细胞生物学第十四章上 细胞增殖与调控

细胞生物学第十四章细胞增殖与调控的部分要点概括

细胞增殖与调控

• 11.1 细胞增殖概述
  • 一、 细胞增殖的概念
    • 1.细胞增殖
      • 细胞数量增加的过程， 细胞以分裂的方式增值。
      • （1）单细胞生物通过分裂产生新的个体。
      • （2）多细胞生物通过分裂产生新的细胞， 用以补充体内衰老与死亡的细胞。
      • （3）受精卵通过分裂和分化形成有机体。
    • 2.从增殖的角度，细胞分类：
      • （1）周期细胞
        • 拥有完整的细胞周期， 并连续分裂的细胞。
      • （2）静止期细胞
        • 又称 G0 期细胞， 暂时脱离细胞周期， 不进行分裂增殖。但在一定的刺激下能够重新进入细胞周期的细胞。例如成纤维细胞。细胞转化为 G0 期细胞多发生在 G1 期。
      • （3）终端分化细胞
        • 分化程度很高， 一但形成， 终生不再分裂。例如哺乳动物成熟的红细 胞。
  • 二、 细胞周期的概念
    • 连续分裂的细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的过程。人为将细胞周期分为 G1 、S 、G2 、M 四个时相。
    • 1.G1 期
      • 合成细胞分裂所需的营养物质，细胞器增殖，中心体开始复制，染色质去凝集化。 不同生物的细胞周期以 G1 期差异最大。
    • 2.S 期
      • 主要进行 DNA 与组蛋白的合成。
    • 3.G2 期
      • DNA 合成完成， 中心体复制完成， 为进入 M 期做准备。
    • 4.M 期
      • 细胞分裂期， 包括核分裂与质分裂， 将遗传物质平均分配于两个子细胞中。
  • 三、 细胞周期的测定
    • 1.脉冲标记 DNA 复制与细胞分裂指数观察测定法
      • （1）主要应用
        • 主要用于细胞种类简单， 细胞周期相对较短， 细胞组织均一的群体。主要过程为：
        • 用放射性同位素 3H-TdR 标记细胞，之后换为正常培养基继续培养，每隔一段时间定期 取样， 做放射性自显影观察， 从而确定细胞周期的长短。
        • ①G2 期： 由更换培养液开始， 到被标记的 M 期细胞出现， 是为 G2 期， 记为 TG2。
        • ②M 期： 由被标记的 M 期细胞出现， 到其占据 M 期细胞总数达到峰值， 是为 M 期， 记为 TM。
        • ③S 期： 由被标记的 M 期细胞占据 M 期细胞总数的一半， 到峰值， 再到一半， 是为 S 期， 记为 TS。
        • ④总时间： 由被标记的 M 期细胞出现， 到消失， 再到出现， 是为细胞周期的总时间， 记为 T。
        • ⑤G1 期： TG2=T －TG2－TM－TS
      • （2）优点
        • 不仅能够测定细胞周期的总时间， 还可以测定各个时相所占的时间， 其结果分 析直截了当。
      • （3）缺点
        • ①放射性同位素对环境、设备、人员要求较高。
        • ②不适用于组成复杂的细胞群体。
    • 2.流式细胞仪测定法
      • 细胞中各个时相的 DNA 含量不同， 利用流式细胞仪检测细胞中 DNA 的含量变化， 从 而确定不同时相所占时间的长短。
      • 通过细胞周期同步化与之配合， 即能可靠的检测细胞周期的长短。
  • 四、 细胞周期同步化
    • 细胞周期同步化是指，通过自然或人为的选择、诱导，使细胞群中所有细胞处于细胞周 期中同一时相的过程。
    • 1.有丝分裂选择法
      • 细胞群经单层培养可获得一定数量的 M 期细胞，将细胞单层培养使之处于对数期增殖， 此时细胞分裂活跃， 形态变圆， 粘着性降低。从而分离出同步化的细胞。
      • （1）优点： 不受到特异性药物影响， 同步化程度高。
      • （2）缺点： 分离出的细胞数量较少。
    • 2.密度梯度离心选择法
      • 依据不同时相细胞在体积与重量上的差异进行离心分离， 以获取不同时相的同步化细胞。
      • （1）优点： 操作简单， 成本低。
      • （2）缺点： 效率低， 精度差， 对大多数种类不适用。
    • 3.DNA 合成阻断法
      • 用 DNA 合成抑制剂处理细胞， 使 DNA 合成受到抑制， 而不影响 S 期以外的细胞， 故所有的细胞终将停止在 G1/S 期交界处。
      • （1）优点： 同步化效率高， 适用面广。
