細胞生物學(xué)-細胞周期pa.ppt

細胞增殖及其調(diào)控,王鐵東,細胞周期概述,細胞周期時相及類型,間期(interphase) G1期,即從M期結(jié)束到S期開始前的一段間歇期; S期,即DNA合成期; G2期, 即 S期到有絲分裂前的一個間歇期; M期,即有絲分裂期。,標(biāo)準(zhǔn)的細胞周期,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,Some eukaryotic cell cycle times,同種細胞之間，細胞周期時間長短相似或相同；不同細胞種類之間，細胞周期時間長短常差別很大。,TC TG1 TS TG2 TM TC-TG1 小鼠食道上皮 87 75 7.2 4.1 0.7 12 小鼠腹壁上皮 151 139 6.2 5.3 0.5 12 人大腸粘膜 24 10 11.5 2 0.5 14 人宮頸癌 20 8 6.8 4.5 1.5 12 人羊膜 19.4 9.8 6.8 2.2 0.6 9.6 大鼠肝 47.5 28 16 1.8 1.7 15.5 人肺成纖維細胞 16.8 6 6 4 0.8 10.8,就高等生物體的細胞而言，細胞周期時間長短主要差別在G1期，而S期、G2期和M期的總時間相對恒定。尤其是M期持續(xù)的時間更為恒定，常常僅持續(xù)半小時左右。, 周期中細胞（cycling cell）：是指在細胞周期中連續(xù)運轉(zhuǎn)的細胞，又稱為連續(xù)分裂細胞或可育細胞，如表皮生發(fā)層細胞、部分骨髓細胞。 終末分化細胞：指不可逆地脫離細胞周期，喪失分裂能力，保持生理機能活動的細胞，又稱終端細胞，大量的橫紋肌細胞，血液多型核白細胞，某些生物的有核紅細胞等 。,在多細胞機體中, 細胞的分裂行為有所差異。根據(jù)細胞的分裂行為, 可將真核生物細胞分為三類:,指的是暫時離開細胞周期，停止細胞分裂，去執(zhí)行一定的生物學(xué)功能，但在適當(dāng)?shù)拇碳は驴芍匦逻M入細胞周期的細胞，又稱為G0期細胞或休眠細胞，如淋巴細胞、肝等。,靜止期細胞（quiescent cell）,周期中細胞轉(zhuǎn)化為G0期細胞多發(fā)生在G1期 。,G1期：與DNA合成啟動相關(guān)，開始合成細胞生長所需要的多種蛋白質(zhì)、RNA但不合成DNA。同時染色質(zhì)去凝集。,S期:DNA, Histones,G2期：DNA復(fù)制完成，在G2期合成一定數(shù)量的蛋白質(zhì)和RNA分子,細胞周期中各個不同時期及其主要事件,細胞周期的檢驗點(check point),細胞要分裂，必須正確復(fù)制DNA和達到一定的體積，在獲得足夠物質(zhì)支持分裂以前，細胞不可能進行分裂。細胞周期的運行，是在一系列稱為檢驗點的嚴(yán)格檢控下進行的，這些檢驗點嚴(yán)格地監(jiān)視著細胞周期事件的發(fā)生、發(fā)展過程是否嚴(yán)格按程序進行。,Three “checkpoints” in the cycle,G0,細胞周期同步化,概念：細胞同步化是指在自然過程中發(fā)生的，或經(jīng)人為處理造成的細胞周期的同步化。 類型：自然同步化 人工同步化：選擇同步化：有絲分裂選擇法 細胞沉降分離法 誘導(dǎo)同步化：DNA合成阻斷法 中期阻斷法,某些水生動物的受精卵：如海膽卵可以同時授精，最初的3次細胞分裂是同步的。 增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入適宜環(huán)境后，它們一起發(fā)芽，同步分裂。,1、自然同步化,概念：自然界存在的細胞周期同步過程，稱為自然同步化。,Early embryo in most invertebrates and a few vertebrates,Fruit fly embryo,人工選擇同步化,有些種類的細胞，如裂殖酵母，不同時期的細胞在體積和重量上差別顯著，可以采用密度梯度離心方法分離出處于不同時期的細胞。 優(yōu)點:方法簡單省時，效率高，成本低。 