2.7. 细胞周期与分裂及增值调控与癌细胞¶
细胞增殖（cell proliferation）是细胞生命活动重要特征之一；直观表现为细胞分裂（cell division），即1个亲代细胞（mother cell）变为2个子代细胞（daughter cell），使细胞数目增加；分裂前需物质准备，此两阶段为高度受控相互连续的过程，可称细胞周期（cell cycle）/细胞分裂周期（cell division cycle）/细胞生活周期（cell life cycle）/细胞繁殖周期（cell repro-ductive cycle）。
细胞增殖是生物繁育、生长的基础；对单细胞生物可增加个体数，对多细胞生物则维持细胞数量平衡、机体正常功能、创伤愈合等。
不受约束生成的细胞或被免疫系统清除、或癌变成癌细胞（增殖失控、浸润性、可转移）。
2.7.1. 细胞周期¶
细胞周期：从一次细胞分裂结束开始，经物质准备，至下一次细胞分裂结束的过程；涉及：分裂前遗传物质DNA精确复制、完整复制的DNA分裂过程中准确分配至子细胞、物质准备与细胞分裂的调控。
细胞周期可简单分：细胞有丝分裂期（mitosis）及两分裂期间的分裂间期（interphase）；分裂间期是细胞增殖的物质准备及积累阶段，分裂期是细胞增殖的实施阶段。
一个标准细胞周期分：G1期（第一间隔期，上次分裂结束至S期间）、S期（DNA合成期）、G2期（第二间隔期）、M期；不同生物细胞周期时长不同，高等生物而言细胞周期时长取决于G1期（其余时相相对恒定）。
对多细胞生物而言可视为单个受精卵经分裂、分化形成的细胞社会，整个群体可分：周期中细胞（cycling cell）可持续分裂，细胞周期持续运转填补损伤细胞；G0期细胞/静止期细胞（quiescent cell），暂时脱离细胞周期而停止细胞分裂，但仍然活跃代谢；终末分化细胞（terminally differentiated cell），分化程度高而特化定型执行特定功能，终生不再分裂。
2.7.1.1. 周期时相及其主要事件¶
G1期：合成细胞生长所需各种蛋白质、糖类、脂质等，但不合成核DNA。
晚期阶段具特定时期，细胞继续分裂则经此特定时期进入S期；芽殖酵母中该时期称起始点（start），其它真核细胞中称限制点（restriction point，R点）/检验点（checkpoint）；起始点为G1期晚期基本事件，细胞在内外因素作用下完成此事件才能进入S期，包括营养供给、激素刺激等及细胞分裂周期相关基因（cell division cycle gene，cdc基因）调控等。
检验点还存在于：S期检验点、G2期检验点、纺锤体组装检验点等；是作用于细胞周期转换时序的调控信号通路，胞质基因、基因组稳定性，非细胞分裂基本条件。
S期（DNA合成期）：细胞合成DNA，受多种细胞周期调节因子严密监控，与细胞核结构等密切相关。
G2期：DNA复制完成后，细胞进入此时期，此时细胞内DNA等已作必要准备进入M期；是否进入M期，受G2期检验点控制，检查DNA是否完成复制、细胞生长是否大小合适、环境因素是否利于分裂等，满足时则顺利向M期转化。
M期（细胞分裂期）：真核细胞细胞分裂含：有丝分裂（mitosis）、减数分裂（meiosis）。
细胞周期各时相更迭、周期的运行是在细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶复合物（cyclin-dependent kinase complex，CDK）统一调控下进行。CDK调节靶蛋白磷酸化而调控周期运转，对应为蛋白磷酸水解酶。
2.7.1.2. 细胞周期同步化¶
