1、1第十三章第十三章細胞周期與細胞分裂細胞周期與細胞分裂2細胞增殖的意義細胞增殖的意義單細胞生物細胞增殖導致生物個體數量的增加。單細胞生物細胞增殖導致生物個體數量的增加。多細胞生物由一個單細胞即受精卵分裂發育而多細胞生物由一個單細胞即受精卵分裂發育而來，來， 細胞增殖是多細胞生物繁殖基礎。細胞增殖是多細胞生物繁殖基礎。成體生物仍然需要細胞增殖，主要取代衰老死成體生物仍然需要細胞增殖，主要取代衰老死亡的細胞，亡的細胞， 維持個體細胞數量的相對平衡和機體維持個體細胞數量的相對平衡和機體的正常功能。的正常功能。 機體創傷愈合、組織再生、病理組織修復等，機體創傷愈合、組織再生、病理組織修復等，都要依賴細

2、胞增殖。都要依賴細胞增殖。32001年諾貝爾生理學與醫學獎年諾貝爾生理學與醫學獎:利蘭利蘭哈特韋爾哈特韋爾發現了控制細胞周期的發現了控制細胞周期的基因，其中一種被稱為基因，其中一種被稱為“START” 的的基因對控制各個細胞周期的最初階段具基因對控制各個細胞周期的最初階段具有決定性的作用。有決定性的作用。保羅保羅納西納西的貢獻是發現了的貢獻是發現了CDK。蒂莫西蒂莫西亨特亨特的貢獻是發現了調節的貢獻是發現了調節CDK的功能物質的功能物質CYCLIN.4第一節細胞周期第一節細胞周期一、細胞周期概述一、細胞周期概述 細胞周期細胞周期: :是指連續分裂的細胞從是指連續分裂的細胞從一次有絲分裂結束后開

3、始生長到下一次有絲分裂結束后開始生長到下次有絲分裂終止所經歷的全過程。次有絲分裂終止所經歷的全過程。在這一過程中在這一過程中, ,細胞的遺傳物質進細胞的遺傳物質進行復制并均等地分配給兩個子細胞。行復制并均等地分配給兩個子細胞。 圖圖5Phases of the cell cycle 6可將高等動物的細胞分為三類： 周期中細胞：連續分裂細胞，如表皮生發層、部分骨髓細胞。 靜止期細胞（又稱為休眠細胞）：暫不分裂，但適當刺激下可重新進入細胞周期，稱G0期細胞，如淋巴細胞、肝、腎細胞等。 終末分化細胞：不再分裂，又稱終端細胞，如神經、肌肉、多形核細胞等。7二、二、 細胞周期中各時相及其主要事件細胞周期

4、中各時相及其主要事件G1期期 (Gap1 phase)S 期期 (synthesis phase)G2 期期(Gap 2 phase) M期期8G1G1期期開始合成細胞生長所需要的多種開始合成細胞生長所需要的多種蛋白質、碳水化合物、脂等，同時蛋白質、碳水化合物、脂等，同時染色質開始去凝集。染色質開始去凝集。9S 期期 DNADNA復制與組蛋白合成復制與組蛋白合成同步，組成核小體串珠結同步，組成核小體串珠結構構 10G2G2期期 DNA DNA復制完成，在復制完成，在G2G2期合成少量的蛋白質和期合成少量的蛋白質和RNARNA分子；細胞周期某些分子；細胞周期某些調控分子活化（調控分子活化（CDK

5、1CDK1）11M 期期 M期即細胞分裂期，真核細胞的細胞分期即細胞分裂期，真核細胞的細胞分裂 主 要 包 括 兩 種 方 式 ， 即 有 絲 分 裂裂 主 要 包 括 兩 種 方 式 ， 即 有 絲 分 裂(mitosis)(mitosis)和減數分裂和減數分裂(meiosis)(meiosis)。遺傳物。遺傳物質和細胞內其它物質分配給子細胞。質和細胞內其它物質分配給子細胞。12 主要檢驗點：G1/S檢驗點：DNA是否損傷？細胞外環境是否適宜？細胞體積是否足夠大？在芽殖酵母中稱start點，在其它真核細胞中稱限制點 (restriction point，R點)S/G2期檢驗點：DNA復制是否