缺點:對大多數(shù)種類的細胞并不適用。,是指人為地將處于不同時期的細胞分離開來，從而獲得不同時期的細胞群體。,密度梯度離心法：,有絲分裂選擇法：,M期細胞與培養(yǎng)皿的附著性低，振蕩脫離器壁收集。,優(yōu)點：操作簡單，同步化程度高，細胞不受藥物傷害。 缺點：獲得的細胞數(shù)量較少（分裂細胞約占1%2%）,成本高。,細胞同步化可以通過人工誘導(dǎo)而獲得，即通過藥物誘導(dǎo)，使細胞同步化在細胞周期中某個特定時期。,人工誘導(dǎo)細胞同步化,DNA合成阻斷法,采用低毒或無毒的DNA合成抑制劑特異地抑制DNA合成，而不影響處于其它時期的細胞進行細胞周期運轉(zhuǎn)，從而將被抑制的細胞抑制在DNA合成期的實驗方法。,常用胸腺嘧啶脫氧核苷摻入 (TdR) 雙阻斷法： 高濃度的胸腺嘧啶能夠阻斷DNA合成所需的核苷酸的合成, 在細胞處于對數(shù)生長期的培養(yǎng)基中加入過量TdR 。S期細胞被抑制，停在G1/S交界處。移去TdR ，釋放時間大于TS時，再次加入過量TdR 。,此方法的優(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。,分裂中期阻斷法：,秋水仙素可抑制微管的聚合, 因而抑制有絲分裂器的形成, 將細胞阻斷在有絲分裂的中期， 適當(dāng)時間后解除秋水仙素的作用，即獲得處于中期的同步化的細胞。這一方法稱為中期阻斷法。,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，若處理的時間過長，所得到的細胞常常不能恢復(fù)正常細胞周期運轉(zhuǎn)。,特異的細胞周期是指那些特殊的細胞所具有的與標(biāo)準(zhǔn)的細胞周期相比有著鮮明特點的細胞周期。 爪蟾早期胚胎細胞的細胞周期（受精卵的卵裂過程）,特異的細胞周期,細胞在成熟過程已經(jīng)積累了大量的物質(zhì)，不需要臨時合成物質(zhì)。 G1、G2期非常短，以至于認為細胞周期只有S期和M期。 子細胞不生長，越分裂體積越小。 基本的細胞周期調(diào)控因子和調(diào)節(jié)機制與一般體細胞標(biāo)準(zhǔn)的細胞周期基本是一致,-Embryonic cell cycles,有絲分裂，特點是有紡錘體和染色體出現(xiàn)，子染色體被平均分配到子細胞，這種分裂方式普遍見于高等動植物。,二、有絲分裂(mitosis),有絲分裂是包括核分裂和胞質(zhì)分裂兩個過程。 核分裂主要是通過紡錘絲的形成和運動，以及染色體的形成，把在S期已經(jīng)復(fù)制好了的DNA平均分配到兩個子細胞，以保證遺傳的連續(xù)性和穩(wěn)定性。由于這一時期的主要特征出現(xiàn)紡錘絲，故稱為有絲分裂。,變化：完成DNA的復(fù)制和有關(guān)蛋白質(zhì)的合成 結(jié)果：每個染色體都形成兩個姐妹染色單體，呈染色質(zhì)形態(tài),間期,間期,間期（interphase）,間期包括G1期、S期和G2期，主要進行DNA復(fù)制、中心體復(fù)制、細胞體積增大等準(zhǔn)備工作。,中心體在細胞間期復(fù)制。細胞分裂啟動，隨著染色質(zhì)濃縮，微管以中心體為核心向四周輻射開始大量組裝, 以中心體為核心向四周輻射，如同發(fā)出的光芒，因此，中心體與其周圍的微管一起被稱為星體,兩個星體即逐漸向細胞的兩極運動。,Stages of mitosis in an animal cell,為了便于描述,人為的劃分為六個時期： 前期(prophase) 前中期(premetaphase)； 中期(metaphase)； 后期(anaphase)； 末期(telophase)。 胞質(zhì)分裂期,有絲分裂前期(Prophase),染色質(zhì)開始濃縮，形成光鏡下兩條染色單體可辯的早期染色體結(jié)構(gòu),核仁在前期末縮小并消失。,前期的較晚時期，在著絲粒處逐漸組裝動粒,動粒又稱為著絲點，是附著于著絲粒上的一種細胞器，外側(cè)主要用于紡錘體微管附著，內(nèi)側(cè)與著絲粒相互交織。