      • （2）缺点： 诱导过程可能使细胞非均衡生长。
    • 4.中期阻断法
      • 用秋水仙素处理细胞， 抑制纺锤体形成， 细胞阻断于有丝分裂中期。
      • （1）优点： 同步化效率高， 适用面广， 操作简单。
      • （2）缺点： 抑制剂对细胞损伤较大。
• 11.2 细胞增殖的方式
  • 一、细胞增殖的基本方式
    • 无丝分裂、有丝分裂、减数分裂
    • 1.无丝分裂
      • 无丝分裂过程相对简单，分裂时不出现纺锤体和染色体，如蛙的血红细胞。
      • 基本过程
        • 细胞核延长，核中部内陷，缢裂为两个细胞核。进而细胞从中部缢裂为两部分，形成两 个子细胞。
    • 2.有丝分裂与减数分裂的异同
      • （1）相同点
        • 都是真核生物细胞分裂的方式； 都会出现纺锤体与染色体；
        • 都会将遗传物质均等的分配给子细胞。
      • （2）不同点
        • 发生时期
          • ①有丝分裂发生在体细胞增殖的过程中。
            • 减数分裂发生于生殖细胞产生配子的过程中。
        • 间期
          • ③有丝分裂只有一个间期， 间期 DNA 完全复制。
            • 减数分裂有两个间期， 第一个时间较长， 完成大多数 DNA 的复制， 并延续到前期； 第二个时间较长甚至没有， 不进行 DNA 复制。
        • 行为
          • ②有丝分裂时， DNA 复制一次， 细胞分裂一次， 两个子细胞与亲代染色体数目相同。
            • 减数分裂时， DNA 复制一次， 细胞连续分裂两次， 结果形成四个子细胞， 染色体数 目减半。
        • 物质交换
          • ④有丝分裂中无遗传物质的交换。
            • 减数分裂中发生同源染色体配对， 非姐妹染色单体间可交叉互换， 进行同源重组。
  • 二、 有丝分裂
    • 1.有丝分裂的概念
      • 有丝分裂是真核细胞中最常见的分裂方式，其特点为分裂时出现纺锤体，子细胞中染色体平均分裂。
      • 有丝分裂是连续的过程， 人为的分为前期、前中期、中期、后期、末期五个时相， 包括核分裂与质分裂两个连续的过程。
    • 2.核分裂中各个时相的变化
      • （1）前期
        • 染色质高度螺旋化形成染色体，每条染色体中并列两条染色单体，在光镜下可见。染色 体杂乱的分布于核内。
        • 核仁解体并逐渐消失。
        • 细胞质中微管解聚， 形成大量微管蛋白单体， 以供纺锤体的形成。
        • 动物细胞中每对中心粒与周围的细胞质共同形成中心体，分立细胞两极形成微管组织中 心， 放射出微管， 即星体微管， 纺锤体开始形成。
      • （2）前中期
        • 核纤层蛋白磷酸化，使核纤层解聚，核膜解体，形成分散的小泡分布于纺锤体周围，纺 锤体移动至原细胞核位置。
        • 纺锤体极间微管部分与染色体动粒相连，形成动粒微管。
        • 染色体在与其结合的分子马达及微管聚合与解聚的作用下， 做往复运动， 最终排列于纺锤体中央的赤道面中。
      • （3）中期
        • 染色体着丝粒定位于细胞中央的赤道面上，位于纺锤体中央，形态固定，纺锤体呈经典纺锤样。
      • （4）后期
        • 姐妹染色单体分开， 染色体数目加倍。
        • 染色单体在动粒微管的牵引下，等速向细胞两极移动，接近细胞两极时，动粒微管缩短， 极间微管伸长， 纺锤体两极间距增大。
      • （5）末期
        • 染色体到达细胞两极， 平均分配， 动粒微管消失。
        • 核纤层蛋白去磷酸化，重新组装，介导核膜重现。染色体去螺旋化，形成染色质。核仁重现， 核分裂结束。
    • 3.质分裂中各个时相的变化
      • （1）动物细胞（收缩环）
        • 微丝与肌球蛋白在细胞赤道面上形成收缩环， 微丝收缩使细胞膜垂直于纺锤体方向内陷， 形成分裂沟并不断加深， 最终形成两个子细胞。
      • （2）植物细胞（细胞板）
        • 残留的纺锤体微管在赤道面附近聚集， 形成圆柱状成膜体。
        • 高尔基体、内质网等膜泡向成膜体聚集，融合形成细胞板，膜泡中的多糖等生物大分子 用于形成新的胞间层或初生壁， 膜泡的膜形成新的细胞膜。
        • 膜泡不断聚集，细胞板不断延伸，与原细胞板、细胞膜相融合，形成两个完整的子细胞。
