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全国生物学联赛入门教程
《普通生物学》
《高中生物奥赛讲义》
第1节 细胞分裂与细胞周期
本章提纲
第2节 细胞分化（略）
第3节 细胞衰老、凋亡（略）
第4节 细胞癌变
第五章 细胞的生命历程
第1节 细胞分裂与细胞周期
一、细胞周期概述
细胞周期：从一次细胞分裂结束开始，经过物质准备，直到下一次细胞分裂结束为止的过程
细胞周期中3个根本问题
分裂前 DNA 精确的复制
完整复制DNA 如何准确分配到两个子细胞
物质准备与细胞分裂是如何调控的
细胞周期的时期划分
细胞有丝分裂期（mitosis）
分裂间期（interphase）
真核细胞的周期示意图
细胞周期
生长
分裂
(一）细胞周期概念
（二）细胞的去向——按照分裂能力的不同
周期中细胞：（连续分裂，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞）
G0 期细胞：（静止期细胞，暂时不分裂但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，如淋巴细胞、肝、肾细胞等）
终末分化细胞：（指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又不分裂细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等）
（三）如何确定动物细胞周期的具体时期？
显微镜观察
用流式细胞仪（荧光活化细胞分选仪，FACS）测量DNA含量
BrdU-labled epithelia cells of the zebrafish gut. (Gree: S phase cells)
有丝分裂百分率法
（四）细胞周期检验点
检验点是作用于细胞周期转换时序的调控信号通路
G1/S检验点：在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点
S期检验点
G2/M检验点
中-后期检验点
周期蛋白（cyclin）
细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶复合物（CDK）
①CDK浓度稳定，依赖磷酸化作用活化或失活；
②周期蛋白（cyclin）浓度发生周期性的变化；
③CDK活性随cyclin浓度变化而变化。
（五）细胞周期同步化
天然同步化
一种黏菌的变形体
大多数无脊椎动物和少数脊椎动物的早期胚胎
人工同步化
选择同步化
诱导同步化
从培养细胞中收集M 期细胞的同步化方法
TdR（胸腺嘧啶核苷）双阻断法实现细胞周期同步化（A:正常、B：加入TdR、C:洗脱、D：再次加入TdR）
（六）特殊的细胞周期
受精卵迅速卵裂，卵裂球数量增加，但其总体积并不增加；细胞周期中没有细胞的生长
G1 期和 G2 期非常短
在细胞分裂过程中很少或不需要合成除DNA以外的其他成分
1. 早期胚胎细胞
2.酵母细胞
包括G1 期、 S 期、G2 期和M 期4 个时期
酵母细胞周期持续时间较短，大约为90 min
分裂封闭式：核膜不解聚，纺锤体位于核内
两种：芽殖酵母和裂殖酵母
芽殖酵母的细胞周期
裂殖酵母的细胞周期
3.细菌
DNA 复制是细菌细胞周期 中的重要事件之一
细菌DNA 为一环形分子，含有一个复制起始点
慢生长
快生长
图12-8 细菌的细胞周期
A. 慢生长。B. 快生长
二、细胞分裂间期
G1期：合成细胞生长所需的RNA、蛋白质、糖类、脂质等；体积增大；细胞器扩增；检验点（决定细胞去向）
S期：DNA合成，组蛋白合成，组成核小体）常染色质先复制;检验点
G2期：RNA和蛋白质合成，特别是微管蛋白；染色质开始螺旋；检验点；
※细胞周期的长短主要差异在G1期
三、有丝分裂
细胞周期的M 期时相包括核分裂与胞质分裂两个相互联系的过程
有丝分裂过程人为地划分为前期、前中期、中期、后期和末期
