均衡生长，个别细胞体点：诱导过程可造成细胞非均衡生长，个别细胞体积增大。积增大。分裂中期阻断法分裂中期阻断法 通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点：无非均衡生长现细胞阻断在细胞分裂中期。优点：无非均衡生长现象；缺点：可逆性较差。象；缺点：可逆性较差。胸腺嘧啶核苷胸腺嘧啶核苷(Thymin
16、e(Thymine Deoxyribonucleoside)Deoxyribonucleoside)4.4.条件依赖性突变株的应用条件依赖性突变株的应用 将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞周到限定条件下培养，所有细胞便被同步化在细胞周期中某一特定时期。期中某一特定时期。1.2 1.2 有丝分裂有丝分裂(mitosis)(mitosis)前期（前期（prophaseprophase）前中期（前中期（prometaphaseprometaphase）中期（中期（metaphasemetaphase）后期（后
17、期（anaphaseanaphase）末期（末期（telophasetelophase）1.1.前期前期 特征特征1 1 染色质开始浓缩形成有丝分裂染色体：由两条染染色质开始浓缩形成有丝分裂染色体：由两条染色单体构成。在前期末，染色体主缢痕部位形成色单体构成。在前期末，染色体主缢痕部位形成一种蛋白复合物称为一种蛋白复合物称为动粒。动粒。特征特征2 2 细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体开始装配。细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体开始装配。特征特征3 3 Golgi Golgi体、体、ERER等细胞器解体，形成小的膜泡。等细胞器解体，形成小的膜泡。2.2.前中期前中期 特征特征1 1 核膜破裂成小的膜泡，这
18、一过程是由核纤层蛋白核膜破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层蛋白中特异的中特异的SerSer残基磷酸化导致残基磷酸化导致核纤层解体。核纤层解体。特征特征2 2 纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体。纺锤体微管与染色体的动粒结合，捕捉住染色体。每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反方向，保证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体后，形成三种类型的微管。（动力成三种类型的微管。（动力/极间极间/星体微管）星体微管）特征特征3 3 不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由不断运动的染色体开始移向赤道板
19、。细胞周期也由前中期逐渐向中期运转。前中期逐渐向中期运转。3.3.中期中期 特征特征1 1 所有染色体排列到赤道板所有染色体排列到赤道板(Metaphase Plate)(Metaphase Plate)上。上。纺锤体检验点纺锤体检验点(spindle checkpoint)(spindle checkpoint)：所有染：所有染色体的动粒都被动粒微管捕获时，染色单体才分离，色体的动粒都被动粒微管捕获时，染色单体才分离，细胞分裂向后期进行；否则分裂暂停在中期。细胞分裂向后期进行；否则分裂暂停在中期。4.4.后期后期特征特征1 1 排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产排列在赤道面上的染色体
20、的姐妹染色单体分离产生向极运动。大致可划分为连续的两个阶段，即后生向极运动。大致可划分为连续的两个阶段，即后期期A A和后期和后期B B。后期后期A A：动粒微管变短，染色体产生两极运动；：动粒微管变短，染色体产生两极运动；后期后期B B：极间微管延长，两极之间的距离逐渐拉：极间微管延长，两极之间的距离逐渐拉长，介导染色体向两极运动。长，介导染色体向两极运动。5.5.末期末期 特征特征1 1 染色单体到达两极，到达两极的染色单体开始去染色单体到达两极，到达两极的染色单体开始去浓缩。浓缩。特征特征2 2 核膜开始重新组装。核膜开始重新组装。特征特征3 3 Golgi Golgi体和体和ERER重
21、新形成并生长。重新形成并生长。特征特征4 4 核仁也开始重新组装，核仁也开始重新组装，RNARNA合成功能逐渐恢复合成功能逐渐恢复,有有丝分裂结束。丝分裂结束。1.3 1.3 胞质分裂胞质分裂 动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂 植物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂1.1.动物细胞胞质分裂动物细胞胞质分裂 胞质分裂始于细胞分裂后期，完成于末期。在赤道胞质分裂始于细胞分裂后期，完成于末期。在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称分裂沟。板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称分裂沟。分裂沟的形成和收缩环有关。胞质分裂开始时，分裂沟的形成和收缩环有关。胞质分裂开始时，大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微
