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1、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
2、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）：G 1 期(gap1)，指从有丝分裂完成到期 DNA 复制之前的间隙时间；S 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；G 2 期(gap2)，指 DNA 复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间；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：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。休眠细胞
3、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。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。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
4、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）： 待测细胞经 3H-TDR 标记后，所有 S 期细胞均被标记。 S 期细胞经 G2 期才进入 M 期，所以一段时间内 P
5、LM=0。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。 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。 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。 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
6、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（T G2+1/2TM）-T G2 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 56cm。疟原虫也具有类似的情况。2某些水生动物
7、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，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
8、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；
9、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
10、)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
11、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：染色质凝缩，分裂极确立与纺锤体开始形成，核仁解体，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
12、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 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）：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。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。极体微管（polar mt 或 ov
13、erlap 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
14、 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 http:/www.wadsworth.org/）后期可以分为两个方面（
15、图 13-7）：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。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
16、(+)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。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。图 13-9 末期1、子核的形成末期子核的形成，大体经历了与前期相反的过程，即染色体解聚缩，核仁出现和核膜重新形成。核仁由染色体上的核仁组织中心形成（NORs） ，几个 NORS 共同组成一个大的核仁，因此核仁的数目通常比 NORs 的数目要少。前期核膜解体后，核纤层蛋白 B 与核膜残余小泡结合，末期核纤层蛋白 B 去磷酸化，介导核膜的重新装配。2、胞质分裂虽然核分裂与胞质分裂（cytokinesis）是相继发生的，但属于两个分离的过程，例如