胞质分裂相对独立，一般开始于细胞有丝分裂后期，完成于细胞有丝分裂末期
姐妹染色单体间彼此黏着和凝缩是基因组准确分离的先决条件
Smc蛋白复合物 (染色体结构维持蛋白,是一类染色体ATP酶)
黏连蛋白 (Smc 1/3)和凝缩蛋白 (Smc2/4)
A: Smc 蛋白、 B:黏连蛋白（Smc 1/3）、C: 凝缩蛋白（Smc2/4）
1. 前期——染色体凝缩、核仁解体
(一）有丝分裂的过程
黏连蛋白和凝缩蛋白
姐妹染色单体连在着丝粒上，外侧有动粒
1. 前期——细胞分裂极的确立和纺锤体装配
动物细胞分裂极确立与中心体复制、分离和纺锤体的装配相关
高等植物细胞装配无星纺锤体，分裂极确立机制尚不清楚
核膜的周期性变化与核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化有关
2. 前中期——核膜崩解、染色体进一步浓缩
动物细胞：由星体微管、 动粒微管和极性微管及其结合蛋白（辅助分子）构成
植物细胞：不含中心体，但能形成无星纺锤体，介导植物细胞的核分裂
高等动物细胞纺锤体结构
A. DNA 荧光染料染色（红色）和抗微管蛋白抗体免疫荧光染色（绿色）。B. 染色体和纺锤体结构模式图
2. 前中期——纺锤体装配
纺锤体组装过程
A. 中心体复制后分离，负向马达蛋白与纺锤体微管结合。
B. 马达蛋白向微管负极运动，形成早期纺锤体。
C. 正向马达蛋白在纺锤体微管之间搭桥，正向移动，将纺锤体拉长。
D. 负向马达蛋白在细胞膜和星体微管之间搭桥，负向移动，将中心体进一步拉近两极的细胞膜，纺锤体进一步被拉长
3. 中期——着丝粒排在赤道板上（略）
4. 后期——着丝粒分裂、姐妹染色体单体分离，着丝粒DNA片段复制完成。
细胞分裂后期Ａ和后期Ｂ产生染色体向极部运动的示意图
后期A：动粒微管在两端解聚缩短，致使姐妹染色单体向两极运动。
后期B：通过星体微管牵拉和极微管重叠区滑动，使纺锤体两极和染色体进一步分开
有丝分裂中后期转换：中/后期检验点；染色体分离检验点
有丝分裂中后期转换
有丝分裂中后期转换是由活化APC 启动的，抑制物securin 的降解导致分离酶活化，进而黏连蛋白被切割，致使姐妹染色单体分离
5. 末期（略）
6. 胞质分裂
(二）染色体的核型、带型
奎纳克林荧光染色：Q带(用阿的平染色）
吉姆萨（Giemsa）染色：
加热或蛋白酶处理——G带（富含A-T）
热碱处理——R带（富含G-C)
核型(组型）：将体细胞中全套染色体按照一定的顺序排列起来，构成图像。
染色体显带：经不同染色法处理染色体，使染色体纵轴上显示明、暗或深、浅相间的横带。
各条染色体的带型是稳定的；不同的物种，染色体的带型各有特点。进化上非常保守。
短臂：p
长臂：q
黑色：Q带和G带
白色：R带
(三）染色体组、基因组
细胞中的一套完整的非同源染色体
（1）染色体组：
X
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Y
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
X
Y
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅱ
Ⅲ
雄果蝇染色体组成
一个染色体组
一个染色体组
（2）基因组：
一个生物体内所有遗传物质的总和，即一套基因
X
Y
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Ⅱ
Ⅲ
雄果蝇染色体组成
X
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
Y
3+X+Y
三、减数分裂
（一）三种类型的减数分裂
A. 配子减数分裂
B. 孢子减数分裂
C. 合子减数分裂
前期I
细线期
偶线期
粗线期
双线期
终变期
(zygonema)
(leptonema)
(pachynema)
(diplonema)
(diakinesis)
1.前期Ⅰ
染色质开始凝缩，单体的臂不分离，成细丝状