22、丝并相大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成互组成微丝束，微丝束，环绕细胞，称为收缩环。环绕细胞，称为收缩环。2.2.植物细胞胞质分裂植物细胞胞质分裂 植物细胞胞质分裂是在细胞内形成新的细胞膜和植物细胞胞质分裂是在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开，以形成细胞板的形式完成。细胞壁而将细胞分开，以形成细胞板的形式完成。1.4 1.4 减数分裂减数分裂 减数分裂概念与过程减数分裂概念与过程 减数分裂的意义减数分裂的意义 减数分裂特点减数分裂特点 脊椎动物配子发生过程脊椎动物配子发生过程1.4.1 1.4.1 减数分裂概念与过程减数分裂概念与过程 概念概念 减数分裂是细胞仅进行一次
23、减数分裂是细胞仅进行一次DNADNA复制，随后复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。的有丝分裂。过程过程1.4.2 1.4.2 减数分裂的意义减数分裂的意义 确保世代间遗传的稳定性；确保世代间遗传的稳定性；增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适增加变异机会，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力。应环境变化的能力。减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、生物进化和生物多样性的重要基础保证。生物进化和生物多样性的重要基础保证。1.4.3 1.4.3 减数分裂特点减数分裂特点 前期前期
24、I I：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期细线期细线期 染色体呈细线状（单线），具有念珠状的染色粒。染色体呈细线状（单线），具有念珠状的染色粒。虽然染色体已经复制，但光镜下分辨不出两条染虽然染色体已经复制，但光镜下分辨不出两条染色单体。色单体。在有些物种中表现为染色体细线一端通过端粒和在有些物种中表现为染色体细线一端通过端粒和核膜相连，另一端放射状伸出，形似花束，称为核膜相连，另一端放射状伸出，形似花束，称为花束期。花束期。偶线期偶线期(zygotene)(zygotene)同源染色体配对的时期，称为联会同源染色体配对的时期，称为联会(synapsi
25、s)(synapsis)。同源染色体间形成同源染色体间形成联会复合体联会复合体(synaptonemal(synaptonemal complex,SC)complex,SC)。在光镜下可以看到两条结合在一起。在光镜下可以看到两条结合在一起的染色体，称为二价体。每一对同源染色体都经过的染色体，称为二价体。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，所以又称为四分体。复制，含四个染色单体，所以又称为四分体。这一时期合成约这一时期合成约0.3%0.3%左右的左右的DNADNA，称为，称为zyg DNAzyg DNA。粗线期（粗线期（pachytenepachytene）持续时间长达数天，此时染色体
26、变短，结合紧密，持续时间长达数天，此时染色体变短，结合紧密，在光镜下只在局部可以区分同源染色体，这一时在光镜下只在局部可以区分同源染色体，这一时期同源染色体的非姊妹染色单体之间发生交换的期同源染色体的非姊妹染色单体之间发生交换的时期。时期。粗线期粗线期SCSC上具有与上具有与SCSC宽度相近的电子致密球状小宽度相近的电子致密球状小体，称为体，称为重组节重组节，与，与DNADNA的重组有关。的重组有关。这一时期合成少量的这一时期合成少量的DNADNA，称为，称为P-DNAP-DNA。并合成减。并合成减数分裂专有的组蛋白。数分裂专有的组蛋白。双线期双线期 联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交
27、联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交叉上还保持着联系。叉上还保持着联系。植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双植物细胞双线期一般较短，许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月线期停留的时间非常长。人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期。胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期。鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二价体解螺旋而形成灯刷染色昆虫中，双线期的二价体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。体，这一时期是卵黄积累的时期。终变期终变期 二价体显著变短。由于交叉
28、端化过程的进一步发二价体显著变短。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。核仁此时开始消失，核被膜解体。核仁此时开始消失，核被膜解体。联会复合体联会复合体 SCSC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。SC SC 上有重组节，是交换发生的部位。上有重组节，是交换发生的部位。SCSC在细线期开始装配，形成于偶线期，成熟于粗线在细线期开始装配，形成于偶线期，成熟于粗线期，消失于双线期。期，消失于双线期。联会复合体是减数分裂偶线期两条同源染色体之间联会复合体是减数分裂偶线期两条同源染色
