第十三章-细胞周期与细胞分裂

两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒，形
成两个中心体。当前期开始时，2个中心体移向细胞
两极，并同时组织微管生长，由两极形成的微管通过
微管结合蛋白在正极末端相连，最后形成有丝分裂纺 锤体。
需要γ微管蛋白：连接微管和中心体
中心体蛋白（centrin）：钙结合蛋白，中心体的复制和
分离中发挥作用。已鉴定出4种。
· 植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期 非常相似，含有G1期、S期、G2期和M期四个时 期。 · 植物细胞不含中心体，但在细胞分裂时可以正常 组装纺锤体。 · 植物细胞以形成中间板的形式进行胞质分裂。
4.细菌的细胞周期
· 慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程 有一定相似之处。其 DNA 复制之前的准备时间 与 G1期类似。分裂之前的准备时间与 G2期类似。 再加上S期和M期，细菌的细胞周期也基本具备 四个时期。 · 细菌在快速生长情况下，如何协调快速分裂和 最基本的DNA复制速度之间的矛盾？
环状分子，一个复制起始
点。
DNA复制前准备（G1）约
10分钟；DNA复制（S）
约40分钟；分裂前准备 （G2）约20分钟；一个
周期70分钟。实际上分
裂和复制同时进行，一 个周期只需35分钟。
五、细胞周期长短测定
◆脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定 法（PLM法） ◆流式细胞仪测定法(Flow Cytometry)
◆人工选择同步法(Selected synchronization artificially)： 有丝分裂选择法和细胞沉降分离法 ◆诱导同步法： DNA 合成阻断法；分裂中期阻断法； 条件依赖性突变株(conditional mutants)
受精卵的早期卵裂自然同步化
Fruit fly embryo
• 姐妹染色单体分离的分子机制
– 黏连蛋白(cohesin) :Smc1, Smc3, Scc1/Mcd1和Scc3
– 分离酶（separase）:与抑制蛋白securin结合不表现
活性，CDK1也通过磷酸化分离酶而抑制其活性。后
期促进因子复合体（APC）介导securin降解，解除 其抑制作用，活化的分离酶剪切Scc1,导致姐妹染色 单体分离。
◆核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复 ,有
◆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。
PLM法
标记有丝分裂百分率法(percentage labeled mitoses，PLM)：对测定 细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞， 通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。放射标 记物为3H或者14C标记的TdR。
二. 细胞周期各时相及主要事件
G1 phase:与DNA合成启动相关，开始合成细胞生 长所 需要的多种蛋白质、RNA、碳水化合物、脂 等，同时染色质去凝集。 S phase: DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小 体串珠结构 G2 phase: 合成一定数量的蛋白质和RNA分子 M phase: 有丝分裂, 减数分裂和胞质分裂
此外，还需要：cyclin E-CDK2， 钙调蛋白依赖激酶Ⅱ（CaMK Ⅱ ）， cyclin A-CDK2
2、前中期(prometaphase)
◆核膜崩解：破裂成小的膜泡，这一过程是由核纤层 蛋白中特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体 ◆完成纺锤体装配：纺锤体微管与染色体的动粒结合， 捕捉住染色体，每个已复制的染色体有两个动粒，朝相反 方向，保证与两极的微管结合；纺锤体微管捕捉住染色体 后，形成三种类型的微管：着丝点微管（动粒微管），星 体微管，极间微管（极体微管）一部分纺锤体微管的自由 端最终结合到着丝点上,形成动粒微管。 ◆染色体整列：前中期的特征是染色体剧烈地活动,个 别染色体剧烈地旋转、振荡、徘徊于两极之间。
蛋白：使动粒敏
化，促使动粒和 微管接触。
3、中期(metaphase)
●主要特点是姐妹染色单体位于赤道板上,着丝粒分别被两端的中 心体发出的纤维连接。（所有染色体排列到赤道板 (Metaphase Plate上）
◆染色体进一步凝缩 ,并移到赤道附近 , 排列在赤道板；姐妹染色 单体的着丝粒分别与一条或多条来自对面的纤维结合 , 成为被争 夺的对象 ◆是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上？ ·着丝粒微管动态平衡形成的张力
•着丝粒DNA：α卫星DNA •动粒形成：动粒蛋白CENP-A，CENP-B， CENP-C， CENP-E，CENP-F和HEC1等。 CENP-E是一种驱动 蛋白，定位于动粒外层表面的冠上，CENP-E被认为 在促使与染色体与来自两极的微管相联结过程中起重 要作用。
