生物：细胞周期及其调控

细胞周期及其调控◇细胞繁殖是通过细胞分裂的方式来完成◇细胞的生长与分裂周期就叫做细胞周期。◇对细胞周期研究的重要意义：与胚胎发育、肿瘤的发生与发展、细胞分化和增殖、神经细胞的生存、细胞生长因子的作用、生物膜的降解、生成以及代谢平衡等密切相关。◇21世纪生命科学研究的热点和前沿。每个细胞都有一定的生命期限。第一节细胞周期的基本概念真核细胞根据其分裂能力，可分为：（1）连续分裂细胞,又称周期性细胞——表皮生发层细胞、部分骨髓细胞等；（2）休眠细胞，又称G0期细胞——淋巴细胞、肝和肾细胞等；（3）不分裂细胞又称终端分化细胞——神经、肌肉和多形核细胞。第一节细胞周期的基本概念细胞周期——周期分裂细胞从分裂结束到下一次分裂结束所经历的过程。可分为连续四个阶段：G1期（gap1phase），S期（synthesis~），G2期（gap2~），M期（mitotic~，有丝分裂期）。又可分为两个主要时期：M期和分裂间期（interphase）。第一节细胞周期的基本概念△分裂间期（interphase）——上次有丝分裂终了到本次有丝分裂开始的时间，包括：G1、S和G2三个阶段。△M期——分为细胞的有丝分裂（复制的染色体的分配）和胞质分裂（整个细胞一分为二，形成两个子细胞）两个阶段。第一节细胞周期的基本概念一、分裂间期（interphase）1、G1期——上一次有丝分裂完成，到本次DNA复制前，6－12h。积累能量和原料，为DNA复制做准备，又叫合成前期。DNA表达产物主要包括：DNA复制所需的酶、直接参与DNA复制的酶及辅助蛋白；G1期的后期DNA合成酶活性大大增加。第一节细胞周期的基本概念2、S期——合成DNA、组蛋白及DNA复制所需要的酶，6－8h。(1)细胞形态变得更为扁平，外表光滑无泡，微绒毛少且不明显。(2)DNA聚合酶及四种脱氧核糖核苷酸含量急剧升高，RNA聚合酶活跃，DNA含量增加一倍。(3)DNA复制是多起点、双向复制的。存在“开启”和“关闭”机制。合成前设有“检查点”（checkpoint）。(4)DNA合成和组蛋白合成同步、密度相应。第一节细胞周期的基本概念3、G2期——DNA复制完到M期开始前，3－4h。DNA合成后期或丝裂前期。大量合成ATP、RNA、蛋白质，包括微管蛋白和成熟促进因子MPF（Maturationpromotingfactor），为有丝分裂作准备。第一节细胞周期的基本概念二、M期有丝分裂期（mitoticphase)，细胞进行分裂，时间1~2h。(1)细胞呈球形，疏松地附着在它们的生长基质上。(2)RNA合成停止，蛋白质合成减少，染色体高度螺旋化。(3)根据其形态变化可分为6个时期：前期（prophase）、前中期（premetaphase）、中期（metaphase）、后期（anaphase）、末期（telophase）和胞质分裂期（cytokinesis）。第一节细胞周期的基本概念染色体移到赤道极动粒迅速分开插入:（细胞骨架）细胞内蛋白质成分组成网络结构，由微丝、微管和中间丝等构成。功能：（1）活细胞的支撑结构，决定了细胞的形状，赋予其强度。（2）在细胞生理活动中，如细胞的吸收和分泌、细胞内物质运输、信息传递、能量转换、细胞分裂等方面都具有重要作用。第一节细胞周期的基本概念分裂重新形成核膜第一节细胞周期的基本概念第二节细胞周期的调控一、细胞周期调控的有关蛋白1、细胞周期蛋白（cyclin）——激活CDK，决定CDK磷酸化其它底物的时间、地点、底物类型，推动细胞周期前进。2、依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶（CDK，cyclin-dependentkinase）——一组蛋白激酶（动物有7种：CDK1-CDK7），自身被激活（与相应的cyclin结合）后，可以将靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应。