第十三章 细胞周期 CELL CYCLE
细胞增殖是生命的基本特征，种族的繁衍、个体的发育、机体的修复等都离不开细胞增 殖。一个受精卵发育为初生婴儿，细胞数目增至1012个，长至成年有1014个，而成人体内每 秒钟仍有数百万新细胞产生，以补偿血细胞、小肠粘膜细胞和上皮细胞的衰老和死亡。细胞增 殖是通过细胞周期(cell cycle)来实现的，而细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视 和调控来保证的。细胞无限制增长对个体来说意味着癌症，个体无限制繁殖对地球来说意味着 灾难。一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。 第一节基本概念 一、什么是细胞周期 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（图13-1）：①G1期(g即1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的 间隙时间；②S期(synthesis phase),指DNA复制的时期，只有在这一时期H3TDR才能掺 入新合成的DNA中；③G2期(ga即2)，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。 M Daughter G2 cells Chromosome condensation Nuclear envelope breakdown Chromosome Chromosome segregation decondensation Reformation of Chromatids nuclear envelope Cytokinesis G ONA synthesis 图13-1细胞周期可划分为四个阶段 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
细胞增殖是生命的基本特征，种族的繁衍、个体的发育、机体的修复等都离不开细胞增 殖。一个受精卵发育为初生婴儿，细胞数目增至 1012个，长至成年有 1014个，而成人体内每 秒钟仍有数百万新细胞产生，以补偿血细胞、小肠粘膜细胞和上皮细胞的衰老和死亡。细胞增 殖是通过细胞周期（cell cycle）来实现的，而细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视 和调控来保证的。细胞无限制增长对个体来说意味着癌症，个体无限制繁殖对地球来说意味着 灾难。一个大肠杆菌若按 20 分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。 第一节 基本概念 一、什么是细胞周期 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（图 13-1）：①G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期 DNA 复制之前的 间隙时间；②S 期(synthesis phase)，指 DNA 复制的时期，只有在这一时期 H3 -TDR 才能掺 入新合成的 DNA 中；③G2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。 图 13-1 细胞周期可划分为四个阶段 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，HLa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。 二、细胞周期时间的测定 标记有丝分裂百分率法(percentage labeled mitoses,PLM)是一种常用的测定细胞周 期时间的方法。其原理是对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记 细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。 有关名词： TG1:G1期的持续时间 TG2:G2期的持续时间 Ts:S期的持续时间 TM:M期的持续时间 Tc:一个细胞周期的持续时间 PLM:标记的有丝分裂细胞所占的比例 TDR:胸腺嘧啶核苷，是DNA的特异前体，能被S期细胞摄入，而掺进DNA中。通常 使用的是H或者14C标记的TDR。 测定原理（图13-2）： ①待测细胞经HTDR标记后，所有S期细胞均被标记。 ②S期细胞经G2期才进入M期，所以一段时间内PLM=0。 ③开始出现标记M期细胞时，表示处于S期最后阶段的细胞，已渡过G2期，所以从 PLM=0到出现PLM的时间间隔为TG2。 ④S期细胞逐渐进入M期，PLM上升，到达到最高点的时候说明来自处于S最后阶段 的细胞，已完成M,进入G1期。所以从开始出现M到PLM达到最高点（≈100%）的时间间 隔就是TM
