内容概要
  • 细胞分裂的发现
  • 细胞生命周期
  • 细胞周期实验
  • 控制细胞周期
  • 细胞周期中的检查点
你知道么？
你知道吗，身体里的每一个器官和组织，都是由单个细胞复制自己的DNA并将自己分成两个相同的细胞而形成的？从十九世纪70年代开始，科学家在100多年的研究中，发现了一系列迷人的复杂事件，它们使植物和动物（包括人类）的细胞得以生长和维持生命。
关键概念
  • 构成高等生物（如脊椎动物和开花植物）的大多数细胞，通过称为“细胞分裂”的过程进行繁殖。
  • 在细胞分裂中，细胞复制其DNA，然后将自己分成两个相同的细胞——每个细胞都有自己的DNA副本包裹在细胞核内。
  • 术语“有丝分裂”特指亲本细胞的细胞核在细胞分裂之前分裂成两个相同细胞核的过程。
很难想象，胚胎这么小，它的细胞能产生细胞，构成整一个成年人的身体。
没错，构成你身体骨骼和肉骼的数亿个细胞，是数千代细胞分裂的产物。你比一个句号还小的时候，细胞分裂就开始了。最开始，单个细胞分裂成两个，然后迅速再次分裂，成为4个新细胞（图1）。4个细胞变成8个；然后8个变成了16个，这些细胞都具有相同DNA。这种级联持续数周，数以百万计的细胞分裂，以指数级增长，最终形成身体所有器官和组织。
图1：大多数植物和动物细胞通过分裂成两个相同的子细胞进行复制。
细胞分裂的发现
十九世纪德国基尔解剖学研究所的教授瓦尔特·弗莱明（Walther Flemming）（图2）第一个详细记录了细胞分裂。当时，显微镜刚刚被应用到研究生物组织领域，弗莱明被认为是该领域的创新者。
图2：瓦尔特·弗莱明
弗莱明在基尔大学担任教授。他尝试使用染料将标本染色，然后在显微镜下观察。十九世纪70年代的显微镜，不像今天配备了电光源，染过色的标本能看到更多细节。弗莱明发现苯胺染料特别好用，不同类型的组织因为化学性质不同，因此吸收这种染料的程度也不同。吸收更多染料的细胞部位会更加“突显”（如图3所示），就这样，过去不曾见的结构和过程呈现了出来。
图 3：未染色（右）与染色细胞（左）
弗莱明使用这些染料来研究细胞。他对细胞分裂过程特别感兴趣。在显微镜下，他使用染色后的动物组织样品进行一系列实时观察。他发现，细胞核内的特定物质能很好地吸收了染料。他当时没有为它命名，但后来称这种物质被称为“染色质”（chromatin)，这个词来自希腊语中的“颜色”（Zacharias，2013）。弗莱明绘制了显微镜下所看到的图片，以说明自己的研究发表（图4）。
图4：弗莱明在显微镜下看到的用苯胺染料处理的昆虫细胞的图
弗莱明用火蝾螈的组织样本进行了许多实验，火蝾螈是北欧森林中的一种常见物种，与其他可用的研究生物相比，它们细胞核中的染色质很大。经过几个小时的观察，弗莱明开始看到一种模式，即细胞会周期性地从静止阶段过渡到疯狂的活动期，将一个细胞核变成两个细胞核，然后将整个细胞拉开，形成两个相同的细胞——它们有自己的染色质包裹于细胞核内。
今天，我们将细胞核分裂成两个细胞核的过程称为“有丝分裂”（mitosis），细胞的分裂为“胞质分裂”（cytokinesis）。这些术语在多年后才开始使用，但这一过程在弗莱明的著作《对细胞及其分裂现象的认识》（Zur Kenntniss der Zelle und ihrer Theilungs-Erscheinungen）（Flemming，1878）中得到完整描述。
细胞生命周期
弗莱明在样本中看到的活动和不活动的交替模式，现在通常被称为细胞的生命周期，或者通常简称为细胞周期。不同类型的动物细胞——如骨骼、皮肤、心脏、神经细胞——有不同的生命周期。生命周期因细胞类型而异，但所有真核细胞周期都可以分为四个阶段：G1阶段，当细胞生长为最终分裂做准备时；S期，细胞核内的DNA会完整复制自身；G2期，细胞检查并纠正DNA复制过程中可能发生的任何错误；M期（对于有丝分裂），当细胞的细胞核分裂成两个相同的细胞核时，紧随其后的是胞质分裂 - 细胞分裂。不同类型的细胞，这些阶段的时长和频率不同。
