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第十一章细胞增殖及其调控细胞增殖的意义细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一；细胞增殖是生物繁育的基础；成体生物仍然需要细胞增殖，以弥补代谢过程中的细胞损失；细胞增殖被严密的调控机制所监控。细胞分裂类型无丝分裂有丝分裂减数分裂一．细胞周期各时相的特点定义：从一次细胞分裂结束开始，经过物质积累过程，直至下一次细胞分裂结束为至，称为一个细胞周期。分裂间期：G1期→S期→G2期分裂期：M期：前期、中期、后期、末期同种细胞间周期时间长短相似或相同；不同种类细胞间，周期长短差别大。S+G2+M的时间变化较小，细胞周期时间长短差别在G1期。（卵细胞，G1短；白血病细胞，G1长。）部分细胞的细胞周期没有G1、G2期。（上皮基底层细胞）（1）G1期生长期：开始合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、脂质等，但不合成细胞核DNA。检验点x2/限制点/G1DNA损伤检验点/起始点（@G1晚期）作用：检验DNA是否损伤；细胞大小和合适的环境条件；影响因素：外在因素——营养供给、相关的激素刺激内在因素——一些与细胞分裂周期相关的基因（cdc）连续分裂细胞：在细胞周期中连续运转的细胞，又称为连续分裂细胞或可育细胞。如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。三种命运休眠细胞(G0期)：暂时离开细胞周期，细胞分裂，去执行一定的生物学功能。在适当的刺激下可重新进入细胞周期的细胞，又称为G0期细胞或休眠细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。终端分化细胞：不可逆地脱离细胞周期，丧失分裂能力，保持生理机能活动的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。G1期特点：G1期是细胞周期中最长的时期；如果缺乏营养，或抑制增殖的信号，细胞会进入G0期；G1期有两个checkpoints：restrictionpoint和G1DNAdamagecheckpoint肿瘤细胞失去这些checkpoints，在没有环境刺激信号时，和DNA受损时，仍继续分裂。G0期特点：G0期细胞不敏感；给予适当的刺激,G0期可以重新进入细胞周期（2）S期DNA合成期：按半保留复制的方式进行DNA精确复制特点：多个复制起始点、DNA复制不同步、组蛋白合成与DNA复制同步（3）G2期合成RNA和蛋白质，为细胞进入有丝分裂做准备，如微管蛋白、ATP；染色体由2n变成4n；检验点x2：G2DNA损伤检验点:如果发现未配对的或受损的DNA，会激活一个蛋白激酶的级联反应，导致G2-delay；中心体复制检验点：检查中心体是否复制（4）M期：有丝分裂期中期检验点(也称纺锤体组装检验点)二．有丝分裂1.过程：前期：染色质凝集，核仁消失，前期末动粒（蛋白复合物）形成，与着丝粒相连；有丝分裂器开始装配，分裂极确定：中心体复制完成，移向两极，参与纺锤体的装配；早中期（指核膜破裂到染色体排列到赤道板之前的这段时间）：核膜瓦解；星体装配纺锤体，纺锤丝捕获染色体；染色体开始整列；中期（染色体排列到赤道面上，到姊妹染色单体开始分向两极的一段时间）：染色体排列在赤道面；后期：姐妹染色单体向两极移动(后期A)；纺锤体两极分离，细胞被拉长(后期B)；末期：姐妹染色单体分离到达两极，动粒微管消失，极微管继续加长；到达两极的染色单体开始去浓缩，核纤层与核膜重新组装，分别形成两个子代细胞核；核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复胞质分裂植物细胞：成膜体，细胞板(微管、ER、Golgi体)成膜体：分裂未期，赤道面处的纺缍丝保留下来，并增加微管数量，向四周扩展，桶状结构。细胞板：来自内质网和高尔基体的含有多糖的小泡移向成膜体，小泡膜与其融合。