第二十二章 细胞周期 Chapter 22 Cell Cycle 医学细胞生物学与遗传学教研室

第二章 细胞周期 第一节 细胞周期的一些基本概念 第二节 细胞周期的主要事件 第三节 细胞周期的运行机制 第四节 细胞周期与发育 第二章 细胞周期 第一节 细胞周期的一些基本概念 第二节 细胞周期的主要事件 第三节 细胞周期的运行机制 第四节 细胞周期与发育 第五节 细胞周期的研究方法

第一节 细胞周期的一些基本概念 细胞周期的概念： 第一节 细胞周期的一些基本概念 细胞周期的概念： 细胞周期（cell cycle）：是指连续分裂的细胞从上一次有丝分裂结束开始生长，到下一次有丝分裂完成所经历的整个过程，包含G1期、S期、G2期、M期四个阶段。

细胞周期的持续时间一般为12 ～32h。 人的细胞周期一般为24h。 G1： 9h S期：10h G2： 4.5h M期：0.5h 不同生物的细胞周期时间不同，同一系统的不同细胞的细胞周期时间差异也很大。S+G2+M变化小；G1期变化大。 ——细胞周期的长短决定于G1期的长短。

细胞在体内的增殖特性不同，包括三种增殖类型： 连续分裂的细胞（增殖细胞） 暂不增殖细胞（ G0期细胞） 终末分化细胞

如：皮肤基底层细胞、造血干细胞、消化道、阴道上皮细胞等。 1、连续分裂的细胞（增殖细胞、周期细胞） 指在细胞周期中连续运转的细胞，因而又称增殖细胞、周期细胞。 如：皮肤基底层细胞、造血干细胞、消化道、阴道上皮细胞等。 这类细胞的分裂对于组织的更新有着重要意义。

2、暂不增殖细胞（ G0期细胞） 指暂时脱离细胞周期，不增殖的细胞。但在适当因素刺激下，可再次重新返回细胞周期，开始分裂，又称为G0期细胞。 如：成纤维细胞、平滑肌细胞、血管内皮细胞、某些淋巴细胞、肝、肾、胰腺细胞等。 组织的再生、创伤的愈合、免疫反应均与此相关。

3、终末分化细胞 终末分化细胞是指那些不可逆的脱离细胞周期，丧失分裂能力，保持生理功能的细胞。 如：成人心肌细胞、神经细胞、成熟的红细胞等。

限制点（restriction,R点）:早、晚G1期之间 第二节 细胞周期的主要事件 一、G1期（合成前期）： 早G1期 限制点（restriction,R点）:早、晚G1期之间 晚G1期

一、G1期（合成前期）： 1、早G1期——细胞生长 主要表现为：RNA、蛋白质、脂类以及糖类的大量合成，形成大量的细胞器和其他结构，使细胞体积、表面积以及细胞核、质比例增加。

决定细胞后续命运(进入S期;G0期细胞;分化或凋亡)。 2、限制点(R点)——分裂决定 介于早G1期和晚G1期之间。 是细胞周期进程的重要调控点。 决定细胞后续命运(进入S期;G0期细胞;分化或凋亡)。

一、G1期（合成前期）： 细胞生长、分裂决定、 复制准备 1、早G1期——细胞生长 2、限制点(R点)——分裂决定 3、G1晚期——复制准备 （1）为DNA合成作准备。 如： 合成DNA复制所所需要的各种脱氧核糖核酸、胸腺嘧啶核苷酸激酶、DNA聚合酶、解旋酶等。 （2）大量合成与细胞周期运行密切相关的蛋白，以使细胞周期能够顺利延续。 如：细胞周期蛋白、钙调蛋白、触发蛋白等。 （3）DNA损伤修复

二、S期（合成期）： DNA合成、染色质组装、 中心粒复制 1、DNA复制：是细胞增殖的关键，仅局限于S期。 2、组蛋白、非组蛋白大量合成，染色质组装。 3、完成中心粒的复制。 特点1：S期复制不同步—— GC含量高的DNA序列先复制，AT含量高的DNA序列后复制；常染色质先复制，异染色质后复制。 特点2：DNA复制与组蛋白复制同步。

