Cell cycle and division

细胞周期与分裂

细胞周期

概况
1. 真核细胞分裂方式
- 无丝分裂 (amitosis )
- 有丝分裂 (mitosis)
- 减数分裂 (meiosis)。
2. 细胞周期 (cell cycle)
- 细胞周期是指从一次分裂结束时开始，经过物质准备，到下一次分裂结束为止的时间
- 划分
-     分裂间期：
         第一次分裂结束到第二次分裂开始的时间，是细胞增殖的物质淮备和积累阶段
        包括 G1期、S期（DNA 合成）和G2 期
- 分裂期(M 期)
    第一次分裂开始到结束的时间
    包括：前期，中期，后期，末期
3. 细胞类群
- 周期中细胞：持续分裂的细胞;
- G0 期细胞：又称静止期细胞，暂时脱离细胞周期，停止分裂，在信号指导下仍可以进行分裂；
- 终末分化细胞：高度分化细胞，永不分裂。

细胞周期的主要事件与时相

限制点与检查点

G1 期

1. 特征

• 进行 RNA、核糖体、糖类、脂质、蛋白质的合成
• 细胞体积增大
• dNTP 的 积累
• 物质代谢活跃，迅速合成RNA和蛋白质，细胞体积显著增大
• 意义在于为下阶段S期的DNA复制作好物质和能量的准备。
• 不同物种间持续时间差异较大
  2. 检查点
• G1 期晚期
• 相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？
• 若细胞继续分裂，则通过 G1 期默契检查点，进入 S 期
• 若细胞不分裂，进入 G0 期，暂时沉默，等待分裂的信号
• 此 G1 检查点涉及由细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK) 发出的信号
• G 1 检查点确定所有条件是否有利于细胞分裂继续进行。例如对 DNA 的损伤和细胞的其他外部因素在此检查点进行评估。如果条件不充分，则不允许细胞继续进入S期。
• G 1 检查点也称为细胞不可逆地进入细胞分裂过程的限制点。单元格设置了单元格必须满足的某些要求才能通过检查点。
• 外部因素如生长因子在携带细胞通过 G 1 检查点方面起着至关重要的作用。电池只有在大小合适且能量储备充足的情况下才能通过检查点。
• 此时，细胞也会检查 DNA 损伤。
• 不满足所有要求的单元将不会进入 S 阶段。这些细胞停止循环并尝试纠正有问题的情况，或者细胞可能会经历失活进入 G 0期并在情况改善时等待进一步的信号。
• 如果一个细胞满足 G 1 检查点的所有要求，该细胞将进入 S 期并开始 DNA 复制。

S 期

1. 特征

• DNA 的复制
• 新的组蛋白的合成。
  2. 检查点
• S期检验点：DNA复制是否完成
• G2 检查点确保所有染色体都已准确复制，并且复制的染色体在细胞进入有丝分裂之前没有受损。
• 如果不满足某些条件， G 2 检查点会阻止细胞进入有丝分裂期
• 如果检查点机制检测到 DNA 有问题，细胞周期就会停止，细胞会尝试完成 DNA 复制或修复受损的 DNA。
• 如果 DNA 已正确复制，细胞周期蛋白依赖性激酶 (CDK) 会发出有丝分裂细胞分裂开始的信号

G2期

1. 特征

• 合成大量蛋白质，为进入M 期做准备。

2. 检验点

• （Ｇ2 期检查点）G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点
• 相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？环境因素是否有利于细胞分裂

M期

1. 特征

• 核膜、核仁周期性消失重建；
• 染色质压缩形成染色体，染色体移向细胞两极，进入两个子细胞：
• 细胞缢裂形成两个子细胞。
  2. 检查点
• M 检查点出现在有丝分裂中期末期。
• M检查点确定在细胞进入不可逆后期阶段之前是否所有姐妹染色单体都正确附着在纺锤体纤维上。
• M检查点也称为纺锤体检查点，因为它决定了所有姐妹染色单体是否正确地附着在纺锤体微管上。
• 在中期末期，由细胞对极产生的纺锤体纤维附着在赤道平面姐妹染色单体着丝粒的着丝粒上。然后细胞进入后期，其特点是姐妹染色体向相反极分离。由于后期是细胞周期中不可逆的步骤，因此 M 期检查点非常重要，可确保纺锤体与姐妹染色单体正确连接。
• M 检查点还涉及来自细胞周期蛋白依赖性激酶的信号。

小结

细胞周期的各个时相的有序更迭和运行，在细胞周期蛋白依赖性激酶复合物（CDK，cyclin- dependent kinase complex）调控下进行。

CDK通过调节靶蛋白磷酸化而调控细胞周期的运转。与CDK 相对应的是蛋白磷酸水解酶，促进已磷酸化的靶蛋白去磷酸化。

已知的CDK 已有十来种，在不同的时期有不同的 CDK 起调控作用。参与调控细胞周期的蛋白磷酸水解酶也有多种。此外，还有不少其他因素，通过调控 CDK 和蛋白磷酸水解酶的活性或其他相关反应，从而参与调控细胞周期。

