有丝分裂与细胞周期的调控
（一）有丝分裂
有丝分裂是一个连续的动态变化过程，持续时间为0.5～2小时，根据分裂细胞的形态和结构的变化，有丝分裂可被分为前期、中期、后期及末期（图1-11-1）。
图1-11-1 细胞的有丝分裂
1.分裂前期 前期（prophase）细胞的主要形态特征变化包括：染色质凝集、分裂极确定、核仁缩小解体以及纺锤体形成。
前期的起始标志是核内松散的染色质纤维螺旋化并折叠，逐渐凝集成棒状或杆状的染色体，每条染色体含两条由着丝粒（centromere）连接的染色单体。着丝粒两侧逐渐装配形成由多种蛋白质组成的复合结构，称为动粒（kinetochore）。同时，在分裂间期经过复制的一对中心体分别向细胞的两极移动，分为两组（每组中心体包含2个互相垂直的中心粒），它们最后的位置将决定细胞的分裂极。在染色质凝集过程中，因染色质上的核仁组织中心组装到了所属染色体中，导致rRNA合成停止，核仁开始逐渐分解，并最终消失。在前期末，出现对细胞分裂及染色体分离有重要作用的临时性细胞器纺锤体，纺锤体是由中心体组装形成的微管结构。中心体是细胞内的微管组织中心，其周围放射状分布着大量微管，这些微管与中心体一起被合称为星体（aster）。在每个中心体的周围呈放射状排列的称为星体微管（astral microtubule），在两个中心体之间相互连接的称为极间微管（polar microtubule），附着于染色体动粒之上的称为动粒微管（kinetochore microtubules）或染色体微管。星体微管、动粒微管和极间微管纵向排列构成纺锤样外观的结构，即形成纺锤体（spindle）（图1-11-2）。
图1-11-2 纺锤体及“有丝分裂器”
2.分裂中期 中期（metaphase）细胞的主要特征是染色体达到最大程度的凝集，并且非随机地排列在细胞中央的赤道面上。
在染色体微管的牵引下，所有染色体有规律地排列在细胞两极间的赤道面上，形成赤道板（equatorial plate）。此时，从细胞两极方向观察，染色体大多排列在赤道面的周边，呈现环状；若从侧面观察，则呈“一”字形。每条染色体的着丝粒分别与两侧的动粒微管相连。
3.分裂后期 后期（anaphase）细胞的主要特征是染色体两姐妹染色单体分离并移向细胞的两极。
着丝粒纵裂，两条染色单体从着丝粒处分开，在纺锤丝作用下，开始向细胞两极移动。此时每条染色单体含一个分子的DNA，具有一个独立的动粒。后期可分为A和B两个连续的阶段。后期A时动粒微管去组装不断缩短而拉动染色体移向两极，后期B时染色体微管相连处不断组装，长度延伸使两极之间的距离拉长。后期赤道板周围的细胞膜及细胞质逐渐向内凹陷形成分裂沟（furrow）。在分裂沟下方，微丝成束排列，环绕细胞，形成收缩环（contractile ring）。分裂沟和收缩环的形成意味着胞质分裂的开始。
4.分裂末期 末期（telophase）细胞主要的特征是子代细胞的核形成与胞质分裂。
末期的开始时，两组子代细胞染色体到达两极。染色体重新解螺旋成为染色质，核膜、核仁也重新形成。在赤道板处收缩环进一步收缩，分裂沟不断加深，最后收缩环处的细胞膜融合，胞质分裂，一个细胞分裂成两个子代细胞。
（二）细胞周期及其调控
1.细胞周期的概念 真核生物的细胞增殖具有一定的周期性。一般将通过细胞分裂产生的新细胞生长开始到下一次细胞分裂形成的子代细胞结束为止的过程称为细胞周期（cell cycle）。一个细胞周期可划分为间期（interphase）和分裂期两个阶段，间期又可根据细胞核内DNA合成的情况，划分为DNA合成前期、DNA合成期、DNA合成后期；分裂期又可分为前期、中期、后期和末期四个时期。
细胞从上一次有丝分裂结束开始，到下一次有丝分裂结束为止所经历的时间称为细胞周期时间（cell cycle time）。不同生物的细胞周期时间是不同的，同一系统中不同细胞的细胞周期时间也有很大的差异。如早期胚胎细胞只需几十分钟，某些上皮细胞和离体培养细胞要几十个小时，肝、肾实质细胞要1～2年。但同一种细胞的周期时间往往是相对恒定的。
