细胞周期各期的主要特征

第二节　细胞周期各期的主要特征

一、G1期

G1期是细胞生长的主要阶段，在周期时间中所占的比例最大。此期细胞的主要生化活动是合成大量的RNA和蛋白质，以及蛋白质磷酸化和细胞膜转运功能增强等变化，为细胞进入S期准备必要的物质基础。G1期细胞能对多种环境信号进行综合、协调并作出反应，以确定细胞是否进入S期。因此，G1期是决定细胞增殖状态的关键阶段。

二、G1期的调控

关于G1期调控早期的研究集中在细胞周期的特性上，Pardee等发现正常细胞的G1期有1个或2个特殊的调节点叫做限制点(restriction point，R点)，R点起到了控制细胞增殖周期开和关的“阀门”作用。细胞是继续增殖还是进入静息(G0)状态，是由它能否通过R点来决定的。Pardee认为处于R点的细胞对环境条件特别敏感，这也是细胞的一种具进化意义的适应。当细胞处在不利条件下，如营养匮乏、不适宜的血清、高浓度的cAMP和抑素(chalone)等，细胞代谢速度降低，进入静息期以延长细胞生命;而肿瘤细胞往往失去全部或部分R点的控制，故细胞能不断地进行分裂。

Leland Hartwell在20世纪70年代初以芽殖酵母为材料，研究发现了突变后会导致细胞周期异常的基因，其中cdc28基因对细胞周期的启动，即细胞能否通过R点很关键，因此也被称作“启动”基因(start gene)。其编码产物为Cdk(cyclin-dependent kinase，cdk)，即细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶。酵母细胞中只有一个cdk基因，高等生物中却有多个，体现了进化程度不同的物种对调控系统复杂性和精确性的不同需求。Timothy Hunt从海胆中发现了Cdk的“伴侣”——细胞周期蛋白(cyclin)。这类蛋白因其含量在细胞周期中呈周期性变化而被发现并得名。细胞周期蛋白与Cdk蛋白形成复合物，使Cdk能发挥激酶活性。G1和S期交界时合成的细胞周期蛋白与Cdk蛋白形成复合物称为S期活化因子。这种S期活化因子是在细胞运行到G1期才开始，到达S期中期含量最高，S期结束时瞬即消失。细胞融合实验证明，用S期和G1期细胞融合，G1期细胞能提前进入S期。S期细胞的活化因子能促使DNA复制起始因子和多种转录因子的磷酸化，启动DNA复制，处于G1期的细胞核就可以进入S期。

三、S期的特征

在S期，细胞内主要进行DNA的复制(DNA replication)、组蛋白和非组蛋白等染色体蛋白的合成。DNA复制是细胞增殖的关键。细胞增殖的主要物质基础是细胞质和遗传物质的倍增，前者的合成贯穿于整个细胞周期，后者复制则仅局限于S期。每经历一个细胞周期，DNA必须全部复制一次，从分子生物学水平来说，染色体的倍增就是DNA复制的表现。DNA复制过程与转录过程一样，是建立在DNA双螺旋分子结构的基础上。在一些蛋白质的作用下，使双链中氢键打开，解开后的多核苷酸链在内侧面伸出的碱基各自与核基质中的单核苷酸互补配对。新配上去的核苷酸在DNA聚合酶的作用下形成多核苷酸链，与原有的模板单链组成一个新的DNA分子。

另外，在S期还不断合成与DNA复制有关的酶，如DNA聚合酶、DNA连接酶等。新中心粒也在S期开始合成。

四、G2期的特征

G2期的主要形态特征是染色质进行性地凝聚或螺旋化。其主要任务是为M期的细胞结构变化做准备，故G2期也称为丝裂前期(premitotic phase)。在这个时期，细胞主要合成一些和细胞分裂有关的蛋白质和RNA，如微管蛋白等，这是细胞进入有丝分裂所必需的。如将嘌呤霉素、环己亚胺等蛋白合成抑制剂作用于G2期细胞，这些细胞就不能进入M期。

五、G2期进入M期的调控

细胞融合实验的结果表明，M期细胞质中存在某种成分能使间期细胞核提前进入M期，这种成分后来被命名为有丝分裂促进因子(mitosis-promoting factor，MPF)。它是调节细胞进出M期所必需的蛋白质激酶，具有广泛的生物学功能，通过促进靶蛋白的磷酸化而改变其生理活性。

MPF是异二聚体。同SPF一样，MPF由一个催化亚基和一个调节亚基组成。催化亚基具有激酶活性;调节亚基则决定催化亚基的底物特异性，即磷酸化哪一种靶蛋白。人类细胞MPF的催化亚基和调节亚基的相对分子质量分别为34000和56000，亦被称为P34和P56蛋白，它们都是cdc基因的产物(Cdc2和Cdc13)。

P56蛋白的合成和降解随着细胞周期的进程发生明显变化，其含量呈周期性消长，因而又被称为细胞周期蛋白。细胞周期蛋白的消长与细胞周期的时间完全吻合，即在间期细胞中缓慢增加，在G2和M期交界时达到最高水平，在后期又迅速下降。P34在细胞周期中是连续合成的，它的激酶活性必须依赖与细胞周期蛋白的结合。P34的激酶活性通过其自身的磷酸化和去磷酸化加以调节(图9-3)。