三、G2期（合成后期）： 1、复制检查 2、分裂准备 ： （1）合成微管蛋白及其关联蛋白 （2）合成染色质凝集相关蛋白 （3）合成M期调控蛋白 （4）中心粒继续分别移向细胞两极，纺锤体微管开始组装。 复制检查和分裂准备

四、M期（分裂期） 是将复制了的遗传物质平均分配到两个子细胞中的时期。 在细胞周期中M期所占时间最短，但细胞的形态结构变化最大。

细胞分裂 细胞生长、分裂决定、 复制准备 复制检查和分裂准备 G0 DNA合成、染色质组装、 中心粒复制

第三节 细胞周期的运行机制 细胞周期调控两大机制：启动－监控 细胞周期进程严格、有序——domino model 第三节 细胞周期的运行机制 细胞周期调控两大机制：启动－监控 细胞周期进程严格、有序——domino model 细胞内外多因子、多层次——network CDK活化激酶（CAK）

2001年诺贝尔生理学与医学奖 for their discoveries of “key regulators of the cell cycle.”

利兰·哈特韦尔发现了控制细胞周期的基因，其中一种被称为“START”的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。 蒂莫西·亨特的贡献是发现了调节CDK的功能物质CYCLIN。 保罗·纳西的贡献是发现了CDK。

MPF（maturation promoting factor）的发现 细胞核 检测到纺锤体 注射间期细胞的细胞质 B A 证明MPF活性实验 →M期细胞中有促使细胞分裂的因子存在

The prematurely condensed chromosome (PCC) The fusion of M-phase HeLa cell with Ptk cell (G1、S、G2) inducing PCC. Exp. Demonstration that cells contain factors that stimulate entry into mitosis；

MPF（maturation promoting factor）的发现 B →MPF由A亚基、B亚基复合物组成 →MPF由B亚基磷酸化其他蛋白启动细胞周期进程

M期中MPF(cyclinA/B-Cdk1复合物)的作用 M期细胞在形态结构上所发生的变化以及中期向后期、M期向下一个G1期的转换均与MPF相关。 ① MPF对M期早期细胞形态结构变化的作用 染色质凝集： ⅰ.磷酸化组蛋白H1上与有丝分裂有关的特殊位点诱导染色质凝集。 ⅱ.直接作用于染色质凝集蛋白，介导染色体形成超螺旋化结构，进而发生凝集。 核膜裂解：核纤层蛋白丝氨酸残基磷酸化，引起核纤层解体，核膜破裂成小泡。 纺锤体形成：对多种微管结合蛋白进行磷酸化，使微管发生重排，促进纺锤体形成。

MPF（maturation promoting factor）的发现 细胞周期蛋白 细胞周期蛋白依赖激酶 MPF A B 分裂期 分裂期 分裂期 A亚基 浓度 MPF活性 G1 S G2 M 间期 间期 高 MPF 活性 低 A亚基 浓度 高 低 在细胞周期中细胞周期蛋白和MPF的波动

MPF（maturation promoting factor）的发现 以上结果表明： 1、细胞周期的进程依赖于一种酶的激活，而这种酶可使其他蛋白磷酸化从而促进细胞周期进行； 2、酶的活性受一种亚基的控制，它的浓度在细胞周期的不同阶段是不同的。

一类必须与周期蛋白结合才具有蛋白激酶活性的酶蛋白，简称cdk激酶。 一类随细胞周期的变化呈周期性出现与消失的蛋白质。 第三节 细胞周期的运行机制 一类必须与周期蛋白结合才具有蛋白激酶活性的酶蛋白，简称cdk激酶。 一类随细胞周期的变化呈周期性出现与消失的蛋白质。 周期蛋白（cyclin） 细胞周期蛋白依赖激酶（Cyclin-dependent kinase, Cdk） 1、周期蛋白的浓度变化； 2、CdK激活蛋白(CAK)； 3、Cdk抑制蛋白(CKI)； 4、Cdk自身的磷酸化状态。 在细胞周期的进程中Cyc可不断合成与降解，Cdk对蛋白质磷酸化的作用也因此呈现周期性的变化。

