第九章 细胞增殖与分化 (2)

第九章细胞的增殖与分化细胞通过增殖增加数量，通过分化增加种类。受精卵胚胎完整机体200余种、2×1014个细胞，构造无比复杂。•无丝分裂(amitosis)•有丝分裂(mitosis)•减数分裂(meiosis)第一节细胞分裂分裂过程中没有染色体组装和纺锤体形成，DNA复制后直接分裂，是低等生物（如细菌）增殖的主要方式。分裂过程中有纺锤体和染色体的形成。子细胞中遗传物质均等分配。是真核细胞主要的增殖方式。有性生殖生物形成生殖细胞时的分裂分式。分裂过程中染色体复制一次，细胞连续分裂两次，染色体数目减半。一、无丝分裂(amitosis)核糖体DNA细胞壁细胞膜二、有丝分裂(mitosis)G1SG2M间期为了便于描述人为划分•M期被细分为六个时期：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(cytokinesis):从后期开始延续至末期。①染色质凝集成染色体；每条染色体含2姐妹染色单体，以着丝粒相连，至晚前期时外侧形成动粒。②核仁分散，逐渐消失。③有丝分裂器（纺锤体、星体）形成。1.前期prophase(二)有丝分裂各阶段发生的事件•中心粒在S期完成复制，在前期移向细胞两极，两个中心体之间形成纺锤体微管；前期末核膜解体时，中心体已到达两极，并形成纺锤体。•中心体发出的三种微管结构：①极微管（polarmt）②动粒微管（kinetochoremt）③星体微管（astralmt）星体微管动粒微管极微管中心体纺锤体极动粒•有丝分裂器（mitoticapparatus）：动态结构，由微管及微管结合蛋白组成。在中期细胞中包括两部分：①纺锤体（spindle）：极微管+动粒微管②星体（aster）：星体微管2.前中期prometaphase①始于核膜崩解。②纺锤体微管捕获染色体，染色体两侧动粒分别结合来自两侧中心粒的纺锤体微管。③染色体剧烈运动，挪向细胞中央。3.中期metaphase染色体排列于赤道板（metaphaseplate）上，姐妹染色单体两侧动粒分别结合于相反的纺锤体极，受力均等。4.后期anaphase①姐妹染色单体分开并向两级迁移。②极微管不断延长，动粒微管逐渐缩短。③细胞两端的纺锤体极（中心体）进一步远离。5.末期telophase①子染色体分别到达两极，动粒微管消失。②核膜重建。③染色质重新疏松，核仁重现。6.胞质分裂cytokinesis•始于后期，止于末期。•若核分裂后不发生胞质分裂，则形成多核细胞。•动物细胞----通过胞质收缩环（contractilering）的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白与肌球蛋白等组成。形成的结构也称分裂沟（cleavagefurrow）。分裂由外而内。•植物细胞----在细胞中央产生细胞板，与周围细胞壁汇合后将细胞分开。分裂由内而外。(三)有丝分裂各阶段发生事件的调节机制１、染色体的凝集•黏合素（cohesin）介导染色单体结合；•凝集素（condensin）在染色体凝集过程中发挥重要作用。２、有丝分裂器的形成与子染色体分离：（１）纺锤体的组装（２）纺锤体“捕获”染色体•由微管组装和马达蛋白的共同作用：微管组装与解聚：在（+）端发生聚合和解聚，调节纺锤体微管的长度。微管马达蛋白：驱动蛋白（kinesin）向（+）端运动动力蛋白（dynin）向（－）端运动-----调节极微管之间的滑动、染色体的运动等。前期––中期（３）染色体的分离机制后期A：动粒微管（+）解聚缩短，拉动染色体移向两级。动粒处的马达蛋白帮助促进染色体移动。后期++++++++后期B：极微管（+）端聚合延长，极微管上的马达蛋白促使其互相滑动远离，推动两极更加远离；同时星体微管马达蛋白直接拉动两极更加远离。++++３、核膜的崩解与再组装机制与核纤层蛋白（lamin）的磷酸化与去磷酸化修饰有关。Lamin磷酸化Lamin去磷酸化核膜小泡融合染色质疏松４、胞质分裂机制５、核分裂先于胞质分裂的调控机制1）细胞周期调控系统激活有丝分裂需要的蛋白的同时，使胞质分裂所需要的蛋白失活；2）在形成有功能的收缩环之前不会发生胞质分裂，收缩环的形成需要染色体分至两极后留下的中央纺锤体参与。