内容概要
  • 有丝分裂的几个阶段
  • 对有丝分裂很重要的细胞结构
  • 染色质的结构
  • 微管和中心体
  • 间期：正常生活功能和有丝分裂准备
  • 关于长春花的问题与答案
  • 长春花与糖尿病
  • 长春花和白细胞
  • 癌症和有丝分裂
你知道么？

生物的染色体数量有很大差异。人类有46条染色体，狗有78条染色体，有一种蚂蚁只有2条染色体，而有一种原生动物有近16000条染色体！但这些生命形式具有共同点：它们的遗传密码从一个细胞复制到另一个细胞。这都要归功于“有丝分裂”这个过程。有丝分裂过程中，在细胞分开之前，细胞核先分裂成两个。
关键概念
  • 术语“有丝分裂”（mitosis）特指真核细胞的细胞核在细胞分裂之前分裂成两个相同的子核的过程。
  • 有丝分裂是一个周期性过程，由五个相互影响的阶段组成：前期、前中期、中期、后期、末期。
  • 有丝分裂发生的速率因细胞类型而各异。有些细胞复制得快，而另一些复制得慢，而且这个过程可能会被打断。
  • 染色体由一种叫做“染色质”（chromatin）的物质组成。在间期，染色质分散在整个细胞核中。而在有丝分裂过程中，染色质凝聚到一起，单个染色体在普通光学显微镜下可见。
怎样才能发现非常基础但以前没人知道或见过的东西？如果你很清楚自己在寻找什么，或许会用到瓦尔特·弗莱明（Walther Flemming）的方法。“细胞分裂I：细胞周期”模块中，我们了解到，弗莱明可以在火蝾螈细胞每次分裂时观察到它的染色体。这一重要发现，离不开各种染料的应用，这是弗莱明开创的一项技术（图1）。这个例子很好地说明了，新仪器或技术如何促进发现，前提是研究者或多或少知道自己“可能”会发现什么。
图1：弗莱明的绘图，展示他在显微镜下看到的用苯胺染料处理的昆虫细胞
弗莱明正是这么做的。在这之前的几年里，科学家已经在细胞中隐约看到了些结构，但因为所用的染料不够好，他们看不清这些结构在干什么。整个十九世纪，随着显微镜的发展，科学家关注真核生物分裂时细胞结构的线索。早期科学家像弗莱明一样不停地试验染料。虽然那些染料比不上弗莱明发现的苯胺，但它们还是让科学家看到了“一些东西”。可惜，这些染料杀死了细胞，而且很难在显微镜下看清结构，弗莱明之前的科学家不确定自己是否看到了活细胞的任何特征。自己看到的，是细胞死亡后才形成的人工产物吗？如果是这样，那就无法解释细胞如何在生物体内复制。
弗莱明清楚自己想找什么，他开始优化对细胞内部细节的染色。做的过程中，他意识到还可以确定这些结构是人工产物还是细胞功能的一部分。经历漫长而艰苦的过程，他将火蝾螈胚胎样本切成非常薄的薄片，并用新染料处理它们。染料杀死了细胞，就像早期的染料杀死其他实验动物的细胞一样。弗莱明在许多胚胎身上重复这么做，在不同的时间点停止了它们的生命过程。使用苯胺染料是新技术，这么做也是一种新技术，通过在不同的点停止生命过程，他可以研究时间A、时间B、时间C相比细胞结构是否不同。
事实证明，它们看起来确实不同，这证明这些结构不是人工产物。它们是细胞生命过程的一部分。当时显微镜分辨率有了提高，另外，苯胺染料可以使不同的结构清晰可见，弗莱明由此发现了“有丝分裂”细胞过程：真核细胞核的分裂发生在胞质分裂（即细胞本身的分裂）之前。新染料加上细致的技术，弗莱明对有丝分裂阶段的定义，我们今天还在用（图2）。
图2：弗莱明的真核细胞分裂示意图（1888年）。
有丝分裂的几个阶段
