第十二章 细胞增殖

1、 第十二章细胞增殖 细胞生长和细胞分裂是所有生物增殖的基本形式，细胞生长和分裂的周期即为细胞增殖周期。在单细胞生物中，例如细菌和酵母菌，每次细胞分裂都产生一个全新的个体。在多细胞生物中，细胞分裂主要是产生新细胞来代替体内那些由于损耗、破裂或程序性死亡而失去的细胞。如人体每秒钟要制造好几百万的新细胞，若所有的细胞分裂都停止了，机体会在短短几天里死亡。 细胞增殖由复杂的调控机制所监控，周期中的每一个步骤都必须遵循一定的规律。例如遗传物质没有复制好之前，细胞不能分裂。在多细胞生物中，细胞增殖调控更加复杂，各种细胞之间需要彼此协调、相互制约，使机体结构和功能处于稳定的平衡状态。因此，细胞增殖活动是受到

2、精确控制的，一旦控制系统发生故障，细胞就会过度增殖而导致癌症。 本章先介绍细胞周期中的各个事件，然后叙述细胞周期控制系统是如何组织这些事件顺序发生以及如何对细胞内信号做出反应来调控细胞分裂的，最后简述细胞周期与医学的关系。第一节 细胞周期一、 细胞周期概述 细胞增殖周期简称细胞周期(cell cycle)，它是指细胞从上一次分裂结束开始到下一次分裂结束为止所经历的全过程。 人类在100年前利用光学显微镜发现细胞在分裂前有显著的形态变化，如出现纺锤丝、染色体分离等现象，就将此阶段命名为有丝分裂期（mitosis phase，简称M期），而把两次有丝分裂之间的时期称为间期（interphase）。

3、由此将一个细胞周期划分为间期和分裂期，并认为细胞在间期是静止的。二十世纪50年代以后，由于细胞化学、细胞分光光度计和放射自显影等技术的应用，发现间期的细胞虽然没有显著的形态变化，但并不是静止的，而是进行着极为复杂的生化变化。1951年Howard和Pelc采用放射自显影技术发现DNA是在分裂间期的一段特定时间内合成的，并将该阶段命名为DNA合成期（DNA synthesis phase，简称S期）。在上一次有丝分裂结束到DNA合成开始之间有一个间隙期（gap phase），称为DNA合成前期(first gap，简称G1期)。DNA合成结束到有丝分裂开始之间也有一个间隙期，称为DNA合成后期(

4、second gap，简称G2期)。因此将真核细胞周期人为地划分成4个连续的时期：G1期、S期、G2 期和M期。其中G1期、S期、G2 期一起被称为间期（图12-1）。细胞周期的概念不仅适用于进行有丝分裂的细胞，也适用于进行减数分裂的生殖细胞。图12-1 细胞周期4个连续时相（引自Alberts等，1994）参照前书图15-1 各种不同的生物、不同的组织以及机体发育的不同阶段，其细胞周期时间差异很大。如苍蝇胚胎细胞的细胞周期只有8分钟，而人肝细胞的细胞周期可达1年，有些人体骨骼肌细胞和神经细胞的细胞周期甚至同人的寿命一样长。大多数细胞在分裂之前需要经过一个生长阶段，因此一个标准的细胞周期通常需

5、要十几个小时或更长。而某些动物早期胚胎细胞是由一个受精卵经过多次快速分裂产生的，这过程中没有细胞生长，G1期和G2期被极度缩短，一次分裂到下一次分裂的时间在8到60分钟之间，其中一半是S期，一半是M期。大多数细胞在间期合成DNA、蛋白质和细胞器所需的时间，比细胞分裂所需的时间长。比如在一个24小时的细胞周期中，间期可能占据其中的23个小时，剩下的1小时是M期。一般地说，不同细胞的细胞周期中，S十G2十M的时间变化小，而G1期的时间差异却可能很大。二、细胞周期各期的主要特征（一）G1期G1期中物质代谢活跃，有大量RNA和蛋白质合成，细胞质量及体积都比上一次分裂结束时增加一倍。G1期还发生蛋白质磷

6、酸化，细胞膜转运功能增强等变化。（1）RNA和蛋白质合成 G1期RNA的含量增加很快，同时RNA聚合酶活性也迅速提高，催化rRNA、mRNA和tRNA生成。如果用抑制RNA合成的药物放线菌素D作用于G1期的细胞，可阻断细胞从G1期进入S期，可见G1期合成RNA是细胞进入S期的必要条件。RNA含量的增长导致蛋白质合成的增加。一些重要蛋白质的合成对于G1期细胞进入S期是必须的，如钙调素、非组蛋白及与DNA复制起始和延续有关的酶等。蛋白质合成抑制剂如嘌呤霉素可抑制G1期细胞进入S期。此外，在G1期中产生了一类具有组织特异性的蛋白质性的物质，称为抑素(chalone)，也能使细胞停留在G1期，对调节细

7、胞周期进程也有重要作用。（2）蛋白质磷酸化 在G1 期中发生多种蛋白质的磷酸化。如组蛋白磷酸化，可使染色质的结构在G1 晚期发生改变，有利于S期DNA合成。非组蛋白、一些蛋白激酶的磷酸化也增加。（3）细胞膜转运功能增强 细胞膜通透性改变，磷酸盐、氨基酸、葡萄糖、核苷酸、钾离子等物质入膜运输增加。这些变化为G1期大量的物质合成提供了原料。细胞周期中两个间隙期不仅使细胞有足够的时间生长，也使细胞有时间监测内外环境是否合适，从而确保细胞周期进程进入下一个阶段。例如环境中营养不足，细胞就延迟通过G1期并可能进入一种特殊的休眠状态，此时蛋白质合成率极度下降，通常只有增殖细胞的20%，称为G0期。在细胞重