三、减数分裂(meiosis)•产生单倍体配子细胞的分裂方式。（一）减数分裂的一般过程•减数分裂I（MⅠ）•减数分裂II（MⅡ）同源染色体通过联会实现染色体部分片段的交换，然后分开。姐妹染色单体分开。1、减数分裂I（1）前期I细线期偶线期粗线期双线期终变期中期I细线期leptotene•染色质开始凝集，光镜下呈细线状，具有念珠状的染色粒。偶线期zygotene•同源染色体配对----联会（synapsis）。粗线期pachytene•始于联会完成时，光镜下已能看清姐妹染色单体。•同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换。联会复合体二价体四分体•每对同源染色体间通过联会复合体（synaptonemalcomplex，SC）结合，称为二价体（bivalent）；含四条姐妹染色单体，称为四分体（tetrad）。SC•电镜下为3条纵带状结构：两边侧生组分，中间中央组分，互相以横纤维相连。••SC上有重组小节(recombinationnodules)，含有多种酶，非姐妹染色单体的染色质在此处局部结合，发生DNA交换。•SC形成于偶线期，成熟于粗线期，消失于双线期。联会复合体（synaptonemalcomplex，SC）双线期diplotene•联会复合体消失，同源染色体分离，只有少数点仍连接，称为交叉（chiasmata）。•交叉逐渐移向染色体两端，称为端化(terminalization)。•双线期RNA合成异常活跃，部分染色体解旋：如两栖类、爬行类、鸟类等卵母细胞中，RNA合成活跃，二阶体解螺旋而形成灯刷染色体。这一时期是卵黄积累的时期。许多动物卵细胞在双线期停留的时间非常长。如人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵期（12-50岁）都停在双线期。终变期diakinesis•染色体再凝集，核仁消失。•四分体交叉端化进一步发展，交叉数目减少，通常仅存于端部。•纺锤体组装形成。（2）中期I•核膜消失。•每条同源染色体上的姐妹染色单体的动粒融合在一起，二价体的两个动粒分别连接于两极的纺锤体微管。•二价体端部交叉仍结合在一起。（3）后期I•同源染色体分开，分别向两极移动。•同源染色体随机分向两极，染色体上带重组成分。•姐妹染色单体仍然相连。（4）末期I•染色体到达两极，多数仍保持凝集状态、或去凝集程度很低。少数细胞发生去凝集。•产生的两个子细胞只含单倍数染色体，但含二倍数DNA。2、减数分裂II•分为前期II、中期II、后期II、末期II，过程与有丝分裂相似。•一个精母细胞形成4个精子；一个卵母细胞形成一个卵子及2-3个极体。（二）减数分裂的特征和意义1、DNA复制一次细胞分裂两次•保证人类染色体数目稳定。•非同源染色体随机组合，保证物种多样性。配子种类至少为2n。在人类细胞中n=23有丝分裂减数分裂分裂细胞体细胞及生殖细胞生殖细胞分裂次数一次两次复制次数一次一次DNA含量不变减半分裂过程无联会、交叉、四分体；着丝粒分裂有联会、交叉、四分体；减数分裂I着丝粒不分裂分裂结果产生2个子细胞，染色体数目不变形成4个子细胞，染色体数目减半遗传物质不变，体现遗传的稳定性遗传物质改变，体现遗传的多样性减数分裂与有丝分裂比较2、同源染色体的配对与分离•使同源染色体间发生遗传重组，极大增加遗传的多样性。•保证同源染色体准确分离。3、性染色体配对•雄性个体X、Y染色体末端存在一个同源的小区域，可介导二者产生区域配对并交叉互换。（三）异常的减数分裂•产生染色体缺失的单倍体细胞或多拷贝细胞。融合后产生异常胚胎，多数死亡，或发育成疾病成体，如人类的唐氏综合征。•减数分裂中的分离错误较易发生于雌性个体，且错误概率随母体年龄增长而增高。第二节细胞周期一、细胞周期(cellcycle)•由一次细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。间期M期G1SG2有丝分裂胞质分裂•细胞生长的主要阶段，执行正常代谢功能，合成蛋白质、细胞器等。