第十三章 细胞周期 CELL CYCLE
细胞增殖是生命的基本特征，种族的繁衍、个体的发育、机体的修复等都离不开细胞增 殖。一个受精卵发育为初生婴儿，细胞数目增至1012个，长至成年有1014个，而成人体内每 秒钟仍有数百万新细胞产生，以补偿血细胞、小肠粘膜细胞和上皮细胞的衰老和死亡。细胞增 殖是通过细胞周期(cell cycle)来实现的，而细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视 和调控来保证的。细胞无限制增长对个体来说意味着癌症，个体无限制繁殖对地球来说意味着 灾难。一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。 第一节基本概念 一、什么是细胞周期 细胞周期指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，所需的时间叫细胞周期 时间。可分为四个阶段（图13-1）：①G1期(g即1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的 间隙时间；②S期(synthesis phase),指DNA复制的时期，只有在这一时期H3TDR才能掺 入新合成的DNA中；③G2期(ga即2)，指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间；④ M期又称D期(mitosis or division),细胞分裂开始到结束。 M Daughter G2 cells Chromosome condensation Nuclear envelope breakdown Chromosome Chromosome segregation decondensation Reformation of Chromatids nuclear envelope Cytokinesis G ONA synthesis 图13-1细胞周期可划分为四个阶段 从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：①连续分裂细胞，在细胞周期中连续 运转因而又称为周期细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。②休眠细胞暂不分裂，但在适 当的刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。③不分裂细
细胞增殖是生命的基本特征，种族的繁衍、个体的发育、机体的修复等都离不开细胞增 殖。一个受精卵发育为初生婴儿，细胞数目增至 1012个，长至成年有 1014个，而成人体内每 秒钟仍有数百万新细胞产生，以补偿血细胞、小肠粘膜细胞和上皮细胞的衰老和死亡。细胞增 殖是通过细胞周期（cell cycle）来实现的，而细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视 和调控来保证的。细胞无限制增长对个体来说意味着癌症，个体无限制繁殖对地球来说意味着 灾难。一个大肠杆菌若按 20 分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。 第一节 基本概念 一、什么是细胞周期 细胞周期指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程，所需的时间叫细胞周期 时间。可分为四个阶段（图 13-1）：①G1期(gap1)，指从有丝分裂完成到期 DNA 复制之前的 间隙时间；②S 期(synthesis phase)，指 DNA 复制的时期，只有在这一时期 H3 -TDR 才能掺 入新合成的 DNA 中；③G2期(gap2)，指 DNA 复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间；④ M 期又称 D 期(mitosis or division)，细胞分裂开始到结束。 图 13-1 细胞周期可划分为四个阶段 从增殖的角度来看，可将高等动物的细胞分为三类：①连续分裂细胞，在细胞周期中连续 运转因而又称为周期细胞，如表皮生发层细胞、部分骨髓细胞。②休眠细胞暂不分裂，但在适 当的刺激下可重新进入细胞周期，称 G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞等。③不分裂细
胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞 等等。 细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关，如：小鼠十二指肠上皮细胞的周期为10小 时，人类胃上皮细胞24小时，骨髓细胞18小时，培养的人了成纤维细胞18小时，CHO细 胞14小时，HLa细胞21小时。不同类型细胞的G1长短不同，是造成细胞周期差异的主要 原因。 二、细胞周期时间的测定 标记有丝分裂百分率法(percentage labeled mitoses,PLM)是一种常用的测定细胞周 期时间的方法。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。 有关名词： TG1:G1期的持续时间 TG2:G2期的持续时间 Ts:S期的持续时间 TM:M期的持续时间 Tc:一个细胞周期的持续时间 PLM:标记的有丝分裂细胞所占的比例 TDR:胸腺嘧啶核苷，是DNA的特异前体，能被S期细胞摄入，而掺进DNA中。通常 使用的是H或者14C标记的TDR。 测定原理（图13-2）： ①待测细胞经HTDR标记后，所有S期细胞均被标记。 ②S期细胞经G2期才进入M期，所以一段时间内PLM=0。 ③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。 ④S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TM
胞，指不可逆地脱离细胞周期，不再分裂的细胞，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞 等等。 细胞周期的时间长短与物种的细胞类型有关，如：小鼠十二指肠上皮细胞的周期为 10 小 时，人类胃上皮细胞 24 小时，骨髓细胞 18 小时，培养的人了成纤维细胞 18 小时，CHO 细 胞 14 小时，HeLa细胞 21 小时。不同类型细胞的 G1长短不同，是造成细胞周期差异的主要 原因。 二、细胞周期时间的测定 标记有丝分裂百分率法（percentage labeled mitoses，PLM）是一种常用的测定细胞周 期时间的方法。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。 有关名词： TG1：G1期的持续时间 TG2：G2期的持续时间 TS：S 期的持续时间 TM：M 期的持续时间 TC：一个细胞周期的持续时间 PLM：标记的有丝分裂细胞所占的比例 TDR：胸腺嘧啶核苷，是 DNA 的特异前体，能被 S 期细胞摄入，而掺进 DNA 中。通常 使用的是 3H 或者 14C 标记的 TDR。 测定原理（图 13-2）： ① 待测细胞经 3H-TDR 标记后，所有 S 期细胞均被标记。 ② S 期细胞经 G2期才进入 M 期，所以一段时间内 PLM=0。 ③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。 ④ 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 TM
⑤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Ts。 ⑥从LM出现到下一次LM出现的时间间隔就等于Tc,根据Tc=Tc1+Ts+Tc2+TM即可求 出的TG1长度。 事实上由于一个细胞群体中Tc和各时相不尽相同，第一个峰常达不到100%，以后的峰 会发生衰减，PLM不一定会下降到零，所以实际测量时，常以(TG2+1/2TM)-TG2的方式求出 TMo PLM 100 +12TM 50 0 TM 图13-2细胞周期各阶段的时间与PLM的关系 三、细胞同步化 细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步 化，前者称自然同步化，后者称为人工同步化。 (一)自然同步化 1.多核体 如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。数量众多的核处于同一细胞质 中，进行同步化分裂，使细胞核达108，体积达5~6cm。疟原虫也具有类似的情况。 2.某些水生动物的受精卵
⑤ 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 TS。 ⑥ 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。 事实上由于一个细胞群体中 TC 和各时相不尽相同，第一个峰常达不到 100%，以后的峰 会发生衰减，PLM 不一定会下降到零，所以实际测量时，常以（TG2+1/2TM）-TG2的方式求出 TM。 图 13-2 细胞周期各阶段的时间与 PLM 的关系 三、细胞同步化 细胞同步化(synchronization)是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步 化，前者称自然同步化，后者称为人工同步化。 （一）自然同步化 1．多核体 如粘菌只进行核分裂，而不发生胞质分裂，形成多核体。数量众多的核处于同一细胞质 中，进行同步化分裂，使细胞核达 108，体积达 5~6cm。疟原虫也具有类似的情况。 2．某些水生动物的受精卵
