华南师范大学：《细胞生物学》课程教学资源（教案讲义）第十一章 细胞周期及其调控 第一节 基本概念

第十一章细胞周期及其调控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（cellcycle）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11-1)：①G期(gap1)，指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间：②S期(synthesisphase)，指DNA复制的时期，只有在这一时期H-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：④M期又称D期(mitosisordivision)，细胞分裂开始到结束。M-一DaughtercellsGChromosomeXcondensationNuclearenvelopebreakdownChromosomeChromosomedecondensationsegregationGoReformationofnuclearenvelopeChromatidsG,CytokinesisOAsynthesiss图11-1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

第十一章 细胞周期及其调控 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 11-1）：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；④M 期又称 D 期 (mitosis or division)，细胞分裂开始到结束。 图 11-1 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Go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，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（percentagelabeledmitoses，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：TGI：GI期的持续时间Tc2：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11-2）：①待测细胞经3H-TDR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Gi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。③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。③从LM出现到下一次LM出现的时间间隔就等于Tc，根据Tc=TGI+Ts+TG2+TM即可求出

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，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 11-2）： 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=TG1+TS+TG2+TM即可求出

的TGI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。PLMTG2100+1/2TM500+TM图11-2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10%，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

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 11-2 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，MI高。有丝分裂细胞变圆隆起，与培养血的附着性低，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Gi/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Gi/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

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