第二节 　 细胞周期和调控

一、细胞周期的概念

细胞周期(cell cycle)是指从亲代细胞分裂结束到子代细胞分裂结束为止所经历的过程。

 

对于细胞周期的研究，一直是人们感兴趣的问题，随着研究的深入，对细胞周期的认识也逐渐深入。２０世纪５０年代前，人们把细胞的分裂过程划分为静止期(restingphase)和分裂期(Mphase)。直到１９５１年，Howard等采用放射自显影技术，用３２P掺入洋葱根尖细胞以研究细胞内DNA的合成，首次提出细胞周期由G１、S、G２和M期组成的观点。进一步研究证明，此观点适用于大多数细胞类型。由于细胞化学、放射自显影和细胞分光光度术等新技术的应用，人们逐渐认识到细胞活动最活跃的时期是原来所谓的“静止期”(现在所说的间期)，在此阶段完成DNA复制、RNA和蛋白质的合成，为细胞分裂提供物质准备。

细胞周期中，分裂期(M期)只占很短的时间，而绝大部分是细胞的生长期，即分裂间期(interphase)。间期中细胞要完成两个重要的生化活动：一是细胞质内的物质合成；二是细胞核内的DNA合成，这一很短的特定时段也称为DNA合成期，简称S期(DNAsynthesis)。研究表明，细胞在M期结束后，必须经历一段时间间隔才能进行DNA复制，M期结束到S期开始之间的间隙时间称为G１期(gap１)，也称为DNA合成前期，是细胞生长、为DNA复制准备的阶段。此外，DNA复制完成后又必须经历一段时间才能进入M期，从S期结束到M期开始之间的间隙称为G２期(gap２)，也称为DNA合成后期，主要为M期准备。M期细胞核的形态发生明显的变化，根据细胞核的变化特征将M期分为前期、中期、后期和末期。M期一结束，就形成两个子细胞(daughtercells)，一个细胞周期即告结束，新生的子细胞又进入下一个周期(图８Ｇ２Ｇ１)。

图 ８Ｇ２Ｇ１　 细胞周期示意

(转引自 LodishH 等, ２０１２

在正常的情况下，一个完整的细胞周期应包括４个时期，细胞沿着G１－S－G２－M期的路线运转。但在多细胞机体中，细胞的分裂行为有所差异。根据细胞的分裂行为，可将真核生物细胞分为３类：①持续分裂细胞，即细胞周期持续运转，又称为周期性细胞(cyclingcell)，如小肠上皮细胞、皮肤基底层细胞、部分骨髓细胞等。②终末分化细胞，这类细胞一旦生成后，就不可逆地离开细胞周期，终生不再分裂，如哺乳动物的红细胞、神经细胞、肌细胞等。机体对终末分化细胞的需求依靠干细胞(stemcell)来补充。③暂不分裂细胞，又称为G０期细胞或休眠细胞，暂时从G１期离开细胞周期，但在给予适当刺激后可以重新进入细胞周期。如肝细胞、肾细胞及结缔组织中的成纤维细胞等。

二、细胞在周期各时相的变化

细胞分裂后即进入间期，在此期间要合成一系列物质为进入下一个分裂期做物质准备。实际上，G１期主要为S期做准备，而G２期主要为M期做准备。

(一)G１期的特征

G１期是细胞生长的主要阶段，在周期时间中所占的比例最大。此期合成细胞生长所需要的各种RNA、糖、脂等，RNA的合成导致结构蛋白和酶蛋白等形成，但不合成DNA，为进入DNA合成期做物质准备。实验证明，在G１期晚期到S期这一阶段，与DNA合成有关的酶和底物含量增高，尤其是DNA聚合酶的活性急剧升高(图８Ｇ２Ｇ２)。

