普通生物学 陈阅增 第5章 细胞的分裂和分化

5.1细胞周期与有丝分裂

5.1.1 原核细胞以二分分裂增殖

细菌染色体分裂时如何会移动仍未查明。

5.1.2 有丝分裂可分为5期

细胞周期包括一个有丝分裂期和一个分裂间期。分裂间期又包括一个DNA合成期(S期)以及S期与M期之间的两个间歇期(G1期和G2期)。离开细胞周期不再分裂的细胞称为C0期细胞。

1.纺锤体是由成束的微管组成的。中心体与纺锤体的形成有关。中心体中有两个中心粒,它们在细胞分裂之前就各自复制一次而成两对中心粒。进入前期后,每对中心粒外间即为一层细胞质所包围,形成一个中心体。一般认为,中心体是形成微管的中心。中心体外围有成辐射状排列的微管,形成光学显微镜下可见的星状丝,星状丝和中心体合称星体。两个星体最初在核膜外保持一定距离,至晚前期,由于星体间的微管,即极微管的延伸,两个星体被推向相反的两极,和其间的微管共同形成具有两极的纺锤体。
2.前中期
双层的核膜开始破碎,形成分散的小泡,很像分散的内质网膜。核膜下面的核纤层也随之解聚成核纤层蛋白。在有丝分裂的整个过程中几乎都可以见到核膜小泡,它们分散在纺锤体的周围。染色体进一步凝集,缩短变粗。纺锤体则移至细胞中央,原先为细胞核所在位置上,着丝粒外面的动粒通过马达分子与一组特殊的微管—动粒微管相连。与动粒结合的动力蛋白和驱动蛋白等马达分子沿动粒微管的外壁运动使处于这时期的染色体向赤道板集合。

3. 中期
   各染色体都排列到纺锤体的中央,它们的着丝粒都位于细胞中央的同一个平面,即赤道面上,于是细胞到达分裂中期。此时纺锤体微管可以分为3种类型:一是从中心体向纺锤体外侧呈辐射状发出的星体微管。二是连结中心体和染色体的动粒微管,这类微管是染色体向两极移动所必需的。三是极微管,这些微管来自两极,在纺锤体中央赤道板处交会。马达分子通过在分别来自两极的微管之间运动来调节两个星体之间的距离。
   4.后期
   在各染色体接近两极时,动粒微管缩短,而极微管却延长,因而纺锤体两极的距离也加长了。
   5.末期
   分离的两组染色体分别抵达两极时,动粒微管消失。极微管进一步延伸,使两组染色体的距离进一步加大。在两组染色体的外围,核膜重新形成，染色体伸展延长,最后成为染色质。核仁也开始出现,细胞核恢复到间期的形态。
   进入间期后,中心体的两个中心粒开始复制而形成两对中心粒。每对都是彼此垂直的一大一小两个中心粒。小的是新复制的,在间期和分裂期中逐渐长大。

4. 胞质分裂
   细胞膜在两极之间的“赤道”上形成一个由肌动蛋白微丝和肌球蛋白组成的微丝环带。微丝收缩使细胞膜以垂直于纺锤体的方向向内凹陷形成环沟,环沟渐渐加深,最后将细胞分割成为两个子细胞。由于环沟般都位于细胞长轴的中点,即赤道面上,所以两个子细胞的大小总是相等的。有些细胞在分裂时,环沟的位置偏向一端,因而产生两个大小不等的子细胞。这种不对称的分裂在卵细胞发生过程(极体产生)中以及在某些胚胎的早期发育过程(动物和植物的极细胞)中常常可以见到。
   

   物细胞的胞质分裂不是在细胞表面出现环沟,而是在细胞内部形成新的细胞壁,将两个子细胞分隔开来。在细胞分裂的晚后期和末期,残留的纺锤体微管在细胞赤道面的中央密集成圆柱状结构,称为成膜体,其内部微管平行排列;同时,带有细胞壁前体物质的高尔基体或内质网小泡,也向细胞中央集中,在赤道面上彼此融合而成有膜包围的平板,即早期的细胞板。小泡中的多糖被用来制造初生细胞壁和果胶质的胞间层。小泡的膜则在初生细胞璧的两侧形成新的质膜。由于两个细胞来自共同的小泡。因而两个质膜之间有许多管道相通。这些管道就是胞间连丝,是相邻的细胞之间细胞质相通的管道。高尔基体或内质网小泡继续向赤道面集中、融合,使细胞板不断向外延伸,最后到达细胞的外周而与原来的细胞壁和质膜连接起来。这时,两个子细胞就完全分隔开了。