染色体整列机制
• Mad蛋白和Bub
推拉力驱动染色体移到赤道板上
中 期 染 色 体
中 期 染 色 体
所有染色体排列到赤道板上（Chromosome aligenment）
纺 锤 体 和 中 期 染 色 体
4、后期(anaphase)
◆排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产 生向极运动 ●主要特点是:着丝粒分开,染色单体移向两极。
A. 核膜崩解
B.完成纺锤体组装
• 中心体复制和周围微管组装：γ微管蛋白， 中心体蛋白，中心粒周蛋白等 • 中心体分离：驱动蛋白相关蛋白(KRPs)— 负极运动, 胞质动力蛋白—正极运动
– 分裂极确立：负向运动的动力蛋白在中心体微 管间搭桥，中心体列队 – 纺锤体拉长：正向运动的动力蛋白在纺锤体微 管间搭桥
有丝分裂选择法
密度梯度离心法 （酵母）
诱导同步法
DNA 合成阻断法： TdR 双阻断法：最终将细胞群 阻断于 G1/S 交界处。优点是同步化效率高，几乎
适合于所有体外培养的细胞体系。缺点是诱导过程
可造成细胞非均衡生长.
分裂中期阻断法：通过抑制微管聚合来抑制细胞分
裂器的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。优点是
PLM法解析
•G1 •G1
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
S
G2
M
•G1 G1
G2 M
S
流式细胞仪法
第二节 细胞分裂
一、有丝分裂(mitosis)
◆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。
◆核分裂主要是通过纺锤丝的形成和运动，以及染
色体的形成，把在 S 期已经复制好了的 DNA 平均
分配到两个子细胞，以保证遗传的连续性和稳定
第十三章 细胞周期与细胞分裂
细胞周期 细胞分裂
第一节 细胞周期
一、细胞周期概述
细胞周期 : 是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束
后开始生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。
在这一过程中,细胞的遗传物质进行复制并均等地分配
给两个子细胞。
细胞周期时相:
间期: G1-S-G2
M 期: 有丝分裂期（Mitosis）, 胞质分裂期（Cytokinesis）
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。
细胞周期和细胞类群(根据增殖状况分类)
◆持续分裂细胞
◆终端分化细胞
永久性失去了分裂能力的细胞。 ◆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。
纺锤体微管包括：
①染色体动粒微管（kinetochore mt）：由中心体发出， 连接在着丝点（动粒）上，负责将染色体牵引到纺 锤体上，着丝点上具有马达蛋白。
②星体微管（astral mt）：由中心体向外放射出，末 端结合有分子马达，负责两极的分离，同时确定纺 锤体纵轴的方向。 ③极间微管（极体微管）（polar mt或overlap mt）： 由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合 有分子马达，负责将两极推开。 有两类马达蛋白参与染色体和分裂极的分离，一类是 动力蛋白（dynein），另一类是驱动蛋白 （kinesin）。
制的中心体移向两极，在中心体周围，微管开始
装配成有丝分裂纺锤体(mitotic spindle)。
• 黏连蛋白(cohesin)：介导姐妹染色单体的黏着。 • 凝缩蛋白（condensin）：介导染色体凝缩 具ATPase活性。 他们为Smc家族成员，进化上高度保守。
间期动物细胞含一个MTOC，即中心体，在S期末，
纺锤体微管捕获 染色体 形成三种类型的 微管
由两端星体、星体 微管、极间微管和 动粒微管组合形成 的纺锤形结构称为 有丝分裂器。
C. 染色体整列
着丝粒—动粒复合体
早期染色体由两条棒状的染色单体并列而成，中间有 着丝粒(centromere)相连。着丝粒的外侧部附有动粒 （kinetochore），动粒是染色体与纺锤体中的动粒微 管相连的部位。
性。由于这一时期的主要特征出现纺锤丝，故称 为有丝分裂。
（一）有丝分裂过程
1、前期 ◆标志前期开始的第一个特征：染色质开始凝缩 (condensation) ： 形 成 有 丝 分 裂 染 色 体 (mitotic
chromosome ），由两条染色单体 (chromatid) 构成
（含动粒）
◆第二个特征：分裂极确立和纺锤体装配： S 期复
细胞周期持续时间
某此真核细胞周期时间
G1期的持续时间最长且变化最大 早期胚胎细胞分裂无G1和G2期
细胞周期时相及类型
Phases of the cell cycle
间期(interphase)
◆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;
操作简便，效率高。缺点是这些药物的毒性相对较
大.
