医学 细胞生物学 细胞增殖 公开课课件

Part,14,细胞增殖,Cell proliferation,细胞增殖是细胞生命活动的重要特征之一，细胞增殖通过分裂实现。细胞周期的运行受到严格的调控，其运行机制包括哪些方面？,第一节 细胞的分裂,Cell Division,一、无丝分裂（amitosis）,无丝分裂（amitosis）又称直接分裂（direct division），是指细胞核和细胞质的直接分裂。 过程：细胞体积增大，DNA复制；DNA复制后，分裂开始，表现为细胞核拉长成哑铃形，中央部分变细断开，细胞随之分裂成两个。 特点：没有染色体组装和纺锤体形成、过程简单而迅速。分裂后遗传物质不一定平均分配给两个子细胞。,二、有丝分裂（mitosis）,有丝分裂（mitosis）又称为间接分裂（indirect division），是真核细胞增殖的一种最主要的分裂方式。 在分裂过程中要形成有丝分裂器，以保证遗传物质平均分配到两个子细胞中，维持遗传的稳定性，故称为有丝分裂。,三、减数分裂（meiosis）,减数分裂（meiosis）是配子发生成熟期中所进行的一种特殊的细胞分裂，又称为成熟分裂。在这一过程中，DNA复制一次，细胞连续分裂两次，结果形成染色体数目减少一半的子细胞（配子）。,减数分裂的意义,使生殖细胞中染色体数目从2n减到n，精卵结合后的受精卵又恢复2n，保证了亲代与子代之间染色体数目的相对恒定，为后代的性状遗传和正常发育提供了物质基础。 在减数分裂过程中由于非姐妹染色单体之间发生片段交换；同源染色体分离、非同源染色体之间自由组合等因素，可形成不同染色体组成的配子，使后代个体表现出多样性，这为纷繁复杂的生物变异提供了丰富的原材料，可推动在自然选择作用下的生物进化。,有丝分裂和减数分裂的比较,有丝分裂是细胞分裂的普遍方式；减数分裂只发生于配子发生的成熟期。 有丝分裂DNA复制一次，细胞分裂一次（均等分裂）；减数分裂DNA复制一次，细胞连续分裂两次（一次为减数分裂，一次为均等分裂）。 有丝分裂后染色体数目不变；减数分裂染色体数目减半。,有丝分裂和减数分裂的比较,有丝分裂后一个细胞形成遗传物质相同的2个子细胞；减数分裂后一个细胞形成遗传物质不同的4个子细胞。 减数分裂时前期出现联会，非姐妹染色单体间片段的交换；而有丝分裂则无。 有丝分裂一般时间较短；减数分裂一般时间较长。,第二节 细胞周期,Cell Cycle,一、细胞周期的概念和意义,细胞周期（cell cycle）：是指连续分裂的细胞从一次分裂结束开始生长，到再次分裂终了所经历的全部过程，主要进行遗传物质的精确复制与平均分配。包含G1期、S期、G2期、M期四个阶段。,二、细胞周期分期与细胞周期时间,细胞周期可分为G1期、S期、G2期、M期四个连续的时相。 细胞周期的持续时间一般为12 32h。,三、细胞周期不同时相及其主要事件,（一）G1期（DNA合成前期）,早G1期,限制点（restriction,R点）:早、晚G1期之间,晚G1期,细胞生长、分裂决定、 复制准备,1.早G1期细胞生长 主要表现为：RNA、蛋白质、脂类以及糖类的大量合成，形成大量的细胞器和其他结构，使细胞体积、表面积以及细胞核、质比例增加。 2.限制点(R点)分裂决定 介于早G1期和晚G1期之间。 是细胞周期进程的重要调控点。 决定细胞后续命运(进入S期;G0期细胞;分化或凋亡)。,在R点之前，可以通过剥离生长因子的方法阻止细胞进入S期，但在R点之后则不能阻止细胞完成G1/S期的转变。,R点是生长因子和药物等因素影响细胞周期的敏感点。,3.G1晚期复制准备 （1）为DNA合成作准备。 如： 合成DNA复制所所需要的各种脱氧核糖核酸、胸腺嘧啶核苷酸激酶、DNA聚合酶、解旋酶等。 （2）大量合成与细胞周期运行密切相关的蛋白，以使细胞周期能够顺利延续。 如：细胞周期蛋白、钙调蛋白、触发蛋白等。 （3）DNA损伤修复,（二）S期（合成期）,1.DNA复制：是细胞增殖的关键，仅局限于S期。 2.组蛋白、非组蛋白大量合成，染色质组装。 