图 ８Ｇ２Ｇ２　 间期 DNA 合成的动态变化

关于G１期的调控早期研究主要集中在细胞周期的特性上。正常细胞从G１期晚期到S期阶段有１个或２个特殊的调节点，称为限制点(restrictionpoint，R点)或检验点(checkpoint)。R点起到了控制细胞增殖周期开和关的“阀门”作用。细胞是继续增殖还是进入静息(G０)期，是由它能否通过R点来决定的。当细胞处在不利条件下，如营养匮乏、药物等，细胞代谢速度降低，进入G０期以延长细胞生命；而肿瘤细胞往往失去全部或部分R点的控制，故细胞能不断地进行分裂。

(二)S期的特征

细胞进入S期后，开始进行DNA复制，同时参与组成核小体结构的组蛋白和非组蛋白等也在S期合成。DNA复制是细胞增殖的关键。DNA复制的起始和复制受到多种细胞周期调节因素的调控，如起始过程需要一种蛋白质性质的DNA合成诱导子的启动，即S期活化因子，这种因子由G１期过渡到S期开始合成，到S期中期含量最高，

S期结束时瞬间消失。另外，在S期还不断合成与DNA复制有关的酶，如DNA聚合酶、DNA连接酶等。新中心粒也在S期开始合成。

(三)G２期的特征

此期主要为M期准备物质条件，故G２期也称为丝裂前期(premitoticphase)。这一时期细胞主要合成与细胞分裂有关的蛋白质和RNA，如微管蛋白等，以及合成细胞进入M期促使染色质凝集的成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)。细胞通过G２期后能否顺利进入M期，受到G２期R点的控制，此期R点要检查DNA是否复制完成，细胞是否已生长到合适大小，环境因素是否有利于细胞分裂等。只有当所有利于细胞分裂的因素得到满足以后，细胞才能顺利由G２期过渡到M期。

(四)M期的特征

细胞周期中M期占用的时间最短，但细胞的形态结构变化最大。这一时期细胞的主要生化特点是RNA合成停止、蛋白质合成减少及染色体高度螺旋化。同时细胞形态学上发生极为显著的变化，这些形态上的变化，主要是保证将S期复制的DNA平均地分配到２个子细胞。丝状结构的产生、染色体的形成都是保证复制的两套遗传信息，在质和量上能够平均地分配给子细胞，以保证遗传的连续性和稳定性。M期中细胞核的分裂和细胞质的分裂在时间和空间上配合紧密，相互依赖、相互制约。

三、细胞周期的调控

对简单生物而言，细胞周期调控主要是为了适应自然环境，以便根据环境状况调节繁殖速度，以保证物种的繁衍。复杂生物的细胞则需要面对自然环境和其他细胞、组织的信号，并作出正确的应答，以保证组织、器官和个体的形成。细胞周期的精确调控对生物的生长、繁殖、遗传和变异都是十分重要的。这种高度的精确性一方面依赖于细胞内部的时钟调控，即周期蛋白依赖性激酶―周期蛋白(CDKsＧcyclins)为中心的引擎周期变化所激发的一系列下游事件的发生，使细胞周期严格按照G１－S－G２－M期循环运转。另一方面在细胞周期异常时，细胞会采取补救措施进行调控，行使监控功能，避免差错的发生，如细胞周期的检验点(checkpoint)调控，可中断细胞周期使DNA进行修复。细胞周期调控与个体的生长、发育、衰老及细胞的癌变均密切相关。

(一)检验点在细胞周期中的作用

细胞周期中的多数时相均有限制点，如G１期、G２期和M期的检验点。这些检验点可调节细胞在细胞周期内按预定程序运行，如果细胞在未完成前一个时相内事件就进入后一个时相，就会出现遗传物质染色体复制不完全或染色体分配不均的错误。如用S期的细胞与M期的细胞融合，使S期细胞在未完成DNA复制的情况下提前进入M期，染色质提前凝聚成染色体，这种提前凝聚的染色体不是棒状的双体，而是碎裂的断片状，未完成DNA复制的情况下进入M期的细胞，其结果必然是死亡。而细胞从M期中期向后期进行的过程中，纺锤体微管与染色体动粒的连接时相也非常重要。如果在染色体动粒与微管尚未连接之前分裂后期就提前开始，就会造成分裂后的两个子细胞分配的染色体数目不等。如果这一过程发生在生殖细胞形成过程中，其后代就可以发生染色体异常疾病，其染色体核型发生错误。在正常情况下，细胞在细胞周期运行中发生这类错误的概率极小，其主要原因是由于检验点对细胞周期的监控(图８Ｇ２Ｇ３)。

