第二节 细胞分裂

一、有丝分裂

在细胞周期的M期时相包括核分裂与胞质分裂两个相互联系的过程。细胞有丝分裂即指核分裂，根据细胞分裂期核膜、染色体、纺锤体装配及核仁等形态构的规律性变化，传统上人们将有丝分裂过程又人为地划分为前期、前中期、中期、后期和末期。胞质分裂( ( cytokinesis)相对独立，一般开始于细胞有丝分裂后期，完成于细胞有丝分裂末期。通过核分裂与胞质分裂，使已经复制好的染色体DNA平均分配到两个子细胞中。在整个细胞分裂过程中，细胞骨架系统是核分裂与胞质分裂的主要执行者。图12-9中的照片摄自经抗微管抗体和DNA染料双重荧光染色的动物细胞。在细胞间期，细胞核结构清晰，微管以一个中心体为核心向四周辐射装配。随着细胞进入分裂期，细胞核结构和微管排列方式等将发生一系列有序的变化。基于光镜下所见有丝分裂基本过程，在中学及大学其他先行课程中已多有描述，故此不再赘述。

(一)有丝分裂各期的重要事件及其结构装置

1.前期

前期( prophase)是有丝分裂过程的开始阶段。在前期主要发生两个事件

(1)染色体凝缩( chromatin condensation)染色体

凝缩是指由间期细长、弥漫样分布的线型染色质，经过进一步螺旋化、折叠和包装( packing)等过程，逐渐变短变粗，形成光镜下可辨的早期染色体结构。已复制的染色体的两个姐妹染色单体间彼此黏着和凝缩是有丝分裂和减数分裂期间基因组准确分离的先决条件。不同水平染色体高级结构的组织是依赖于不同的SMC structural maintenance of chromosome)蛋白复合物来维持的。两类结构上相关的蛋白复合物分别是黏连蛋白 (cohesin)和凝缩蛋白( condensin)，二者均是由多个亚基构成的。黏连蛋白介导姐妹染色单体的黏着，凝缩蛋白介导染色体凝缩。它们的核心组分为具有ATP酶活性的Smc家族成员，从细菌到高等生物，在演化上高度保守，在染色体高级结构组织、包装和配对等方面行使关键作用。典型真核生物的SMC复合物由两个SMC蛋白异二聚体和两个或多个非SMC蛋白亚基组成。黏连蛋白由Smc1/3异二聚体以及非Smc蛋白如Mcd1(Sccl或Rad21)和Scc3亚基组成；凝缩蛋白最初在爪蟾卵细胞抽提物中被纯化，除Smc2/4异二聚体外，还有其他三种非SMC蛋白(CAP-H，-G和-D2)参与复合物的组成。每个异二聚体被中间铰链区分为两个卷曲螺旋臂，每个臂的末端是球形类ATP结合盒(ATP- -binding cassette.，ABC)，这种结构特点使得SMC复合物可以利用水解ATP释放的能量保持高度动态性和可塑性，以确保分子间或分子内的相互作用。在其他非SMC蛋白亚基参与下，黏连蛋白通过臂端类ABC结构域与DNA结合，将两条姐妹染色单体黏着在一起(分子间交联)，直至有丝分裂中一后期转换时染色单体彻底分离。染色单体间除通过黏连蛋白而交联外，在主缢痕(着丝粒)区两侧还组装形成一种蛋白质复合物结构称为动粒(详见第九章第四节)；凝缩蛋白介导染色体DNA分子内交联，利用水解ATP释放的能量，促进染色体凝缩(图12-10)

(2)细胞分裂极的确立和纺锤体的装配不管是细胞常规的有丝分裂，还是像酵母那样的核内有丝分裂，在起始阶段，分裂极的确立至关重要。动物细胞分裂极的确立，与中心体的复制、分离和有星纺锤体的装配密切相关。中心体建立两极纺锤体，确保细胞分裂过程的对称性和双极性，而这一功能对染色体的精确分离是必需的。高等植物细胞没有中心体，但有丝分裂时也要装配形成无星纺锤体，其分裂极的确立机制尚不清楚。动物细胞中心体被称为微管组织中心(MTOC)，中心体内含有一对桶状的中心粒，它们彼此垂直分布，外面被无定形的中心粒外周物质所包围(参见图8-22)。在细胞周期过程中中心体的周期变化如图12-11所示。

