山东大学细胞16第十六章.

第十六章细胞增殖与细胞周期前言：细胞学说内容（1）细胞是多细胞生物的最小结构单位，对单细胞生物来说，一个细胞就是一个个体；（2）多细胞生物的每一个细胞为一个代谢活动单位，执行特定的功能；（3）细胞只能通过细胞分裂而来。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。◆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。目录第一节原核生物的细胞分裂第二节真核细胞的分裂第三节细胞周期及其调控第一节原核生物的细胞分裂一．原核细胞的DNA复制和胞质分裂原核细胞的分裂一般是简单的一分为二，且分裂速度很快。其分裂活动包括两个方面：①细胞DNA的复制和分配，使分裂后的两个子细胞均能分别得到亲代细胞的一整套遗传物质；②胞质分裂，把细胞基本上分成两个相等的子细胞。在细胞中部，质膜环绕细胞发生内褶，褶中产生了新的细胞壁物质，形成了隔（septum)细菌质膜凹陷形成间体（mesosome)Microsome/microbody/midbody微粒体微体中间体二．原核细胞分裂的控制细胞重量与DNA含量之比激发DNA复制的物质抑制DNA复制的物质第二节真核细胞的分裂无丝分裂有丝分裂减数分裂一、无丝分裂（直接分裂，amitosis）无丝分裂又称直接分裂，是指处于间期的细胞核不经过任何的有丝分裂时期而分裂为大小大致相等的两部分的细胞分裂。特点：不形成纺锤体；不形成染色体；核拉长呈哑铃状。例：草履虫的无丝分裂草履虫特点大核—营养核—无丝分裂小核—生殖核—有丝分裂二、有丝分裂经过分裂产生两个染色体数和遗传性相同的子细胞。在此过程中，染色质在形态上凝缩为丝状染色体。特点：有纺锤丝和染色体的形成，包括核分裂和细胞质分裂两个过程。1234（一）核分裂：前期—前中期—中期—后期—末期1．前期（prophase）（1）染色质的变化①染色质染色体2nmDNA--------11nm核小体--------30nm纤丝--------0.3微米超粗纤维-------染色体凝缩蛋白（Condensin）染色体染色质凝集局部异构酶Thesisterchromatidsaregluedtogetherbymultisubunitproteincomplexcalledcohesins.Condensin：凝缩蛋白Cohesin：粘连蛋白（2）非染色质的变化①核仁消失rDNA转录停止②分裂极的确定、形成有丝分裂器细胞质中微管蛋白库提供微管③核膜破裂核纤层蛋白磷酸化核膜、核仁消失分裂极确定:S期复制了的中心体在前期开始时分离向两极移动，纺锤体开始组装有丝分裂器(mitoticapparatus)：纺锤体(spindle)：有丝分裂前期由中心体形成的星体微管、极微管、动粒微管排列组成的纺锤样结构，与染色体的移动、排列和分离有关。前期两个中心体向两极移动前期最显著的特征：染色质通过螺旋化和折叠，变短变粗，形成光学显微镜下可以分辨的染色体，每条染色体包含2个染色单体。早在S期两个中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，当核膜解体时，两对中心粒已到达两极，并在两者之间形成纺锤体。指由核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorialplane纺锤体正中的假想垂直面)这一阶段。主要事件：纺锤体微管捕获染色体动粒标志：染色体剧烈地活动、旋转、振荡、徘徊于两极之间，并被纺锤体“捕获”2前中期Prometaphase形成过程：纺锤体与染色体结合染色体剧烈运动纺锤体微管与染色体动粒结合动粒/着丝点微管形成极端为负极——MTOC动粒端为正极——生长端染色体向赤道面集中牵引力与动粒微管长度呈正比动粒微管长度改变取决于“+”极的装配和组装前中期有丝分裂器的免疫荧光图及模式图纺锤体微管包括：①动粒微管（kinetochoremt）：由中心体发出，连接在动粒上，负责将染色体牵引到纺锤体上，动粒上具有马达蛋白。②星微管（astralmt）：由中心体向外放射出，末端结合有分子马达，负责两极的分离，同时确定纺锤体纵轴的方向。③极微管（polarmt或overlapmt）：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。3．中期（metaphase）从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上着丝粒位于赤道面染色单体以着丝粒相连染色单体各面向一极每一动粒均有微管相连不同细胞连接微管数目不同两侧动粒微管的牵引力处于平衡状态MTbehaviorduringformationofthemetaphaseplate.Initially,MTfromoppositepolesaredifferentinlength.Experimentaldemonstrationoftheimportanceofmechanicaltensioninmetaphasecheckpointcontrol.纺锤体监控点（三大关卡之3）：全部动粒都必须连到纺锤丝微管上，否则停在中期，染色体不分离等待信号(waitingsignal)，未连到纺锤体上的染色体的动粒发出等待信号，使其他染色体不再分离，进入等待状态直至全连上。动粒的作用：（1）将染色体连接到纺锤丝上；（2）调节染色体的分离时间。可以将动粒称为细胞分裂的看门人(gatekeeper)。此时期的限制点称为纺锤体检验点（spindlecheckpoint），该检验点使纺锤体异常的细胞离开有丝分裂。MAD2蛋白染色体与纺锤丝未连接——动粒处集中染色体与纺锤丝连接——动粒处消失参与等待信号BUB蛋白、CENP-E蛋白协助微管固定到动粒上关闭等待指令Cdc20纺锤体检验点的靶蛋白中期中期，右图显示与染色体联接的微管4．