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第十二章、细胞增殖与调控
细胞周期:
指从一次细胞分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束所经历的整个过程。分为分裂间期（物质积累期或静止期）和细胞分裂期，其中分裂间期又包括G1 期、 S期、G2 期。
有些处在细胞周期中的细胞会暂时脱离细胞周期停止细胞分裂而进入静止状态，当条件适宜时又可重新返回细胞周期进行细胞分裂，这种细胞成为G０期细胞或叫静止期细胞，这个时期成为G０期。细胞周期中的细胞转变成G０期细胞多发生在G1 期。
生化特征：
● G1期：合成DNA复制、细胞生长等所需的蛋白质、糖类和脂质。例如组蛋白H1、非组蛋白、P53蛋白（与细胞增殖有关的癌基因蛋白）、核糖核苷还原酶（ DNA 合成相关酶）。同时染色质去凝集。
G1期检验点／限制点：
起始点/start point:芽殖酵母
限制点(restriction point, R点)或检验点（check point）：其它真核细胞。
在G1晚期决定G1期向S期过渡的特定时间。
细胞周期时间S+G2+M 时间变化较小，长短差别主要在G1期。
● S期：DNA复制，组蛋白合成，DNA复制与组蛋白合成同步，组成核小体串珠结构。中心体也在此期完成复制。
● G2期：合成一定数量的蛋白质和RNA。 G2期也存在检验点。
G2期检验点：
检查DNA是否完成复制，DNA损伤是否得以修复，细胞是否已生长到合适大小，环境因素是否有利于细胞分裂等。
● M期：仍有少量蛋白合成。遗传物质和细胞内其他物质分
配给子细胞。
有丝分裂，减数分裂。
检验点：即细胞周期的调控点。为了保证细胞染色体数目的完整性及细胞周期正常运转，可对细胞周期发生的重要事件及出现的故障加以检测，当这些事件完成或故障修复后，才允许细胞周期进一步运行的监控系统。
纺锤体(spindle)：
※ 纺锤体是细胞分裂过程中的一种与染色体分离直接相关的细胞器，主要由微管和微管结合蛋白组成。高等细胞的纺锤体为纺锤状。
※ 组成纺锤体的微管有三种：动粒微管（kinetochore microtubules），极性微管(polar microtubules)和星体微管（astral microtubules）。
中心粒周期：
G1期开始复制
S期，一对，但不分开
G2期开始分离
向两极移动
每个子细胞获得一个中心体
有丝分裂过程
根据形态结构的变化，人为地分为前期、前中期、中期、后期、末期及胞质分裂期。
前期、前中期、中期、后期和末期是一个相互连续的核分裂过程。
G2期末：
染色质已复制，但松散包装，呈弥漫样分布；中心体已复制。
前期(prophase) ：
●细胞核染色质开始浓缩，经过螺旋化、折叠和包装，变短变粗，形成光镜下可见的早期染色体结构。
●染色体开始形成2条染色单体的成双结构，出现主缢痕。
●核仁消失。
●在中心体周围，微管大量装配，形成两个星体。
●两个星体逐渐向细胞两极移动，开始形成纺锤体。
●高尔基体、内质网崩解，动点组装。
前中期(prometaphase) ：
核膜崩解（nuclear envelope breakdown）标志着前中期的开始。
核纤层解聚。
染色体进一步凝集浓缩，并剧烈运动。
动粒逐渐成熟。
纺锤体微管捕获（capture）染色体（通过动粒与染色体结合）。
染色体逐渐向赤道方向移动
中期(metaphase)
※ 所有染色体排列在赤道板（equatorial plate，又称中期板metaphase plate）上。
※ 位于染色体两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。
※ 染色体向赤道板运动的过程称为染色体列队（chromosome alignment）或染色体中板聚合
（chromosome congression）；
