细胞增殖及其调控.

第十一章细胞增殖及其调控●细胞增殖(cellproliferation)的意义第一节细胞周期与细胞分裂第二节细胞周期调控细胞增殖概述增殖是生命的基本特征之一，在人体及所有多细胞生物体生长发育时，细胞数目的增加，衰老、死亡、细胞的更新、生物的遗传、变异、生命的延续，均需要通过细胞增殖来完成。细胞数目的增加：①受精卵（一个细胞，10-6g）→出生婴儿（3000g）②出生婴儿（3000g）→成年人90000g细胞的更新：机体组织的更新:①血液红细胞更新；②小肠绒毛上皮细胞每2~3天更新一遍；③子宫内膜的周期性脱落；④意外损伤，手术治疗、器官移植、创口的修复。细胞增殖的方式细胞增殖：细胞通过分裂使细胞数目增加，并且使子细胞获得和母细胞相同遗传特性的过程。一、无丝分裂（直接分裂）细胞分裂过程中，没有出现细胞分裂器，由细胞核和细胞质直接分裂成两个子细胞，故又称直接分裂。（见图）过程：①核先延长，从核中部向内凹陷；②断裂成两个细胞核③整个细胞从中部缢裂成两个部分，形成两个子细胞。特点：分裂快，时间短、耗能少，如迅速生长的器官,创伤修复，病理代偿情况（肝炎、肝癌等）二、有丝分裂（间接分裂）有丝分裂核分裂胞质分裂有丝分裂：其分裂过程包括核的分裂、染色体和纺锤体的形成以及核分裂之后随既而来的胞质分裂。特点：①有有丝分裂器；②保证复制的遗传物质平均地分配给两个子细胞，并诱导胞质分裂；③是真核生物体细胞增殖的主要方式。三减数分裂（减数分裂）减数分裂是生殖细胞（配子：精子、卵子）特殊的一种分裂方式：是配子发生过程中产生精子和卵子的一种特殊的有丝分裂。生殖是生命的特征之一，通过生殖，生命才得以延续、繁衍、并完成进化过程。减数分裂是染色体数目减半的有丝分裂脱氧核糖核酸复制一次，细胞连续分裂两次，结果形成四个子细胞，染色体数目减半。细胞增殖(cellproliferation)的意义◆细胞增殖(cellproliferation)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。第一节细胞周期与细胞分裂一、细胞周期(cellcycle)二、有丝分裂(mitosis)三、减数分裂(Meiosis)图11—1标准细胞周期一、细胞周期(cellcycle)（一）细胞周期概述（二）细胞周期中各个不同时相及其主要事件（三）细胞周期长短测定（四）细胞周期同步化（五）特异的细胞周期（一）细胞周期概述◆细胞增殖周期（细胞周期）：是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束开始，到下一次有丝分裂完成所经历的整个连续过程。其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞。◆完成每一周期都必须执行四项任务：①准确地复制脱氧核糖核酸（遗传物质复制）②合成细胞结构和功能性物质（RNA，蛋白质,细胞器组分等）③建立有关细胞分裂的结构和信息传递机制④细胞核和细胞质分裂◆不同的生物或不同组织的细胞周期差别较大。1、细胞周期时相组成间期(interphase):G1phase，Sphase，G2phaseMphase: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。一般来说，S+G2+M时间变化小，尤其M持续的时间恒定，常常仅持续30分钟左右，而G1期持续时间差异大（如胚胎期细胞可能缺乏G1期）。图--细胞周期2、根据增殖状况将细胞分为三类（1）周期中细胞(cyclingcell)周期中细胞也叫连续分裂细胞又叫继续增殖细胞：周期中细胞始终保持具有增殖能力，不断进行分裂，周期间稳定，如造血干细胞、睾丸精原细胞、消化道黏膜细胞、胚胎早期细胞。（2）静止期细胞（quiescentcell)静止期细胞（quiescentcell)休眠细胞或G0期细胞又叫暂不增殖细胞：经分化后行使一定的功能，一般情况下，不进行分裂，处于G0期，一旦受到某些刺激，越过R点，重新进入细胞周期，进行细胞分裂如肝、肾细胞：当肝、肾受损伤，需要增殖补充时，离开G0期，进入细胞增殖周期。G0期细胞是一类停留在G1期暂不增殖的细胞。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。（3）终末分化细胞终末分化细胞又叫永不增殖细胞：高度分化，丧失增殖能力，如角质细胞，神经细胞,肌细胞,成熟红细胞等,这些细胞终身处于G0期，通过衰老→死亡。（二）细胞周期中不同时相及其主要事件1、G1期（脱氧核糖核酸合成前期）2、S期（脱氧核糖核酸合成期）3、G2期（脱氧核糖核酸合成后期）4、M期（有丝分裂期）1、G1期不同的细胞G1期时间差异较大：G1期时间变化较大的根本原因具有一个调节细胞增殖周期开和关的“阀门”，称为限制点（限制指出，R点）。G1期特点:◆合成大量的rRNA，mRNA，tRNA及核蛋白体。◆RNA合成导致结构蛋白和酶蛋白的大量合成。◆细胞代谢旺盛，体积迅速增大为S期的DNA复制进行物质和能量的准备。总之，G1期与DNA合成启动相关，开始合成细胞生长所需的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂等，同时染色质去凝集。（1）R点可用血清饥饿方法测定在G1期的具体位置。（对控制培养细胞的生长、以及给机体细胞的分裂生长提供数据）（2）R点对环境信号敏感。（如RNA，蛋白质，氨基酸,某些离子，温度，pH值）（3）R点能感受细胞体积的大小?两个子细胞体积较大的细胞→G1期短；体积较小的细胞→G1期较长NP＜0.3,细胞越过R点→分裂NP＞0.5，细胞经生长，等体积达到阈值→越过R点→分裂2、S期大量实验证明，G1→S期，活化基因大量表达。S期代谢特征：◆完成脱氧核糖核酸和有关组蛋白合成；◆DNA含量增加一倍；在S期，重新复制一套同原来质量相同的脱氧核糖核酸分子,染色体由两条染色单体构成。◆非组蛋白,RNA聚合酶合成活跃；◆中心粒复制◆DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构3、G2期G2期特点:主要为有丝分裂期准备物质条件◆合成一些与M期结构,功能有关的蛋白质，与核膜破裂、染色体凝聚相关的成熟促进因子;◆微管蛋白合成达高峰;◆合成有丝分裂的因子和骨架系统的蛋白质;◆中心粒逐渐长大,向两极移动;◆复制因子失活;◆合成M期所需的物质和能源。