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1、关于细胞周期(2)第一页，本课件共有76页细胞增殖是生命的基本特征。初生婴儿1012个细胞，成人1014个，约200种类型。成人每秒钟有数百万新细胞产生。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。第二页，本课件共有76页第一节 基本概念MAJOR CONCEPTS第三页，本课件共有76页一、什么是细胞周期 细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程。分为：G1期(gap1)，分裂完成到DNA复制之前。S期(synthesis phase)，DNA复制阶段。G2期(gap2)，DNA复制完成到分裂之前。M期，又称D期，分裂开始到结束。第四页，本课件共有76页E
2、ucaryotic Cell Cycle Atypicalmammaliancellhasacellcycletimeof24hours,with12hrG1,6-8hrS,3-4hrG2,and1hrM第五页，本课件共有76页根据细胞周期可将高等动物细胞分为3类：连续分裂细胞，如表皮生发层、骨髓干细胞。休眠细胞，暂不分裂，适当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。不分裂细胞，又称终端细胞，不再分裂，如神经、肌肉、多形核细胞等。第六页，本课件共有76页二、细胞周期时间的测定G1期差异较大，M期最短，约0.54.5小时。周期长短与物种/细胞类型有关。测定方法：标记有丝
3、分裂百分率法（PLM），用3H TDR对测定细胞脉冲标记、定时取材，通过统计标记有丝分裂细胞百分数来测定细胞周期。第七页，本课件共有76页50100TG20TMTsTcTG2+1/2TMTPLM常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出TM第八页，本课件共有76页三、细胞同步化（一）自然同步化1.多核体：粘菌、疟原虫。2.水生动物受精卵：海胆、两栖类。3.增殖抑制解除后的同步分裂：真菌休眠孢子。第九页，本课件共有76页（二）人工同步化1.选择同步化1）有丝分裂选择法优点：操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害。缺点：获得的细胞数量较少（分裂细胞约占1%2%）。2）细胞沉降分离法优点：可用于
4、任何悬浮培养的细胞。缺点：同步化程度较低。第十页，本课件共有76页2.诱导同步化1）DNA合成阻断法：用DNA合成抑制剂，可逆阻断细胞周期，然后释放。常用TDR双阻断法。优点：同步化程度高；缺点：产生非均衡生长，个别细胞体积增大。2）中期阻断法用秋水仙素等微管抑制剂将细胞阻断在中期。优点是便于观察染色体，缺点是可逆性较差。第十一页，本课件共有76页第二节 有丝分裂MITOSIS第十二页，本课件共有76页一、细胞分裂的类型无 丝 分 裂：又 称 直 接 分 裂，由Remark（1841）发现于鸡胚血细胞，不涉及纺锤体形成及染色体变化。有丝分裂：又称间接分裂，由Fleming(1882)和Stra
5、sburger(1880)发现。减数分裂：DNA复制1次，细胞连续分裂2次。第十三页，本课件共有76页二、有丝分裂过程为了便于描述人为的划分为六个时期：间期（interphase）；前期(prophase)；前中期(premetaphase)；中期(metaphase)；后期(anaphase)；末期(telophase)。间期包括G1期、S期和G2期，进行DNA、中心体复制，细胞体积增大等准备工作。第十四页，本课件共有76页（一）前期（一）前期染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，核膜消失。第十五页，本课件共有76页S期中心粒已完成复制，核膜解体时，中心粒已到达两极，并形成纺锤体
6、。纺锤体的三种微管结构：极体微管（polar mt）；着丝点微管（kinetochore mt；星体微管（astral mt）。第十六页，本课件共有76页Twocentrosomes,andtheirformingradialarraysofastralmicrotubulesseparatingonthesurfaceofanearlyprophasenewtlungcellnucleus.图片来自http:/www.wadsworth.org/第十七页，本课件共有76页图片来自http:/www.wadsworth.org/第十八页，本课件共有76页（二）前中期（二）前中期从核膜解体到染色
7、体排列到赤道面上。第十九页，本课件共有76页（三）中期（三）中期染色体排列到赤道面上。第二十页，本课件共有76页（四）后期（四）后期指妹妹染色体单体分开并移向两极的时期。分为后期A、后期B两个过程。第二十一页，本课件共有76页Anaphase A:separation of the sister chromatids.第二十二页，本课件共有76页Anaphase B:separation of the poles.植物细胞有没有后期B？第二十三页，本课件共有76页Microtubules and Motors in the spindle第二十四页，本课件共有76页（五）末期从子染色体到达两极
