细胞生物学15 48页

第十二章细胞增殖及其调控\n第一节  细胞周期与细胞分裂二、细胞分裂（三）减数分裂概念：减数分裂是一种特殊的有丝分裂形式，仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。减数分裂的主要特点是，细胞仅进行一次DNA复制，随后进行两次分裂。\n1、减数分裂前间期减数分裂前间期也可分为G1期、S期和G2期，在G1期和S期把麝香百合的花粉母细胞在体外培养，则发现细胞进行有丝分裂，将G2晚期的细胞在体外培养则向减数分裂进行，说明G2期是有丝分裂向减数分裂转化的关键时期。S期持续时间较长，同时也发生一系列与减数分裂相关的特殊事件。减数分裂前间期的S期仅复制其DNA总量的99．7％～99．9％，而剩下的0．1％～0．3％要等到减数分裂前期阶段才进行复制。\n\n2、减数分裂过程1）减数分裂期I（1）前期I持续时间较长，进行染色体配对和基因重组，合成一定量的RNA和蛋白质。可以将前期I人为地划分为细线期、偶线期、粗线期。双线期、终变期等5个阶段。\n细线期：1发生染色质凝集2在细纤维样染色体上，出现一系列大小不同的颗粒状结构，称为染色粒。3染色体端粒通过接触斑与核膜相连（花束期）。\n偶线期：1主要发生同源染色体配对（配对期）形成联会复合体。2合成在S期未合成的约0．3％的DNA（偶线期DNA，即zygDNA）zygDNA转录被认为与同源染色体配对有关\n\n联会复合体的结构A：图解显示侧生组分、中央组分、L-C纤维、重组结和同源染色体的姐妹染色单体；B：电镜下显示联会复合体和重组结（箭头指示）\n粗线期：1染色体进一步浓缩2发生等位基因之间部分DNA片段的交换和重组，产生新的等位基因的组合。3合成一小部分尚未合成的DNA，称为P—DNA。P—DNA编码一些与DNA点切和修复有关的酶类。4合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部地置换下来。5粗线期还要发生rDNA扩增。\n双线期：1同源染色体或多或少地要发生去凝集，RNA转录活跃。2双线期持续时间一般较长，其长短变化很大。\n终变期：1染色体重新开始凝集，形成短棒状结构2四分体较均匀地分布在细胞核中3交叉向染色体臂的端部移行（端化）\n（2）中期I：四分体逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面上。（3）后期I：同源染色体对相互分离并向两极移动（4）末期I，胞质分裂I和减数分裂间期\n2）第二次减数分裂第二次减数分裂过程与有丝分裂过程非常相似。即经过分裂前期II、中期II、后期II、末期II和胞质分裂II等几个过程。每个过程中细胞形态变化也与有丝分裂过程相似。\n\n减数分裂和有丝分裂的比较\n\n第二节细胞周期的调控为确保细胞周期这一生命增殖过程有条不紊地进行，细胞内发展了一系列调控机制。最近十年，细胞周期调控研究取得了许多突破性的进展，2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人PaulNurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖。\n\n一、MPF的发现及其作用Rao和Johnson(1970、1972、1974)将Hela细胞同步于不同阶段，然后与M期细胞混合，在灭活仙台病毒介导下，诱导细胞融合，发现与M期细胞融合的间期细胞产生了形态各异的早熟凝集染色体(prematurelycondensedchromosome，PCC)，这种现象叫做早熟染色体凝集(prematurechromosomecondensation)。\n\n不仅同类M期细胞可以诱导PCC，不同类的M期细胞也可以诱导PCC产生，如人和蟾蜍的细胞融合时同样有这种效果，这就意味着M期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)。MPF被发现以后，不少学者开始着手其的纯化工作，1988年，Lohka分离获得了纯化MPF，并证明其主要含有p32和p45两种蛋白，这两种蛋白结合后，表现出蛋白激酶的活性，可以使多种蛋白质底物磷酸化。因而证明是一种蛋白激酶。\nMPF的结构组成\n二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系LelandHartwell、PaulNurse等人分别以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，分离获得了数十个温度敏感突变体（在适宜的温度下和野生型一样），从而分离出了几十个与细胞分裂有关的cdc基因(celldivisioncyclegene)，人们根据cdc被发现的先后顺序等，对这些基因进行了命名，如cdc2、cdc25、cdc28等。