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)。,前中期（premetaphase ）,是指核膜破裂到染色體排列到赤道板之前的這段時間。核膜破裂，以小膜泡的形式分散在細胞質(zhì)中；,核纖層也隨之解聚成其組成成分核纖層蛋白,前中期的特征是染色體劇烈地活動,個別染色體劇烈地旋轉(zhuǎn)、振蕩、徘徊于兩極之間。,紡錘體微管捕獲染色體,S期中心粒已完成復(fù)制，在前期移向兩極，兩對中心粒之間形成紡錘體微管，核膜解體時，中心粒已到達兩極，部分微管侵入到細胞的中心區(qū)，結(jié)合到染色體的動粒上。,a 負向運動動力蛋白與來自姊妹中心體的紡錘體微管結(jié)合； b 負向運動動力蛋白向微管負極運動，將紡錘體微管牽拉在一起，形成早期紡錘體；,紡錘體裝配過程,c正向運動動力蛋白在紡錘體微管之間搭橋，借助正向運動，將紡錘體拉長； d負向運動的動力蛋白在細胞膜和星體微管之間搭橋，借助負向運動，將中心體進一步拉近兩極的細胞膜，紡錘體進一步被拉長。,極性微管:在紡錘體中部重疊，重疊部位結(jié)合有分子馬達 。 動粒微管 星體微管,紡錘體有三種微管結(jié)構(gòu)：,是指染色體排列到赤道面上，到姊妹染色單體開始分向兩極的一段時間，染色體呈輻射狀排列。染色體兩邊的牽引力達到平衡.,中期(metaphase),染色體排列在赤道板上。,形成典型的紡錘體spindle）；,染色體向赤道板上運動的過程稱為染色體列隊或染色體中板聚合。,染色體排列到赤道板上的機制,外推假說：染色體向赤道板方向的移動，是由于星體的排斥力將染色體外推的結(jié)果。染色體距離中心體越近，星體對染色體的外推力越強，當(dāng)來自兩極的推力達到平衡時，染色體被穩(wěn)定在赤道板上。,牽拉假說：染色體向赤道板方向運動，是由于動粒微管牽拉的結(jié)果。動粒微管越長，拉力越大，當(dāng)來自兩極的動粒微管的拉力相等時，染色體被穩(wěn)定在赤道板上。,.,著絲粒微管動態(tài)平衡形成的張力確保染色體正確排列在赤道板上,后期(anaphase),中期染色體的兩條染色單體相互分離，形成子代染色體，并分別向兩極運動，標(biāo)志著后期的開始。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。,在后期A，動粒微管變短，染色體逐漸向兩極運動； 在后期B，在后期B，極性微管長度增加，兩極間距離逐漸拉長；,后期A:微管去聚合假說,動力蛋白,該模型的可能機理是微管的正端插入動粒的外層, 后期開始時，動力蛋白沿動粒微管向微管負極行走，帶動染色單體向極部運動,當(dāng)動粒越過后，動粒微管末端降解，染色單體與兩極之間的距離逐漸拉近,有絲分裂后動粒沿動粒微管向極部運動,后期B紡錘體微管滑動假說,首先，極微管在+端添加微管二聚體進行聚合延長，使兩極的極微管產(chǎn)生重疊的帶。 第二，KRPs與在極性微管之間搭橋,向正極行走，促使來自極性微管在重疊區(qū)相互滑動，兩極之間的距離逐漸變長。 第三，胞質(zhì)動力蛋白在星體微管和細胞膜之間搭橋，并向星體微管負極運動，進一步將兩極之間的距離拉長。,Microtubules and Motors in the spindle,（五）末期(Telophase),從子染色體到達兩極，至形成兩個新細胞為止的時期。涉及子核的形成和胞質(zhì)分裂兩個方面。,主要特點是:染色體解螺旋形成細絲,出現(xiàn)核仁和核膜。,核膜開始重新組裝，子細胞核形成,分裂溝,細胞胞質(zhì)分裂(cytokinesis ),胞質(zhì)分裂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。,胞質(zhì)分裂通過胞質(zhì)收縮環(huán)的收縮實現(xiàn)，收縮環(huán)是由大量平行排列的肌動蛋白和肌球蛋白組裝成微絲束，環(huán)繞細胞.,用細胞松弛素處理這一時期的細胞，會出現(xiàn)什么現(xiàn)象？