《细胞生物学》第十一章：细胞周期与细胞分裂

细胞周期是指连续分裂的细胞，从一次分裂完成时开始，到下一次完成分裂时为止的过程。一般分为两个阶段：分裂间期和分裂期。

细胞周期与细胞分裂

• 细胞分裂
  • 有丝分裂
    • 前期(prophase)
      • 染色质凝集
        • 已复制的染色体的两个姐妹染色单体间彼此黏着和凝缩
        • 黏连蛋白介导姐妹染色单体的黏着，凝缩蛋白介导染色体凝缩
      • 分裂极确立与纺锤体开始装配
        • 中心体分离并移向细胞两极，形成纺锤体的两极，两对中心粒之间逐渐形成纺锤体微管
        • 细胞核内，染色体动粒逐渐装配，与着丝粒紧密相连
    • 前中期（prometaphase)
      • 核膜崩解
        • 标志着前中期的开始
        • 与核纤层的解体是相互偶联的事件
      • 纺锤体装配完成
      • 染色体整列
      • 染色体向赤道面运动的过程称为染色体整理或染色体中板聚合
    • 中期(metaphase)
      • 主要的标志是染色体整列完成并排列到赤道板上，纺锤体结构呈现典型的纺锤样
      • 染色体在赤道面整列的假说
        • 牵拉假说
        • 外推假说
    • 后期(anaphase)
      • 两条姊妹染色单体相互分离，分别向两极运动，形成子代染色体
      • 有丝分裂中-后期转换是由活化的 APC 启动的（APC：后期促进复合物）
      • 划分为两个阶段
        • 后期 A
          • 指姐妹染色单体分离，开始向两极移动的过程。动粒微管在动粒处去组装而缩短，在分子马达的作用下染色体向两极移动
        • 后期 B
          • 指两极间距离拉大，纺锤体延长的过程。这是因为一方面纺锤体中央区极微管延长，结合在极微管的马达蛋白提供动力，推动纺锤体延长。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，使纺锤体两极距离加大
    • 末期(telophase)
      • 从子染色体到达两极，至形成两个新细胞为止的时期
      • 染色单体开始去凝集，核膜开始重新装配
    • 胞质分裂
      • 细胞核分裂后细胞质分裂的过程
      • 开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期
      • 核分裂与胞质分裂是相继发生的，但这两个属于对独立的过程
      • 4 个步骤
        • 分裂沟位置的确立
        • 肌动蛋白聚集和收缩环的形成
        • 收缩环收缩
        • 收缩环处细胞膜融合形成两个子细胞
  • 减数分裂(meiosis)
    • 减数分裂前间期
      • S 期持续时间较长
      • 减数分裂前间期的细胞核往往大于其体细胞核，染色质也多凝集成异染色质
    • 减数分裂过程
      • 减数分裂期 I
        • 表现在分裂前期的同源染色体配对和基因重组以及其后的染色体分离方式等方面
        • 前期 I
          • 持续时间很长
          • 根据细胞形态变化，又可以将前期 I 人为地划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期 5 个阶段（简称“细偶粗双终”）这 5 个阶段本身是连续的，它们之间没有截然的界限
          • 细线期（leptotene）
            • 持续时间最长
            • 发生染色质凝集，染色质纤维逐渐折叠，螺旋化
            • 光镜下分辨不出两条染色单体
            • 细纤维样染色体上，出现一系列大小不同的颗粒状结构，称为染色粒
            • 临近结束时，染色体端粒定位到核膜内侧
          • 偶线期（zygotene）
            • 是同源染色体（homologous chromosome）配对（pairing）的时期，同源染色体配对的过程称为联会（synapsis）
            • 形成联会复合体，与同源染色联会和基因重组有关
          • 粗线期（pachytene）
            • 染色体变短，结合紧密
            • 同源染色体的非姊妹染色单体之间发生交换，产生新的等位基因的组合
            • 在联会复合体部位的中间，有一个新的结构，称为重组节，重组节的有无可以验证是否发生了基因重组
            • 合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部地置换下来
            • 许多动物的卵母细胞发育过程中，粗线期还发生 rDNA 扩增
          • 双线期（diplotene）
            • 同源染色体相互分离，但在交叉点还保持着联系
            • 染色体进一步缩短
            • 两栖类卵母细胞的双线期可持续将近一年，而人类的卵母细胞双线期从胚胎期的第 5 个月开始
            • 在鱼类、两栖类、爬行类、鸟类以及无脊椎动物的昆虫中，双线期的二价体解螺旋而形成灯刷染色体
          • 终变期（diakinesis）
