生物学问题

1细胞周期的概念

活细胞生长到一定阶段，要么繁殖，要么死亡，很少有例外。细胞分裂后，新细胞生长，然后分裂成平均与原始母细胞相同的两个子细胞。这种细胞生长和分裂的循环被称为细胞周期。更具体地说，细胞周期是指细胞在一次分裂后开始生长，到下一次分裂结束的过程。所需的时间称为细胞周期时间。

根据Howard等(Howard和Pelc)在1953中所述，细胞周期的四个阶段时间表如下:(1)从有丝分裂到DNA复制的间隔称为g 1；DNA复制的时期称为S期。S期DNA含量翻倍，只有在这个时期氚标记的胸苷才能混入DNA中，这与其他期提供了一个标志。(DNA复制完成到有丝分裂开始的间隔称为G2期；(4)从细胞分裂开始到结束，即从染色体凝聚分离到平均分配到两个子细胞，分裂后细胞内的DNA减半。这个时期称为M期或D期(图14-1)。细胞分裂期的开始标志着G2期的结束。

分裂完成后，只有一部分子细胞进入G1期并开始第二个周期，其他细胞不进入周期并分化。在G1期后期，有一个决定点(D)，决定细胞是否再次启动代谢序列，引导细胞有丝分裂，或者离开周期进入休眠期，然后停止跟随周期。但哺乳动物细胞存在差异，根据其合成DNA和分裂的能力可分为三类:第一类维持继续分裂的能力，然后进入细胞周期，从这次有丝分裂到下一次分裂；第二组细胞永远失去了分裂的能力；第三类是静态细胞群体。正常情况下，它们不能合成DNA，也不能分裂。但是经过适当的刺激，它们可以重新进入循环，开始分裂。这些细胞被称为G0细胞(不包括在循环中)(图14-2)。G0和G1细胞在形态和功能上是不同的。比如两者都能合成RNA和蛋白质，但G0细胞增强放线菌素D和吖啶橙的结合。

2细胞周期的过程

从表14-3中细胞周期的生化活动可以看出，蛋白质、RNA、DNA都是在间期合成，然后进入分裂期。G1期主要是关于生长，最重要的是控制细胞繁殖的速度。繁殖的细胞可以快速通过G1期，而在多细胞生物中，一些细胞可以暂时或永久停留在该期停止繁殖。

s期是DNA的复制期。DNA复制所需的酶都是在这个时期合成的。真核生物染色体的DNA分子上有许多复制单位。例如，人类46条染色体上约有70，000个复制单位，平均每条染色体约65，438+0，300个。这些复制单位在S期开始时并不都是复制的，只是前期和后期有一些是错开的，都是在S期复制的。如果复制单元在前一个S周期早期复制，它将在下一个S周期早期复制。发现常染色质和异染色质中的DNA复制也是有序列的，常染色质在S期早期，异染色质在S期晚期。能转录的是S期早期，不能转录的是S期晚期。至于如何控制这么多复制单元进行复制的机制，目前还不得而知。

G2期是进入细胞有丝分裂的准备期。在此期间，需要合成新的RNA和蛋白质。如果它们的合成被抑制，就会阻止它们进入G2期。G2期出现一些蛋白，但在有丝分裂末期消失。这些蛋白质中的一些被称为成熟促进因子(MPF)，其仅在G2期合成。它们可以将分裂间期核膜中断裂的染色质浓缩成有丝分裂染色体形式。这种MPF首先在成熟的非洲爪蟾卵母细胞中被鉴定，然后在哺乳动物卵母细胞的减数分裂、体细胞的有丝分裂和酵母的有丝分裂中被鉴定。如果将从哺乳动物有丝分裂细胞中提取的半纯MPF注射到未成熟的非洲爪蟾卵母细胞中，核膜也可以被打破，并且可以聚集未成熟的染色体。