5.1.3 有丝分裂过程中核被膜、纺锤体、染色体等都有变化

1.核被膜裂解并再生

核被膜内面有一个电子密度高的核纤层,其厚度因细胞而异。组成核纤层的蛋白质称为核纤层蛋白,是组成中间丝的蛋白质。核纤层蛋白的分子组装成核纤层,其作用是使核被膜保持稳定,并能与染色质的某些部分结合,使染色质有所依附。在细胞分裂的前期,核纤层蛋白高度磷酸化,于是核纤层结构解体。可能是由于核纤层的解体,核膜和其上的核膜孔也分别崩解,核被膜破裂成大小不等的封闭的小泡,即膜泡,其形状和内质网膜形成的小泡难以区分。核纤层结构的组成成分核纤层蛋白A和C随着核纤层结构的解体而以可溶性状态存在,而核纤层蛋白B则仍然与由核膜形成的小泡结合。在有丝分裂进人末期时,核纤层蛋白被去磷酸化,核膜小泡和核纤层蛋白在染色质周围重新组装形成核纤层结构,核膜小泡彼此融合,形成完整的核膜结构。

重建的过程需要有DNA参加,否则重建不能完成,但不要求DNA的专一性,即使是噬菌体的DNA,也可促进这一重建过程。

2.纺锤体形成

纺锤体由许多纤维组成,这些纤维又是由成束的微管和与微管结合的蛋白质组成的。这些纤维可分为极纤维或极微管和动粒纤维或动粒微管两类。正在分裂的细胞中,微管的组装需要有微管组织中心（MTOC）。长期以来,一直认为细胞两极的中心粒就是两个MTOC。但是许多生物,特别是所有植物,其中心体中并没有中心粒,却能形成正常的纺锤体。小鼠细胞在分裂早期也没有中心粒。

用激光破坏动物细胞的中心粒后,此细胞仍能形成正常的纺锤体。所以微管组织中心可能是存在于纺锤体两极的染色较浅的物质,即包围着中心粒的中心体。中心体既存在于动物细胞中,也存在于植物细胞中。秋水仙素能破坏微管的组装,阻止纺锤体的正常分离并移向两极。

4. 细胞器的增殖
   像线粒体和叶绿体这样的细胞器只能通过原有细胞器分裂产生,而不能在细胞质中重新产生。所以子细胞只能从母细胞获得这类细胞器。在大多数真核细胞中线粒体总是体积小而数目多因此只要各线粒体能在细胞分裂时,或早或晚分裂一次,子细胞就会获得一份线粒体。叶绿体也是一样。高尔基体和内质网则是在细胞分裂时,破成碎片或小泡,分别进入子细胞中。内质网小泡在细胞分裂时多附着在纺锤体微管上,这可能有利于它们进人子细胞。各种细胞器的增殖大都是在有丝分裂之前的间期中发生的。

