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第十二章 细胞增殖.ppt

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第十二章 细胞增殖及其调控,,细胞增殖(cell proliferation)的意义,◆细胞增殖(cell proliferation)是细胞生命活动的重要特征之一,是生物繁育的基础。 ◆单细胞生物细胞增殖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)分裂发育而来, 细胞增殖是多细胞生物繁殖基础。 ◆成体生物仍然需要细胞增殖,主要取代衰老死亡的细胞, 维持个体细胞数量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,都要依赖细胞增殖。,第一节 细胞周期的概述,概念: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内含物分配给子细胞。 细胞周期时相组成 细胞周期时间 根据增殖状况,细胞分类三类,细胞周期时相组成,·间期(interphase): G1 phase,S phase,G2 phase M phase: 有丝分裂期(Mitosis), 胞质分裂期(Cytokinesis)细胞沿着G1→S→G2→M→G1周期性运转,在间期细胞体积增大(生长),在 M 期细胞 先是核分裂,接着胞质分裂,完成一个细胞周期。,,,细胞周期时间,·不同细胞的细胞周期时间差异很大·S+G2+M 的时间变化教小,细胞周期时间长短主要差别在G1期·有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期,,,根据增殖状况,细胞分类三类,·连续分裂细胞(cycling cell) ·休眠细胞(Go细胞) ·终末分化细胞G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划 分,有的细胞过去认为属于终末分化细胞,目前 可能被认为是G0期细胞。,,细胞周期中不同时相及其主要事件,◆ G1期 ◆ S 期 ◆ G2期 ◆ M 期,,G1期,·与DNA合成启动相关,开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等,同时染色质去凝集。,,G2期,·DNA复制完成,在G2期合成 一定数量的蛋白质和RNA分子,,M 期,·M期即细胞分裂期,真核细胞的细胞分裂主 要包括两种方式,即有丝分裂(mitosis)和 减数分裂(meiosis)。遗传物质和细胞内其 他物质分配给子细胞。,,S期,·DNA复制与组蛋白合成同步,组成核小体串珠结构·S期DNA合成不同步,,,Experimental demonstration of the coordinated Synthesis of DNA and hitones.,细胞周期长短测定,◆脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法 ◆流式细胞仪测定法(Flow Cytometry) ◆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的准确时间。,,细胞周期同步化,◆自然同步化,如有一种粘菌的变形体plasmodia,某些受精卵早期卵裂 ◆人工选择同步化◆药物诱导法◆条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用: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期中某一特定时期。,,,,人工选择同步化,·有丝分裂选择法:用于单层贴壁生长细胞。优点是细胞未经任何药物处理,细胞同步化效率高。缺点是分离的细胞数量少。 ·密度梯度离心法:根据不同时期的细胞在体积和重量 上存在差别进行分离。优点是方法 简单省时,效率高, 成本低。缺点是对大多数种类的细胞并不适用。,,药物诱导法,· DNA合成阻断法 ─ G1/S-TdR双阻断法:最终将细胞群阻断于G1/S交界处。优点是同步化效率高,几乎适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱导过程可造成细胞非均衡生长 · 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,将细胞阻断在细胞分裂中期。优点是操作简便,效率高。缺点是这些药物的毒性相对较大,,爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期,·细胞分裂快,无G1期, G2期非常短,S期也短(所有复制子都激活), 以至认为仅含有S期和M期 ·无需临时合成其它物质 ·子细胞在G1、G2期并不生长,越分裂体积越小·细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本是一致的,,第二节细胞分裂,一、有丝分裂(mitosis) ●前期(prophase) ●前中期(prometaphase) ●中期(metaphase) ●后期(anaphase) ●末期(telophase),前期(prophase),◆标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩(condensation)形成有丝分裂染色体(mitotic chromosome) ◆第二个特征细胞骨架解聚,有丝分裂纺锤体 (mitotic spindle)开始装配 ◆Golgi体、ER等细胞器解体,形成小的膜泡,,,·这种染色体由两条染色单体(chromatid)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动粒(kinetochore),,间期动物细胞含一个MTOC,即中心体,在S期末,两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒,形成两个中心体。