DNA合成阻断法（ TdR 双阻断法）
四、特殊的细胞周期
1.早期胚胎细胞的细胞周期
· 细胞分裂快 ,无 G1 期 , G2期非常短 ,S期也短 (所有复
制子都激活), 以至认为仅含有S期和M期
· 无需临时合成其它物质 · 子细胞在G1、G2期并不生长，越分裂体积越小 · 细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准 的细胞周期基本是一致的
◆后期 (anaphase) 大致可以划分为连续的两个阶段， 即后期A和后期B ·后期A，动粒微管去装配变短，染色体产生两极运 动。微管去聚合作用假说 ·后期B，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐 拉长，介导染色体向极运动。纺锤体微管滑动假说
后期(anaphase)
后期A，B是用药物鉴定出来的，如紫杉醇（taxol）能结合在微 管的(+)端，抑制微管(+)端去组装，从而抑制后期A。动物中通 常先发生后期A，再后期B，但也有些只发生后期A，还有的后 期A、B同时发生。植物细胞没有后期B。
2.酵母细胞的细胞周期
· 酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相
和调控方面相似。
· 酵母细胞周期明显特点:首先，酵母细胞周期持
续时间较短；细胞分裂过程属于封闭式，即
在细胞分裂时核膜不解聚；纺锤体位于细胞
核内；在一定环境下，也进行有性繁殖
芽殖酵母细胞周期
裂殖酵母细胞周期
3.植物细胞的细胞周期
• APC也介导cyclinB降解使CDK1失活。
– 启动信号：需要抑制信号（动粒与微管连接）解除，
CENP-E和Bub蛋白，影响Mad2的稳定性，导致 Mad2对APC抑制信号的解除。
5、末期(telophase)
◆染色单体到达两极，即进入了末期（ telophase） ,
到达两极的染色单体开始去浓缩 ◆核膜开始重新组装 ◆ Golgi体和ER重新形成并生长
染色体浓缩 纺锤体 收缩环
两个子细胞
细胞周期中的主要的检验点 G1/S
S期
G2/M
中-后期
三、细胞周期同步化
细胞同步化 (Cell synchronization) 是指在自然过 程中发生或经人为处理造成的细胞周期一致的 现象。
◆自然同步化：多核体：如：粘菌、疟原虫；某些水生 动物的受精卵：如海胆、海参、两栖类
大多数无脊椎动物和少数脊椎动物
人工选择同步化
有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞。优点
是细胞未经任何药物处理，细胞同步化效率高。
缺点是分离的细胞数量少。
密度梯度离心法：根据不同时期的细胞在体积和
重量上存在差别进行分离。优点是方法简单省时，
效率高，成本低。缺点是对大多数种类的细胞并
不适用。M期细胞体积大，可用离心分离。