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。 二、细胞周期时间的测定 标记有丝分裂百分率法（percentage labeled mitoses，PLM）是一种常用的测定细胞周 期时间的方法。其原理是对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记 细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。 有关名词： TG1：G1期的持续时间 TG2：G2期的持续时间 TS：S 期的持续时间 TM：M 期的持续时间 TC：一个细胞周期的持续时间 PLM：标记的有丝分裂细胞所占的比例 TDR：胸腺嘧啶核苷，是 DNA 的特异前体，能被 S 期细胞摄入，而掺进 DNA 中。通常 使用的是 3H 或者 14C 标记的 TDR。 测定原理（图 13-2）： ① 待测细胞经 3H-TDR 标记后，所有 S 期细胞均被标记。 ② S 期细胞经 G2期才进入 M 期，所以一段时间内 PLM=0。 ③开始出现标记 M 期细胞时，表示处于 S 期最后阶段的细胞，已渡过 G2期，所以从 PLM=0 到出现 PLM 的时间间隔为 TG2。 ④ S 期细胞逐渐进入 M 期，PLM 上升，到达到最高点的时候说明来自处于 S 最后阶段 的细胞，已完成 M，进入 G1期。所以从开始出现 M 到 PLM 达到最高点（≈100%）的时间间 隔就是 TM
⑤当PLM开始下降时，表明处于S期最初阶段的细胞也已进入M期，所以出现LM到 PLM又开始下降的一段时间等于Ts。 ⑥从LM出现到下一次LM出现的时间间隔就等于Tc,根据Tc=Tc1+Ts+Tc2+TM即可求 出的TG1长度。 事实上由于一个细胞群体中Tc和各时相不尽相同，第一个峰常达不到100%，以后的峰 会发生衰减，PLM不一定会下降到零，所以实际测量时，常以(TG2+1/2TM)-TG2的方式求出 TMo PLM 100 +12TM 50 0 TM 图13-2细胞周期各阶段的时间与PLM的关系 三、细胞同步化 细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步 化，前者称自然同步化，后者称为人工同步化。 (一)自然同步化 1.多核体 如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。数量众多的核处于同一细胞质 中，进行同步化分裂，使细胞核达108，体积达5~6cm。疟原虫也具有类似的情况。 2.某些水生动物的受精卵
⑤ 当 PLM 开始下降时，表明处于 S 期最初阶段的细胞也已进入 M 期，所以出现 LM 到 PLM 又开始下降的一段时间等于 TS。 ⑥ 从 LM 出现到下一次 LM 出现的时间间隔就等于 TC，根据 TC=TG1+TS+TG2+TM 即可求 出的 TG1长度。 事实上由于一个细胞群体中 TC 和各时相不尽相同，第一个峰常达不到 100%，以后的峰 会发生衰减，PLM 不一定会下降到零，所以实际测量时，常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出 TM。 图 13-2 细胞周期各阶段的时间与 PLM 的关系 三、细胞同步化 细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步 化，前者称自然同步化，后者称为人工同步化。 （一）自然同步化 1．多核体 如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。数量众多的核处于同一细胞质 中，进行同步化分裂，使细胞核达 108，体积达 5~6cm。疟原虫也具有类似的情况。 2．某些水生动物的受精卵
如海胆卵可以同时授精，最初的3次细胞分裂是同步的，再如大量海参卵受精后，前9 次细胞分裂都是同步化进行的。 3.增殖抑制解除后的同步分裂 如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。 (二)人工同步化 1.选择同步化 1)有丝分裂选择法：使单层培养的细胞处于对数增殖期，此时分裂活跃，M1高。有丝 分裂细胞变圆隆起，与培养皿的附着性低，此时轻轻振荡，M期细胞脱离器壁，悬浮于培养液 中，收集培养液，再加入新鲜培养液，依法继续收集，则可获得一定数量的中期细胞。其优点 是，操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害，缺点是获得的细胞数量较少。