第八章 细胞周期及调控
第八章细胞周期及调控
内容简介 (1)
第一节细胞周期 (1)
一、细胞周期时相 (2)
二、人体细胞的动态分类： (5)
第二节细胞分裂 (6)
一、有丝分裂 (6)
二、早期对酵母细胞周期的研究 (20)
三、 CDK 和 Cyclin 在细胞周期调控中起关键作用 (22)
四、 CDK 活性的调节 (26)
五、细胞周期运转的调控 (32)
内容简介
细胞增殖 (cell reproduction) 是一切有机体生长、繁衍的基本方式。一个成年人大约拥有１００万亿个细胞，这些细胞均起源于一个受精卵。受精卵经过不断的分裂、分化，最后形成完整成熟的个体。这是一个在细胞自我调控下的增殖过程。早在 100 多年前，人们就已经了解到细胞是通过分裂进行增殖的。然而，直到最近 20 年，随着细胞和分子生物学的兴起，科学家们才对细胞增殖调控的分子机制的研究取得了重要进展。
本章主要介绍细胞周期、细胞分裂及细胞周期运行过程中的调控。
第一节细胞周期
人们认识细胞增殖是从观察细胞分裂（cell division ）的形态开始的。在细胞增殖过程
中人们首先看到了细胞的分裂和“静止”两个时期，并称之为分裂期（mitosis ）和分裂间期(interphase) ，分裂期简称M 期。同时可以看到细胞在增殖过程中是呈周期性的。1953 年Howard 等提出了细胞周期（cell cycle ）的概念，认为细胞从上次细胞分裂结束到下一次分裂结束的过程称为一个细胞周期。细胞周期又称细胞生活周期（cell life cycle ）或细胞繁殖周期（cell reproductive cycle ），即由原来的亲代细胞（mother cell ）经过物质准备和积累，完成细胞分裂形成子代细胞（daughter cell ）的循环过程。
一、细胞周期时相
1 、细胞周期各时相
早就知道遗传物质 DNA 的复制应当是细胞最重要的活动之一，但在细胞周期的那一时段进行的复制呢？ Howard 等人（ 1953 ）用 32 P 标记的方法观察蚕豆根尖。实验表明，复制活动并非像以前认为的那样发生在有丝分裂期，也不是充满整个分裂间期，而是在间期的一定时段进行的。现在把这一时段称作 DNA 合成期（ DNA synthesis phase ）即 S 期。又了解到在 S 期的前后分别有时间间隔（ Gap ），在 M 期之后 S 期之前的间隔叫做 G 1 期（ Gap 1 phase ）；在 M 期之前在 S 期之后的叫做 G 2 期（ Gap 2 phase ）。显然，在复制和分裂这两个重大事件发生之前都要有一个准备时间， G 1 期是准备细胞分裂的时期，而 G 2 期是准备复制的时期。这样人们明显的看到细胞周期有四个时段，它们是 G 1 期、S 期、 G 2 期和 M 期（图 8-1 ）。
对所有真核生物而言，细胞周期的不同时相高度精确地协调着。细胞必须递次地经过细胞周期的不同时相，在完成上一个时相内的事件后，才有可能进入下一个时相 , 它们有秩序的运转使细胞增殖。这一过程中的任何缺陷将导致染色体发生变异，染色体或部分染色体可能丢失、重排或非平均地分配到子代细胞中，这种染色体变异常见于肿瘤细胞。
然而，不同种类细胞的细胞周期时间有很大的差异。比如小鼠食管细胞周期时间是 115 小时，而小鼠十二指肠细胞仅 15 小时。进一步研究表明，这种细胞周期时间上的差别主要取决于 G 1 期的长短。如上例，小鼠食管上皮细胞 G 1 期长达 103 小时而十二指肠细胞 G 1 期仅为 6 小时。而 M 期的时间各细胞之间相差不大，常常是在半小时左右。但一般来讲，在多数哺乳动物细胞中，细胞周期的时间为 10 ～ 30 个小时。
2 、细胞周期各时期的主要活动
复制和稳定的遗传应当是生命最本质的现象，作为生命载体的细胞主要行使的也是复制和遗传这两种功能。这两种功能是在细胞周期的 S 期和 M 期实施完成的。实际上 G 1 期主要是为 S 期做准备，而 G 2 期主要是为 M 期做准备。
图 8-1 细胞周期的四个连续时期（引自 Karp,2002 ）
（ 1 ）、 G 1 期
G 1 期，又称合成前期，是细胞分裂后子代细胞进入的第一个时期。该期开始合成细胞生长所必需的各种蛋白质、糖类和脂类等物质。
（ 2 ）、 S 期
S 期，即 DNA 合成期，是细胞生命活动的重要时期。 S 期的初期急剧合成 DNA 聚合酶和四种脱氧核苷酸，然后主要合成 DNA ，同时也合成组蛋白和 DNA 所需要的其它酶类。
在 DNA 复制时，一般常染色质 DNA 的复制早于异染色质 DNA 的复制；能转录的 DNA 复制早于不能转录的 DNA 复制； GC 含量高的 DNA 复制早于 AT 含量高的 DNA 复制。合
成后的 DNA 立即和组蛋白结合，形成核小体串珠结构。 S 期 DNA 的精确复制为 M 期的遗传物质的平均分配打下了基础。 DNA 的复制一旦发生错误，可导致畸形细胞的产生。
（ 3 ）、 G 2 期
G 2 期，即合成后期。该期细胞核内的 DNA 含量已经增加一倍，主要合成大量的 ATP 、RNA 、蛋白质等，为进入 M 期做准备。
（ 4 ） M 期
M 期，即细胞分裂期，和 S 期一样是细胞周期的重要时期。该期发生大量的变化，主要有 RNA 合成停止，蛋白质合成减少；细胞染色体凝集，高度螺旋化；出现纺锤体；染色体分离，平均分配到两个子细胞中。因为 M 期要保证细胞遗传物质平均分配到子细胞中去，避免遗传失衡使细胞畸变。根据其变化，又人为地划分为前期（ prophase ）、前中期（ prometaphase ）、中期（ metaphase ）、后期（ anaphase ）、末期（ telophase ）和胞质分裂（ cytokinisis ）（图 8-1 ）。
3 、细胞周期各时期 DNA 含量
