导图社区 医学细胞生物学:细胞周期与细胞分裂
细胞周期与细胞分裂笔记,包含细胞周期同步化、有丝分裂、减数分裂、特殊的细胞周期几部分内容,值得收藏!
编辑于2022-10-12 23:20:13 广东细胞周期与细胞分裂
细胞周期
定义
一个细胞经过一系列生化事件、复制其组分、然后一分为二、形成两个子细胞,这样的一种循环连续过程称为细胞周期
细胞从一次细胞分裂结束开始生长、到下一次分裂结束所经历的过程为一个细胞周期
细胞周期长短与细胞类型
周期性细胞/连续分裂细胞
终末分化细胞
不可逆地脱离细胞周期,丧失分化能力
静止细胞/G0细胞
暂时脱离周期,不进行增殖,但在适当刺激下可重新进入细胞周期
细胞周期各时期及特点
G1期
增殖起始点
唯一能接受从外界传入的增殖信号的时期,决定周期长短
细胞DNA复制准备期
蛋白质、脂类和糖类的大量合成;包括S期进行DNA复制所需要的酶类
细胞体积增大
突出特点是发生多种蛋白质的磷酸化
膜转运力的增强
过限制点(Restriction point, R点) 进入S期
S 期
DNA复制时期
先CG含量高后AT含量高的;先常染色质后异染色质
DNA复制相关组蛋白和非组蛋白合成、及组蛋白持续磷酸化:蛋白合成与DNA的复制同步进行、相互依存
中心粒复制在G1开始,在S期完成
G2期
细胞分裂准备期
大量合成RNA、ATP及与M期结构功能相关的蛋白质(如微管蛋白、成熟促进因子等)
中心粒的体积逐渐增大,开始分离并移向细胞两极
M期
细胞分裂期
细胞周期的调控
细胞周期的高度精确性
周期时间发生的时序性
DNA复制的精确性
DNA分配的均等性
细胞周期调控系统
由多种蛋白构成的、通过一系列生化反应对细胞周期主要事件加以精密调控的细胞周期调节网络
细胞周期调控系统发挥强大可靠的分子开关作用:细胞周期起始时被激活,随即在该细胞周期事件结束时被灭活
细胞周期调控系统能对细胞内外信号产生应答,细胞外蛋白质或生长因子作用于细胞周期调控系统,可实现其对细胞周期的多因子、多层次调控
细胞周期调控系统的核心
细胞周期蛋白(cyclin)
是真核细胞中的一类蛋白质,随细胞周期进程周期性地出现及消失,并与细胞中其它蛋白(CDK)结合,对细胞周期相关活动进行调节
种类
cyclin A~H及T等九类
结构
细胞周期蛋白框(共同特点)
由100个左右氨基酸残基组成。介导周期蛋白与CDK形成复合物
破坏框
由9个氨基酸残基构成,介导cyclinA、B的快速降解
PEST序列
介导cyclinC、D、E发生降解
功能
不同的cyclin可结合不同亚型的细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK),形成cyclin-CDK二聚体
作为调节亚基,启动激活CDK激酶活性
周期蛋白依赖性激酶(CDK)
一类必须与细胞周期蛋白结合才具有激酶活性的蛋白激酶,通过磷酸化细胞周期相关的蛋白,参与调控细胞周期
主要种类
CDK1-8
DEAAB,42211
CDK激活过程:受多层次调控
Cyclin与CDK分子T环彼此间发生强烈的相互作用,引起T环结构位移、缩回,袋状催化活性部位入口打开,活性位点暴露,CDK被部分激活
CDK完全激活还需特定位点发生多重磷酸化/去磷酸化
受到CDK活性抑制物(CDK inhibitor, CKI)调控
对CDK激酶起负性调控作用的蛋白质,可分为两大类
CIP/KIP家族
p21
结合复合物
INK4家族
p16
结合CDK
CKI对CDK的抑制作用通过与cyclin-CDK复合物结合,改变CDK分子活性位点的空间位置实现
Cyclin-CDK复合物对细胞周期的核心调控