8、新开始增殖之前，此状态可以保持几天、几星期甚至几年。事实上，许多细胞永远保持在G0期直到细胞或机体死亡。若各方面条件合适并有生长和分裂的信号，G1期或G0期的细胞会通过G1晚期阶段的一个特定时期，从而进入S期，这个特定时期在酵母细胞中称为起始点（START），在哺乳动物细胞中称为限制点(restriction point，简称R点)。通过这个点后，即使刺激细胞生长和分裂的细胞外信号被除去，细胞仍然会开始DNA复制。但与G1期细胞相比，G0期细胞进入S期需要较长时间进行物质代谢的动员和营养补给，如3T3细胞从G0期到S期至少需要12小时，而从G1期到S期仅需6小时。除了进入G0期外，G1期细胞也

9、有可能进入分化相(differentiation subphase)，最后死亡。由此细胞的增殖状态可分为三种类型： 连续增殖细胞、暂不增殖细胞和不再增殖细胞。“连续增殖细胞”始终保持旺盛的增殖活性，连续进行增殖。这类细胞分化程度低，能量代谢和物质代谢水平高，对外界信号极为敏感。它们不断地补充那些分化、衰老、死亡的细胞，保持组织的更新，维持机体代谢平衡，如上皮基底细胞、胚胎细胞、体外培养的对数生长期细胞和恶性肿瘤细胞就属于此类细胞。“暂不增殖细胞”处于增殖的静止状态，即G0期，代谢活性下降。但是这类细胞并没有丧失增殖的能力，在适宜的条件下能够被激活成为增殖状态，如肝、肾、胰等脏器的实质细胞均属此

10、种类型。“不再增殖细胞”丧失增殖能力，始终停留在G1期状态，结构和功能发生高度分化，直至衰老死亡。如哺乳动物的红细胞、角化上皮细胞、肌细胞和神经元细胞等，此类细胞又称为不育细胞。(二) S期 S期的主要特征是DNA复制，此外也合成组蛋白和非组蛋白，最后形成两份子细胞染色质。细胞增殖的主要物质基础是细胞质和遗传物质的成倍增加，前者的合成贯穿于整个细胞周期，后者的复制仅局限在S期。DNA复制有严格的时间顺序，通常GC含量较高的DNA在S期早期复制，AT含量较高的DNA在S期晚期复制。异染色质比常染色质复制地晚，如女性失活的那条X染色体最后复制。 S期是组蛋白合成的主要时期，进入S期后，组蛋白mRN

11、A水平可增加50倍。在细胞质内合成的组蛋白能迅速地通过核孔进入细胞核，与那里的DNA组装成核小体。组蛋白的合成是与DNA复制同步进行的。实验表明，如果用抑制剂抑制蛋白质合成，则几秒钟后DNA合成就停止。反之，如果抑制DNA合成，组蛋白的合成也会立即终止，但非组蛋白的合成却不受影响。可见，DNA和组蛋白在染色质复制过程中相互制约，相互联动，以保证新合成的组蛋白在数量上适应DNA复制的需要。S期中组蛋白合成后还经磷酸化、乙酰化、甲基化等修饰。组蛋白的磷酸化与染色质的凝集有关，组蛋白的乙酰化有利于基因转录。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。随着细胞由G1期进入S期

12、，这些酶的含量或活性显著提高。新中心粒也在S期开始形成。细胞中原先的一对中心粒在G1 期时稍分开一段距离，进入S期后在每个老的中心粒旁边分别开始形成一个新的中心粒。 （三）G2期 G2期是从DNA合成结束到分裂期开始前的阶段，主要合成一些与M期结构和功能相关的RNA和蛋白质，此时细胞核内DNA的含量已经比G1期增加一倍。这一时期主要为细胞分裂做准备，如微管蛋白合成开始于S期，在G2期达到高峰，为M期有丝分裂装置的形成提供了丰富的来源。（四）M期 经过间期充分的物质准备后，细胞进入M期，即分裂期。在此期间，细胞分裂产生两个相同的子细胞，将遗传物质及细胞质成分分配到两个子细胞中。在有丝分裂期间，染

13、色质凝集成染色体，转录活性降低，细胞质内的多聚核糖体也大部分解体了。除非组蛋白外，蛋白质合成显著下降。RNA的合成则完全停止。三、细胞周期检查点细胞中存在着完善的细胞周期控制系统（cell cycle control system），不仅控制着细胞周期中每一个事件顺序进行，还对其控制的过程中反馈回来的信息做出反应。当某个过程发生故障，此信号被送至控制系统，从而延迟该过程进入下一个阶段。这些延迟为修复故障提供时间，也避免了由于周期进程过早地进入下一个阶段造成的损伤。细胞周期中有4个点负责监控反馈信号及阻滞细胞周期进程，这些点称为检查点（checkpoint）。它们分别是G1 /S期检查点，S期检

14、查点，G2 /M期检查点和M期检查点（图12-2）。图12-2 细胞周期中的检查点（引自Lodish等，2000） 参照前书图15-2G1 /S期和G2 /M期检查点主要监测细胞生长状态、环境条件及DNA损伤情况。细胞在分裂前必须增加体积，否则随着每次分裂细胞会越来越小，在未达到指标前，细胞周期进程会暂时停滞在G1 /S期和G2 /M期检查点，直到细胞长到合适的尺寸才进入下一个阶段。环境因素也影响细胞通过检查点，如营养短缺使一些细胞周期关键蛋白的合成率低，就不能触发细胞进入下一个时期。当染色体中的DNA由于物理或化学因素受损伤，容易产生缺失、基因扩增和染色体重组，这些均增加了基因组的不稳定，使