细胞周期引擎：Cyc-Cdk蛋白质磷酸化调控系统 在周期的不同时相，不同的cdk激酶与不同的周期蛋白结合,引发细胞周期进程中特定事件的出现，并促成了G1/S、G2/M、中期/后期等关键过程不可逆的转换。 CycD-Cdk4/6 CycE-Cdk2 CycA-Cdk2 CycA/B-Cdk1 细胞周期引擎：Cyc-Cdk蛋白质磷酸化调控系统

1、G0期中Cyc-Cdk复合物的作用 CycC-Cdk3 进入G1，合成并积累CycD。

2、G1期中Cyc-Cdk复合物的作用 CycD-Cdk4/6；CycE-Cdk2 ① 进入G1： CycD合成，与Cdk4/6结合，活化某些转录因子，促进周期通过R点。 ② G1晚期： CycE合成，与Cdk2结合，活化其他一些转录因子，与DNA复制相关基因的大量表达，产生DNA合成所需的酶和蛋白质，为细胞进入S期做准备。

3、S期中Cyc-Cdk复合物的作用 CycA-Cdk2 ① 将CycD/CycE-Cdk复合物中的Cyc降解，使得已进入S期的细胞无法向G1期逆转。 ② 启动DNA复制，并阻止已复制的DNA再发生复制。

4、G2/M期Cyc-Cdk复合物的作用 MPF（maturation promoting factor，成熟促进因子）：又称M期促进因子，为CycA/B-Cdk1组成的复合物，在激活后进入细胞核，通过激酶活性来引发分裂期的一系列事件。 ①蛋白质磷酸化，引起分裂早期事件（染色质凝集；核膜裂解；纺锤体形成） ② 促进中期细胞向后期转换：姐妹染色单体分离 ③蛋白质去磷酸化，退出M期：（染色体去凝集；核膜组装；胞质分裂）

M期中cyclinA/B-Cdk1复合物的作用 M期细胞在形态结构上所发生的变化以及中期向后期、M期向下一个G1期的转换均与MPF相关。 ① MPF对M期早期细胞形态结构变化的作用 染色质凝集： ⅰ.磷酸化组蛋白H1上与有丝分裂有关的特殊位点诱导染色质凝集。 ⅱ.直接作用于染色质凝集蛋白，介导染色体形成超螺旋化结构，进而发生凝集。 核膜裂解：核纤层蛋白丝氨酸残基磷酸化，引起核纤层解体，核膜破裂成小泡。 纺锤体形成：对多种微管结合蛋白进行磷酸化，使微管发生重排，促进纺锤体形成。

× × ②MPF促进中期细胞向后期的转换 中期染色体两姐妹染色单体的分离是启动后期的关键。 粘着蛋白：主要由Scc1和Smc两类蛋白构成。 Securin蛋白：与分离酶结合，抑制分离酶活性，从而保证粘着蛋白连接活性。 MPF作用：引起securin蛋白降解，分离酶释放，分解Scc1，着丝粒分离，进入后期。 × ×

③MPF在细胞退出M期中的作用 cyclinA/B APC 降解 MPF解聚、失活 组蛋白去磷酸化 核纤层蛋白去磷酸化 组蛋白去磷酸化 核纤层蛋白去磷酸化 染色体去凝集 核膜组装 核形成 肌球蛋白去磷酸化 收缩环缢缩、分裂沟加深 胞质分裂

细胞周期引擎：Cyc-Cdk蛋白质磷酸化调控系统 在周期的不同时相，不同的cdk激酶与不同的周期蛋白结合,引发细胞周期进程中特定事件的出现，并促成了G1/S、G2/M、中期/后期等关键过程不可逆的转换。 CDK激酶在细胞内的含量相对恒定，而cyclin的含量却随细胞周期的变化而变化。 细胞周期引擎：Cyc-Cdk蛋白质磷酸化调控系统 细胞周期原动力：周期性基因表达

