第十一章 细胞增殖及其调控

　　细胞增殖是细胞通过细胞周期，完成细胞分裂而使细胞数量不断增加的生命现象。

　　第一节 细胞周期与细胞分裂

　　一、细胞周期

　　（一）细胞周期概述

　　细胞周期指连续分裂的细胞从一次分裂中期到下一次分裂的中期所经历的过程。正常情况下，沿着

　　G1 S G2 M期运转。

　　细胞周期经历的时间称为细胞周期时间（ Tc）。

　　tG1变化最大，而 tG2+tS+tM则相对稳定。

　　从增殖的角度看，细胞可分为 3类：

　　①连续分裂细胞（周期中细胞）；

　　在细胞周期连续运转。

　　②静止期细胞（ G0期细胞）；

　　暂时脱离细胞周期，不进行增殖，但在适当刺激下可重新进入细胞周期的细胞。周期中细胞转化为 G0期细胞多发生在 G1期。

　　③终端分化细胞。

　　分化程度很高，一旦生成后，则终生不再分裂。

　　（二）细胞周期中各个不同时期及主要事件

　　1,G1期

　　G1期合成细胞生长所需要的各种蛋白质、糖类、

　　脂类等,但不合成 DNA。

　　细胞周期的运转是沿着 G1 S G2 M的顺序进行的，不同时期出现不同的关键性事件。

　　细胞周期的运转十分有序。这是基因有序表达的结果,与细胞分裂有关的基因，叫细胞分裂周期基因

　　（ cdc基因）。此种基因的有序表达，是受到一些控制点调控和监控的。如酵母细胞在 DNA开始的稍前有启始点，在哺乳类叫 R点（限制点，检验点）。

　　检验点不仅存在于 G1期，也存在于其他时期，如

　　S期检验点,G2期检验点、纺锤体检验点等。这些特异

　　的监控机制（检验点）可以监别细胞周期中的错误，

　　并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行。

　　2,S期

　　S期即 DNA合成期。新的组蛋白也是在 S期合成的。

　　真核细胞新合成的 DNA立即与组蛋白结合，共同组成核小体串珠结构。

　　3,G2期细胞核内 DNA的含量已经增加一倍。其它结构物质和相关的亚细胞结构也已进行了进入 M期的准备。

　　但细胞能否顺利地进入 M 期，要受到 G2期检验点的控制。

　　4,M 期

　　M期即细胞分裂期。

　　真核细胞的细胞分裂产要包括两种方式，即有丝分裂和减数分裂（成熟分裂）。

　　（三）细胞周期长短测定

　　1、脉冲标记 DNA复制的细胞分裂指数观察测定法

　　2、流式细胞分选仪测定法

　　（四）细胞周期同步法

　　细胞同步化是指自然的，或经人为选择或诱导产生的细胞周期同步化。前者称为自然同步化，后者称为人工同步化。

　　人工同步化可分为选择同步化和诱导同步化。

　　1、选择同步化

　　主要是有丝分裂选择法。经单层培养可获得一定数量的 M期细胞。

　　另一个方法是密度梯度离心法。

　　2、诱导同步化

　　① DNA合成阻断法：用 DNA合成抑制剂可逆地抑制

　　DNA合成而不影响其它各期细胞沿细胞周期运转，最终将细胞群体阻断在 S期。 TdR双阻断法最常用，细胞最终阻断于 G1/S交界处。

　　② 中期阻断法利用秋水仙素等抑制有丝分裂器的形成，将细胞阻断在有丝分裂中期。

　　二、有丝分裂

　　（一）有丝分裂过程有丝分裂是一个核改组的连续过程，人为地分为 6

　　个时期。

　　1、前期染色质浓集成早期染色体,在光镜下早期染色体的两条染色单体已经可以分辨。在每条染色体上，都有一段特殊的 DNA序列，称为着丝粒 DNA。其所在部位称为着丝粒（主缢痕）。