15、细胞恶变。细胞周期暂时停滞在这些DNA损伤检查点上，为修复DNA损伤提供了时间，修复后细胞周期进程又继续下去。若损伤严重则细胞在此处发生凋亡。G1 /S期检查点就是前文所述的酵母细胞中的起始点及哺乳动物细胞中的限制点，是芽殖酵母和哺乳动物细胞中最主要的检查点，能防止受损的碱基复制，修复染色体中的突变。G2 /M期检查点是裂殖酵母中最主要的检查点，能使细胞在进入分裂期之前修复已复制好的DNA上出现的损伤。S期检查点监测DNA复制有没有完成，若DNA复制不完全细胞就不能开始分裂，其控制作用包括识别未复制的DNA及抑制有丝分裂促进因子的活性。M期检查点监测纺锤体有没有组装好，是否每条染色体都通过微管

16、与纺锤体两极相连。如果染色体没有全部连接到纺锤体上就开始分离，这样一个子细胞就得到一套不完全的染色体，而另一个子细胞得到过多的染色体。未与纺锤体相连的染色体向细胞周期控制系统发出一个信号，染色体分离就被延迟。目前对检查点阻止细胞周期进程的分子机制尚不完全清楚，已知都与细胞周期控制系统的蛋白质活性受到抑制有关。研究检查点失活的突变细胞发现：即使DNA复制或纺锤体组装不完全，细胞周期也能继续，这一点暗示了检查点通常不是细胞周期进程所必需的，是附加到细胞周期控制系统中的一种刹车系统（braking system），以提供更精细的调控形式。失去检查点调控的细胞中DNA发生基因扩增、重排、突变的几率增高

17、，从而增加了细胞癌化的可能。第二节 细胞分裂真核细胞的分裂方式可分为无丝分裂（amitosis）、有丝分裂(mitosis)和减数分裂(meiosis)三种。有丝分裂是细胞的基本分裂形式，无丝分裂常见于原生生物，而减数分裂是生殖细胞形成过程中的特殊分裂形式。一、 无丝分裂 无丝分裂又称直接分裂（direct division），是指间期细胞核直接分裂成大小大致相等的两部分，不形成染色体和纺锤丝的细胞分裂形式。无丝分裂过程首先是细胞核拉长，从中间断裂，细胞随之分裂成两个子细胞。在这一过程中，核膜不消失，不形成染色体，也没有纺锤体，因此遗传物质不一定平均分配给两个子细胞，至今对于进行无丝分裂的细胞

18、如何维持其遗传稳定性仍不清楚。无丝分裂是低等生物细胞增殖的主要方式，但也普遍存在于高等生物的组织细胞中，如动物的肌肉组织、肝等细胞，另外正常组织细胞在受到创伤或发生癌变、衰老时也能进行无丝分裂。无丝分裂能量消耗少、分裂迅速、分裂中细胞仍可继续执行其功能等特点，有利于细胞适应外界环境变化。二、有丝分裂有丝分裂又称间接分裂（indirect division），是真核细胞增殖的主要方式。在有丝分裂过程中，细胞通过形成纺锤丝和染色体，将遗传物质平均分配到两个子细胞中。这个过程根据其形态学特征人为地划分为前期、前中期、中期、后期、末期以及胞质分裂6个阶段（图12-3）。前面5个阶段组成核分裂，随后还有

19、胞质分裂（cytokinesis），一个母细胞要通过核分裂及胞质分裂才能产生两个子细胞。图12-3 细胞有丝分裂图解（引自Alberts等，2002）参照前书图15-3（一）前期前期(prophase)的主要特征是：染色质凝集，分裂极确定，核仁消失。染色质在间期是松散的，进入分裂期后开始螺旋、折叠，这个变化标志着前期开始。随着前期的发展，染色质纤维逐渐浓缩成又粗又短，具有一定数目和形态结构的染色体。由于经过间期的DNA复制和组蛋白合成，每条染色体含有两条相同的姐妹染色单体。每条染色单体具一个着丝粒，着丝粒位于染色体上凹陷的主缢痕部位，是染色体的组成部分，具有保守的DNA重复序列。两条姐妹染色单

20、体在着丝粒处相连。伴随着染色质凝集，构成核仁关键部分的核仁组织区回到所属的染色体上，核仁逐渐分解至消失。中心体（centrosome）是动物细胞中主要的微管组织中心，由一对中心粒（centriole）和其周围的无定型物质构成。这些无定型物质含有许多种蛋白质，有微管结合蛋白、马达蛋白、微管蛋白环状复合物及细胞周期控制系统中的蛋白等。中心体的周围围绕着发散状的微管，如同星光四射，因而中心体与其周围四射的微管合称为星体（aster）。间期已复制好的两个中心体起初都位于细胞内的同一侧，前期开始后，中心体的马达蛋白利用ATP水解产生的能量沿微管移动，牵引两个子中心体分开，各自移动到细胞两极，确定了细胞分

21、裂极。前期末一些蛋白质结合到染色体着丝粒外侧，形成一种特殊结构，称为动粒（kinetochore）。这样每条染色体含有两个朝着相反方向的动粒。动粒是一个圆盘状的蛋白质复合物，分为内、中、外三层结构，内层与着丝粒DNA相互交织；外层为细纤维网络样结构，有微管与之相连；中层有细纤维横跨内外层之间。着丝粒和动粒在细胞分裂过程中都与染色体移动有关。由于着丝粒和动粒在空间位置、结构和功能上密切相关，因而被合称为着丝粒-动粒复合体（centromere-kinetochore complex）。（二）前中期前中期（prometaphase）的主要特征是：核膜破裂，纺锤体形成，染色体与纺锤体相连。前中期以核