弗莱明创造了“染色质”（chromatin）一词来描述构成染色体的材料。观察火蝾螈胚胎中的细胞分裂时，弗莱明看到每个细胞的模式相同，都是从出现可见染色体开始。他将这些事件描述为四个阶段，并将其命名为前期、中期、后期、末期（prophase, metaphase, anaphase, and telophase）。今天，我们所说的五个阶段，因为我们将弗莱明的前期（最长的阶段）分为前期和前中期（prophase and prometaphase）。
重要的是，细胞分裂的过程是周期性的，一个阶段接着一个阶段。例如，末期与胞质分裂重叠，胞质分裂产生两个新子细胞的细胞其余部分。胞质分裂后，两个新细胞会经历一个称为“间期“的漫长时期，在此期间，每个新细胞执行正常的生命功能并复制其染色质，最终来到前期和另一个有丝分裂周期。因此，当有丝分裂开始时，细胞核已经包含一组染色质。由于染色质包含赋予生物体特征的基因，这意味着进入前期的细胞包含生物体的所谓基因序列或基因组的两个拷贝。从现在开始的只是重新包装和重新定位染色质。
有丝分裂的五个阶段加上间期，整个细胞周期可以用这句话记住：
“请给我再倒一杯茶！”
Please Pour Me Another Tea Instead!（图3）
图3：有丝分裂阶段的图示。间期、前期、前中期、中期、后期、末期。这个过程后胞质分裂。
前期（Prophase）是我们第一次在光学显微镜下看到染色体的时间。如上所述，细胞的基因序列在前期（间期）复制。在间期，染色质像意大利面条一样松散地捆绑在一起，并分散在整个细胞核中。随着前期的到来，染色质折叠成紧凑的形式，当用染料染色时，即使使用弗莱明时代的显微镜，也可以看到单独的染色体。每条染色体由一对染色单体（sister chromatids）组成，每个染色单体都包含与间期复制的相同基因序列，这两个染色单体通过称为“着丝粒”（centromere）的结构连接。此外，在前期，称为“核仁”（nucleolus ）的突出结构从细胞核中消失。
前中期（Prometaphase）的标志是围绕细胞核的膜破裂。此外，成对的称为“动粒”（kinetochores）的蛋白质复合物与每条染色体的着丝粒结合，每个染色单体一个动粒。这两个关键事件让染色体和位于细胞核外的特殊结构之间形成连接。
中期（Metaphase）的特征是染色体副本的重新定位，准备好被拉开。在间期，大多数动物细胞都含有一种称为“中心体”（centrosome）的结构，位于细胞核附近但在其膜之外。与染色质一样，中心体也在间期末期复制，并且在中期开始时，两个子中心体中各迁移到核膜的两端。在整个细胞周期中，中心体充当微管的控制中心，微管（microtubules）是构成细胞骨架部分的蛋白质纤维的复杂系统。就像骨骼在大范围内为身体塑造一样，细胞骨架为每个细胞提供形状，同时也有助于运输材料。随着核膜溶解，两个中心体位于细胞的相对两侧，浓缩的染色体沿着细胞中心的一条假想线排列，称为“中期板”（metaphase plate）。然后，微管纤维开始从每个中心体延伸到连接每个染色体的两个染色单体的着丝粒。这种笼状的微管结构称为“有丝分裂纺锤体”（mitotic spindle）。具体来说，微管纤维附着在动粒上。如上所述，有两个动粒，每个染色单体一个。这为在下一阶段将染色单体拉开做好了设置。
后期（Anaphase）的特征是每条染色体的两个染色单体分离。随着有丝分裂纺锤体的完成，两个中心体开始向外移动，将染色单体各拉向细胞的两端。
当两组染色单体到达细胞的不同区域并且每组染色单体周围开始形成新的核膜时，末期（Telophase）就开始了。胞质分裂也在末期开始，甚至在新核膜完成之前。核膜一旦形成，每个新的核膜都会包裹一整套染色体。然后这些染色体散开成为间期的染色质。每个新形成的细胞核中出现一个核仁，细胞周期重新开始。
间期（Interphase）不是有丝分裂的一部分，而是细胞在准备有丝分裂和胞质分裂时在核分裂之间的状态。下面将更详细地讨论。