在细胞周期中复制和分裂这两个事件导致了各时段 DNA 含量的差异。在细胞周期中复制和分裂虽然在时间上有间隔。但在事件发生上是有因果关系的两个连续的过程。除了个别细胞比如果蝇唾液腺等细胞外，细胞周期的 S 期发生后细胞就会走向 M 期。也就是说，在一般情况下， DNA 复制必然导致细胞分裂。而分裂后的细胞却不一定走向复制，它们可能走向分化、衰老或死亡。这样看来成熟个体的体细胞一般都停留在 G 1 期，我们常见的物种染色体或 DNA 含量的表示，是指该物种 G 1 期细胞染色体或 DNA 的含量。 G 1 期细胞是亲代分裂而来的子细胞，由于它含有来自父母本的两套基因组，所以我们用 2C 或 2n 表示它的 DNA 含量，用 2n 表示它的染色体含量。在 S 期， DNA 逐渐复制，所以细胞 DNA 的含量逐渐增加，从 2C 或 2n 增加到 4C 或 4n 。因此， S 期的 DNA 的含量是 2C -4C ，G 2 期 DNA 含量是 4C ， M 期 DNA 的含量是 4C -2C （图 8 -2 a ）。在减数分裂过程中，细胞只经历了一次 S 期却经历了两次 M 期，第一次 M 期 DNA 的含量是 4C -2C ，第二次 M 期 DNA 的含量是 2C -1C （图 8-2 b ）。所以最终产生停留在 G 1 期的子细胞的
DNA 含量只有 1C 或 1n 形成了只含单倍体基因组配子细胞。比如 , 某一真核细胞染色体数 2n = 14 ，这时的 DNA 含量是 2C 。实际反映的是细胞在 G 1 期的情况。
a 有丝分裂中 DNA 含量
b 减数分裂中 DNA 含量
图 8-2 细胞周期各时期 DNA 含量
二、人体细胞的动态分类：
根据细胞的增殖能力、分化程度、生存时间，可将人体的组织细胞分为 4 类：
1 、更新组织细胞：执行某种功能的特化细胞，经过一定时间后衰老死亡，由新细胞分化成熟补充。如上皮细胞、血细胞，构成更新组织的细胞。可分为３类：① 干细胞：能进行增殖又能进入分化过程，有时称周期中细胞（ cycling cell ）。② 过渡细胞：来自干细胞，是能伴随细胞分裂趋向成熟的中间细胞。③ 成熟细胞：不再分裂，经过一段时间后衰老和死亡。
2 、稳定组织细胞：是分化程度较高的组织细胞，功能专一，正常情况下没有明显的衰老现象，细胞分裂少见，但在某些细胞受到破坏丧失时，其余细胞也能进行分裂，以补充失去的细胞，如肝、肾细胞。有时称 G 0 期细胞，又称静止期细胞（ quiescent cell ）、体眠细胞。
3 、恒久组织细胞：属高度分化的细胞，个体一生中没有细胞更替，破坏或丧失后不能由这类细胞分裂来补充。有时称终端分化细胞，如神经细胞、骨骼细胞、肌纤维细胞和多型核白细胞。
4 、可耗尽组织细胞：如人类的卵巢实质细胞，在一生中逐渐消耗，而不能得到补充，最后消耗殆尽。
第二节细胞分裂
细胞分裂包括三种分裂方式：无丝分裂（ amitosis ），有丝分裂（ mitosis ），减数分裂（ meiosis ）。主要是后两种。有丝分裂是细胞的基本分裂方式，而减数分裂是生殖细胞形成过程中的特异分裂方式。
一、有丝分裂
有丝分裂，又称间接分裂（ indirect division ），由 W. Fleming (1882) 年首次发现于动物及 E. Strasburger （ 1880 ）年发现于植物。特点是有纺锤体染色体出现，子染色体被平均分配到子细胞，这种分裂方式普遍见于高等动植物。
有丝分裂是细胞周期的 M 期进行的分裂活动。 DNA 复制后的细胞是靠有丝分裂把遗传密码平均准确的传递给子代的。这是细胞生命延续的基本保证。在光学显微镜下就可以观察到的细胞分裂给人们以强烈的动感效果。这不但使人们看到了生命细胞的活力而且意识到调控细胞分裂应当是精密和复杂的。而我们目前的论述仍以细胞的形态结构为主。
很早就有人根据形态学的观察将细胞的有丝分裂过程划分前期、前中期、中期、后期、末期和胞质分裂六个时期。（图 8-3 ）
图 8-3 有丝分裂各时期（引自 Karp,2002 ）
1 、前期
前期是有丝分裂的第一个时期，其主要活动特征有：
（ 1 ）染色质浓缩，实际是线性染色质进一步的螺旋、折叠使之变短变粗，形成可见的早期染色体。此时一个着丝粒（ centromere ）上两条染色单体。
（ 2 ）在着丝粒处逐渐装配动粒（ kinetochore ）。着丝粒是染色体的永久部分，是染色体主缢痕部分的染色质，是由高度重复序列 DNA 构成的。
（ 3 ）以中心体为核心的微管向四周发射，中心体及其周围的微管一起被成为星体（ aster ）。两个星体向两极移动。（图 8-4 ）
（ 4 ）核仁逐渐消失。
图 8-4 前期两个中心体向两极移动形成纺锤体（引自 Karp,2002 ）
2 、前中期
核膜破裂是前中期开始的标志，其主要活动特征有：
（ 1 ）核膜破裂，转化为小囊泡。
（ 2 ）主要由微管构成的纺锤体（ spindle ）在两个星体之间装配形成。显然星体参与了纺锤体的装配。
（ 3 ）染色体继续变短变粗，并剧烈运动。
（ 4 ）纺锤体开始“捕获”染色体，与染色体侧面的动粒相互作用。此时，纺锤体中有两种微管：动粒微管（ kinetochore microtubule ）、极微管（ polar microtubule ）。另外再两端还有星体微管（ astral microtubule ）。（图 8-5 ）
3 、中期
从染色体排列到赤道面上到姐妹染色单体开始分向两极的一段时间，纵向观动物染色体呈辐射状排列（图 8-6 ）。染色体两边的牵引力就像拔河一样达到平衡。其主要活动特征有：
(1) 中期最显著的特征是染色体排列在赤道板 (equatorial plate) 上。染色体队列（ chromosome alignment ）的速度非常快。
(2) 组成纺锤体微管的数量不同种的细胞差别很大。少的仅有几十根甚至十几根，多的可达成千甚至上万根。结合到染色体动粒上的微管的数量也不同，多者可达几十根。
4 、后期
后期开始的标志是排列在赤道面上的每条染色体的姐妹染色单体分离，子代染色体向分
别向两极移动。
后期大致可分为前后两个阶段：后期 A 和后期 B 。后期 A ，指染色体向两极移动的过
图 8-5 动物细胞的纺锤体（引自 Karp,2002 ）
图 8-6 中期（右图显示与染色体联接的微管）
程。其主要活动特征有：动粒微管变短，染色体逐渐向两极移动。后期 B ，指两极间距离拉大的过程。此时，极微管长度增加，两极之间的距离逐渐拉长。
5 、末期
当子染色体到达两极后，标志末期开始。其主要活动特征有：
（ 1 ）染色体解螺旋转变成染色质。
（ 2 ）核膜前体小囊泡重新组装成核膜。
（ 3 ）出现新的核仁。
（ 4 ）动粒微管消失，极微管继续加长，星体微管开始加长。
6 、胞质分裂