图 ８Ｇ２Ｇ３　 细胞周期检验点

在G１/S检验点，DNA损伤引起p５３依赖的周期阻滞。正常细胞内p５３的水平较低，DNA损伤刺激引起p５３的表达和活性迅速升高。p５３可诱导多种基因转录，如p２１、Mdm２和Bax。p２１是一种细胞周期抑制蛋白，通过抑制CDKs导致细胞周期阻滞，阻止损伤DNA的复制，使细胞周期停滞在G１期(图８Ｇ２Ｇ４)。Mdm２的作用是通过负反馈环调节p５３蛋白水平，它可以结合并抑制p５３的转录活性，有利于其通过泛素蛋白酶体途径降解。但细胞严重受损，损伤的DNA无法修复时，p５３又可以激活某些基因的转录，如Bax、Fas及参与氧化应激反应的相关基因，诱导细胞凋亡。

G２/M检验点，当DNA损伤出现在G２期时，引起细胞周期阻滞，此作用可以不依赖于p５３蛋白。细胞可以通过抑制CDK１的去磷酸化作用，使其处于抑制状态；或者通过将cyclinBlＧCDKl复合物滞留在胞质中，使其不能进入细胞核发挥作用，故阻止细胞进入M期。

M期检验点，又称为纺锤体组装检验点，其作用是监测纺锤体形成过程中染色体不正确的组合，在有丝分裂中期引发周期阻滞，以阻止分裂后期启动和胞质分裂。几种哺乳动物M期检验点蛋白已被广泛研究，如Mad、Bub和Ndc８０蛋白在微管黏附作用缺陷时被激活，其通过抑制后期促进复合物(anaphasepromotingcomplex，APC)的泛素连接酶活性，阻止分裂中后期的周期进展，避免染色体不正确地分离。

图 ８Ｇ２Ｇ４　p５３ 在 DNA 损伤诱导 G １ 期阻滞中的作用

(二)CDK激酶和周期蛋白在细胞周期进程中的作用

在真核细胞周期逆转的调控研究中，发现与细胞分裂和细胞周期调控有关的基因，被称为细胞分裂周期基因(celldivisioncyclegene)，简称cdc基因，该基因编码的蛋白质具有蛋白激酶活性，可以使各种蛋白质底物磷酸化，对一些生物的细胞分裂来说是必需的。在对细胞周期的深入研究中发现，cdc基因所表达的蛋白产物本身并不具有激酶活性，只有与周期蛋白(cyclin)结合后，其激酶活性才能表现出来，因而，它们被统称为周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclindependentkinase，CDK)。在CDK激酶复合物中cyclin为调节亚单位，CDK为其催化亚单位。迄今已发现多种cyclin，在哺乳类动物细胞中包括cyclinA、B、C、D、E、F、G、H等，它们分别与不同类型的CDK蛋白结合，构成不同的cyclin－CDK；不同的cyclin－CDK在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件(表８Ｇ２Ｇ１)。

表 ８Ｇ２Ｇ１　 不同类型的 cyclins 和 CDKs

激酶复合体	cyclin	CDK	功能
G 1CDKs  和	cyclinD	CDK４和CDK６	G1期
G １ / SCDKs	cyclinE	CDK２	G １ 期至 S 期
S CDKs	cyclinA	CDK２	S 期
M CDKs	cyclinB	CDK１	M 期

G１期，在生长因子的刺激下，cyclinD表达，并与CDK４和CDK６结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，Rb释放出转录因子E２F，促进多个基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK１的基因。