29、体之间形成的一种结构，它与染色体的配对，交换和分离形成的一种结构，它与染色体的配对，交换和分离密切相关。密切相关。前期前期I特点：特点：a.Electron micrograph of SC of human pachytene bivalenta.Electron micrograph of SC of human pachytene bivalent (K:kinetochore;arrow:recombination nodules)(K:kinetochore;arrow:recombination nodules)b.Schematic diagram of SC;b.Schemat
30、ic diagram of SC;c.Electron micrograph of SC after treatment with DNase to c.Electron micrograph of SC after treatment with DNase to remove chromasomal fibers.remove chromasomal fibers.同源染色体间遗传物质重组同源染色体间遗传物质重组,产生新的基因组产生新的基因组合。合。遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，遗传物质只复制一次，细胞连续分裂两次，导致染色体数目减半。导致染色体数目减半。减数分裂前间期的减数分裂前间
31、期的S S期持续时间较长，少量期持续时间较长，少量DNADNA没有复制。没有复制。前期前期变化复杂，同源染色体配对、联会、变化复杂，同源染色体配对、联会、重组，产生遗传多样性。重组，产生遗传多样性。第一次分裂时第一次分裂时,同源染色体分开。同源染色体分开。减数分裂时间较长。减数分裂时间较长。1.4.4 1.4.4 脊椎动物配子发生过程脊椎动物配子发生过程2 2 细胞周期的调控细胞周期的调控 细胞周期调控系统的主要作用细胞周期调控系统的主要作用 细胞周期检验点细胞周期检验点(Cell Cycle Checkpoint)(Cell Cycle Checkpoint)MPFMPF Cyclin-Cd
32、kCyclin-Cdk复合物的多样性及细胞周期运转复合物的多样性及细胞周期运转 细胞周期运转的阻遏（细胞周期运转的负调控）细胞周期运转的阻遏（细胞周期运转的负调控）在适当时候激活细胞周期各个时相的相关在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶和蛋白酶和蛋白,然后自身失活然后自身失活(正调控正调控)确保每一时相事件的全部完成确保每一时相事件的全部完成(负调控负调控)对外界环境因子起反应（如多细胞生物对对外界环境因子起反应（如多细胞生物对增殖信号的反应）增殖信号的反应）2.1 2.1 细胞周期调控系统的主要作用细胞周期调控系统的主要作用2.2 2.2 细胞周期检验点细胞周期检验点 概念概念 细胞周期检
33、验点细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制是细胞周期调控的一种机制,主主要要是确保周期每一时相事件的有序全部完成，并与外是确保周期每一时相事件的有序全部完成，并与外界环境因素相联系。界环境因素相联系。2.3 MPF2.3 MPF MPF(Maturation-promoting factor,MPF(Maturation-promoting factor,Mitosis-promoting factor)Mitosis-promoting factor)的发现的发现及其生及其生化实质化实质 Mitotic Cyclin-CdkMitotic Cyclin-Cdk复合物与复合物与功能功能2.3.
34、1 MPF2.3.1 MPF的发现及其生化实质的发现及其生化实质 细胞融合与细胞融合与PCC(Premature chromosomal condense)PCC(Premature chromosomal condense)爪蟾卵子成熟过程和爪蟾卵子成熟过程和MPFMPF的发现的发现 MPFMPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶，由是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶，由M M期期Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein kinase)Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein kinase)形成的复合物：形成的复合物：MPF=p
35、34cdc2+cyclinBMPF=p34cdc2+cyclinB2.3.1.1 2.3.1.1 细胞融合与细胞融合与PCCPCC 概念概念 用用M M期细胞和间期细胞（期细胞和间期细胞（G1G1、S S、G2G2）进行融合，）进行融合，可以使间期细胞核出现类似于有丝分裂期的形态变可以使间期细胞核出现类似于有丝分裂期的形态变化：染色质凝集、核膜破裂及核仁消失等，这种经化：染色质凝集、核膜破裂及核仁消失等，这种经过诱导，在间期细胞中形成的染色体产物称为过诱导，在间期细胞中形成的染色体产物称为早熟早熟凝集染色体凝集染色体(prematurely condensed chromosome,(prem
