生命科学导论-6 细胞周期调控

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姐妹染色体分离的主要原因与染色体着丝粒分裂有关
②后期B,指两极间距离拉大的过程。 一方面极间微管组装延长,结合在极间微管重叠部分的马达蛋白提供动力,推 动两极分离; 另一方面星体微管去组装而缩短,结合在星体微管正极的马达蛋白牵引两极距 离加大。
可见染色体的分离是在微管与分子马达的共同作用下实现的 ..
就高等生物体的细胞而言,细胞周期时间长 短主要差别在G1期,而变化最大。S期、G2期和 M期则相对稳定。
标准的细胞周期
在胚胎发育过程中,细胞不但在机能上彼此 分工,增殖行为也出现差异,根据细胞繁殖状 况,可将机体内所有细胞相对地分为3类:
①周期中细胞(连续分裂细胞) 细胞周期连续运转。如部分骨骼造血细胞、
第六章
细胞周期及其调控
第六章 细胞周期及其调控
(一)掌握: 细胞周期概况;有丝分裂的过程和特点。 (二)理解: 细胞周期的调控;细胞周期检验点的概念。
本章主要内容
1. 细胞周期定义、各个时期的生命活动 2. 有丝分裂时期和特点 3. 细胞周期调控相关的基因 4. 细胞凋亡
细胞增殖的功能
三、周期蛋白 (cyclin)
• 细胞周期蛋白是真核细胞中的一类蛋白质,它们能随 细胞周期进程周期性的合成及降解。 • 人们已经从生物体中分离出了数十种周期蛋白,在哺 乳动物中包括cyclin A-H等几大类,可分别与不同的周 期蛋白依赖性激酶(CDK)蛋白结合。 • 这些周期蛋白在细胞周期内表达的时期有所不同,所 执行的功能也多种多样。 • G1期周期蛋白,如C、D、E、Cln1、Cln2、Cln3等; M期周期蛋白,如周期蛋白A、B等。
部分周期蛋白分子结构特征:
•周期蛋白框可介导周期蛋白与周期 蛋白依赖性激酶结合,形成复合物, 参与细胞周期的调控。
•破坏框和PEST序列介导周期蛋白的 降解。
四、CDK激酶
➢ 周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase, Cdk),简称CDK激酶。 ➢ 可以与周期蛋白cyclin结合,进而表现出蛋白激酶活 性,周期蛋白为其调节亚单位,CDK蛋白为其催化亚单位。 ➢ 在细胞周期调节中,周期蛋白与CDK蛋白结合,然后 由其他激酶催化CDK磷酸化,使其具有激酶活性。 ➢ 目前已经发现,在哺乳动物细胞内至少存在8种CDK 激酶,即CDK1( Cdc2 )至CDK8。 ➢由于在细胞周期进程中,周期蛋白不断的被合成和降 解,Cdk对蛋白质磷酸化的作用也因此呈现周期性的变 化。
⒊ G2期
细胞核内DNA的含量已经增加一倍。其它结 构物质和相关的亚细胞结构也已进行了进入M期 的准备。
G2期中加速合成RNA和蛋白质,其中最主要 的是合成有丝分裂因子和微管蛋白等有丝分裂器 的组分。另外,细胞成分如磷脂的合成增加并进 行ATP的积累,为有丝分裂进行物质的准备。
⒋ M期
M期即细胞分裂期。真核细胞的细胞分裂主 要包括两种方式,即有丝分裂和减数分裂(成熟 分裂)。
6.2 有丝分裂
有丝分裂是一个连续过程,人为地分为6个时 期。 (有的教材分为4个时期:前期,中期,后 期和末期。)
1.前期 2.前中期 3.中期 4.后期 5.末期
6.胞质分裂
微管
星体
核仁消失与染色质上的核仁组织中心组装到了染色体中、RNA合成停止 有关。
核膜破裂与核纤层蛋白磷酸化有关。
动粒(kinetochore)是存在于主缢痕两侧的特化的圆盘状 结构,由蛋白质构成,细胞分裂时纺锤体微管连接的部位。
cyclin-Cdk复合物是细胞周期调控体系的核心。
其周期性的形成及降解,引发了细胞周期进程 中特定事件的出现,并促成了G1期向S期、S期 向G2期以及G2期向M期等关键过程不可逆的转 换。
五、MPF的作用(促使细胞从G2进入M期)
MPF(maturation promoting factor),即 促成熟因子,或细胞促分裂因子,或M期促进 因子,是一种cyclin B - Cdk复合物,在促进 G2期向M期转换的过程中起关键作用。
