第13章--细胞周期与细胞分裂

翟中和王喜忠丁明孝主编细胞生物学（第4版）©2011高等教育出版社第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂第一节细胞周期一、细胞周期概述一个细胞周期可以人为地划分为先后连续的4个时相，即G1期、S期、G2期和M期。通常将含有这4个不同时相的细胞周期称为标准的细胞周期（standardcellcycle）第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂根据增殖状况，细胞分类三类§连续分裂细胞(cyclingcell)小肠绒毛上皮隐窝细胞，上皮组织的基底层细胞，部分骨髓细胞等。通过持续不断的分裂，增加细胞的数量，弥补细胞死亡脱落所造成的细胞数量损失。§休眠细胞(Go细胞)暂时脱离细胞周期，不进行增殖，但在适当刺激下可重新进入细胞周期的细胞，如某些免疫淋巴细胞，肝细胞、肾细胞等§终末分化细胞那些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，如神经细胞、肌肉细胞、多形核细胞。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。第13章细胞周期与细胞分裂二、细胞周期中各不同时相及其主要事件§G1期:新生成的子代细胞立即进入一个细胞生长期，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（checkpoint）§S期:细胞开始合成DNA。DNA复制的起始和复制过程受到多种细胞周期调节因素的严密调控。同时，DNA复制与细胞核结构如核骨架、核纤层、核膜等密切相关。§G2期:检查DNA是否完成复制，细胞是否已生长到合适大小，环境因素是否利于细胞分裂等。§M期:有丝分裂或者减数分裂。第13章细胞周期与细胞分裂在真核细胞中也发现多种监控机制，以调控周期各时相有序而适时地进行更迭，并使周期序列过程中后一个事件的开始依赖于前一个事件的完成，从而保证周期事件高度有序地完成。检验点不仅存在于G1期，也存在于其他时相，如S期检验点、G2期检验点、纺锤体组装检验点等。从分子水平看，检验点是作用于细胞周期转换时序的调控信号通路，其监控作用在于保证基因和基因组的稳定性，而不是细胞分裂的基本条件。第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂三、细胞周期同步化将整个细胞群体处于细胞周期的同一个时相；人工选择同步化是指（artificialsynchronization）人为地将处于周期不同时相的细胞分离开来，从而获得不同时相的细胞群体。第13章细胞周期与细胞分裂1．DNA合成阻断法§采用低毒或无毒的DNA合成抑制剂特异地抑制DNA合成，而不影响处于其他时相的细胞进行细胞周期运转，从而将被抑制的细胞抑制在DNA合成期的实验方法。§目前采用最多的DNA合成抑制剂为TdR或羟基脲（hydroxyurea，HU）。§采用两次DNA合成抑制剂处理，将细胞最终抑制在G1/S期交界处狭窄的时间区段。抑制剂去除后，细胞即可以进行同步细胞周期运转。第13章细胞周期与细胞分裂2．分裂中期阻断法§某些药物，如秋水仙素、秋水酰胺和诺考达唑（nocodazole）等，可以抑制微管聚合，因而能有效地抑制细胞纺锤体的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。第13章细胞周期与细胞分裂四、特殊的细胞周期（一）早期胚胎细胞的细胞周期§指受精卵在卵裂过程中的细胞周期。最显著的特点是，卵细胞在成熟过程中已经积累了大量的物质基础，基本可以满足早期胚胎发育的物质需要，其细胞体积也显著增加；当受精以后，受精卵便开始迅速卵裂，卵裂球数量增加，但其总体积并不增加，因而，卵裂球体积将越分越小。第13章细胞周期与细胞分裂芽殖酵母的细胞周期裂殖酵母的细胞周期（二）酵母细胞的细胞周期§酵母细胞周期持续时间较短，大约为90min。细胞分裂过程细胞核核膜不解聚。与细胞核分裂直接相关的纺锤体不是在细胞质中，而是位于细胞核内。§芽殖酵母和裂殖酵母之间的亲缘关系甚远，在细胞结构和生命过程方面也有明显差别。第13章细胞周期与细胞分裂（三）植物细胞的细胞周期§植物细胞的细胞周期也含有G1期、S期、G2期和M期4个时相。