※ 染色体排列到赤道面上后，其两个动粒分别面向纺锤体的两极；在每一个动粒上结合的动粒微管可以多达几十根。
赤道板：细胞有丝分裂或减数分裂时期，中期染色体排列所处的平面，即纺锤体中部垂直于两极连线的平面。
后期(anaphase)
姐妹染色单体相互分离，形成子代染色体，并分别向两极运动，标志着后期的开始。
可划分为两个连续的阶段：后期A和后期B。
染色体向两极的运动依靠纺锤体微管的作用。
在后期A，动粒微管变短，染色体逐渐向两极运动。
在后期B，极性微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长。
Separase 在有丝分裂中期向后期转变时的激活过程。在有丝分裂后期起始之前姐妹染色单体之间存在着稳固的黏连，维持姐妹染色单体不会提前分离。这种黏连由蛋白复合物Cohesin 所介导。当细胞进入后期，蛋白水解酶Separase 通过切割Cohesin 的Scc1 亚基，导致染色体分离。
后期
APC复合物
末期(telophase)
※ 染色体到达两极。
※ 动粒微管消失，极性微管继续加长。
※ 染色体开始去浓缩，在每个染色体周围，核膜开始重新装配。
※ 核仁开始重新装配。
※ RNA合成功能逐渐恢复。
※ Golgi体和ER重新形成
并生长。
核膜的解聚和重新装配
核膜前体小膜泡结合到染色单体表面，小膜泡相互融合，逐渐形成较大的双层核膜片断，然后再相互融合成完成的核膜，分别形成两个子代细胞核。核孔复合物同时在核膜上组装。
胞质分裂4个步骤：
※ 分裂沟位置的确定；
※ 肌动蛋白聚集和收缩环的形成；
※ 收缩环收缩；
※ 收缩环处细胞质膜融合并形成两个子细胞。
※胞质分裂：开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期。
※在赤道板周围细胞表面下陷，形成环状缢缩，称为分裂沟（cleavage furrow）。分裂沟逐渐加深，直到两个子细胞完全分开。
※肌动蛋白和肌球蛋白等许多蛋白参与了分裂沟的形成和整个胞质分裂过程。
※在分裂沟下方，微管和小膜泡等物质聚集，构成一个环形致密层，称为中间体（midbody）。
※大量的肌动蛋白和肌球蛋白在中间体处装配成微丝，并组成微丝束，环绕细胞，称为收缩环（contractile ring）。
※收缩环收缩，分裂沟逐渐加深，直到两个子细胞分离。
减数分裂（meiosis）是一种特殊的有丝分裂，仅发生于有性生殖细胞形成过程中。
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。两次分裂之间有一个分裂间期，但无DNA合成。结果染色体数减少一半。
染色体数目为2n的两性生殖细胞通过减数分裂产生染色体数目为n的雌雄配子，雌雄配子融合后形成合子，染色体数目又恢复为2n。
1、减数分裂前间期
减数分裂前间期(premeiotic interphase)：减数分裂前的间期阶段。也可划分为G1、S、G2期。
减数分裂前间期S期特别长，如蝾螈的体细胞有丝分裂前的S期为12小时，而减数分裂前的S期可持续10天。此种延长并非由于复制叉的运动减慢，而是由于每单位长度DNA复制单位的启动数量减少所致。
在有些生物中，减数分裂前的S期只合成全部染色体DNA的99.7％，其余的0.3％在偶线期合成。如植物百合。
2、减数分裂过程
第一次减数分裂（meiosis I）：
前期I
※ 变化复杂，呈现许多减数分裂的特征形态变化。
※ 持续时间长，可达几周，几月，甚至几年，几十年。
※ 进行染色体配对和基因重组。
※ 合成配子所需要的或胚胎早期发育所需要的全部或大部分RNA、蛋白质及碳水化合物。
根据细胞形态变化，可将此期分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期5个阶段。
细线期(leptotene，1eptonema)，又称凝集期（condensation stage）：