　　中心体与其周围的微管一起被称为星体（在动物细胞中） 。中心体在间期也进行了复制。细胞分裂开始，

　　两个星体即逐渐向细胞的两极运动。

　　2、前中期

　　① 核膜破裂，标志着前中期的开始。

　　② 纺锤体的装配。

　　3、中期

　　所有染色体排列到赤道板上，纺锤体呈典型的纺锤样。

　　4、后期

　　后期开始，几乎所有的姊妹染色单体同时分裂，

　　此时每条染色单体为子代染色体。

　　5、末期

　　染色体平均地分到两极，即进入末期。核膜开始重新装配。染色体去螺旋化，分散在间期核中，核仁重新出现。

　　6、胞质分裂

　　开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期。

　　①动物细胞,

　　胞质分裂 开始时，在赤道板周围细胞表面下陷形成环状缢缩，称为分裂沟。分裂沟逐渐加深，直至两个了代细胞完全分开。

　　肌动蛋白和肌球蛋白参与了分裂沟的形成和整个胞质分裂过程。在分裂沟的下方，除肌动蛋白之外，

　　还有微管、小膜泡等物质聚集，共同形成一个环状致密层，称为中间体。胞质分裂机制，和肌肉收缩机制相似。参（图 11-13）

　　②植物细胞：

　　植物细胞有细胞壁，其胞质分裂，新壁的形成与动物细胞不同。

　　（二）与有丝分裂直接相关的亚细胞结构

　　1、中心体

　　中心粒是一对互相垂直的圆筒状小体，筒壁为 9

　　组三联微管组成。

　　中心体由一对中心粒及其周围的无定型物质构成。

　　中心 体在 S期复制。 G2期开始分离,G2晚期到 M期，

　　子中心粒不断长大，逐渐分离到两极的两对中心粒具微管组织中心的作用，组织形成纺锤体及星体。

　　2、动粒与着丝粒

　　动粒（着丝点）是附着于着丝粒上的一种细胞器。

　　在 S期复制，电镜下为一个圆盘状结构，分内、中、

　　外三层。主要由蛋白质组成，并有少量的 RNA和 DNA，

　　是有丝分裂时纺锤体微管附着于染色体的部位。

　　着丝粒是指染色体主缢痕部位的染色质。由?卫星

　　DNA构成

　　3、纺锤体

　　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。组成纺锤体的微管可以分为两种类型，即动粒微管和极性微管。

　　（三）有丝分裂过程中染色体运动的动力机制

　　三、减数分裂

　　是一种特殊的有丝分裂方式。生殖细胞在成熟过程中发生减数分裂。其特点是,DNA复制一次，然后发生两次连续的有丝分裂，导致最终生成的细胞的染色体数减半。

　　（一）减数分裂前间期

　　最大特点在于 S期持续时间较长。

　　另一个重要特点是，在植物百合中发现，其减数分裂前间期的 S期仅复制其 DNA总量的 99.7%~99.9%，

　　而剩下的（ DNA小片段） 0.1~0.3%要等到减数分裂前期才进入复制。

　　另外还发现，在一种 L蛋白，在前间期与上述

　　DNA小片段结合，阻止其复制。

　　（二）减数分裂过程

　　1、减数分裂期 Ⅰ

　　（ 1）前期 Ⅰ

　　根据细胞形态的变化，又可将前期 Ⅰ 人为地划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期等 5个阶段。

　　①细线期（凝集期）

　　染色质开始凝集，但乃呈单条细线。

　　②偶线期（配对期）

　　主要发生同源染色体配对，此过程称为联会。联会的同源染色体间形成一种特殊结构叫联会复合体

　　（ SC）。联会的一对同源染色体共有 4条紧密结合在一起的染色单体，称为四分体。

　　另一个重要事件是合成在 S期未合成的 0.3%的 DNA。

　　③ 粗线期（重组期）

　　染色体明显变粗，同源染色体之间发生 DNA*片段交换，在 SC的梯状结构中出现重组节，通过重组节发生活跃的重组过程。

　　④双线期（合成期）

　　同源染色体分开，但有几点相连，同源染色体之间的接触点称为交叉。每一个四分体上至少有丝分裂个交叉。

　　⑤终变期（再凝集期）

　　染色体更加变粗。交叉明显，数量减少。交叉向染色体的端部移行，称为端化。核膜、核仁消失。纺锤体形成。

　　（ 2）中期 Ⅰ

　　同源染色体的每一对姊妹染色单体在着丝粒处并连在一起,1对动粒朝向同一极，同源染色体的两个染色体通过动粒微管分别连向不同的极。四分体逐渐向

　　赤道方向移动，最终排列在赤道面上。

　　（ 3）后期 Ⅰ

　　同源染色体的 两个染色体分离，分别移向一极。

　　每极的染色体数比亲代细胞减少了一半，为 1n。第 1

　　染色体为 1二分体，仍由 2条染色单体组成，因而每极的 DNA含量仍是 2C（ C代表 1个基因组或单倍的 DNA

　　量）。

　　（ 4）末期 Ⅰ,胞质分裂和减数分裂间期

　　细胞进一步的变化主要有两种类型：①染色体到达两极，并逐渐进行去凝集。核被期重新装配，形成两个子细胞核。此时的间期细胞不再进行 DNA复制，

　　称为减数分裂间期；②细胞进入末期后，不是完全回复到间期阶段，而是立即准备进行第二次减数分裂。

　　第一次分裂后，产生 2个细胞。有的生物细胞质不分裂。

　　2、减数分裂 Ⅱ

　　与有丝分裂过程基本相同，可分为前、中、后、

　　末期。通过第二次分裂，每个核的 DNA含量又减少一半，为 1C。

　　经过第二次减数分裂，共形成 4个单倍体细胞。

　　高等动物的雄配子与雌配子的发生有所不同，在雌性动物通过减数分裂形成 4个有功能的精*子,后者只形成一个有功能的卵子，其余 3个细胞变成极体。

　　减数分裂不仅是使有性生殖的生物种类染色体数目保持稳定的机制，而且是使生物变异的机制。减数分裂中，由于有同源染色体的配对，不同对同源染色体分裂时的自由组合，非姊妹染色单体间 DNA*片断交换、重组，而形成了庞大数量的不同基因组成的配子，