胞质分裂开始于有丝分裂后期，完成于有丝分裂末期。前几个时期进行核分裂，胞质分裂是将细胞中的其它物质，如：各种细胞器、细胞骨架、可溶性蛋白等分配到两个子细胞中。
胞质分裂开始时，动物细胞是在赤道板周围细胞表面内陷，形成环形缢缩即分裂沟（ furrow ）。有实验显示，极微管与星体微管参与了分裂沟的形成。大量的肌动蛋白和肌球蛋白在分裂沟处装配成收缩环（ contractile ring ）。通过微丝滑动，收缩环收缩直到收缩环处细胞膜融合，细胞质一分为二（图 8-7 ）。
图 8-7 动物细胞的胞质分裂（引自 Karp ， 2002 ）
胞质分裂时，高等植物细胞是靠在细胞内形成新细胞壁而将细胞质一分为二的。在新细胞壁形成过程中，携带有细胞壁前体物质的高尔基体膜泡沿微管向赤道板方向移动，并融合成初级细胞板（ early cell plate ）。由细胞板向两侧扩大直到与原有细胞质膜融合，形成新细胞壁将细胞质分成两部分（图 8-8 ）。
二、减数分裂
真核生物的减数分裂行为的出现是生命发展和进化过程的一个奇迹。它不但使配子细胞的 DNA 量和染色体数减少一半，解决了有性生殖合子可能遗传物质过重的负累。而且还在
图 8-8 植物细胞的胞质分裂（引自 https://www.wendangku.net/doc/7514531944.html,/book/ ）
很大程度上丰富了物种的基因组，为生物物种产生广泛的变异奠定了基础。
减数分裂最主要的特征是：细胞中 DNA 分子只复制一次，而细胞连续分裂两次。两次分裂分别称为减数分裂期 I 和减数分裂期 II 。在两次分裂还有一个短暂的分裂间期。因此，把减数分裂前的间期称为分裂前间期（ premeiotic interphase ）。由于细胞核连续分裂分裂两次，结果所产生的子细胞中染色体数目减少了一半（图 8-9 ）。
1 、减数分裂前间期
减数分裂前间期与有丝分裂间期有相似之处，都分为 G 1 、 S 、 G 2 三个时期。但也有其明显的特点：（ 1 ） S 期持续的时间比较长，如蝾螈体细胞有丝分裂 S 期大约 12
小时，而减数分裂前 S 期持续 10 天左右。（ 2 ）在有些物种中发现，减数分裂前间期的 S 期只复制 DNA 总量的 99.7%~99.9% 左右，剩余的要到细胞进入减数分裂前期后才复制。研究表明，延迟复制的 DNA 分布在整个基因组，形成 5000~10000 个小片段。据认为，这些片段所以延迟复制是和减数分裂前期的染色体配对及基因重组有关。
减数分裂前间期经过 S 期 DNA 复制后，要经过两次连续的细胞分裂。最后 , 一个 DNA 含量为 4C 的合子细胞变成了四个 DNA 含量为 1C 的配子细胞。这一过程要比有丝分裂复杂的多。
图8-9 减数分裂过程及DNA数目变化（引自Lodish ，2003 ）
2 、减数第一次分裂
减数分裂 I 和有丝分裂比无论在形态上还是在实际意义上都有很大的差异。这些差异主要表现在第一次减数分裂 I 的前期，即减数分裂前期 I 。第一次减数分裂过程又认为地划分为前期 I 、中期 I 、后期 I 、末期 I 。
（ 1 ）、前期 I （ prophase I ）
前期 I 变化最为复杂，持续时间较长，细胞核明显增大，同源染色体进行配对交换等。此外，还合成一定量的 RNA 和蛋白质。根据细胞形态变化，又人为地将前期 I 划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期五个阶段。必须注意的是这 5 个阶段本身是连续的，它们之间并没有截然的界限。
细线期（ leptotene stage ）：又称凝集期（ condensation stage ）。染色体呈细线状，染色质纤维逐渐折叠和螺旋化，但光镜下分辨不出两条染色单体。有些物种，比如玉米的染色体上可以看到大小不同的颗粒状结构。这种结构被称为染色粒（ chromomere ）。还有的物种染色体的端粒（ telomere ）通过接触斑与核膜相连，使染色体装配成花束状，因此有人将细线期称为花束期 (bouquet stage) 。
偶线期（ zygotene stage ）：又称配对期（ pairing stage ）。这个时期的主要活动有：① 染色质进一步凝聚，同源染色体 (homologous chromosome) 配对 (pairing) ，形成被叫做二价体 (bivalent) 的结构。两个复制后的同源染色体结合成二价体，这个二价体实际上是由四条染色单体构成的，因此又可称为四分体 (tetrad) 。同源染色体配对的过程叫联会 (synapsis) 。在同源染色体联会的部位形成一种特殊的结构，称为联会复合体(synaptonemal complex ， SC) 。② 由于减数分裂前间期的 S 期只复制 DNA 总量的99.7% 左右，剩余的 0.3% 的 DNA 还需要合成，这剩余的未合成的 DNA 的绝大部分是在偶线期合成的。因此有人称这差不多 0.3% 的 DNA 为偶线期 DNA （ zygDNA ）。如果用 DNA 合成抑制剂抑制 zygDNA 的合成，联会复合体的形成也将受到抑制。
粗线期 (diplotene stage) ：又称重组期（ recombination stage ）。该期开始于同源染色体配对完成之后，染色体继续变短变粗。另外还有以下主要的活动：① 同源染色体紧密结合，联会复合体中间出现重组结（ recombination nodule ）（图 8-10 ），等位基因之间交换重组，从而产生新的等位基因组合。② 要合成一小部分尚未合成的 DNA ，这些 DNA 被称为 P-DNA 。它们主要编码一些和 DNA 修复有关的酶类。③ 粗线期将合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白替换下来。
图 8-10 联会复合体（示重组结）（引自 Karp ， 2002 ）
双线期（ diplorene stage ），主要活动特征有：① 联会的同源染色体开始相互分离，染色体去凝集，形成多个核仁并进行 RNA 活跃地合成，有些动物，特别是鱼类、两栖类等，还形成一种形似灯刷的巨大染色体叫灯刷染色体 (lampbrush chromosome) 。② 二价体中同源染色体开始分开，但在某些部位相互间仍有接触点，称为交叉 (crossover) （图8-11 ）。③ 此期持续时间很长，短则几周、几月，长可达几十年。如：人卵母细胞的双线期最长可达 50 年。
