细胞增殖及其调控

细胞增殖

• 直观的表现是细胞分裂
• 细胞分裂：由一个亲代细胞变为两个子代细胞，细胞数量增加
• 物质积累与细胞分裂的循环过程，使细胞数量增加的过程称为细胞周期
• 阶段：从分裂结束开始，物质积累，到下一次分裂结束
• 研究意义：这是控制生物生长发育的基础，是癌症发生以及逆转的重要途径
• 如何研究：寻找细胞增殖的调控因子，以及编码这些因子的基因
• 根据增殖状况分离：
  • 周期中细胞
  • G0期细胞（静止期细胞）
  • 终末分化细胞
• 做了哪些实验：
  • 发现顺序
    • 发现MPF（卵细胞成熟促进因子，细胞有丝分裂促进因子），M期细胞中存在的，可以诱导染色凝缩的因子，称为细胞有丝分裂促进因子；这种染色体凝缩状态称为早熟染色体凝（premature chromosome condensation，PCC）；这种因子分离后证明包含：p32（CDK1，催化亚基）和p45（cyclinB，调节亚基）
      • 不同时期的间期细胞与M期细胞融合，产生PCC形态不同：
        • G1期PCC：单线状
        • M期PCC：粉末状
        • Ｇ2期PCC：双线染色体装
    • 发现p^{34^{cdc2}}周期蛋白依赖的蛋白激酶激酶（cyclin-dependent kinase，CDK），使在酵母中高温失去正常分裂繁殖能力的突变体，在回补cdc基因后，能正常分裂；后证明该蛋白由cdc2基因编码，分子量为34，与p32同源
    • 发现周期蛋白p^{56^{cdc56}}，由于p^{34^{cdc2}} （CDK）必须与p^{56^{cdc56}} （cyclin）结合后才能由活性，随后发现p^{56^{cdc56}} 与p45同源；这种蛋白含量随细胞周期的变化而变化，在细胞间期积累，在细胞分裂期消失，在下一个细胞周期重复这一消长现象
  • 实验操作：
    • 将细胞周期同步到一个时相
      • 自然同步法：自然界存在的，受精卵的早期卵裂
      • 人工同步化：
        • 有丝分裂选择法：用于单层贴壁生长细胞，优点：细胞未经任何药物伤害；缺点：分离细胞数量少
        • 密度剃度离心：根据不同时期细胞在体积重量上不同分离，有点：省时、效率高、成本低；缺点：对大多数细胞不适用
      • 药物诱导法：
        • DNA合成阻断：DNA合成抑制剂，胸腺嘧啶脱氧核苷（TdR）或羟基尿（HU）阻断细胞于G1/S处，优点：高效、范围广；缺点：该过程可能造成细胞非均衡生长
        • 分裂中期阻断：抑制纺锤体（微管）形成，阻断细胞在中期。秋水仙素、秋水酰胺、诺考达唑，优点：高效、方便、低成本；缺点：毒性大
        • 条件依赖性突变株：将与细胞周期调控有关突变细胞移到限定条件下
    • 测定细胞周期时间
      • 脉冲标记DNA复制和分裂指数测定
      • 流式细胞仪测定
      • 缩时摄像技术
• 物质积累和细胞分裂的过程（细胞周期）被划分为4个时期
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  • 间期
    • G1
      • 染色质去凝集不合成DNA、合成多种蛋白质、RNA、脂质、复制中心体
      • 存在起始点（限制点）（start），受到细胞内的监控机制和外因影响
      • G0
    • S
      • 合成DNA、染色体蛋白（组蛋白和非组蛋白）、组装核小体
    • Ｇ2
      • DNA复制完成、合成微管、染色体凝集因子、中心体分离
      • 存在G2期检验点，受到细胞内的监控机制和外因影响
  • M期，即细胞分裂
    • 有丝分裂（mitosis）
      • 前
        • 标志：染色质浓缩形成染色体
        • 在主缢痕处，两个染色体外侧表层形成特殊结构， 动粒，开始逐渐装配，与与染色体的特殊部位着丝粒紧密连接
        • 中心体周围微管装配微管形成星体结构，星体向两极移动
      • 前中
        • 标志： 核膜破裂成小泡
        • 核骨架发生剧烈变化
        • 星体微管的正极末端与染色体的动粒相结合形成纺锤体
        • 纺锤体捕捉微管后，形成动粒微管和极性微管
        • 染色体开始移向赤道板，即将进入中期
      • 中
        • 标志： 所有染色体排列在赤道板
        • 确保正确排列在赤道板的机制：着丝粒微管动态平衡形成的张力
        • 此时细胞含有的特殊结构：染色体、极性微管、动粒微管、动粒
        • 染色体排列在赤道板上的学说：牵拉假说、外推假说
      • 后
        • 标志：排列在赤道板上的染色体的姐妹染色单体分离
      • 末
        • 标志： 染色单体到达两极
        • 染色单体去浓缩、核膜核仁装配、RNA合成功能恢复
      • 胞质分裂
        • 开始于后期完成于末期
        • 分裂沟：赤道板周围细胞膜表面下陷，形成的环形缢缩。分裂沟的位置与纺锤体极性微管和钙离子浓度升高的变换有关
        • 中体： 在分裂沟下方，肌动蛋白、微管、核膜小泡等共同构成的环形致密层
        • 收缩环（胞质分裂环）：胞质分裂开始时，大量的肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成微丝束，环绕细胞
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    • 减数分裂（meiosis ）
      • 减数分裂Ⅰ：
        • 前Ⅰ
          • 细线期：染色体呈细线
          • 偶线期（zygotene）：同源染色体配对
            • 联会复合体、二价体、四分体
            • 联会复合物形成
            • 合成S期未合成的约0.3%的DNA，称为偶线期DNA（zygDNA）
          • 粗线期：同源染色的非姐妹染色单体间发生交换
            • 联会复合物最明显
            • 合成小部分未合成DNA称为P-DNA
          • 双线期：
            • 联会复合体消失
            • 核仁明显变大
            • 双线期，染色体去凝集形成一种特殊的巨大染色体机构，形似灯刷，称为灯刷染色体
          • 终变期：
            • 核仁消失、核膜解体、二价体显著变短
        • 中Ⅰ：纺锤体装配，四分体向赤道移动，最终排列在赤道板上
        • 后Ⅰ ：二价体的两条同源染色体分开，分别移向两极，染色体重组
        • 末Ⅰ
          • 持续时间短，无DNA复制
        • 胞质分裂Ⅰ
      • 减数分裂Ⅱ：
        • 前Ⅱ
        • 中Ⅱ
        • 后Ⅱ
        • 末Ⅱ
        • 胞质分裂Ⅱ
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减数分裂与有丝分裂异同