cdc2基因是第一个被分离出来的cdc基因，其突变导致细胞停留在G2/M交界处，它的表达产物为一种相对分子质量为34×1000的蛋白，被称为p34cdc2，因其具有蛋白激酶活性，所以被称为p34cdc2激酶，在裂殖酵母细胞周期调控过程中起重要作用。进一步研究表明p34cdc2激酶和MPF可能是作用相同的物质。\ncdc基因名称cdc基因产物细胞周期中的作用cdc2CDK1有(p34cdc2)MPF的组成之一，促进G2向M期的转换cdc6蛋白激酶参与S期启动cdc7蛋白激酶磷酸化S期启动因子Mcm蛋白参与S期的启动cdc13周期蛋白B类似蛋白MPF的组成之一，促进G2向M期的转换cdc14磷酸酶介导周期蛋白B泛素化途径降解，促进后期向末期的转换cdc20APC特异性因子促进中期向后期转换cdc25A磷酸酶使磷酸化CDK2去磷酸化，促进G1期转入S期cdc25C磷酸酶使磷酸化CDK1去磷酸化，促进G2期转入M期cdc28CDK促进G2向M期转换cdc48蛋白质与S期DNA复制启动中预复制复合体形成\n三、周期蛋白的发现1983年TimothyHunt首次发现海胆卵受精后，在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈振荡，在每一轮间期开始合成，G2/M时达到高峰，M结束后突然消失，下轮间期又重新合成，故命名为细胞周期蛋白(cyclin)。\n在短短的10年间，人们从各种生物体中克隆分离了数十种周期蛋白，这些周期蛋白在细胞周期中表达时期有所不同，执行的功能也多种多样。一般可分为G1期周期蛋白（周期蛋白C、D、E等）和M期周期蛋白（周期蛋白A、B等）。各种周期蛋白均含有一段相当保守的氨基酸序列，称为周期蛋白框，周期蛋白框介导周期蛋白与CDK结合，不同的周期蛋白框识别不同的CDK，组成不同的周期蛋白－CDK复合体，体现出不同的CDK激酶活性。\nM周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒。当MPF活性达到最高时，通过泛素连接酶催化泛素与cyclin结合，cyclin随之被26S蛋白酶体水解。G1周期蛋白也通过类似的途径降解，但其N端没有降解盒，C端有一段PEST序列与其降解有关。\n四、CDK激酶和CDK激酶抑制物CDK：周期蛋白依赖性蛋白激酶。是一类含特征性丝氨酸/苏氨酸，且必需与细胞周期蛋白结合，才具有激酶活性的蛋白激酶，通过磷酸化多种与细胞周期相关的蛋白，控制细胞周期的整个进程。包括CDK1-CDK8，分别在细胞周期中具不同的调节作用。CAK：CDK活化激酶，对已结合周期蛋白的CDK分子进一步磷酸化，提高CDK的活性。细胞中还具有细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CDKinhibitor，CDKI）对细胞周期起负调控作用，到目前为止，已发现多种CDKI，分别归为CIP/KIP家族和INK4家族。\n\n四、细胞周期运转调控目前已经公认，CDK对细胞周期起着核心性调控作用，不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结合，构成不同的CDK激酶，不同的CDK激酶在细胞周期中的不同时期表现出活性，因而对细胞周期的不同时期进行调节。\n1．G1期在G1期起主要作用的cyclin-CDK复合物是由G1期周期蛋白D、E与CDK2、CDK4、CDK6为主的激酶结合构成的，这些复合物能使晚G1期的细胞跨越G1/S限制点，向S期发生转换。cyclinD首先在细胞中大量合成，CDK4、CDK6与其结合，通过激酶活性活化细胞中的某些转录因子。G1期的晚期cyclinE逐渐合成、积累并与CDK2结合，在G1/S转折点cyclinE与CDK2复合物活性达到最高，细胞中的其他一些转录因子随之被活化，由此启动与DNA复制相关基因的表达，产生一系列DNA合成所需的酶与蛋白质，为细胞进入S起做准备。与此同时，G1期cyclin-CDK复合物还磷酸化S期cyclin-CDK复合物抑制蛋白Sic1，使其经泛素化途径被降解，从而使S期cyclin-CDK活性得以恢复，重新具有对DNA合成的诱导能力，G1期进一步向S期转换\nG1期，在生长因子的刺激下，cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，释放转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。\n在G1-S期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞通过G1/S限制点而进入S期。向细胞内注射CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期，说明细胞进入S期需要CyclinE的参与。S期抑制子降解调控G1期向S期转变模式图\n2．S期当细胞进入S期后，cyclinD/E-CDK复合物中的cyclin发生降解、cyclinA-CDK复合物形成。