终变期 (diakinesis stage) ，又称再凝集期（ recondensation stage ）。其主要活动特征有：① 、染色质再次凝集成棒状染色体，灯刷染色体也不例外，其侧环回缩， RNA 转录停止。② 、核仁消失，四分体较均匀地分布在细胞核中。③ 、交叉向染色体臂的端部移动，这个过程称为端化（ terminalization ）。④ 、像有丝分裂一样，已复制的中心体移向两极。⑤ 、核膜破裂标志前期 I 的完成。
A 、
B 光学显微镜照片及模式图
C 扫描电子显微镜照片
图 8-11 双线期的染色体交叉（引自 Karp ， 2002 ）
（ 2 ）、中期 I （ metaphase I ）
前期 I 结束，第一次减数分裂进入中期 I 。在这个过程中主要活动特征有：① 、纺锤体进行组装，纺锤体微管侵入细胞核区，捕获分散在核中的四分体。② 、每个四分体有四个动粒，一条染色体上的两个动粒位于一侧，即从纺锤体一极发出的微管只能与一条染色体的两个动粒相互作用。③ 、在染色体动粒的作用下，四分体最终排列在赤道面
（ equatorial plane ）上。这些过程虽然和有丝分裂过程相似，但意义却相差很大。
（ 3 ）、后期 I （ anaphase I ）
该期主要活动特征有：① 、同源染色体分离，在纺锤体的作用下逐渐移向两极。② 、到达每一极的染色体数量是细胞中染色体总数的一半。③ 、不同四分体间的非同源染色体在移向两极时是随机组合的。
移向两极的染色体是联会时的同源染色体之一，它们是均由两条染色单体构成的。从染色体数和 DNA 含量来看和有丝分裂后期的细胞比较应当是一样的。但拉向两极的染色体组成却有很大差别，有丝分裂分向两极的染色体组成完全一致，而减数分裂后期 I 拉向两极的染色体组成呈现了广泛的多样性，如人类细胞有 23 对染色体，那么在减数分裂后期 I 过程中所产生的染色体组成的形式可达 2 23 。另外，交叉互换基因重组，都为生物的变异提供了广泛的遗传基础。
（ 4 ）、末期 I （ telophase I ）和减数分裂间期（ intkinesis ）
在末期 I ，细胞的变化主要有两种类型：一是完全逆转到间期核的状态。即：染色体去凝集，形成核膜、核仁，胞质分裂进入短暂的分裂间期。二是没有回复到间期的过程，立即进行减数第二次分裂。含量为 4C 的合子细胞变成了四个 DNA 含量为 1C 的配子细胞。这一过程要比有丝分裂复杂的多。
3 、减数第二次分裂
减数第二次分裂和有丝分裂在形式上没有什么不同，但意义上却不一样。减数第二次分裂的本质是把细胞 2n 的染色体或 2C 的 DNA 转变成生殖细胞 1n 的染色体或 1C 的
DNA ，真正实施了遗传物质减半。形成了只含一个染色体组或基因组的配子。
雄性配子与雌性配子的产生有几点区别：（ 1 ）胞质分裂时，雄性生物的细胞质是均等分裂的，而雌性生物的细胞质是不均等分裂的，能产生极体。（ 2 ）经过一次减数分裂，雄性能产生 4 个雄配子，而雌性只能产生 1 个有功能的配子。第三节细胞周期的调控
细胞周期的最主要的功能是将其基因组 DNA 在 S 期完整地复制成两份拷贝，而后在 M 期将这两份拷贝正确无误地分配给两个子代细胞。如果在这一过程中产生错误，又得不到及时纠正，那么将导致基因组的不稳定和变异。对多细胞生物来说不但会导致细胞增殖能力下降还会引起细胞转化甚至死亡。
人们比较早的认识了细胞周期各时段的细胞形态和所发生的事件。但是什么机制调控细胞周期有条不紊地运行，科学家们在近些年来才取得一些突破性的成果。特别是美国科学家利兰·哈特韦尔 (Leland H. Hartwell), 英国科学家蒂莫西·亨特 (R. Timothy Hunt) 和保罗·纳斯 (Paul M. Nurse) ，由于他们在有关调控细胞循环周期的研究中做出重要发现而共同荣获 2001 年度诺贝尔生理学或医学奖。
4、发现M 期促进因子
Rao 和 Johnson(1970 、 1972 、 1974) 等用 HeLa 细胞通过细胞融合试验发现，与 M 期细胞相融合的间期细胞，无论是 G 1 期、 G 2 期还是 S 期细胞，只要和 M 期细胞融合都会产生形态不同的染色体凝集现象。并称之为染色超前凝集（ premature chromosome condensation, PCC ）（图 8-12 ）。这些间期细胞的染色体被称为超前凝集染色体。不同时期的间期细胞与 M 期细胞融合，产生的 PCC 的形态各不相同。 G 1 期 PCC 为单线状，因 DNA 未复制； S 期 PCC 为粉末状，因 DNA 由多个部位开始复制； G 2 期 PCC 为双线染色体，说明 DNA 复制已完成。这证明 M 期细胞可诱导其它时期的细胞产生 PCC ，推测在 M 期细胞中可能存在一种促使染色体凝集的因子。
1971 年， Masui 等用非洲爪蟾做了这样的实验，用孕酮诱导卵母细胞成熟并开始减数分裂，将诱导成熟的卵母细胞的细胞质少量注射到一些新的卵母细胞中，可以诱导新卵母细胞成熟。新的卵母细胞的细胞质可以进一步诱导更新卵母细胞成熟。 Masui 等明确提出了诱导细胞成熟的因子是成熟促进因子 (maturation promoting factor ， MPF) 这一概念。
进一步的研究发现，如果有蛋白质合成抑制剂的存在孕酮就不能诱导卵母细胞成熟。这说明孕酮的作用是促进了某种蛋白质因子的合成。如果直接用成熟卵母细胞细胞质做诱导，
既使有蛋白质合成抑制剂的存在也可诱导卵母细胞成熟。这说明在成熟卵母细胞细胞质中已经有了某种蛋白质因子的存在。研究者提出，成熟卵母细胞细胞质中的因子应当是细胞促分裂因子（ mitosis-promoting factor ）或 M 期促进因子（ M phase-promoting factor ）即 MPF 。
M 期细胞与 G 1 期细胞融合
图 8-12 早期染色体凝集实验（引自 Lodish ， 2003 ）
不过只是处于非活性状态，被称为前体 MPF （ preMPF ），通过修饰后可以转化为活性态的 MPF 。后来通过实验发现，所有实验过的动物细胞中都存在 MPF ，说明这种因子是普遍存在的。
