细胞生物学第十一章细胞增殖与调控_思维导图模板

细胞增殖与调控

细胞增殖概述

细胞增殖的概念

细胞增殖是指，细胞数量增加的过程，细胞以分裂的方式增值。

单细胞生物通过分裂产生新的个体。

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。

受精卵通过分裂和分化形成有机体。

从增殖的角度，将细胞分为三类:

周期细胞:拥有完整的细胞周期，并连续分裂的细胞。

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。

终端分化细胞:分化程度很高，- -但形成，终生不再分裂。例如哺乳动物成熟的红细胞。

细胞周期的概念
细胞周期是指，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。人为的将细胞周期分为G1、S、G2、M四个时相。

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GI期差异最大。

S期:主要进行DNA与组蛋白的合成。

G2期: DNA合成完成，中心体复制完成，为进入M期做准备。

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。

细胞周期的测定

脉冲标记DNA复制与细胞分裂指数观察测定法

主要用于细胞种类简单，细胞周期相对较短，细胞组织均-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。

G2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

M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。

S期:由被标记的M期细胞占据M期细胞总数的一-半，到峰值，再到一一半，是为s期，记为Ts。

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。

G1期:TG2=T-TG2-Tm-Ts

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。

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。

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，即可可靠的检测细胞周期的长短。

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。

有丝分裂选择法
细胞群经单层培养可获得--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。

优点:不受到特异性药物影响，同步化程度高。

缺点:分离出的细胞数量较少。

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。

优点:操作简单，成本低。

缺点:效率低，精度差，对大多数种类不适用。

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GI/S期交界处。

优点:同步化效率高，适用面广。

缺点:诱导过程可能使细胞非均衡生长。

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。

优点:同步化效率高，适用面广，操作简单。

缺点:抑制剂对细胞损伤较大。

细胞增殖的方式

细胞增殖的基本方式:无丝分裂、有丝分裂、减数分裂

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。其基本过程为，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。

有丝分裂与减数分裂的异同

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。

不同点

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。

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。

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。

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。

有丝分裂

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。

核分裂中各个时相的变化

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。

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作用下，做往复运动，最终排列于纺锤体中央的赤道面中。

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。

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。

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。

质分裂中各个时相的变化

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。

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。

减数分裂

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。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。
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。

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

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。

前期I (细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期)

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

减数II次分裂

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。

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。

减数分裂的意义

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。

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:

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。

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。
即同源重组，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。

精子、卵子的自由结合。

细胞增殖的调控

子主题1

细胞周期成熟促进因子
细胞周期成熟促进因子(MPF)是一一种于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

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，其含量在细孢周期中呈现周期性变化。

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。

细胞增殖调控概述

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。

检验点的类型

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。

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。

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。

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。

G1/S 检验点

细胞生长的环境条件

对于单细胞生物:营养是否充足是其主要限制条件。

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。
Ras-GDP转化为Ras-GTP而活化，通过一系列激酶激活CDK2-cyclin E。
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cyclinE, 从而使更多的CDK2活化。当达到阀值时，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cyelin E,使细胞增殖失去调控，可能导致细胞癌变。

若DNA受到严重损伤，无法修复

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。

对于多细胞生物:自发进入细胞凋亡模式

蛋白酶体途径
DNA损伤部位募集ATR、ATM，使chkl、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。

p53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chkl、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-cyeclin 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。

G2/M检验点:决定细胞是否分裂，CDK1-cyclin A/B。
cyclin A/B于G1晚期开始合成，到G2早起含量达到峰值。
随着细胞中cyelin AVB浓度达到阙值，CDK1 被激活，并-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。

中期/后期检验点

若所有动粒均被动粒微管捕捉
细胞分裂至中期后，cyclin AB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Bubl降解，cdc20释放，激活后期促进因子复合物(apC
apC的活化与cyclin A/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。

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。