22、膜破裂为开端，核纤层蛋白多肽链的多个位点在前期发生磷酸化，从而导致核纤层解聚，核膜因此破裂。破裂的核膜形成许多断片和小泡，散布在细胞之中。当子细胞的核膜重新形成时，这些断片和小泡就参与到新的核膜中。中心体发出由微管蛋白及微管结合蛋白构成的丝状纤维，这些纤维交错排列组成中间宽，两端小的结构，两极是两个中心体，形如纺锤，因此称为纺锤体。纺锤体是细胞分裂过程中出现的一种与染色体分离相关的临时性细胞器。不管是动植物细胞还是单细胞酵母，所有真核细胞的有丝分裂都是由纺锤体来介导的。纺锤体有三种类型的微管：星体微管从中心体向四面八方发散，与两个中心体向细胞两极的移动有关；动粒微管的末端与动粒连接，从而使染色

23、体与纺锤体相连；重叠微管在纺锤体中部相互交叉，负责保证纺锤体形状的对称（图12-4）。三种微管的正端都从中心体发出，向着中心体的都为负端，每种微管行为之所以不同是因为它们的正端和负端结合不同的蛋白质。图12-4 动物细胞中组成纺锤体的三类微管（引自Alberts等，2002）参照前书图15-4前中期染色体凝缩程度比前期更高。核膜破裂后核质与细胞质之间的界膜消失，两个中心体发出的动粒微管分别与成对姐妹染色体两侧的两个动粒相连，这种连接是随机的。随着两极动粒微管正端的装配或解聚，染色体在震荡摇摆中向着细胞赤道面汇集。此时的纺锤体两极距离较短，赤道面直径较大，与同一条染色体相连的两极动粒微管并不等长

24、。 （三）中期中期（metaphase）的主要特征是：染色体达到最大程度的凝集，并排列在细胞中央的赤道面上。此时纺锤体两极距离变长，赤道面直径缩小。经过前中期动粒微管的不断摆动，染色体被拉向细胞赤道面。到中期时纺锤体处于一种动力平衡状态，位于染色体两侧的动粒微管长度相等，染色体长轴垂直于纺锤体轴，着丝粒都位于赤道面上。此时如果用激光破坏一个姐妹染色单体的动粒，染色体就立即被拉向和那个完整动粒相连的纺锤体极。（四）后期后期（anaphase）的主要特征是：姐妹染色单体分离，并向细胞两极移动。两条姐妹染色单体分离后各成为一条独立的染色体，形成子代染色体。染色单体的分离打破了力的平衡，两套子染色体以

25、等速向两极移动。染色体分离要经过两个步骤，由此可将后期划分为后期A和后期B（图12-5）。后期A中动粒微管由于解聚而缩短，使染色单体分离并向着两极移动。后期B中，子代染色体已分开了一段距离，纺锤体拉长。有两个力在这里起作用，一是重叠微管伸长并相互滑动将纺锤体两极推开；另一方面，星体微管向外的作用力也使纺锤体两极向着相反方向分开。后期A依靠动粒上的马达蛋白以及动粒微管的解聚牵拉子染色体向两极移动。后期B则依靠纺锤体两极处的马达蛋白将两极间距离拉长。由于介导这两个过程的马达蛋白对药物的敏感性不同，因此这两个过程对药物的敏感性也不同。图12-5 哺乳动物细胞有丝分裂后期使子染色体分离的主要力量（引自

26、Alberts等，2002） 参照前书图15-5 （五）末期末期（telophase）的主要特征是：子染色体解凝集，核仁再次出现，核膜重新装配，最后形成两个子细胞核。后期末染色体已经平均分配到细胞两极，组蛋白H1分子去磷酸化，使凝集的染色体解螺旋成染色质纤维，恢复成间期状态，从而基因转录又重新开始，核仁再次出现。进入末期后，动粒微管消失，重叠微管进一步伸长，细胞比后期更长。前中期核膜破裂形成的小膜泡和膜碎片在有丝分裂过程中一直分散在纺锤体周围，一些核孔复合体则仍附着在染色体上。末期时核膜碎片与各个染色体的表面结合，随后碎片融合重建核膜。在此过程中首先是一些小膜泡和碎片融合成较大的双层膜片段，部

27、分包围染色体，随后再结合在一起组成完整的核膜。与此同时核孔复合体与核膜结合，去磷酸化的核纤层蛋白重新连接组成核纤层。核纤层蛋白B在整个有丝分裂过程中一直与核膜碎片结合，这也有助于核的组装。一旦核膜重建，两个子细胞核形成，核分裂完成。（六）胞质分裂胞质分裂的主要特征是：细胞质成分分到两个子细胞区域，细胞拉长，动物细胞质膜发生皱褶和凹陷，植物细胞中央出现细胞板，最后产生两个子细胞。在大多数细胞中胞质分裂与核分裂不是截然分开的，该阶段通常起始于后期，直到两个子细胞核形成后才完成。在动物细胞和许多单细胞真核生物中，胞质分裂开始时，肌动蛋白纤维、肌球蛋白II纤维及许多调节蛋白在细胞赤道部位的质膜下方大量

28、聚集，并附着在质膜胞质面的膜蛋白上，形成一个致密的由微丝组成的环形结构，称为收缩环。收缩环是细胞内为执行胞质分裂而形成的临时性结构，一旦细胞分裂完成，收缩环就解体了。肌动蛋白纤维、肌球蛋白II纤维相互间滑动使收缩环不断向内收缩，使细胞赤道面周围出现环形凹陷，称为分裂沟（cleavage furrow）。随着细胞分裂从后期向末期转化，分裂沟迅速变深直到完全将细胞一分为二。细胞形状也逐渐变为椭圆形、哑铃形，直到两个子细胞完全分离。收缩环及细胞分裂平面的位置是由纺锤体的位置决定的。大多数动物细胞中纺锤体位于细胞中央，细胞分裂面与纺锤体的赤道面一致，则细胞对称地分裂，产生的两个子细胞大小相同，包含的成