（分裂细胞 约占1%~2%) 2)细胞沉降分离法：不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其 半径的平方成正比，因此可用离心的方法分离。其优点是可用于任何悬浮培养的细胞，缺点是 同步化程度较低。 2.诱导同步化 1)DNA合成阴断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成，而不影响其他时 期细胞的运转，最终可将细胞群阻断在S期或GS交界处。5-氟脱氧尿嘧啶、羟基脲、阿糖 胞苷、氨甲蝶呤、高浓度ADR、GDR和TDR,均可抑制DNA合成使细胞同步化。其中高浓 度TDR对S期细胞的毒性较小，因此常用TDR双阻断法诱导细胞同步化： 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR,(Hela,2molL;CHO, 7.5molL)。S期细胞被抑制，其它细胞继续运转，最后停在G1/S交界处。 移去TDR。洗涤细胞并加入新鲜培养液、细胞又开始分裂。当释放时间大于Ts时，所有 细胞均脱离S期，再次加入过量TDR,细胞继续运转至G/S交界处，被过量TDR抑制而停 止。 优点是同步化程度高，适用于任何培养体系。可将几乎所有的细胞同步化。缺点是产生 非均衡生长，个别细胞体积增大。 2)中期阻断法：利用破坏微管的药物将细胞阻断在中期，常用的药物有秋水仙素和秋水 仙酰胺，后者毒性较少。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差
如海胆卵可以同时授精，最初的 3 次细胞分裂是同步的，再如大量海参卵受精后，前 9 次细胞分裂都是同步化进行的。 3．增殖抑制解除后的同步分裂 如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。 （二）人工同步化 1．选择同步化 1）有丝分裂选择法：使单层培养的细胞处于对数增殖期，此时分裂活跃，MI 高。有丝 分裂细胞变圆隆起，与培养皿的附着性低，此时轻轻振荡，M 期细胞脱离器壁，悬浮于培养液 中，收集培养液，再加入新鲜培养液，依法继续收集，则可获得一定数量的中期细胞。其优点 是，操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害，缺点是获得的细胞数量较少。（分裂细胞 约占 1%～2%） 2）细胞沉降分离法：不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其 半径的平方成正比，因此可用离心的方法分离。其优点是可用于任何悬浮培养的细胞，缺点是 同步化程度较低。 2．诱导同步化 1）DNA 合成阴断法：选用 DNA 合成的抑制剂，可逆地抑制 DNA 合成，而不影响其他时 期细胞的运转，最终可将细胞群阻断在 S 期或 G/S 交界处。5-氟脱氧尿嘧啶、羟基脲、阿糖 胞苷、氨甲蝶呤、高浓度 ADR、GDR 和 TDR，均可抑制 DNA 合成使细胞同步化。其中高浓 度 TDR 对 S 期细胞的毒性较小，因此常用 TDR 双阻断法诱导细胞同步化： 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量 TDR，（Hela，2mol/L；CHO， 7.5mol/L）。S 期细胞被抑制，其它细胞继续运转，最后停在 G1/S 交界处。 移去 TDR。洗涤细胞并加入新鲜培养液、细胞又开始分裂。当释放时间大于 TS时，所有 细胞均脱离 S 期，再次加入过量 TDR，细胞继续运转至 G1/S 交界处，被过量 TDR 抑制而停 止。 优点是同步化程度高，适用于任何培养体系。可将几乎所有的细胞同步化。缺点是产生 非均衡生长，个别细胞体积增大。 2）中期阻断法：利用破坏微管的药物将细胞阻断在中期，常用的药物有秋水仙素和秋水 仙酰胺，后者毒性较少。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差
第二节有丝分裂 一、 细胞分裂的类型 细胞分裂(cell division)可分为无丝分裂(amitosis)、有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis) 三种类型。 无丝分裂又称为直接分裂，由R.Remark(1841)首次发现于鸡胚血细胞。表现为细胞核 伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂，其间不涉及纺锤体形成及染色体变化，故称为无丝分 裂。无丝分裂不仅发现于原核生物，同时也发现于高等动植物，如植物的胚乳细胞、动物的胎 膜，间充组织及肌肉细胞等等。 有丝分裂，又称为间接分裂，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。 