•G1晚期合成DNA复制所需的酶类、以及G1→S转变所需各类蛋白(触发蛋白（不稳定蛋白）、钙调蛋白、细胞周期蛋白等调控)。•G1期是决定细胞增殖状态的关键阶段，G1期进程受多种细胞内外因素影响。•G1期长短在不同细胞中差异较大。1、G1期•从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：①连续分裂细胞。如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。②不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞。如神经、肌肉、多形核细胞等。③休眠细胞，暂不分裂、但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞。如淋巴细胞、肝、肾细胞等。2、S期•DNA合成的阶段；组蛋白、非组蛋白等染色质组成蛋白亦在此期合成，并入核与DNA组装成核小体,DNA复制与组蛋白合成在染色质复制过程中互为条件，同步进行，DNA合成与组蛋白合成形成“联动装置”。中心粒也在S期复制。3、G2期•合成进入M期所需的蛋白质，为细胞分裂作准备。•G2期合成的MPF对于M期进入非常关键。•成熟促进因子（maturationpromotingfactor,MPF）一种促进M期启动的蛋白激酶，通过促进靶蛋白的磷酸化而改变其生理活性。为异二聚体，由一个催化亚基(p34cdc2,具有激酶活性)和一个调节亚基(细胞周期蛋白B，cyclinB)组成。4、M期（1）主要生化特点是RNA合成停止、蛋白质合成减少以及染色体高度螺旋化。（2）由G2→M期是细胞周期中的另一个关键时刻。（3）M期促进因子（M-phasepromotingfactor，MPF）→染色质浓缩，促进Ｍ期的启动。（4）是一个复杂连续的动态过程。（5）形态发生显著变化（丝状结构、染色体的形成）主要是保证把S期已经复制好的DNA平均地分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。二、细胞周期时相的测定和细胞的同步化P245（一）细胞周期时相的测定１、掺入标记法：•标记物：3H-TdR（H3标记的胸腺嘧啶脱氧核糖核苷）、或BrdU（5-溴脱氧尿嘧啶）。•细胞在含标记物的培养基中培养，标记物可在S期掺入新合成的DNA链中，从而标记处于S期的细胞。通过检测3H的放射性或BrdU抗体的荧光强度衡量不同时相的细胞数量及比例来测定细胞周期。50100TG20TMTsTcTG2+1/2TM常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM2、流式细胞分光光度法：•原理：细胞的DNA经荧光染色→逐个通过流式细胞仪检测装置→记录每个细胞的荧光强度→荧光强度与DNA含量呈正比。•G2期、M期DNA含量是G1期细胞二倍；S期细胞DNA含量介于两者之间；•根据仪器读出G1期、S期、G2+M期的细胞数——确定各时相的长度。（二）细胞的同步化（synchronizationofcell）•使处于周期不同阶段的细胞共同进入某一特定阶段。1、有丝分裂摇落法•体外培养的贴壁细胞，处于M期时缩起变圆，易从贴附介质脱落。因此可借振摇之力使M期细胞悬浮于培养基中，通过离心收集得到。2、活细胞离心淘洗法•处于周期不同时相的细胞体积不同，在离心场中沉降速度有别。因此利用离心淘洗方法可将细胞按比重分离，得到不同时相的细胞。3、化学同步化法•利用药物诱导细胞同步化在某一时期。常用的有DNA合成阻断及有丝分裂中期阻断。（1）DNA合成阻断法应用DNA抑制剂阻断S期细胞的DNA合成，可获得大量同步于S期的细胞。如甲氨喋呤、羟基脲、5-氟脱氧尿嘧啶、过量TdR等。（2）有丝分裂中期阻断法通过抑制微管的聚合，使细胞阻断在有丝分裂中期，从而得到M期细胞。如秋水仙素、N2O等。三、细胞周期的调控（一）研究细胞周期调控的常用真核细胞系统1、裂殖酵母与芽殖酵母•单细胞真菌，其周期调控过程与人类细胞类似，且增殖迅速，利于研究。2、爪蟾胚胎细胞•受精卵与早期胚胎细胞个体大，含大量细