第十二章细胞周期和细胞分裂

第十二章细胞周期和细胞分裂

1. 是否所有生物的细胞周期持续的时间都相同？主要差别在哪里？

答: 不同生物的细胞周期时间不同, 同一系统中不同细胞,其细胞周期的时间也有很大的差异。细胞周期所持续的时间一般为12～32小时, M期所持续的时间较短, 一般为30～60分钟, 分裂间期的时间跨度较长, 根据细胞的类型和所处的生理条件不同而不同, 有几小时、几天、几周或更长。如人的细胞周期约为24小时∶丝裂期30分钟，G1期9小时，S期10小时，G2期4.5小时。一般说来, S+G2+M的时间变化较小, 主要差别在G1期的长短。如消化系统, 小鼠食管和十二指肠上皮细胞, 它们的细胞周期时间, 分别为115小时和15小时, 食管上皮细胞的G1期长达103小时, 而十二指肠上皮细胞的G1期为6小时。

2. 根据细胞分裂行为，可将细胞分为几种类型？各有什么特点？

答: 根据细胞的分裂行为, 可将真核生物细胞分为三类:①持续分裂细胞,又称周期性细胞, 即在细胞周期中连续运转的细胞。机体内某些组织需要不断的更新,组成这些组织的细胞就必须通过不断分裂产生新细胞。此类细胞的分裂周期非常正常, 有丝分裂的活性很高。如性细胞(包括卵母细胞和精原细胞),它们要不断地产生配子; 造血干细胞需要不断地产生红细胞和白细胞;上皮基底层细胞需要通过分裂不断补充表面老化死亡的细胞; 植物的根茎尖端细胞需要通过分裂进行生长等都是具有正常周期的持续分裂细胞。②终端分化细胞, 即永久性失去了分裂能力的细胞，它们不可逆地脱离了细胞周期, 但保持了生理活性机能。这些细胞都是高度特化的细胞, 如哺乳动物的红细胞、神经细胞、多形性白细胞、肌细胞等, 这些细胞一旦分化,就永远保持这种不分裂状态直到死亡。③G0细胞,又称休眠细胞，暂时脱离细胞周期,不进行DNA复制和分裂, 也称静止细胞群。但这些细胞可在某些条件的诱导下重新开始DNA合成, 进行细胞分裂。如肝细胞, 外科手术切除部分肝组成后可以诱导进入细胞分裂。淋巴细胞可通过与抗原的相互作用诱导增殖。在胚胎发育早期(卵裂期)，所有的细胞均为周期性细胞, 以后随着发育成熟, 某些细胞进入了GO期, 某些细胞分化后丧失分裂能力。到成体时,只有少数细胞处于增殖状态, 它们的增殖仅作为补充丢失的细胞, 或对外界刺激的反应。

3. 根据细胞周期各时相的生化活动，推测细胞的表面形态和内部结构各有哪些变化？

答: 由于细胞周期的各时相的生化活动不同，引起不同的表面和内部结构的变化：细胞形态的变化：如处于S期的细胞呈扁平状, 紧贴在培养瓶壁上, 细胞表面的微绒毛和小泡很少。细胞进入G2期, 特别是G2期的中后期, 细胞渐渐从贴壁摊平的状态鼓起来, 而细胞表面的微绒毛增多, 此时摇动培养瓶, 细胞很容易与瓶壁脱离。进入M期的细胞, 变成球形。细胞内部结构的变化内部结构的最大变化是染色质结构的变化。在S期, 染色体处于极松散的状态, DNA半保留复制和核小体八聚体组蛋白全保留方式偶联。到G2期已形成两条染色质纤维; 到M期, 染色单体形成。与染色体复制周期相关联的是核仁的变化。从细胞分裂前期到M期中期, 核仁消失, 核膜解体；分裂后期重新形成核膜。在间期-分裂期过渡中, 有两点明显的变化: 一是形成纺锤体, 需要大量的微管蛋白，另一是细胞表面微绒毛的形成，这与细胞骨架的肌动蛋白纤维相关。

4. 美国科学家利兰?哈特韦尔和英国科学家蒂莫西?亨特、保罗?纳西分享了2001年的生理学会医学诺贝尔奖，他们各自的贡献是什么？

答: 利兰?哈特韦尔发现了“START”基因；保罗?纳西的贡献是发现了CDK。蒂莫西?亨特的贡献是发现了调节CDK的功能物质CYCLIN。

5. 遍在蛋白如何介导周期蛋白的降解？

答:遍在蛋白加到周期蛋白上需要三种不同的酶介导。首先遍在蛋白在它的羧基端通过与遍在蛋白激活酶E1的半胱氨酸残基形成硫酯键而激活。然后遍在蛋白从E1转移到E2的半胱氨酸残基, E2称作遍在蛋白结合酶(ubiquitin)。E2和第三种酶, 遍在蛋白连接酶(ubiquitin