细胞周期时间的长短主要取决于G1期的时间长短，S期、G2期和M期的时间是相对恒定的，其中M期尤为恒定，一般为半小时左右。不同细胞的G1期时间长短不同，如胚胎早期的卵裂细胞几乎测量不到G1期，淋巴细胞的G1期只有几个小时，而神经元细胞终身停留在G1期。
2.细胞周期各期特点
（1）DNA合成前期：即G1期（Gap 1 phase），是从有丝分裂完成到DNA复制前的一段时期。在G1期，细胞物质代谢活跃，呼吸旺盛，ATP迅速合成，RNA转录和蛋白质、糖类、脂类合成迅速进行，细胞体积增大，达到母细胞大小。趋向分化的细胞如神经元、肌纤维在G1期合成与该细胞特殊形态及功能有关的蛋白质。G1期还为细胞进入S期作各种准备，合成DNA复制所需要的各种酶和前体物质，如脱氧核苷酸、胸苷激酶、DNA聚合酶等。
在G1期的晚期有一个特殊时期，称为限制点（restriction point），即R点。这一时期受到多种环境因素和遗传因素的调节，控制着细胞增殖活动的进程，是细胞增殖与否的转折点。这些调控因素包括：营养供给情况、细胞体积大小、cAMP含量、激素刺激、DNA是否损伤等。
通过G1期限制点的细胞可有三种去向（图1-11-3）。
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图1-11-3 细胞增殖周期示意图
永不增殖细胞：又称不育细胞或终末细胞。这些细胞已经高度分化，细胞始终停止在G1期而失去增殖能力，直到死亡。这类细胞如神经元、肌纤维、白细胞等。
持续增殖细胞：也称周期性细胞，这类细胞一般分化较低，能不断进入周期，如骨髓造血干细胞、皮肤基底层细胞、小肠腺细胞、精原细胞等，通过细胞增殖使衰老死亡的细胞得以更新，从而保持这些组织细胞数量及功能的平衡。
休眠细胞：又称Go期细胞，这类细胞暂时脱离细胞周期，不进行DNA复制和分裂，有增殖能力但暂不增殖，可以看作是延长了的G1期细胞，如肝细胞、肾细胞、成纤维细胞、淋巴细胞等。Go期细胞在一定的环境条件下可转入G1期重新进入分裂状态。如肝细胞，外科手术切除部分肝脏后可诱导肝细胞恢复增殖能力，通过细胞分裂增殖来修复损伤的肝脏。若在化放疗后，病灶中有残留的处于G0期的肿瘤细胞则是病情复发的一个根源。
胚胎发育早期，所有细胞均为增殖细胞；但随着个体发育成熟，某些细胞进入G0期，某些细胞分化后丧失分裂能力，到成体时，只有少量细胞处于增殖状态，它们的增殖仅作为补充丢失的细胞，或对外界刺激的反应。
（2）DNA合成期：又称S期（synthetic phase）。细胞周期中S期是最重要的一个阶段，在此期主要是进行DNA复制，同时进行组蛋白的合成。细胞质中合成的组蛋白通过核孔进入细胞核，与DNA进行组装，最终形成染色质。S期历时较恒定，一般为6～8小时。S期结束，细胞核DNA含量增加一倍，体积明显增大。
（3）DNA合成后期：又称G2期（Gap 2 phase）。这一时期主要完成一些与有丝分裂相关的蛋白质合成，如微管蛋白、膜蛋白等。同时，一些促使细胞从G2期进入M期的相关酶类也在这个时期形成和活化，如有丝分裂促进因子（mitosis promoting factor，MPF）能够促使核纤层磷酸化、核膜崩解以及M期染色体的凝集。G2期历时较短，也很恒定，一般为1～1.5小时。
（4）分裂期：又称M期（mitotic phase）。此期内的主要特点是细胞在形态上发生剧烈的变化，形成临时性的装置“有丝分裂器”（图11-2）。有丝分裂器指分裂期的染色体、纺锤体，中心体和星体等参与细胞分裂过程细胞器的总称，将S期数量倍增的染色质形成染色体，均分到两个子细胞中，同时细胞质也发生分裂。最终由一个细胞分裂为2个子细胞。如前述，通常可将分裂期人为地划分为前期、中期、后期和末期4个连续的阶段。