染色体线上出现许多颗粒状染色粒
端粒与核膜相连，核的体积增大，核仁也变大
同源染色体发生联会，完成尚未合成的 DNA
染色体进一步压缩，形成联会丝复合体
形成联会复合体 （二价体），形成四分体
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（二）减数分裂的过程
偶线期DNA 在减数分裂前期I 才进行复制示意图
可能是由于此种未复制的DNA 片段的存在，导致两条姐妹染色单体紧密联系在一起
联会复合体的一端结合在核被膜上，边侧成分上向外伸展出许多细的染色质纤维
联会复合体与同源染色体联会和基因重组有关
SC由两条同源染色体沿纵轴形成，外观呈梯状
SC上有重组节，是交换发生的部位。
SC主要由碱性蛋白质和RNA组成，含少量DNA
SC形成偶线期，成熟于粗线期，消失于双线期
图12-26 电镜下见到的联会复合体和重组节结构（A）及其图解（B）
A. 照片显示联会复合体和重组节（箭头所指）。B. 图解显示侧生组分、中央组分、重组节和同源染色体的姐妹染色单体
联会复合体（synaptonemal complex）
前期I
细线期
偶线期
粗线期
双线期
终变期
(zygonema)
(leptonema)
(pachynema)
(diplonema)
(diakinesis)
1.前期Ⅰ
同源染色体间的非姊妹染色单体发生交叉交换
装配成了重组小结
合成了少量rDNA
联会复合体开始解体
姊妹染色体清晰可见 ，同源染色体只靠一些交叉部位连在一起
持续时间长
染色体更加变粗、变短
核仁、核膜消失
在染色体区纺锤体微管清晰可见
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（二）减数分裂的过程
减数分裂前期I中染色体联会和去联会的时空变化图解
染色单体1
染色单体3
染色单体2
染色单体4
细线期
偶线期
粗线期
双线期
间期
蝾螈卵母细胞双线期的一个二价体
光镜照片
模式图解
染色单体
着丝粒
交叉
粗线期重组小结
2. 中期 I
纺锤体微管捕获四分体
四分体排列到赤道面上
中期Ⅰ（A）与中期Ⅱ（B）动粒与纺锤体的联系示意图
中期I，四分体中同源染色体的两个动粒位于同侧，只与从同一极发出的纺锤体微管相联结；
中期II 与一般有丝分裂中期相似，每个染色体的两个动粒分别位于染色体的两侧，分别与从两极发出的纺锤体微管相联结
减数分裂其它时期（见高中生物学必修二）
四、细胞周期的调控
(MPF)
（一）分裂期促进因子
细胞周期主要受细胞分裂周期基因（cdc基因)的调控，包括cyclin、CDK[即cdc2]、CKI(CDK抑制因子）、DNA聚合酶、DNA连接酶等。
细胞融合实验
G1期细胞染色体
G1期
M期
S期细胞染色体
S期
M期
G2期细胞染色体
G2期
M期
M期细胞中有能使核变化的物质
MPF由催化亚单位（CDK）和调节亚单位（cyclin)组成
（二）影响细胞周期调控的因素
1. 生长因子(growth factor)及其受体
调节特点：
1、多样性：种类多样,受体多样，效应多样,作用途径多样
2、协同性：多种生长因子协同作用
3、竞争性：如接触抑制。
2. 原癌基因和抑癌基因
　　(1) 原癌基因被激活成为癌基因，并导致细胞的恶性转化。
(2) 抑癌基因：如：Rb基因，P53基因
第4节 细胞癌变
由早期胚胎细胞转化产生的称为畸胎瘤(teratoma)
一、癌症的分类：
癌症名称 发生组织 来 源
癌(carcinoma) 上皮组织 外胚层和内胚层
肉瘤(sarcoma) 结缔组织和肌肉 中胚层
淋巴(肉)瘤 淋巴细胞 中胚层
根据其发生来源，可将癌症分为几类：
癌细胞所表现出的一些属性图解
生物化学变化：
质膜的化学组成改变
产生新的膜抗原
质膜结构发生变化
分泌多种蛋白质水解酶
纤连蛋白分泌量减少
细胞外形改变：
微绒毛、丝足和片足缩回
表面圆泡增加
细胞外形变圆
细胞结构改变：
细胞骨架结构紊乱
高尔基体成分变化
生理变化：
无限分裂
接触抑制现象丧失
