细胞生物学-第十一章细胞周期和细胞分裂.ppt

1,Chapter 12,细胞周期和细胞分裂,2,12.1 细胞周期 12.2 细胞周期调控 12.3 有丝分裂 12.4 减数分裂,纲 要,3,12.1 细胞周期cell cycles,通过细胞分裂产生的新细胞的生长开始到下一次细胞分裂形成子细胞结束为止所经历的过程称为细胞周期。 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。,4,5,2001年诺贝尔生理学/医学奖得主,6,利兰哈特韦尔发现了控制细胞周期的基因，其中一种被称为“START” 的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。 保罗纳西的贡献是发现了CDK。 蒂莫西亨特的贡献是发现了调节CDK的功能物质Cyclin.,2001年诺贝尔生理学与医学奖:,7,8,12.1.1 细胞周期时相及类型,Phases of the cell cycle G1期(Gap 1 phase),即从M期结束到S期开始前的一段间歇期; S期,即DNA合成期(DNA synthetic phase); G2期(Gap 2 phase), 即DNA合成后(S期)到有丝分裂前的一个间歇期; M期,即有丝分裂期(mitosis phase)。 不一定每种细胞都有四个时期，如胚胎细胞没有G1期。,9,Embryonic cell cycles,10,Phases of the cell cycle,11,持续分裂细胞 如性细胞、造血干细胞 终端分化细胞 永久性失去了分裂能力的细胞。高度特化的细胞, 如哺乳动物的红细胞、神经细胞等。 G0细胞 又称休眠细胞。暂时脱离细胞周期,不进行增殖,也叫静止细胞群,如某些免疫淋巴细胞, 肝,肾细胞等。,细胞周期和细胞类群,12,12.1.2 细胞周期各时相的合成活动,G1期 (Gap1 phase) DNA合成前期。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。 S 期 (synthesis phase) DNA合成期。合成DNA，组蛋白, DNA复制所需的酶都在这一时期合成。,13,G2 期(Gap 2 phase) 大量合成ATP、RNA、蛋白质, 包括微管蛋白和成熟促进因子MPF(maturation promoting factor)等，为有丝分裂作准备。 M期 核分裂和胞质分裂，并形成两个子细胞。,14,12.1.3 细胞周期的研究方法,细胞同步化(synchronization) 诱导同步法 DNA合成阻断法 胸腺嘧啶 中期阻断法 秋水仙素 选择同步法(selection synchrony) 有丝分裂选择法 细胞沉降分离法 条件突变(conditional mutants),15,12.2 细胞周期调控,16,12.2.1 细胞周期调控概述,细胞周期的控制系统(cell-cycle control system) 类似于中央控制系统(central control system)。 细胞周期中的基本事件, 如DNA复制、有丝分裂、胞质分裂都是通过中央的细胞周期控制系统控制的。,17,细胞周期的控制系统,中央控制系统如同一个顺时钟移动的指针, 当它到达某一位置时触发一个反应。,18,12.2.2 蛋白激酶在细胞周期调控中的作用,细胞周期的控制有两个主要事件: 对DNA复制起始的控制 对染色体凝集的控制,细胞融合实验,研究者：1970年，Colorado 大学的Potu Rao 和 Robert Johnson,19, DNA复制起始的控制因子,使用的细胞系：Hela细胞； 研究方法：G1期细胞同S期细胞融合； 结果：G1期的细胞质受到S期细胞质的激活, 开始了DNA复制； 结论：S期细胞的细胞质中含有促进G1期细胞进行DNA复制的起始因子。 研究方法：S期细胞与G2期细胞融合 结果：G2期的细胞核不能再启动DNA的复制。 结论：S期的细胞质中的DNA复制起始因子对已进行了DNA复制的G2期的细胞核没有作用。,20,将处于分裂期的细胞（M期）与处于细胞周期其他时期（G1期、S期、G2期）的细胞融合, M期的细胞质总是能够诱导非有丝分裂的细胞中的染色质凝集,这种现象称为染色体超前凝集。, 染色体超前凝集(premature chromosome condensation,PCC),21,G1期细胞与M期细胞融合,染色体为单线状,22,S期细胞与M期细胞融合,为粉末状,23,G2期细胞与M期细胞融合,染色体为双线,24,成熟促进因子MPF(maturation promoting factor)的发现,卵细胞提取物注射实验,25,后来称为成熟促进因子MPF (maturation promoting factor，MPF) ，是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子。