细胞周期与细胞分裂

第十二章：细胞周期与细胞分裂•细胞增殖是生命的基本特征，种族繁衍、个体发育、机体修复等都离不开细胞增殖。–初生婴儿有1012个细胞，成人1014个，约200种类型。–成人体内每秒钟有数百万新细胞产生，以补偿衰老和死亡的细胞。–一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。12.1细胞周期(cellcycles)•由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，叫细胞周期(图12-1)。在这一过程中,细胞的遗传物质复制并均等地分配给两个子细胞。•12.1.1细胞周期时相及类型•细胞周期是一个相当复杂的过程,不同类型的细胞周期持续的时间不完全相同,而且,细胞的分裂状态也各有异。■细胞周期的时相,分为4个期：G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间。S期(synthesisphase)，指DNA复制的时期。G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间。M期又称D期(mitosisordivision)，细胞分裂开始到结束。图12-1细胞周期及染色体行为•不同生物的细胞周期时间不同,同一系统中不同细胞,其细胞周期的时间也有很大的差异。表12-1是几种细胞的细胞周期的比较。•■细胞周期和细胞类群•在正常的情况下,一个完整的细胞周期应包括四个时期,细胞沿着G1→S→G2→M期的路线运转,但在多细胞机体中,细胞的分裂行为有所差异。根据细胞的分裂行为,可将真核生物细胞分为三类:•●持续分裂细胞,又称周期性细胞,即在细胞周期中连续运转的细胞。此类细胞的分裂周期非常正常,有丝分裂的活性很高。•●终端分化细胞,即永久性失去了分裂能力的细胞，这些细胞都是高度特化的细胞,如哺乳动物的红细胞、肌细胞等。•●G0细胞,又称休眠细胞，暂时脱离细胞周期,但在某些条件的诱导下重新进入细胞周期。如肝细胞,外科手术切除部分肝组成后可以诱导进入细胞分裂。•根据细胞分裂行为，可将细胞分为几种类型？各有什么特点？细胞类型细胞周期时间早期的蛙胚细胞30分钟酵母细胞1.5～3小时肠表皮细胞～12小时培养的哺乳动物成纤维细胞～20小时人的肝细胞～1年表12-1某些真核生物的细胞周期时间12.1.2细胞周期的研究方法•为了研究细胞周期的不同阶段的生化特性必须获得细胞周期一致性的细胞,这就是细胞的同步化(synchronization)。•细胞同步化分为自然同步化和人工同步化。•自然同步化是自然界存在的现象,人工同步化是利用细胞培养的方法,用各种理化因素处理获得的同步化生长的细胞。常用的细胞人工同步化的方法分为选择同步化、诱导同步化或两者的结合。•■诱导同步法(inductionsynchrony)•控制培养条件,将非同步培养中的所有或大部分细胞暂时性地阻止在细胞周期的某个阶段,最终使所有细胞达到同步化生长。常用的手段有改变温度、添加代谢抑制剂等将细胞阻止在细胞周期的某一阶段。•●胸腺嘧啶阻断技术(thymidineblocktechnique)高浓度的胸腺嘧啶能够阻断DNA合成所需的核苷酸的合成,因此将细胞群体培养在具有高浓度的胸腺嘧啶的培养液，可获得同步化的细胞。•●中期阻断法某些药物，如秋水仙素可抑制微管的聚合,因而抑制有丝分裂器的形成,将细胞阻断在有丝分裂的中期。■选择同步法(selectionsynchrony)•用物理方法将处于细胞周期中同一阶段的细胞从非同步的群体中分离出来。选择同步化可克服同步化过程中对细胞的毒性影响。常用的方法有：•●有丝分裂选择法是根据细胞在细胞周期的不同阶段的生理变化设计的一种方法。此法的优点是不受药物的影响,同步化程度高,不足之处是分离的细胞少,手续繁琐。•●细胞沉降分离法此法主要用于悬浮培养的细胞，也可用于贴壁生长的细胞,但获得的细胞的同步化程度有限,因同一时相的细胞大小并非都是一致的。