细胞周期CellCycle

第二节细胞周期(Cell Cycle)

一、细胞周期的基本概念

地球上所有的饰物均是通过充分的细胞生长和分裂而维持生存和保持物种延续的。一个细胞经过一系列生化事件而复制它的组分，然后一分为二，这种周期性的复制和分裂过程称为细胞周期。细胞增殖是通过细胞周期实现的。

在50年代以前,人们把细胞的二次分裂之间的周期称为静止期,因为此时看不出明显形态变化(光镜下),从而认为细胞处于静止状态,将研究重点放在有明显变化的分裂期。1953年,Howard(霍华德)等用同位素32P-磷酸标记蚕豆根尖细胞,发现二次分裂的间期是极其关键的阶段,与DNA复制有关的一系列生化反应均在此阶段,并不静止,而改称为间期,他们第一次提出了一个完整的细胞周期的概念,并确定了细胞周期可划分为四个时期（图4-5）:

图4-5细胞周期全过程示意图

间期(Ⅰ) DNA合成前期G1 DNA合成仅在一小段时间,

InterPhase DNA合成期S 在合成前后各有一段间期(Gap)

DNA合成后期G2

前期prophase

分裂期(M) 中期metaphase

Mitotin phase 后期anaphase

末期telophase

I: 为细胞的生长、体积倍增。

M:为细胞的分裂,产生二个子细胞。

细胞周期所需时间为周期时限,用Tc表示,各时期所需时间,以TG1 ,Ts,TG2 ,Tm表示,各种细胞的细胞周期时限不一致,可用细胞放射自显影或流式细胞分析仪等测量,一般S,G2 ,M变化小,G1差异大。

如人的组织培养细胞,在37℃条件下,大约18-22小时完成一个周期,而间期约占95%。约17小时以上,分裂期45'-1小时左右,可见准备时间长,真正分裂时间很短。

二、各时相的生化活动和形态变化特点

近年来研究表明,在各时期中细胞内发生复杂而有序的生化变化,特别是间期,生化活动显得更为活跃,另外,细胞形态也发生相应的变化。

1.G1期DNA合成前期

指的是上一次细胞分裂结束到DNA开始合成时的这一阶段。

(1)生化:

此阶段进行着活跃的物质合成,供细胞生长及为DNA合成期(S期)作准备, RNA、蛋白质合成迅速,大量合成RNA (rRNA、mRNA、tRNA),形成核糖体,导致结构蛋白和酶蛋白的迅速合成。

早晚期合成物明显不同:

G1早期:是合成与细胞功能有关的特有蛋白质、酶,供细胞生长用,即用于形成新细胞成份的代谢活动。

G1晚期:主要是合成与DNA合成有关的一些酶和前体物,且RNA含量高于早期, 如DNA聚合酶活性急剧升高,四种核苷酸,组蛋白的mRNA等,还有能量的贮备。

所以, G1期为周期中一个重要阶段,其中任何环节受到干扰或抑制,如RNA 量和某些蛋白质量达不到阀值就停止,细胞即不能进入S期。

(2)形态变化

核质比逐渐变小,刚分裂结束的子细胞遗传物质与母细胞等量,但体积质量约比母细胞小,经G1期细胞内部活跃的物质代谢,细胞体积逐渐增大,主要是胞质增加,所以核质比变小,细胞表面泡状,丝状突起以及微绒毛逐渐减少。

(3)TG1一般是细胞周期中最长的阶段,有的12小时,有的几天,几月或更长,在周期中变化最大。G1期短,周期短,环境条件影响周期时间一般也是影响G1期时间。

2.S期DNA合成期

DNA复制一开始,就标志S期开始,一直到合成完成。

(1)生化:

主要是DNA复制,量加倍,与DNA合成有关的酶活性都增强,RNA和蛋白质合成继续进行,如组蛋白等。

在初期阶段:常染色质部分先复制,先合成含G-C碱基多的DNA。

在后期阶段:异染色质部分后复制,逐渐变为合成含A-T多的DNA。

这是哺乳动物细胞DNA合成的一个普遍现象,说明DNA复制具有高度的顺序性,经S期DNA含量倍增,如人为46分子DNA此时为92分子,构成染色单体的物质复制,形成二条相同的单体解旋状存在。

(2)形态上

核质比例逐渐增大,染色质量加倍,凝集程度最低,因而核大,染色质的染色比G1渐浓,仍均匀,细胞表面微绒毛等丝状突起等消失,表面几乎是光滑的。

(3)时间Ts

持续时间比较恒定,一般6-8小时,DNA合成一旦开始,增殖活动就进行下去,不会停留在S期。

3.G2期DNA合成后期

DNA合成停止即G2期开始,到染色质凝集前,此期主要为细胞分裂做准备(物质和能量)。

(1)生化

RNA和蛋白质继续合成,水平高于S,低于G1 ,越接近M期合成速率越低,主要合成与染色体凝集因子有关的蛋白和构成纺锤丝的微管蛋白等（有丝分裂因子、微管蛋白）。

(2)形态

细胞核质比例大(同S期),染色质均匀、染色浓,细胞表面再次出现微绒毛且量逐增,还有长丝状突起。

(3)时间TG2

TG2 一般比S期短,约2小时左右。

4.M期分裂期

光镜下见染色质开始凝集即进入M期。

(1)生化:

除前期初和末期末有少量RNA合成外,整个时期中RNA合成停止(由于染色质高度螺旋化妨碍转录活性),蛋白质的合成也降到最低水平。

(2)形态

有极明显的复杂的形态变化(前、中、后、末)

主要是染色质凝集染色体、纵裂、移动, 均分再解螺旋,一个细胞分成二个。

(3)时间Tm: 1小时左右

整个周期中,间期细胞生长,物质能量准备,遗传物质倍增,是染色体在分子和亚细胞水平上复制变化, M期是染色体在显微水平上形成和纵裂、均分。

三、细胞增殖上的三种类型(G1 期细胞的三种趋向)

细胞分裂结束后进入G1期的细胞(G1早期),有三种不同的命运。

1.不再增殖(称不育细胞)

细胞丧失了增殖能力,终身停留在G1早期, 结构功能发生高度的分化, 最后衰老、死亡,如神经细胞、成熟红细胞、角质细胞、肌细胞等,如神经细胞出生2天后一般不再进行分裂,这些是体内不再进行增殖的细胞群。

2.继续增殖(增殖细胞)

细胞连续不断地进行增殖,不脱离周期,始终保持旺盛的分裂活性,分化程度低，物质、能量代谢水平高,对外界环境,药物等较敏感,如骨髓干细胞、消化道粘膜上皮细胞、生殖上皮细胞等。

3.暂不增殖(Go细胞)（图4-6）

细胞停留在G1早期、代谢活性↓,处于相对稳定的休眠状态,结构功能出现分化,暂离开周期,但这类细胞并未完全丧失增殖能力,仍保持增殖能力,一旦需要或在一定条件刺激下,可被激活逆转为增殖状态,返回周期(进入G1晚期→

S期)。

所以它不同于不增殖细胞,而称Go细胞。由于代谢不活跃,因而对药物反应不敏感,如肝肾组织细胞,一般处于Go状态,在其损伤或部份切除后,余下的细胞中就出现活跃的分裂,只有当肝肾组织再生到原体积大小时,其中细胞又都进入Go状态,血液中的淋巴细胞也是处于Go状态,只存在植物凝集素刺激下能进入周期转为增殖细胞。