,在M期的细胞中有促进细胞分裂的因子存在, 在最初时称之为M-期促进因子(M-phase promoting factor, MPF),26,是由两个不同的亚基组成的异质二聚体: 催化亚基 是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶 其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,Cdks); 调节亚基：周期蛋白(cyclin)。,MPF的结构组成,27,获得同步化的受精的海胆卵细胞 在有放射性氨基酸的培养液中培养 每10分钟取一次样分离纯化蛋白质进行分析 实验结果 发现了周期蛋白B(cyclin B)： 周期蛋白B的cDNA克隆与周期蛋白B的鉴定,细胞周期蛋白的鉴定,28,Accumulation and degradation of cyclins in sea urchin embryos,29,蛙胚细胞发生同步分裂时, 早期发育的周期性变化,酵母的一次细胞周期, 细胞周期中MPF和周期蛋白的浓度变化,30,有丝分裂的退出：周期蛋白B的降解,细胞周期蛋白基因的cDNA分析 N端破坏框(destruction box),31,多遍在蛋白化作用(polyubiquitination) 遍在蛋白活化酶(ubiquitin-activating enzyme, E1) 遍在蛋白缀合酶(ubiquitin-conjugating enzyme, E2) 遍在蛋白连接酶(ubiquitin ligase, E3) ，又称为促后期复合物 (anaphase-promoting complex, APC) 。 蛋白酶体的降解作用,遍在蛋白与周期蛋白的降解,32,Polyubiquitination 多遍在蛋白化作用,促后期复合物,33,当MPF的活性在有丝分裂中期达到最高峰时, 它将APC磷酸化并将其激活； 接着发生周期蛋白B遍在蛋白多聚化, 引起周期蛋白B的降解； 由于周期蛋白B是MPF的一个必需亚基, 它的降解势必导致MPF的失活； 在G1期的后期,APC失活,使得周期蛋白B的浓度升高,同时提高MPF的活性, 以便进入下一个有丝分裂期。,APC的活性调节控制周期蛋白B的降解,P518,34,Regulation of mitotic cyclin levels in cycling cells,P518,35,三类周期蛋白-CDK复合物: G1期周期蛋白-CDK复合物 S期周期蛋白-CDK复合物 M期周期蛋白-CDK复合物 三个关键的过渡 G1期S期 中期后期 后期末期及胞质分裂期过渡,真核生物细胞周期调控的一般模型,36,Current model for regulation of the eukaryotic cell cycle,P520,37,12.2.3裂殖酵母的细胞周期调控,温度敏感突变型, 可分成两类： cdc突变（cell division cycle,cdc 细胞分裂周期） 这类突变在非允许的温度下培养, 形成特别长的细胞; wee突变 这种突变长得特别小而不能分裂。,酵母的细胞周期基因突变,38,The fission of S.pombe,39,cdc2突变的表型,cdc突变,wee突变,40,对突变体的研究发现,没有Cdc2的活性,细胞不能进入有丝分裂 序列分析表明该基因编码一个相对分子质量为34kDa的蛋白, 该蛋白又称为p34cdc2 蛋白； 研究发现酵母Cdc2蛋白是一种蛋白激酶 cdc13+基因 该基因的产物也是裂殖酵母进入有丝分裂必需的； Cdc13和Cdc2蛋白能够形成异质二聚体,并且具有蛋白激酶的活性，相当于非洲爪蟾的MPF。,裂殖酵母的MPF,41,Cdc25蛋白激活裂殖酵母的MPF的活性； Wee1蛋白抑制裂殖酵母的MPF活性； Cdc2蛋白亚基上有两个磷酸化与去磷酸化位点,裂殖酵母的MPF活性调节,42,Cdc25 and Wee1 have opposing effects on S. pombe MPF activity.,43,Cdc2-Cdc13复合物：无活性 Weel激酶将Cdc2的Tyr15(Y15)磷酸化 CAK（Cdc2-activating kinase)激酶将Cdc2的Thr161（T161)磷酸化 Cdc25使Y15去磷酸化 Weel、 Cdc25 相互竞争：关键因素？ 细胞生长得是否足够大？ DNA复制是否正确、完全？