Cyclin的周期性的合成及降解,将直接引发Cyclin-CDK复合物周期性的形成及降解,导致不同CDK活性在特定时相的顺序激活
不同CDK激酶控制不同底物,而不同系列磷酸化修饰的底物将作为最终执行者,引发细胞周期进程中特定细胞事件的出现,并促成了G1期向S期、G2期向M期、中期向后期等关键过程不可逆的转换
1. G1期中Cyclin-Cdk复合物的作用--Cyclin D-Cdk4/6、Cyclin E-Cdk2
(1)在促有丝分裂原及其他外界生长因子刺激下,G1期细胞cyclin D表达增强,促使Cyclin D-Cdk4/6形成并积累到一定程度。
(2) 活化的Cdk4/6使Rb蛋白磷酸化失活,释放与之结合而被抑制的转录因子E2F,E2F恢复活性后启动S期相关基因转录。
(3)随着G1晚期Cyclin E表达的上升,Cyclin E-Cdk2复合体增多,活化的Cdk2则进一步激活E2F(正反馈),DNA复制相关基因表达,细胞跨过G1期限制点,生产DNA合成所需蛋白质,为进入S期做准备。
2. S 期中cyclin-CDK复合物的作用 --Cyclin A-Cdk2
(1)CyclinD/E-CDK复合物中的CyclinD/E发生降解,使得已进入S期的细胞将无法向G1期逆转 。
(2)Cyclin A-Cdk2复合物形成。
(3)CyclinA-Cdk2复合物启动DNA的复制,并阻止已复制的DNA再发生复制。
3. M 期中Cyclin-CDK复合物的作用 --Cyclin B-Cdk1
CyclinB-CDK1又被称为成熟促进因子(maturation promoting factor,MPF),是能促进M期启动的调控因子
促进染色质凝集: 促进组蛋白H1有丝分裂有关特殊位点的磷酸化;染色质凝集相关蛋白磷酸化。
核膜裂解: 促进核纤层蛋白磷酸化引起核纤层纤维结构解体,核膜破裂成小泡。
纺锤体形成: 多种微管结合蛋白进行磷酸化 ,使微管发生重排,促进纺锤体的形成。
促进姐妹染色单体分离
APC(后期促进因子)的激活与姐妹染色体单体的分离
MPF在细胞退出M期中的作用: MPF激酶失活
细胞周期监测点
概念
细胞中存在一系列监控系统,对细胞中发生的重要事件以及出现的故障加以检测,只有当这些事件完成或故障修复后才允许细胞周期进一步运行,该监控系统即为细胞周期检测点 (cell cycle checkpoint),也称细胞周期检测系统
作用
1. 确保细胞周期事件有序进行;
2. 监控细胞周期活动的正确性;
3. 给予细胞时间进行DNA损伤修复;
4. 调控转录;
5. 决定无法修复的“错误”细胞实施细胞程序性死亡。
种类
未复制DNA检测点
纺锤体组装检测点
染色体分离检测点
DNA损伤检测点
其他因素
生长因子
细胞自分泌或旁分泌产生的多肽类物质,为细胞周期正常进程所必需
抑素
由细胞自身分泌的,能抑制细胞周期进程的糖蛋白
胞内信使cAMP与cGMP
cGMP正调控,促进细胞分裂中DNA和组蛋白的合成
cAMP负调控, 含量降低则DNA合成及分裂加速
RNA剪接因子SR及SR蛋白特异激酶
跟RNA剪接及细胞周期调控有关
细胞分裂
一个亲代细胞形成两个子代细胞的过程
有丝分裂
在细胞经过DNA复制、染色体组装等一系列的复杂变化后,细胞中形成有丝分裂器,将遗传物质平均分配到两个子细胞中
意义
高等真核生物的体细胞分裂的主要方式
细胞经过 DNA复制后,将遗传物质DNA准确等分到子细胞中去,是以确保遗传的稳定性
核分裂
前期
染色质凝集成染色体
核仁缩小解体
复制完成的中心体移动到两极,形成纺锤体——确定分裂极
前中期
纺锤体“捕捉”染色体,完成纺锤体装配,形成有丝分裂器
纺锤体+染色体=有丝分裂器
染色体列队