G1期PCC为单线状,因 DNA未复制。
S期为粉末状,因DNA由 多个部位开始复制。
G2期为双线染色体,说明 DNA复制已完成。
人类M期细胞与袋鼠G1、S和G2期细胞融合诱导成熟染色体凝集
MPF活性与细胞周期的关系
MPF含有两个亚单位,P32和P45,即Cdc2蛋白 和周期蛋白。当两者结合后,表现出蛋白激酶活 性。 Cdc2为其催化亚单位,周期蛋白为其调节 亚单位。
二、细胞分裂周期(cdc)基因
细胞周期沿着G1→S→G2→M的顺序运转,不同 时期出现不同的关键性事件,这是基因有序表达的 结果,这种完成细胞周期中特定阶段所需要产物的 编码基因,叫cdc基因。
cdc基因的产物是一些蛋白激酶、磷酸酶等,包 括细激酶抑制因子等。
着丝粒-动粒区域是一种高度有 序的、在结构上和组成上非均一 的整合结构。包含3个结构域:
1、动粒结构域(kinetochore domain) 位于着丝粒的表面,电镜下呈三
层 板状结构。
2、中心结构域(central domain) 位于动粒结构域的内表面。包括着
丝粒的大部分,其中含有高度重复 序列DNA。
⒈细胞增殖是生物繁育的基础(增加个体数量, 多细胞生物繁衍)。
⒉维持机体细胞数量和功能的相对平衡。
(更新衰老、凋亡和受损的细胞)
大剂量的X射线照射老鼠,老鼠几天内死亡。
(导致干细胞大量死亡,个体在细胞数量上特别是 功能上受损。)
➢细胞增殖是通过细胞周期来实现的,细胞周 期的有序运行是通过相关基因的严格监视和调 控来保证的。
的微管组织中心。 中心粒是圆筒状小体,筒壁为9组三联微管组成。 在动物细胞分裂时,与确定分裂方向有关的细胞器是中心
体。 中心体在G1末期开始复制。G2期开始分离,G2晚期到M
期,子中心粒不断长大,逐渐分离到两极的两对中心粒具微 管组织中心的作用,组织形成纺锤体及星体。
⒉动粒与着丝粒
动粒(着丝点)是 附着于着丝粒上的一 种特殊结构。在S期 复制,电镜下为一个 圆盘状结构,分内、 中、外三层。主要由 蛋白质组成,并有少 量的RNA和DNA, 是有丝分裂时纺锤体 微管附着于染色体的 部位。
➢细胞无限制增长对个体来说意味着癌症,个 体无限制繁殖对地球来说意味着灾难。
6.1 细胞周期概述
一、细胞周期 细胞周期指细胞从一次分裂结束开始,经过
物质积累过程,直到下一次分裂结束为止,称为 一个细胞周期。正常情况下,沿着 G1→S→G2→M期运转。
细胞周期除了可受生物种类和细胞种类的影 响外,还可受温度等周围环境条件的影响。
MPF因子的发现
将M期细胞和不同时期的间期细胞溶合,诱导间期细胞产生形态各异 的染色质凝集,称之为 染色体超前凝集(PCC)。此种染色体则称为超 前凝集染色体。
这种现象提示在M期细胞中可能存在一种诱导染色质凝集的因子称为 细胞促分裂因子或M期促进因子。
PCC形态反映该细胞在间期 所处细胞周期位置:
除CDK激酶及其直接的活性调节因子外,还 有不少其他因素参与细胞周期调控过程,所有 这些因素组成一个综合的调控网络。
六、其他内在和外在因素在细胞周期调控中的 作用
㈠癌基因与抑癌基因
两者均是细胞生命活动所必需基因,其表达产物对 细胞增殖和分化起着重要的调控作用。癌基因非正常表 达可导致细胞转化,增殖过程异常,甚至癌变。
抑癌基因有抑制癌生长的作用,如p53、Rb等。 p53是近年来研究得较多的人类抑癌蛋白之一。 p53基 因突变,使细胞癌变的机会大大增加。
癌基因、抑癌基因和cdc基因共同协作调节细胞周期 的正常运转。
㈡外界因素对细胞周期的影响 如离子辐射、化学物质作用、病毒感染、
温度变化、pH变化等。
离子辐射对细胞最直接的影响之一是DNA 损伤。
检验点不仅存在于G1期, 也存在于其他时期,如S期检 验点、G2期检验点、纺锤体 检验点等。这些特异的监控 机制(检验点)可以监别细 胞周期中的错误,并诱导产 生特异的抑制因子,阻止细 胞周期进一步运行。
对许多细胞而言,G1检验 点似乎是最重要的,只要通 过了则往往能顺利完成S、G2 和M期,没有通过则停滞或 进入G0期。
着丝粒是指染色体 主缢痕部位的染色质。
⒊纺锤体 纺锤体是细胞分裂过程中的一种与染色体