当前期开始时,2个中心体移向细胞两极,并同时组织微管生长,由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连,最后形成有丝分裂纺锤体。,,,,前中期(prometaphase),◆核膜破裂成小的膜泡,这一过程是由核纤层蛋白中特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体◆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◆不断运动的染色体开始移向赤道板。细胞周期也由前中期逐渐向中期运转。,,,前中期(prometaphase),,,核纤层解体,,三种类型的微管,中期(metaphase),◆所有染色体排列到赤道板(Metaphase Plate)上,标志着细胞分裂已进入中期◆是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上?·着丝粒微管动态平衡形成的张力,,中期(metaphase),,.,,MT behavior during formation of the metaphase plate. Initially,MT from opposite poles are different in length.,,Experimental demonstration of the importance of mecha- nical tension in metaphase checkpoint control.,着丝粒微管动态平衡形成的张力,后期(anaphase),◆排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产生向极运动 ◆后期(anaphase)大致可以划分为连续的两个阶段,即后期A和后期B·后期A,动粒微管去装配变短,染色体产生两极运动·后期B,极间微管长度增加,两极之间的距离逐渐拉长,介导染色体向极运动,,,后期(anaphase),,后期A,,,后期B,末期(telophase),◆染色单体到达两极,即进入了末期(telophase),到达两极的染色单体开始去浓缩 ◆核膜开始重新组装 ◆ Golgi体和ER重新形成并生长 ◆核仁也开始重新组装,RNA合成功能逐渐恢复,有丝分裂结束,,末期(telophase),动物细胞胞质分裂,◆胞质分裂(cytokinesis)开始于细胞分裂后期,在赤道板周围细胞表面下陷,形成环形缢缩,称为分裂沟(furrow)。分裂沟的位置与纺锤体极性微管和钙离子浓度升高的变化有关◆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丝并相互组成微丝束,环绕细胞,称为收缩环(contractile ring)。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞,,,分裂沟(furrow),,收缩环,植物细胞胞质分裂,◆与动物细胞胞质分裂不同的是,植物细胞胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开,,,植物细胞胞质分裂,第三节 细胞周期调控,,ⅠMPF的发现及其作用:,MPF,即卵细胞促成熟因子(maturation-promoting factor),或细胞促分裂因子(mitosis-promoting factor),或M期促进因子(M phase-promoting factor). 背景一: Rao和Johnson(1970、1972、1974)将Hela细胞同步于不同阶段,然后与M期细胞在灭活仙台病毒介导下诱导细胞融合,发现与M期细胞融合的间期细胞产生了形态各异的染色体凝集,称之为染色体超前凝集(prematurely condensed chromosome,PCC)。如图所示:,G1期PCC为单线状,S期PCC为粉末状,G2期PCC为双线染色体, 因DNA未复制;因DNA由多个部位开始复制;说明DNA复制已完成。,G1与M融合,S与M融合,G2与M融合,人M期细胞与袋鼠(Ptk)G1、S、G2期细胞融合诱导PCC: 这就意味着M期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子,称为细胞促分裂因子。,不仅同类M期细胞可以诱导PCC,不同类的M期细胞也可以诱导PCC产生:,背景二:1971年,Masui和Markert用非洲爪蟾做实验,明确提出了MPF这一概念。非洲爪蟾卵细胞发育过程分为六个阶段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ和Ⅵ期。前四个时期为卵母细胞生成和生长阶段 。其中 第Ⅳ期时细胞核较大,称为生发泡(germinal vesicle,GV),此时细胞就停留在该时期,等待成熟。,因此,在成熟卵细胞的细胞质中必然有一种物质,可以诱导卵母细胞成熟,称之为促成熟因子,MPF。 进一步实验表明:在成熟卵母细胞中,MPF已经存在,只是处于非活性状态,称为前体MPF(preMPF)。非活性态的前体MPF通过翻译后修饰,可以转化为活性态的MPF。,分离纯化出MPF:,直到1988年,Maller实验室的Lohka等人才以非洲爪蟾为材料,分离得到了微克级的纯化的MPF。证明其含有p32和p45两种蛋白。二者结合后表现出蛋白激酶活性,可以使多种蛋白质底物磷酸化。证明,MPF是一种蛋白激酶。,①MPF组成:p32+p45②MPF概念:又称细胞促分裂因子或M期促进因子,是由细胞周期蛋白与周期蛋白依赖性蛋白激酶组成的复合物,能启动细胞进入M期。