1988 年科学家们进行了 MPF 的纯化工作有了结果，分离获得了 p32 和 p45 两种蛋白。 P32 和 p45 结合后表现出蛋白激酶的活性。
二、早期对酵母细胞周期的研究
哈特韦尔（ Hartwell ）早在 60 年代就认识到了用遗传学方法研究细胞周期的可能性。他选择面包师用的酵母即芽殖酵母（ S. cerevisiae ）细胞作为研究材料。事实上酵母非常适合于细胞周期的研究。 Hartwell 等运用多种温度敏感突变株，设计了一系列精巧的实验，从中分离出一系列酵母细胞突变株。这些细胞株由于细胞周期调控基因发生改变，它们
细胞周期调控的研究进展(精)
细胞周期调控的研究进展 高燕,林莉萍,丁健 * (中国科学院上海生命科学研究院药物研究所,国家新药研究重点实验室, 中国科学院研究生院,上海 201203 摘要 :细胞周期是一种非常复杂和精细的调节过程,有大量调节蛋白参与其中。此过程的核心是细 胞周期依赖性蛋白激酶 (CDKs。 CDKs 的激活又依赖于另一类呈细胞周期特异性或时相性表达的细胞周期蛋白 (cyclins,而 CDKs 调节的关键步骤是细胞周期检查点。 PLKs 是多种细胞周期检查点的主要调节因子, Aurora 蛋白激酶主要在细胞有丝分裂期起作用。本文就上述因素在细胞周期进程中的作用作一综述。 关键词 :细胞周期;调控;细胞周期检查点中图分类号:Q253文献标识码:A A review: cell cycle regulation GAO Yan, LIN Li-Ping, DING Jian* (State Key Laboratory of Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Shanghai Institues for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China
Abstract: The cell cycle is a complex and elaborate process involving numerous regulatory proteins as directors.Central to this process are the cyclin-dependent kinases (CDKs, which are activated in a cyclin-dependentmanner at special points of the cell cycle. Cyclin protein levels rise and fall during the cell cycle and in the waythey periodically activate CDKs. Furthermore, the cell cycle checkpoint is also discussed as a key process inthe regulation of CDKs. PLKs are important mediators for various cell cycle checkpoints, while Aurora kinaseshave emerged as essential regulators of cell division. Here, we reviewed the effects of above factors on cellcycle regulation. Key words: cell cycle; regulation; cell cycle checkpoint 收稿日期 :2005-01-22; 修回日期 :2005-03-09 作者简介 :高燕 (1974— ,女,博士研究生;林莉萍 (1962— ,女,博士,副研究员;丁健 (1953— ,男, 研究员,博士生导师, *通讯作者。 文章编号 :1004-0374(200504-0318-05 1概述 细胞周期是指一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂的结束 , 细胞由一个分裂为两个子细胞。细胞的分裂由两个连续的过程组成, 即 DNA 复制及染色体的分离。一个细胞周期包括准备阶段的间期和有丝分裂期 (图 1 。间期包括 G 1、 S 和 G 2期。 G 1期时,细胞为遗传物质 DNA 的合成作准备,而 DNA 的合成是在 S 期完成。 G 2期主要完成蛋白质的合成,为细胞进入有丝分裂期作准备。有丝分裂期 (M期又分为前期、中期、后期和末期,以完成染色体的凝集,中心粒移至细胞核对立的两极,核仁解体,核膜消失 (前期 ; 纺锤体形成和染色体排列于其间 (中期 ; 姐妹染色单体分开并移向两极 (后期 ; 子核形成和胞质分裂 (末期。另外, G 1期的 319
细胞周期调控
2001年诺贝尔生理学和医学奖
细胞周期调控 一、背景介绍 2001年诺贝尔生理学医学奖授予美国西雅图弗瑞德·哈钦森癌症研究中心的Leland H Hartwell、英国伦敦皇家癌症研究基金会的Sir Paul M. Nurse和R. Timothy Hunt，以表彰获奖者们在细胞周期调控方面的卓越发现和贡献。 Leland (1939年生)在上世纪60年代末便认识到用遗传学方法研究细胞周期的可能性。他采用啤酒酵母细胞建立系统模型，经过一系列试验，分离出细胞周期基因发生突变的酵母细胞。Hartwell和其他科学家相继发现了100多种与细胞周期调控相关的CDC基因族。其中，Hartwell发现的CDC28调控细胞周期G1期进程的第一步，故又称为“start”基因。另外，Hartwell在研究酵母细胞对辐射的敏感性基础上，提出了著名的“checkpoint”概念，即当DNA受损时，细胞周期会停止。这一现象的生理意义在于，在细胞进入下一个细胞周期之前能有足够的时间进行DNA修复。后来，Hartwell将“checkpoint”的概念扩展到调控并保障细胞周期各期之间的正确顺序。 Sir Paul (1949年生)继Hartwell之后在70年代中期采用非渊粟酒裂殖酵母细胞为模型，发现了cdc2基因在细胞分裂(从G2期到有丝分裂期)调控方面起重要作用。后来，他发现cdc2与Hartwell在啤酒酵母中发现的“start”基因相同，还可调控从G1期到S期的转变。因此，cdc2基因可调控细胞周期的不同阶段。 1987年，Nurse分离出人类的相应基因——CDK1。Nurse发现CDK的活性依赖可逆性的磷酸化反应。基于这些理论，又有一些人类的CDK分子相继被发现。R. Timothy Hunt(1943年生)在80年代早期发现了第一个周期蛋白分子。周期蛋白是一种在细胞周期中周期性产生和降解的蛋白质。周期蛋白与CDK分子结合，调节CDK的活性。Hunt首先发现，在海胆细胞中周期蛋白在细胞周期中会发生周期性的降解，这是调控细胞周期的重要机制。Hunt在其他物种中也发现了周期蛋白，这些周期蛋白在进化过程中高度保守。 3位诺贝尔奖获得者创建了细胞周期调控的分子机制。CDK分子的含量在细胞周期中是恒定的，但是它的活性却因周期蛋白的调控作用而不同。周期蛋白和CDK分子共同驱动细