有必要指出，虽然所有活细胞都非常相似，但细胞分裂是真核细胞（植物、动物、真菌、原生生物）区别于细菌及其他原核生物的重要点。这是因为，细菌和其他简单细胞没有细胞核，因此该过程可以简单得多。实际上，细菌只是连续生长和分裂，一次分裂和下一次分裂之间没有可区分的阶段。原核生物分裂的过程称为“二元裂变”（binary fission），“有丝分裂”一词不适用。
原核生物和真核生物之间的另一个区别是，原核生物有一条主要的环状染色体，而真核生物通常有许多线性染色体。和真核生物一样，原核生物分裂时必须复制其遗传物质，并在分裂产生的两个新细胞之间分离这两份副本（图5）。但过程是不同的。在原核生物中，环状染色体物理地附着在细胞质膜内部的某个点上。当细胞复制染色体以准备细胞分裂时，它会将新副本附着在单独的地方。就这样，染色体的两个副本彼此远离。然后，当细胞分裂成两个时，细菌会小心翼翼地确保两个新细胞中的每一个都有一个染色体的拷贝。
图5：细菌细胞的二元裂变
真核细胞更为复杂。我们把G1、S、G2 期统称为“间期”（interphase），因为这些阶段无法通过显微镜观察来区分。即使是那些我们体内生长和分裂非常快的细胞，它们一生中大约有78%的时间处于间期。在间期，真核细胞的大小增加一倍，合成新的DNA链，并为有丝分裂和胞质分裂做准备。
一些细胞（如人类皮肤细胞），会进入有丝分裂阶段，且会频繁分裂，以适应生物体生长时的大小变化或产生新的细胞来修复因疾病或损伤而受损的组织。其他细胞（如肌肉、神经、红细胞），将永久保持在G0期，而不会再进入有丝分裂期。与生命周期的其他阶段相比，即使是在其一生中忙于不断繁殖的细胞在实际的有丝分裂期（M期）中花费的时间也很少（Alberts等，2002）。图6说明了各个阶段的长度比较情况。
图 6：细胞周期阶段的相对长度
【考考自己】______细胞的细胞分裂过程更为复杂。
a.原核细胞
b.真核细胞
细胞周期实验
那么，是什么导致一个细胞在G0中逗留，而不进入G1期、S期，G2期、有丝分裂期呢？普林斯顿大学的生物化学家亚瑟·帕迪（Arthur Pardee）是最早研究这个问题的人之一。他试验了仓鼠细胞，去找寻他所谓的“限制点”。帕迪提出假说：在细胞的生命周期中必然有一个决策点，其中细胞在两条路径中做选择，一条通向细胞分裂的，另一条使细胞保持静止或不活跃的G0状态（图7）。
图 7：G1 阶段后期的限制点“R”
帕迪首先限制了实验培养物中可用的营养物质和激素的数量，看看这是否可以阻止细胞向细胞分裂的进展。他通过在不同的时间间隔去除细胞生长信号来做到这一点。在周期停止后，他试图通过添加生长信号来重新启动周期。在这些实验中，帕迪小心翼翼地对每种培养物进行计时，以查看重新进入S期和有丝分裂需要多长时间。
帕迪发现，在周期中，他何时删除了生长信号根本不会产生区别。所有样本重新进入有丝分裂所需的时间相同。这一结果使帕迪得出结论，当他第一次去除生长因子时，所有细胞都必须在同一点结束，无论它们在周期中的哪个位置。
帕迪将细胞停止的点称为“限制点”，他假设它起到了“不归路”的作用。换句话说，如果存在生长信号，细胞将继续前进，一旦它们通过限制点，就算没有了生长信号，它们也会完成当前的周期。有些人仍然将所有哺乳动物细胞的G1期中发现的这个限制点称为“帕迪点”。这是生命周期中细胞要么致力于分裂路径，要么停止增殖并进入G0 期的点。科学家后来在G2发现了另一个检查点，如果DNA在S期没有正确合成，就会停止细胞分裂。
帕迪于1974年发表了他的研究结果（Pardee，1973）。与此同时，科罗拉多大学医学中心的科学家开始试验一种特殊的人类癌细胞系，称为HeLa细胞，看看它们是否可以让细胞在细胞周期中倒退或从一个阶段跳到另一个阶段。使用HeLa细胞，是因为它们增殖迅速，并且可以在实验室环境中无限期地存活。在他们的实验中，研究小组将处于细胞周期不同阶段的不同HeLa细胞融合在一起。他们想看看他们是否可以通过将细胞周期的一个阶段的细胞核与不同阶段的细胞质融合来“欺骗”细胞核进入另一个阶段。