特点：
1). 染色质凝集成细纤维状的染色体；
2).在细纤维状染色体上，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。
偶线期(zygotene，zygonema)，又称配对期(pairing stage)：
两条同源染色体侧面紧密相贴进行配对，此现象称为联会(synapsis)。形成联会复合体。形成二价体，又称四分体。
联会复合物：
联会复合体是指在减数分裂前期，同源染色体的配对行为所形成的一种特殊结构，由侧线、横线和中央轴三部分组成，在前期的粗线期时结构较典型，它是动植物同源染色体联会时相当普遍的一种结构。
减数分裂中联会复合体起始于偶线期，成熟于粗线期，消失于双线期。
细线期
粗线期
偶线期
双线期、终变期
粗线期，又称重组期
※ 联会复合体结构中间出现重组结，同源染色体间出现染色体片段的交换和重组。合成减数分裂期专有的组蛋白 。发生p-DNA合成。
双线期，又称合成期
※同源染色体分开，可看到四分体。联会复合体消失，同源染色体间存在接触点，称为交叉。
※染色体去凝集，RNA转录活跃。
※ 持续时间一般较长。
终变期，又称再凝集期
※核仁消失，四分体较均匀地分布在核中，染色体凝集成短棒状。
※交叉向染色体臂的端部移行，称为端化。
※形成纺锤体。
※核膜解体。
前期I的主要变化小结
分期 细线期 偶线期 粗线期 双线期 终变期
凝集期 配对期 重组期 合成期 再凝集期
染色体 染色线 染色粒 2价体 片段交换 四分体 短棒状
四分体
配对 联会丝 复合体 重组小节 交叉 端化
DNA Z-DNA P-DNA rDNA扩增
蛋白质&RNA SC DNA修补 组蛋白 RNA合成 活跃 纺锤体
形成
核膜 相连 端部移位 相连 脱离 破裂
中期I：核膜破裂,纺锤体侵入核区，一侧纺锤体只和同侧的2个动粒相连。分散于核中的四分体开始向纺锤体中部移动，排列在赤道板上 。
后期I：同源染色体对的分离和向极运动的开始。每极接受单倍体数量的染色体。不同的同源染色体对分向两极时相互间是独立的，父方、母方来源的染色体随机组合。
末期I及间期：末期I和间期的染色体去凝集，核膜重新装配。
动力系统（引擎）：由细胞周期素(cyclin)和周期素依赖蛋白激酶（CDK）组成的复合物。
监视系统：细胞周期检验点（checkpoint）
细胞周期调控系统:
Cdk激酶家族:
含有一段类似的激酶结构域，都可以与周期蛋白结合，并将周期蛋白作为其调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性，因而它们统称为周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinase, Cdk）。
Cdk家族成员包括Cdk1 (又称p34cdc2，或Cdc2)、Cdk2、Cdk3、Cdk4、Cdk5、Cdk6、Cdk7、 Cdk8等。
每种Cdk结合不同类型的cyclin，在细胞周期中执行的功能也不同。
各种Cdk-cyclin复合物协调配合，调节细胞周期进程。
周期蛋白家族／cyclin:
周期蛋白家族成员在动物中包括cyclin A、B、C、D、E等等，在酵母中包括Cln1~Cln3、Clb1~Clb6等。
各种周期蛋白在细胞周期内表达的时期不同，所执行的功能也不同。
1)、G1期/S期转换的调控
主要的相关蛋白：
※周期蛋白：cyclin D、E、H
※周期蛋白依赖性蛋白激酶：Cdk2、4、6、7
※ Cdk抑制蛋白：p16、p15、p18、p19(Ink4家族）；p21、p27、p57(CIP/KIP家族）
G2
M
G1
S
CDK2
Cyclin A
CDK2
Cyclin E
p16 INK4A
p15 INK4B
p19 INK4D
p18 INK4C
p21 CIP1
p57 KIP2
p27 KIP1
CDK7
Cyclin H