Johnson和Rao在灭活仙台病毒介导下获得的融合细胞中早在1970就发现了染色体过早凝集的现象。有丝分裂细胞和间期细胞的融合导致间期核膜的崩溃，染色质浓缩成分离的染色体。过早凝集染色体的形态取决于融合过程中细胞在间期的位置。G1过早凝集染色体由单一染色单体组成；s期过早凝集染色体“碎片化”，可能是由于DNA复制是在DNA长度的许多复制单位上进行的；G2期前凝集染色体由两条染色单体组成(图14-3)。近年来，他们(Sunkara et al .，1979)发现，引起染色体凝集并经常出现在非洲爪蟾卵母细胞有丝分裂、减数分裂和囊胚(未成熟卵核)崩溃过程中的一些因子是蛋白质，称为有丝分裂因子。它们在G2期合成，在有丝分裂期达到高峰，在G1期开始迅速下降。

在这些研究的基础上，在非洲爪蟾卵母细胞的G2期发现了一种蛋白质，即促成熟因子(MPF ),它也能引起染色体的有丝分裂凝集。如果这种MPF继续存在，分裂的细胞将保持在中期。怎样才能完成有丝分裂？目前，已经从非洲爪蟾卵母细胞中鉴定出抑制MPF的抑制剂。它出现在中期，能使MPF失活。因为可以在中期释放，所以可以完成有丝分裂或减数分裂，再次进入另一个间期。可见这种抑制剂在染色体凝聚中起着重要的调节作用。

分离的间期核用从非洲爪蟾卵母细胞中提取的MPF培养。发现加入MPF 15分钟后，核纤维层中的两种蛋白层粘连蛋白sA和C过度磷酸化，然后核纤维层断裂，这可能是核纤维层蛋白过度磷酸化的结果。30分钟后，核膜融化了。分裂末期，核纤层蛋白去磷酸化，核膜重组。因此，蛋白质的磷酸化与脱磷率、染色质凝集、核纤维层破裂、核膜塌陷和重组密切相关。

3细胞周期的速率

在细胞周期中，最初的G1、S和G2期为生长期，最后的M期为分裂期。这四个阶段的持续时间因细胞类型而异，但尽管受到环境条件的影响，同种细胞的差异仍然很小(表14-1)。

虽然每期时长不同，但还是有相似之处，比如长S期，短M期。最值得注意的相是G1，有的像鸡蛋那么短，G1根本检测不出来。有的和白血病细胞一样长，可以持续十几天。即使是同一系统的细胞，由于所处的位置不同，其细胞周期长度也不同，如消化系统、小鼠食管和十二指肠上皮细胞。它们的总细胞周期时间分别为115小时和15小时。食道的G1期为103小时，而十二指肠的g 1期为6小时。

细胞周期生物化学

了解细胞周期各个时期的合成和生化变化，最好的方法是让培养中的细胞同步生长，否则不可能得到非常正确的结果。现在已经知道，培养基中添加的许多化学物质或培养基缺乏某些化合物，可以使不同步的细胞同步生长，从而获得同质的细胞群体，用于生化分析和细胞生物学的其他研究。例如，秋水仙碱可用于使M期细胞停止在中期，这可用于分析染色体带。表14-2总结了这些药物及其细胞周期抑制期。

小区同步的方法有很多种，下面简单介绍常用的几种:

1.细胞分裂收获法用于动物细胞单层培养，细胞未分裂时，附着于瓶壁表面。当有丝分裂开始时，细胞“站起来”(形成一个球)。这时，如果轻轻摇动瓶子，正在分裂的细胞就会被摇下来。这样每小时摇一次收获一次，放在2-4℃的冰箱里保存，可以连续采集24小时。采集后放入含有适量秋水仙碱的培养液中，在37℃培养箱中培养。处于M期的细胞可以立即开始生长，并停留在中期。

2.代谢抑制法这种方法常用的药物是在培养基中加入过量的胸苷。胸苷是DNA合成的前体，不可或缺。合适的剂量是10-5-10-7mol/L，如果给予过量的胸苷(即10-3mol/L)，脱氧胸苷的合成就会受到抑制，结果就是阻止了DNA的合成。当给予培养中的细胞过量的胸苷时，24小时后，然后洗涤，处于S期的细胞全部前进到G1、M和G1。然后，通过加入过量的胸苷继续培养，将细胞阻滞在G1/s期。洗涤后，可以洗去过量的胸苷，并获得同步化的细胞。如果此时没有完全同步，可以再次加入过量的胸苷。