【考考自己】弗莱明命名形成染色体的物质为____。
a. 染色质 
b.前期
对有丝分裂很重要的细胞结构
  • 染色质的结构
染色质由DNA和称为“组蛋白”（histones）的特殊蛋白质组成。DNA是一种长分子，由两条称为核苷酸的重复化学单元链组成。有四种类型的核苷酸，遗传序列基于这四种类型的核苷酸在分子长度上一个接一个地连接的顺序。这就像一种由四个可能的字母组成的单词构建的语言，但它效果很好，因为DNA分子允许每个单词都很长（在DNA系列模块中了解更多信息，特别是“DNA II：DNA的结构”）。染色质的密度在整个细胞周期中发生变化。这取决于DNA链与组蛋白和其他相关蛋白质的包裹和拴合程度（图4）。

图4：染色体内的物质染色质由 DNA（遗传信息）和蛋白质（称为组蛋白）组成。
虽然染色体是将真核生物的染色质组织成单个包装的一种方式，但真核生物之间的染色体数量差异很大。人类有46个，猫和其他猫科动物有38个，狗有78个，小麦有42个，而杰克跳蚂蚁（Jack Jumper）只有2个，某种原生动物以近 16000个而闻名。
应该强调，有丝分裂只发生在真核细胞中，因为只有真核生物具有膜结合的细胞核。细菌和古细菌是生命的另外两个领域，它们的染色体不与细胞的其余部分分离。因此，它们可以通过称为“二元裂变”的更简单过程进行繁殖（要了解更多信息，请参阅“细胞的发现和结构”模块）。
【考考自己】所有生物的染色体数量相等。
a.对
b.错
  • 微管和中心体
DNA是由小单元构成的大分子，微管（microtubules）也是如此。微管由称为“微管蛋白”（tubulin）的蛋白质重复单元组成。除了发挥类似于身体骨骼的结构作用外，由微管蛋白亚基构成的大分子对有丝分裂和其他几种动态细胞功能至关重要。它们会移动，这就是为什么染色体可以被拉开，且整个细胞可以分裂。
所有这些都需要大量的组织管理，因此真核细胞依赖于称为微管组织中心（microtubule organizing centers，MTOCs）。在动物细胞中，中心体是MTOC的主要类型之一。正如我们将在下一节中看到的，在动物细胞的有丝分裂过程中需要两个中心体，这对中心体的每个成员都使用微管将一组子染色体拉向分裂细胞的一端。中心体由两个由微管蛋白组成的中心粒组成。两个中心粒以直角或正交排列，并被其他蛋白质包围。中心体不只是弯曲的微管（图5）。
图5：中心体的示意图，它由两个彼此成直角的桶状中心粒（每个由微管蛋白组成）组成。
间期：正常生命功能和有丝分裂准备

虽然不是有丝分裂的一部分，但讨论间期很重要，因为它让我们从细胞周期的角度来看待有丝分裂。对于脊椎动物（人类所属的动物亚门），每个细胞的生命周期持续时间因细胞类型而异。某些白细胞可能会在持续不到一天的时间内存活并被替换。大多数其他体细胞类型的生命周期从几天到几个月不等。其他细胞（如骨细胞）通常以几十年为单位的周期被替换，而某些脑细胞和肌肉细胞将在生物体的整个生命周期中持续存在。据说这些细胞处于永久性间期：它们被锁定在被称为“G1期”的阶段。
对于将从间期进入新一轮有丝分裂的细胞，G1期在所谓的限制点结束，此时细胞致力于复制，并进入DNA合成阶段或S期。在整个G1期，解聚染色体的部分可根据需要被使用DNA序列制造蛋白质的酶访问。在S期，整个遗传物质集合被复制。因此，在S期结束时，每条解聚的染色体都一式两份存在，当染色体在前期凝聚时，这两个副本会成为两个染色单体。通常，从S期会进入称为G2的过渡期（尽管某些动物物种的细胞从S期直接进入有丝分裂）。在G2期间，合成支持有丝分裂和胞质分裂的蛋白质。此外，许多细胞类型在有丝分裂开始之前都会进行一种自我测试，以确保一切都对的。人们认为，某些癌症是由缺少G2期的细胞引起的，从而少了在一切都不对的情况下阻止有丝分裂的测试。（可以在“细胞分裂I：细胞周期”模块中详细了解间期。）细胞周期阶段的如图6所示。