  • 三、 减数分裂
    • 1.减数分裂的概念
      • 减数分裂是特殊的有丝分裂，发生于生殖细胞成熟后产生配子的过程中。
      • 减数分裂是连续的过程，人为划分为减数 I 次分裂和减数 II 次分裂两个阶段，每个阶段 包含与有丝分裂类似的五个时相。
      • 其特点为 DNA 只复制一次而细胞连续分裂两次， 形成四个子细胞， 子细胞中染色体数目减半。
    • 2.减数 I 次分裂
      • 间期 I、前期 I、前中期 I、中期 I、后期 I、末期 I
      • （1）间期 I
        • 减 I 间期时间较长， 且 S 期 DNA 复制不完整， 复制过程延续到前期 I。
      • （2）前期 I
        • ①细线期： 染色质螺旋化形成染色体，每条染色体上并排排列两个染色单体，染色体呈 线状， 不易观察。
        • ②偶线期（联会） ：同源染色体配对，开始联会，形成联会复合体。配对的一对同源染 色体包含四条染色单体， 又称四分体。同时 DNA 完成复制。
        • ③粗线期（交换） ：同源染色体联会完成，同源染色体上的非姐妹染色单体之间有可能 发生 DNA 片段的交换。同时染色体形态变粗变短。
        • ④双线期（交叉） ：同源染色体交换完成，四分体中，同源染色体走向分离，非姐妹染 色单体分开， 但有些片段仍然连接在一起， 形成交叉结。
        • ⑤终变期： 染色体高度螺旋化， 核仁解体， 核膜消失， 纺锤体形成， 交叉结数量减少， 向染色体端部移动， 称为端化。
      • （3）中期 I
        • 每条染色体都排布于赤道面两侧，动粒与纺锤体动粒微管相结合，姐妹染色单体着丝粒定位于染色体同一极， 称为联合定向。
      • （4）后期 I
        • 同源染色体分离， 向细胞两极移动， 但着丝粒不分开。
        • 四分体中， 每条染色体移向哪一极是随机的。
      • （5）末期 I
        • 细胞质分裂， 染色体解聚， 核仁、核膜重现， 形成两个子细胞， 染色体数目不变。
    • 3.减数 II 次分裂
      • （1）间期 II
        • 减 I 与减 II 之间的间期 II 间隔极短甚至没有， 且不进行 DNA 的合成。
      • （2）分裂期 II
        • 与有丝分裂过程类似， 分为前期、前中期、中期、后期、末期五个时相。
        • 通过一次 DNA 复制与连续两次分裂，形成四个子细胞，每个子细胞中染色体数目为体 细胞的一半。
        • 一个精母细胞通过减数分裂形成四个精子。
        • 一个卵母细胞通过减数分裂形成一个卵子与三个极体。
    • 4.减数分裂的意义
      • （1）使有性生殖生物染色体数量与特征保持世代间相对稳定。
        • 减数分裂中，染色体只复制一次，而细胞连续分裂两次，使子细胞染色体数目减半。有 性生殖时通过配子结合的受精作用形成受精卵，使染色体数目恢复与体细胞相同。体现出稳 定性。
      • （2）使有性生殖生物的遗传多样性增加， 对环境的适应性增强。
      • 无需突变， 增加遗传多样性的方式：
        • ①减数分裂中， 同源染色体随机分配
          • 同源染色体分离， 非同源染色体自由组合， 增加配子染色体的多样性。是基因的分离、 自由组合定律的基础。
        • ②减数分裂中， 同源染色体上的非姐妹染色单体间交换 DNA 片段。
          • 同源重组， 为形成新的等位基因创造条件， 是基因的连锁互换定理的基础。
        • ③精子、卵子的自由结合。
• 11.3 细胞增殖的调控
  • 一、 细胞增殖调控系统的组成
    • 细胞周期成熟促进因子（MPF）=周期蛋白（cyclin）+周期蛋白依赖性激酶（CDK）
    • 1.细胞周期成熟促进因子
      • 细胞周期成熟促进因子（MPF）是一种于 G2 期形成， 诱导细胞进入 M 期的细胞周期 调控因子， 由两个亚基构成。
      • 调节亚基： 周期蛋白
      • 催化亚基： 周期蛋白依赖性蛋白激酶
    • 2.周期蛋白
      • 周期蛋白（cyclin）通过与 CDK 结合来活化激酶活性，从而参与细胞周期的调控，其含 量在细胞周期中呈现周期性变化。
    • 3.周期蛋白依赖性蛋白激酶
      • 周期蛋白依赖性蛋白激酶（CDK）有激酶活性， 通过将靶蛋白磷酸化， 从而调控细胞 周期。
  • 二、 细胞增殖调控概述
    • 1.检验点的概念