MAT1
CDK4-6
Cyclin D
周期蛋白D为细胞G1/S转化所必需。
※ Cdk1在细胞周期中含量相对稳定，而cyclin B含量呈周期性变化。
※ Cdk1只有与cyclin B结合后才可能表现出激酶活性。
※ cyclin B一般在G1晚期开始合成，通过S期，含量不断增加，到达G2期，含量达到最高。随着cyclin B含量达到一定程度，Cdk1激酶活性开始出现，到G2晚期，其活性达到最高并维持到M期的中期阶段。然后，随着cyclin B的降解，Cdk1活性丧失。
2). G2期/M期转换的调控
成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF)的发现：
G1期PCC为单线状；S期PCC为粉末状；G2期PCC为双线染色体。
概念：
G2晚期形成的cyclinB-Cdk蛋白复合物在促进细胞从G2期向M期转换的过程中起着关键作用，该复合物称为成熟促进因子/MPF，它由催化亚基P34cdc2/Cdk1和调节亚基细胞周期蛋白CyclinB组成。其核心部分是P34cdc2/Cdk1。 实质上是一种蛋白激酶，当两个亚基结合后表现出蛋白激酶活性，可以使多种蛋白质底物磷酸化；因此，MPF是一种普遍存在的、进化上较保守的G2/M转换调控者。
※ Cdk1通过使某些蛋白磷酸化，改变其下游的某些蛋白质的结构和启动其功能，实现其调控细胞周期的目的。
※ Cdk1催化底物磷酸化有位点特异性，一般选择底物中某个特定序列的Ser或Thr残基。
※ Cdk1的底物包括组蛋白H1、核纤层蛋白A、B、C，核仁蛋白nucleolin等。组蛋白H1磷酸化，促进染色体凝集；核纤层蛋白磷酸化，促使核纤层解聚；核仁蛋白磷酸化，促进核仁解体。磷酸化某些DNA结合蛋白，以促进染色质的凝聚。
Cdk1催化的磷酸化事件
3). M期metaphase/anaphase（中期向后期）转换的调控
细胞周期运转到中期后，cyclin A和B迅速降解，Cdk1激酶活性丧失，被Cdk1磷酸化的蛋白去磷酸化，细胞周期便从中期向后期转化。
※ 当动粒没有全部被纺锤体微管捕获时，纺锤体组装检验点（spindle assembly checkpoint）蛋白Mad2和BubR1定位于未捕获的动粒上，并与Cdc20结合，抑制Cdc20作为APC辅助因子的活性，使APC不具活性。
※ 当动粒全部被纺锤体微管捕获后， Mad2和BubR1从动粒上消失，对 Cdc20的抑制解除，促使APC活化，泛素化cyclin A和B，使得它们降解，从而使Cdk1丧失活性；另外，APC泛素化securin，使得securin降解，释放出securin所抑制的 separase（又称separin ），使得separase可以切开连接姐妹染色单体的cohesin复合体，使染色单体分开。
纺锤体组装检验点（又称纺锤体检验点）
第十三章、程序性死亡与细胞衰老
细胞凋亡是指为维持内环境稳定，由基因控制的细胞自主的有序的死亡。不是一件被动的过程，而是主动过程。 即细胞程序性死亡（programmed cell death，PCD）。
细胞凋亡由体内外因素触发细胞内预存的死亡程序而导致的细胞死亡过程。
细胞凋亡是由基因调控的细胞主动结束生命的过程。
细胞凋亡的形态学特征：
细胞凋亡的起始：细胞表面的特化结构，如微绒毛消失；细胞间接触消失，细胞质膜依然完整，未失去选择通透性；核糖体从内质网脱离，内质网囊腔膨胀，内质网膜与质膜逐渐融合；染色质固缩，形成新月形帽状结构，沿核膜分布；
凋亡小体的形成：核染色质断裂，被反折的细胞膜所包围；
凋亡小体被吞噬：邻近细胞和吞噬细胞，凋亡细胞的残余物质被消化后重新利用。
吞噬作用
凋亡小体
吞噬细胞
细胞凋亡的生物学意义：
清除多余无用的细胞；
清除有害的细胞；
清除衰老的细胞；
有选择性地清除细胞。
3 groups of caspase:
apoptotic initiators/凋亡起始者:
caspase-2, caspase-8, caspase-9 and caspase-10；
2. apoptotic executioners/凋亡执行者:
caspase-3, caspase-6，caspase-7 and 14 (morphology change)；
3. inflammatory mediateors:
caspase-1 and caspase-11，
主要负责白介素前体的活化，不直接参与凋亡信号的传递。
起始者负责对执行者的前体进行切割，从而产生有活性的执行者；执行者负责切割细胞核内、细胞质中的结构蛋白和调节蛋白。
凋亡的分子机制：
Extrinsic pathway/外源途径
TNF，主要死亡配体，主要由激活的单核-巨噬细胞分泌，诱导细胞凋亡和诱发炎症反应是其主要的生理效应；FADD：死亡结构域接头蛋白；Fas：死亡受体代表。
死亡诱导信号复合物
Intrinsic pathway/内源途径Apaf1/ced4:凋亡必需因子, N端含有Caspase募集结构域CARD，能与细胞色素C结合后发生自身聚合，招募Caspase9酶原，形成凋亡复合体。Caspase9活化后可以激活Caspase3和7，诱导凋亡。Bcl-2 Family/ced9 (cytoplasmic factors):大多定位在线粒体外膜上，或受信号刺激后转移到线粒体外膜上。细胞衰老（cell aging, cell senescence）:一般的含义是复制衰老，指体外培养的正常细胞经过有限次数的分裂后，停止分裂，细胞形态和生理代谢活动发生显著改变的现象。细胞衰老过程的形态结构变化：细胞核增大，核膜内折，染色质固缩；内质网减少，呈弥散状；线粒体数目减少，体积增大；致密体累积出现；膜由液晶态变为凝胶态，膜上受体与配体形成复合物的效能降低，细胞间间隙连接减少。第十四章、细胞分化与癌细胞
定义：在个体发育中，由一种相同的细胞类型经细胞分裂后逐渐在形态、结构和功能上形成稳定性差异，产生不同的细胞类群的过程称为细胞分化（cell differentiation)；它是多细胞有机体发育的基础和核心。
实质：基因选择性表达
管家基因(house-keeping genes)，或称持家基因：
指所有细胞中均要表达的一类基因，其产物是对维持细胞基本生命活动所必需的；如微管蛋白基因、糖酵解酶系基因、核糖体蛋白基因等；
奢侈基因(luxury genes)或称组织特异性基因(tissue-specific genes)：
指不同的细胞类型进行特异性表达的基因，其产物赋予各种类型细胞特异的形态结构特征与特异的功能；如卵清蛋白基因、胰岛素基因等
生长和分裂失控；
浸润性和扩散性；
细胞间相互作用改变；
蛋白表达谱系或蛋白活性改变；
遗传的不稳定性；
细胞接触抑制性的丧失 。
癌细胞特征：
癌基因和抑癌基因（cancer-critical genes）
原癌基因：为细胞的正常基因，多编码控制细胞周期、细胞凋亡、细胞增殖的各种调控因子和活性蛋白，是细胞正常功能所必需；
癌基因：为原癌基因的突变形式，或改变了表达方式（过量、产物活性的改变等），其结果是引起正常细胞的癌变。
抑癌基因：正常细胞中存在基因，在被激活情况下它们具有抑制细胞增殖作用，但在一定情况下被抑制或丢失后可减弱甚至消除抑癌作用的基因。正常情况下它们对细胞的发育、生长和分化的调节起重要作用。
全能干细胞：具有自我更新和分化形成任何类型细胞的能力，并发育成为一个完整个体的细胞称为全能干细胞。
多能干细胞：具有产生多种类型细胞的能力，但失去了发育成完整个体的能力，发育潜能受到一定的限制。
单能干细胞：仅具有分化形成某一种类型细胞能力的干细胞或称定向干细胞。
终末分化：由定向干细胞最终形成特化细胞类型的过程。
细胞分化的共同规律：是由“全能”向“多能”，最后到“单能”。

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