生长因子需求量降低
贴壁性下降
易于被凝集素凝集
核异常：
明显变大
形状改变
核型明显异常
细胞质
细胞核
二、癌细胞的几种主要特点
激活途径：点突变、插入突变、染色体重排、基因扩增等。
抑癌基因的编码产物，如Rb、P53等，对细胞增殖具有拮抗(抑制)作用
失活途径：点突变、基因缺失、基因倒置、有丝分裂重组、染色体丢失等。
(1)原癌基因的激活：
(2)抑癌基因的失活：
二、细胞癌变的分子机制
蛋白质激酶
生长因子和生长因子受体
癌蛋白
转录因子、信号传导器等
促进细胞的增殖和分化
表达产物
原癌基因在进化上高度保守
一个原癌基因突变即可癌变→显性突变
二倍体细胞中只要有一个正常即可编码周期调控蛋白→隐性突变
细胞增殖受一系列基因表达产物的控制
生长因子
生长因子受体
信号转导蛋白
转录因子或转录调节因子
抗凋亡蛋白
细胞周期控制蛋白
DNA修复蛋白
原癌基因
CDK激酶
抑制因子
抑癌基因
1.癌基因蛋白的种类
(1)原癌基因的激活：
蛋白质激酶
生长因子和生长因子受体
癌蛋白
转录因子、信号传导器等
能使蛋白质磷酸化的一类酶，如p60src蛋白： 可把磷酸基加接到Tyr的R侧链的-OH基上。
有许多癌基因的表达产物均为酪氨酸激酶，如src、yes、fgr、abl、fps、fes和ros等。
①蛋白质激酶
激酶区
生长因子受体与生长因子结合激活受体蛋白激酶区示意图
②生长因子和生长因子受体
③核癌蛋白——癌蛋白(oncoprotein)
某些癌基因
核内
癌蛋白
与细胞分裂有关的基因结合
影响基因的复制和转录
促进细胞有丝分裂
C-myc; ski
B-lym; c-myb
c-fos等
直接与DNA结合
c-myc癌蛋白
使DNA连续复制
Burkitt淋巴肉瘤
核内
转录因子：促进转录起始复合物的形成，启动基因表达
信号传导器：传导细胞增殖信号，促进细胞分裂
GDP
Raf
GAP
GAP
Pi
GTP
GEF
复合物
衔接蛋白
结合
GEF
结合
酪氨酸激酶性受体(RTK)
结合与激活
Ras-GDP
Ras-GTP
激素
ERK
ERK
Elk1
转录
MEK
MEK
P
P
核被膜
④转录因子、信号传导器等
原癌基因的三种激活途径的模式图解
基 因 扩 增
产生过量的正常蛋白
染 色 体 重 排
或
DNA
RNA
编码序列缺失或点突变或插入突变
过分活跃的蛋白
(数量正常)
DNA
RNA
原癌基因
突变
1、原癌基因突变
每个基因要发生10-6自然突变
插入突变
点突变
缺失
2、染色体重排
3、基因扩增
2. 原癌基因的激活途径
邻近的增强子造成过量正常蛋白的产生
与活跃转录的基因融合，产生过量的融合蛋白；或融合蛋白过分活跃
(2)抑癌基因
1. 抑癌基因的编码产物主要有以下几类：
1、跨膜受体
2、细胞调节因子或结构蛋白
3、转录因子和转录调节因子
4、细胞周期因子
5、DNA损伤修复因子
6、其它
Rb抑癌基因失活的六个途径的模式图解
不分离
(染色体丢失)
不分离
和加倍
有丝分裂重组
基因转换
基因缺失
点突变
2. 正常Rb抑癌基因消失的可能途径：
3. Rb蛋白作用模式图
去磷酸化的RB蛋白有活性，可与特定的基因调节蛋白结合，使细胞不分裂。磷酸化的RB蛋白促进细胞分裂。磷酸化过程受MPF调节。
3. p53蛋白作用模式图
p53蛋白使细胞停留在G1期的作用机制示意图
当DNA发生损伤时，p53蛋白的含量和活性有所提高。激活的p53蛋白刺激p21基因转录，p21蛋白为CdK抑制蛋白。P21蛋白与S期周期蛋白-CdK复合物结合，抑制复合物的活性，使细胞周期停留在G1期,启动细胞凋亡。
内因的作用
外因的诱发
原癌基因的激活：细胞癌变
抑癌基因的失活：细胞癌变
免疫监控系统：随时扑捉和杀灭癌细胞
不良生活习惯：吸烟、酗酒、饮食习惯
致癌因子：剂量积累效应
正在杀伤肿瘤细胞的T细胞的SEM照片
肿瘤细胞
T细胞
（3）癌症的渐进发生过程需要几年的时间

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