细胞周期时间的测定•●标记有丝分裂百分率法（percentagelabeledmitoses，PLM）：对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。•从更换培养液开始到开始出现标记有丝分裂器开始的这一段时间即为TG2。•从开始出现有丝分裂标记细胞到PLM达到最大时这段时间即为TM。•从开始出现有丝分裂标记细胞到PLM由最高值开始下降的这段时间即为TS。•两次开始出现有丝分裂细胞的时间间隔即为TC。•TG1=TC－TG2－TS－TM。●流式细胞分选仪测定法原理：G1和G2/M期含有固定的DNA量，分别为1C和2C。S期细胞位于两者之间。应用流式细胞分选仪测定细胞周期，可以通过监测细胞DNA含量在不同时期的变化从而确定细胞周期时间的长短。评价：最先进，最方便但流式细胞分选仪价格昂贵，严重制约该方法的应用。•流式细胞术是对单个微粒（如细胞、微生物和人工合成微球等）进行快速定量分析与分选的一门技术。在分析或分选过程中，包在鞘液中的细胞通过高频振荡控制的喷嘴，形成包含单个细胞的液滴，在激光束的照射下，这些细胞发出散射光和荧光，经探测器检测，转换为电信号（分别代表荧光、散射光、光吸收或细胞光阻抗），送入计算机处理，输出统计结果，并可根据这些性质分选出高纯度的细胞亚群，分离纯度可达99%。包被细胞的液流称为鞘液，所用仪器称为流式细胞计。12.1.3细胞周期各时相的合成活动•在细胞周期的不同阶段中,生化合成反应是不同的。••■G1期(Gap1phase)•G1期是从有丝分裂完成到DNA复制前的一段时期,又叫合成前期。此期主要合成rRNA、蛋白质、脂类和碳水化合物。在G1期的后期,DNA合成酶的活性大大增加。•G1期进入S期与S期激活因子有关。如将S期和早G1期细胞融合,S期细胞可以诱导G1期细胞提前进入S期,表明早G1期细胞尚未出现S期激活因子。••■S期(synthesisphase)•即DNA合成期。细胞周期中S期是最重要的一个时期,在此期,除了DNA合成外,同时还会合成组蛋白,DNA复制所需的酶都在这一时期合成。•在S期,组蛋白的mRNA水平可增加50倍。也就是说,DNA的合成和组蛋白的合成在时间上是同步的(图12-2),在密度上是相应的,从而使新合成的DNA得以及时包装成核小体。另外,推测组蛋白起到DNA复制延长因子的作用,没有组蛋白的合成,DNA的复制就会停止。•将大鼠的肝组织部分切除,诱导肝组织的细胞同步化生长。手术后的不同时间注射[3H]标记的亮氨酸和[14C]标记的胸腺嘧啶,1小时后测定DNA的放射性(实心圆)和组蛋白放射性(空心圆)，结果显示它们的合成是同步的。•此外,还发现DNA复制时,不同序列的复制先后是不同的:•常染色质:先;异染色质:后;•能转录的DNA:先;不能转录的DNA:后;•GC含量高:先;AT含量高:后;图12-2DNA和组蛋白合成的协同性实验•■G2期(G2期)•是DNA合成的后期。在这一时期,主要是大量合成ATP、RNA、蛋白质,包括微管蛋白和成熟促进因子MPF(maturationpromotingfactor)等，为有丝分裂作准备。••■有丝分裂期(mitoticphase,M期)•从细胞分裂开始到结束所经历的过程,也就是从染色体的凝缩、分离到平均分配到两个子细胞为止。分裂后,S期合成的DNA减半。这一期的特点是RNA合成停止,蛋白质合成减少,以及染色体高度螺旋化。细胞周期的关卡(checkpoint)•细胞周期的运转是十分有序的,是基因有序表达的结果。细胞分裂基因(cdc)表达的有序性,受到一些控制系统的监测。如酵母细胞在DNA合成开始的稍前有启动点(start),在哺乳类细胞中称为R点或限制点(restrictionpoint),亦称为关卡。这些关卡严格地监视着细胞周期事件的发生、发展过程是否严格按程序进行。•■细胞周期中的三个主要关卡•在典型的细胞周期中,控制系统是通过细胞周期的关卡来进行调节的。