36、aturely condensed chromosome,PCC)PCC)。PCCPCC现象现象 Rao,JohnsonRao,Johnson将将HelaHela细胞同步于不同阶段，然后细胞同步于不同阶段，然后与与M M期细胞混合，在灭活仙台病毒介导下，诱导细期细胞混合，在灭活仙台病毒介导下，诱导细胞胞融合，发现与融合，发现与M M期细胞融合的间期细胞产生了形态期细胞融合的间期细胞产生了形态各各异的早熟凝集染色体异的早熟凝集染色体(PCC)(PCC)，这种现象叫做早熟染，这种现象叫做早熟染色体凝集。色体凝集。人人M M期细胞与袋鼠期细胞与袋鼠G1G1、S S、G2G2期细胞融合诱导期细胞融合诱
37、导PCCPCC：提示：提示M M期细胞存在诱导期细胞存在诱导PCCPCC的因子；的因子；G1G1期期PCCPCC为单线状：为单线状：DNADNA未复制。未复制。S S期期PCCPCC为粉末状：正在复制的为粉末状：正在复制的DNADNA容易受损伤，是容易受损伤，是DNADNA断裂的结果。断裂的结果。G2G2期期PCCPCC为双线染色体，说明为双线染色体，说明DNADNA复制已完成。复制已完成。不同类的不同类的M M期细胞也可诱导期细胞也可诱导PCCPCC产生，推测产生，推测M M期细胞期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即促成熟因具有促进间期细胞进行分裂的因子，即促成熟因子子(MPF)(MPF
38、)2.3.1.2 2.3.1.2 爪蟾卵子成熟过程和爪蟾卵子成熟过程和MPFMPF的发现的发现处于第六期的爪蟾卵母细胞，需要激素刺激才能进处于第六期的爪蟾卵母细胞，需要激素刺激才能进行减数分裂，成为成熟的卵细胞（行减数分裂，成为成熟的卵细胞（eggegg）。）。注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟卵细胞质注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟卵细胞质中含有卵母细胞成熟的因子，称做中含有卵母细胞成熟的因子，称做MPFMPF。显微注射实验说明：显微注射实验说明：成熟卵细胞中含有能促使卵母细胞成熟的因子：成熟卵细胞中含有能促使卵母细胞成熟的因子：MPFMPF；卵母细胞分裂前，卵母细胞分裂前，M
39、PFMPF已经存在，但处于非活性已经存在，但处于非活性 状态，称状态，称preMPFpreMPF。不仅同类不仅同类M M期细胞可以诱导期细胞可以诱导PCCPCC，不同类的，不同类的M M期细胞期细胞也可以诱导也可以诱导PCCPCC产生，这就意味着产生，这就意味着M M期细胞具有某期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因种促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子（子（MPF MPF）。）。2.3.1.3 MPF=p342.3.1.3 MPF=p34cdc2cdc2+cyclinB+cyclinB2.3.2 Mitotic Cyclin-Cdk2.3.2 Mitotic Cycli
40、n-Cdk复合物与功能复合物与功能 CDCCDC基因及基因及CyclinCyclin Cyclin&CDKCyclin&CDK 功能功能2.3.2.1 CDC2.3.2.1 CDC基因及基因及CyclinCyclin 1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 以以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，发现许多与细芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，发现许多与细胞分裂有关的基因胞分裂有关的基因(cell division cycle gene,(cell division cycle gene,c
41、dc)cdc)。裂殖酵母裂殖酵母cdc2cdc2、芽殖酵母、芽殖酵母cdc28cdc28突变型在限制突变型在限制温度下无法分裂；温度下无法分裂；cdc2cdc2和和cdc28cdc28都编码一个都编码一个34KD34KD的的蛋白激酶，促进细胞周期的进行。蛋白激酶，促进细胞周期的进行。MPF=p34cdc2MPF=p34cdc2（或（或p34cdc28p34cdc28）+clyclin B+clyclin B 2001 2001年年1010月月8 8日美国人日美国人Leland HartwellLeland Hartwell、英国人、英国人Paul NursePaul Nurse、Timothy
42、 HuntTimothy Hunt因发现细胞周期调控的因发现细胞周期调控的关键因子的研究而荣获诺贝尔生理医学奖。关键因子的研究而荣获诺贝尔生理医学奖。2.3.2.2 Cyclin&CDK2.3.2.2 Cyclin&CDK CyclinCyclin 特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与周期蛋白与CDKCDK结合。结合。作用：激活作用：激活CDKCDK，引导，引导CDKCDK作用于不同底物。作用于不同底物。已知已知3030余种余种 cyclincy