8、，至形成两个新细胞为止的时期。涉及子核的形成和胞质分裂两个方面。第二十五页，本课件共有76页末期核纤肽B去磷酸化，介导核膜重新装配，同时染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核分裂与胞质分裂是相继发生的，属于两个分离的过程，如：大多数昆虫的卵，核可进行多次分裂而无胞质分裂，某些藻类的多核细胞可长达数尺，以后胞质才分裂形成单核细胞。子核的形成与胞质分裂子核的形成与胞质分裂第二十六页，本课件共有76页动物的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由平行排列的肌动蛋白组成。用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？第二十七页，本课件共有76页DividingMuscleMyoblast(pri
9、mitivemusclecell)(SEMx8,000)第二十八页，本课件共有76页植物细胞末期近两极处纺锤丝消失，中间微管保留，形成成膜体。来自高尔基体囊泡沿微管转运到成膜体中间。融合形成细胞板，囊泡的内含物形成初生壁和中胶层，囊泡膜形成质膜，融合留下的管道形成胞间连丝。第二十九页，本课件共有76页第三十页，本课件共有76页第三节 减数分裂Meiosis由连续两次分裂构成：通常减数分裂I分离的是同源染色体，所以称为异型分裂（heterotypic division）或减数分裂（reductional division）。减数分裂II分离的是姊妹染色体，类似于有丝分裂，所以称为同型分裂（hom
10、otypic division）或均等分裂（equational division）。为了描述方便将减数分裂分为不同时期。第三十一页，本课件共有76页MeiosisConcepts:1.Gameticmeiosis2.Sporicmeiosis3.Zygoticmeiosis第三十二页，本课件共有76页减数分裂可分为3种主要类型 配子减数分裂（gametic meiosis），也叫终端减数分裂(terminal meiosis)，其特点是减数分裂和配子的发生紧密联系在一起，在雄性脊椎动物中，一个精母细胞经过减数分裂形成4个精细胞，后者在经过一系列的变态发育，形成成熟的精子。在雌性脊椎动物中，一
11、个卵母细胞经过减数分裂形成1个卵细胞和2-3个极体。第三十三页，本课件共有76页孢子减数分裂（sporic meiosis），也叫中间减数分裂(intermediate meiosis)，见于植物和某些藻类。其特点是减数分裂和配子发生没有直接的关系，减数分裂的结果是形成单倍体的配子体（小孢子和大孢子）。小孢子再经过两次有次分裂形成包含一个营养核和两个雄配子（精子）的成熟花粉（雄配子体），大孢子经过三次有丝分裂形成胚囊（雌配子体），内含一个卵核、两个极核、3个反足细胞和两个助细胞。第三十四页，本课件共有76页合子减数分裂（zygotic meiosis），也叫初始减数分裂(initial mei
12、osis),仅见于真菌和某些原核生物，减数分裂发生于合子形成之后，形成单倍体的孢子，孢子通过有丝分裂产生新的单倍体后代。第三十五页，本课件共有76页此外某些生物还具有体细胞减数分裂（somatic meiosis）现象，如在蚊子幼虫的肠道中，有一些由核内有丝分裂形成的多倍体细胞（可高达32X），在蛹期又通过减数分裂降低了染色体倍性，增加了细胞数目。第三十六页，本课件共有76页一、间期称 前 减 数 分 裂 间 期 或 前 减 数 分 裂 期(premeiosis)，也分为G1、S和G2期。G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。S期时间较长，部分DNA（约0.3%左右）是在合线期合成的。第三
13、十七页，本课件共有76页二、分裂期（一）减数分裂I1.前期I通常分为5个时期：leptotene，zygotene，pachytene，diplotene，diakinesis。第三十八页，本课件共有76页1）细线期:染色体呈细线状，具有念珠状的染色粒。持续时间最长，占减数分裂周期的40%。细线期虽然染色体已经复制，但光镜下分辨不出两条染色单体。由于染色体细线交织在一起，偏向核的一方，所以又称为凝线期(synizesis)，在有些物种中表现为染色体细线一端在核膜的一侧集中，另一端放射状伸出，形似花束，称为花束期(bouquet stage)。第三十九页，本课件共有76页2）合线期：持续时间较长
14、，占有丝分裂周期的20%。亦称偶线期，是同源染色体配对的时期，这种配对称为联会(synapsis)。这一时期同源染色体间形成联会复合体(synaptonemal complex，SC)。在光镜下可以看到两条结合在一起的染色体，称为二价体（bivalent）。每一对同源染色体都经过复制，含四个染色单体，所以又称为四分体（tetrad）。第四十页，本课件共有76页3)粗线期：持续时间长达数天，此时染色体变短，结合紧密，在光镜下只在局部可以区分同源染色体，这一时期同源染色体的非姊妹染色单体之间发生交换的时期。在果蝇粗线期SC上具有与SC宽度相近的电子致密球状小体，称为重组节，与DNA的重组有关。第四
