4.1 细胞周期与细胞分裂

真核细胞通过一系列有序的细胞周期进行复制和分裂。在本节中，我们将回顾细胞周期的基础知识；在下一节中，我们将介绍一些与细胞周期控制有关的机制。

细胞周期包括四个阶段外加一个额外阶段组成

真核细胞周期有四个不同的阶段，如图4.1所示：G1期（gap 1）、S期（synthesis phase）、G2期（gap 2）和M期。另一个额外阶段G0，G0表示细胞已退出细胞周期。G1期、S期和G2期统称为间期。正常有丝分裂细胞的大部分时间是在G1期度过的。

图4.1 细胞周期。细胞周期包含四个时期：G₁，S期，G₂（这三者统称为间期）和M期。G₀期表明细胞已经退出周期

在G1期，细胞通过提高染色体复制所需的酶和其它蛋白质的浓度来准备DNA复制。G1还充当检查点，让细胞有时间确定复制条件是否最佳。S期是进行DNA复制。G2期与G1期很相似，它为下一阶段（在本例中为有丝分裂）准备必要的蛋白质，并决定细胞是否应进入下一阶段。M期是最后阶段，在此阶段一个细胞变成两个。处于G0期的细胞代谢活跃，但已离开细胞分裂周期。

DNA复制发生于S期

DNA必须在细胞分裂前复制。复制过程发生在细胞的S期。真核生物中的DNA碱基对位于染色体中的长的、线性的、双螺旋的链中。双螺旋由氢键连接在一起，单个氢键很微弱，但氢键数量很多时变得很强。因此，DNA复制过程中，断裂螺旋的单链需要大量的能量，这些能量超过了单个酶催化反应所需要的能量（意思是多个酶催化）。为了解决能量问题，真核细胞通过通过多点同时解链，这些点被称为DNA复制起始点（replication origins）（图4.2）。复制起始点往往是具有多个A–T碱基对序列的区域。（A–T氢键弱于G–C氢键。）

图4.2 为S期的DNA复制做准备。(1)其实识别复合体(ORCs)在G₁期附着到双链DNA的复制起始点上。 (2)激酶磷酸化ORC蛋白质，引起复合体的分解并分开DNA双链。(3)分离的DNA双链在复制起始点形成复制叉。 

双链DNA上的复制起始点招募称为复制起点识别复合物（ORC）的特殊蛋白质。ORC与双链DNA的结合标志着G1期的结束和S期的开始。ORC的蛋白质磷酸化使得这个了复合物分开，并且引起DNA双链的在复制起始点的分离。DNA现在可以复制了。

细胞分裂发生在M期

一旦G2期的细胞分裂调节蛋白接收到适当的细胞内信号，细胞就会进入M期并完成分裂，产生两个新细胞。M期分为六个阶段（图4.3）。前五个阶段传统上称为有丝分裂。最后一个阶段，胞质分裂，是一个细胞变成两个细胞的时期。在有丝分裂的第一阶段，即前期，中心体分离并形成纺锤体，并开始向核膜的对侧移动。当两个中心体分开时，纺锤体开始向不同方向生长。凝缩蛋白（Condensin）是一种蛋白质复合物，在这一阶段开始压缩染色体。接下来，核膜开始破裂，纺锤体在有丝分裂的第二阶段（即前中期）附着在姐妹染色单体上。

图4.3 M期的六个阶段。(1) 前期：两个中心体分离，纺锤体变大。(2) 前中期：核膜解体，纺锤丝附着于着丝点上。(3) 中期：姐妹染色单体排列于纺锤体的赤道板上，纺锤体开始收缩。(4) 后期：姐妹染色单体分离形成两条染色体并移向两极。(5) 末期：细胞中部形成一个收缩环，在两套染色体组外均形成一个新的核膜。(6) 胞质分裂期：收缩环收缩形成两个新细胞。 

前期和前中期准备姐妹染色单体进行分离。染色体分离的最后准备工作在中期开始，此时染色单体排列于赤道板处上，位于两个纺锤体两极的中间。与此同时，纺锤丝开始了一场拔河，将姐妹染色单体拉向自己。染色体的实际分离发生在后期，后期促进复合物（APC）释放蛋白水解酶，其作用是分解黏结蛋白，这种蛋白将姐妹染色单体连接在一起。黏结蛋白的降解使得染色单体分离，两组新的染色体向纺锤体两极移动。在下一个阶段，即末期，核膜围绕着新的染色体组发育并扩大。染色体解螺旋，并且开始核蛋白和细胞质蛋白的基因转录。

最后一个阶段，即胞质分裂，是在分裂细胞的中心形成由肌动蛋白和肌球蛋白（也在骨骼肌中发现的收缩蛋白）组成的收缩环时开始的。收缩环使垂直于纺锤体的沟槽形成。肌动蛋白和肌球蛋白能产生显著的力；这会导致皱纹的“挤压”和两个新细胞的分离。每个新细胞都包含完整的染色体和细胞器。