细胞周期及其周期调控研究的发展简史[1]

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细胞周期及其周期调控研究的发展简史

作者单位:150086　黑龙江,哈尔滨医科大学(九七级基础医学七年制本硕连读)

杨兆颖　李金梁

摘要　发现细胞通过分裂的方式而增殖已经有100多年的历史,但是直到最近20年才确认了调控细胞周期的分子机制。对于细胞周期调控的研究,经历了发现细胞分裂、发现细胞周期和发现细胞周期的关键调控因子3个时期。这一机制的阐明,必然会推动应用研究并开拓出更广阔的空间,使人类看到攻克癌症的曙光。

关键词　细胞周期;细胞周期调控;细胞周期调控发展史

A brief developmental history of studies on cell cycle and cell cycle control Y ANG Zhao 2ying ,LI Jin 2liang 1Postgraduate ,Harbin Medical Univer sity ,Harbin 150086

Abstract It has been known for over one hundred years that cell multiply through division ,however ,it is only during the last tw o decades that it has become possible to identify the m olecular mechanisms that regulate the cell cycle 1The study of cell cycle control lasted three phases ,viz 1the discovery of cell division ,the discovery of cell cycle and the discovery of key regulators of the cell cycle 1These fundamental discoveries may result in broad applications within many different fields and may ,in the long term ,open a new path for cancer therapy 1

K ey w ords Cell cycle ;Cell cycle control ;Developmental history of cell cycle control

在每一个生命个体中,都存在着一个精密的程

序,它决定着细胞是否及何时开始生长、分裂或死亡。这个精密的程序,就是细胞周期调控机制,它在相关基因的控制下,依据一定的规则和节奏运行着,调控细胞的生长、分裂和死亡。这一结论是科学家们在各自的思维轨道上苦苦探索了几个世纪,在20世纪90年代从不同的方向,汇聚到一起的结果,正在揭开肿瘤发生、发展的奥秘,并提出了更多、更深刻的科学问题。

一、19世纪科学的巨大进步———细胞周期发现的奠基石

19世纪,前人进行了许多科学的基础性观察,包括动物、植物种类形态结构的描述及细胞内部结构的观察,并发明了一套有用的技术,比如显微镜、细胞化学方法和细胞染色制片技术的应用。此外诞生了一些富有指导意义的科学理论:1838年德国植物学家马提亚・斯可林顿(Matthias Schleiden )和动物学家斯道・施旺(Theodor

Schwann )的细胞学说;1859年英国的达尔文(Darwin )的生物进化论理论;1864～

1865年的孟德尔(Mendel )遗传理论。[1]

所有这一切

都是科学进步的宝贵财富,它使生物学走上科学的道路。在这种历史背景下细胞周期的研究,在20世纪50年代,才有了令人鼓舞的进展。

二、生命复制的奇妙现象———细胞分裂与细胞周期的发现

11细胞分裂的发现

1875年赫特(Hertwing )发现细胞受精卵中两亲本核的合并。1877年斯特博格(Strusburger )在植物中发现了受精现象,1880年他又在植物中发现细胞核在细胞分裂中的行为。1880～1882年弗莱明(Flemming )在

体细胞中观察到细胞分裂,称之有丝分裂,而Strusburger 进一步观察,把细胞分裂分为前、中、后、末4个时期。1883年范1本纳登(Van 1Beneden )在动物

中、1886年Strusburger 在植物中发现了减数分裂。1898年纳瓦斯基(Nawaschin )、1899年格纳德(G uig 2nard )先后发现了植物双受精现象。

21细胞周期的发现

在对细胞分裂的大量观察中,在当时的生物学技术的限制下,只注意到细胞生长过程中有两个时期:分裂期(dividing phase )和静止期(resting phase )。当时研究的重点在分裂期,而静止期被看成是细胞

处于休止状态的时期。

1951年,H oward和Pelc以蚕豆根端生长点为试验材料,第一次用32P的磷酸盐标记了根端细胞的DNA,通过放射自显影的研究发现32P不是在细胞分裂期,而是在静止期的一段时期掺入,说明人们过去认为细胞静止期实际上是DNA合成的旺盛时期。因此,通过试验提出完整的细胞周期概念。

DNA合成前期(pre-synthetic phase),即有丝分裂期和DNA合成期之间的间隙期,称之为G1期(gap1phase),此时期经历时间的蚕豆根端细胞为12小时。DNA合成期(DNA synthetic phase),即DNA 复制期,称之为S期,此时期经历6小时。DNA合成后期(DNA past synthetic phase),也称G2期(gap2 phase),约需8小时。有丝分裂期(mitotic phase),称为M期,它分为前、中、后、末四个时期,总共所需时间为4小时。