细胞分裂和细胞周期习题
第九章细胞分裂和细胞周期习题 一、选择题 A-九-1. 有丝分裂前期的最主要特征是（）。 A. 核仁. 核膜. 核仁组织者都要消失 B. 染色质凝缩成染色体 C. 核糖体解体 D. 中心体消失 A-九-2. 细胞周期包括（）两个主要时期。 A. G1期和G2期 B. 间期和M期 C. 间期和S期 D. M期和G1期 B-九-3. 虽然不同的细胞有不同的细胞周期，但一般来说，都是（）。 A. G1期长，S期短 B. S期长，G2期短 C. S期长，M期短 D. M期长，G1期短 A-九-4. 在细胞周期中，核仁、核膜要消失，这一消失出现在（）。 A. G1期 B. S期 C. G2期 D. M期 A-九-5. 在有丝分裂过程中，姐妹染色单体着丝粒的分开发生于（）。 A. 前期 B. 中期 C. 后期 D. 末期 C-九-6. 同步生长于M期的HeLa细胞与另一同步生长的细胞融合，除看到中期染色体外还见到凝缩成粉末状的染色体，推测这种同步生长的细胞是处于（）。 A. G1期 B. S期 C. G2期 D. M期 C-九-7. P53基因抑制受损伤细胞进入G2期的机制是（）。 A. 通过P21基因作用于周期蛋白 B. 通过抑制P21基因的启动
C. P53蛋白直接作用于周期蛋白 D. P53与P21共同作用于周期蛋白A-九-8. 成熟促进因子是在（）合成的。 A. G1期 B. S期 C. G2期 D. M期 B-九-9. 在有丝分裂的哪个时期染色体最分散（）。 A. 前期 B. 前中期 C. 中期 D. 后期 B-九-10. 下列减数分裂过程中，要发生染色体减数，此过程发生在（）。 A. 前期Ⅰ B. 中期Ⅰ C. 后期I D. 后期Ⅱ B-九-11. 染色体出现成倍状态发生于细胞周期中的（）。 A. G2期和早M期 B. G1期和S期 C. 晚M期和G1期 D. G0期和G1期 B-九-12. 在减数分裂的粗线期，（）。 A. 常发生姐妹染色体单体的交换从而导致重组配子的产生 B. 常发生姐妹染色体单体的交叉从而导致重组配子的产生 C. RNA聚合酶明显增多 D. 组蛋白成倍增加 B-九-13. 在有丝分裂中，（）。 A. 细胞周期长短主要由S期长短决定 B. 这个时期对不利条件敏感导致G1期阻滞 C. S期的长短与染色体的倍数有关
细胞周期调控的研究进展a
生命科学 Chinese Bulletin of Life Sciences 第17卷 第4期2005年8月 Vol. 17, No. 4Aug., 2005 细胞周期调控的研究进展 高 燕，林莉萍，丁 健* （中国科学院上海生命科学研究院药物研究所，国家新药研究重点实验室， 中国科学院研究生院，上海201203） 摘 要：细胞周期是一种非常复杂和精细的调节过程，有大量调节蛋白参与其中。此过程的核心是细胞周期依赖性蛋白激酶(CDKs)。CDKs 的激活又依赖于另一类呈细胞周期特异性或时相性表达的细胞周 期蛋白(cyclins)，而CDKs 调节的关键步骤是细胞周期检查点。PLKs 是多种细胞周期检查点的主要调节因子，Aurora 蛋白激酶主要在细胞有丝分裂期起作用。本文就上述因素在细胞周期进程中的作用作一综述。 关键词：细胞周期；调控；细胞周期检查点中图分类号：Q 253 文献标识码：A A review: cell cycle regulation GAO Yan, LIN Li-Ping, DING Jian* (State Key Laboratory of Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Shanghai Institues for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Graduate School of the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201203, China) Abstract: The cell cycle is a complex and elaborate process involving numerous regulatory proteins as directors.Central to this process are the cyclin-dependent kinases (CDKs), which are activated in a cyclin-dependent manner at special points of the cell cycle. Cyclin protein levels rise and fall during the cell cycle and in the way they periodically activate CDKs. Furthermore, the cell cycle checkpoint is also discussed as a key process in the regulation of CDKs. PLKs are important mediators for various cell cycle checkpoints, while Aurora kinases have emerged as essential regulators of cell division. Here, we reviewed the effects of above factors on cell cycle regulation. Key words: cell cycle; regulation; cell cycle checkpoint 收稿日期：2005-01-22；修回日期：2005-03-09 作者简介：高 燕(1974—)，女，博士研究生；林莉萍(1962—)，女，博士，副研究员；丁 健(1953—)，男，研究员，博士生导师，*通讯作者。 