5.1.4 分子机制控制细胞周期

染色体DNA的复制以及多种蛋白质的合成都发生在间期。染色体中的组蛋白也是在S期合成的。S期开始之前的G1期和S期结束之后的G2期中,细胞不合成DNA,但损伤的DNA分子可在此时修复。细胞进入G1期后,即开始为下一次分裂作准备。各种与DNA复制有关的酶在G1期明显增多,线粒体、叶绿体和核糖体也都增多。内质网则更新扩大,高尔基体、溶酶体等的数目也增多。动物细胞的两个中心粒彼此分离并开始复制。在G1期,中心粒即完成复制,形成两对中心粒。微管蛋白以及一些与细胞分裂有关的物质也在此时期大量合成。
有些细胞分化后就不再分裂。例如,人的神经细胞在婴儿出生时就停留在G1期而不再分裂。这种细胞称为C0期细胞,它们已脱离了细胞周期的轮回。有些细胞,如肝细胞和淋巴细胞,在正常情况下不分裂,但在某些因子的作用下,可以恢复其分裂能力,重新进入细胞周期。例如,切除一部分肝脏后,剩余组织的细胞即能进行旺盛的分裂。还有些细胞能够继续不断地分裂,从不进入G0期,如植物茎尖、根尖的分生细胞,动物骨髓中的造血干细胞等。
由此可见,生物体的各种细胞有的终其一生,分裂不止,有的一旦生成就不再分裂。所以细胞分裂这一复杂过程是受到一种调节机制控制的。许多实验已证明控制细胞周期的是细胞质中的一些化学信号,这是在人工培养的哺乳动物细胞中发现的。实验证明,将两个处于细胞周期不同阶段的细胞融合,就会形成一个含有两个核的细胞。假若这两个细胞中,一个处于S期,另一个处于G1期,那么G1期的核就会立即进人S期,好像第一个细胞的细胞质中的化学物质刺激了第二个细胞。同样,如果处于M期的细胞与处于另一阶段的细胞融合,则第二个细胞立即进入M期,其染色质凝聚并形成纺锤体。

1. 细胞周期的检控点
   细胞周期的检控点存在于G1期、G2期和M期。对于许多细胞而言,G2期的检控点似乎是最重要的。如果细胞从此检控点得到“继续进行”的信号,那么通常就会将事件进行到底,于是细胞发生分裂。反之,如果此时未接到“继续进行”的信号,那么细胞就会退出细胞周期而进入C0期。人体中大多数细胞都是处于G0期的。如前所述高度特化的神经细胞和肌肉细胞是永远不分裂的。其他一些细胞,如肝细胞,可被召回而进入细胞周期,如受伤后释放的生长因子可使之重新进行分裂。
   2.细胞周期的时钟:细胞周期蛋白及依赖于它的激酶
   控制细胞周期的分子,其数量和活性有着节律性的波动这种波动与细胞周期中相继发生的事件的进程是同步的。这些起调节作用的分子是蛋白质类:其中许多是蛋白激酶,即通过磷酸化作用使别的酶活化或失活的酶类。在G1和G2检控点发出“继续进行”信号的是一些专一的蛋白激酶。
   

   在生长中的细胞中,推动细胞周期的激酶的浓度实际上是稳定的,不过其中大部分处于失活状态。这种激酶必须与周期蛋白结合。周期蛋白在细胞中的浓度发生周期性的变化,因而得名。因此之故,上述激酶名为依赖于周期蛋白的激酶（Cdk）。Cdk周期蛋白复合物是先被发现的,当时命名为MPF,意为促进成熟的因子。但现在知道这个名称不准确,应该是促进M期的因子（缩写仍为MPF)。它的作用是引发细胞通过G2检控点而进入M期。当G2期中积累的周期蛋白与Cdk分子结合时,所形成的MPF复合物便引起有丝分裂。大概是由于引起了许多种蛋白质的磷酸化,它还有其他作用,例如,它使核纤层的蛋白质磷酸化而使核膜裂成碎片。在有丝分裂的晚期,MPF分解,其中的周期蛋白被破坏,而Cdk则以失活的状态存在于细胞中,直到它与新的周期蛋白分子结合而开始细胞周期的下一轮。
2. 细胞内的因素也帮助控制细胞周期
   把各种Cdk与其他分子联系起来的信号传递途径的研究尚处于起始阶段。
   研究人员发现来自尚未与纺锤体微管连接的动粒的信号是延迟末期的信号,某些与此微管有关的蛋白质引发一种信号传递途径,使促进末期的复合物(APC)处于失活状态。只有当所有动粒都连接在纺锤体上的时候,这种“等待”信号才会终止。然后APC才有活性并间接引发周期蛋白的降解和使姐妹染色单体合在一起的蛋白质失活。
   4.生长因子是来自外部的信号
   研究人员培养动物细胞时鉴定出了许多种影响细胞分裂的外部因素,这些因素既有化学的,也有物理的。例如,假使培养基中缺乏某种必需的养分,细胞就不分裂。而且即使所有其他条件都适合,但培养基中缺少专一的生长因子时,哺乳动物的大多数类型的细胞也不分裂。生长因子是某些体细胞分泌的蛋白质,它促进其他细胞的分裂。
   生长因子的一个例子是血小板衍生生长因子（PDGF)。例如,成纤维细胞,结缔组织中的一种细胞,就需要PDGF才能分裂。PDGF不仅在人工培养条件下促进成纤维细胞的分裂而且在动物体内也一样。受伤后,附近的血小板就释放PDCF,于是成纤维细胞的增生有助于伤口的愈合。已发现许多种不同的生长因子。每种类型的细胞大概对某种生长因子或一些生长因子的某种组合发生专一的响应。
   生长因子的发现提供了理解细胞的密度制约的抑制作用的关键。这种抑制作用就是密集的细胞停止分裂的现象。许多年前已观察到,培养的细胞通常分裂到在培养皿内壁上形成满层细胞后就停止。当细胞的集群达到一定密度以后,每个细胞所能得到的养分和生长因子都不够了,不足以维持细胞的继续生长。癌细胞则既无密度制约的抑制,也无贴壁依赖性。