图6：细胞周期阶段的相对长度，包括构成间期的G1、S 、 G2 阶段。有丝分裂（这里显示为M）是一个相对较短的时期。
【考考自己】____细胞始终出于间期。
a.脑细胞
b.白细胞


关于长春花的问题与答案
像弗莱明这样艰苦而系统地工作而做出发现，在现代科学中最为常见。但这不是唯一的方法。一个与有丝分裂非常相关的重大发现，来源让人出乎意料：茶叶。不是传统的茶，而是马达加斯加长春花（Madagascar Periwinkle）的叶子，一种以其美丽花朵而闻名的植物。
  • 长春花与糖尿病
在世界上许多地方，人们用长春花（之前名字是Vinca rosea，现在学名Catharanthus roseus）的叶子泡茶（图7）。民间认为，这种茶可以治疗多种疾病，尤其是在没有胰岛素和其他常规治疗方法的情况下可以治疗糖尿病。这是一种古老的疗法，其在糖尿病治疗科学中的潜力直到最近才开始被发现，但它在二十世纪50年代首次受到现代研究的审查。来自多伦多的加拿大内分泌学家克拉克·诺布尔（Clark Noble）听说了这一传统，从一位在牙买加获得长春花叶的患者那里接受了25片长春花叶的样本。虽然刚从内分泌学研究中退休，但诺布尔在30年前就是发现胰岛素的关键人物，但这一里程碑式的医学进步却让他没有获得诺贝尔奖。其他与诺布尔密切合作的人都获得了该奖项，但他只是一个副业人物。如果牙买加和其他地方的糖尿病患者真的从长春花植物中受益，诺布尔想知道它的原理。由于没有自己的实验室，他把信封寄给了弟弟罗伯特的实验室。
图7：马达加斯加长春花植物（Catharanthus roseus）。
罗伯特·诺布尔（Robert Noble）也是一名内分泌学研究者，他抓住了研究叶子的机会。如上所述，此时胰岛素治疗只有30年的历史。胰岛素从猪身上获得的，供应不是特别充分。此外，它并非对所有糖尿病患者都有效。今天我们知道，这是因为糖尿病有两种主要类型，这两种糖尿病都表现为无法将血液中的糖分吸收到身体的肌肉细胞中，导致许多身体系统的一系列长期并发症。一些糖尿病患者无法产生胰岛素，因此服用胰岛素对他们非常有效。然而，在其他情况下，问题是他们的肌肉细胞对胰岛素的反应不佳。他们产生胰岛素，但他们的血糖水平仍然很高。胰岛素可能会对他们有一点帮助，但不是完全的，对这些人来说胰岛素根本没有帮助。今天，我们有药物可以使他们的肌肉细胞对胰岛素更敏感，但在二十世纪50 年代，情况却大不相同。因此，罗伯特·诺布尔高兴地开始研究哥哥送给他的长春花叶。
诺布尔首先提出了一些问题，这些问题可以通过兔子和小鼠等实验动物的实验来回答。注射时，叶子的提取物会降低动物的血糖吗？它能防止排尿过多等糖尿病症状的发展吗？它能防止血液循环问题和失明的发展吗？或者，注射到已经患有全面糖尿病的动物身上，它会逆转病情吗？使用具有某种疾病的实验动物来测试可能影响该疾病的药物称为动物模型。在这种情况下，诺布尔使用了兔子和小鼠的糖尿病模型。
在进行了一系列实验后，诺布尔发现，长春花提取物实际上对糖尿病没有任何影响。事实上，如果剂量非常高还会让动物生病。这些动物因为白细胞计数太低而死于感染。长春花叶中的某种东西阻止了骨髓产生新的白细胞，而白细胞是免疫系统的基础。
  • 长春花和白细胞
诺布尔不知道为什么长春花提取物会杀死小鼠的白细胞，但他想知道这种特性是否对白细胞过多的人有用。换句话说，他想知道长春花提取物是否可以用于治疗白血病（一种以白细胞数量过多为特征的癌症）。为了找到答案，诺布尔与化学家C.T. Beer联手，从长春花提取物中分离出导致这种效果的特定化合物。