3.低温培养法这种方法是将宫颈癌细胞在37℃培养24小时，然后在4℃培养65438±0小时，再回到37℃继续培养。17小时后，几乎看不到分裂，但1小时后，约95%的细胞同时分裂，细胞数量翻倍。如果保持这种同步分裂，分裂的细胞可以再次在低温下处理。

通过上述同步化方法，可以将培养中的细胞群体阻断在细胞周期的某一阶段进行各种生化分析，从而了解细胞在不同时期的生化变化。细胞周期各时期的生化活性总结在表14-3中。

G0细胞是可育的，并具有在合适的条件或刺激下重新进入细胞周期的能力。如果大部分肝细胞处于正常的G0状态，如果切除肝脏的一部分，剩余的细胞可以再次进入循环，再生细胞取代被切除的肝组织。再比如唾液腺细胞也处于G0期。如果用异丙肾上腺素(IPR)处理，G0细胞可以被刺激增殖。这个清醒的G0细胞在进入DNA合成阶段之前，会经历一系列的代谢变化。这些生化活性见图14-4。

细胞增殖的调节

为了维持正常的生命和恒定的体重，多细胞生物必须不断增殖新的细胞，以取代那些衰老和死亡的细胞。比如，估计每天约有1-2%的细胞消失，所以每天有上亿的新细胞诞生。在体内不同的组织中，细胞转化的速度是不同的。比如神经元出生很少，而其他类型的细胞增殖很快，比如小肠黏膜和表皮，一些器官的生长介于两者之间。比如肝细胞在不断变化，但速度很慢。一个肝细胞的平均寿命约为18个月，而小肠粘膜细胞只能存活两天。细胞的增殖、分化、迁移和死亡相当复杂，新兴的细胞群体动力学就是研究这些问题的。

关于如何调节细胞的增殖，本文首先介绍大家经常提到的培养条件下的接触抑制。当正常成纤维细胞在组织培养中形成单层细胞时，其生长和运动受到抑制。被抑制的细胞停留在G1期。它们可以在这里停留很多天而没有副作用。当这些细胞从一个培养管移植到新的培养管时，它们可以在细胞周期中继续生长。为什么会这样？其机制尚不清楚。有人(Burger et al .，1970)指出，这种调节的形成是由细胞膜的结构决定的。他们的实验是用胰蛋白酶和其他蛋白酶处理正常的成纤维细胞，当体外培养时，这些细胞具有再次增殖的能力。这是因为细胞经胰蛋白酶处理后，质膜外侧被消化，凝集部位暴露，不再有接触抑制。但是，如果用胰蛋白酶洗去这些处理过的细胞，然后进行培养，它们可以再生正常的质膜(即它们具有完整的外膜)，并且接触抑制得到恢复。这个实验表明，接触抑制与细胞膜的结构密切相关(图14-5)。

生物体内细胞繁殖的调节更为复杂。如上所述，在动物和植物细胞中，细胞繁殖的速率是不同的。同一体内不同组织的细胞繁殖速度也不同，有的受激素调节，有的可以自我调节。例如，骨髓细胞分化成红细胞的繁殖速度由激素促红细胞生成素的刺激决定。它们在肾细胞中的合成速率由血液中的O2水平决定。当O2水平下降时，肾脏中促红细胞生成素的生成增加，这将导致骨髓中红细胞的生成速率增加。红细胞的增加会提高血液中携带O2的能力。随着O2水平的升高，红细胞生成素减少。这种调节机制既能维持红细胞的生成速率以替代消失和死亡的红细胞，又能提高红细胞的生成以适应出血后的失血和高原大气O2减少的影响。

在植物细胞培养中，激素对细胞繁殖的调节作用也很明显。比如在谷类作物细胞的培养中，在培养基中添加适量的2，4-D生长素可以使细胞分裂成细胞团，然后去掉这种激素就可以成功地生长成体细胞胚。