            • 观察染色体的良好时期
            • 核仁此时开始消失（部分植物除外），核被膜开始解体
        • 中期 I
          • 核膜破裂即标志着中期 I 的开始
          • 是染色体排列在赤道面上
        • 后期 I
          • 配对的同源染色体相互分离并向两极移动，标志着后期 I 的开始
          • 相互分离的是同源染色体，所以染色体数目减半
        • 末期 I
          • 染色休去凝集
          • 核被膜重新装配，核仁形成，同时进行胞质分裂
      • 减数分裂期Ⅱ与有丝分裂过程相似
    • 减数分裂过程的特殊结构及其变化
      • 性染色体的分离
      • 联会复合体和基因重组
        • 联会复合体由位于中间的中央组分位于两侧的侧生组分共同构成。侧生组分的外侧则为配对的同源染色体
        • 组成成分为蛋白质、DNA、RNA
        • 主要是为相互作用的同源染色体之间完成交换提供一种结构框架
        • 联会复合体从细线期开始组装，形成于偶线期，成熟于粗线期（重组节在粗线期组装），双线期开始去组装，终变期完全消失
• 细胞周期（cell cycle）
  • 细胞周期概述
    • 细胞周期概念：指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，是一个由物质准备到细胞分裂高度受控、周而复始的连续过程
    • 细胞周期的运转是有序运转，这是基因有序表达的结果，与细胞分裂有关的基因，叫做细胞分裂 周期基因（cdc 基因）这些基因的有序表达是受到一些控制点调控和监控的，目前大多用检验点（checkpoint）这一 术语
    • 分为 4 个阶段
      • G1 期，指从细胞有丝分裂完成到 DNA 复制之前的时间
      • S 期(synthesis phase)，指 DNA 复制的时期
      • G2 期，指 DNA 复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间
      • M 期，指细胞分裂开始到结束
    • 细胞周期时间
      • 细胞经历一个分裂周期所需的时间叫细胞周期时间
      • 不同类型细胞的 G1 期长短不同，是造成细胞周期长短差异的主要原因
    • 从增殖的角度，可将高等动物的细胞分为 3 类
      • 连续分裂细胞
      • 休眠细胞
      • 终末分化的细胞
  • 细胞周期中各不同时相及其主要事件
    • G1期：是细胞周期的第一阶段
      • 主要合成 rRNA、蛋白质、糖类、脂类等，但不合成 DNA
      • G1 期晚期的检验点为细胞提供一个十字路口
        • G1 为细胞进入 S 期和 M 期做准备，若内、外条件不合适，细胞延迟进入 G1 期，或者进入 G0 的特殊休眠状态
        • G1期细胞也可能进入分化相，最后死亡
      • 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）可以监测细胞周期中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行
      • 从分子水平看，检验点是作用于细胞周期转换时序的调控信号通路，其监控作用在于保证基因和基因组的稳定性，而不是细胞分裂的基本条件
    • S 期：是 DNA 合成期
      • DNA 复制；合成新的组蛋白；真核细胞新合成的 DNA 立即与组蛋白结合，共同组成核小体的串珠
    • G2期
      • 主要合成 ATP、RNA、蛋白质，包括微管蛋白、成熟促进因子（MPF）等，为细胞分裂做准备
      • 能否顺利进入 M 期，要受 G2期检验点的控制
      • G2期检验点要检查 DNA 是否完成复制，细胞是否已生长到合适大小，环境因素是否有利于细胞分裂等
    • M 期：即细胞分裂期
      • RNA 合成停止；除非组蛋白外，蛋白质合成显著下降；染色体高度螺旋化
  • 细胞周期同步化(synchronization)
    • 自然同步化
    • 人工同步化
      • 选择同步化
        • 主要是有丝分裂选择法。有丝分裂的细胞经过单层培养可以获得一定数量的 M 期细胞。 另一个方法是密度梯度离心法
      • 药物诱导同步化
        • DNA 合成阻断法
          • DNA 合成抑制剂（TdR 或羟基脲），将细胞群体阻断在 S 期
        • 中期阻断法
          • 秋水仙素、秋水酰胺、诺考达唑等抑制有丝分裂纺锤体的形成， 将细胞阻断在有丝分裂中期
  • 特殊的细胞周期
    • 早期胚胎细胞的细胞周期
      • G1 期和 G2 期非常短
    • 酵母细胞的细胞周期
      • 分 4 个时相，细胞周期持续时间短；细胞分裂过程属于封闭式，核膜不解聚；参与细胞分裂的纺锤体位于细胞核内
    • 植物细胞的细胞周期
      • 分 4 个时相；但高等植物细胞没有中心体，其纺锤体的分配由两极特殊的微区启动；以形成细胞板的形式进行胞质分裂
    • 细菌细胞周期
      • 慢速生长或快速生长
      • 细胞分裂结束后， 2 个子细胞都含有复制已经完成一半的 DNA