天然同步化（natural synchronization）：多数无脊椎动物、部分脊椎动物早期胚胎细胞可同步化卵裂，形成同步化细胞群体。人工同步化（artificial synchronization）：人工选择、人工诱导下的细胞周期同步化；人工选择同步化是认为将处于周期不同时相的细胞分离获得不同时相的细胞群体；人工诱导主要有：DNA合成阻断法、分裂中期阻断法。
DNA合成阻断法：采用低毒/无毒DNA合成抑制剂特异地抑制DNA合成，不影响其它时相细胞进行细胞周期运转；胸腺嘧啶脱氧核苷（TdR）、羟基脲（HU）；常用TdR两步阻断法，经两次阻断，使得细胞均处于G1/S期交界。
分裂中期阻断法：利用秋水仙素、秋水酰胺、诺考达唑（nocodazole）等可抑制微管聚合，而抑制细胞纺锤体形成，进而使细胞阻断于分裂中期。
实际中，常多种方法并用以获得数量多、同步效率高的细胞。
同步化 |
方法 |
优点 |
缺点 |
|---|---|---|---|
人工选择同步 |
震荡悬浮分离法 |
无处理，真实反映周期状况、同步化效率高 |
分离细胞量少 |
密度梯度离心法 |
简单省时、效率高、成本低 |
仅少数种类细胞适用 |
|
人工诱导同步 |
DNA合成阻断法 |
同步化效率高，几乎适合所有体外培养细胞体系 |
|
分裂中期阻断法 |
操作简便、效率高 |
药物毒性大 |
2.7.1.3. 特殊细胞周期¶
早期胚胎细胞：卵裂时总体积不增加，周期时间大大缩短。
酵母细胞：周期维持时间短，分裂时核膜不解聚，纺锤体于核内；纺锤体组装与S期DNA复制同步进行。
植物细胞：高等植物无中心体；细胞分裂由成膜体介导形成细胞版完成胞质分裂。
细菌细胞：细菌慢生长时无特别；快生长时，一个周期中每个DNA分子仅复制完成一半，DNA复制是在两正在形成的DNA分子上同时进行。
2.7.2. 细胞分裂¶
2.7.2.1. 有丝分裂¶
细胞周期的M期含核分裂（有丝分裂）、胞质分裂，依分裂期核膜、染色体、纺锤体装配、核仁等形态结构变化，人为划分：前期、前中期、中期、后期、末期；胞质分裂相对独立，开始于后期、完成于末期。
前期（prophase）：主要发生事件：染色体凝缩（chromatin condensation）、细胞分裂极确立及纺锤体装配。
前中期（prometaphase）：标志性事件：核膜崩解、纺锤体装配完成形成有丝分裂器（mitotic apparatus）、染色体整列（chromosome alignment）。
中期（metaphase）：标志是染色体整列完成，所有染色体排列于赤道面，纺锤体结构呈典型纺锤样。染色体向赤道面运动过程称染色体整列/染色体中板聚会（congression）。
后期（anaphase）：标志事件：中期整列染色体其两条姐妹染色单体分离向两极运动。后期可分后期A、后期B两阶段，后期A时动粒微管变短而牵动染色单体向两极运动，后期B时极微管长度增加使两极间距离拉长。使用秋水仙素等时染色体运动立即停止，去除药物后，染色体并不立即恢复运动，需等纺锤体重新装配后才恢复。
末期（telophase）：姐妹染色单体分离到达两极，动粒微管消失、极微管继续加长；核膜重组装。
胞质分裂：整过程可分：分裂沟位置确立、收缩环形成、收缩环收缩、收缩环膜融合。开始时赤道板周围细胞表面下陷形成环形缢缩，称分裂沟（furrow）；进入末期后逐渐加深至完全分开。胞质分裂开始时，肌动蛋白、肌球蛋白Ⅱ于中体处组装称反向排列的微丝束环绕细胞，即收缩环（contractile ring）；中体（midbody）是分裂沟下肌动蛋白、俄日管、核膜小泡等聚集构成的环形致密层。
2.7.2.2. 减数分裂¶
减数分裂是特殊的有丝分裂形式，依减数分裂阶段不同可分：配子减数分裂/终末减数分裂（gametic/terminal meiosis）、孢子减数分裂/居间型减数分裂（sporic/intermediate meiosis）、合子减数分裂/起始减数分裂（zygotic/initial meiosis）。