6、完成？G2/M檢驗點：DNA是否損傷？細胞體積是否足夠大？中-后期檢驗點（紡錘體組裝檢驗點）：檢驗紡錘體組裝是否完整13 （一）自然同步化 1.多核體：如：粘菌、瘧原蟲。 2.水生動物的受精卵：如海膽、兩棲類。 3.增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠孢子移入適宜環境后，同步分裂。三、 細胞（周期）同步化141、選擇同步化1）有絲分裂選擇法優點：操作簡單，同步化程度高，細胞不受藥物傷害。缺點：獲得的細胞數量較少（分裂細胞約占1%2%） 。2）細胞沉降分離法(密度梯度離心法)優點：省時，效率高，成本低。缺點：同步化程度較低，且對大多數種類細胞不適用。（二）人工同步化152 2、誘導同步化、誘導

7、同步化1 1）DNADNA合成阻斷法合成阻斷法 G1/S-TdRG1/S-TdR雙阻斷法：雙阻斷法：最終將細胞群阻斷于最終將細胞群阻斷于G1/SG1/S交界處。優點交界處。優點: :同步化效率高，幾乎適合于所有體外培養同步化效率高，幾乎適合于所有體外培養的細胞體系。缺點的細胞體系。缺點: :誘導過程可造成細胞誘導過程可造成細胞非均衡生長非均衡生長. .2 2）分裂中期阻斷法：通過抑制微管聚合）分裂中期阻斷法：通過抑制微管聚合來抑制細胞分裂器的形成，將細胞阻斷在來抑制細胞分裂器的形成，將細胞阻斷在細胞分裂中期。優點細胞分裂中期。優點: :操作簡便，效率高。操作簡便，效率高。缺點缺點: :這些藥物

8、的毒性相對較大這些藥物的毒性相對較大. .16四、四、 特殊的細胞周期特殊的細胞周期-Embryonic cell cycles 17（一）爪蟾早期胚胎細胞的細胞周期（一）爪蟾早期胚胎細胞的細胞周期細胞分裂快細胞分裂快, ,無無G1G1期期, G2, G2期非常短期非常短,S,S期期也短也短( (所有復制子都激活所有復制子都激活), ), 以至認為僅以至認為僅含有含有S S期和期和M M期期無需臨時合成其它物質無需臨時合成其它物質子細胞在子細胞在G1G1、G2G2期并不生長，越分裂體期并不生長，越分裂體積越小積越小 細胞周期調控因子和調節機制與一般體細胞周期調控因子和調節機制與一般體細胞標準的

9、細胞周期基本是一致的細胞標準的細胞周期基本是一致的18( (二）酵母細胞的細胞周期二）酵母細胞的細胞周期 圖圖酵母細胞的細胞周期與標準的細胞周期酵母細胞的細胞周期與標準的細胞周期在時相和調控方面相似在時相和調控方面相似酵母細胞周期明顯特點酵母細胞周期明顯特點: :首先，酵母細首先，酵母細胞周期持續時間較短；細胞分裂過程屬胞周期持續時間較短；細胞分裂過程屬于封閉式，即在細胞分裂時核膜不解聚；于封閉式，即在細胞分裂時核膜不解聚；紡錘體位于細胞核內；在一定環境下，紡錘體位于細胞核內；在一定環境下，也進行有性繁殖也進行有性繁殖1920（三）植物細胞的細胞周期（三）植物細胞的細胞周期植物細胞的細胞周期與

10、動物細胞的標準細植物細胞的細胞周期與動物細胞的標準細胞周期非常相似，含有胞周期非常相似，含有G1G1期、期、S S期、期、G2G2期和期和M M期四個時期。期四個時期。植物細胞不含中心體，但在細胞分裂時可植物細胞不含中心體，但在細胞分裂時可以正常組裝紡錘體。以正常組裝紡錘體。植物細胞以形成中間板的形式進行胞質分植物細胞以形成中間板的形式進行胞質分裂裂21（四）細菌的細胞周期（四）細菌的細胞周期慢生長細菌細胞周期過程與真核細胞周期慢生長細菌細胞周期過程與真核細胞周期過程有一定相似之處。其過程有一定相似之處。其DNADNA復制之前的準復制之前的準備時間與備時間與G1G1期類似。分裂之前的準備時間期