,结果,Ⅱ p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系:,另一批生物学家以酵母为材料,从另一个侧面对细胞周期调控进行着深入研究.如:L.Hartwell以芽殖酵母为实验材料, P.Nurse以裂殖酵母为实验材料。 他们的实验原理都相同:均是在不同温度下培养酵母,获得不同的温度敏感突变体, 这些不同的突变体在限定温度下,会滞留在细胞周期的某个阶段以及表现出不同的形态结构。这些与细胞分裂和周期调控有关的基因被称为 (cell division cycle) cdc基因,根据被发现的先后顺序被命名。,,P.Nurse在裂殖酵母中发现的cdc2基因就是第一个被分离出来的cdc基因。其表达产物是一种相对分子量为34×103的蛋白,被称为p34cdc2,进一步研究发现, p34cdc2具有激酶活性,可使多种蛋白底物磷酸化,在裂殖酵母周期调控中起关键性调节作用。 L.Hartwell在芽殖酵母中发现的cdc28基因是第二个被分离出的cdc基因,其表达产物也是一种相对分子量为34×103的蛋白,被称为p34cdc28,它也是一种蛋白激酶,在G2/M转换过程中起中心调节作用。,,由此得出p34cdc2与p34cdc28是同源物。进一步研究发现:二者本身并不具有激酶活性,只有当其与有关蛋白结合后,其激酶活性才能够表现出来。例如: p34cdc2必须与另一种蛋白p56cdc13结合后才具有激酶活性。 很快Maller+Nurse证明:MPF中的p32可以被p34cdc2特异抗体所识别,并且p34cdc2多肽片断可以加速MPF活性,表明二者是同源物。,Hartwell还通过研究酵母菌细胞对放射线的感受性,提出了checkpoint(细胞周期检验点)的概念,意指当DNA受到损伤时,细胞周期会停下来。,芽殖酵母及其细胞周期,裂殖酵母及其细胞周期,二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系,①cdc2基因表达产物:p34cdc2激酶 ②cdc28基因表达产物:p34cdc28激酶研究三: Maller实验室和Nurse实验室合作:p34cdc2与MPF中p32两者为同源物。,研究结果,二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系,研究四:Hunt (1983)以海胆卵为材料 ①周期蛋白 ②Maller实验室和Nurse实验室合作 MPF另一种主要成分为周期蛋白B, 周期蛋白B与p56cdc13为同源物。,,在研究酵母的同时,以Tim Hunt为代表的另一批科学家正在以海胆卵为材料,对细胞周期调控进行着深入研究。他们发现:有两种蛋白质的含量随细胞周期进程的变化而变化,一般在细胞间期内积累,在细胞分裂期内消失,在下一个周期中又重复这一消长现象。因此称这两种蛋白为细胞周期蛋白(cyclin)。并很快被分离和克隆出来,证明其广泛存在于从酵母到人类等各种真核生物中,而且在功能上存在互补性。 Maller+Hunt合作证明:MPF中的另一种成分是周期蛋白B。序列分析证明,周期蛋白B与酵母的p56cdc13是同源物。,MPF,,2001年10月8日美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖,Ⅲ 周期蛋白:,自1983年首次发现周期蛋白后,许多科学家纷纷开展周期蛋白研究,短短10年就从各种生物中克隆分离了数十种周期蛋白,如酵母的Cln1、Cln2、Cln3、Clb1-Clb6,高等动物的周期蛋白A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等等。 各种周期蛋白均含有100个左右的保守氨基酸序列,称为周期蛋白框,它可介导周期蛋白与CDK结合。 M期周期蛋白(A2,B1)分子的N端含有破坏框。G1期周期蛋白分子的C端含有一个PEST序列。,,部分周期蛋白分子结构特征,图中除Cln3外,均为人的周期蛋白分子,所有这些分子均含有一个周期蛋白框。,,细胞周期蛋白的破坏框与降解途径,G1周期蛋白也通过类似的途径降解,但其N端没有破坏框,C端有一段PEST序列与其降解有关。,部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK激酶活性的关系。,不同周期蛋白的表达时期不同,与不同的CDK结合,调节不同CDK激酶的活性。,五、细胞周期运转调控,五、细胞周期运转调控,(一)G2-M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用(二)M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化 APC (三)G1-S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK激酶 CDK2、CDK4、CDK6激酶 (四)DNA复制延搁点参与调控S/G2/M期转化,(一)G2-M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用,CDK1激酶活性综合调控示意图,(二)M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化,周期蛋白降解盒与降解途径,泛素介导的周期蛋白降解,图解,(三)G1-S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK激酶,(四)DNA复制延搁点参与调控S/G2/M期转化,归纳:,归纳:,1.细胞周期各时期主要变化是什么?2.细胞周期时间是如何测定的?3.细胞周期同步化有哪些方法?比较其优缺点。4.试比较有丝分裂与减数分裂的异同点?5.细胞周期中有哪些主要检验点,各起什么作用?6.举例说明CDK激酶在细胞周期中是如何执行调节功能的。,思考题,
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