后期（anaphase）姊妹染色单体分开并移向两极的时期，当子染色体到达两极后，标志这一时期结束。后期姊妹染色单体分离后期中两种主要变化：（1）后期A:染色体向两极移动，（2）后期B:两极的距离拉大动粒微管的解聚和动粒中的行走蛋白的牵引力使染色体向两极移动。有关动粒对染色体产生拉力的机制的假说（图15-10）后期A染色体分离，后期B两极延伸AnaphaseA:Themovementofthechromosomestowardthepoles;KinetochoreMTdisaassenbleatbothendsduringanaphaseA.AnaphaseB:Thetwospindlepolesmovefartherapart.BothpushingandpullingforcescontributetoanaphaseB①纺锤体附着监控点:所有染色体都排列在中期赤道板上后期起始的条件：②后期促进复合物(anaphase-promotingcomplex，APC)被激活抑分离酶蛋白APC的活性：被Cdc20激活的APC降解抑制后期的蛋白(如securin)，将底物蛋白泛素化，致使底物由蛋白酶体降解，促使细胞由中期转至后期。5．末期(telephase)染色体到达两极，即进入了末期。核膜重建——核纤层蛋白去磷酸化染色体松散染色质核仁重现核膜的周期变化（二）细胞质分裂（cytokinesis）在染色体去凝缩和核膜重建的同时，细胞质粘度变小，开始细胞质分裂。多数细胞胞质分裂起始于中、后期动物细胞胞质分裂◆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（contractilering)。收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞动物细胞的胞质收缩环中间体（midbody）：动物胞质分裂的另一特点是形成中间体。末期纺锤体开始瓦解消失，但在纺锤体的中部微管数量增加，其中掺杂有高电子密度物质和囊状物，这一结构称为中间体。星体微管参与分裂沟的形成纺锤体方向决定收缩环位置植物细胞胞质分裂◆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后期的纺锤体中央出现成膜体(phragmoplast)，其中的小泡不断融合扩大形成一片连续的质膜，即细胞板(cellplate)将细胞一分为二，最后在细胞板两侧积累多糖，形成细胞壁。成膜体的形成（phragmoplast）—来自高尔基复合体的小泡向赤道面集中，并融合成大的扁囊，其附近集中有内质网，扁囊腔内有初生壁物质，此结构总称为成膜体。最后成膜体成为具有双层膜的细胞板。三、减数分裂有性生殖的高等生物配子发生过程中的细胞分裂方式。特点：DNA复制一次，细胞分裂2次，子细胞中的染色体数目为1n，将减数分裂又分为减数分裂Ⅰ和减数分裂Ⅱ。减数分裂模式图减数分裂的意义◆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、生物进化和生物多样性的重要基础保证。（一）减数分裂Ⅰ前期、前中期、中期、后期、末期1．前期Ⅰ减数分裂的特殊过程主要发生在前期I，通常人为划分为5个时期：①细线期（leptotene）、②偶线期（zygotene）、③粗线期（pachytene）、④双线期（diplotene）、⑤终变期（diakinesis）。（1）细线期（leptonema）凝集期染色体为二分体染色质仍呈细线状染色体上有凝缩的染色粒染色质端部与核膜相连（花束期）2、偶线期（zygonema）配对期同源染色体配对—联会形成联会复合体(synaptonemalcomplex，SC)两条结合在一起的染色体，称为二价体（bivalent）。含四个染色单体，称为四分体（tetrad）。合成偶线期DNA（Z-DNA）有0.3%的核DNA在偶线期复制此DNA在S期不复制，而将姊妹染色单体连一起联会复合体（SC）在配对过程中，两条同源染色体并未完全合并在一起，而是由一个约为150～200nm的空间隔开，此空间为蛋白质性的联会复合体。结构：总宽度：150-200nm，边侧成分（20-80nm），中央区（100nm），中央组分（30nm）。成分：碱性蛋白质RNA作用：介导同源染色体交叉和交换（3）粗线期（pachynema）,又称重组期。重组期联会复合体仍存在，配对的同源染色体为二价体，4分体出现重组小结(与DNA重组有关的多酶集合体)同源非姊妹染色单体发生交叉（chiasma）和交换（crossingover）。交换机制：Holliday模型与染色体交换和DNA重组有关的结构和成分：A：重组小结（recombinationnodule）—联会复合体的中央区中形成的一些球形或柱状体的蛋白集合体，其功能与染色体交换有关。B：粗线期合成的DNA，在交换部位的少量DNA，称为粗线期DNA（pachyteneDNA,P-DNA），100—200bp，作用：封闭交换时产生的染色单体断头（4）双线期（diplonema）合成期SC解体同源染色体分离、仅以一些交叉相连姊妹染色单体分开、仅以着丝粒相连染色体又分散成网状，又称核网期。卵母细胞合成大量核糖体DNA，并转录大量核糖体RNA，灯刷染色体是双线期特征。（5）终变期（diakinesis）再凝集期染色质进一步凝缩交叉减少、交叉端化核仁消失核膜破裂纺锤体形成细线期偶线期粗线期双线期间期染色体重组1父源母源染色体重组2Minimumnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=23细线期：染色体已复制呈细线状偶线期：染色质进一步凝集，同源染色体