两个突出特点：第一高等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。第二植物细胞分裂是在成膜体指导下，以形成细胞板（中间板）的形式完成胞质分裂。第13章细胞周期与细胞分裂（四）细菌的细胞周期§在一个细胞周期中每个DNA分子复制仅能完成一半，但DNA复制是在两个正在形成中的DNA分子上同时进行的。第13章细胞周期与细胞分裂第二节细胞分裂一、有丝分裂第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂（一）有丝分裂各期的重要事件及其结构装置1．前期（prophase）（1）染色体凝缩（chromatincondensation）染色体凝缩是指由间期细长、弥漫样分布的线性染色质，经过进一步螺旋化、折叠和包装（packing）等过程，逐渐变短变粗，形成光镜下可辨的早期染色体结构。不同水平染色体高级结构的组织是依赖于不同的Smc（structuralmaintenanceofchromosome）蛋白复合物来维持的。第13章细胞周期与细胞分裂（2）细胞分裂极的确立和纺锤体的装配中心体在G1期末开始复制，在S期完成复制，在G2期分离，半保留复制的中心粒进入子代中心体。细胞进入有丝分裂前期，复制并分离后的两个子中心体作为微管组织中心，开始放射状微管装配，中心体及其周围微管形成两个星体，这便是分裂极的确立和纺锤体装配的起始。第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂Formationofthecompactedmitoticchromosome第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂NuclearenvelopebreakdownMicrotubulescatchchromosomes第13章细胞周期与细胞分裂2．前中期§标志性事件之一是核膜崩解。§核膜的崩解与核纤层的解体是相互偶联的事件。细胞分裂过程中核纤层的解体和重新组装与核纤层蛋白的磷酸化水平相关。核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化可能是有丝分裂过程中核纤层结构动态变化的调控因素。第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂高等动物细胞纺锤体的结构第13章细胞周期与细胞分裂前中期标志性事件之二是完成纺锤体装配，形成有丝分裂器（mitoticapparatus）。第13章细胞周期与细胞分裂应用免疫荧光技术和电镜技术显示动粒位置和结构第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂前中期标志性事件之三是染色体整列（chromosomealignment）。由纺锤体极体发出的微管捕捉染色体动粒，形成染色体动粒微管，这是染色体整列的必要前提。第13章细胞周期与细胞分裂Thepushingandpullingforcesdrivethechromosomestothemetaphaseplate第13章细胞周期与细胞分裂3.中期（metaphase）主要标志是染色体整列完成并且所有染色体排列到赤道面上，纺锤体结构呈现典型的纺锤样。牵拉（pull）假说外推（push）假说第13章细胞周期与细胞分裂ChromatidsseparateMigratetospindlepole第13章细胞周期与细胞分裂4.后期（anaphase）第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂有丝分裂中后期转换第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂6.胞质分裂§在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟。§随着细胞由后期向末期转化，分裂沟逐渐加深，直至两个子代细胞完全分开。第13章细胞周期与细胞分裂中央纺锤体和星体微管作用于细胞皮层并诱导分裂沟形成第13章细胞周期与细胞分裂二、减数分裂真核生物减数分裂的3种类型gametic/terminalmeiosisSporic/intermediateneiosisZygotic/initialmeiosis第13章细胞周期与细胞分裂第13章细胞周期与细胞分裂（一）减数分裂前间期§减数分裂前间期的最大特点在于其S期持续时间较长，同时也发生一系列与减数分裂相关的特殊事件。