减数分裂的意义在于：有效获得双亲遗传物质保持后代遗传稳定性、增加变异确保生物多样性增强环境适应能力。
减数分裂前间期（premeiotic interphase）：减数分裂前的细胞间期，可划分为G1期、S期、G2期；S期持续时间较长，DNA复制不完全，具L蛋白结合段被阻止以利于染色体配对。
减数分裂含两次细胞分裂，即减数第一次分裂、减数第二次分裂，两者间间期无DNA合成。减数分裂Ⅰ（meiosisⅠ）与体细胞有丝分裂相似，人为分：前期Ⅰ、前中期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ、末期Ⅰ、胞质分裂Ⅰ；分裂前期Ⅰ的同源染色体配对、基因重组及染色体分离方式等具不同。
前期Ⅰ（prophaseⅠ）：持续时间长，进行同源染色体配对、基因重组，合成RNA、蛋白质；依染色体形态变化分：细线期、偶线期、粗线期、双线期、终变期。
细线期（leptotene，leptonema）/凝缩期（condensation stage）：染色质凝缩，染色质纤维逐渐螺旋化、折叠，细纤维染色体上具颗粒状结构，称染色粒（chromomere）。
偶线期（zygotene，zygonema）/配对期（pairing stage）：主要发生同源染色体配对（pairing），配对后形成的复合结构称二价体（bivalent），又因具4条染色单体而称四分体（tetrad）；同源染色体配对的过程称联会（synapsis），联会部位形成特殊复合结构称联会复合体（synaptonemal complex）。S期未合成DNA于此时期合成，抑制DNA合成则可抑制联会复合体形成。
粗线期（pachytene，pachynema）：同源染色体配对后，染色体继续凝缩、变粗变短，与核膜保持接触；紧密结合的同源染色体发生等位基因DNA片段交换、重组。重组节（combination nodule）：联会复合体部位中间出现的结构，含催化重组相关酶，与染色体交换发生相关。此外还合成减数分裂专有组蛋白，并部分/全部替换体细胞类型组蛋白；rDNA扩增参与形成核仁。
双线期（diplotene，diplonema）：重组阶段结束，同源染色体相互分离；四分体结构变清晰，同源染色体间相联系部位称交叉（chiasma）。较多动物此时期同源染色体可发生去凝集、RNA转录活跃，增大细胞体积且持续时间长；形成灯刷染色体等。
终变期（diakinesis）：染色体重新凝集形成短棒状结构。交叉向染色体臂端部移动，即端化（terminalization）。
中期Ⅰ（metaphaseⅠ）：核膜破裂、纺锤体组装；四分体向赤道方向移动排列于赤道面上；染色体上的动粒分布于同一染色体的一侧。
后期Ⅰ（anaphaseⅠ）：同源染色体对分离向两极移动；染色体数目减半，解除配对的同源染色体随机分配、自由组合分配至两极。
末期Ⅰ、胞质分裂Ⅰ、减数分裂间期：经后期Ⅰ后，细胞后续变化具两种选择；①染色体到达两极去凝集，核膜重组装、胞质分裂形成两个间期细胞，此时间期称减数分裂间期（interkinesis）；②细胞进入末期后立即准备继续减数分裂Ⅱ。
减数分裂Ⅱ过程与有丝分裂过程类似，经减数分裂Ⅱ后共形成4个子细胞，不同性别细胞命运不同；雄性而言大小相似，形成精子细胞；雌性而言，减数分裂Ⅰ时为不均等分裂（卵母细胞+第一极体），减数分裂Ⅱ时不均等分裂（卵细胞+第二极体）。
2.7.3. 细胞增值调控¶
2.7.3.1. MPF与p34cdc2¶
MPF：卵细胞成熟促进因子（maturation-promoting factor）/细胞有丝分裂促进因子（mitosis-promoting factor）/M期促进因子（M-phase-promoting factor）；含cdc2催化亚基、周期蛋白调节亚基，结合后具蛋白激酶活性。早熟染色体凝缩（premature chromosome condensation，PCC）：M期细胞与间期细胞融合后，间期细胞染色体发生形态各异的凝缩。
