第四章 細胞週期 (The Cell Cycle)

1. 第四章 細胞週期(The Cell Cycle) 植物系 陳益明老師 2002.09.23

2. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： (一)細胞分裂的功能為生殖、生長與修補 (Cell division of functions reproduction growth, and repair) (二)細胞分裂將兩套相同的染色體分佈在兩個子細胞(daughter cell)內(Fig.12.3)

4. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： (三)細胞週期中有絲分裂與間期之交互進行(Mitosis alternates with interphase in the cell cycle) 有絲分裂只是細胞分裂週期中的一部分，細胞分裂週期又稱細胞週期(cell cycle)(Fig.12-4)。有絲分裂(mitosis)與細胞質分裂(cytokinesis)的時期稱為有絲分裂期(mitotic phase, or M phase)，為真正使細胞核和細胞質分裂的時期，事實上此時期僅為細胞週期中期最短的一部份。完整的細胞分裂應包括一個很長的間期(interphase)，所費時間為一個細胞週期中的90%，在此期間，細胞會生長並複製染色體，作為有絲分裂的準備。

6. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： 1. 在進行細胞週期(cell cycle)時，有絲分裂之中間要有間期(interphase)交互參雜其中，以利細胞分裂 前各項之準備。

7. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 細胞週期各階段之變化概述： • 細胞週期是由有絲分裂(含細胞質分裂)與靜止期(interphase)組成，圖12-4。間期可分為G1(first gap)，S及G2(second gap)期。此階段所需之時間較長。（佔全部90%時間）

8. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 細胞週期各階段之變化概述： • 有絲分裂可分為前期(prophase)，中期(metaphase)、後期（anaphase）及末期(telephase)，完成上述各階段，再進行細胞質分裂 (Fig.12.5) 。

11. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 為研究或其他應用上之需要，在培養細胞時往往需要同步培養〞(synchronized culture)的細胞材料。

12. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 有絲分裂紡綞體(spindle)導引染色體等量分配到兩個子細胞中(Fig.12.6)

14. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 紡綞體是在細胞分裂之前期在細胞質就已形成，它是由微管體及其他結合性蛋白(microtubles and associated proteins)所組成之絲狀構造。

15. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 紡綞體微管體的聚合(assembly)是由中心體開始。中心體又稱為微管體聚合中心(microtuble-orgnizing center)。在細胞環裂之靜止期，中心體分裂為二，位於細胞核之外，在細胞分裂前期或前中期(prometaphase)，微管體從中心體向外四散，兩個中心體排列在細胞相反的兩個極(spindle poles)上。

16. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 每一條染色體上有兩條相連接之染色分體(chromatids)，其相連處有蛋白質構造，稱為著絲點(kinetochore)，連接在著絲點上的微管體稱為著絲微管體(kinetochore microtubules)，有些不連在著絲點之微管體，則會由細胞兩個位置相反的極互相重疊此稱為(overlapping nokinetochore microtubules )(Fig.12.6)。

17. 一、 細胞分裂扮演之角色(The key roles of cell division)： • 在細胞分裂末期，染色體如何分開而向兩極移動：染色體開始移動是往一方向，後來皆排列於中央。在分裂後期(anaphase)由於著絲點微管體變短(乃因在後期著絲點末端進行〝depolymerizing〞而變短)，釋出游離的tubulin分子(Fig.12.7)。

19. (四) 紡綞體使染色體分配到子細胞(The mitotic spindle distributes chromosomes to daughter cells: a closer look) 有絲分裂進行的很多步驟都依賴某種構造，稱為有絲紡綞體(mitotic spindle)，它在前期的細胞質內開始合成。紡綞體由微管(microtubules)及相關蛋白質組合而成(Fig.12.6)。當細胞在組成紡綞體時，細胞骨架有部份微管被部份分解並用以構建紡綞體。紡綞體微管可插入微管蛋白(tubulin)的次單位而延長。

20. (五) 細胞質分裂(cytokinesis)： 1.動物細胞質分裂：開始進行細胞質分裂信號是在細胞赤道板上產生分裂溝(cleavage furrow)，在此分裂溝之細胞質則有許多actin蛋白組成分，形成微絲伸縮環(contracting ring)，藉此分裂溝加深收縮，直到形成兩個子細胞 (Fig.12.8a) 。 2.植物細胞則先行成細胞板(cell plate) (Fig.12.8b) 。