三、周期性蛋白降解：泛素化蛋白质降解系统 ③ 选择性的清除某些活性蛋白或抑制蛋白，为细胞周期的进程扫清道路，保证细胞周期的方向。 泛素连接酶 ① ② 细胞周期的清道夫：泛素化蛋白质降解系统 泛素（ubiquitin ）是一种76肽，是蛋白质的降解标签，结合了泛素的蛋白质将被降解。

四、细胞周期的检控点（检查点） 染色体分离合适吗？ DNA损伤修复？ DNA复制完毕？ 损伤的DNA修复了吗？营养条件合适吗？ 细胞生长足够大？前次有丝分裂完毕？

是细胞周期在长期进化过程中形成的一种保护机制。 检查点（Checkpoint）的概念： 是细胞周期在长期进化过程中形成的一种保护机制。 （1）细胞周期检查点指在细胞周期各时相的转换中存在的特定时间点，是检查和控制细胞周期进程的信号通路，对DNA复制、DNA损伤修复、纺锤体组装及染色体分离等主要细胞周期事件进行调节、监控。 （2）主要包括：R点、DNA损伤检查点、DNA复制检查点、纺锤体组装检查点。 （3）结果：① 控制下一事件启动（抑制CDK的活性）。 ② 应对机制：激活DNA修复、分化、凋亡。

1、R点（G1期）： 作用：对细胞体积、接触抑制、营养条件、生长因子（必要条件）、药物等进行检测，确定细胞是暂时停止生长、继续进入S期，或是发生凋亡。 2、DNA损伤检控点（G1/S期、G2 期） 作用：防止受损DNA细胞进入S期，保证DNA复制的正确性； 防止受损DNA细胞进入M期，保证子细胞遗传物质的正确性。 3、DNA复制检控点（S/G2期） 作用：复制完成后和进入M期之前，检测DNA复制是否完整以及是否被多次复制。 4、纺锤体组装检控点（分裂检控点；中期/后期） 作用：保证中期染色体在排列整齐（纺锤体组装完成）以前不会启动染色单体分离以及M期退出机制，以保证染色体分配的准确性。

Mdm2 细胞周期检控点

第四节 细胞周期与医学 一、细胞周期与胚胎发育 胚胎发育的卵裂期G1期很短 没有R点 检测不到CycD的活性 R点 CycD-Cdk4/6 第四节 细胞周期与医学 一、细胞周期与胚胎发育 CycD-Cdk4/6 CycE-Cdk2 R点 胚胎发育的卵裂期G1期很短 没有R点 检测不到CycD的活性

二、细胞周期与组织再生 连续分裂的细胞（增殖细胞） 暂不增殖细胞（ G0期细胞） 终末分化细胞 细胞周期的恢复是组织再生的基础。

生理性再生（physiological regeneration）：主要发生在骨髓、表皮等组织中，产生的细胞可弥补血液、消化道、皮肤等处的正常细胞失落。 补偿性再生（compensatory regeneration）：机体在创伤后组织修复时，激活G0期细胞重新增殖的现象。

随着年龄的增长，细胞周期的G1期明显延长，致使细胞分裂的次数明显变慢。 三、细胞周期与衰老 R点 随着年龄的增长，细胞周期的G1期明显延长，致使细胞分裂的次数明显变慢。

四、细胞周期与肿瘤 肿瘤（tumor）是生物体中组织细胞过度增殖后形成的赘生物。

细胞周期与肿瘤 细胞的无限增殖和细胞凋亡的减弱是肿瘤组织的基本动力学特征。 基因组不稳定、生长因子作用异常、检控点机制失效 肿瘤细胞跨过检控点 失控性增殖。

（ 一）癌基因与抑癌基因 癌基因（oncogene) ：能促使细胞无限增殖、癌变的DNA序列，分若干个基因家族（已发现近百种癌基因）。 抑癌基因（antioncogene)：存在于正常细胞中、能抑制细胞恶性增殖的基因。