细胞周期同步化

1. 定义

• 细胞周期同步化是指在自然或者实验系件下，使一个细胞群体中所有细跑都处于细胞周期的同一时相的过程。

2. 分类

• 包括：
  人工选择同步化
  天然同步化
• 天然同步化
  • 定义
    人工选择同步化是指人为地将处于周期不同时相的细胞分离开来，从而获得不同时相的细胞群体。
  • 方法
    处于对数生长期的单层培养细胞，细胞分裂活跃。大量处于分裂期的细胞变圆，与培养瓶（血）壁的附着力减弱，轻轻振荡培养瓶（血），即会从瓶（皿）壁上脱落，悬浮到培养液中。收集培养液，通过离心，即可获得一定数量的分裂期细胞。将这些分裂期细胞重新悬浮于一定体积的培养液中培养，细胞即开始分裂，进行细胞周期同步运转，由此可以获得不同时相的细胞。
  • 优缺点
    优点：细胞末经任何药物处理和伤害，能够真实反映细胞周期状况，且细胞同步化效率较高
    缺点：分离的细胞数量少。
• 人工诱导同步化
  • 定义人工诱导同步化
    是指通过药物诱导，使细胞同步化在细胞周期的某个特定时相。
  • DNA 合成阻断法
    采用低毒或无毒的 DNA 合成抑制剂特异地抑制 DNA 合成，而不影响处于其他时相的细胞进行细胞周期运转，经过两次 DNA 合成抑制剂处理，细胞最终抑制在 G1/S 期交界处狭窄的时间区段。抑制剂去除后，细胞即可以进行同步细胞周期运转。常用的 DNA 合成抑制剂有胸腺嘧啶脱氧核苷（TdR）、羟基脲 (HU)
  • 分裂中期阻断法
    某些药物可以抑制微管聚合，因而能有效地抑制细胞纺钼体的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期。常用药物有秋水仙素、秋水酰胺、诺考达唑。
  • 优缺点
    优点：DNA 合成阻断法的优点是同步化效率高，几乎适合于所有体外培养的细胞体系。分裂中期阻断法的优点是操作简便，效率高。
    缺点：人工诱导同出化所用药物的毒性相对较大。

特殊的细胞周期

1. 早期胚胎细胞的细胞周期

• 定义
  受精卵在卵裂过程中的细胞周期
• 特点
  只分裂，体积不变；G1 期与 G2 期非常短

2. 酵母细胞的细胞周期

• 周期持续时间较短，大约 90min;
• 分裂过程中，核膜不解聚，属于封闭式分裂;
• 细胞核分裂直按相关的纺锤体不是在细胞质中，而是位于细胞核内
• 酵母的纺锤体组装与 S 期 DNA 复制同时进行，而不是在 DNA 复制之后;
• 芽殖酵母为不等分裂，裂殖酵母为均等分裂。

3. 植物细胞的细胞周期

• 植物细胞不含中心体，其纺锤体的装配由两极的微区启动；
• 植物细胞分裂是在成膜体指导下，以形成细胞板（中间板，的形式完成胞质分裂。

4. 细菌的细胞周期

• 快生长：一个DNA 的复制还没结束就开始了第二个 DNA 分子的复制；
• 慢生长：一个DNA 分子的复制完成后进行第二个 DNA 分子的复制。

细胞分裂

有丝分裂

有丝分裂的重要事件与结构装置

1. 前期

• 染色体凝缩
  染色体凝缩是指由间期细长、弥漫样分布的线性染色质，经过进一步螺旋化、折叠和包装等过程，逐渐变短变粗，形成光镜下可辦的早期染色体结构。
• 细胞分裂极的确立和纺锤体的装配
  在前期，两个星体的形成和向两极的运动，标志着纺锤体组装的开始。

2. 前中期

• 核纤层蛋白被磷酸化解聚，核膜崩解；
• 完成纺锤体装配，形成有丝分裂器：
  星体微管、染色体动粒微管和极间微管及其结合蛋白构成有星纺锤体，即动物细胞的有丝分裂器；
• 染色体整列。

3. 中期

• 染色体整列完成并且所有染色体排列到赤道面上，纺锤体结构呈现典型的纺锤样。

4. 后期
   中期整列的染色体其两条姐妹染色单体分离，分别向两极运动。
5. 末期

• 姐妹染色单体分离到达两极，动粒微管消失，极微管继续加长，染色单体开始去浓缩;
• 核纤层重新组装，核膜、核仁重建，分别形成两个子代细胞核。

6. 胞质分裂

• 开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期，细胞一分为二；
• 植物细胞的胞质分裂与成膜体和细胞板有关，动物细胞的胞质分裂与缢缩环的形成以及收缩有关。