      • 细胞周期中各个时相严格依据一定的顺序进行，存在一些特殊的事件，当某一事件出现 差错时，细胞会通过反馈调节机制使细胞周期停止，待条件成熟后再从一个时相进入另一个 时相。这种特殊的检验性事件称为检验点。
    • 2.检验点的类型
      • （1）G1/S，又称起始点、 R 点
        • 检验环境是否合适， DNA 是否完整， 防止受损伤的 DNA 进入 S 期。
      • （2）G2/M
        • 检验 DNA 是否复制完全，DNA 是否有损伤，细胞选择修复损伤、带伤分裂亦或自毁。 检验环境是否有利于分裂。
      • （3）中期/后期，又称纺锤体组装检验点
        • 检验纺锤体是否组装完成， 所有动粒是否均与动粒微管结合。
    • 3.检验点调控方式
      • CDK 是细胞增殖调控的核心，不同的周期蛋白与相应的 CDK 结合从而激活相应的激酶 活性， 从而将相应的靶蛋白磷酸化， 对不同时相的细胞周期进行调节。
      • 细胞周期的调控是一系列检验点构成的调控网络实现的。
  • 三、 G1/S 检验点
    • 1.细胞生长的环境条件
      • （1）对于单细胞生物： 营养是否充足是其主要限制条件。
      • （2）对于多细胞生物： 除营养外， 还需要周围细胞分泌的促进因子。
      • 有丝分裂促进因子与细胞表面受体结合，使受体胞内结构域交叉磷酸化，从而激活 Ras途径。
      • 活化的 CDK2-cyclin E 将靶蛋白Rb 磷酸化，促使 Rb-E2F 复合物分离，E2F 作为转录因 子， 通过核孔进入细胞核， 介导表达 cyclin E，从而使更多的 CDK2 活化。当达到阈值时， 细胞进入 S 期。
      • 若 Rb 由于突变而失活， 则 Rb 蛋白失去抑制 E2F 的作用， 细胞无需外源刺激即可大量 合成cyclin E，使细胞增殖失去调控， 可能导致细胞癌变。
    • 2.若 DNA 受到严重损伤， 无法修复
      • （1）对于单细胞生物
        • 通常选择带伤继续分裂， 因为其细胞死亡即意味着个体死亡。
      • （2）对于多细胞生物
        • 自发进入细胞凋亡模式
        • ①蛋白酶体途径
          • DNA 损伤部位募集 ATR、ATM ，使 chk1 、chk2 激酶活化，进而使 cdc25A 磷酸化，被 蛋白酶体水解。
          • 而 CDK2-cyclin E 需要 cdc25A 催化才有活性， 故细胞将停在 G1 期。
        • ②p53途径
          • 正常细胞中 p53 会被泛素化途径降解， 含量很低。
          • 当 DNA 受到损伤时，损伤部位募集 ATR、ATM，使 chk1、chk2 激酶活化，从而使 p53 磷酸化。
          • 磷酸化的 p53 不再降解， 进入细胞核， 作为转录因子促使细胞表达 p21 ，p21 与 CDK2-cyclin E 结合使之失活， 细胞停留在 G1 期。
          • 若 p53 由于突变而失活， 则细胞周期不停止， 细胞带伤复制， 极易发生癌变。
  • 四、 G2/M 检验点
    • 决定细胞是否分裂， CDK1-cyclin A/B。
    • cyclinA/B 于 G1 晚期开始合成， 到 G2 早起含量达到峰值。
    • 随着细胞中cyclinA/B 浓度达到阈值， CDK1 被激活， 并一直保持到 M 期中期。 CDK1 使组蛋白磷酸化， 从而使染色质螺旋化。
    • CDK1 使核纤层磷酸化， 从而使核纤层解体， 核仁、核膜消失。
    • CDK1 使细胞骨架磷酸化， 从而使微管解聚。
  • 五、 中期/后期检验点
    • 1.若所有动粒均被动粒微管捕捉
      • 细胞分裂至中期后， cyclinA/B 通过泛素化途径被降解， CDK1 活性下降， 使受其影响 而磷酸化的靶蛋白去磷酸化。
      • 当所有动粒均被动粒微管捕捉后， 动粒上的两组结合蛋白 Mcd2 和 Bub1 降解， cdc20 释放， 激活后期促进因子复合物（apC）。
      • apC 的活化与cyclinA/B 的降解， 促使细胞进入有丝分裂后期。 apC 释放分离酶， 使染 色单体间黏连蛋白水解， 令染色单体相互分离。
    • 2.若尚有动粒未被动粒微管捕捉
      • 动粒结合蛋白Mad2 与cdc20 结合， 使 cdc20 无法激活 apC，细胞不会进入后期。从而 保证所有染色体都能排布于赤道面中央， 进而将染色单体平均分配给子细胞。