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细胞周期

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细胞周期

细胞周期(cell cycle)是指细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程,分为间期与分裂期两个阶段。

生命是从一代向下一代传递的连续过程,因此是一个不断更新、不断从头开始的过程。细胞的生命开始于产生它的母细胞的分裂,结束于它的子细胞的形成,或是细胞的自身死亡。通常将子细胞形成作为一次细胞分裂结束的标志,细胞周期是指从一次细胞分裂形成子细胞开始到下一次细胞分裂形成子细胞为止所经历的过程。在这一过程中,细胞的遗传物质复制并均等地分配给两个子细胞。

细胞周期细胞周期











1、过程

间期

间期又分为三期、即DNA合成前期(G1期)、DNA合成期(S期)与DNA合成后期(G2期)。

1.G1期(first gap) 从有丝分裂到DNA复制前的一段时期,又称合成前期,此期主要合成RNA和核糖体。该期特点是物质代谢活跃,迅速合成RNA和蛋白质,细胞体积显著增大。这一期的主要意义在于为下阶段S期的DNA复制作好物质和能量的准备。

2.S期(synthesis) 即DNA合成期,在此期,除了合成DNA外,同时还要合成组蛋白。DNA复制所需要的酶都在这一时期合成。

3.G2期(second gap)期为DNA合成后期,是有丝分裂的准备期。在这一时期,DNA合成终止,大量合成RNA及蛋白质,包括微管蛋白和促成熟因子等。

分裂期

M期:细胞分裂期。

细胞的有丝分裂(mitosis)需经前、中、后,末期,是一个连续变化过程,由一个母细胞分裂成为两个子细胞。一般需12小时。

1. 前期(prophase)染色质丝高度螺旋化,逐渐形成染色体(chromosome)。染色体短而粗,强嗜碱性。两个中心体向相反方向移动,在细胞中形成两极;而后以中心粒随体为起始点开始合成微管,形成纺锤体。随着核仁相随染色质的螺旋化,核仁逐渐消失。核被膜开始瓦解为离散的囊泡状内质网。

2. 中期(metaphase)细胞变为球形,核仁与核被膜已完全消失。染色体均移到细胞的赤道平面,从纺锤体两极发出的微管附着于每一个染色体的着丝点上。从中期细胞可分离得到完整的染色体群,共46个,其中44个为常染色体,2个为性染色体。男性的染色体组型为44+XY,女性为44+XX。分离的染色体呈短粗棒状或发夹状,均由两个染色单体借狭窄的着丝点连接构成。

3.后期(anaphase)由于纺锤体微管的活动,着丝点纵裂,每一染色体的两个染色单体分开,并向相反方向移动,接近各自的中心体,染色单体遂分为两组。与此同时,细胞被拉长,并由于赤道部细胞膜下方环行微丝束的活动,该部缩窄,细胞遂呈哑铃形。

4.末期(telophase)染色单体逐渐解螺旋,重新出现染色质丝与核仁;内质网囊泡组合为核被膜;组胞赤道部缩窄加深,最后完全分裂为两个2倍体的子细胞。

以有丝分裂方式增殖的细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的过程。这一过程周而复始。细胞周期是50年代细胞学上重大发现之一。在这之前认为有丝分裂期是细胞增殖周期中的主要阶段,而把处于分裂间期的细胞视为细胞的静止阶段。1951 年霍华德等用P-磷酸盐标记了蚕豆根尖细胞,通过放射自显影研究根尖细胞DNA合成的时间间隔,观察到P之掺入不是在有丝分裂期,而是在有丝分裂前的间期中的一段时间内。发现间期内有一个DNA合成期(S期),P只在这时才掺入到DNA;S期和分裂期(M期)之间有一个间隙无P掺入,称为G2期,在M期和S期之间有另一个间隙称为G1期,G1期也不能合成DNA

细胞生命活动大部分时间是在间期度过的,如大鼠角膜上皮细胞的细胞周期内,间期占14000分钟。分裂期仅占70分钟。细胞周期各阶段都有复杂的生化变化。间期是细胞合成DNARNA、蛋白质和各种酶的时期,是为细胞分裂准备物质基础的主要阶段。