如海胆卵可以同时授精，最初的3次细胞分裂是同步的，再如大量海参卵受精后，前9 次细胞分裂都是同步化进行的。 3.增殖抑制解除后的同步分裂 如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。 (二)人工同步化 1.选择同步化 1)有丝分裂选择法：使单层培养的细胞处于对数增殖期，此时分裂活跃，M1高。有丝 分裂细胞变圆隆起，与培养皿的附着性低，此时轻轻振荡，M期细胞脱离器壁，悬浮于培养液 中，收集培养液，再加入新鲜培养液，依法继续收集，则可获得一定数量的中期细胞。其优点 是，操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害，缺点是获得的细胞数量较少。（分裂细胞 约占1%~2%) 2)细胞沉降分离法：不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其 半径的平方成正比，因此可用离心的方法分离。其优点是可用于任何悬浮培养的细胞，缺点是 同步化程度较低。 2.诱导同步化 1)DNA合成阴断法：选用DNA合成的抑制剂，可逆地抑制DNA合成，而不影响其他时 期细胞的运转，最终可将细胞群阻断在S期或GS交界处。5-氟脱氧尿嘧啶、羟基脲、阿糖 胞苷、氨甲蝶呤、高浓度ADR、GDR和TDR,均可抑制DNA合成使细胞同步化。其中高浓 度TDR对S期细胞的毒性较小，因此常用TDR双阻断法诱导细胞同步化： 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR,(Hela,2molL;CHO, 7.5molL)。S期细胞被抑制，其它细胞继续运转，最后停在G1/S交界处。 移去TDR。洗涤细胞并加入新鲜培养液、细胞又开始分裂。当释放时间大于Ts时，所有 细胞均脱离S期，再次加入过量TDR,细胞继续运转至G/S交界处，被过量TDR抑制而停 止。 优点是同步化程度高，适用于任何培养体系。可将几乎所有的细胞同步化。缺点是产生 非均衡生长，个别细胞体积增大。 2)中期阻断法：利用破坏微管的药物将细胞阻断在中期，常用的药物有秋水仙素和秋水 仙酰胺，后者毒性较少。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差
如海胆卵可以同时授精，最初的 3 次细胞分裂是同步的，再如大量海参卵受精后，前 9 次细胞分裂都是同步化进行的。 3．增殖抑制解除后的同步分裂 如真菌的休眠孢子移入适宜环境后，它们一起发芽，同步分裂。 （二）人工同步化 1．选择同步化 1）有丝分裂选择法：使单层培养的细胞处于对数增殖期，此时分裂活跃，MI 高。有丝 分裂细胞变圆隆起，与培养皿的附着性低，此时轻轻振荡，M 期细胞脱离器壁，悬浮于培养液 中，收集培养液，再加入新鲜培养液，依法继续收集，则可获得一定数量的中期细胞。其优点 是，操作简单，同步化程度高，细胞不受药物伤害，缺点是获得的细胞数量较少。（分裂细胞 约占 1%～2%） 2）细胞沉降分离法：不同时期的细胞体积不同，而细胞在给定离心场中沉降的速度与其 半径的平方成正比，因此可用离心的方法分离。其优点是可用于任何悬浮培养的细胞，缺点是 同步化程度较低。 2．诱导同步化 1）DNA 合成阴断法：选用 DNA 合成的抑制剂，可逆地抑制 DNA 合成，而不影响其他时 期细胞的运转，最终可将细胞群阻断在 S 期或 G/S 交界处。5-氟脱氧尿嘧啶、羟基脲、阿糖 胞苷、氨甲蝶呤、高浓度 ADR、GDR 和 TDR，均可抑制 DNA 合成使细胞同步化。其中高浓 度 TDR 对 S 期细胞的毒性较小，因此常用 TDR 双阻断法诱导细胞同步化： 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量 TDR，（Hela，2mol/L；CHO， 7.5mol/L）。S 期细胞被抑制，其它细胞继续运转，最后停在 G1/S 交界处。 移去 TDR。洗涤细胞并加入新鲜培养液、细胞又开始分裂。当释放时间大于 TS时，所有 细胞均脱离 S 期，再次加入过量 TDR，细胞继续运转至 G1/S 交界处，被过量 TDR 抑制而停 止。 优点是同步化程度高，适用于任何培养体系。可将几乎所有的细胞同步化。缺点是产生 非均衡生长，个别细胞体积增大。 2）中期阻断法：利用破坏微管的药物将细胞阻断在中期，常用的药物有秋水仙素和秋水 仙酰胺，后者毒性较少。优点是无非均衡生长现象，缺点是可逆性较差