,收縮環(huán)收縮、收縮環(huán)處細胞膜融合并形成兩個子細胞,收縮環(huán),概念：減數(shù)分裂是細胞僅進行一次DNA復(fù)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.僅發(fā)生于有性生殖細胞形成過程中的某個階段。,四、減數(shù)分裂,減數(shù)分裂是生物有性生殖的基礎(chǔ)，是生物遺傳、生物進化和生物多樣性的重要基礎(chǔ)保證。,兩個基本特點 1.染色體組數(shù)目減半 2.發(fā)生遺傳重組,減數(shù)分裂前間期 (premeiosis) ： 細胞的有絲分裂間期相似，細胞核中的染色體完成自我復(fù)制，每一條染色體經(jīng)過自我復(fù)制成為兩條姐妹染色單體。,特點： S期持續(xù)的時間比較長，DNA進行不完全復(fù)制，并且復(fù)制總量的99.7%99.9%。細胞核大于其體細胞核。,減數(shù)分裂過程,由減數(shù)分裂前G2期細胞進入兩次有序的細胞分裂，即第一次減數(shù)分裂和第二次減數(shù)分裂。兩次減數(shù)分裂之間的間期或長或短，但無DNA合成。,減數(shù)分裂期： 減數(shù)分裂期：前期、前中期、中期、后期、末期和胞質(zhì)分裂期等6個階段。 減數(shù)分裂期：前期、前中期、中期、后期、末期和胞質(zhì)分裂期等6個階段。,前期（prophase ）,前期I（prophaseI）持續(xù)時間較長。在這漫長的時間過程中，要進行染色體配對和基因重組。此外，也要合成一定量的RNA和蛋白質(zhì)。,根據(jù)細胞形態(tài)的變化分為：細線期、偶線期、粗線期、雙線期、終變期5個階段。,1) 細線期（leptotene stage）,染色體端粒與核膜相連,而染色體的其它部分以袢狀伸延到核質(zhì)中。,又稱凝集期(condensation stage)，此期在光學(xué)顯微鏡下可逐漸見到染色體，染色質(zhì)在凝集前已復(fù)制，但仍呈單條細線狀，看不到成雙的結(jié)構(gòu)染色體。,偶線期：主要發(fā)生同源染色體配對，即來自父母雙方的同源染色體逐漸靠近，沿其長軸相互緊密結(jié)合在一起。因而，偶線期又稱為配對期。,2) 偶線期（zygotenen）,合成在S期未合成的約0.3的DNA:偶線期DNA（zygDNA）,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。聯(lián)會復(fù)合體沿同源染色體長軸分布，寬約1.52mm。,聯(lián)會復(fù)合體（synaptonemal complex）結(jié)構(gòu),由兩條同源染色體沿縱軸形成 主要由堿性蛋白質(zhì)和RNA組成，并含有少量DNA 形成合線期，成熟于粗線期，消失于雙線期,在電鏡下聯(lián)會復(fù)合體細微結(jié)構(gòu),3)粗線期（pachytene）,染色體進一步濃縮，變粗變短，并與核膜繼續(xù)接觸. 同源染色體上形成重組節(jié)，染色體發(fā)生交換和重組。 在粗線期，也合成一小部分尚未合成的DNA，稱為P-DNA編碼一些與DNA點切和修復(fù)有關(guān)的酶類,保持染色體的完整性。 合成減數(shù)分裂期專用的組蛋白，并把體細胞類型的組蛋白部分或全部置換下來。,主要特征：,4)雙線期（dipleotene stage）,主要特征：,重組階段結(jié)束，同源染色體相互分離，聯(lián)會復(fù)合體消失，同源染色體僅留幾處相互聯(lián)系。 染色體與核被膜脫離接觸。 染色體或多或少地去凝集， RNA合成活躍。,又稱合成期,同源染色體仍然相聯(lián)系的部位稱為交叉（crossover，chiasma）,5)終變期（diakinesis stage）,主要特征：, 交叉端化，二價體變短，在核內(nèi)均勻散開, 到達終變期末，同源染色體之間僅在其端部和著絲粒處相互聯(lián)結(jié). 核仁消失，核膜解體。 中心體復(fù)制完成，并開始移向兩極。,姐妹染色單體的交叉隨時間的推移向末端移動，這