减数分裂是指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式，是高等动植物配子体形成 的分裂方式。 二、有丝分裂 有丝分裂过程是一个连续的过程，为了便于描述人为的划分为六个时期：间期 (interphase)、前期prophase)、前中期(premetaphase)、中期(metaphase)、后期 (anaphase)和末期(telophase)。其中间期包括G1期、S期和G2期，主要进行DNA复制等准 备工作。 (一）前期 前期（图13-3）的主要事件是：①染色质凝缩，②分裂极确立与纺锤体开始形成，③核 仁解体，④核膜消失。 前期最显著的特征是染色质通过螺旋化和折叠，变短变粗，形成光学显微镜下可以分辨 的染色体，每条染色体包含2个染色单体
第二节 有丝分裂 一、细胞分裂的类型 细胞分裂(cell division)可分为无丝分裂(amitosis)、有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis) 三种类型。 无丝分裂又称为直接分裂，由 R. Remark（1841）首次发现于鸡胚血细胞。表现为细胞核 伸长，从中部缢缩，然后细胞质分裂，其间不涉及纺锤体形成及染色体变化，故称为无丝分 裂。无丝分裂不仅发现于原核生物，同时也发现于高等动植物，如植物的胚乳细胞、动物的胎 膜，间充组织及肌肉细胞等等。 有丝分裂，又称为间接分裂，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。 减数分裂是指染色体复制一次而细胞连续分裂两次的分裂方式，是高等动植物配子体形成 的分裂方式。 二、有丝分裂 有丝分裂过程是一个连续的过程，为了便于描述人为的划分为六个时期：间期 （interphase）、前期(prophase)、前中期(premetaphase)、中期(metaphase)、后期 (anaphase)和末期(telophase)。其中间期包括 G1期、S 期和 G2期，主要进行 DNA 复制等准 备工作。 （一）前期 前期（图 13-3）的主要事件是：①染色质凝缩，②分裂极确立与纺锤体开始形成，③核 仁解体，④核膜消失。 前期最显著的特征是染色质通过螺旋化和折叠，变短变粗，形成光学显微镜下可以分辨 的染色体，每条染色体包含 2 个染色单体
图13-3前期两个中心体向两极移动（图片来自htp:www.wadsworth.org) 早在S期两个中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，当 核膜解体时，两对中心粒已到达两极，并在两者之间形成纺锤体，纺锤体微管包括（图13- 8): ①着丝点微管(kinetochore mt):由中心体发出，连接在着丝点上，负责将染色体牵引 到纺锤体上，着丝点上具有马达蛋白。 ②星体微管(astral mt):由中心体向外放射出，末端结合有分子马达，负责两极的分 离，同时确定纺锤体纵轴的方向。 ③极体微管(polar mt或overlap mt)):由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结 合有分子马达，负责将两极推开。 有两类马达蛋白参与染色体、分裂极的分离，一类是dynein,另一类是kinesin。 植物没有中心粒和星体，其纺锤体叫作无星纺锤体，分裂极的确定机理尚不明确
图 13-3 前期两个中心体向两极移动（图片来自 http://www.wadsworth.org/） 早在 S 期两个中心粒已完成复制，在前期移向两极，两对中心粒之间形成纺锤体微管，当 核膜解体时，两对中心粒已到达两极，并在两者之间形成纺锤体，纺锤体微管包括 （图 13- 8）： ①着丝点微管（kinetochore mt）：由中心体发出，连接在着丝点上，负责将染色体牵引 到纺锤体上，着丝点上具有马达蛋白。 ②星体微管（astral mt）：由中心体向外放射出，末端结合有分子马达，负责两极的分 离，同时确定纺锤体纵轴的方向。 ③极体微管（polar mt 或 overlap mt）：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结 合有分子马达，负责将两极推开。 有两类马达蛋白参与染色体、分裂极的分离，一类是 dynein，另一类是 kinesin。 植物没有中心粒和星体，其纺锤体叫作无星纺锤体，分裂极的确定机理尚不明确