他们的发现非常有趣。他们发现，当他们将G1细胞与S期细胞融合在一起时，G1细胞的细胞核迅速进入S期。他们预测，S期细胞质中的某些东西导致G1细胞核开始DNA合成并进入S期。然而，当他们将G2细胞与S期细胞融合时，G2细胞核不会进入S期。因为G2细胞核已经复制了它的DNA，所以它不会进入另一个S期并重新复制它的DNA。
因为细胞核可以被诱骗在周期中向前移动，但不能向后移动，这个巧妙的实验表明，细胞只能在一个方向上经历细胞周期。此外，他们的研究结果证实了许多科学家的猜测 - 细胞质中有一些因素控制着细胞周期各阶段的进展（Rao&Johnson，1970）。找寻开始了。
【考考自己】在细胞通过“限制点”后去除细胞中的生长信号会有什么结果？
a.细胞将无法分裂。
b.细胞将完成其分裂周期。
控制细胞周期
在科罗拉多州的实验后数年，英国生物化学家蒂姆·亨特（Tim Hunt）开始寻找控制细胞分裂和其他生命周期活动的细胞因子。他在马萨诸塞州伍兹霍尔海洋研究所担任客座教授时，研究并找到了答案。
亨特首先寻找一种可能负责触发细胞分裂各个阶段的蛋白质。他从一项研究中产生这个想法，该研究表明，如果用抑制蛋白质合成的药物治疗，细胞不会进入有丝分裂阶段。这意味着细胞必须制造一些新的蛋白质才能开始有丝分裂。问题变成了，“这些引起有丝分裂的蛋白质是什么？然而，在活细胞的繁忙环境中，无法在显微镜下看到蛋白质。因此，亨特和弗莱明一样，必须做出创新。他发明了一种适应生物化学中的工具，称为“放射性标记”（radioactive tagging），用于实验。
亨特将放射性氨基酸注射到海胆卵中（图8），以“看到”蛋白质，就像弗莱明使用他的染料来突出他想要看到的染色质一样。当卵使用放射性氨基酸合成新的蛋白质时，新产生的蛋白质将被标记为放射性，并且在用X射线成像设备观察时可见。
图8：像这样的海胆卵经常被用于研究，因为它们几乎完全透明。
使用生物标记技术，亨特跟踪了新蛋白质在海胆卵中随时间推移而发育的过程，并发现当细胞进入有丝分裂阶段时，一种蛋白质的水平会定期上升和下降。这些水平会在有丝分裂之前急剧增加，然后在细胞分裂之前突然下降。亨特似乎已经找到了神秘的蛋白质（Evans等，1983）。
亨特称这种蛋白质为“细胞周期蛋白”（cyclin）——我们现在知道它是细胞周期控制系统不可或缺的一部分。细胞周期蛋白与称为激酶的酶家族协同工作，控制细胞周期。这些激酶存在于细胞的细胞质中;但与细胞周期蛋白不同的是，激酶不会随着时间的推移而积聚和消失。细胞周期激酶在细胞质中以休眠，维持相对恒定的水平，直到它们被细胞周期蛋白激活。当被激活时，这些细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinases，CDK）会触发连锁反应，从而启动DNA复制、有丝分裂、细胞生命周期中的其他事件。
【考考自己】亨特将放射性氨基酸注射到海胆卵中，以便观察____。
a.蛋白质
b.有丝分裂
细胞周期中的检查点
虽然管理真核细胞何时进入每个阶段的，是细胞周期蛋白和CDK，但该系统依赖于像帕迪发现的检查点一样，以确保所有系统在进入周期最关键的阶段—— DNA合成——之前都已准备就绪，然后是有丝分裂。细胞周期控制系统使生命周期有序地向前推进，有点像洗衣机上的机械计时器，确保衣服以正确的顺序洗涤、漂洗、烘干。电池周期控制系统与洗衣机计时器一样，是自动的、单向的，并且依赖于某些检查点的信号输入，以保持过程向前推进（图 9）。
图 9：检查点确保在检测到损坏或错误时可以停止细胞周期。
发现细胞周期蛋白的蒂姆·亨特（Tim Hunt）与发现细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）的保罗·讷斯（Paul Nurse）共同获得2001年诺贝尔医学奖。分享该奖的，还有利兰·哈特韦尔（Leland Hartwell），他开创了对细胞周期检查点的研究。