ligase, E3)一起将遍在蛋白转移到底物蛋白的赖氨酸残基（共价结合）, 在那里进行遍在蛋白的聚合化,最后作为蛋白酶体的降解底物, 被快速降解。E3通常是一种复合体,由多亚基组成。例如从非洲爪蟾卵细胞中分离的周期蛋白B的E3至少含有8个不同的亚基。触发有丝分裂周期蛋白遍在蛋白聚合化的E3又称为后期促进复合物(anaphase-promoting complex,APC)。APC激发E2-遍在蛋白复合物同有丝分裂周期蛋白破坏框结合, 然后激发遍在蛋白同破坏框C-末端的赖氨酸残基结合，此过程不断循环使遍在蛋白聚合化。通过基因操作构建了不含破坏框的周期蛋白, 这些蛋白不会被降解。

6. APC的活性调节及在周期蛋白B降解中的作用如何？

答: 当MPF的活性在有丝分裂中期达到最高峰时, 它将APC磷酸化并将其激活。被激活的APC与E2结合, 最后结合到周期蛋白B的破坏框中, 促使周期蛋白B的进行遍在蛋白多聚化, 其结果导致周期蛋白B降解。由于周期蛋白B是MPF的一个必需亚基, 它的降解势必导致MPF活性降低甚至失活, 触发细胞进入有丝分裂末期。胞质分裂之后, 周期蛋白B在子细胞的间期合成, APC的活性保持到G1期的后期, 被G1 Cdk失活。周期蛋白B的浓度不断升高,同时提高MPF的活性, 以便进入下一个有丝分裂期。

7. 真核细胞周期调控模型的主要特点和机制是什么？

答: 特点表现在三类周期蛋白-Cdk复合物和三个关键的过渡和对细胞周期的控制。细胞周期中三个关键的过渡：细胞周期中三个关键的过渡,即G1期→S期、中期→后期、后期→末期及胞质分裂期是细胞周期中三个关键过渡。这三个过渡分别被Cdc34途径和APC途径控制。

三类周期蛋白-Cdk复合物：真核细胞主要通过三类周期蛋白-Cdk复合物的作用，控制细胞周期, 这三种复合物分别是:G1期、S期和有丝分裂Cdk复合物。这些复合物都是由周期蛋白依赖性的蛋白激酶和周期蛋白两个亚基组成的复合物。在Cdc34途径和APC途径中,蛋白复合物都是通过遍在蛋白的蛋白酶体将一些特殊的底物, 包括S期抑制物、后期抑制物、以及有丝分裂周期蛋白降解进行周期调节。

细胞周期中三个关键的过渡：细胞周期中三个关键的过渡,即G1期→S期、中期→后期、后期→末期及胞质分裂期的过渡。这些过渡都是通过触发蛋白质的降解进行的, 所以都是不可逆转的, 这样迫使细胞周期只能沿一个方向进行。

三个过渡分别是通过Cdc34和APC途径的降解作用完成的。Cdc34途径促使细胞从G1→S期过渡：在G1期的早、中期，在DNA的复制起点就装配了复制起始复合物，并且开始了S期的CdkC组份的转录；但是，S期CdkC抑制物被G1 CdkC磷酸化而激活，激活的S期CdkC抑制物抑制了S期CdkC的活性，从而使细胞停留在G1期。在G1期的后期, Cdc34诱导S期Cdk抑制物的降解, 释放出有活性的S期Cdk复合物,这种复合物能够激发细胞进入S期。

一旦S期Cdk的降解作用被激活, S-期Cdk复合物将与DNA形成预复制复合物中的蛋白质的调节位点磷酸化,预复制起始复合物是G1期在DNA复制起点上装配的复合物。这些被S-期Cdk复合物磷酸化的蛋白质不仅能够激活DNA复制起始, 还能够阻止新的预复制复合物的装配。由于这种抑制作用, 每条染色体在细胞周期中只复制一次, 保证了合适的分配到子细胞中的染色体数。

有丝分裂Cdk复合物是在S期和G2期合成的, 但是它们的活性一直受到抑制直到DNA合成完毕。一旦被激活, 有丝分裂Cdk复合物就会诱导染色体凝聚、核膜解体、有丝分裂器的装配以及凝聚的染色体在中期赤道板上排列。在所有凝聚的染色体都与适当的纺锤体微管结合之后,有丝分裂Cdk复合物激活后期启动复合物(anaphase promoting complex, APC)。这种多蛋白的复合物指导后期抑制物通过遍在蛋白介导的蛋白酶解作用进行降解, 导致在中期将姐妹染色单体结合在一起的蛋白复合物失活。因此这些抑制物的降解作用, 允许有丝分裂进入到后期。在后期末, APC也可指导有丝分裂周期蛋白的蛋白酶体的降解。有丝分裂Cdk