(二)前中期 指由核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane)这一阶段（图13-4）。纺锤体微 管向细胞内部侵入，与染色体的着丝点结合。着丝点处的分子马达使染色体向微管的负端移 动。在光镜下可以看到，此时染色体也就是既向一极移动也向另一极移动，是以振荡的方式移 向纺锤体中部的。其原因是姊妹染色单体的着丝点都结合有微管和分子马达。 图13-4左，前中期；右，中期（图片来自http://www.wadsworth.org/) (三)中期 指从染色体排列到赤道面上（图13-4右、13-5），到姊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。染色体两边的牵引力就像拔河一样达到平衡。 图13-5中期.右图显示与染色体联接的微管（图片来自http://www.wadsworth.org/)
（二）前中期 指由核膜解体到染色体排列到赤道面(equatorial plane)这一阶段（图 13-4）。纺锤体微 管向细胞内部侵入，与染色体的着丝点结合。着丝点处的分子马达使染色体向微管的负端移 动。在光镜下可以看到，此时染色体也就是既向一极移动也向另一极移动，是以振荡的方式移 向纺锤体中部的。其原因是姊妹染色单体的着丝点都结合有微管和分子马达。 图 13-4 左，前中期； 右，中期（图片来自 http://www.wadsworth.org/） （三）中期 指从染色体排列到赤道面上（图 13-4 右、13-5），到姊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。染色体两边的牵引力就像拔河一样达到平衡。 图 13-5 中期，右图显示与染色体联接的微管（图片来自 http://www.wadsworth.org/）
(四)后期 指姊妹染色单体分开并移向两极的时期，当子染色体到达两极后，标志这一时期结束 (图13-6)。 图13-6后期姊妹染色单体分离（图片来自htp:www.wadsworth.org/) 后期可以分为两个方面（图13-7）：①后期A,指染色体向两极移动的过程。这是因为 染色体着丝点微管在着丝点处去组装而缩短，在分子马达的作用下染色体向两极移动，体外实 验证明即使在不存在ATP的情况下，染色体着丝点也有连接到正在去组装的微管上的能力 使染色体发生移动。②后期B,指两极间距离拉大的过程。这是因为一方面极体微管延长，结 合在极体微管重叠部分的马达蛋白提供动力，推动两极分离，另一方面星体微管去组装而缩 短，结合在星体微管正极的马达蛋白牵引两极距离加大。可见染色体的分离是在微管与分子马 达的共同作用下实现的（图13-8）。 后期A,B是用药物鉴定出来的，如紫杉酚(txol)）能结合在微管的(+)端，抑制微管(+) 端去组装，从而抑制后期A。动物中通常先发生后期A,再后期B,但也有些只发生后期A, 还有的后期A、B同时发生。植物细胞没有后期B
（四）后期 指姊妹染色单体分开并移向两极的时期，当子染色体到达两极后，标志这一时期结束 （图 13-6）。 图 13-6 后期姊妹染色单体分离（图片来自 http://www.wadsworth.org/） 后期可以分为两个方面（图 13-7）：①后期 A，指染色体向两极移动的过程。这是因为 染色体着丝点微管在着丝点处去组装而缩短，在分子马达的作用下染色体向两极移动，体外实 验证明即使在不存在 ATP 的情况下，染色体着丝点也有连接到正在去组装的微管上的能力， 使染色体发生移动。②后期 B，指两极间距离拉大的过程。这是因为一方面极体微管延长，结 合在极体微管重叠部分的马达蛋白提供动力，推动两极分离，另一方面星体微管去组装而缩 短，结合在星体微管正极的马达蛋白牵引两极距离加大。可见染色体的分离是在微管与分子马 达的共同作用下实现的（图 13-8）。 后期 A，B 是用药物鉴定出来的，如紫杉酚（taxol）能结合在微管的(+)端，抑制微管(+) 端去组装，从而抑制后期 A。动物中通常先发生后期 A，再后期 B，但也有些只发生后期 A， 还有的后期 A、B 同时发生。植物细胞没有后期 B
Anaphase B Anaphase A (pole-pole separation) (chromosome-to-pol movement) 图13-7后其A染色体分离，后期B两极延伸 Kinetochore Astral MT MT ①Motor 3 Motor Centrosome Polar MT 2 Motor Cell cortex Plasma membrane 图13-8马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离 (五)未期 末期（图13-9）是从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。末期涉及子核 的形成和胞质分裂两个方面
图 13-7 后其 A 染色体分离，后期 B 两极延伸 图 13-8 马达蛋白和微管系统共同协作，使染色体分离 （五）末期 末期（图 13-9）是从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期。末期涉及子核 的形成和胞质分裂两个方面