23. 二、有絲分裂的演化 (The evolution of mitosis )(Fig.12.11 A hypothesis for the evolution of mitosis)

24. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) 動物或植物細胞分裂的時間和速率在不同部位，正常生長，發育與維持等不相同，我們可以觀察到不同細胞形式的幾種細胞分裂形態。例如，人類的皮膚細胞在一生當中分裂頻繁，而肝臟細胞則保留分裂能力，值到有需要的部位才回復，以利修補受傷組織。某些特化的細胞，如神經或肌肉細胞，它們在人體成熟以後就不再分裂了。

25. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) • 驅動細胞週期之分子調控系統(A molecular control system drives the cell cycle )(Fig.12.12) • 調節蛋白以週期性的改變，其功能有如一個有絲分裂時鐘(cyclinal change in regulatory proteins function as a mitotic clock) 限制點是一個不能回頭的點，允許S期的開始，使細胞繼續進行G2及M期並且分裂，即使外在如營養的供應已不足亦然。這也不是意味在細胞失去控制。成功地分裂所需要的一系列地精確步驟，端賴細胞欲進行下一步驟的每一件事是否完成。

27. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) • Cell cycle checkpoint • 微纖維母細胞(fibrob;ast cells)培養時若加入PDGF(platelet-derived growth factor)，其細胞才會快速分裂，否則細胞不能分裂(Fig.12.13)。

29. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) • Cell cycle checkpoint • Maturation Promoting Factor C(MPF)包含二部份 A.Cdc2： • cell division control proteins 即 protein kinase • responsible for interphase 進入 Mitosis階段。 • 含量都保持恒定。

30. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) • Cell cycle checkpoint • Maturation Promoting Factor C(MPF)包含二部份 • cyclin：(a)呈韻律變化，在M-phase量最高。 (b)cyclin 與cdc2結合形成Active MPF。

31. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) • Cell cycle checkpoint cyclin(週期素)：是一種調節性蛋白質。 Cdks (cyclin-dependent kinase) MPF: Maturation Promoting Factor,其活性受cyclin 調控。 Cell-cycle 控制系統：在細胞週期中可接受〝stop〞或〝go-ahead〞信息而調控的點。(Fig.12.14)

33. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) • 蛋白質激酶(kinase)與細胞分裂的控制 細胞週期的各個步驟受到蛋白質激酶的律動活化。該酵素藉由磷酸化開放或關閉其標的蛋白質，其中一種蛋白質激酶MPF是由週期素 (cyclin 一種調節性蛋白質，其濃度可以改變週期性與Cdk (週期素依賴激酶)循環組成複合物)。週期素在整個週期都有合成，並在間期累積。

34. 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle) • 蛋白質激酶(kinase)與細胞分裂的控制 • 週期素附著在Cdk，並在間期末活化。 • 活化的複合物MPF藉著磷酸化各種蛋白質，包括它各種蛋白質激酶，以協調細胞質分裂。 • 當週期素瓦解酵素(cyclin-degrading enzyme)被活化時，會破壞MPF的活性。 • MPF中的Cdk部份是可循環再利用的。一但再與新週期素結合，可恢復期激酶的活性。

37. 四、 癌細胞脫離細胞分裂的控制(Cancer cells escape from the controls on cell division) 癌細胞對身體的控制機制是沒有正常反應。它們過度的分裂並且侵犯其他組織，如未被察覺，他們會殺死整個個體。

38. 四、 癌細胞脫離細胞分裂的控制(Cancer cells escape from the controls on cell division) 研究者從癌細胞的培養研究中，了解癌細胞並不接受停止生長的訊號。尤其是，他們在培養基生長時不受密度依賴抑制所控制(Fig.11.12b)。被培養的細胞相互緊密靠近之後仍然繼續分裂、堆疊，直到培養基的營養枯竭為止。

39. 四、 癌細胞脫離細胞分裂的控制(Cancer cells escape from the controls on cell division) 不正常的細胞分裂(p220) • Hela cells：1951年Henrietta Lacks 之子宮癌細胞經培養之〝cell line〞 • 一個轉形細胞(transformed cell，即begin tumor)，如何轉變成惡性腫瘤 (Malignant tumor)，其原因甚複雜。 • 由original site 的癌細胞蔓延到其他部位稱為轉移(Metastasis) (Fig.12.17)。

42. 五、 參考資料 1.Compbell,TB and Reece,JB (2002)Biology(6 th,ed.) .Chap.12.p.215-231.