14.细胞增殖

细胞增殖是生物体的重要生命特征，细胞以分裂的方式进行增殖。单细胞生物，以细胞分裂的方式产生新的个体。多细胞生物，以细胞分裂的方式产生新的细胞，用来补充体内衰老或死亡的细胞。 多细胞生物可以由一个受精卵，经过细胞的分裂和分化，最终发育成一个新的多细胞个体。必须强调指出，通过细胞分裂，可以将复制的遗传物质，平均地分配到两个子细胞中去。可见，细胞增殖是生物体生长、发育、繁殖和遗传的基础。

细胞增殖 (Cell proliferation)

• 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。
    • 有丝分裂器(mitotic apparatus):为了保证遗传物质平均分配到两子细胞中,维持遗传的稳定性,在有丝分裂过程中要形成专门执行细胞分裂功能的临时性结构。包括中心体、纺锤体、星体和染色体等。
  • 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)。
    • 细线期→偶线期(偶联)→粗线期(四分体)→双线期(交叉)→终变期
    • 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;减数分裂后染色体数目减半。
      • 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Ⅰ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。
• 细胞周期 (Cell Cycle)
  • 一、细胞周期的概念和意义
    • 是指连续分裂的细胞从—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。
    • 不同生物的细胞周期时间不同,同一系统的不同细胞的细胞周期时间差异也很大。
  • 三、细胞周期不同时相及其主要事件
    • (一)G1期(DNA合成前期)
      • 细胞生长、分裂决定、复制准各
      • 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)
      • DNA合成、染色质组装、中心粒复制
      • 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
    • (三)G2期(合成后期)
      • 复制检查和分裂准备
      • 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。
    • (四)M期(分裂期)
      • 细胞分裂
      • 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。
  • 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
      • 1.周期中的细胞(cycling cell,连续分裂的细胞、增殖细胞)
        • 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。
      • G0期细胞(暂不增殖细胞)
        • 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。
      • 终末分化细胞(terminally differentiated cell)
        • 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
  • 五、细胞周期的研究方法
    • (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(cellcycle 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。
      • 1.酵母(Yeast)
        • 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。
      • 2.爪蟾胚胎细胞(Embryonic cell of xenopus laevis)
        • 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细胞中,以研究注射物质对细胞周期进程的影响。
      • 3.体外培养的哺乳动物细胞(mammalian cell in vitro culture)
        • 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。
    • (二)细胞周期同步化
      • 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。
      • 细胞同步化的方法
        • 自然同步化(natural synchronization)
          • 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。
        • 人工同步化(artificial 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。
            • 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。
    • (三)细胞周期时间测定
      • 脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法。 流式细跑仪测定法(low 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。
• 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
    • 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
    • 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。
  • 二、参与细胞周期调控的主要物质
    • 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,是CDK的正调节因子。
    • 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,是细胞周期调节的中心环节。
    • 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。
  • 三、细胞周期运转的调控
    • 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。
    • 细胞周期调控的中心环节:Cyclin和CDK活性的周期性变化。
  • 四、周期性蛋白降解 ——泛素化蛋白质降解系统
    • 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
    • 泛素(ubiguitin)是一种76肽,是蛋白质的降解标签, 结合了泛素的蛋白质将被蛋白酶体(proteosome)降解。
  • 五、细胞周期检查点(Checkpoint)
    • 在细胞周期各时相的转换中存在的特定时间点,是检查和控制细胞周期进程的信号通路, 对DNA复制、DNA损伤修复、纺锤体组装及染色体分离等主要细胞周期事件进行调节、监控。
    • 根据在细胞周期中存在的时间段分为:G1/S期检查点、S期检查点、G2/M期检查点、M期检查点
    • 根据检查点的调控内容可分为:DNA损伤检查点、未复制DNA检查点、纺锤体组装检查点、染色体分离检查点等。
    • 结果:①控制下一事件的启动(抑制CDK的活性);②应对机制:激活DNA修复、分化、凋亡。
    • 1.G1/S期检查点
      • R点(restriction point):
      • 作用:对细胞体积、接触抑制、营养条件、生长因子(必要条件)、药物等进行检测, 确定细胞是暂时停止生长、继续进入S期,或是发生凋亡。
      • 防止受损DNA细胞进入S期,保证DNA复制的正确性。
    • 2.S期检查点
      • 作用
        • 在S期DNA受到损伤时检查点激活,抑制复制起始点的启动。
        • 复制完成后,检测DNA复制是否完整以及是否被多次复制。
    • 3.G2/M期检查点
      • 作用
        • 检测DNA是否完全复制,DNA是否还有损伤,细胞外环境是否适宜
        • 防止受损DNA细胞进入M期,保证子细胞遗传物质的正确性。
    • 4.M期检查点
      • 作用
        • 分裂期中期存在纺锤体组装检查点,保证中期染色体在赤道面上完全排列整齐以前,染色体单体不会彼此分离。
        • 分裂期后期染色体分离检查点,负责检查染色体的正常分离。
• 细胞周期与医学 (Cell cycle and medicine)
  • 一、细胞周期与组织再生
    • 连续分裂的细胞(增殖细胞) 暂不增殖细胞(G0期细胞) 终未分化细胞
    • 细胞周期的恢复是组织再生的基础
      • 生理性再生(physiological regeneration) 主要发生在骨髓、表皮等组织中,产生的细胞可弥补血液、消化道、皮肤等处的正常细胞失落。
      • 补偿性再生(compensatory regeneration) 机体在创伤后组织修复时,激活G0期细胞重新增殖的现象。
  • 二、细胞周期与肿瘤
    • 肿瘤(tumor)是动物体中因细胞分裂调节失控而过度无限增殖后形成的赘生物。
    • 细胞的无限增殖和细胞凋亡的减弱是肿瘤组织的基本动力学特征。
    • 基因组不稳定、生长因子作用异常、检控点机制失效→肿瘤细胞跨过检控点→失控性增殖。
    • 肿瘤生长取决于:生长分数、细胞周期时间、细胞丢失率(凋亡率)。
      • 肿瘤细胞中增殖型细胞占总细胞数量的比例,称为肿瘤的生长分数。
      • 大多数肿瘤细胞的周期时间比正常细胞的要长。因此,肿瘤的快速生长与周期时间关系不大。
      • 肿瘤发生的主要原因并不是细胞增殖过快,而是细胞生长分数过高而细胞丢失率过低。
    • 癌基因与抑癌基因
      • 癌基因(oncogene):能促使细胞无限增殖、癌变的DNA序列,分若干个基因家族(已发现近百种癌基因)。 是控制细胞生长和分裂的正常基因的突变形式。
      • 抑癌基因(antioncogene):存在于正常细胞中、能抑制细胞恶性增殖的基因。 如Rb、P53、P21、P27等,往往是正常细胞增殖过程中的负调控基因。
    • 肿瘤细胞周期与肿瘤治疗
      • 研究肿瘤细胞的周期特点为肿瘤治疗提供新思路
        • 暂不增殖型细胞为主的肿瘤
          • 先用生长因子使其进入细胞周期,然后用理疗、化疗。
        • 增殖型细胞为主的肿瘤
          • S期、M期肿瘤以化疗为主,抑制DNA合成;
          • G2期细胞以放疗为主。
  • 三、细胞周期与衰老
    • 随着年龄的增长,细胞周期的G1期明显延长,致使细胞分裂的次数明显变慢。
    • 细胞中的CDK和Cycling均有异常表达,可导致DNA复制过度与紊乱, 还可促使微管蛋白过度磷酸化,引发微管纤维缠结,导致微管功能异常。 如:阿尔茨海默病
• 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