控制系统至少有三个关卡:G1关卡(靠近G1末期)、G2关卡(在G1期结束点)、中期关卡(在中期末)。在每一个关卡,由细胞所处的状态和环境决定细胞能否通过此关卡,进入下一个阶段(图12-19)。••影响G1期关卡的信息主要是新生的细胞生长的是否足够大、内部环境(包括rRNA和蛋白质的合成)是否合适。影响G2关卡的因素有:DNA是否正确复制和是否复制完全、细胞是否生长得足够大。中期关卡则是控制染色体是否完全分离。•细胞周期中三个关卡分别起什么作用？图12-19细胞周期关卡及调节信息特异的细胞周期•1、早期胚胎的细胞周期•G1和G2时间非常短，以致认为早期胚胎细胞周期仅含S期和M期•2、酵母细胞周期•TC持续时间特别短，细胞分裂过程属于封闭式，即细胞分裂时核膜不解聚，纺锤体不是在细胞质中而是位于核内。•2.1芽殖酵母以出芽方式进行分裂，细胞周期起始点位于G1期后期，，经过起始点后，细胞马上出芽进入S期，与此同时，纺锤体开始装配，在S期后短暂的G2期，染色质凝集，纺锤体延长，逐步进入M期，随后芽体不断增长，细胞核一分为二分别分配到母体细胞和子细胞芽体中，胞质分裂不均匀。buddingyeast•2.2、裂殖酵母•细胞分裂和芽殖酵母相比有不少相似之处。不同之处：胞质分裂是均等的，即子代细胞体积一样大；芽殖酵母通过两个雌雄二倍体细胞接合，胞质融合后形成四倍体细胞。经起始点出芽生殖、减数分裂后形成四个单倍体，而裂殖酵母通过两个雌雄单倍体接合后，经过减数分裂形成四个单倍体细胞。Fissionyeast•3、植物细胞的细胞周期•3.1纺锤体的形成过程不清•3.2以中间板的形势进行胞质分裂。•4、细菌的细胞周期12.1.4细胞周期中细胞形态结构的变化•细胞周期各阶段的生化变化必然会引起细胞的表型变化,包括外部表型和内部表型。•■细胞形态的变化•在细胞周期的不同阶段，细胞的形态变化很大，如处于S期的细胞多呈扁平状,紧贴在培养瓶壁上,细胞表面的微绒毛和小泡很少。进入G2期,特别是G2中后期,细胞渐渐从贴壁摊平的状态鼓起来,而细胞表面的微绒毛增多,此时摇动培养瓶,细胞很容易与瓶壁脱离。进入M期的细胞,变成球形。•■细胞内部结构的变化•内部结构的最大变化是染色质结构的变化。与染色体复制周期相关联的是核仁的变化。•■细胞器的分裂和片段化•有丝分裂不仅要保证新形成的子细胞得到全套的遗传物质,同时要保证子细胞得到其他必备的细胞结构,包括膜结合细胞器。由于线粒体和叶绿体等不能自我装配,只能靠已有的线粒体和叶绿体的生长和分裂产生,所以,线粒体和叶绿体与细胞分裂同步,使数量加倍。其他的膜结合细胞器,如内质网、高尔基体等要伸长并断成片段,这样增加了均等分配的机会。12.3有丝分裂(mitosis)•细胞分裂(celldivision)是细胞增殖的方式。细胞有两种主要的分裂方式:有丝分裂(mitoticdivision,mitosis)和减数分裂(meioticdivision,meiosis),通过有丝分裂产生两个含有相同全套染色体的子细胞,而减数分裂产生在遗传上有变异的单倍体细胞,用于有性生殖。•12.3.1有丝分裂过程•有丝分裂是细胞周期的丝裂期(M期)进行的分裂活动。•通常有丝分裂是指整个的细胞分裂而言,包括核分裂和胞质分裂两个过程,一般在核分裂之后随之发生胞质分裂。•M期持续的时间很短,但形态变化很大,根据形态变化的特征,通常将有丝分裂分为前期、早中期、中期、后期和末期(图12-25)。图12-25有丝分裂过程■前期(prophase)•前期是有丝分裂的第一期,该期的主要特征是染色质凝缩成具有明显特征的染色体。核仁解体、核膜消失,与此同时,细胞质中出现纺锤体。•■前中期(prometaphase)•核膜解体后,细胞即进入早中期,此时期的主要事件是纺锤体(spindle)的装配。纺锤体是由微管装配而成的,功能是在有丝分裂期间将两套染色体均等分开。纺锤体微管的装配起始于中心体。•核周围的纺锤体侵入细胞核的中心区,一部分纺锤体微管的自由端最终结合到着丝粒上,形成动粒微管。前中期的特征是染色体剧烈地活动,个别染