文章编号 ：1004-0374(2005)04-0318-05 1 概述 细胞周期是指一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂的结束, 细胞由一个分裂为两个子细胞。细胞的分裂由两个连续的过程组成，即DNA 复制及染色体的分离。一个细胞周期包括准备阶段的间期和有丝分裂期(图1)。间期包括G 1、S 和G 2期。G 1期时，细胞为遗传物质DNA 的合成作准备，而DNA 的合成是在S 期完成。G 2期主要完成蛋白质的合成，为细胞进入有丝分裂期作准备。有丝分裂期(M 期)又分为前期、中期、后期和末期，以完成染色体的凝集，中心粒移至细胞核对立的两极，核仁解体，核膜消失(前期)；纺锤体形成和染色体排列于其间(中期)；姐妹染色单体分开并移向两极(后期)；子核形成和胞质分裂(末期)。另外，G 1期的
细胞周期分析原理和分析结果解释
细胞周期分析原理和分析结果解释 1、细胞周期指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，所需的时间叫细胞周期时间。 可分为四个阶段（见图）： ① G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间； ② S期(synthesis phase)，指DNA复制的时期； ③ G2期(gap2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间； ④ M期又称D期(mitosis or division)，细胞分裂开始到结束。 2、从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类： ①连续分裂细胞，在细胞周期中连续运转因而又称为周期细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。 ②休眠细胞暂不分裂，但在适当的刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。 ③不分裂细胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等等。 细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关，如：小鼠十二指肠上皮细胞的周期为10小时，人类胃上皮细胞24小时，骨髓细胞18小时，培养的人了成纤维细胞18小时，CHO 细胞14小时，HeLa细胞21小时。不同类型细胞的G1长短不同，是造成细胞周期差异的主要原因。 3、流式细胞结果图各参数的意义： 前面讲过，常用的流式细胞术分析细胞周期的方法是依据细胞DNA含量（横坐标）来分析的：
G1期：细胞DNA复制还没有开始，也是DNA含量最少的，即流式检测结果图的第一个峰； S 期：细胞开始复制，到完成复制，是一个一倍DNA到二倍DNA的过程，在流式结果图中显示期跨度特别大（第二个不高但很宽的峰）； G2期：DNA复制完成至分裂的一段时间，此时细胞内含二倍DNA，在流式结果图中的第二个峰； M期：细胞分裂过程，此时细胞内也是二倍DNA，用DNA含量的方法是无法与G2期分开，所以有第三峰明显升高时报告：G2/M期阻滞。 上图是DOS系统下分析细胞周期的一个示意图。不同的机器分析结果参数表示略有不同，但主要看G1、G2、S三个期的数值即可。 1、纵坐标Cell Number：即计数到的有效细胞数； 2、横坐标DNA Content：即DNA量，为什么用DNA量来区别各周期我们等下再讲； 3、G1、G2、S三期在上图已经用箭头标示； 4、右侧数字含义：Mean G1=195.4即G1期DNA含量平均值为195.4；%G1=73.6即G1期细胞数占总数的73.6%；以此类推……
浅谈细胞周期调控
浅谈细胞周期调控 朱春森 摘要：近年来有关细胞周期调控机制研究进展较快，细胞周期调控可分为G1期调控和非G1期调控。在G1期调控中，细胞周期蛋白依赖性激酶复合体CDK激活后,通过Rb蛋白和转录因子启动基因转录。P16、p21、p15等蛋白通过抑制CDK的活性而发挥作用。P53蛋白和ｍｄｍ2蛋白协同调节细胞周期活动。细胞周期的停滞或细胞凋亡对维护基因组稳定有重要意义。 关键词：细胞周期调控 Cyclin CDK CDI 调控机制 细胞周期调控是指各种调控因子通过自身的激活和灭活,使细胞启动和完成细胞周期重要事件,并保障这些事件按次序正常进行。细胞周期调控对维护基因组的稳定有着重要的意义。 1. 细胞周期调控的分子基础 细胞周期调控的分子基础包括细胞周期蛋白(Cyclin)、细胞周期蛋白依赖蛋白激酶(CDK)和细胞周期蛋白依赖蛋白激酶抑制物(CDI)。它们分别包括CyclinA、CDK17和ｐ21、ｐ27、ｐ18等,ｐ53和视网膜母细胞瘤蛋白(pRb)也参与细胞周期调控。 1.1 Cyclin 周期蛋白不仅仅起激活CDK的作用，还决定了CDK何时、何处、将何种底物磷酸化，从而推动细胞周期的前进。目前从芽殖酵母、裂殖酵母和各类动物中分离出的周期蛋白有30余种，在 脊椎动物中为A 1-2、B 1-3 、C、 D 1-3 、E 1-2 、F、G、H等。分为G 1 型、G 1 /S型S型和M型4类（见表 1）。各类周期蛋白均含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。 