29、分相似。有些胚胎发育期的细胞纺锤体不在细胞中央，导致产生两个大小不同，包含成分也不同的细胞。伴随胞质分裂，细胞不断拉长，需要有更多的细胞膜补充进来。细胞内的小膜泡插入到紧邻收缩环的细胞膜中，融合形成新的细胞膜。每个子细胞除了获得一套完整的染色体外还必须继承所有其它细胞成分，如细胞器和细胞中的酶等。线粒体和叶绿体一类的细胞器通常在细胞分裂前数量翻倍，然后分到两个子细胞中去。内质网在间期时与细胞膜及细胞骨架结合，进入分裂期后，微管重组，内质网与细胞骨架分离并象核膜一样崩解成碎片；高尔基体也崩解成碎片。这些细胞器碎片通过马达蛋白与纺锤体微管连接，在后期随纺锤体拉长而搭便车进入到两个子细胞中去。中心体

30、在间期复制，在前期时分到细胞两极，到细胞分裂结束，每个子细胞获得一个中心体。三、减数分裂减数分裂是生殖细胞形成过程中的特殊的有丝分裂。减数分裂的主要特点是：DNA复制一次，细胞连续分裂两次，分别称为减数分裂期I和减数分裂期II，最后产生4个子细胞，每个子细胞所含的染色体数目比亲代细胞减少一半，所以称为减数分裂。由于减数分裂只发生在生殖细胞的成熟阶段，因此又称为成熟分裂。减数分裂的具体过程详见十五章。减数分裂与有丝分裂过程的主要区别在于：有丝分裂是DNA复制1次，细胞分裂1次，子细胞仍为两倍体；减数分裂是DNA复制1次，细胞分裂2次，子细胞为单倍体。有丝分裂产生的子细胞遗传物质不变；减数分裂中染

31、色体发生配对、联会、交叉和片段交换等变化，使子细胞遗传物质产生多样性。第三节 细胞周期的调控为了使细胞周期顺利进行，真核细胞进化产生了一套复杂的蛋白质网络系统，来严格控制细胞周期进程，称为细胞周期控制系统（以下简称控制系统）。这个系统是由一系列有规律的生化反应来控制周期的主要事件，并使细胞对来自细胞内外的各种信号做出反应。在细胞内，控制系统监测细胞周期进程，使得早期事件完成后晚期事件才能发生，例如有丝分裂必须要等到DNA复制完全才能进行。控制系统也监测细胞的外部条件，例如在多细胞生物中控制系统对来自其他细胞的信号高度敏感，当机体需要更多细胞时，就刺激细胞分裂，而不需要时就阻止细胞分裂。因此细胞

32、周期控制系统还在调节机体组织的细胞数目中起了中心作用。当这个系统发生故障，细胞就会过度增殖而导致癌症。细胞周期控制系统的核心是一类称为cyclin-Cdk的复合物，其中的cyclin调节Cdk在不同的细胞周期阶段发挥激酶作用，使与细胞周期有关的蛋白质发生磷酸化而产生相应的周期事件。 一、常用的细胞周期调控研究系统 细胞周期的基本过程和它的控制系统在所有真核细胞中是一样的。控制系统中的蛋白质最早在十亿年前就出现了，它们经过进化之后仍然保持高度保守。从酵母细胞到人类细胞这些蛋白质都在完美地发挥作用。下面介绍三种常用的研究细胞周期调控的真核生物系统：酵母、蛙胚和体外培养的哺乳动物细胞，目前取得的关于

33、细胞周期的知识很多都来自于这些系统。(一) 酵母 酵母是一种单细胞真菌，其细胞周期控制机制与人类非常相似。有两个品种的酵母在细胞周期研究中被广泛应用，一种是非洲粟酒酵母（ Schizosaccharomyces pombe，以下简称裂殖酵母 ），它是一种棒状细胞，通过在细胞中央生成一个中隔或细胞板而分裂。另一种是啤酒酵母（ Saccharomyces cerevisiae ，以下简称芽殖酵母），这是一种通过形成芽体分裂的卵形细胞，其芽体首先在G1期出现然后逐渐生长直到有丝分裂后从母细胞上分离。 虽然它们的外表不同，这两种酵母在研究中具有同样的重要特征。它们的繁殖速度几乎与细菌一样快，而基因组只

34、比哺乳动物少1%。酵母能经受住分子遗传处理，其基因能被剔除、替代或改变。最重要的是，它们能以单倍体状态繁殖。单倍体细胞避免了基因的两个拷贝引起的复杂情况，因此分离和研究单个基因失活的突变体较为容易。（二）蛙卵 两栖动物巨大的受精卵携带了细胞分裂所需的大量储备蛋白，因此是分析细胞周期生化机理的理想材料。例如非洲爪蟾（Xenopus）卵，直径超过1mm，携带了比一个普通的人体细胞多十万倍的细胞质。爪蟾卵的受精触发了一个快得惊人的细胞分裂过程，称为卵裂。在此期间受精卵细胞不断分裂而不生长，生成一个包含成千个细胞的胚胎。在卵裂过程中，除了产生成千个新细胞核所需的DNA复制外，只有少量的蛋白质合成。 爪

35、蟾早期胚胎细胞不需生长，也不需复杂的细胞周期操纵机制，就能极快速地分裂，是其被用来进行细胞周期研究的有利条件。另外爪蟾卵细胞体积大，比较容易将试验物质注射进去，以确定这些物质对细胞周期的影响。另外也可以从爪蟾卵中制备纯细胞质，然后在试管中重建许多细胞周期事件。有了这样的细胞提取物，就能够在高度简化及可控制的条件下观察和操纵细胞周期事件。（三）哺乳动物体外培养细胞 在一个完整的哺乳动物中不容易观察单个细胞，因此大多数对哺乳动物细胞周期控制的研究都利用从正常组织或肿瘤中分离的细胞，将这些细胞在含有特殊营养或其它因子的体外环境中培养，可以观察其细胞周期控制系统。有些突变的哺乳动物细胞在培养条件下能快