,裂殖酵母MPF的活性调节,44,裂殖酵母MPF的活性调节,45,12.2.4 Regulation of the cell cycle of budding yeast,芽殖酵母(S.cerevisiae) 生活史 cdc-28突变 START点：,46,Cell cycle of Saccharomyces cerevisiae,47,芽殖酵母中START调节点,48,START 代表一个决定点，细胞是否有足够的营养来完成细胞周期进程中的剩余部分。 重要的细胞周期调节点，处于G1期末，控制G1期向S期的进行。 最初在芽殖酵母中被鉴定。 一旦通过START，细胞将不可逆地进入S期进行DNA复制，最终完成一个细胞周期。 细胞通过START 需要外部信号（如营养）和细胞体积大小的调节。,49,芽殖酵母的Cdc28蛋白的突变,50, 芽殖酵母cdc28和裂殖酵母cdc2基因高度同源，蛋白功能相似。 均为CDK 三种G1周期蛋白与Cdc28形成S期促进因子 S期促进因子(S phase-promoting factor,SPF), SPF也是异质二聚体：一个是Cdc28, 另一个是在G1期起作用的周期蛋白； 有三种G1周期蛋白：CLN1、CLN2、CLN3。,芽殖酵母的Cdc28蛋白 p525,51,芽殖酵母细胞周期中的Cdc28蛋白,52,12.2.4 芽殖酵母的细胞周期调控,芽殖酵母(S.cerevisiae) 生活史 P523,53,芽殖酵母中START调节点,54, START是重要的细胞周期调节点，处于G1期末，控制G1期向S期的进行。 最初在芽殖酵母中被鉴定。 一旦通过START，细胞将不可逆地进入S期进行DNA复制，最终完成一个细胞周期。 细胞通过START 需要外部信号（如营养）和细胞体积大小的调节。,55,芽殖酵母的Cdc28蛋白的突变,56, 芽殖酵母cdc28和裂殖酵母cdc2基因高度同源，蛋白功能相似。 均为CDK 三种G1周期蛋白与Cdc28形成促S期因子 促S期因子(S phase-promoting factor,SPF), SPF也是异质二聚体：一个是Cdc28, 另一个是在G1期起作用的周期蛋白； 有三种G1周期蛋白：CLN1、CLN2、CLN3。,芽殖酵母的Cdc28蛋白 (p525),57,芽殖酵母细胞周期中的Cdc28蛋白,58,12.2.5 哺乳动物细胞周期的控制,哺乳动物细胞体外培养时，需要添加多肽生长因子促进细胞的分裂； 如果缺少生长因子, 就会被阻止在G0阶段, 一旦在培养基中添加了生长因子, 这些细胞在1416小时后通过细胞周期限制点； 细胞一旦通过了G1期的某一点（限制点）, 这些细胞就能够进入S期并完成其后的细胞周期过程； 由此推测, 哺乳动物细胞周期的限制点相当于酵母的START点。,哺乳动物细胞周期的限制点（restriction point）,59,The proliferation of most animal cells is similarly regulated in the G1 phase of the cell cycle. In particular, a decision point in late G1, called the restriction point in animal cells, functions analogously to START in yeasts,60,细胞周期受一个小型Cdks家族的调节： CDK1、CDK2、CDK3、等； 多种周期蛋白: 周期蛋白A：S期和M期周期蛋白 周期蛋白B：M期周期蛋白 周期蛋白D1、D2、D3：G1中周期蛋白 周期蛋白E：晚G1期、S期周期蛋白,哺乳动物细胞周期受多种CDKs和周期蛋白的调控,61,12.2.6 细胞周期的关卡,与细胞分裂有关的基因称为细胞分裂周期(cell division cycle, cdc) 基因。这些基因表达的有序性, 受一些控制系统的监测： 如酵母细胞在DNA合成开始的前有启动点(START)； 在哺乳类细胞中称为R点或限制点(restriction point), 亦称为关卡(check point)。,62,Cell Cycle Checkpoints,63,G1关卡(靠近G1末期) G2关卡(在G2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,进入下一阶段。,细胞周期中的三个主要关卡,64,在G1关卡(在酵母中称START,而在哺乳动物中称限制点或commitment point)，主要是监测细胞的大小和营养状态； G1关卡是细胞周期的主要控制点,它决定着细胞能否分裂；,G1关卡(START或限制点):,65,G2关卡,主要监测DNA复制是否完毕； 使没有完成DNA复制的细胞停留在G2 期，只有当DNA复制完成后才能解除G2期抑制进入分裂期。