【细胞生物学笔记】细胞周期

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一、细胞周期概述

细胞周期是细胞从一次分裂结束开始到下一次分裂结束所经历的全过程，分为间期与分裂期两个阶段，是生命不断更新的过程。

细胞周期中的间期又分为 G1 期、S 期和 G2 期。G1 期主要合成 RNA 和核糖体，细胞体积明显增大，为下一阶段做物质和能量准备。据资料显示，此期物质代谢非常活跃，能迅速合成 RNA 和蛋白质。S 期是细胞周期的关键时刻，合成 DNA 和组蛋白，以及 DNA 复制需要的酶。一般来说，S 期需几个小时。G2 期为分裂期做最后准备，合成大量的 RNA 和蛋白质，如中心粒已复制完毕，形成两个中心体，还合成 RNA 和微管蛋白等，通常需用 1～1.5 小时。

分裂期分为前、中、后、末四个时期。前期染色质丝形成染色体，两个中心体在细胞中形成两极，然后形成纺锤体，核仁逐渐消失，核被膜开始瓦解。中期细胞变为球形，核仁与核被膜完全消失，染色体均移到细胞的赤道平面。后期每一对染色体的两条染色单体分开，向相反方向移动，细胞呈哑铃状。末期染色质丝和核仁重新出现，内质网囊泡变成核被膜，细胞完全分裂为两个子细胞。

细胞周期出现异常可能会造成相关的疾病发生，需及时就医。此外，细胞周期检测还是生物材料生物相容性评价的一种可靠方法和指标。例如，不同质量分数羟基磷灰石浸提液对 L-929 细胞的影响研究表明，该浸提液能增加 L-929 细胞 DNA 的合成，促进细胞生长和组织修复。

二、细胞周期的阶段

（一）间期

1.G1 期：此期长短因细胞而异。体内大部分细胞在完成上一次分裂后，分化并执行各自功能，此 G1 期的早期阶段特称 G0 期。在 G1 期，细胞主要合成 RNA 和核糖体，物质代谢极为活跃。例如消化道上皮细胞及骨髓细胞等增殖细胞能及时从 G1 期进入 S 期，并保持旺盛的分裂能力。同时，该期细胞体积显著增大，为下阶段 S 期的 DNA 复制作好物质和能量的准备。

2.S 期：这是细胞周期的关键时期，主要特征是复制 DNA，使 DNA 含量增加一倍，保证将来分裂时两个子细胞的 DNA 含量不变。在此期间，除了合成 DNA 外，同时还要合成组蛋白，并且 DNA 复制所需要的酶都在这一时期合成。从 G1 期进入 S 期是细胞周期的关键时刻，只要 DNA 的复制一开始，细胞增殖活动就会进行下去，直到分裂成两个子细胞为止。该期中，如果受到某些因素干扰，会影响到 DNA 的复制，而引起细胞的变异或分裂异常终止。

3.G2 期：此期主要为分裂期做准备。DNA 合成终止，但合成少量 RNA 和蛋白质，可能与构成纺锤体的微管蛋白有关。中心粒已复制完毕，形成两个中心体，还合成 RNA 和微管蛋白等。

（二）分裂期

1.前期：染色质丝高度螺旋化，逐渐形成染色体。两个中心体向相反方向移动，在细胞中形成两极，然后形成纺锤体。随着核仁相随染色质的螺旋化，核仁逐渐消失。核被膜开始瓦解为离散的囊泡状内质网。

2.中期：细胞变为球形，核仁与核被膜已完全消失。染色体均移到细胞的赤道平面，从纺锤体两极发出的微管附着于每一个染色体的着丝点上。此时，染色体形态固定，数目清晰，便于观察。

3.后期：由于纺锤体微管的活动，着丝点纵裂，每一染色体的两个染色单体分开，并向相反方向移动，接近各自的中心体，染色单体遂分为两组。与此同时，细胞被拉长，并由于赤道部细胞膜下方环行微丝束的活动，该部缩窄，细胞遂呈哑铃形。

4.末期：染色单体逐渐解螺旋，重新出现染色质丝与核仁；内质网囊泡组合为核被膜；组胞赤道部缩窄加深，最后完全分裂为两个 2 倍体的子细胞。

三、细胞周期与疾病的关系

细胞周期异常可能导致多种疾病，如肿瘤、白血病、淋巴瘤等。营养不良、缺乏维生素 D 和 E、细胞增殖异常、电离辐射等因素可能引起细胞周期异常。

营养不良会导致细胞分裂异常，影响细胞周期的正常规律，使细胞周期缩短。人体由 60 - 75 兆亿个细胞组成，细胞的生长和分裂需要充足的营养物质。当人体缺乏必要的营养素时，细胞无法获得正常生长和分裂所需的原料，从而导致细胞周期异常。