36、速而无限地增殖，成为“永生”细胞系。虽然它们是不正常的，但由于它们提供了无限多的遗传上完全相同的细胞，因此被广泛地用于细胞周期研究。此外这些细胞有足够大的体积允许对细胞周期事件进行详细的细胞学的观察，而且能对细胞周期控制系统中的蛋白质进行生化分析。二、调控细胞周期的关键因子（一）M期促进因子的发现 对细胞周期控制机制的发现最初来源于两个实验。第一个实验是用体外培养的哺乳动物细胞做的。1970年，Johnson和Rao将M期细胞与间期细胞融合，这样间期细胞核就暴露在M期细胞质中。结果发现间期细胞发生了形态各异的染色体凝集，称为染色体超前凝集（premature chromosome conden

37、sation，简称PCC）。并且不管间期细胞是否已经完成了DNA复制，都直接进入有丝分裂期。因此他们认为M期细胞中存在一种诱导染色体凝集，促使细胞有丝分裂的因子，称为M期促进因子（M-phase-promoting factor，简称MPF）。另一个实验是用非洲爪蟾卵母细胞（zygote）做的。卵母细胞经过生长阶段，为分裂提供了充足的细胞质来源，随后就被阻滞在减数分裂期I的G2期。卵母细胞成熟需要雌激素孕酮的刺激，在孕酮作用下，卵母细胞的染色体凝集，通过减数分裂期I，最后停留在减数分裂期II的M期中期，成为成熟的卵细胞（egg）。1971年，Masui和Markert用孕酮对卵母细胞进行体外刺

38、激，诱导其由减数分裂期I的G2期进入减数分裂期II的M期。然后将该M期卵细胞的细胞质注射到停滞在G2期的卵母细胞中，则后者也进入M期，细胞核膜破裂，纺锤体形成，最后发育成熟（图12-6（A）。而将间期细胞质注射入卵母细胞，其仍然停留在G2期（图12-6（B）。因此他们认为成熟卵细胞的细胞质中有一种物质，能诱导不成熟的卵母细胞成熟，称之为成熟促进因子（maturation-promoting factor，简称MPF）。 图12-6 M期卵细胞质移植实验发现MPF（引自Alberts等，1994）参照前书图15-7后来证实驱使卵母细胞成熟和间期细胞进入有丝分裂期的是同一种物质MPF，即成熟促进因

39、子与M期促进因子是完全相同的，其作用就是促进细胞分裂。（二）周期蛋白1983年以Hunt为代表的科学家以海胆卵为材料研究细胞周期，他们使一组海胆卵细胞在含有放射性氨基酸的海水中受精，检测受精卵中的蛋白质合成，由于新合成的蛋白质带放射性而可被检测到。实验显示出大多数的蛋白质在受精后的卵裂周期中持续积累，但是有一类蛋白质的含量随细胞周期进程变化而变化。它们往往在间期积累，随后在分裂时突然降解，在下一个细胞周期中又重复这一周期性的合成与降解，这种模式使这类蛋白质赢得了细胞周期蛋白（cyclin）的名称，简称周期蛋白。以后的研究发现，周期蛋白在所有真核细胞中都存在。目前已经发现了数十种周期蛋白，在酵母

40、细胞中有Cln、Clb、Cig，哺乳动物中有cyclinAH等，它们都是一个相关基因家族产生的功能类似的同源蛋白。（三）周期蛋白依赖性激酶以L.Hartwell和P.Nurse为代表的科学家通过对酵母突变体的研究，发现了一类蛋白激酶，能使许多与细胞周期有关的蛋白质磷酸化，从而在细胞周期调控中起了关键作用。这类蛋白质必须与周期蛋白结合才能发挥激酶活性，因此被称为周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase，简称Cdk）。目前已经发现多种Cdk，根据发现的次序命名为Cdk18。随着研究的深入，发现Cdk激酶家族是驱动细胞周期进程的引擎，这些激酶的活性受周期蛋白的影响而周期性地

41、上升或下降。这种变化直接导致细胞内蛋白质磷酸化的周期性变化，这会启动或调节细胞周期的主要事件，例如DNA复制、有丝分裂、染色体凝集、核膜破裂及纺锤体装配。因此简单地说，细胞周期控制系统的核心就是cyclin-Cdk复合物，其中cyclin是调节亚基，Cdk是催化亚基（图12-7）。前者周期性地与Cdk结合及分离，从而周期性地调节Cdk激酶活性，使得Cdk在不同的细胞周期阶段磷酸化特定蛋白上的丝氨酸和苏氨酸残基，造成这些蛋白质结构和功能的变化，从而产生相应的细胞周期事件。而MPF就是其中一种cyclin-Cdk复合物，也可以称作M-Cdk，其中的cyclin含量在M期达到高峰，因此在M期起作用。

42、 图12-7 cyclin-Cdk复合物（引自Alberts等，1994） 参照前书图15-8三、Cdk活性的调节（一）周期蛋白对Cdk活性的调节调节Cdk活性最主要的蛋白质是周期蛋白。Cdk必须与周期蛋白结合才有蛋白激酶活性，每个Cdk分子中都有一小段与周期蛋白结合有关的保守序列。周期蛋白最初被这样命名是因为它们在每个细胞周期中经历周期性合成与降解。相反，Cdk水平是不变的。周期蛋白水平的周期性变化导致cyclin-Cdk复合物周期性地装配和活化，这种活化转而触发细胞周期事件（图12-8）。图12-8 细胞周期控制系统的核心（引自Alberts等，1994） （图中只显示了推动S期和M期的c