11、類似。分裂之前的準備時間與與G2G2期類似。再加上期類似。再加上S S期和期和M M期，細菌的細期，細菌的細胞周期也基本具備四個時期胞周期也基本具備四個時期 細菌在快速生長情況下，如何協調快速分細菌在快速生長情況下，如何協調快速分裂和最基本的裂和最基本的DNADNA復制速度之間的矛盾復制速度之間的矛盾22第二節 細胞分裂 無絲分裂：又稱直接分裂，由Remark（1841）發現于雞胚血細胞，不涉及紡錘體形成及染色體變化 。 有絲分裂：又稱為間接分裂，由Fleming (1882)和Strasburger(1880)發現。 減數分裂：DNA復制一次，細胞連續分裂兩次。23一、有絲分裂 （一）有絲分

12、裂過程 為了便于描述人為的劃分為六個時期： 前期、前中期、中期、后期、末期和胞質分裂。241.前期前期 圖圖1 圖圖2染色質凝縮，分裂極確立與紡錘體開始形成25當前期開始時，當前期開始時，2 2個中心體移個中心體移向細胞兩極，并同時組織微管生向細胞兩極，并同時組織微管生長，由兩極形成的微管通過微管長，由兩極形成的微管通過微管結合蛋白在正極末端相連，最后結合蛋白在正極末端相連，最后形成有絲分裂形成有絲分裂紡錘體紡錘體。262.前中期前中期.核膜解體完成紡錘體裝配27前中期前中期(prometaphase)(prometaphase)核膜破裂成小的膜泡，這一過程是由核纖層蛋白核膜破裂成小的膜泡，這

13、一過程是由核纖層蛋白中特異的中特異的SerSer殘基磷酸化導致殘基磷酸化導致核纖層解體核纖層解體紡錘體微管與染色體的動粒結合，捕捉住染色體，紡錘體微管與染色體的動粒結合，捕捉住染色體，每個已復制的染色體有兩個動粒，朝相反方向，保證與每個已復制的染色體有兩個動粒，朝相反方向，保證與兩極的微管結合；紡錘體微管捕捉住染色體后，形成三兩極的微管結合；紡錘體微管捕捉住染色體后，形成三種類型的微管，一部分紡錘體微管的自由端最終結合到種類型的微管，一部分紡錘體微管的自由端最終結合到著絲點上著絲點上, ,形成動粒微管。形成動粒微管。 前中期的特征是染色體劇烈地活動前中期的特征是染色體劇烈地活動, ,個別染色體

14、劇個別染色體劇烈地旋轉、振蕩、徘徊于兩極之間。烈地旋轉、振蕩、徘徊于兩極之間。283.3.中期中期 主要特點是姐妹染色單體位于赤道板上主要特點是姐妹染色單體位于赤道板上, ,著絲粒分別被兩端的著絲粒分別被兩端的中心體發出的纖維連接。（中心體發出的纖維連接。（所有染色體排列到赤道板所有染色體排列到赤道板( (Metaphase Plate) )上）上）染色體進一步凝縮染色體進一步凝縮, ,并移到赤道附近并移到赤道附近, ,排列在赤道板；排列在赤道板；姐妹染姐妹染色單體的著絲粒分別與一條或多條來自對面的纖維結合色單體的著絲粒分別與一條或多條來自對面的纖維結合, , 成為成為被爭奪的對象被爭奪的對象

15、 圖圖29染色體排列到赤道面上。30圖片來自/31是什么機制確保染色體正確排列是什么機制確保染色體正確排列在赤道板上？在赤道板上？ Mad蛋白和蛋白和Bub蛋白促使染色體蛋白促使染色體被動力微管捕捉。被動力微管捕捉。 牽拉假說和外推假說。牽拉假說和外推假說。圖圖32334.后期后期 圖圖3435后期后期排列在赤道面上的染色體的姐妹染色單體分離排列在赤道面上的染色體的姐妹染色單體分離產生向產生向極運動極運動 主要特點是主要特點是: :著絲粒分開著絲粒分開, ,染色單體移向兩極。染色單體移向兩極。 后期后期(anaphase) 可以劃分為連續的兩個階段