细胞繁殖自我调节最明显的例子是成年哺乳动物肝细胞的繁殖。平时肝细胞处于G1期。肝细胞寿命长，繁殖速度慢。但是一旦切除了大部分肝脏，剩下的细胞就会通过G1期进行有丝分裂。如果把老鼠的肝脏切掉四分之三，剩下的部分可以快速繁殖，几天之内就能恢复到原来的大小。

现在已知细胞分裂和分化也受细胞膜上两种受体的调节。

许多证据表明，激活细胞膜上的两种受体引起的细胞内介质cAMP和GMP的变化，以及由此引起的细胞功能的变化，也可以用阴阳学说来解释(Goldberg，1973)。

6个细胞周期基因

细胞周期的每个时期都需要不同功能的蛋白质。编码这些蛋白质的基因被称为细胞周期基因，或细胞分裂周期基因。比如DNA复制过程中要合成各种酶，需要促成熟因子(MPF)的出现引起染色体凝集。酵母是研究最广泛的细胞周期基因。已知通过条件突变已经鉴定了大约50种不同的cdc基因。条件突变是指仅在一定培养条件下影响基因产物活性的突变。几乎所有的条件突变都是温度敏感的(Ts突变)。比如在酵母中发现了几个对温度敏感的突变，正常的生存温度是35℃。如果在37℃培养，会阻止某些蛋白质的合成，这叫热敏突变。在23℃培养时，又发生了一次突变，称为冷敏感突变。通常这种Ts突变是其中一个氨基酸被替换的结果。改变了基因产物蛋白三维结构形式的稳定性。高于或低于某一温度，就会失去作用。从对这些突变体的研究中发现，一些特定蛋白质的功能与细胞周期密切相关，酵母中的许多蛋白质在细胞周期的各种事件中发挥各自的作用。

7细胞动力学的发展

什么是细胞动力学？细胞动力学是定量研究细胞群体、增殖与分化、分布与消亡的规律，以及它们对生理和理化因素的调节与响应的学科。细胞动力学的研究不仅与肿瘤疾病的诊断、治疗和发病机理密切相关，而且与机体组织的增殖和修复，特别是造血系统疾病(如恶性贫血)、皮肤病(如银屑病)、放射病、计划生育、免疫淋巴细胞的产生和调节等重大问题密切相关。对于这个新学科，尤其是干细胞。，存在于体细胞和生殖细胞中，是最基本的多潜能母细胞，其后代可以向不同方向转化。任何一种造血细胞都可以由造血干细胞分化而来。受致死量照射的动物，通过输注骨髓细胞，可以重建所有淋巴器官，因为骨髓细胞中有干细胞。这项研究是涉及癌症发生和逆转以及治疗肿瘤的根本途径，因此必须予以重视。可见，细胞周期概念的产生和细胞动力学作为一门学科的发展，不仅对细胞生物学产生了重要影响，而且对人类肿瘤的治疗也有重要的指导作用。从正常和肿瘤细胞群体的增殖动力学和细胞周期的研究中获得的一些基本原理，可以为制定合理的治疗方案提供坚实的理论基础。

白血病化疗的原理之一就是利用肿瘤细胞与正常骨髓细胞周期时间的差异(表14-1)，最大限度地杀死肿瘤细胞，保存骨髓细胞。正常骨髓细胞细胞周期短，恢复快，而白血病细胞细胞周期长。第一次给药后，骨髓恢复正常，白血病细胞数量尚未恢复后，第二次给药用于一次杀伤，联合化疗用于重复给药。理论上可以消灭白血病细胞实现“痊愈”，在实践中也取得了很大的进步。但是，我们必须认识到，细胞动力学的发展还处于起步阶段，细胞动力学知识在临床上的应用才刚刚开始。因此，今后有必要进一步研究人体正常组织和体内肿瘤的细胞周期，使细胞增殖动力学与肿瘤治疗的关系更加密切。

细胞分裂需要消耗大量的能量和物质。