43、yclin-Cdk复合物）参照前书图15-9以周期蛋白与Cdk结合并起作用的细胞周期阶段来划分，共有4类周期蛋白。 1G1-cyclin 在大多数细胞中，与以Cdk4为主的几种激酶结合，在晚G1期使细胞通过G 1/S期检查点。2 G 1/S-cyclin 在G1期末与Cdk结合，推动细胞进行DNA复制，使细胞由G1期向S期过渡。 3S-cyclin 在S期时与Cdk结合，是DNA复制起始所需的。4M-cyclin 在S期末与Cdk1结合，促进分裂。在酵母细胞中，一种Cdk与所有类型的cyclin结合，Cdk通过在细胞周期不同阶段与不同的cyclin组分结合来驱动所有的细胞周期事件。相反，在脊椎

44、动物细胞中，至少有4种Cdk。其中两种与G1-cyclin相互作用，一种与G1/S-cyclin及S-cyclin结合，另一种与M-cyclin结合。本章中简称这些不同的cyclin-Cdk复合物为G1-Cdk，G1/S-Cdk，S-Cdk和M-Cdk。Cdk和cyclin的名称见表15-1。这些不同的cyclin-Cdk复合物如何驱动不同的细胞周期事件呢？目前看来似乎cyclin不单单使其Cdk组分活化，还引导它到特定的靶蛋白。因此，每种cyclin-Cdk复合物磷酸化一组特异的底物蛋白，产生不同的效应。对Cdk和cyclin三维结构的研究揭示了没有cyclin时，Cdk蛋白的活性位点被其自

45、身的一部分遮蔽，这部分蛋白质区域称为T环(T-loop)。cyclin的结合使T环从活性位点移开，导致Cdk部分活化。表15-1 脊椎动物和芽殖酵母中主要的cyclin和Cdkcyclin-Cdk 脊椎动物 芽殖酵母复合物 cyclin Cdk cyclin CdkG1-Cdk cyclinD* Cdk4, Cdk6 Cln3 Cdk1*G 1/S-Cdk cyclinE Cdk2 Cln1,2 Cdk1S-Cdk cyclinA Cdk2 Clb5,6 Cdk1M-Cdk cyclinB Cdk1* Clb1,2,3,4 Cdk1 *哺乳动物有3种cyclin，即cyclinD1，D2，D3

46、。 *Cdk1即脊椎动物和裂殖酵母中的Cdc2，芽殖酵母中的Cdc28。 cyclin并不总是与Cdk结合在一起，而是在细胞周期不同阶段有规律地降解，也就使得Cdk周期性地失活。cyclin上有与自身降解有关的特殊的氨基酸序列。在M-cyclin的N-末端都有一段9个氨基酸的同源序列，称为破坏盒（destruction box）。破坏盒序列在M-cyclin降解中起到重要作用，缺乏破坏盒的cyclin突变体就不能被降解。其他cyclin的C-末端有PEST序列，与它们的降解有关。cyclin降解时首先要被加上多个泛素（ubiquitin，简称Ub）分子，此过程称为多聚泛素化(polyubiqu

47、itination)。泛素是一种高度保守的蛋白质，含76个氨基酸。多聚泛素化使靶蛋白与多个泛素分子连接，多聚泛素链成为蛋白质的标记物，从而使靶蛋白可被一种称为蛋白酶体（proteasome）的多酶体蛋白识别而降解。泛素连接到靶蛋白上需要3种酶。以M-cyclin的降解为例，首先泛素的C-末端与泛素活化酶（ubiquitin-activating enzyme，E1）的胱氨酸残基间形成硫酯键，此过程使泛素活化。随后泛素从E1转移到泛素结合酶（Ub-conjugating enzyme，E2）的胱氨酸上。接着第3个蛋白质泛素连接酶（ubiquitin ligase，E3）识别破坏盒序列，使泛素与破

48、坏盒附近的赖氨酸残基共价连接。此后多个泛素分子相继与前一个泛素分子的赖氨酸残基相连，形成一条多聚泛素链，随后蛋白酶体迅速将标记后的M-cyclin降解（图12-9）。 图12-9 M-cyclin的多聚泛素化及降解（引自Lodish等，2000）参照前书图15-10有两种泛素连接酶在cyclin和其它细胞周期调节蛋白的降解中起重要作用，它们都是含有多个亚基的酶复合物。一个叫做SCF( Skp1-cullin-F-box protein，简称SCF)，在G1期和S期负责介导G1/S-cyclin及S-Cdk抑制蛋白的多聚泛素化降解。另一个称为后期促进复合物(anaphase-promoting

49、complex，简称APC)，在M期负责介导M-cyclin和其它有丝分裂调节蛋白的多聚泛素化降解。SCF和APC都能识别靶蛋白特殊氨基酸序列，但它们由不同途径调节底物泛素化。SCF的活性在细胞周期中是不变的。SCF介导的泛素化是通过识别靶蛋白的磷酸化状态来控制的（图12-10A），即只有特定的磷酸化蛋白能被识别、泛素化及降解。如图中Cdk抑制蛋白(Cdk inhibitor protein，简称CKI)磷酸化后，SCF才能识别它。随后SCF作为泛素连接酶，在E1和E2帮助下将多个泛素分子转移到CKI上，于是泛素化的CKI立即被蛋白酶体识别并降解。相反，APC的活性在细胞周期的不同阶段是变化的

50、。APC主要通过加上一个活化亚基来起作用（图12-10B），有丝分裂后期无活性的APC连接上一个活化亚基Cdc20而被激活，随后使M-cyclin经多聚泛素化途径降解。图12-10 细胞周期中SCF和APC控制的蛋白水解(引自Alberts等，2002)参照前书图15-11细胞周期中三个关键的转换，G1 期到S期，中期到后期，后期到末期及胞质分裂是不可逆转的，因为这些转换是由受调节的蛋白质降解触发的，由于蛋白质降解是不可逆的，因此细胞周期进程只能以一个方向前进。细胞周期各阶段特征性的cyclin的合成与降解是交替进行的。如图12-11所示哺乳动物细胞中，G0期既没有cyclin也没有Cdk表达