3.细胞周期的调控 在细胞周期中，细胞的生化特征、形态结构等方面的变化以及各时间段的转换，均是在细胞自身及环境因素的严格控制下有序进行的，以确保细胞数目和体积的均衡，以及遗传物质在上下代之间的正确传递。如果调控机制出现异常，将会导致细胞出现生长异常、遗传改变、癌变发生等现象，进而引发各种疾病，如肿瘤就是由于细胞增殖失去控制，无限制分裂的结果；在细胞增殖过程中如果染色体或基因的行为出现异常，将会导致各种遗传病的发生。
目前普遍认为，周期蛋白家族和周期蛋白依赖性激酶家族对细胞周期起着核心性的调控作用；细胞周期基因（cell division cycle gene）、癌基因和原癌基因、抑癌基因等遗传基因及其产物在细胞增殖的调控中发挥着重要的作用；生长因子、激素、抗原、药物等环境信号通过细胞膜受体或胞内受体及相关信号转导途径，最终调控着细胞的生长、增殖和分化。
（1）周期蛋白家族和周期蛋白依赖性蛋白激酶家族：周期蛋白家族（cyclins）是一类随细胞周期的进程呈周期性表达、累积与分解的蛋白质，其浓度在细胞周期中呈周期性变化，能特异性地激活细胞周期依赖性的蛋白激酶，控制细胞周期循序进行。目前已经分离出几十种的周期蛋白，如高等动物细胞中有细胞周期蛋白cyclinA、B、C、D、E、F、G、H等。这些周期蛋白分别在细胞周期的不同时期起到调控作用，如G1期蛋白cyclinC、D、E只在G1向S期转化过程中起调节作用；cyclinA合成发生于G1期向S期转变的过程中，在中期时消失，属S期蛋白；cyclinB的表达开始于S期，在G2/M时达到高峰，随着M期的结束而被降解、消失。
周期蛋白依赖性蛋白激酶家族（cyclin-dependent kinase），即CDKs蛋白，是一类必须与周期蛋白结合才具有激酶活性的酶蛋白。目前已发现并命名的有CDK1～CDK13等。不同的周期蛋白-周期蛋白质依赖性蛋白激酶复合物能使特异的靶蛋白质磷酸化而激发细胞周期的进行。
（2）细胞周期基因：是指参与细胞分裂和细胞周期调控相关的基因，也被称为cdc（cell division cycle）基因。细胞周期基因最早被P.Nurse和L.Hartwell为代表的一批生物学家发现，他们以酵母为实验材料，发现在限定温度下不同突变株的某个基因发生突变，这些突变株的细胞就会停留在细胞周期中的某个特定时期。人们根据cdc基因被发现的先后顺序对这些基因进行了命名，如cdc2、cdc25、cdc28等（图1-11-4）。cdc基因表达的蛋白被称为cdc蛋白。
图1-11-4 酵母细胞cdc基因的调控
cdc2基因是第一个被分离出来的cdc基因，它的表达产物是一种相对分子质量为34×103 Da的蛋白，被称为p34cdc2，具有蛋白激酶的活性，可以使多种蛋白底物磷酸化，因此也被称为p34cdc2激酶。它能与周期蛋白cyclin B结合形成MPF（卵细胞成熟促进因子），促进细胞从G2期进入M期。p34cdc2其实就是CDK1，是第一个被发现的周期蛋白依赖性激酶。
（3）癌基因和原癌基因：病毒癌基因（V-oncogene），即v-onc，是指一些逆转录病毒的基因组所具有的，异常活化后可使受病毒感染的宿主细胞无限增殖进而癌变的DNA序列。在脊椎动物正常的组织细胞中，也存在和病毒癌基因相似的DNA序列，这些序列是正常细胞的增殖分化所必需的，不会导致细胞癌变，但当这些基因发生突变或被异常激活后，便会使细胞转化为异常增殖状态。将这些存在于正常组织细胞内的，与癌基因（oncogene）具有相同序列的基因称作原癌基因（proto-oncogene）或细胞癌基因（c-onc）。目前已识别的癌基因和原癌基因有100多个，如src、ras、sis、myc、myb等基因家族成员，其产物种类较多，可分为生长因子类（如sis家族）、生长因子和激素受体类（trk、c-fms等）、信号转导分子类（src、abl、ras家族等）和核转录因子类（c-jun、c-fos、c-myc等）等类型。这样，通过不同的编码产物，癌基因与原癌基因能以多种方式参与对细胞周期的调控。