5.1.5 染色体

在间期中,染色质呈极细的串珠丝,小珠就是组蛋白和缠绕其外的DNA所构成的核小体,有丝分裂时,这些细长的染色质丝卷曲、折叠而成为在光学显微镜下可见的染色体。着丝粒位于染色体的一个缩细的部位,即主缢痕中。着丝粒是染色质,是染色体最后复制的部分。着丝粒和主缢痕在各染色体上的位置是确定的。
着丝粒是DNA分子中一段特殊的序列(重复序列)。在高等生物中,着丝粒的外面,即光学显微镜下所见的主缢痕周围,还有另一结构,即动粒。动粒与微管结合(动粒微管)起着使染色体排列到纺锤体中央的作用。
真核细胞的染色体都是线形的,其末端有一特定结构称为端粒。实验表明,端粒序列对DNA的正常复制至关重要。

1. 性染色体和常染色体
   性染色体是决定性别的染色体。人有23对染色体,其中22对,男女都一样,称为常染色体,只有一对男女不同,称为性染色体;女人的一对性染色体,形态相同,称为X染色体;男人的一对染色体中,有一条和女人的一样, 是X染色体,另一条不同,称Y染色体。所以,XX是女性,XY是男性。果蝇有4对染色体,其中3对
   是常染色体,1对是性染色体。

2. 染色体数目
   

   各种生物染色体数目是恒定的。人有46条(23对)染色体,果蝇有8条(4对)染色体,玉米有20条(10对)染色体。
3. 染色体组型
   不同生物有不同的染色体组型或核型,即不同数目,不同大小,不同形态的一组染色体。例如,人有23对染色体,可根据它们的形态、大小、着丝粒位置等按序排列成1~22对,另外还有一对性染色体(XX或XY)。这就是人的染色体组型。

4. 染色体带型
   将分裂中期的染色体用荧光染料奎纳克林染色,在荧光显微镜下可看到染色体上出现发荧光的横带,称为Q带。由于荧光染料容易消褪,现在使用的是一项永久染色的技术,即吉姆萨染
   

   色法。这本是一种细胞的染色技术,现在用来显示染色体,效果很好。
   将分裂中期的样本加热或用蛋白水解酶处理,再用吉姆萨染色,染色体上即出现横带,称为G带。如将样本用热碱溶液处理,再做吉姆萨染色,染色体上就会出现另一套横带,称为R带。G带和R带不重叠就是说,显示G带的方法不能显示R带,反之亦然。
   这是因为染色体中的部位对不同的染色方法有不同的反应。吉姆萨染色显示的G带是富含A-T的核苷酸片段,用热碱溶液处理,显示的则是富G-C的核苷酸片段,即R带。
   