在一个增殖的细胞群中,所有细胞并非是同步增殖的,它们在细胞周期运行中,可能有四种命运:

①细胞经M期又开始第二次周期;

②停止于G2期,称为G2期细胞(R2),它受某种刺激后可进入周期;

③停止在G1期,称为休止细胞或G0期细胞,这类细胞受某种刺激后仍能进入周期,继续进行有丝分裂;

④丧失生命力近于死亡的细胞,称为丢失细胞,或称不再分裂的细胞。继续分裂的细胞沿着细胞周期从一个有丝分裂期到下一个分裂期。不再分裂的细胞离开了细胞周期不再分裂,最终死亡。

G1

从有丝分裂完成到DNA复制前的这段间隙时间叫G1期。细胞体积逐渐增大,制造RNA(包括tRNAmRNArRNA以及核糖体等)。RNA的合成又导致结构蛋白和酶蛋白的形成,这些酶又控制着形成新细胞成分的代谢活动。G1又分为G1早期和G1晚期两个阶段;细胞在G1早期中合成各种在G1期内所特有的RNA和蛋白质,而在G1晚期至S期则转为合成DNA复制所需要的若干前体物和酶分子,包括胸腺嘧啶激酶、胸腺嘧啶核苷酸激酶、脱氧胸腺嘧啶核苷酸合成酶等,特别是DNA聚合酶急剧增高。这些酶活性的增高对于充分利用核酸底物在S期合成DNA是不可少的条件。

G1期持续时间变异很大,多数细胞的G1期较长,是与细胞需要增加质量有关。但在某些单细胞生物如大变形虫、四膜虫和多细胞生物的某些细胞(如海胆胚胎,小鼠胚胎细胞)则无G1期,中国仓鼠卵巢细胞的变异株无G1G2期,以致M期和S期连接在一起。G1期的长短之所以变化很大,与G1期内存在一个校正点或阻止点(简称R点)有关。R点主要控制 G1期时间的长短。通过了此点,细胞就能以正常速度不受外界条件的影响而完成细胞周期的其他时期。因此,有人认为细胞的生长是在G1R点上停止的,例如当细胞内环腺苷酸(cAMP)水平增高,细胞密度增加时,可阻止细胞从G1期向S期过渡,用嘌呤霉素抑制蛋白质合成或用放射线菌素D抑制RNA合成,也能延缓细胞从G1期进入S期。有人发现 G1期内能合成一种有触发作用的蛋白质;它是不稳定的,极易被分解,故称为v蛋白。v蛋白在G1细胞中达到一定水平时,细胞便可通过R点进入S期。

细胞进入G1期后,并不是毫无例外地都进入下一期继续增殖,在此时可能会出现三种不同前景的细胞:①增殖细胞:这种细胞能及时从G1期进入S期,并保持旺盛的分裂能力。例如消化道上皮细胞及骨髓细胞等;②暂不增殖细胞或休止细胞:这类细胞进入G1期后不立即转入S期,在需要时,如损伤、手术等,才进入S期继续增殖。例如肝细胞及肾小管上皮细胞等;③不增殖细胞:此种细胞进入G1期后,失去分裂能力,终身处于G1期,最后通过分化、衰老直至死亡。例如高度分化的神经细胞、肌细胞及成熟的红细胞等。

G0

在细胞生长繁殖过程中,有的细胞在前一周期结束后,不再进入下一周期,而是退出了细胞周期,细胞这时所处的时期叫G0期。G0期的细胞不合成DNA,也不发生分裂,而处于静止状态。细胞周期的调节主要是通过G1期的阻留而实现的,G0期即指细胞处于阻留的状态。细胞通过M期一分为二,有的可继续分裂进行周期循环,有的转入G0期。G0期是脱离细胞周期暂时停止分裂的一个阶段。但在一定适宜刺激下,又可进入周期,合成DNA与分裂。G0期的特点为:①在未受刺激的G0细胞,DNA合成与细胞分裂的潜力仍然存在;②当G0细胞受到刺激而增殖时,又能合成DNA和进行细胞分裂。