缺乏维生素 D 和 E 也会影响细胞周期。维生素 D 是调节细胞分化和增殖的重要物质，缺乏维生素 D 会导致细胞分裂异常，使细胞分裂时间缩短。维生素 E 作为一种抗氧化剂，可以抑制细胞的氧化损伤，促进细胞的正常代谢。若缺乏维生素 E，细胞分裂会受到影响，导致细胞周期缩短。

细胞增殖异常也是引起细胞周期异常的原因之一。肿瘤细胞的增殖失控就是细胞周期调控紊乱的典型表现。正常细胞的细胞周期受到严格的调控，而肿瘤细胞由于基因突变等原因，细胞周期的调节机制被破坏，导致细胞生长失控，不断分裂增殖，最终形成肿瘤。

电离辐射对细胞周期的影响也不容忽视。电离辐射会引起基因突变、染色体畸变、细胞周期调控异常、DNA 修复功能受损以及免疫监视功能下降。当辐射能量被 DNA 分子吸收时，可能会打断 DNA 链或引起碱基配对错误，导致基因突变，影响血液干细胞的正常功能，进而可能形成白血病。同时，电离辐射还能引起染色体结构的改变，影响多个基因的功能，导致血液干细胞转变为白血病细胞。此外，电离辐射可能破坏细胞周期的调控机制，导致细胞不受控制地进入细胞周期并增殖，还会影响免疫系统，削弱机体对癌变细胞的监控和清除能力。

总之，细胞周期异常与多种疾病密切相关。了解这些因素对细胞周期的影响，有助于我们更好地预防和治疗相关疾病。在日常生活中，我们应注意营养均衡，多吃新鲜的蔬菜和水果，适当运动，增强身体免疫力，同时尽量避免长时间暴露在电离辐射环境中，减少接触放射性物质，关注居住和工作环境的安全，定期进行身体检查，以便早期发现和预防疾病。

四、细胞周期的调控机制

细胞周期的调控是一个复杂而精细的过程，涉及多个方面的机制共同作用。

（一）细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶复合物

不同的细胞周期蛋白在细胞周期的特定阶段积累，并与相应的 CDK 结合形成具有活性的复合物，驱动细胞周期进程。例如，Cyclin D-CDK4/6 复合物在 G1 期起作用，促进细胞从 G0 期进入 G1 期；Cyclin E-CDK2 复合物推动细胞通过 G1 期限制点，向 S 期进展；Cyclin A-CDK2 复合物在 S 期促进 DNA 合成和复制相关蛋白的磷酸化；Cyclin B-CDK1 复合物在 M 期启动细胞从 G2 期进入 M 期，促进有丝分裂相关事件的发生。

（二）细胞周期检查点

在细胞周期的关键阶段设置检查点，以确保细胞周期进程的准确性和完整性。主要的检查点包括 G1/S 检查点、S 期检查点和 G2/M 检查点。

1.G1/S 检查点主要检验分裂后细胞是否足够大，G1 期合成的蛋白质和糖是否充足，是否有生长因子调控，DNA 是否损伤、能否启动 DNA 的复制。如果 DNA 有损伤，那么 G1/S 检验点就能防止 DNA 损伤或是突变的细胞进入 S 期。损伤信号的传递用的是 ATM/ATR，Chk1/Chk2 信号通路，人类还特有 p53/p21 信号通路，启动 SOS 修复。

2.S 期内检验点是为了确保 DNA 复制完毕才能进入 G2 期，检验 DNA 在 S 期复制过程中是否受到损伤，如果有损伤，DNA 复制的起点会受到阻碍，复制速度趋于停滞，同样是启动 SOS 修复机制。

3.G2/M 检查点是决定细胞一分为二的控制点，主要检测 DNA 是否损伤细胞中合成的物质是否够多，细胞的体积是不是足够大。如果在复制的过程中，损伤没有得到修复，在 G2/M 检验点依然会启动 SOS 修复。

4.DNA 复制检验点（S/M 期检验点）是通过调整复制叉移动的速度，调控 DNA 复制的速度。

5.纺锤体组装检验点（M 中 - 后期检验点）检查纺锤体是否正确组装，纺锤丝动粒微管是否正确连接在染色体的着丝粒，如果没有正确组装，就要延长 M 期。

（三）肿瘤抑制基因产物

如 p53 和 Rb 蛋白。p53 在 DNA 损伤时被激活，可引起细胞周期停滞、DNA 修复或细胞凋亡。p53 可促进 P21 蛋白（CDK2 的抑制剂）的表达，从而在细胞周期中抑制 G1 期至 S 期的转换，阻碍细胞进入 DNA 合成期。Rb 蛋白通过与转录因子 E2F 结合来抑制细胞从 G1 期进入 S 期。CDK/cyclin 复合物对 Rb 蛋白具有磷酸化作用，Rb 被磷酸化后其 G1 期停滞作用丧失，而 Rb 非磷酸化时可阻止细胞由 G1 期进入 S 期。