动物细胞：肌动蛋白和肌球蛋白在赤道面构成收缩环（反向排列的微丝），收缩环逐渐收缩，收缩环处细胞膜融合，形成两个子细胞。2.重要概念（1）熟前染色体凝集（P.C.C）：H1组蛋白的磷酸化诱导染色质由线形经过螺旋化，折叠和包装等过程形成早期染色体结构。（2）纺锤体概念：由大量微管纵向排列组成的中间宽两极小（纺锤状）的细胞器。动物细胞的纺锤体两端有星体（由中心粒构成的）称为有星纺锤体；植物细胞的纺锤体没有星体称无星纺锤体。由3种丝状结构组成星体丝（星体微管）染色体丝（动粒微管）连续丝（极性微管）有丝分裂器：由星体、纺锤体和染色体组成（3）中心体和中心粒中心体（星体）决定细胞分裂的极性一个中心体由2个中心粒组成；在中心体周围组装微管（纺锤丝），装配的核心部分有γ-微管蛋白（位于中心外基质）；纺锤丝以搭桥形式形成纺锤体。中心体的复制：G1末期开始复制，S期完成，但不分开。G2期开始向两极移动。（5）着丝粒和着丝点（动粒）：着丝粒：主缢痕部位的染色质(卫星DNA)着丝点：着丝点：着丝粒外侧的蛋白复合物(圆盘状、三层)（6）有关染色体移动的各种假说A.牵引平衡说中期牵拉假说：染色体向赤道面方向运动，是由于动粒微管牵拉的结果；动粒微管越长，拉力越大，当来自两级的动粒微管的拉力相等时，染色体即被稳定在赤道面上。外推假说：染色体距离中心体越近，星体对染色体的外推力越强，当来自两极的推力达到平衡时，染色体即被稳定在赤道面上。B.微管集散说（解释后期染色单体分离和向两级移动的运动机制）在后期A：染色体丝解聚变短，将染色体逐渐拉向两极；后期B：连续丝聚合加长，将两极之间的距离拉长。C.微管滑动说微管马达蛋白首先结合到动粒上，在ATP分解提供能量的情况下，沿动粒微管向极部运动，并带动动粒和染色体向极部运动；动粒微管的末端随之解聚成微管蛋白二聚体，动粒微管变短，动力和染色单体与两极之间的距离逐渐拉近；当染色单体接近两极，后期A结束，在后期B，极微管游离端（正极）在ATP提供能量的情况下与微管蛋白聚合，使极微管加长；着丝粒动粒微管极性微管星体微管马达蛋白KRPs（驱动蛋白相关蛋白）与极微管重叠区结合并在来自两级的极微管之间搭桥；KRPs向微管正极行走，促使两级的极微管在重叠区相互滑动，使重叠区逐渐变狭窄，两极之间的距离逐渐变长；同时，胞质动力蛋白在星体微管和细胞膜之间搭桥，并向星体微管负极运动，进一步将两极之间的距离拉长。成膜体(phragmoplast)和细胞板(cellplate)——植物细胞成膜体：分裂未期，赤道面处的纺缍丝保留下来，并增加微管数量，向四周扩展，形成桶状结构。细胞板：来自内质网和高尔基体的含有多糖的小泡移向成膜体，小泡膜与其融合。三．减数分裂减数分裂是细胞只进行一次DNA复制，随后进行两次分裂，染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂。减数分裂Ⅰ间期的特点：S期长，复制99.7—99.9%的DNA；G2期是有丝分裂向减数分裂转变的关键点1．减数分裂过程间期Ⅰ：合成99.7%DNA细线期：染色质呈细线状合线期（偶线期）：同源染色体联会减数合成0.3%的Z-DNA分裂Ⅰ前期Ⅰ粗线期：同源染色体的非姐妹染色单体发生交换，P-DNA合成双线期：交叉和端化终变期：染色体呈棒状，核摸瓦解中期Ⅰ：染色体排列在赤道面上后期Ⅰ：同源染色体分离，非同源染色体自由组合末期Ⅰ：胞质分裂间期Ⅱ极短，没有DNA合成减数前期Ⅱ与有丝分裂相同分裂Ⅱ中期Ⅱ后期Ⅱ染色单体分离末期Ⅱ4个单倍体子细胞细线期：染色质凝缩，染色质纤维逐渐螺旋化、折叠，包装成细纤维样染色体结构；合成期：同源染色体配对，形成二价体/四分体/联会复合体；合成在S期未合成的约0.3％的DNA；粗线期：染色体进一步浓缩，变粗变短，结合紧密，在光镜下只在局部可以区分同源染色体；重组结形成，染色体发生交换和重组；合成一小部分未合成的DNA（P-DNA），保持染色体的完整性，防止断裂；编码与DNA切点与修复有关的酶；合成减数分裂期专用的组蛋白，并把体细胞类型的组蛋白部分或全部置换下来；双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交叉点（chiasma）上还保持着联系；染色体进一步缩短，在电镜下看不到联会复合体；终变期：交叉向端部移动，发生端化，二价体显著变短，并向核周边移动，在核内均匀散开，是观察染色体的良好时期；核仁消失，核膜解体；中心体复制完成，并开始移向两极；中期Ⅰ：核膜破裂，染色体在纺锤丝作用下排列在赤道面上；后期Ⅰ：同源染色体对分离并向两极移动；非同源染色体自由组合末期Ⅰ：胞质分裂2．