他们发现了属于一类称为“生物碱”（alkaloids）的化学物质，并将其命名为“长春碱”（vinblastine）。从糖尿病的动物模型切换到白血病的动物模型，罗伯特·诺布尔开始了一系列新的实验：研究长春碱对白血病和其他一些由不受控制的细胞复制引起的疾病的影响。
动物实验成功后，长春碱在多伦多癌症患者的临床试验中被证明非常有效。很快，另一位研究人员分离出一种名为“长春新碱”（vincristine）的相关化合物。随后还有一系列其它化合物都被证明对各种类型的癌症都有效，而最著名的还是长春碱和长春新碱。
想知道它们的效果怎么样吗？今天，长春花药物仍在使用，通常与其他化疗药物联合使用，它们让癌症生存率显著增加。例如，长春新碱是对抗最常见的儿童白血病（称为急性淋巴细胞白血病 （ALL））的组合鸡尾酒的一部分。1950年，诊断出ALL对一个孩子来说几乎是宣判了死刑，存活率为5%。如今，急性淋巴细胞白血病的存活率高达95%。同样，霍奇金病（Hodgkin disease，一种经常影响年轻人的淋巴结癌）在50年代的存活率低得可怜，但到1980年，霍奇金病的死亡率下降了75%，这在很大程度上要归功于长春碱——诺布尔在长春花叶中发现的药物。
所有这一切都来自兄弟两人，他们甚至没有打算做癌症研究。瓦尔特·弗莱明有计划并确切地知道自己在寻找什么，而长春碱的发现是一个偶然的故事，或者说是幸运的意外。
【考考自己】长春花提取物对治疗____有效。
a.糖尿病

b.细胞分裂过快的疾病

  • 癌症和有丝分裂
从植物中提取的化学物质，为什么对白血病如此有效？长春碱对兔子、小鼠和癌症患者的细胞起了什么作用？今天，当病理学家在显微镜下观察疑似癌症时，他们非常关注有丝分裂。每次有丝分裂发生时，它都会导致亲本细胞分裂成两个新的子细胞。虽然这个公式总是相同的，但有丝分裂发生的速率差异很大。就像体内的其他细胞一样，不同癌细胞的生命周期可能会有所不同。有些细胞的生命周期很短，有丝分裂经常发生，而在其他癌细胞中，有丝分裂很少发生。当怀疑癌症时，病理学家会观察有丝分裂发生的速度和频率。经历更多有丝分裂的癌细胞往往比有丝分裂更缓慢的癌细胞更具侵袭性。这意味着，如果减慢有丝分裂的速度，也许能够减缓甚至逆转癌症的进展。
事实证明，这正是长春花生物碱的工作原理。当罗伯特·诺布尔将长春花茶给实验动物时，以及后来当他将分离的长春碱化合物给人类患者时，白细胞中的细胞分裂减慢了。后来发现，该化合物会干扰有丝分裂。此外，陆续发现的各种长春花化合物，在不同的阶段和出于不同的原因干扰了有丝分裂。事实证明，这些化合物破坏了微管的组装，而微管是提供细胞结构的特殊纤维。长春碱与微管蛋白亚基结合，阻止它们聚集在一起。
罗伯特·诺布尔和站在他肩膀上的几代癌症研究人员受到启发，提出问题，最终以非常系统的方式进行了研究。知道要找什么后，研究人员分离出新药，并更密切地研究了微管系统的工作原理。因此，虽然它可能始于一个幸运的发现，但最终科学进步需要一个明确的计划以及长期、艰苦的工作。
资料来源：
David Warmflash, MD, Nathan H Lents, Ph.D. “Cell Division II” Visionlearning Vol. BIO-4 (2), 2015.
https://www.visionlearning.com/en/library/Biology/2/Cell-Division-II/212
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