在G１期至S期，cyclinE与CDK２结合，促进细胞通过R点进入S期。向细胞内注射cyclinE的抗体能使细胞停滞于G１期，说明细胞进入S期需要cyclinE的参与。S期的向前推进则需要cyclinA与CDK２形成的激酶复合物。同样将cyclinA的抗体注射到细胞内，发现能抑制细胞的DNA合成，推测cyclinA是DNA复制所必需的。在G

２期至M期，cyclinA、cyclinB与CDK１结合，CDK１使底物蛋白磷酸化，如将组蛋白H１磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件。在M期当成熟促进因子MPF活性达到最高时，激活后期促进因子APC，通过泛素连接酶催化泛素与cyclin结合，cyclin随后被２６S蛋白酶体降解，完成一个细胞周期(图８Ｇ２Ｇ５)。

图 ８Ｇ２Ｇ５　CDKs 调节细胞周期进程

细胞周期运转也存在负调控，研究表明，细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转：一是周期调控系统组分停止合成，如G０期细胞中大部分Cyclin和CDKs都消失，这在多细胞生物尤其明显。二是CDKs的活性可以被CDK抑制物(CDKinＧhibitor，CKI)所抑制，阻止cyclin－CDK复合物的装配或活性。现已发现两种CKI家族：

Cip/Kip家族和INK４家族。Cip/Kip家族包括p２１(Waf１/Cip１)、p２７(Cip２)

和p５７(Kip２)，可以广泛作用于cyclin－CDK复合物并抑制它们的活性，特别是G１期的cyclin－CDK４/６复合物。INK４家族包括p１５(INK４b)、p１６(INK４a)、p１８(

INK４c)和p１９(INK４d)，它们均可以特异性抑制CDK４/６。CKI受胞内外的信号分子调节。例如，p２１通过抑制增殖细胞核抗原(PCNA)而阻断DNA的合成。p１５和p２７的表达和激活可被转化生长因子TGF－β增强，通过多种途径抑制细胞周期进程。

因此，正常的细胞周期需要CDK的正调节因子cyclin与负调节因子CKI的精确协同与平衡，一旦这种平衡失稳就会造成细胞增殖失控。

(三)生长因子对细胞周期的影响

单细胞生物的增殖取决于营养是否足够，而多细胞生物的增殖取决于机体是否需要，这种需要是通过细胞通信来实现的。生长因子(growthfactor，GF)是一大类与细胞增殖有关的信号物质，目前发现的生长因子多达几十种，多数有促进细胞增殖的功能，故又称为有丝分裂原(mitogen)，如表皮生长因子(EGF)、胰岛素样生长因子(IGF)、神经生长因子(NGF)；个别具有双重调节作用，如转化生长因子β(TGF－β)，能促进一类细胞的增殖，而抑制另一类细胞的增殖。

GF没有种属特异性，但有很强的组织特异性，即不同种类的细胞需要不同的GF。现已分离出几十种GF，它们普遍存在于机体的各种组织中(表８Ｇ２Ｇ２)。GF受体也普遍存在，许多细胞表面同时存在一种以上的GF受体，能接受不同GF的顺序性调节，即所谓GF的协同作用。例如，处于G０期的３T３细胞必须经过血小板衍生生长因子(PDGF)的激活才能进入G１期；G１期进入S期又要经过EGF和IGF的顺序激活。

为了防止机体细胞过度生长，除具有细胞增殖的正向调节因子外，还具要有负调节因子，以平衡细胞的增殖活性。抑素是一类细胞中产生的可以抑制细胞增殖的调节因子，有些是小分子可溶性蛋白，有些是糖蛋白。抑素没有种属特异性，但有严格的组织和细胞特异性，只对同类细胞具有抑制作用。例如，上皮抑素可以抑制上皮细胞的增殖；肝抑素抑制肝细胞的增殖。