   各个染色体带的形态是稳定的,因此根据带型即可进一步精确地区分不同的染色体。人的23对染色体都可根据带型而区分。不同的物种,染色体的带型各有特点。从进化上看,带型又是一个相当保守的特征,人的各染色体的带型与黑猩猩、猩猩和大猩猩的基本相同。染色体带型的变化也往往是某些遗传疾病和肿瘤等的特征与病因。

5.2 减数分裂将染色体数由2n减为n

在二倍体生物中,每对染色体的两个成员中,一个来自父方,个来自母方,形态、大小相同。这两个称为同源染色体。

1. 减数分裂的过程

   
   
   
   

   （1）DNA复制 在减数分裂开始之前间期的S期,DNA复制一次
   （2）第一次分裂——减数分裂I，此次分裂可分为前期I、中期I后期I和末期I,其中前期Ⅰ很重要,时间很长。因此又可分为5个亚时期：细线期、偶线期、粗线期、双线期和浓缩期或终变期。

• 在细线期中已复制的染色体由两条染色单体组成的,它们是姐妹染色单体。但由于两条染色单体互相并列呈细而长的线
  状,所以看不出染色体的双重性。
• 到了偶线期,同源染色体的两个成员逐渐变粗,并侧向靠拢。这种现象称为联会,是减数分裂中的重要过程,是减数分裂区别于有丝分裂的一个重要特点。联会始于偶线期,终于双线期。
  联会开始即出现联会复合体,这是一种非永久性的复合结构,形状像拉链。联会复合体的主要功能是:一方面使两个同源染色体稳定在约100nm的恒定距离中,这是同源染色体配对的必要条件;另一方面,可能在适当条件下激活染色体的交换。通常,联会复制出现于偶线期,成熟于粗线期,消失于双线期。
• 粗线期时,梨色体进一步缩短变粗,同源染色体配对完毕。配对完毕的染色体为二价体或四分体。二价体中的每一条染色体含有两条姐妹染色单体,因此每一个二价体含有4条染色单体故称四分体。在这个时期,非姐妹染色单体间可能发生交换,即遗传物质发生了局部的互换。
• 双线期中,染色体继续变短变粗,而且二价体中配对的同源染色体趋向分开,在非姐妹染色体间出现交叉结即非姐妹染色单体在若干处相互缠结。交叉结的出现是发生交换的有形结果
  此时联会复合体消失。
  前期I时间很长。男人精子发育过程中前期Ⅰ约持续二十几天。女人在降生时产生的卵母细胞(初级卵母细胞)就已经进入前期I(双线期),以后停止发育,一直到性成熟时(约14岁)才开始逐月排卵,受精后则依次完成减数分裂,受精卵发育成胚胎。
  （3）第二次分裂—减数分裂
  减数分裂与有丝分裂相比较,有两点不同。第一，有丝分裂是DNA复制一次,细胞分裂一次;减数分裂是DNA复制一次,而细胞分裂二次。前者产生2个2n的细胞,后者产生4个n的细胞。第二,因为染色体行为不同,所产生细胞的倍性不同。有丝分裂中同源染色体单独行为,没有联会;每一染色体复制为二,分配到两个子细胞中,子细胞得到和亲本同样的一组色体。减数分裂有联会,即每一染色体复制成2个色单体,在减数分裂I期间不分开。同源染色体又对而成四分体,然后经交叉、重组等过程,2个同源色体(各含两个染色单体)分别进入2个子细胞。结果每个子细胞中只含每对同源染色体中的一个染体,所以是单倍性的。
  2.不同生物减数分裂发生时间不同
  不同生物体内减数分裂发生的时间可分为3种型：终末的减数分裂、起始的减数分裂和中间的减数分裂。
• 终末的减数分裂发生在形成配子之前。各种动物和人的受精卵为二倍体,通过有丝分裂和细胞分发育成二倍体的动物体(2n)。动物体的二倍性初级性母细胞(初级精母细胞和初级卵母细胞)经减数分裂产生单倍性的配子。
• 起始的减数分裂发生在衣藻、绿藻等藻类中。受精卵(合子)不发育成二倍体的营养体而是直接进行减数分裂而成为单倍体的营养细胞或营养体(n)。营养细胞进行有丝分裂而成为单倍体的配子(n),配子结合又成合子(2n)。
• 中间的类型是植物。它们的合子经过有丝分裂而成为二倍体的孢子体植物,就是我们日常见到的花草树木。孢子体产生孢子母细胞,孢子母细胞才发生减数分裂而成单倍体的配子体植物,即花粉粒或胚囊(n)。