（二）肿瘤细胞动力学 肿瘤生长取决于：生长分数、细胞周期时间、 细胞丢失率（凋亡率）。 肿瘤细胞中增殖型细胞占总细胞数量的比例， 称为肿瘤的生长分数。 大多数肿瘤细胞的周期时间比正常细胞的要长。因此，肿瘤的快速生长与周期时间关系不大。 说明肿瘤发生的主要原因并不是细胞增殖过快，而是细胞生长分数过高而细胞丢失率过低。 肿瘤发生的主要原因并不是细胞增殖过快，而是细胞生长分数过高而细胞丢失率过低。

（ 三）抗肿瘤研究 研究肿瘤细胞的周期特点为肿瘤治疗提供新思路 ①暂不增殖型细胞为主的肿瘤：先用生长因子使其进入细胞周期，然后用理疗、化疗。 ②增殖型细胞为主的肿瘤：S期、M期肿瘤以化疗为主，抑制DNA合成；G2期细胞以放疗为主。

第五节 细胞周期的研究方法 一、细胞周期模型 真核细胞有一个复杂的细胞周期调节蛋白网 第五节 细胞周期的研究方法 一、细胞周期模型 真核细胞有一个复杂的细胞周期调节蛋白网 络，控制细胞周期的进程，称为细胞周期调控系统（cell-cycle control system）。 细胞周期研究常用的模型有：酵母、爪蟾胚胎细胞、体外培养的哺乳动物细胞。

一、细胞周期模型 1、酵母（Yeast） 优点： 单细胞真菌，增殖速度快，基因组简单，便于遗传操作；与人的细胞周期调控系统非常相似。

2、爪蟾胚胎细胞（Embryonic cell of xenopus laevis） 一、细胞周期模型 2、爪蟾胚胎细胞（Embryonic cell of xenopus laevis） 优点： 分裂快，便于分析基本的细胞周期调控机制； 体积大，便于将实验物质注射到卵细胞，以研究注射物质对细胞周期进程的影响。

3、体外培养的哺乳动物细胞（mammalian cell in vitro culture） 一、细胞周期模型 3、体外培养的哺乳动物细胞（mammalian cell in vitro culture） 常用从正常组织或肿瘤组织中分离出来的细胞为材料。 优点： 分离细胞的试验条件易控制，便于研究。 便于对细胞周期调控系统所涉及的蛋白进行生化分析。 便于了解细胞增殖的调控、细胞癌变的机制。

二、细胞同步化 细胞同步化（synchronization of cell）: 使处于细胞周期不同阶段的培养细胞，共同进入细胞周期某一特定阶段，这一过程称为细胞的同步化。

二、细胞同步化 细胞同步化的方法：诱导同步化和选择同步化 诱导同步化：在培养液中加入或去除某些成分，或者改变培养温度，从而对细胞的生长进行阻滞或恢复，将不同步生长的细胞调整为同步生长，获得时相较为均一的细胞群体。 如：中期阻断法、代谢抑制法、低温培养法

二、细胞同步化 细胞同步化的方法：诱导同步化和选择同步化 选择同步化：根据细胞的体积、黏附性等的时相特征来对不同时相的细胞进行选择和分离，从而实现细胞的同步化。 如：有丝分裂摇落法、活细胞离心淘洗法

小 结 掌握： 1、细胞周期的概念 2、机体细胞的状态（三类细胞特点） 3、细胞周期的主要事件（G1、S、G2、M） 小 结 掌握： 1、细胞周期的概念 2、机体细胞的状态（三类细胞特点） 3、细胞周期的主要事件（G1、S、G2、M） 4、细胞周期检查点（概念；主要检查点作用） 熟悉： 细胞周期的运行机制（驱动力——引擎、原动力、清道夫） 了解： 1、细胞周期研究方法。 2、细胞周期与胚胎发育、组织再生、衰老的关系。