目前发现与生长因子有关的信号通路主要有：EGF途径、TGF－β途径、cAMP途径和磷酯酰肌醇途径。例如，EGF与受体(EGFR)结合后，可以使受体发生二聚体化，从而改变受体的构象，使其中的酪氨酸激酶活性增强，进一步活化Ras，激活的Ras作用于MAPK激活系统，导致ERK的激活，最后ERK转位至细胞核内，促进细胞增殖相关基因的表达。如通过一种未知的途径激活c－myc，myc作为转录因子促进cyclinD、E２F等许多G１－S相关基因的表达，细胞进入G１期。

表 ８Ｇ２Ｇ２　 几种生长因子的特性

生长因子	组成 (分子量)	组织来源	靶细胞
表 皮 生 长 因 子 ( EGF )	含 53 个氨基酸的多肽 (6000 )	颌下腺	上皮细胞等多种细胞
胰岛素样生长因 子 (IGF )	67/ 70 个氨基酸残基组成的多 肽 (8000 )	肝 细 胞 合 成，存 在于血浆中	骨组织等多种细胞
血小板衍生生长 因子 ( PDGF )	二聚体蛋白 ( 30000 )	巨 细 胞 合 成,存 在于血小板中	成 纤 维 细 胞、胶 质 细胞、平滑肌细胞等
生长调节素 C ( SM－C )	70个氨基酸残基组成的多肽( 7000 )	肝 细 胞 合 成,存 在于血浆中	骨组织等多种细胞

(四) 与细胞周期有关的基因

(四)与细胞周期有关的基因

１。细胞分裂周期基因与细胞周期　在细胞内有一类与细胞周期运转和调控有关的基因，称为细胞分裂周期基因(cdc)。细胞周期运行的有序性与cdc基因在细胞周期的不同阶段表达有关。例如，在酿酒酵母(S。cerevisiae)中已确定了一些cdc基因的表达顺序及可能的生物学功能，在细胞周期起始阶段主要受cdc２８调控；cdc８作用于DNA合成起始；纺锤极体(SPB)的复制被cdc３１控制；cdc２４控制酵母的出芽(图８Ｇ２Ｇ６)。

实验证明，裂殖酵母(S。pombe)的cdc２基因与酿酒酵母的cdc２８基因具有同源性，哺乳动物(包括人)与cdc２同源的基因产物是分子量３４０００的蛋白质p３４，其基因序列与cdc２/cdc２８之间的同源性是６３％。

图 ８Ｇ２Ｇ６　 酿酒酵母周期中 cdc 基因的调控作用

 癌基因和抑癌基因与细胞周期 　 在正常细胞的基因组中,含有与病毒癌基因 ( v－oncogene )相似的原癌基因 ( proto－oncogene ).原癌基因编码的蛋白质产物包括生长因子、生长因子受体、细胞内信号分子等,都与调节细胞的增殖和分化活动有关.原癌基因的产物是正常细胞增殖所必不可少的,但是它们一旦发生突变成为癌基因 (onco-gene ),就 会 引 起 正 常 细 胞 无 限 增 殖 最 终 导 致 肿 瘤 形 成. 而 抑 癌 基 因 (tumor suppressorgene )实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子,它编码的蛋白质在细胞周期的检验点上起着阻止周期进程的作用.如果抑癌基因突变,丧失其细胞增殖的负调控作用,则导致细胞周期失调而过度增殖.

Rb基因和p５３基因是两类与人类恶性肿瘤关系最为密切的抑癌基因。Cyclin、CDK、CKI对细胞周期的调控主要通过Rb途径、p５３途径来实现。Rb是从遗传性视网膜母细胞瘤中发现的第一个抑癌基因，主要在G１/S检验点发挥作用。在G１期，Rb蛋白被cyclinＧCDK复合物磷酸化后，释放转录活化因子E２F，使E２F的应答基因转录，并使细胞进入S期(图８Ｇ２Ｇ７)。E２F和cyclin之间可能有一个潜在的正反馈调节环路。p５３的调控机制是阻止细胞周期停滞在G１期，为细胞提供更多的时间修复损伤的DNA。

 

图 ８Ｇ２Ｇ７　Rb 调控 G １ / S 期转化