,66,主要监测所有的染色体是否都与纺锤体相连并排列在赤道板上； 保证每个子细胞能够精确分配到一套完整的染色体。,中期关卡(M phase checkpoint ):,67,DNA复制不完全 纺锤体装配不正常 DNA损伤 p53的作用,其他影响细胞周期的事件,68,Role of p53 in G1 arrest induced by DNA damage DNA damage, such as that resulting from irradiation, leads to rapid increases in p53 levels. The protein p53 then signals cell cycle arrest at the G1 checkpoint.,69,Induction of p21 by DNA damage 在出现损伤DNA时，P53作为转录激活因子诱导P21基因的表达，P21蛋白能够同CDK周期蛋白复合物结合并将细胞阻止在G1期或G2期。同时，P21与增殖细胞核抗原（PCNA）,一种DNA聚合酶亚基的相互作用抑制DNA的复制。,70,MPF的作用机制,促进染色体凝集 核纤层磷酸化 核被膜解体 细胞相关的酶与蛋白质磷酸化,71,Targets of MPF,72,MPF与核纤层解体,73,MPF激活肌球蛋白促进胞质分裂,中期,间期,后期,74,12.3 有丝分裂,12.3.1 有丝分裂概述 有丝分裂是指整个细胞分裂, 包括核分裂和胞质分裂两个过程。 通常将有丝分裂分为前期、中期、后期和末期。 后期的主要特点是: 着丝粒分开,染色单体移向两极。,75,后期的主要特征,76,12.3.2 有丝分裂的机理,纺锤体微管类型及形成 纺锤体又称为有丝分裂器(mitotic apparatus) 动粒微管Kinetochore microtubules 极微管Polar microtubules 星微管 Astral microtubules 中心粒 中心粒确定分裂极 形成纺锤体,77,纺锤体微管的类型,动粒微管,极微管,星微管,78,中心粒的复制周期,79,染色体分离的力 拉力：由动粒微管去装配产生 推力：由极微管的聚合所产生 后期可分为两个阶段 后期A 后期B 力产生的机制： 后期A，微管去聚合假说 后期B，纺锤体微管滑动假说,染色体分离的两个阶段：后期A与后期B,80,Anaphase A and Anaphase B,微管去聚合假说,纺锤体微管滑动假说,81,微管去聚合作用假说 该假说的特点是动粒微管不断解聚缩短,造成将染色体拉向两极。 该模型的可能机理是微管的正端插入动粒的外层,微管蛋白分子与动粒蛋白分子有亲和性,微管蛋白在此端去组装。在动粒中,ATP分子水解可以提供能量,驱动微管上的动力蛋白向两极移动,结果将染色体拉向两极。（P536）,纺锤体微管运动机理,82,后期A:微管去聚合假说,83,这种假说认为极-极分离是由极微管的两种不同类型的变化引起的。 首先,极微管在+端添加微管二聚体进行聚合延长，使两极的极微管产生重叠的带(overlap zone)。 第二，极微管产生滑动，产生将两极分开的力。 微管间的横桥能够提供机械-化学的活动。横桥上有较高的ATP酶活性,推测是一种分子马达。,纺锤体微管滑动假说,84,纺锤体微管滑动假说,85,本章要点： 1、细胞有丝分裂后期染色体分离及分向两极的机制。 2、细胞周期调控机理,86,一、填空 1、真核生物细胞周期分为 、 、 、 期。其中 统称为细胞间期。 2、促成熟因子（MPF）含有两个亚基，其中 为调节亚基， 为催化亚基。 3、将M期细胞分别与G1期、S期、G2期的细胞融合，它们的染色体分别呈现为 、 、_。 4、根据其分裂行为，可将细胞分类三类，分别为 、 、_。 二、 判断题 （）1、G0期细胞是永远失去了分裂能力的细胞。 （）2、细胞周期蛋白及其磷酸化状态两者决定一个CDK蛋白是否具有酶活性。,87,1、芽殖酵母和裂殖酵母在细胞周期调控中都只有一种CDK,前者为 ，后者为 。它们可与不同的细胞周期蛋白结合，分别形成 、 ，二者调控位点分别为从 期进入 期，从 期进入 期。 2、哺乳动物的细胞周期控制系统至少有3个关卡，分别为 、 、 ，它们的控制位点分别位于 、 、 ，其中 关卡是细胞周期的主要控制点。 3、有丝分裂中染色体分离的两个阶段的力产生机制可以分别用 假说和 假说来解释，期中前者认为 不断解聚缩短造成将染色体拉向两极。后者认为极-极分离是由 聚合延长和相互滑动产生的。,