43、clin在细胞周期的不同时期表达，从而激活不在细胞周期的不同时期表达，从而激活不同时期的同时期的CDKCDK激酶活性，表现为不同的调节功能。激酶活性，表现为不同的调节功能。G1G1期：期：cyclinDcyclinD；G1/SG1/S期：期：cyclinEcyclinE；S S期：期：cyclinAcyclinA；M M期：期：cyclinBcyclinB（也包括（也包括cyclinAcyclinA）。）。M M期期cyclincyclin在在N N端含有一段由端含有一段由9 9个个aaaa残基组成的特殊残基组成的特殊序列，称为破坏框，和泛素介导的序列，称为破坏框，和泛素介导的cylinAcy
44、linA、B B的降的降解解有关。有关。CDKCDK CDC2CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故，故名细胞周期蛋白依赖性激酶（名细胞周期蛋白依赖性激酶（CDKCDK）。）。cdc2cdc2又被称为又被称为CDK1CDK1，其它，其它CDKCDK和它比较而命名。如：和它比较而命名。如：CDK2CDK2、CDK3CDK3CDK8CDK8等。等。2.3.2.3 2.3.2.3 功能功能 启动细胞从启动细胞从G2G2期进入期进入M M期的相关事件期的相关事件2.4 Cyclin-Cdk2.4 Cyclin-Cdk复合物的多样性复合物的多样性及细胞周期运转及
45、细胞周期运转 不同的周期蛋白与不同的不同的周期蛋白与不同的CDKCDK结合，构成不同的结合，构成不同的Cyclin-CDK Cyclin-CDK；不同的；不同的Cyclin-CDKCyclin-CDK在不同的时相表在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。现活性，影响不同的下游事件。G1/SG1/S的转化的转化 S S期，期，DNADNA当且仅当复制一次当且仅当复制一次 G2/MG2/M期转化期转化 M M期由中期向后期转化期由中期向后期转化 2.4.1 G1/S2.4.1 G1/S的转化的转化 G1G1期期 在生长因子的刺激下，在生长因子的刺激下，cyclin Dcyclin D表达，并与表
46、达，并与CDK4,CDK4,CDK6CDK6结合，使下游的蛋白质如结合，使下游的蛋白质如RbRb磷酸化，磷酸化，RbRb释放出释放出转录因子转录因子E2FE2F，促进许多基因的转录，如编码，促进许多基因的转录，如编码cyclinE,cyclinE,cyclinAcyclinA和和CDK1CDK1的基因。的基因。G1-SG1-S期期 cyclinEcyclinE与与CDK2CDK2结合，促进细胞通过结合，促进细胞通过R R点进入点进入S S期。期。2.4.2 S2.4.2 S期，期，DNADNA当且仅当复制一次当且仅当复制一次 S S期主要的期主要的CDKCDK激酶为激酶为CyclinA-CDK
47、2CyclinA-CDK2，它的活化为，它的活化为DNADNA复制所必需。复制所必需。2.4.3 G2/M2.4.3 G2/M期转化期转化 G2/MG2/M期的转化和期的转化和CDK1-cyclinBCDK1-cyclinB激酶密切相关。激酶密切相关。CDK1-cyclinBCDK1-cyclinB激酶：激酶：MPF=p34cdc2MPF=p34cdc2（或（或p34cdc28p34cdc28）+clyclin B+clyclin B。cdc2cdc2蛋白在细胞周期中含量稳定，而蛋白在细胞周期中含量稳定，而CyclinBCyclinB的含的含 量呈周期性变化，故量呈周期性变化，故CDK1-cy
48、clinBCDK1-cyclinB激酶活性呈周激酶活性呈周期性变化，在期性变化，在G2G2期晚期阶段达到最大值并持续到期晚期阶段达到最大值并持续到M M期的中期阶段。期的中期阶段。CDK1-cyclinBCDK1-cyclinB激酶使底物蛋白磷酸化，从而启动激酶使底物蛋白磷酸化，从而启动细胞从细胞从G2G2期进入期进入M M期的相关事件：如期的相关事件：如如将组蛋白如将组蛋白H1H1磷酸化导致染色体凝缩；磷酸化导致染色体凝缩；核纤层蛋白磷酸化使核膜解体；核纤层蛋白磷酸化使核膜解体；p60p60c-srcc-src磷酸化，使细胞骨架重排（纺锤体装配）；磷酸化，使细胞骨架重排（纺锤体装配）；核仁蛋
49、白磷酸化，核仁解体。核仁蛋白磷酸化，核仁解体。2.4.4 M2.4.4 M期由中期向后期转化期由中期向后期转化 在中期当在中期当MPFMPF活性达到最高时，激活后期促进因活性达到最高时，激活后期促进因子子(anaphase promoting complex,APC)(anaphase promoting complex,APC)，APCAPC介导介导cyclinAcyclinA、CyclinBCyclinB通过通过“泛素化途径泛素化途径”选择性地被选择性地被降降解，解，CDK1CDK1活性丧失，在前期被活性丧失，在前期被CDK1CDK1磷酸化的蛋白质磷酸化的蛋白质去磷酸化。去磷酸化。泛素化途
50、径的蛋白质降解过程泛素化途径的蛋白质降解过程 泛素（泛素（ubiquitinubiquitin，UbUb）由）由7676个氨基酸组成，高个氨基酸组成，高度保守，普遍存在于真核细胞，故名泛素。共价度保守，普遍存在于真核细胞，故名泛素。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。途径。2.5 2.5 细胞周期运转的阻遏细胞周期运转的阻遏（细胞周期运转的负调控）（细胞周期运转的负调控）细胞至少通过两种机制阻遏细胞周期运转：细胞至少通过两种机制阻遏细胞周期运转：周期调控