构成细胞周期控制系统的蛋白质网络，管理着一系列极其复杂的操作，这些操作使我们体内的细胞以及我们周围所有植物和动物中的细胞能够生长和维持生命。从精心复制DNA成为新子细胞的生命蓝图，到在胞质分裂过程中将一个细胞捏成两个细胞的最终切割，每个阶段都必须顺利进行——在生物体的一生中要经历数百万次。大多数时候，这个过程很顺利。但是，偶尔会发生错误或细胞周期控制系统损坏。这种情况发生时，结果对细胞来说可能是灾难性的，甚至可能导致癌症。事实上，由于癌细胞的主要特征是持续无节制的生长，癌症通常被称为细胞周期的疾病。
资料来源
Nathan H Lents, Ph.D., Donna Hesterman “Cell Division I” Visionlearning Vol. BIO-3 (5), 2013.
https://www.visionlearning.com/en/library/biology/2/cell-division-i/196
References
  • Alberts. B., Johnson, A., Lewis, J., et al. (2002). Molecular Biology of the Cell, 4th edition. New York: Garland Science; Accessed online at http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26824/ on March 20, 2013.
  • Campbell, Neal A., & Reece, Jane B. (2005). Biology, seventh edition. Pearson Benjamin Cummings.
  • Evans, T., Rosenthal, E., Youngblom, J., Distel D., & Hunt, T. (1983). Cyclin: a protein specified by maternal mRNA in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division. Cell, 2, 289-386.
  • Flemming, W. (1878). Kiel. Zur Kenntniss der Zelle und ihrer Theilungs-Erscheinungen. Accessed online at: http://www.schriften.uni-kiel.de/Band%203/Flemming%20(23-27).pdf March 20, 2013.
  • Jackson, Peter K. (2008). The Hunt for Cyclin. Cell, 134, 199-202. http://www.uam.es/personal_pdi/ciencias/jmsierra/documents/Jackson2008Cell.pdf.
  • Pardee, A. (1973). A Restriction Point for Control of Normal Animal Cell Proliferation. Proceedings of the National Academy of Sciences, 71, 1286-1290.
  • Rao, P. & Johnson, R. (1970). Mammalian cell fusion: Studies on the regulation of DNA synthesis and mitosis. Nature, 224, 159-164.
  • Zacharias, Helmut. Famous scholars from Kiel. Accessed online at http://www.uni-kiel.de/grosse-forscher/index.php?nid=flemming&lang=e
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