（4）抑癌基因（anti oncogene）：是正常细胞所具有的，能够抑制细胞恶性增殖的一类基因。这类基因编码的蛋白质通常能与转录因子结合或本身即为转录因子，作为负调控因子，影响细胞周期相关蛋白的合成及DNA复制，进而调节细胞周期的进程。抑癌基因产物的功能是抑制细胞周期，阻止细胞数目增多以及促使细胞死亡。当该基因发生变异或丢失，解除了对细胞增殖的抑制作用以后，就成为诱发肿瘤的重要因素。
迄今为止，已发现的抑癌基因有10多种，如Rb与p53基因的作用机制研究较为深入，p53基因产物是分布于细胞核内相对分子质量为53 000 Da的蛋白，称为p53蛋白，通过启动下游调控因子WAF1/CIP1基因表达p21蛋白，从而抑制Cdk-cyclin，最终抑制细胞周期的进程。Rb基因，也称遗传性视网膜母细胞癌（retioblastoma）基因，编码产物为相对分子质量为105×103 Da的蛋白质，分布于细胞核内。Rb蛋白广泛存在于各种组织细胞，通过和细胞核中的转录因子结合，抑制转录、阻止细胞越过R点，从而抑制细胞增殖。目前已在G肉瘤、乳腺癌、小细胞肺癌和膀胱癌等细胞中发现Rb基因的缺失、突变或表达异常。
（5）生长因子与生长因子受体：生长因子（growth factor）是一类由细胞自分泌或旁分泌产生的多肽类物质。生长因子在与细胞膜上的特异性受体结合后，经信号转换及多级传递，可激活细胞内多种蛋白激酶，促进或抑制细胞周期进程相关的蛋白质表达，参与对细胞周期的调节，引起细胞增殖或产生其他的生物学效应。目前发现的能影响细胞增殖及调节细胞周期的生长因子有30多种，如血小板源生长因子（platelet derived growth factor）、表皮生长因子（epidermal growth factor）、生长素介质A和C（somatomedinA、C）等。血小板源生长因子是存在于血小板内的一种碱性蛋白质，相对分子质量为3×104 Da。PDGF能启动G0期细胞进入细胞周期，促进S期DNA的合成，是一种较强的促有丝分裂因子。在大多数细胞的增殖过程中，需要血小板源生长因子的作用。很多生长因子受体具有激酶活性，一些原癌基因也是属于生长因子或生长因子受体类的。
（6）细胞通信和信号转导：细胞通信是指一个细胞发出的信息通过介质传到另一个细胞产生反应。细胞之间可以通过分泌化学信号（远距分泌、旁分泌、自分泌）、相互接触或形成细胞连接等方式进行通信（详见第九章），从而对彼此的增殖活动造成影响。例如，正常细胞在体外培养时，当细胞沿培养皿底面铺展成单层后，毗邻的细胞由于彼此间的接触致使细胞分裂活动中止，细胞进入G0期状态。这种现象的原因可能是邻近细胞之间生长因子的竞争和膜受体的占位性抑制。
信号转导是指细胞针对外源信号所发生的一系列应答反应，最终引起细胞内效应的全过程。周围环境中的各种信号（生长因子、激素、药物等），可以被膜受体或胞内受体所识别，通过细胞内的第二信使cAMP、cGMP、IP3、Ca2+等进一步引起一系列级联反应，最终对细胞的代谢、增殖、分化进行调节。
（7）细胞周期检验点（checkpoint）：是指细胞受到内外环境因素影响而调整细胞周期的进程，以确保周期每一时相事件有序完成的调控点。主要有：①G1/S检验点。在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点（restriction point）。控制细胞由Gi期进入S期。受到DNA损伤与否、细胞外环境是否适宜、细胞体积大小等因素的调控。②S期检验点。只有DNA复制完成才能通过检验点。③G2/M检验点。是决定细胞进入到分裂期的控制点，同样受DNA是否损伤和细胞体积是否足够大等因素的控制。④中后期检验点（纺锤体组装检验点）。任何一个动粒没有正确连接到纺锤丝上，都会抑制后期促进因子（anaphase promoting factor）的活性，引起细胞周期中断。