分离直接相关的细胞器。 组成纺锤体的微管可以分为三种类型,即
动粒微管、星体微管和极性微管。
细胞周期
6.3 细胞周期的调控
一、细胞周期检验点
在细胞周期中存在着某些位点,在适宜的外界条件出现之前,细胞周 期不能从该位点向下一位点推进,这些位点叫做检验点(check point)。 检验点是调节细胞增殖周期开和关的“阀门”。 G1检验点:是真核细胞细胞周期控制G1期进入S期的调节点,可以限 制细胞通过周期,也称为限制点,简称R点。 限制点被认为是G1期晚期的一个基本事件。细胞只有在内在和外在因 素共同作用下才能完成这一基本事件,进入S期。
指从染色体排列到赤道面上,到姊妹染色单体开 始分向两极的一段时间
• 所有染色体着丝粒位于同一平面,染色体两侧动粒均面向纺锤体两极,结合 数十根微管。
• 纵向观动物染色体呈辐射状排列。染色体两边的牵引力就像拔河一样达到平 衡。
当子染色体到达两极后,标志这一时期结束。
①后期A:染色体向两极移动的过程。 动粒微管在着丝点处去组装而缩短,在分子马达的作用下染色体向两极移动。
MPF的激活
MPF(或活化的M-Cdk)的功能
⑴诱导纺锤体装配; ⑵启动染色体的凝聚; ⑶促进核被膜解体; ⑷细胞骨架重排; ⑸高尔基体、内质网重组。
促使细胞从G2期进入M期。
正是由于不同的细胞周期蛋白和不同的基因 产物的结合、分离、磷酸化与去磷酸化、激活 催化亚单位的激酶活性,而成为驱动细胞周期 运转的引擎。
核仁由染色体上的核仁组织中心形成(NORs),几个NORS共同 组成一个大的核仁,因此核仁的数目通常比NORs的数目要少。
前期核膜解体后,核纤层蛋白B与核膜残余小泡结合,末期核纤 层蛋白B去磷酸化,介导核膜的重新装配。
与有丝分裂直接相关的亚细胞结构
⒈中心体 中心体由一对中心粒及其周围的无定型物质构成,是细胞
• 外在因素很多,如各种生长因子、营养物质、射线等,可调控细胞 周期进程。 • 内因主要是与cdc基因调控过程相关的因素有关。此类基因的有序 表达,是受到一些检验点调控和监视的。 细胞通过R点后,就加速合成DNA复制所必须的各种前体物质和酶, DNA解旋酶和DNA合成因子也急剧增加,为进入S期DNA复制作准备。
小肠绒毛上皮腺窝细胞、表皮基底层细胞等。
②静止期细胞(G0期细胞、休眠细胞); 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(周期 中细胞转化为G0期细胞多发生在G1期)。如 某些免疫淋巴细胞、肝、肾细胞及大部分骨 骼干细胞等。
③终末分化细胞。 分化程度很高,一旦生成后,则终生不再
分裂。如神经、肌纤维细胞、血液多形核白 细胞等。
细胞周期G0期
细胞分裂之后,某些细胞离开细胞周 期。执行某种生物学功能或进行细胞 分化;当受到某种适当的剌激后,它 们会重返细胞周期,进行分裂增殖。
二、细胞周期中各个不同时期及主要事件 ⒈G1期(DNA合成前期) • G1期合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、 脂类等 ,但不合成DNA。
特点:
大量合成物质
决定细胞周期时间
决定细胞的前途
⒉ S期 S期即DNA合成期。新的组蛋白也是在S期合
成的。DNA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。
真核细胞新合成的DNA立即与组蛋白结合, 共同组成核小体串珠结构。
S期的主要特点是DNA复制和组蛋白、非组 蛋白的合成,是整个细胞周期中最关键的阶段。
3、配对结构域(pairing domain) 位于着丝粒结构的内层,中期两条
染色单体在此处相互连结。
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前中期:指由核膜解体到染色体排列到赤道面阶段
纺锤体微管与染色体的着丝点结合。 姊妹染色单体的着丝点都结合有微管和分子马达。 染色体既向一极移动也向另一极移动,是以振荡的方式移向
纺锤体中部的(染色体列队)。
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