核纤层降解,促发核膜崩解
中期
染色体达到最大的凝集,排列在赤道板上
后期
分离染色单体的极向运动需依靠纺锤体微管的牵引完成,包括两个独立但又相互重叠的两个过程
后期A:极向运动的起始阶段,着丝粒分裂,动粒微管去组装,其长度将不断地缩短,由此拉动染色体的动粒向两极移动
后期B:纺锤体拉长,极间重叠微管组装,星体微管和动粒微管去组装。细胞两极间的距离增大,推动染色体发生极向运动
末期
1. 染色体解旋:组蛋白H1发生去磷酸化,染色质纤维重现
2. 核仁重装
3. 核膜形成,子细胞核形成,核分裂完成
胞质分裂
形成收缩环
后期末或末期细胞中部质膜下方,大量由肌动蛋白和肌球蛋白聚集形成的环状结构
收缩环缢缩
收缩环中的肌动蛋白、肌球蛋白纤维相互滑动使收缩环不断缢缩,与其相连的细胞膜逐渐内陷,形成分裂沟
细胞膜内陷
随着分裂沟不断加深,细胞形状随之变为椭圆形、哑铃形,当分裂沟加深至一定程度时,细胞在此发生断裂
胞质分裂与核分裂不一定同步进行,无胞质分裂产生多核细胞;纺锤体的位置决定分裂沟的位置,决定两个子细胞大小及是否对称;细胞器绝非均等分配
有丝分裂三特征:染色质凝聚、纺锤体、收缩环
减数分裂
DNA只复制一次,细胞连续分裂两次产生四个子细胞,分裂所产生的子细胞中染色体数目比亲代细胞减少一半的过程
第一次减数分裂
前期I
细线期(leptotene)
染色质凝集期
偶线期(zygotene)
配对期
同源染色体配对,形成联会复合体
侧生成分:20-40nm,位于复合体两侧,电子密度较高,外侧为DNA
中央成分:中央区中间电子密集处,30nm
横向纤维:侧生成分与中央成分之间由横向排列的纤维相连,20-30nm
联会复合体形成有Z-DNA参与
完全配对的同源染色体形成二价体(bivalent),含有四条染色单体,称为四分体
粗线期(pachytene)
同源染色体非姐妹染色单体片断的交换和重组
合成P-DNA,编码DNA剪切和修复酶,参与重组中DNA修复
在联会复合体中央出现 一些椭圆形、球形的富含蛋白质及酶的棒状结构,称重组结,与染色体片段重组直接相关
双线期(diplotene)
去联会
同源染色体相互分开,但在非姐妹染色单体之间的某些部位上,存在相互间接触点,称为交叉(Chiasma);交叉逐步向染色体的端部移动,交叉的数目也因此减少,称为交叉端化
终变期(diakinesis)
同源染色体凝集成短棒状
交叉端化继续进行至最端,完成重组
核仁消失,核膜解体,纺锤体形成
染色体开始移向赤道面
中期Ⅰ
与每一条染色体的两个动粒相连的动粒微管均位于纺锤体同一侧
后期Ⅰ
同源染色体彼此分离
非同源染色体自由组合
末期Ⅰ
减数分裂间期
与有丝分裂间期相比,减数分裂间期通常持续时间较短,无DNA合成,不复制染色体
第二次减数分裂
生物学意义
将亲代细胞全套单拷贝的遗传物质传递给子细胞,使遗传特点得以保持
联会复合体的产生,使来源于双亲的同源染色体基因或DNA片段得以重组和交换,使后代不断出现新的变异,是物种的不断进化和生物多样性的基础
无丝分裂
又称直接分裂
1. 低等动物增殖的主要方式,也存在高等动物的部分组织如上皮组织细胞等
2. 分裂过程首先是胞核拉长,从中间断裂,随后细胞一分为二,形成两个子细胞,细胞分裂的过程不涉及纺锤丝的形成和染色体的组装
3. 分裂后遗传物质不一定平均分配给两个子细胞
细胞周期与医学
细胞周期与组织再生
生理性再生
新细胞不断产生,以维持组织细胞数量的恒定
补偿性再生
细胞周期异常与肿瘤发生
肿瘤细胞的高增殖性
(1) 自分泌大量生长因子;极大程度刺激自我生长及增殖;
(2) 原癌基因与抑癌基因的平衡失调是肿瘤无限增殖的重要机制
肿瘤细胞周期异常导致基因组高度不稳定性