16、，即后期可以劃分為連續的兩個階段，即后期A和后期和后期B 后期后期A，動粒微管去裝配變短，染色體產生兩極運，動粒微管去裝配變短，染色體產生兩極運動動 后期后期B，極間微管長度增加，兩極之間的距離逐漸拉，極間微管長度增加，兩極之間的距離逐漸拉 長，介導染色體向極運動長，介導染色體向極運動36后期后期A A：動粒微管不斷解聚縮短動粒微管不斷解聚縮短, ,造成將染色體拉向兩極。造成將染色體拉向兩極。37后后期期B B: :極極微微管管的的滑滑動動385.5.末期末期(telophase)(telophase)39末期末期(telophase)(telophase)染色單體到達兩極，即進入了末期（染色

17、單體到達兩極，即進入了末期（telophasetelophase）, ,到達到達兩極的染色單體開始去濃縮兩極的染色單體開始去濃縮核膜開始重新組裝核膜開始重新組裝 GolgiGolgi體和體和ERER重新形成并生長重新形成并生長核仁也開始重新組裝，核仁也開始重新組裝，RNARNA合成功能逐漸恢復合成功能逐漸恢復, ,有絲分裂有絲分裂結束結束 主要特點是主要特點是: :染色體解螺旋形成細絲染色體解螺旋形成細絲, ,出現核仁和核膜。出現核仁和核膜。 406.6.胞質分裂胞質分裂動物細胞胞質分裂動物細胞胞質分裂胞質分裂胞質分裂(cytokinesis)(cytokinesis)開始于細胞分裂后期，在赤

18、道板開始于細胞分裂后期，在赤道板周圍細胞表面下陷，形成環形縊縮，稱為周圍細胞表面下陷，形成環形縊縮，稱為分裂溝分裂溝(furrow)(furrow)。分裂溝的位置與紡錘體和鈣離子濃度的變化。分裂溝的位置與紡錘體和鈣離子濃度的變化有關有關胞質分裂開始時，大量肌動蛋白和肌球蛋白在分裂溝處胞質分裂開始時，大量肌動蛋白和肌球蛋白在分裂溝處組裝成微絲并相互組成微絲束，環繞細胞，稱為組裝成微絲并相互組成微絲束，環繞細胞，稱為收縮環收縮環（contractile ring)contractile ring)。收縮環收縮、收縮環處細胞膜融合。收縮環收縮、收縮環處細胞膜融合并形成兩個子細胞并形成兩個子細胞41分

19、裂溝分裂溝收縮環收縮環42植物細胞胞質分裂植物細胞胞質分裂與動物細胞胞質分裂不同的是，植物細胞胞與動物細胞胞質分裂不同的是，植物細胞胞 質分裂是因為在細胞內形成新的細胞膜和胞質分裂是因為在細胞內形成新的細胞膜和胞 壁而將細胞分開壁而將細胞分開43二、減數分裂二、減數分裂 圖圖 概念：減數分裂是細胞僅進行一次概念：減數分裂是細胞僅進行一次DNADNA復制，隨后進行復制，隨后進行兩次分裂，染色體數目減半的一種特殊的有絲分裂兩次分裂，染色體數目減半的一種特殊的有絲分裂發生分裂的細胞發生分裂的細胞 生殖細胞進行的產生配子的分裂過程，生殖細胞進行的產生配子的分裂過程， 其結果是產生了染色體組數目減半的配

20、子；其結果是產生了染色體組數目減半的配子；連續的兩次分裂連續的兩次分裂 第一次減數分裂第一次減數分裂 第二次減數分裂第二次減數分裂兩個基本特點兩個基本特點 染色體組數目減半染色體組數目減半 發生遺傳重組發生遺傳重組44MEIOSIS45（一）減數分裂前間期（一）減數分裂前間期與有絲分裂相比與有絲分裂相比S S期持續時期持續時間較長間較長S S期只復制其期只復制其DNADNA總量的總量的99.799.799.946（二）減數分裂過程（二）減數分裂過程1.減分減分I 第一次減數分裂的兩個特點第一次減數分裂的兩個特點 一對復制了的同源染色體分開一對復制了的同源染色體分開，分別進入兩個子細胞，同源染色