表1不同类型的周期蛋白 *包括D1-3，各亚型cyclin D，在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效 1.2 CDK CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，称为细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)，因此CDC2又被称为CDK1，激活的CDK1可将靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应。这些效应的最终结果是细胞周期的不断运行。因此，CDK激酶和其调节因子又被称作细胞周期引擎。目前发现的CDK 在动物中有7种。各种CDK分子均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，与周期蛋白的结合有关。 1.3 CDKI CDKI家族即细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂家族，目前发现的CDKIS按其结构和功能不同分为两类:一类为INK4(Inhibito:of CDK4)家族，包括pl6、pls、p18、p19四名成员，其蛋白结
细胞周期调控与肿瘤发生
细胞周期调控与肿瘤发生 细胞周期(cell cycle)是细胞生命活动的基本过程,指从细胞分裂结束开始,到下一次细胞分裂结束为止的过程,DNA合成和细胞分裂是细胞周期的两个主要事件。在进化过程中,细胞发展并建立了一系列的调控机制,以确保细胞周期严格有序地交替和各时期依次有序变更。细胞的调控机制主要以蛋白质的相互作用为基础，以信号传递引起一系列级联反应为主要过程，以对整个过程的监督和控制为主要表现形式。 人们对细胞周期的调控是从MPF的发现开始的。最初，人们对MPF有以下两种解释： 1、细胞分裂期（M期）细胞中的一种能够使染色体凝集的因子，称为细胞促分裂因子（mitosis-promoting factor,MPF）或M期促进因子(M-phase-promoting factor,MPF) 。 2、成熟的卵细胞中的一种可以诱导卵母细胞成熟的物质，称为卵细胞促成熟因子（matuation-promoting factor,MPF）。 但是，随着对MPF的深入研究，科学家又给出了新的解释：MPF是一种能够 /M转换的周期蛋白激酶，含有两个亚单位，一个是催化促进细胞有丝分裂或G 2 亚单位，一个是调节亚单位。催化亚单位的激酶活性要通过与调节亚单位的结合才能体现出来。MPF的调节亚单位就是细胞周期蛋白（cyclin）。 cyclin是一类随细胞周期变化周而复始出现和消失的蛋白质。目前，人们已相继克隆和分离数十种cyclin，这些不同的cyclin在细胞周期中表达的时期不同，执行的功能各异。但各种周期蛋白之间有共同的结构特点，即均含有一段约100个氨基酸残基的保守序列，称为周期蛋白框（cyclin box）。周期蛋白框介导cyclin与CDK（周期蛋白依赖性蛋白激酶）的结合，不同的周期蛋白框识别不同的CDK，组成不同的周期蛋白-CDK复合体，表现不同的CDK激酶活性。M 期cyclin白分子的近N端含有一段9个氨基酸组成的特殊序列，称为破坏框 期cyclin分（destruction box），参与泛素介导的周期蛋白A和B的降解。G 1 期cyclin的更新有关。 子的C端含有一段特殊的序列，可能与G 1 而周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinase，CDK），是蛋白质激酶家族中的一员，有三个重要的功能域，其中第二功能域结合cyclin，和cyclin协同作用，是细胞周期调控中的重要因子。CDK可以和cyclin结合形成异二聚体，其中CDK为催化亚基，cyclin为调节亚基，不同的cyclin-CDK复合物，通过CDK活性调节不同底物磷酸化，从而实现对细胞周期的调控。 在细胞周期中，CDK激酶的活性受到多种因素的综合调节。cyclin与CDK 的结合是CDK激酶活性的必要条件和先决条件，但并不是充分条件。如果仅仅是cyclin和CDK的结合，并不能激活CDK激酶的活性，因为激酶活性的体现还需要激酶本身的修饰（如磷酸化和去磷酸化）及一些细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CDK inhibition,CDKI，可以通过抑制CDK激酶的活性，对细胞周期起负调控作用）的去除等。 细胞周期是一个高度有序的运转过程。如前所述,它的正确运转是在适宜的环境中通过对cyclin-CDK复合物的活性进行精确调控来实现的。cyclin、CDK 的异常表达、CDK抑制因子的缺失等都将使细胞周期发生紊乱,细胞的增殖失控,最终发生癌变。 肿瘤是一类以细胞生长和增殖失控为主要特征的疾病,细胞在增殖、分化和
7_细胞分裂与细胞周期
细胞分裂与细胞周期Cell Division and Cell Cycle 染色体正确复制与分离 细胞增殖的调控
内容 ?有丝分裂过程 ?染色体的运动 ?细胞周期各个时相的特点 ?细胞周期调控 ?细胞周期调控系统的分子组成 ?细胞周期调控机制 ?新的细胞周期如何起始 ?原癌基因和抑癌基因 ?正常细胞增殖与死亡的失衡
一、细胞分裂 (一)细胞分裂的类型 1.无丝分裂、有丝分裂、减数分裂 2.无丝分裂同样是高等生物组织细胞的正常分裂 方式 分裂迅速、能量消耗少、分裂的细胞仍可以执行功 能。存在于人体创伤愈合、癌变及衰老组织中，也 存在于上皮组织、肌肉组织和肝脏中。
(二)有丝分裂的过程 1.有丝分裂(mitosis)保障了染色体完整、均等地分配到两个子细胞中 2.过程：包括细胞核分裂和细胞质分裂(1)前期prophase 特征：染色质凝集、分裂极确定、核仁缩小并解体
?主要事件： ?完成DNA复制的染色质开始凝集，染色单体 通过着丝粒结合。DNA的着丝粒序列形成着 丝粒。 ?中心体完成复制，开始向两极运动 ?中心体，由一对中心粒及其周围的无定形 物质构成，中心粒可能进行微管的组装， 无定形物质中包含大量的与中心体结构和 功能相关的蛋白，如微管蛋白、微管结合 蛋白、马达蛋白等。
?中心体是微管组织中心(MTOC)，与细胞 形态维持、细胞运动、有丝分裂密切相关。 ?星体(aster)由中心体及其发出的放射状 排列的微管构成。 ?马达蛋白推动星体沿微管分离，形成有丝 分裂的两极。 ?rRNA合成停止，蛋白翻译水平下降