15、十一页，本课件共有76页4）双线期：联会的同源染色体相互排斥、开始分离，但在交叉点(chiasma)上还保持着联系。双线期染色体进一步缩短，在电镜下已看不到联会复合体。交叉的数目和位置在每个二价体上并非是固定的，而随着时间推移，向端部移动，这种移动现象称为端化(terminalization)，端化过程一直进行到中期。植物细胞双线期一般较短，但在许多动物中双线期停留的时间非常长，人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期，而一直到排卵都停在双线期，排卵年龄大约在12-50岁之间。成熟的卵细胞直到受精后，才迅速完成两次分裂，形成单倍体的卵核。在鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的
16、二价体解螺旋而形成灯刷染色体，这一时期是卵黄积累的时期。第四十二页，本课件共有76页5）终变期：二价体显著变短，并向核周边移动，在核内均匀散开。所以是观察染色体的良好时期。由于交叉端化过程的进一步发展，故交叉数目减少，通常只有一至二个交叉。终变期二价体的形状表现出多样性,如V形、O形等。核仁此时开始消失，核被膜解体，但有的植物，如玉米，在终变期核仁仍然很显著。第四十三页，本课件共有76页2.中期I:核仁消失，核被膜解体，标志进入中期I，中期I的主要特点是染色体排列在赤道面上。每个二价体有4个着丝粒、姊妹染色单位的着丝粒定向于纺锤体的同一极，故称联合定向(co-orientation)。3.后期
17、I：同源染色体随机分向两极，染色体重组，人类染色体重组概率有223个。4.末期I:染色体到达两极后，解旋为细丝状、核膜重建、核仁形成，同时进行胞质分裂。第四十四页，本课件共有76页5.减数分裂间期:在减数分裂I和II之间的间期很短，不进行DNA的合成，有些生物没有间期，而由末期I直接转为前期II。（二）减数分裂II可分为前、中、后、末四个四期，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。第四十五页，本课件共有76页Chromosome recombination 1第四十六页，本课件共有76页Chromosome recombination 2Minimu
18、mnumberofgametetypes=2n,Inhumans,n=23第四十七页，本课件共有76页三、联会复合体SC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯子状。SC帮助交换的完成，SC上有重组节，是交换发生的部位。SC主要由碱性蛋白质和RNA组成，含有少量DNA。SC形成合线期，成熟于粗线期，消失于双线期。在细线期/合线期加入DNA合成抑制剂，则抑制SC形成。第四十八页，本课件共有76页synaptonemal complex第四十九页，本课件共有76页第四节 细胞周期调控CELL CYCLE CONTROL第五十页，本课件共有76页一、研究背景1970s Rao等发现与M期细胞(Hela)
19、融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体。G1期PCC为单线状，因DNA未复制。S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(MPF)。第五十一页，本课件共有76页prematurelycondensedchromosome，PCCG1SG2第五十二页，本课件共有76页Hartwell 1960s,Nurse 1970s 分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cdc)。如：裂殖酵母cdc2、芽殖酵母
20、cdc28突变型在限制温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；cdc2和cdc28都编码34KD的蛋白激酶，促进细胞周期进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进cdc2的活性。第五十三页，本课件共有76页FISSION YEAST 第五十四页，本课件共有76页BUDDING YEAST 第五十五页，本课件共有76页Cdc 25&Wee1 mutant第五十六页，本课件共有76页T.Hunt 1980s发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为cyclin A和B，其mRNA能诱导蛙卵成熟。1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。
21、经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨 酸/苏 氨 酸 激 酶。进 一 步 的 研 究 发 现MPF=cdc2+clyclin B第五十七页，本课件共有76页Leland H.Hartwell R.Timothy(Tim)Hunt Sir Paul M.Nurse 2001年10月8日 美 国 人LelandHartwell、英 国 人PaulNurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。第五十八页，本课件共有76页二、CDKcdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)。cdc2又称CDK1，可将特定蛋白