4、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)。体细胞一般进行有丝分裂；成熟过程中的生殖细胞进行减数分裂。细胞经过分离，将其遗传物质载体和细胞内其他物质分配给子细胞。图---ExperimentaldemonstrationofthecoordinatedSynthesisofDNAandhitones.（三）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(FlowCytometry)◆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）（四）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：细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。缺点：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：方法简单省时，效率高，成本低。缺点：对大多数种类的细胞不适用。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：同步化效率高，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。◆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：操作简便，效率高。缺点：这些药物的毒性相对较大。（五）特异的细胞周期特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期。1、爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期2、酵母细胞的细胞周期3、植物细胞的细胞周期4、细菌的细胞周期图--爪蟾早期胚胎细胞图--爪蟾卵细胞1、爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期显著特点：◆细胞分裂快,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。2、酵母细胞的细胞周期酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似。酵母细胞周期明显特点:◆酵母细胞周期持续时间较短；◆封闭式细胞分裂，即细胞分裂时核膜不解聚；◆纺锤体位于细胞核内；◆在一定环境下，也进行有性繁殖。3、植物细胞的细胞周期植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时期。显著特点：◆植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体。◆植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂。◆与动物细胞胞质分裂不同的是，植物细胞胞质分裂是在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开。图---植物细胞的有丝分裂4、细菌的细胞周期显著特点：◆慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处。其DNA复制之前的准备时间与G1期类似。分裂之前的准备时间与G2期类似。再加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备四个时期。◆细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾？二、有丝分裂(mitosis)有丝分裂特征：◆由染色质开始浓缩形成有丝分裂染色体(mitoticchromosome）◆姐妹染色体是两条染色单体(chromatid)构成，彼此以着丝点相连，在有丝分裂过程后，两条染色单体分离到两个子细胞中。◆中心体在有丝分裂中产生的，由微管及其结合蛋白所组成的星体和纺锤体，而纺锤体是一种与细胞分裂和染色体运动直接相关的临时性细胞器，因纺锤体形状的微管结构得名有丝分裂。有丝分裂染色体(mitoticchromosome）姐妹染色体：这种染色体由两条染色单体(chromatid)构成，彼此以着丝点相连。动粒(kinetochore）：在前期末，染色体主缢痕部位（着丝点表面）形成一种蛋白复合物称为动粒。每个姐妹染色体有二个动粒。姐妹染色体一侧的动粒连接动粒微管。动粒kinetochore微管microtubules中心体在有丝分裂中产生的由微管及其结合蛋白所组成的星体和纺锤体。星体：围绕中心粒向四周辐射的微管。中心粒星体微管中心体纺锤体：由大量微管纵向排列组成中间宽，两极缩小的纺锤状结构。纺锤体微管极微管（连续丝）横桥染色体微管着丝点极微管染色体微管区间微管有丝分裂器功能：在维持染色体的平衡、运动、分配起着极为重要作用。（一）有丝分裂过程（图）1、前期(prophase)2、前中期(prometaphase)3、中期(metaphase)4、后期(anaphase)5、末期(telophase)6、胞质分裂（cytokinisis）（二）有丝分裂特征有丝分裂过程间期核膜核仁染色质中心粒前期中期后期末期赤道板收缩环造成的分裂沟动物细胞的有丝分裂1、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(mitoticchromosome）（图）；◆第二个特征细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体(mitoticspindle)开始装配；◆Golgi体、ER等细胞器解体，形成小的膜泡；图--前期(prophase)有丝分裂纺锤体间期动物细胞含一个MTOC，即中心