5.3 个体发育中的细胞

1.细胞分化

表皮组织的细胞呈扁平状,彼此交错镶嵌成一层或多层表皮,覆盖于叶、新生根和茎的表面,表皮各有一层角质膜,防止水分过度蒸发。表皮下的栅栏组织和海绵组织细胞,壁薄,液泡大,排列松散,细胞中含有叶绿体,能进行光合作用。有些细胞,细胞壁局部(如厚角组织的细胞)或全部(如厚壁组织的细胞)加厚,木质化,在植物中起着机械支撑作用。石细胞的壁大大加厚,是死细胞,它们常常出现在坚果和种子的硬壳中。木质部中细长的导管和管胞是运输水的通道,韧皮部中的筛管是运输营养物质的通道,有了这些维管组织的细胞,水分、无机盐、营养物质才能在植物体中作远距离的运输。

哺乳动物出生以后脑的基本结构已经出现。但在脑的许多区域初期产生的神经元数目大大超过了发育期以后留存下来的神经元数目。在大脑发育及其神经网络构建过程中,估计有50%的神经元凋亡,那些凋亡的神经元正是没有和靶细胞建立起联系的神经元。经过了这样对神经元数目的调整,才构建起成熟的神经网络。

3.细胞全能性和干细胞
多细胞个体的细胞都是来自受精卵。有丝分裂的精确机制,使每一个细胞都有一套完整的遗传信息。在分化了的动植物细胞中,它的核仍然具有全能性,然而至今尚不能使动物体的细胞形成一个完整的个体。
在植物的成体中,始终保留有分生组织,即使已分化的细胞在受到刺激后仍会恢复分生能力。例如在受伤面上,薄壁组织恢复细胞分裂,形成愈伤组织。在动物方面随着胚胎发育,细胞逐渐丧失了发育成个体的能力仅有少数细胞依然有分化成其他细胞类型以及构建组织和器官的能力,这类细胞称为干细胞。受精卵和早期卵裂球细胞具有发育为完整个体的能力,是全能干细胞。当胚胎发育到囊胚时,其干细胞具有分化为各种细胞类型的能力,是多能干细胞。在一些动物成体组织中也存在有干细胞。它们具有分化成某些组织细胞类型的能力,称为组织干细胞。
在红骨髓中有一种能分化为各种血细胞的组织干细胞,是多能干细胞。它一方面能经过有丝分裂更新自己,一方面转化为淋巴干细胞和髓样干细胞。淋巴干细胞分化为T细胞和B细胞。髓样干细胞分化成红细胞、各种白细胞和血小板。产生白细胞的干细胞发生癌变,就导致白血病。这是一种致死的疾病。设法将患者已癌变的骨髓细胞破坏掉,再将合适供体的骨髓或者从骨髓中分离出来的多能干细胞移植到患者体内,是治疗白
血病的有希望的途径。
从非常幼龄的哺乳类胚胎中分离得到的胚胎干细胞(ES细胞)有重要意义。ES细胞能分化产生胚胎中的各种结构,因此在医学中有重要的应用价值。

4. 细胞衰老
   多细胞生物体的细胞经过有限次数的分裂以后,进入不可逆转的增殖抑制状态,它的结构与功能发生衰老性变化。在体内,随着个体发育,细胞逐渐进入衰老状态。衰老细胞在结构和功能上发生系列变化:如核被膜内折、染色体固缩、线粒体和内质网减少、膜流动性降低等。
   细胞增殖、细胞分化、细胞凋亡、细胞衰老都建立在物质代谢和能量转换的基础之上,并受控于生物体的信息系统。它们紧密关联,在时间上和空间上整合成一个有序的严格受控的整体。