S

DNA复制的时期叫S期。在S期,DNA的含量增加一倍。在这一阶段完成DNA的合成以及合成与DNA组装构成染色质等有关的组蛋白。DNA含量在此时期增加一倍。S期终结时,每一染色体复制成两个染色单体(Hole,1979)。生成的两个子代DNA分子与原来DNA分子的结构完全相同。一个人体细胞核直径1020微米,其中DNA含量为10克,如拉成一根DNA链,长度可达3米。哺乳类动物细胞S期一般为68小时。DNA的复制能在几小时内完成,主要是由于DNA链分成许多的复制单位(复制子)(可多达10000个左右),它们可在S期的不同时间分别复制。另外,在S期内还有组蛋白的合成──组蛋白基因在G1-S期之间活化,组蛋白mRNA的转录增大,并在整个S期内连续进行。已合成的组蛋白使新合成的DNA很快转为核组蛋白复合体。

S期细胞含有一种因素能诱导DNA合成,用细胞融合实验证明,G1细胞在与S期细胞融合后能加速其核内DNA复制的起点启动。S期不同阶段复制的DNA碱基组成是不同的,早期复制的DNA富有G-C碱基,晚期复制的DNA富有A-T碱基,即常染色质比异染色质复制较早(图2)。

G2

DNA复制完成到有丝分裂开始,这段时间叫G2期,细胞分裂期的开始,标志着G2期的结束。DNA复制结束和开始有丝分裂之间的间隙,在这期间细胞合成某些蛋白质和RNA分子,为进入有丝分裂提供物质条件。用放射标记的RNA前体和蛋白质前体示踪,表明G2期进行着强烈的RNA和蛋白质的合成。假如破坏这些合成过程,细胞就不能过渡到M期。G2期合成的是染色体浓缩以及形成有丝分裂器所需的成分。有人认为G2期继续完成从S期就开始的微管蛋白的合成,为M期纺锤丝的组装提供原料。在G2晚期开始合成有丝分裂因子。在某些缺少G1期细胞中,G2期更为复杂,还要担负起其他细胞G1期中所要完成的事件。也有少数情况,S期结束后立即开始有丝分裂,而不存在G2期。

M

从细胞分裂开始到结束,也就是染色体的凝缩、分离到平均分配到两个子细胞为止,叫M期。M期包括前、中、后、末四个时期。有丝分裂时期,是细胞形态结构发生急速变化的时期,包括一系列核的变化、染色质的浓缩、纺锤体的出现,以及染色体精确均等地分配到两个子细胞中的过程,使分裂后的细胞保持遗传上的一致性。M期分为前期、中期、后期和末期(见有丝分裂)。M期虽是形态变化最为显著的时期,但其呼吸作用反而降低,蛋白质合成明显下降,RNA合成及其他代谢周转停止,这是由于有丝分裂期所需要的能量和其他基本物质均在间期内合成和贮备好了有关。

细胞周期中,细胞形态也发生一系列变化,从光学显微镜下可看到G1期细胞最小,细胞扁平而光滑,随着向S→G2→M期的发展细胞逐渐增大,从扁平变成球形。扫描电镜下可明显看到各时期内细胞表面形态的变化,如微绒毛逐渐增加,这些变化和细胞内各种生化的和生理的周期性变化是有关的。