• 减数分裂
  • 意义：确保世代遗传稳定，增加变异机会，确保生物多样性，增强环境适应能力；有性生殖基础，是生物遗传、进化、多样性保证
  • 特征：遗传物质复制一次分裂两次，导致染色体数目减半；S期持续时间长；减数第一次分裂进行染色体的配对联会、基因重组；同源染色体排列在赤道板，第一次分裂，同源染色体分离

动物细胞和植物细胞有丝分裂异同

• 植物细胞不含中心体，以中间板形式进行胞质分裂

特殊的细胞周期

• 酵母细胞分裂时，纺锤体也位于细胞核内
• 细菌快速分裂的原因：细胞尚未完成一个周期之前，下一个周期的DNA就开始复制

细胞周期同步方法

细胞周期的调控

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microRNAs identified in prostate cancer: Correlative studies on response to ionizing radiation

• CDK活化激酶（CDK activiting kinase，CAK）
  • weel/mik1激酶
• CDK抑制因子（cyclin-dependent kinase inhibitor，CKI）
  • CKI对CDK激酶起负调控作用
  • CKI分类：
    • Cip/Kip家族：p21、p27、p57
    • INK家族：p16、p15、p18、p19
  • p21与PCNA（PCNA是DNA聚合酶σ的辅助因子 ）结合抑制DNA复制
• G2/M期转化
  • Cyclin-Cdk复合物：CyclinB+CDK1 或 CyclinA+CDK1
  • CDK1激酶活化的蛋白有：组蛋白H1、核纤层蛋白、核仁蛋白
  • 真正的激活CDK1需要先磷酸化再去磷酸化
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• 细胞分裂中期向后期转换
  • 细胞运转到分裂中期，M期的cyclinA和cyclinB迅速降解，CDK1去磷酸化失活，细胞便从中期向后期转化
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  • cyclinA和B在APC（后期促进复合物）的作用下，通过泛素化依赖途径被蛋白酶体降解
  • 泛素介导的蛋白质降解：
    • 泛素与泛素激活酶E1结合
    • E1-泛素复合体将泛素转移给另一个泛素结合酶E2
    • 在泛素连接酶E3的作用下，泛素与靶蛋白连接，并形成多聚泛素链
    • 泛素化的蛋白转运到蛋白酶体被降解
    • 泛素可以回收利用
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  • G1/S期转换
    • CDK4、6和cyclinD、E
  • S/Ｇ2/M转换
    • DNA复制结束S期到G2期
      • S期的检验点
      • DNA内部检验点
• 外在因素对细胞周期的调控
  • 癌基因：对细胞周期起正调控作用，表达产物：生长因子、生长因子受体
  • 抑癌基因：编码代表对细胞周期起负调控作用，如：p53、Rb蛋白等