减数分裂的意义（1）使有性生殖的生物种类能保持染色体数目的稳定（2）发生变异，确保生物的多样性，增强生物体对外界环境的适应性。3．重要概念同源染色体：成对，且形态、大小相同，并在减数分裂前期相互配对的染色体。含相似的遗传信息。（1）联会复合物（SCsynaptonemalcomplex）SC位于同源染色体的非姐妹染色单体之间；有侧生组分、中央组分和L-C纤维组成；在细线期合成，双线期消失。（2）交换（基因重组）联会是实现交换的前提条件；交换时，核酸酶、DNA聚合酶、连接酶活性上升。有丝分裂与减数分裂的比较四．细胞周期的调控1．促成熟因子MPF（卵细胞成熟促进因子maturationpromotingfactor/细胞有丝分裂成熟因子/M期促进因子）MPF含有p32和p45两种蛋白，p32为蛋白激酶；P32与p45结合后表现出蛋白激酶活性2.温度敏感突变体和cdc（celldivisioncycle）gene允许温度和限定温度对芽殖酵母来说，允许温度常为20~23℃，限定温度常为35~37℃；由于基因突变，使得酵母在限定温度下（35~37℃）停止分裂cdc2基因是第一个被分离出来的cdc基因，表达的蛋白为：p34cdc2参与裂殖酵母细胞周期调控、cdc2基因突变使细胞停留在G2/M交界处cdc28基因是第二个被分离出来的cdc基因，表达的蛋白为：p34cdc28芽殖酵母、cdc28基因突变使细胞停留在G2/M或G1/S交界处酵母p34cdc2=MPF中的p32（催化亚单位）酵母p56cdc13=MPF中的p45（调节亚单位）3．细胞周期蛋白cyclin和周期蛋白依赖性蛋白激酶CDK（cyclin-dependentkinase）cyclinB==MPF中的p45（调节亚单位）cyclinB==酵母p56cdc13（调节亚单位）MPF=p34cdc2+p56cdc13=p34cdc2+cyclinBG1期周期蛋白：cyclinC、D、EM期周期蛋白：cyclinA、B周期蛋白通过泛素化途径而裂解不同的CDK在细胞周期的不同时期表现出激酶催化活性。Cdc2激酶（P34cdc2）被命名为CDK1，第一个被发现的激酶；Cyclin具有一段相当保守的氨基酸序列，称为周期蛋白框(cyclinbox)，是与激酶结合的部位，介导周期蛋白与CDK结合；不同的周期蛋白框识别不同的CDK，组成不同的cyclin-CDK复合体，表现出不同的CDK活性。MPF同源物3．细胞周期的调控(1)Cyclin调节CDKs的活性(2)CDK活化激酶(CAK)调节cyclin/CDK复合物的活性(3)Wee1(inactivatingkinase)andCdc25(activatingphosphatase)调节cyclin/CDK的活性↓↓↓CDK1的活性调控周期蛋白与CDK1结合形成cyclin/CDK复合物；CDK活化激酶（CAK）催化CDK第161位的苏氨酸磷酸化；Wee1/mik1激酶催化CDK第14位的苏氨酸（Thr14）与第15位的酪氨酸（Tyr15）磷酸化；CDK在蛋白磷酸水解酶cdc25C的催化下，使其Thr14和Tyr15去磷酸化，表现出激酶活性；细胞周期运转到分裂中期后，周期蛋白与CDK分离，在APC作用下，M期的cyclinB/A被蛋白酶体降解；CDK1失活。有丝分裂的启动是通过降低Wee1（激酶）的活性和增强Cdc25（磷酸酶）的活性来调节的CDK1/cyclinBH1，laminA、B、C，nucleolin等磷酸化启动G2/M转化CDK2/cyclinE；CDK4、6复合物/cyclinD催化p107磷酸化，使p107失去抑制作用，E2F促进基因转录启动G1/S转化CDK2/cyclinADNA复制①G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用cy