（四）原癌基因产物

某些原癌基因编码的蛋白质参与细胞周期的调控。例如，myc 基因产物可以促进细胞通过 G1 期进入 S 期。人类各种癌症中的关键基因之一是原癌基因，其突变后表达的产物是 G 蛋白，导致细胞周期启动并过度分裂。

（五）细胞外信号

生长因子、激素等细胞外信号可以通过激活细胞内的信号通路，调节细胞周期进程。外部因素如生长因子在携带细胞通过 G1 检查点方面起着至关重要的作用。

（六）泛素 - 蛋白酶体系统

通过降解特定的细胞周期蛋白和 CDK 抑制剂，调节细胞周期蛋白 - CDK 复合物的活性。随着细胞周期的推进，细胞周期蛋白会发生降解，从而降低其与 CDK 形成的复合物的活性，使细胞能够有序地完成一个完整的细胞周期。

五、细胞周期的检测方法及意义

（一）检测方法

1.标记有丝分裂百分率法（PLM）：其原理是对测定细胞进行脉冲标记、定时取材、利用放射自显影技术显示标记细胞，通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期。待测细胞经 3H - 胸腺嘧啶核苷标记后，所有 S 期细胞均被标记。S 期细胞经 G2 期才进入 M 期，所以一段时间内 PLM=0。开始出现标记 M 期细胞时，表示处于 S 期最后阶段的细胞，已渡过 G2 期，所以从 PLM=0 到出现 PLM 的时间间隔为 TG2。S 期细胞逐渐进入 M 期，PLM 上升，到达到最高点的时候说明来自处于 S 最后阶段的细胞，已完成 M，进入 G1 期。所以从开始出现 M 到 PLM 达到最高点（≈100%）的时间间隔就是 M 期的持续时间。当 PLM 开始下降时，表明处于 S 期最初阶段的细胞也已进入 M 期，所以出现 LM 到 PLM 又开始下降的一段时间等于 S 期的持续时间。从 LM 出现到下一次 LM 出现的时间间隔就等于 TC，根据 TC=TG1+TS+TG2+TM 即可求出的 TG1 长度。

2.流式细胞仪 PI 染色法：由于细胞周期各时相的 DNA 含量不同，通常正常细胞的 G1/G0 期具有二倍体细胞的 DNA 含量（2N），而 G2/M 期具有四倍体细胞的 DNA 含量（4N），而 S 期的 DNA 含量介于二倍体和四倍体之间。PI 可以与 DNA 结合，其荧光强度直接反映了细胞内 DNA 含量。通过流式细胞仪 PI 染色法对细胞内 DNA 含量进行检测时，可以将细胞周期各时相区分为 G1/G0 期，S 期和 G2/M 期，获得的流式直方图对应的各细胞周期可通过特殊软件计算各时相的细胞百分率。流式细胞周期检测时，建议选择 6 孔板操作，细胞给药密度在 60% 左右，收样时若孔内有细胞漂浮，细胞上清悬浮液也要收集，选用胰酶消化且严格控制消化时间，收集细胞时离心机选用 4℃，350×g 离心 5 分钟，加入预冷的 PBS 和无水乙醇固定过夜，进行实验时，离心后注意管壁上的细胞，加入周期试剂盒的染色液，避光染色 30 分钟以上，上机测试前最好使用 200 目筛网过筛。

3.基于成像的荧光检测法：FUCCI（fluorescent ubiquitination-based cell-cycle indicator）小球能鉴别细胞处在细胞周期的哪一时期，可用来研究癌症细胞周期的进程。FUCCI 技术建立在鉴定过表达的两种调节细胞周期的蛋白 geminin 和 Cdt1 水平上，其中 geminin 融合的是绿色荧光基团 AmCyan，而 Cdt1 融合的是红色荧光基团 mCherry。Cdt1 蛋白水平在 G1 阶段达到峰值，而 geminin 蛋白水平在 S，G2 和 M 期不断升高，表达 FUCCI 细胞核在 G1 期为红色而在 S，G2 和 M 期则呈现绿色。

（二）检测意义

细胞周期检测具有重要意义。首先，它是生物材料生物相容性评价的可靠方法和指标。例如，不同质量分数羟基磷灰石浸提液对 L-929 细胞的影响研究表明，该浸提液能增加 L-929 细胞 DNA 的合成，促进细胞生长和组织修复，通过细胞周期检测可以评估生物材料对细胞生长和增殖的影响。其次，细胞周期检测有助于了解细胞的生长、增殖和凋亡等情况。通过检测细胞在不同周期阶段的分布，可以判断细胞的生长状态和增殖速度。对于肿瘤研究，细胞周期检测可以帮助了解肿瘤细胞的增殖特点，为肿瘤的诊断和治疗提供依据。此外，细胞周期检测还可以用于药物研发，评估药物对细胞周期的影响，筛选具有特定作用机制的药物。