此后,奎斯勒(Quasiler)和谢尔曼(Sherman)于1959年用3H-TdR标记法陆续测定了多种细胞的细胞周期时间,进一步证明了细胞周期的普遍性。

细胞周期的发现是20世纪50年代细胞学的重大发现,它不仅使人们由表及里认识细胞世界的奥秘,而且对细胞周期调控的研究很快发展成为一个细胞生物学家、发育生物学家、分子生物学家、生物化学家和遗传学家共同感兴趣的热门领域,同时更是推动细胞周期研究的主要动力之一。

三、生命复制之谜的揭开———细胞周期调控因子的发现

11有丝分裂因子和成熟促进因子的发现———细胞周期调控研究的里程碑

1970～1974年间,约翰逊.R.T.(Johns on R.T1)和娆1P1N.(Rao P1N1)以Hela细胞为材料,同步培养,分别获得G1期、S期、G2期、M期细胞。然后将M期细胞分别和G1期、S期、G2期细胞进行细胞融合,发现M期细胞存在一种因子,能促使上述各期细胞的染色质提前凝集,称之为早熟凝集染色质(premature chrom os ome conden fation),这种周期时相转移作用因子称为有丝分裂因子(mitotic factor,MF)。但是对于这种有丝分裂因子的本质一直不清楚。

1971年马苏(Masui)和马科特(Markert)用两栖类的卵作试验材料,以精确的胚胎学技能和敏锐的观察力很快证明,垂体激素和孕酮都不能直接诱导卵母细胞成熟。他们认为,孕酮可能是通过作用于卵母细胞的表面,使卵质中诱生出导致减数分裂的因子。接着,他们首先去掉了爪蟾(evis)卵母细胞的卵核,再用孕酮处理这些去核了的第1次减数分裂前期的卵母细胞,然后将这无核的卵质转移到未成熟的卵母细胞中去。结果发现,这一卵质和从成熟的卵母细胞中抽提的卵质一样,都能诱导胚泡破裂(geminal vesicle breakdown,G VBD),从而提出了成熟卵母细胞中存在一种促进成熟因子(maturation prom oting factor,MPF)。[2]在Masui和Markert工作的启迪下,一批发育和细胞生物学家相继在海星卵母细胞、人Hela细胞、酵母和小鼠卵母细胞中都鉴定出了MPF,因此认为成熟促进因子和有丝分裂因子是同一种物质,并认为该因子在从酵母直到哺乳动物这些真核细胞中是保守的。[3]

上述工作是细胞生物学家的贡献,而遗传学家从遗传学的角度研究细胞周期的遗传调节、基因调控迈着自己历史前进的步伐。

21cdc2gene的发现———酵母细胞周期突变株的贡献

早在1957年和1974年,密特逊(Mitchs on)和利兰・哈特维尔(Leland Hartwells)就把研究裂殖酵母(S1pombe)和芽生酵母(S1cervisiae)引入到细胞分裂周期调控的研究中去。他们利用酵母存在多种突变体的优势,筛选出各种细胞周期突变株(cell dividing cycle mutant),他们筛选出了温度感受性突变株(tem2 perature-sensitive mutant),在23℃下正常进行细胞分裂而在36℃下则停止细胞分裂,从中发现酵母存在32个基因控制细胞周期的不同阶段,将它们称之为cdcgene。[4]

1980年,牛津大学保罗.纳斯(Paul Nurse)进行了与Hartwell类似酵母突变株的工作,其中特别重视cdc2在细胞周期运行中的作用,其表达产物能使间隙期细胞进入有丝分裂期[5]。1987年终于搞清人和酵母cdc2gene产物———P34cdc2的氨基酸顺序,后经证明为细胞周期素依赖蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,C DK)。亿万年进化保存下来的这类关键性蛋白,其结构和功能基本上没有变化。

31细胞周期素的发现———海胆卵母细胞的贡献

细胞周期素(cyclin)也是从研究卵母细胞发现的。[6]英国剑桥大学的提莫西1亨特(T im othy Hunt)在回顾细胞周期素发现前后时说:“细胞周期素是一件幸运的发现。1982年7月22日,那是一个非常宁静的日子,我纯属出于好奇,作了一个简单的试验。我