调控细胞周期中的许多生化事件是按一定顺序,有条不紊地进行着,这和基因按一定顺序表达密切相关。

2、影响因素

      细胞周期内有两个阶段最为重要:G1到S和G2到M;这两个阶段正处在复杂活跃的分子水平变化的时期,容易受环境条件的影响,如果能够人为的进行调控,将对深入了解生物的生长发育和控制肿瘤生长等有重要意义。
      已发现很多体内因素可以激发或抑制细胞的增殖,例如多种激素、血清因子、多胺、蛋白水解酶、神经氨酶、cAMP、cGMP以及甘油二脂(DG)、 三磷酸肌醇(IP3)和Ca信使系统等等。细胞内cAMP浓度增加对细胞增殖有抑制作用,凡能使细胞内cAMP增高的因素都能抑制细胞的增殖,降低细胞生长速 度;反之,凡能使细胞内cAMP含量下降的因素都能促进DNA的合成与细胞的增殖。细胞周期的各期中的cAMP含量也不相同(见表)。在中国仓鼠卵巢细胞 株中,M期cAMP含量最低,M期后cAMP的水平增高三倍,从G1早期至G1晚期,cAMP水平降低到中等水平,直至S期仍维持低的水平(图3)。
      还有许多实验指出cGMP 也对细胞增殖起调控作用,如将cGMP或双丁酰cGMP加到休止在G1期的 3T3 细胞时,能诱导DNA含量的增加, 促进细胞的分裂。如提高细胞cGMP水平,就可促进细胞的有丝分裂,反过来,促进有丝分裂的药物也能增加cGMP的浓度。
      cAMP能抑制细胞的分裂,促进细胞的分化,cGMP则能抑制细胞分化,促进细胞增殖,在正常生长的细胞中,cAMP和cGMP维持在适当的水平,调节控制细胞周期的运转。
      抑素是细胞产生的一种小分子蛋白质或多肽,有的还含有糖或RNA。它无种属特异性,但有细胞特异性,对同类细胞增殖有抑制作用并且可逆。当抑素含量达到一定浓度时可抑制同类细胞的增殖,抑素浓度下降则细胞增殖活跃。有人认为抑素作用的机制,在于它能激活细胞膜上的腺苷环化酶活性,提高细胞内cAMP的浓度,因而抑制细胞的增殖,也可能通过cAMP-依赖性蛋白激酶对蛋白质的磷酸化作用来影响调节基因的活动。
       细胞周期也受机体调节系统的 影响,例如肝再生就是由调节系统的作用加速肝细胞增殖。但是肿瘤细胞,由于宿主失去对它的调控,因而恶性增殖。在肿瘤治疗中可应用细胞周期的原理,如G0 期细胞对化疗不敏感,往往成为日后癌症复发的根源,因而可通过调控机理的研究,诱发G0期癌细胞进入细胞周期,再合理用抗癌药物加以杀灭,是防止癌转移和 扩散的重要调控措施,是细胞动力学中有理论意义和实践意义的研究问题。
      总之,至今所了解的细胞增殖调控的分子基础还少,尚待进一步探索。

3、细胞分类

在体内根据细胞的分裂能力可把它们分为三类:①周期性细胞,如造血干细胞,表皮与胃肠粘膜上皮的干细胞。这类细胞始终保持活跃的分裂能力,连续进入细胞周期循环;②终端分化细胞,如哺乳动物成熟的红细胞、神经细胞等高度分化的细胞,它们丧失了分裂能力,又称终末细胞(end cell);③暂不增殖细胞群(G0期细胞),如肝细胞、肾小管上皮细胞、心肌细胞、甲状腺滤泡上皮细胞。它们是分化的,并执行特定功能的细胞,在通常情况下处于G0期,故又称G0期细胞。在某种刺激下,这些细胞重新进入细胞周期。如肝部分切除术后,剩余的肝细胞迅速分裂。

4、DNA增殖特点

细菌DNA复制、RNA转录和蛋白质合成同时进行,这是细菌对快速生长的原因。
DNA复制不受细胞周期的限制,快速生长的细菌,在上一次细胞分裂结束时,细胞内的DNA经复制到一半进程,以保证迅速进行下一次分裂。
1、细胞周期是第一次分裂开始到第二次分裂开始所经历的全过程。《普通生物学》陈阅增
2、细胞周期是第一次分裂结束到第二次分裂结束所经历的全过程。《细胞生物学》瞿中和,王喜忠,丁明孝
两者区别是细胞分裂起点的不同。现今普遍接受的是第二种说法。

口诀

植物细胞有丝分裂为例:
有丝分裂分五段
间前中后末相连
间期首先作准备
间期染体复制在其间
前期 两消两现一散乱
中期 着丝点聚赤道板
后期 丝牵染体两极走
末期 两消两现重建
注:动物细胞末期不生成细胞壁。
参考资料
[1].  9001-31-4   http://www.chemmade.com/assistant/chemdic/casDetail-9001-31-4.html

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