因cyclinD/E的降解是不可逆的，使得已经进入S期的细胞将无法向G1期逆转。cyclinA-CDK复合物是S期中最主要的cyclin-CDK复合物，能启动DNA的复制，并阻止已复制的DNA再发生复制。将CyclinA的抗体注射到细胞内，发现能抑制细胞的DNA合成，推测CyclinA是DNA复制所必需的。\n3．G2期进入G2期后，cyclinB合成并在G2晚期与CDK1结合形成cyclinB-CDK复合物（MPF），MPF在促进G2期向M期转换中起着关键作用，是促进M期启动的调控因子。在与cyclinB结合之初，CDK1一直处于磷酸化状态，这是由于Wee1、CAK基因的表达产物使CDK1激酶上的第14位的苏氨酸（Thr14）、第15位的酪氨酸（Tyr15）和第161位的苏氨酸（Thr161）分别被磷酸化而呈失活状态。\n在G2/M转折点处，由cdc25基因的表达产物（一种蛋白磷酸酶）可将CDK1激酶上的Tyr15或Thr14的磷酸基团水解下来，活化CDK1激酶。活化的CDK1激酶导致一些与细胞分裂有关的蛋白质磷酸化，如：核纤层蛋白磷酸化，导致核纤层蛋白的溶解和核膜的崩解；组蛋白H1被磷酸化，导致染色体凝聚；微管蛋白被磷酸化，导致细胞骨架的重新组合，从而推动了细胞分裂的进程。MPF的激酶活性调控模式图\n4．M期进入M期中期后，cyclinA和B将迅速被降解，CDK1激酶活性丧失，上述被CDK1激酶磷酸化的蛋白质去磷酸化，细胞周期从M期中期向后期转化。M期周期蛋白的降解在分裂后期促进因子APC的介导下通过泛素化途径来实现。泛素是真核细胞内的约76个氨基酸的一类小分子蛋白，它可以与磷酸化的cyclinB相连接。然后，在依赖泛素的蛋白酶体作用下，将泛素连同cyclinB一同降解掉，cyclinB的降解使CDK1激酶因失去调节亚单位而失活，同时被磷酸化，细胞又处于静止期（G0期）。此后，当有新的周期蛋白D合成后，细胞又开始新一轮的细胞周期。\n在ATP提供能量的情况下，泛素的C端与泛素激活酶E1的半胱氨酸残基共价结合，形成E1－泛素复合体。E1－泛素复合体再将泛素转移到另一个泛素结合酶E2。E2则可以直接将泛素转移至靶蛋白的赖氨酸残基上。同时，泛素在泛素蛋白连接酶（即APC）催化下，后一个泛素分子与前一个泛素分子的赖氨酸残基结合，形成一条多聚泛素链。然后，泛素化的靶蛋白被一个分子量大小为26S的称为蛋白酶体的复合体逐步降解，多聚泛素分解为单个泛素分子，开始新一轮的蛋白质降解活动。\n26S蛋白酶体是大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。\n5.细胞周期运转的监控系统细胞要分裂，必须正确复制DNA和达到一定的体积，在获得足够物质支持分裂以前，细胞不可能进行分裂。细胞周期的运行，是在一系列称为检验点（checkpoint）的严格检控下进行的，当DNA发生损伤，复制不完全或纺锤体形成不正常，周期将被阻断。只有当故障修复后，才允许细胞周期进一步运行。包括DNA损伤检验点、未复制DNA检验点、纺锤体组装检验点、染色体分离检验点等。细胞一旦通过了这些检验点，就可以完成细胞周期。\n\n六、其它内在和外在因素在细胞周期调控中的作用1、癌基因与抑癌基因癌基因和抑癌基因均是细胞生命活动所必须的基因，其表达产物对细胞增殖和分化起着重要的调控作用。癌基因非正常表达可导致细胞转化，增殖过程异常，甚至癌变。抑癌基因表达产物对细胞增殖起负性调节作用，如P53、Rb等。P53基因突变，将使细胞癌变的机会大大增加。\n2、外在因素对细胞周期调控的作用离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、pH变化等。如离子辐射可造成细胞的DNA损伤，细胞将启动DNA损伤修复调控体系，抑制细胞周期的运转。有的病毒感染可抑制细胞周期，有的则可以诱导细胞转化和癌变。\n细胞周期有关的重要概念复习MPF：卵细胞促成熟因子、细胞促分裂因子、M期促进因子。是一种蛋白激酶（实际上即CDK1），主要含cdc2蛋白和周期蛋白两种蛋白，在细胞调控中具重要作用。cdc基因（celldivisioncyclegene）：与细胞分裂周期和细胞周期调控有关的基因。\np34cdc2激酶：cdc2的表达产物与有关蛋白结合后的产物，具蛋白激酶活性，即CDK1激酶，促进G2/M的转换。周期蛋白（cyclin）：与细胞周期调控有关的一类蛋白，具周期蛋白框，与不同的CDK结合，调节不同的CDK激酶活性。\nCDK：周期蛋白依赖性蛋白激酶。是一类含特征性丝氨酸/苏氨酸，且必需与细胞周期蛋白结合，才具有激酶活性的蛋白激酶，通过磷酸化多种与细胞周期相关的蛋白，控制细胞周期的整个进程。包括CDK1-CDK8，分别在细胞周期中具不同的调节作用。\n讨论、思考题、作业：1、课后查阅相关文献。2、预习下章、节内容3、思考：1）比较有丝分裂和减数分裂的异同点。2）细胞通过什么机制将染色体排列到赤道板上？3）说明细胞分裂后期染色单体分离和向两极移动的运动机制。4）细胞周期中有哪些主要检验点，各起何作用。思考题