P34能通过催化H1及核内非组蛋白磷酸化而促进中期染色体的构建，核纤层蛋白磷酸化而使核膜解聚，膜结合蛋白磷酸化则可使细胞内膜结构解聚成许多小囊泡，微管蛋白磷酸化促使纺锤体形成，肌球蛋白磷酸化使细胞在有丝分裂末期完成前胞质收缩不会提取出现。

图9-3　细胞周期蛋白和MPF活性随细胞周期的波动

注:－为MPF活性;－为周期蛋白浓度

六、M期

细胞周期中M期占用的时间最短，但细胞的形态、结构变化最大。这一时相细胞的主要生化特点是RNA合成停止、蛋白质合成减少以及染色体高度螺旋化。有丝分裂就是细胞增殖周期中的M期。在这个时期，细胞形态学上发生极为显著的变化，这些形态上的变化，主要是保证把S期已经复制好的DNA平均分配到两个子细胞。丝状结构的产生、染色体的形成都是保证复制的两套遗传信息，在质和量上能够平均地分配给子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。M期中细胞核的分裂和细胞质的分裂在时间和空间上配合紧密，相互依赖、相互制约。M期是一个复杂连续的动态过程，为了便于描述，习惯上人为地根据细胞核的形态变化，将其分为前期、中期、后期和末期4个时期(图9-4)。

(一)前期

前期又可分为早前期和中晚前期，其主要特征是染色质凝集、核膜崩解、核仁消失和纺锤体形成。

染色质凝集形成染色体是M期开始的第1个可见的标志。此时，细胞核膨大，核内染色质凝聚，先形成纤细而扭曲的细丝，然后逐渐变粗、变短，形成具有一定形态和一定数目的染色体。每一条染色体在S期都经过复制，因而含有两条姐妹染色单体(sister chromatids)，姐妹染色单体在着丝粒(centromere)处相连。

在动物与低等植物中，中心粒的活动与分裂极的形成有关。在细胞分裂之前，中心粒已经复制，形成两对中心粒。中心粒起微管组织中心的作用，许多微管的(－)端固定在中心粒的外周物质中，(+)端呈辐射状指向四周。中心粒分别移向细胞的两极，微管加速聚合，形成纺锤形结构，称为纺锤体(mitotic spindle)。纺锤体是一种双极性机构，中心粒位于两极。

中晚前期，随着染色质凝集，构成核仁关键部位的NOR被组装到染色体上，结果导致核仁缩小，消失于核质中。同时，由于纤层蛋白磷酸化，核纤层解聚，从而使核膜裂解成无数小的膜泡，核基质与细胞质混在一起，这时纺锤体微管可以进入核区，有的结合到染色体的动粒上成为动力微管(kinetochore microtubule);在纺锤体中部和动粒结合的微管称为极微管(polar microtubule)，从纺锤体两极发出的极微管在中期板部位彼此重叠。此外，有的微管不参与纺锤体的形成，称为星体微管(astral microtubule)。每对染色体上的动粒微管向相反的方向延伸，使染色体的位置在纺锤体的两极间剧烈振荡。

(二)中期

中期是指从细胞膜消失到有丝分裂器形成的全过程。该期染色体最大限度地被压缩，由动粒微管牵引排列在纺锤体中部的一个平面上，呈现出典型中期染色体的形态特征。该平面与纺锤体的纵轴相垂直，称为中期板(metaphase plate)，也叫赤道板。

由纺锤体、中心粒和染色体共同组成的临时性结构称为有丝分裂器。它专门执行有丝分裂功能，确保两套染色体均等地分配给两个子代细胞，避免发生误差，使细胞分裂进化完善的表现。如果用药物(如秋水仙素)抑制微管聚合，破坏纺锤体形成，细胞就被阻断在有丝分裂中期。利用这种方法可以获得大量的M期细胞，进行染色体组分析。

图9-4　有丝分裂基本过程

(三)后期

这一时期，由于某种特殊信号的触发，每条染色体上成对的动粒开始分离，使两条染色单体分别被缓慢地拉向各自所面对的纺锤体极。后期染色体的动力来自于纺锤体微管两个独立的运动过程:①后期A，随着染色体移向细胞两极，动力微管(+)不断解聚，动粒微管缩短;②后期B，极微管(+)加速聚合，极微管不断延长，使纺锤体的两极之间距离加大。

(四)末期

此期是从染色体到达纺锤体的两极开始，直至形成两个子细胞的时期。在此时期动粒微管消失，极微管则继续延长。在每一组染色单体周围开始重新生成核膜，浓集的染色单体又逐渐伸展松弛，在前期消失的核仁开始重新出现。至此，有丝分裂已接近尾声。

胞质分裂是有丝分裂的最后一个环节。细胞质以断裂的方式进行分裂，这一过程通常在后期就已开始。在细胞中央两个子代细胞核之间，肌动蛋白和肌球蛋白在细胞膜下聚集，形成收缩环(contractile ring)。收缩环依靠肌动蛋白与细胞膜发生连接，通过微丝滑动，收缩环直径变小，使细胞膜凹陷，产生与纺锤体轴相垂直的分裂沟(cleavage furrow)。分裂沟逐渐加深，直到中间体相接触。中间体由残存的纺锤体微管组成，构成了两个子代细胞间的暂时的连接桥，它可以维持一段时间，但最终在此处断裂成两个分开的子细胞。