21、，分別進入兩個子細胞，同源染色體分開之前通常要發生交換重組。體分開之前通常要發生交換重組。 在染色體組中，同源染色體的在染色體組中，同源染色體的分離是隨機的，同源染色體組要發分離是隨機的，同源染色體組要發生重組合。生重組合。 圖圖47減數分裂的染色體行為減數分裂的染色體行為48減分減分I過程過程（1 1）前期）前期I I主要事件是完成同源染色體的配對，主要事件是完成同源染色體的配對， 在此過程中要發生配對同源染色體在此過程中要發生配對同源染色體 間的分子重組間的分子重組該期細分為細線期、偶線期、粗線該期細分為細線期、偶線期、粗線 期、雙線期、終變期等期、雙線期、終變期等。圖1 圖249Stag

22、es of the prophase of meiosis I Micrographs illustrating the morphology of chromosomes of the lily. 50減數分裂的前期減數分裂的前期I51細線期細線期 又稱凝集期或花束期又稱凝集期或花束期 主要特點：主要特點： 染色體染色體已加倍已加倍,并凝縮成細線狀并凝縮成細線狀,但但 看不到染色體的雙重性。看不到染色體的雙重性。染色體端粒通過接觸斑與核膜相連染色體端粒通過接觸斑與核膜相連52 偶線期偶線期(配對期配對期)主要特點是：主要特點是：聯會與聯會復合體聯會與聯會復合體 聯會聯會(synapsis)

23、聯會復合體聯會復合體(synatonemal complex)二價體與四分體二價體與四分體合成約合成約0.3DNA(zygDNA)53同源染色體配對（聯會）同源染色體配對（聯會）54聯會復合體聯會復合體55粗線期粗線期(重組期重組期)主要特點：主要特點：持續時間長持續時間長同源染色體之間發生同源染色體之間發生DNA片段的交換片段的交換, 產生重產生重組的基因組合組的基因組合,可見重組節可見重組節合成小部分合成小部分DNA（P-DNA）并編碼一些與）并編碼一些與DNA點切及修復有關的酶點切及修復有關的酶合成減數分裂專有的組蛋白，并將體細胞類型合成減數分裂專有的組蛋白，并將體細胞類型的組蛋白全部置

24、換。的組蛋白全部置換。56同源染色體間的交換重組同源染色體間的交換重組57雙線期雙線期( (合成期合成期) ) 主要特點：主要特點： 同源染色體分開，明顯可見四分同源染色體分開，明顯可見四分體；體； 出現交叉出現交叉58A bivalent chromosome at the diplotene stage The bivalent chromosome consists of paired homologous chromosomes. Sister chromatids of each chromosome are joined at the centromere. 59終變期終變期又稱再

25、凝集期又稱再凝集期 主要特點主要特點: : 染色體變成緊密凝集狀態；染色體變成緊密凝集狀態； 核仁消失核仁消失, ,交叉出現端化交叉出現端化, , 姐妹染色姐妹染色體借著著絲粒連接在一起。體借著著絲粒連接在一起。60（2 2）中期）中期I I 相似于有絲分裂相似于有絲分裂 與有絲分裂的不同：配對的同源染色體分別與有絲分裂的不同：配對的同源染色體分別在赤道板的兩側在赤道板的兩側（3 3）后期）后期I I 相似于有絲分裂相似于有絲分裂 與有絲分裂的不同：配對的同源染色體分別與有絲分裂的不同：配對的同源染色體分別向兩極移動向兩極移動61（4 4）末期）末期I I及間期及間期在自然界中在自然界中, ,末期末期和間期的類型有兩種：和間期的類型有兩種：一種是沒有明顯可見的染色體去凝集一種是沒有明顯可見的染色體去凝集, , 另一種另一種是完全逆轉到間期核的狀態。是完全逆轉到間期核的狀態。大多數種類大多數種類, ,末期末期和間期是在第一次及第二和間期是在第一次及第二次減數分裂期之間的短暫停頓次減數分裂期之間的短暫停頓, ,在所知的生物在所知的生物中中, ,未見有未見有DNADNA的合成。的合成。622. 減分減分II 第二次減數分裂分為前期第二次減數分裂分為前期