有丝分裂中染色体运动的动力学机制

1. 微管与动粒结合

• Mad2 和 Bub1 结合在动粒上促使动粒敏化，从而促使微管与动粒相连。
• 如果染色体被纺锤体徼管捕获，Mad2 和Bub1 很快会从动粒上消失：若不能消失，后期则不能启动。

2. 染色体整列

• 定义
  染色体整列是指染色体向赤道板的运动过程，由纺锤体极体发出的微管捕捉染色体动粒，形成染色体动粒微管，是染色体整列的必要前提。
• 染色体整列的两种假说
  牵拉假说：认为染色体向赤道面方向运动是动粒微管车拉的结果。动粒微管越长，拉力越大，当来自两极的动粒微管的拉力相等时，染色体即被稳定在赤道面上；
  外推假说：认为染色体向赤道方向移动是星体的排斥力将染色体外推的结果。染色体距离中心体越近，星体对染色体的外推力越强，当来自于两极的推力达到平衡时，染色即被固定在赤道面上。

3. 着丝粒分裂

• 染色体排排列在赤道板上时，动粒释放cdc20促使 APC活化，导致两条染色单体分离。

4. 染色体分离

• 通过动粒微管正极酶解聚，子染色体移向细胞两极，极微管的延长与相互滑动使细胞两极离得更远，星体微管正极的解聚使两极离质膜更近。

减数分裂

1. 定义

• 减数分裂是指仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段的一种特殊的有丝分裂形式。
• 其特点是 DNA 复制一次，细胞分裂两次，产生的子细胞染色体数目减半，整个过程分为减数分裂 II和减数分裂 II两个阶段。

2. 类型

• 配子滅数分裂
• 孢子减数分裂
• 合子减数分裂。

3. 减数分裂前的间期

• s 期持续时间较长，DNA 只复制 99.7%一99.9%;
• 染色质多凝集成异染色质。

减数分裂过程

1. 减数分裂 I

• 前期I
  • 细线期：
    又称凝缩期。发生染色质凝缩，但仍然呈单条细线状，看不到成双的染色体；
    很多细线染色体的端粒通过接触斑于核膜结合，谁染色体装配成花束状，细线期又称花束期
  • 偶线期：
    又称配对期。主要发生同源染色体配对，联会形成四分体；合成在 S 期未合成的约 0.3%的 DNA（偶线期 DNA，即zygDNA)。
  • 粗线期：
    染色体进一步凝缩，变粗变短，并与核膜继续保持接触；发生等位基因之间部分 DNA 片段的交换和重组，在联会复合体部位的中间，出现一个新的结构即重组节；
    合成一小部分尚未合成的 DNA，称为 P-DNA；
    合成减数分裂期专有的组蛋白，有些卵母细胞还发生 rDNA 扩增。
  • 双线期：
    重组阶段结束，同源染色体相互分离，仅留几处相互联系，出现交叉现象：同源染色体或多或少地发生去凝集，可能出现灯刷染色体，RNA 转录活跃。
  • 终变期：
    染色体重新开始凝集，形成短棒状结构；若有灯刷染色体存在，其侧环回缩，RNA 转录停止，核仁消失，四分体较均匀地分布在细胞核中：交叉向染色体臂的端部移行，即端化。
• 中期 I
  • 核膜破裂（标志着中期 I 的开始），纺锤体组装，四分体逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面上。
• 后期 I
  • 同源染色体对分高并向两极移动。
• 末期1、 胞质分裂 I 和减数分裂间期
  • 核膜重建，形成两个子细胞核，胞质分裂形成两个子细胞，分裂完成后立即准备进入减数分裂 I

2. 减数分裂 II

• 经过前期 II，中期 II、后期 II、末期 II，过程与一般有丝分裂相似;
• 卵母细胞不均等分

减数分裂过程的特殊结构及其变化

• 性染色体的分离
• XY型性别决定：xx是雌性，xY 或x0（即无丫染色体）是雄性；
• ZW 型性别决定：zW 是雄性，Zz是雄性，普遍存在于鸟类、鳞翅目昆虫、某些两栖类和爬行类之中；
• XO型性别决定：只产生含 × 染色体或无性染色体的后代，主要存在于昆虫中。

2. 联会复合体和基因重组

• 定义
  • 联会复合体是指减数分裂期问（前期I） 在两个同源染色体之间形成的一种临时性蛋白质梯状结构。
  • 基因重组是指在减数分裂过程中，同源染色体上的非姐妹染色单体之间发生交换而导致不同性状重新组合的过程。
• 联会复合体的功能维持有性生殖生物体染色体数目世代的恒定；
• 通过同源染色休配对、基因重组、非同源染色体的白由组合，使配子染色体组成多样化，扩大了后代的变异范围，增强了个体对环境的适应能力。

题解