22、磷酸化，如：将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。在动物中已知7种CDK。均含PSTAIRE保守序列，与周期蛋白的结合有关。第五十九页，本课件共有76页三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子CKI对细胞周期起负调控作用，分为：Ink4:抑制cdk4cyclin D1,cdk6cyclin D1。Kip：抑制大多数CDK。其中P21cip1还能与DNA聚合酶的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。第六十页，本课件共有76页四、细胞周期蛋白cyclin特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导与CDK结合。作用：激活
23、和引导CDK作用于不同底物。已知30余种，分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。第六十一页，本课件共有76页不同类型的CDK/cyclin复合体*包括D1-3，各亚型cyclin D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。第六十二页，本课件共有76页G1期，在生长因子的刺激下，cyclin D表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，释放转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。G1-S期，cyclinE与CDK2结合，激活DNA复制。G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1引起染色体凝缩、核膜解体等。第
24、六十三页，本课件共有76页G1 CDK activate transcription factor E2F第六十四页，本课件共有76页CELLCYCLEREGULATION第六十五页，本课件共有76页中期当MPF活性达到最高时，激活APC，通过泛素化途径降解cyclin B，完成细胞周期。分裂期周期蛋白N端具有降解盒。泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白能被蛋白酶体识别和降解，是细胞内短寿命蛋白和异常蛋白降解的普遍途径。第六十六页，本课件共有76页Destruction Box in Cyclins第六十七页，本课件共有76页26S蛋白酶体是大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解
25、成短肽。第六十八页，本课件共有76页第六十九页，本课件共有76页M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累。结合cyclinB的CDK1被Wee1将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累。在M期，Wee1的活性下降，cdc25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDKactivatingkinaseCAK)的作用下完成的。五、M期CDK的激活第七十页，本课件共有76页CDK ACTIVATING第七十一页，本课件共有76页六、细胞周期检验点（check point）组成：感受器、信号传导通路、效
26、应器。主要检验点：G1/S检验点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restriction point)。S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期检验点：纺锤体组装检验点。第七十二页，本课件共有76页FOUR CHECKPOINTS第七十三页，本课件共有76页ATM（ataxia telangiectasia-mutated gene）最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者，人类中大约有1%的人是ATM缺失的杂合子，表现出对电离辐射敏感和易患癌症。ATM编码一个蛋白激酶，结合在
27、损伤的DNA上，其信号通路有两条。激活Chk1（checkpoint kinase）,使cdc25的Ser216磷酸化失去活性，抑制M-CDK的活性，中断细胞周期。激活Chk2，使P53被磷酸化而激活，然后P53作为转录因子，导致P21表达，P21抑制G1-S期CDK的活性，中断细胞周期。第七十四页，本课件共有76页七、生长因子对细胞增殖的影响生长因子是与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖。作用方式：旁分泌。信号通路：ras、cAMP、磷脂酰肌醇途径。如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclin D、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。第七十五页，本课件共有76页感感谢谢大大家家观观看看第七十六页，本课件共有76页