3.完成中心粒的复制。 特点1：S期复制不同步 GC含量高的DNA序列先复制，AT含量高的DNA序列后复制；常染色质先复制，异染色质后复制。 特点2：DNA复制与组蛋白复制同步。,DNA合成、染色质组装、 中心粒复制,（三）G2期（合成后期）,1.复制检查 2.分裂准备 合成微管蛋白及其关联蛋白 合成染色质凝集相关蛋白 合成M期调控蛋白 中心粒继续分别移向细胞两极，纺锤体微管开始组装。,复制检查和分裂准备,（四）M期（分裂期）,是将复制了的遗传物质平均分配到两个子细胞中的时期。 在细胞周期中M期所占时间最短，但细胞的形态结构变化最大。,G0,细胞生长、分裂决定、 复制准备,复制检查和分裂准备,DNA合成、染色质组装、 中心粒复制,细胞分裂,四、细胞的增殖状况,细胞在体内的增殖特性不同，包括三种增殖类型： 周期中细胞（cycling cell,增殖细胞） G0期细胞（暂不增殖细胞） 终末分化细胞(terminally differentiated cell),指在细胞周期中连续运转的细胞，因而又称增殖细胞、周期细胞。 如：皮肤基底层细胞、造血干细胞、消化道、阴道上皮细胞等。 这类细胞的分裂对于组织的更新有着重要意义。,1.周期中的细胞（连续分裂的细胞、增殖细胞）,指暂时脱离细胞周期，不增殖的细胞。但在适当因素刺激下，可再次重新返回细胞周期，开始分裂。 如：成纤维细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞、某些淋巴细胞、肝、肾、胰腺细胞等。 组织的再生、创伤的愈合、免疫反应均与此相关。,2.G0期细胞（暂不增殖细胞）,终末分化细胞是指那些不可逆的脱离细胞周期，丧失分裂能力，保持生理功能的细胞。 如：成人心肌细胞、神经细胞、成熟的红细胞等,3.终末分化细胞,（一）特殊细胞周期模型 真核细胞有一个复杂的细胞周期调节蛋白网络，控制细胞周期的进程，称为细胞周期调控系统（cell-cycle control system）。 细胞周期研究常用的模型有：酵母、爪蟾胚胎细胞、体外培养的哺乳动物细胞。,五、细胞周期的研究方法,优点：单细胞真菌，增殖速度快，基因组简单，便于遗传操作；与人的细胞周期调控系统非常相似。,1.酵母（Yeast）,优点： 分裂快，便于分析基本的细胞周期调控机制； 体积大，便于将实验物质注射到卵细胞，以研究注射物质对细胞周期进程的影响。,2.爪蟾胚胎细胞（Embryonic cell of xenopus laevis）,常用从正常组织或肿瘤组织中分离出来的细胞为材料。 优点： 分离细胞的试验条件易控制，便于研究。 便于对细胞周期调控系统所涉及的蛋白进行生化分析。 便于了解细胞增殖的调控、细胞癌变的机制。,3.体外培养的哺乳动物细胞（mammalian cell in vitro culture）,细胞同步化（synchronization）: 使处于细胞周期不同阶段的培养细胞，共同进入细胞周期某一特定阶段，这一过程称为细胞的同步化。 细胞同步化的方法：自然同步化和人共同步化,（二）细胞周期同步化,自然过程中发生的细胞周期同步化。 多核体：黏菌只进行核分裂，数量众多的核处于同一细胞质中进行同步化分裂。 某些水生动物的受精卵：海胆卵同时受精后最初3次细胞分裂同步。 增殖抑制解除后同步分裂：真菌休眠孢子进入适宜环境后一起发芽，同步分裂。,1.自然同步化（natural synchronization）,利用细胞培养，用各种理化因素处理获得的同步化生长的细胞。常用选择同步化和诱导同步化。 选择同步化：根据细胞的体积、黏附性等的时相特征来对不同时相的细胞进行选择和分离，从而实现细胞的同步化。如：有丝分裂选择法、细胞沉降分离法。,2.人工同步化（artificial synchronization）,诱导同步化：在培养液中加入或去除某些成分，或者改变培养温度，从而对细胞的生长进行阻滞或恢复，将不同步生长的细胞调整为同步生长，获得时相较为均一的细胞群体。如：分裂中期阻断法、DNA合成阻断法。,脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法 流式细胞仪测定法(Flow Cytometer，FCM) 缩时摄像技术，可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期的准确时间。,（三）细胞周期时间测定,第三节 细胞周期调控,The regulation of the cell cycle,细胞周期调控两大机制：启动监控 细胞周期进程严格、有序domino model 细胞内外多因子、多层次network,2001年诺贝尔生理学与医学奖,for their discoveries of “key regulators of the cell cycle.”,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。 蒂莫西亨特的贡献是发现了调节CDK的功能物质CYCLIN。 保罗纳西的贡献是发现了CDK。,一、MPF（maturation promoting factor）的发现,证明MPF活性实验,A,M期细胞中有促使细胞分裂的因子存在,The prematurely condensed chromosome (PCC),The fusion of M-phase HeLa cell with Ptk cell (G1、S、G2) inducing PCC. Exp. Demonstration that cells contain factors that stimulate entry into mitosis；,MPF（maturation promoting factor）的发现,MPF由A亚基、B亚基复合物组成,A,B,MPF由B亚基磷酸化其他蛋白启动细胞周期进程,MPF（maturation promoting factor）的发现,在细胞周期中细胞周期蛋白和MPF的波动,分裂期,分裂期,分裂期,间期,MPF 活性,间期,A亚基 浓度,高,低,高,低,MPF（maturation promoting factor）的发现,以上结果表明： 细胞周期的进程依赖于一种酶的激活，而这种酶可使其他蛋白磷酸化从而促进细胞周期进行； 酶的活性受一种亚基的控制，它的浓度在细胞周期的不同阶段是不同的。,细胞周期蛋白(Cyclin，Cyc)：一类随细胞周期的变化呈周期性出现与消失的蛋白质。 细胞周期蛋白依赖性激酶(Cyclin-dependent kinase, Cdk)：一类必须与周期蛋白结合才具有蛋白激酶活性的酶蛋白。,二、参与细胞周期调控的主要物质,CDK抑制因子（Cdk inhibitor，CKI）：通过直接与CDK或Cyc-Cdk复合物结合，抑制CDK的激酶活性、阻断或延迟细胞周期的运行的一类蛋白质。,二、参与细胞周期调控的主要物质,周期蛋白（cyclin）,细胞周期蛋白依赖激酶（Cyclin-dependent kinase, Cdk）,一类随细胞周期的变化呈周期性出现与消失的蛋白质。,一类必须与周期蛋白结合才具有蛋白激酶活性的酶蛋白，简称cdk激酶。,在细胞周期的进程中Cyc可不断合成与降解，Cdk对蛋白质磷酸化的作用也因此呈现周期性的变化。,1、周期蛋白的浓度变化； 2、CdK激活蛋白(CAK)； 3、Cdk抑制蛋白(CKI)； 4、Cdk自身的磷酸化状态。,在周期的不同时相，不同的CDK激酶与不同的周期蛋白结合,引发细胞周期进程中特定事件的出现，并促成了G1/S、G2/M、中期/后期等关键过程不可逆的转换。 CDK激酶在细胞内的含量相对恒定，而cyclin的含量却随细胞周期的变化而变化。 细胞周期引擎：Cyc-Cdk蛋白质磷酸化调控系统 细胞周期原动力：周期性基因表达,三、细胞周期运转的调控,选择性的清除前一阶段的相关调控蛋白（即周期蛋白），为新一轮细胞周期事件的启动扫清道路，避免阶段性回复，保证细胞周期运行的方向。 细胞周期的清道夫：泛素化蛋白质降解系统