51、，因此细胞不能增殖。当给予生长因子刺激后，G0期细胞进入细胞周期。此时先有G1-cyclin（即cyclinD）的合成，与Cdk4/Cdk6结合后，Cdk发挥激酶活性，使一些转录因子磷酸化而活化，促进G1/S-cyclin（即 cyclinE）的积累而刺激Cdk2的活性，从而激活另一些转录因子，使与DNA合成有关的基因表达，细胞即由G1期进入S期。进入S期后，cyclinD、E降解，S-cyclin（即 cyclinA）合成增加，与Cdk2结合调控DNA复制。当细胞由S期转化到G2期时，M-cyclin（即 cyclinB）开始合成积累，与Cdk结合。在S期起过作用的cyclinA大部分降解，

52、还有少量与Cdk1结合推动细胞进入M期。M期中Cdk1活性达到最大后，cyclin降解。因此，细胞周期的顺序进行取决于何种cyclin的表达及降解。图12-11 哺乳动物细胞周期各阶段中不同cyclin的含量变化(引自Lodish等，2000)参照前书图15-12（二）磷酸化对Cdk活性的调节 cyclin与Cdk的结合是决定Cdk活性的必要条件。然而仅与cyclin结合并不能使Cdk完全活化，还需要几种激酶对Cdk活性进行精细调节。以裂殖酵母M-Cdk的活化为例，首先cyclinB与Cdk1结合形成复合物，该复合物没有活性。随后一种抑制激酶Wee1催化Cdk蛋白第15位酪氨酸残基磷酸化，复合

53、物仍没有活性。接着一种叫MO15的Cdk活化激酶（Cdk activating kinase，简称CAK）催化Cdk第161位即T环上的一个苏氨酸残基磷酸化，改变了T环的形状，使Cdk的催化位点激活，但由于此时Cdk第15位酪氨酸残基磷酸化而仍没有活性。最后一种蛋白磷酸酶Cdc25使Cdk第15位酪氨酸残基去磷酸化，Cdk才被激活 (图12-12 ) 。 图12-12 Cdk活性的多重磷酸化调节(引自Lodish等，2000)参照前书图15-13Wee1和Cdc25 对M-Cdk的作用相反，根据细胞的不同情况，两者的活性相互平衡，共同调节M-Cdk活性。当细胞在G2期没有长到足够大小，Wee1

54、活化，使M-Cdk磷酸化而抑制活性，从而细胞不能进入M期；当细胞长到足够大了且DNA复制完全则Cdc25活化，就使M-Cdk去磷酸化而被激活，细胞进入M期。活化后的M-Cdk又磷酸化激活那些未活化的Cdc25，使Wee1磷酸化失活，从而使更多的M-Cdk被活化。因此M-Cdk的活化是一个自我催化的过程，这使得M-Cdk的活性水平在短期内迅速提高，促使细胞进入M期。（三）Cdk抑制蛋白对Cdk活性的调节 除周期蛋白和多重磷酸化对Cdk激酶活性进行调控外，细胞内还有一些对Cdk激酶活性起负调控作用的蛋白质，称为Cdk抑制蛋白（CKI）。它们往往在检查点处抑制Cdk活性而阻止细胞周期进程。目前已经发

55、现多种CKI蛋白，哺乳动物中根据分子量的不同划分为p15，p16，p21，p24，p27等，芽殖酵母中有Sic1。 CKI通过与cyclin-Cdk复合物结合来调节其活性。 cyclin-Cdk-CKI复合物的三维结构显示CKI的结合改变了Cdk活性位点的构型，致使其失活。例如 p27与有活性的cyclin-Cdk复合物的两个亚基都结合，改变了Cdk的活性位点构型，还插入到ATP结合位点上，进一步抑制了酶的活性。不同的CKI在细胞周期的不同阶段与Cdk单独结合或与cyclin-Cdk复合物结合，抑制Cdk激酶活性，从而阻止细胞周期进程的发展。如p27在G1期抑制G1/S-Cdk和S-Cdk的活

56、性，阻止细胞进入S期；p21在G1期DNA损伤后抑制G1/S-Cdk和S-Cdk活性；p16在G1期早期与Cdk4/Cdk6结合，破坏了G1-Cdk的结构，抑制Cdk激酶活性。CKI抑制cyclin-Cdk复合物的活性，也就是抑制细胞增殖，它们与促进细胞增殖的因素相互协调，共同控制细胞增殖周期进程。四、细胞周期运转的调控每种cyclin-Cdk复合物都是触发一些特定细胞周期事件的分子开关。接下去我们要了解开关怎样启动这些事件，以及这些开关如何按正确的次序启动并且在每个细胞周期中只启动一次。（一）G1-Cdk和G1/S-Cdk促进细胞从G1期向S期转换细胞周期开始时，G1-Cdk首先产生。如果条

57、件合适，G1-Cdk积累到足够水平，细胞就能通过G1 /S期检查点。G1-Cdk产生后激活一些转录因子，这些转录因子能刺激与DNA复制有关的酶表达，还能促使编码G1/S-Cdk和S-Cdk的基因表达，为进入S期做准备。S-Cdk在G1期晚期开始积累，但它们一产生就被S-Cdk抑制蛋白（如芽殖酵母中的Sic1）结合而失活，使DNA复制不能启动。Sic1在有丝分裂的晚期及G1期早期表达，是一种S期抑制因子，专门抑制S-Cdk，而对G1-Cdk和G1/S-Cdk没有影响。接着，在晚G1期组装的G1/S-Cdk将Sic1磷酸化，使其能够被泛素结合酶Cdc34和泛素连接酶SCF识别，随后由多聚泛素化途径降解。抑制蛋白降解后，S-Cdk恢复活性，诱导DNA开始复制，细胞进入S期（图12-13）。图12-13 芽殖酵母中S-Cdk抑制蛋白Sic1的水解控制G1期向S期转换(引自