§一些植物中，其减数分裂前间期的S期仅复制其DNA总量的99.7%-99.9%，而剩余的0.1%-0.3%要等到减数分裂前期阶段才进行复制。第13章细胞周期与细胞分裂（二）减数分裂过程1．减数分裂Ⅰ（1）前期Ⅰ§持续时间较长在高等生物，其时间可持续数周、数月、数年，甚至数十年。§要进行同源染色体配对和基因重组。根据细胞染色体形态变化，又可以将前期Ⅰ人为地划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期５个阶段。第13章细胞周期与细胞分裂细线期（leptotene，leptonema）§首先发生染色质凝缩，染色质纤维逐渐螺旋化、折叠，包装成在显微镜下可以看到的细纤维样染色体结构。§在细纤维样染色体上，出现一系列大小不同的颗粒状结构，称为染色粒（chromomere）。§细线期还有一个明显的特点，即染色体端粒通过接触斑与核膜相连。由于很多细线染色体的端粒与核膜结合，使染色体装配成花束状，所以细线期又称花束期。第13章细胞周期与细胞分裂偶线期（zygotene，zygonema）主要发生同源染色体配对（pairing）；配对以后，两条同源染色体紧密结合在一起所形成的复合结构，称为二价体（bivalent）第13章细胞周期与细胞分裂同源染色体配对的过程称为联会（synapsis）。在联会的部位形成一种特殊的复合结构，称为联会复合体（synaptonemalcomplex），与同源染色体联会和基因重组有关。在偶线期发生的另一个重要事件是合成在S期未合成的约0.3％的DNA。第13章细胞周期与细胞分裂粗线期（pachytene，pachynema）：§开始于同源染色体配对完成之后；同源染色体仍紧密结合，并发生等位基因之间部分DNA片段的交换和重组，产生新的等位基因的组合；§此时在联会复合体部位的中间，出现重组节（combinationnodule）。§合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部地置换下来。§在许多动物的卵母细胞发育过程中，粗线期还要发生rDNA扩增。第13章细胞周期与细胞分裂双线期（diplotene，diplonema）：§重组阶段结束，同源染色体相互分离，仅留几处相互联系；§同源染色体的四分体结构变得清晰可见。同源染色体仍然相联系的部位称为交叉（chiasma）。§许多动物在双线期阶段，同源染色体或多或少地要发生去凝集，RNA转录活跃。灯刷染色体（lampbrushchromosome）。第13章细胞周期与细胞分裂终变期（diakinesis）：§染色体重新开始凝集，形成短棒状结构。如果有灯刷染色体存在，其侧环回缩，RNA转录停止，核仁消失，四分体较均匀地分布在细胞核中。§交叉向染色体臂的端部移行。到达终变期末，同源染色体之间仅在其端部和着丝粒处相互联结。第13章细胞周期与细胞分裂（2）中期Ⅰ（metaphaseⅠ）§核膜破裂标志着中期Ⅰ的开始；纺锤体微管捕获四分体，四分体逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面上。第13章细胞周期与细胞分裂（3）后期Ⅰ（anaphaseⅠ）§后期Ⅰ同源染色体对分离并向两极移动，标志着后期Ⅰ的开始；§移向两极的每个同源染色体均含有两条姐妹染色单体。（4）末期Ⅰ、胞质分裂Ⅰ和减数分裂间期第13章细胞周期与细胞分裂2．减数分裂Ⅱ§减数分裂Ⅱ过程与有丝分裂过程非常相似，即经过分裂前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ和胞质分裂Ⅱ等几个过程。第13章细胞周期与细胞分裂（三）减数分裂过程的特殊结构及其变化1．性染色体的分离含有XY性染色体物种；含有XO性染色体物种（主要是昆虫）；第13章细胞周期与细胞分裂2．联会复合体和基因重组§联会复合体是减数分裂期间（前期Ⅰ）在两个同源染色体之间形成的一种临时性蛋白质梯状结构。§联会复合体在动物和植物减数分裂过程中广泛存在，主要功能是介导同源染色体之间配对（联会）和遗传重组（交换）。§联会复合体对于遗传重组不是必需的翟中和王