周期蛋白（cyclin）：含量随细胞周期进程变化，常于间期积累，分裂期消失；诱导细胞进入M期必需。
2.7.3.2. 周期蛋白¶
周期蛋白在细胞周期内表达的时相不同，功能亦多样；如：G1期周期蛋白、M期周期蛋白等。各周期蛋白均具保守氨基酸序列，即周期蛋白框（cyclin box），识别CDK，蛋白N端具破坏框（destruction box）参与泛素依赖的cyclin A及B降解（G1期周期蛋白无，但C端具PEST序列）。
不同的周期蛋白于细胞周期表达时期不同，与不同CDK结合调节不同CDK活性。
2.7.3.3. CDK与CDK抑制因子¶
周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）：一类具相似氨基酸序列，可与周期蛋白结合，并以周期蛋白为调节亚单位而呈现蛋白激酶活性的蛋白质。CDK抑制因子（cyclin-dependent kinase inhibitor，CKI）：一类对CDK活性起负调控作用的蛋白质。
2.7.3.4. 细胞周期运转调控¶
CDK对细胞周期运行起核心性调控作用，被称周期引擎分子（engine molecule）。
2.7.3.4.1. G2/M期与CDK1¶
CDK1（MPF，p34cdc2+cyclin B/A），cyclin B于G1晚期开始合成、G2期最大量，CDK1随cyclin B积累活性出现于G2晚期达最大值至M期中期。
CDK1使某些底物蛋白磷酸化（组蛋白H1、核纤层蛋白A/B/C、核仁蛋白等），改变下游靶蛋白结构、启动功能，实现调控细胞周期作用；磷酸化具yiding 位点特异性；受多种因素综合调节，CDK与周期蛋白结合后经修饰后表现激酶活性。
不同CDK间具一定代偿功能，对个体、器官发育起重要调节作用。
2.7.3.4.2. M期周期蛋白与分裂中期向后期转换¶
细胞周期运行至分裂中期后，M期cyclin A/B迅速降解，CDK1失活，由CDK1磷酸化的靶蛋白去磷酸化，细胞周期向后期转化。
后期促进复合物（anaphase-promoting comples，APC）是一类介导cyclin A/B泛素依赖降解的复合物，可调节其它非周期蛋白类蛋白质降解，成分组成多。APC活性受综合调节，细胞中具正负APC活性调节因子，可被M期CDK激活，受纺锤体组装检验点（spindle assembly checkpoint）调控（纺锤体组装不完全、动粒不被动粒微管全部捕捉，APC不被激活）。
2.7.3.4.3. G1/S期转化与G1期CDK¶
细胞由G1期向S期转化主要受G1期周期蛋白依赖性CDK控制（CDK2/4/6等）。
cyclin D为细胞G1/S期转化必需，其复合体（cyclin D-CDK）底物之一为Rb蛋白（E2F的抑制因子）是G1/S期转化的负调控因子。cyclin E于G1期晚期开始合成至S期后降解，S期启动必需；提高表达可使细胞快速进入S期并降低生长因子依赖性。
cyclin A于G1/S期转化期开始合成，S期内cyclin A-CDK2为主要CDK处于DNA复制中心。
S期后，G1期周期蛋白经SCF泛素化途径降解，需G1期CDK活性参与。
DNA复制起始点识别是DNA复制调控的重要事件；复制起始点识别复合物（origin recognition complex，ORC）是复制必需；Mcm蛋白作为DNA复制的许可信号，随复制进程逐渐减弱至消失而控制复制。
2.7.3.4.4. S/G2/M期转换与DNA复制检验点¶
DNA复制检验点主要含：S期内部检验点（intra-S phase checkpoint）、DNA复制检验点（replication checkpoint）。