（1和2结合构成成熟促进因子（MPF））3、细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制因子（CDI）——对细胞周期起负调节，通过与CDK结合抑制其活性。4、蛋白磷酸酶——磷酸水解酶，使Cyclin－CDK的靶分子去磷酸化，作用与Cyclin－CDK相反。5、泛素（遍在蛋白，ubiquitin）——广泛分布于各类细胞，辅助细胞周期蛋白的水解，与细胞周期、凋亡等生命过程紧密相关。第二节细胞周期的调控2001年度诺贝尔生理学／医学奖:美国西雅图FredHutchinson癌症研究中心的LelandHartwell,英国伦敦皇家癌症研究基金的PaulNurse和TimothyHunt“发现了细胞周期的关键调节因子——细胞周期依赖性蛋白激酶（CDK）和周期蛋白（cyclin）”。LelandHartwellPaulNurseTimothyHunt第二节细胞周期的调控二、细胞周期的调控过程1、G1期的调控：哺乳动物细胞在各种信号（生长因子等）刺激下，做出反应。G1期CyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游蛋白质如Rb磷酸化，磷酸化的Rb释放出转录因子E2F，促使许多相关基因的转录。促使转录Rb蛋白是Rb抑癌基因表达的蛋白。另一种抑癌基因为P53第二节细胞周期的调控2、G1－S期的调控：周期蛋白抑制剂G1S第二节细胞周期的调控3、G2－M期的调控：CyclinA、B与CDK1结合，CDK1使底物磷酸化，如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，等等。4、M期CDK的激活：无活性有活性第二节细胞周期的调控5、周期蛋白的降解：后期促进因子第二节细胞周期的调控三、细胞周期检验点：1、检验点的构成细胞周期的运行，是在一系列称为检验点（checkpoint）的严格控制下进行的，当DNA发生损伤，复制不完全，或纺锤体形成不正常，周期将被阻断。细胞周期检验点由：感受异常事件的感受器、信号传导通路和效应器构成。第二节细胞周期的调控三、细胞周期检验点：2、影响细胞周期的事件（1）DNA复制不完全（2）纺锤体装配不正常（3）DNA损伤编码激活P21转录一种CKI第二节细胞周期的调控三、细胞周期检验点：•细胞分裂周期内共有三个检验点，分别处于G1、G2和M期。•在G1期结束，通过比较细胞质体积与基因组的大小，核对细胞是否有进入S期的条件，如通过检验，则激活启动点激酶，进入S期，如未通过检验，则细胞进入G0期。•G2期检验点主要检验MPF的浓度，确保细胞拥有足够的细胞分裂相关的蛋白储备，并检查是否存在DNA复制错误。•M期检验点主要核对纺锤体的转配是否正确。第三节细胞周期的化学调控一、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂第三节细胞周期的化学调控二、微管蛋白活性抑制剂第三节细胞周期的化学调控二、微管蛋白活性抑制剂作用于微管的药物以上药物可作用于微管，阻止细胞分裂，可用于癌症治疗。第四节细胞调亡的概念及生物学特征细胞死亡的两种方式：细胞坏死和细胞凋亡。一、一般概念为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的、有序的死亡。为更好地适应环境而主动争取的一种死亡过程——“Apoptosis”1、也被叫做“细胞程序性死亡”2、细胞坏死（necrosis）——细胞受到急性强力伤害时出现一系列由外至内的逐步崩溃坏死的过程。第四节细胞调亡的概念及生物学特征3、细胞凋亡与细胞坏死的区别。第四节细胞调亡的概念及生物学特征二、细胞凋亡的生物学特征1、形态学变化多阶段变化，往往是单细胞行为：（1）细胞体积缩小、与其他细胞连接消失、与周围细胞脱离；（2）细胞质密度增加、线粒体膜电位消失、通透性改变、释放细胞色素c到胞浆、核质浓缩、核膜核仁破碎、DNA降解成180-200bp片段；（3）胞膜有小泡形成，膜内侧磷脂酰丝氨酸外翻到膜表面，胞膜结构依然完整；（4）凋亡细胞被分割包裹成几个凋亡小体，无内容物外溢，不引起炎症反应；（5）最后被吞噬细胞吞噬。