　　从而增加了变异性。

　　（三）减数分裂过程的特殊结构及变化

　　1、性染色体的分离

　　2、联会复合体的基因重组

　　联会复合体是同源染色体之间在减数分裂前期联会时所形成的一种临时性结构，由中央成分组和位于

　　两侧的侧成分共同构成。

　　主要成分是蛋白质，另外 DNA,RNA也是联会复合体的组成成分之一。

　　第二节 细胞周期的调控

　　一,MPF的发现及其作用

　　MPF，即卵细胞促成熟因子，或细胞促分裂因子，

　　或 M期促进因子。

　　将 M期细胞和不同时期的间期细胞溶合，诱导间期细胞产生形态各异的染色质凝集，称之为 染色体超前凝集（ PCC）。此种染色体则称为超前凝集染色体。

　　PCC形态反映该细胞在间期所处细胞周期位置,G1期

　　PCC为单线状,S期为粉末状,G2期为双线染色体。

　　这种现象提示在 M期细胞中可能存在一种诱导染色质凝集的因子。在 HeLa细胞中证实,G2期开始出现能引起

　　蛙卵母细胞生发泡破裂（ GVBD）的因子，同时引起染色质凝集，这种促成熟活性物质（ MPA）在 G2 M

　　过渡期达到峰值。这种诱导减数分裂成熟的物质称为有丝分裂因子（ MF），以后在其它细胞也提取出类似的 MF，后将这类物质统称为细胞周期调控因子

　　（ MPF）。

　　二,p34cdc2激酶的发现及其与 MPF的关系

　　cdc2基因是裂殖酵母细胞中最重要的基因之一。

　　也是第一个被分离出来的 cdc基因。在裂殖酵母细胞周期调控过程中,p34cdc2激酶起着关键性调节作用。

　　在芽殖酵母中，也有一个关键性的 cdc基因，称为

　　cdc28。是 第二个被分离出来的 cdc 基因 。 P34cdc28也是一种蛋白激酶，和 p34cdc2一样，在 G2 / M转换过程中起着中心调节作用 。

　　MPF含有两个亚单位，即 Cdc2蛋白和周期蛋白。

　　当两者结合后，表现出蛋白激酶活性。 Cdc2为其催化亚单位，周期蛋白为其调节亚单位。

　　正是由于不同的细胞周期蛋白和不同的基因产物的结合、分离、磷酸化与去磷酸化、激活催化亚单位的激酶活性，而成为驱动细胞周期运转的引擎。

　　三、周期蛋白

　　人们已经从生物体中分离出了数十种周期蛋白，

　　在哺乳包括周期蛋白 A,B,C,D,E,F,G,H等，

　　分别与不同的 CDK蛋白结合。这些周期蛋白在细胞周期内表达的时期有所不同，所执行的功能也多种多样。

　　G1期周期蛋白，如 C,D,E,Cln1,Cln2,Cln3

　　等；

　　M期周期蛋白，如周期蛋白 A,B等。

　　四,CDK激酶和 CDK激酶抑制物

　　周期蛋白依赖性蛋白激酶，简称 CDK激酶。是细胞周期调控中的重要因素。目前已经发现，在哺乳动物细胞内至少存在 8种 CDK激酶，即 CDK1（ Cdc2 ）

　　至 CDK8。

　　CDK激酶至少含有两个亚单位，即周期蛋白和

　　CDK蛋白。周期蛋白为其调节亚单位,CDK蛋白为其催化亚单位。（备注）

　　一种酶在细胞周期中起调节作用的时期不同。 CDK激酶活性也受其他因素的直接调节。

　　细胞内存在多种因子，对 CDK分子结构进行修饰，

　　参与 CDK激酶活性的调节。除周期蛋白和上述修饰性调控因子对 CDK激酶活性进行调控之外，细胞内还存在一些对 CDK激酶活性起负性调控的蛋白质，称为

　　CDK激酶抑制物（ CDKI）。

　　除 CDK激酶及其直接的活性调节因子外，还有不少其他因素参与细胞周期调控过程，如各种检验点等。

　　各种检验点也有专门的调控机制。所有这些因素组成一个综合的调控网络。

　　六、其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用

　　除上述各种因素参与细胞周期调控之外，还有其它因素参与细胞周期调控。

　　（一）癌基因与抑癌基因两者均是细胞生命活动所必须基因，其表达产物对细胞增殖和分化起着重要的调控作用。癌基因非正常表达可导致细胞转化，增殖过程异常，甚至癌变。

　　抑癌基因表达产物对细胞增殖起负性调节作用，

　　如 p53,Rb等。 p53是近年来研究得较多的人类抑癌蛋白之一。 p53基因突变，使细胞癌变的机会大大增加。

　　癌基因、抑癌基因和 cdc基因共同协作调节细胞周期的正常运转。

　　（二）外界因素对细胞周期的影响如离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化,PH变化等。

　　离子辐射对细胞最直接的影响之一是 DNA损伤。