S期内部检验点：S期内发生DNA损伤（DNA双链断裂等）时激活，抑制复制起始点启动，减慢DNA复制速度、延长S期，激活DNA修复、复制叉恢复机制；经染色体结构维持蛋白SMC1磷酸化途径、ATM/ATR介导的cdc25A磷酸酶过磷酸化降解抑制cyclin E/A-CDK2活性（抑制复制起始点cdc45募集，减少DNA解旋酶激活）实现。
DNA复制检验点：由ATR/CHK1激活介导cdc25A降解，抑制cyclin E/A-CDK2，停滞复制叉而延长S期。复制叉上蛋白质多为ATR底物，可被磷酸化。
2.7.3.4.5. 其它因素调控¶
癌基因与抑癌基因是细胞生命活动必需基因，表达产物对细胞增殖分化起重要调控作用；产物可分蛋白激酶、多肽类生长因子及其膜表面受体、激素受体、信号转导器、转录因子、类固醇、甲状腺激素受体、核蛋白等。
胞外因素也可对细胞周期具重要影响；如离子辐射（DNA损伤）、病毒感染（影响细胞周期）、T、pH等。
2.7.4. 癌细胞¶
癌细胞（cancer cell）是脱离细胞社会赖以构建、维持的规则制约，表现细胞增殖失控、侵袭并转移其它部位的特征，破坏组织、器官正常生理功能；细胞类型相近但基因组具不同形式改变。
表观遗传改变（epigenetic change）：癌细胞基因组序列未改变，但DNA、组蛋白修饰发生变化，使细胞表达模式改变，引起癌症发生。
2.7.4.1. 基本特征¶
肿瘤细胞（tumor cell）：动物体内因细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞；具转移能力的肿瘤称恶性肿瘤（malignancy），源于上皮组织的恶性肿瘤称癌。
主要特征：细胞生长、分裂失去控制，具浸润性、扩散性，胞间相互作用改变，表达谱改变、蛋白质活性改变。转移灶（metastasis）：经转移于体内其它部位增殖产生的次级肿瘤。
经人工诱导技术可培养出恶性转化（malignant transformation）细胞，具癌细胞相同的无限增殖潜能；体外培养贴壁性下降，失去运动、分裂接触抑制；于易感染动物体内易于形成肿瘤。
2.7.4.2. 癌基因与抑癌基因¶
癌基因（oncogene）：控制细胞生长、分裂的一类正常基因，突变（功能获得性突变，显性）可引起正常细胞癌变；分：病毒癌基因（v-onc，反转录病毒基因组里可使宿主细胞发生癌变的基因）、细胞癌基因（c-onc）/原癌基因（proto-oncogene）；转化基因（transforming gene）：活化的癌基因、癌细胞分离的癌基因可转化体外培养的哺乳类细胞为癌变特征的癌细胞。
抑癌基因/肿瘤抑制基因（tumor-suppressor gene）/抗癌基因（antioncogene）：一类编码正常细胞增殖过程中负调控因子的蛋白质基因，在细胞周期检验点上阻止周期进程，可抑制周期调节、促进细胞凋亡；突变（功能丢失性突变，隐性）引起细胞周期失控而过度增殖；Rb基因、p53基因（转录因子，DNA损伤引起p53水平上升激活DNA修复系统）；抑癌基因与其编码蛋白关系：偶联细胞周期与DNA损伤，DNA损伤未修复则起始凋亡，与细胞黏着相关（抑制转移）。
2.7.4.3. 肿瘤发生与肿瘤干细胞¶
癌症发生非单一基因突变，至少于一个细胞中多个基因突变才具癌细胞所有特征；单一原癌基因突变需待细胞群体中出现新偶发突变产生才形成癌。结肠癌的发生中，开始的突变仅于肠壁形成良性肿瘤（息肉），进一步突变才发展成恶性肿瘤，全程至少需10年。
肿瘤干细胞（cancer stem cell）是一群存在于肿瘤组织中的干细胞样细胞；具无限增殖、转移、抗化学毒物损伤；较一般肿瘤细胞，具更高致瘤性；膜上ABC家族膜转运蛋白可外排多种物质而形成耐药性。