第四节细胞调亡的概念及生物学特征2、生物化学变化（1）DNA的片段化：在一种内源性核酸内切酶的作用下，在核小体与核小体的连接部位被切断，产生不同长度的DNA片段约为180-200bp的整数倍。凝胶电泳中呈梯状图谱，而坏死细胞呈弥散的连续图谱。第四节细胞调亡的概念及生物学特征2、生物化学变化（2）大分子合成——凋亡过程中有新的基因表达和某些生物大分子的合成作为调控因子。（3）其它一些生物化学变化——细胞内钙离子的堆积和重新分布，细胞核内钙离子增多，激活核酸内切酶活性；组织谷氨酰胺转移酶的积累并激活；细胞表面糖链、植物血凝素与玻连蛋白受体增加，磷脂酰丝氨酸的外露改变细胞表面的生化特征等。第四节细胞调亡的概念及生物学特征三、细胞凋亡与疾病健康机体内，细胞的生死处于一个良性的动态平衡。细胞凋亡功能受抑（不足）——肿瘤、自身免疫病、病毒感染等；细胞凋亡功能增强（过度）——AIDS、骨质疏松、神经退变性疾病。1、艾滋病凋亡是一种宿主特别有效对抗病毒感染的防御机制，可使感染细胞快速有效地被清除。第四节细胞调亡的概念及生物学特征1、艾滋病T细胞凋亡的防护措施在清除感染细胞的同时并没有能抑制HIV在单核细胞/巨噬细胞内的传播，反而造成大量未感染的细胞的凋亡，导致免疫系统的崩溃，最终为AIDS。MfMfMfMfMf产生趋化因子感染的巨噬细胞Mf被激活T细胞被吸引到巨噬细胞Mf周围CD4＋T（辅助T细胞）细胞被感染感染的CD4＋T细胞凋亡T细胞——胸腺依赖淋巴细胞第四节细胞调亡的概念及生物学特征2、肿瘤肿瘤细胞中一系列的癌基因和原癌基因被激活，并呈过度表达状态。从而使肿瘤细胞失控生长、过度增殖。也可以理解为肿瘤细胞的凋亡机制被阻断，肿瘤细胞的减少受阻所致。3、自身免疫病如：系统性红斑狼疮，类风湿关节炎。在自身抗原的刺激下，识别自身抗原的免疫细胞被活化，这些免疫细胞通过细胞凋亡机制被清除，从而达到一种平衡，如果该机制发生障碍，则这些免疫细胞的清除被干扰，从而引起自身免疫损伤。第四节细胞调亡的概念及生物学特征4、神经系统的退行性病变早发性老年痴呆症（Alzheimer’sdisease，AD）是神经细胞凋亡加速而产生的。神经细胞减少导致中枢神经功能紊乱，从而出现记忆、情感等方面的障碍。5、高血压和动脉粥样硬化细胞凋亡在动脉粥样硬化中，对内皮的损伤、增生的抑制、粥样病灶的形成和斑块的剥脱有一定影响。第五节细胞调亡的过程及机理细胞凋亡（程序性细胞死亡）是基因调控作用的结果。细胞凋亡过程包括：接受凋亡信号→凋亡信号的转导→凋亡的执行→凋亡细胞的清除。第五节细胞调亡的过程及机理一、凋亡的启动细胞凋亡的启动——细胞在感受到相应的各种外界因素信号刺激后胞内一系列控制开关的开启或关闭。引起细胞凋亡的信号：细胞凋亡因子，某些细胞因子，激素和病原微生物等。1、细胞凋亡因子FasL和肿瘤坏死因子（TNF)细胞凋亡因子FasL（Fas配体）是一种跨膜糖蛋白，可与细胞表面的Fas受体结合引起细胞凋亡，从而杀死病变细胞。2、细胞因子——一些细胞生存因子为细胞存活所需，如除去则诱发细胞凋亡，如白介素。第五节细胞调亡的过程及机理一、凋亡的启动3、脂溶性激素类固醇激素直接进入细胞，与核内受体结合，调节有关基因转录，对细胞凋亡起调控作用。4、病原微生物——各种病毒等5、多种理化因素——紫外线辐射、电离辐射、热休克等；生化因素有：神经递质、神经酰胺等。6、金属离子——第五节细胞调亡的过程及机理二、凋亡信号的转导第五节细胞调亡的过程及机理三、细胞色素c释放和凋亡相关酶的激活第五节细胞调亡的过程及机理四、凋亡的执行1、凋亡抑制物正常细胞中抑制物与核酸酶结合在一起，处于无活性。抑制物被破坏（如被Caspase裂解）而激活核酸酶，可引起DNA片段化。2、破坏细胞结构Caspase可直接破坏细胞结构。3、调节蛋白功能丧失Caspase作用与细胞骨架调节有关的酶和蛋白。谢谢！