在分裂间期，中心体精确的复制周期为有丝分裂做前期准备，这一过程被称之为中心体复制。在G1期晚期垂直分布的母中心粒和子中心粒分离，这是中心体复制开始的征兆，现普遍认为，中心体在G1期末开始复制，在S期完成复制，随着中心体复制完成，在G2期分离，半保留复制的中心粒进入子代中心体。细胞进入有丝分裂前期，复制并分离后的两个子中心体作为微管组织中心，开始放射状微管装配，中心体及其周围微管形成两个星体( (aster))，这便是分裂极的确立和纺锤体装配的起始。根据中心体生化分析，中心体长驻蛋白包括a/β/y/6/微管蛋白、中心体蛋白( (centrin))、中心粒周蛋白( (pericentrin)等。许多研究结果表明，γ微管蛋白是微管组织中心的组成成分，最初发现于一种真菌中，后来证实它普遍存在于其他真核生物中，是一种非常保守的蛋白质，而且可能也由多基因编码，γ微管蛋白连接微管和中心体。尽管它在细胞中含量很少，但对微管的装配、微管的取向等起着很重要的调节作用。中心体蛋白是分子质量为20kDa的一个钙结合蛋白家族，主要定位于中心体及其同源结构中。目前已鉴别出4种中心体蛋白( ( centrin-p，2p，3p，4p)。 centrin--2p和 I centrin3p普遍表达于哺乳动物细胞中，两种蛋白质主要位于中心粒的远端。研究表明在HeLa细胞中，如果 centrin2p的表达被干扰RNA灭活，中心粒的复制将被抑制并导致细胞周期连续性的缺损。研究发现，中心体蛋白在中心体的复制和分离中发挥重要作用，在哺乳动物细胞中，中心体蛋白的定位具有细胞周期依赖性的特点，推测中心体蛋白参与了有丝分裂过程。中心粒周蛋白是中心粒周围物质的组成成分，它参与组织中心体的结构现已有实验证据表明，中心体复制的起始需要多种调节因子介入，在G1/S期限制点，需要 cyclin E-dk2(参见本章第一节)参与，为中心体复制签发通行证；中心体复制由钙调蛋白依赖激酶Ⅱ(CaMKⅡ)触发，细胞内自由钙离子浓度增加使CaMKⅡ激活，CaMKⅡ激活触发中心体复制的开始，在S期中心体复制依靠 cyclinA-CDK2复合物。

动物细胞有丝分裂前期纺锤体的装配起始于两个星体的形成，它们并排于核膜附近。典型的有星纺锤体由星体微管、极间微管和染色体动粒微管排列组成。有丝分裂前期，星体微管和极间微管通过向其远离中心体的端(正极端)加入a/β微管蛋白二聚体而不断延长，在基于微管的马达蛋白的介导下推动中心体向细胞两极移动。

如果中心体复制异常，或细胞未能协调好中心体复制和DNA复制的关系，将不可避免地导致形成单极或多极纺锤体，而单极或多极纺锤体将驱使染色体异常分离，最终导致染色体倍性的改变。早在20世纪初期， Boveri就提出恶性肿瘤细胞极性的改变和染色体分裂异常(非整倍体)可能是由于中心体功能缺陷引起的。事实上，染色体组型的改变在癌细胞中非常普遍，现在已经有越来越多的研究结果证实了这一观点。如今人们已经认识到，中心体复制功能障碍可能是引起染色体分裂异常的重要原因，并且最终导致癌的形成。

2.前中期

前中期( ( prometaphase)的标志性事件之一是核膜崩解。核纤层蛋白形成骨架结构支撑于核被膜的内侧，得以使细胞核维持正常的形状与大小。在细胞有丝分裂中核被膜经历有规律地解体与重建过程(图12-12)。

核膜的崩解与核纤层的解体是相互偶联的事件。细胞分裂过程中核纤层的解体和重新组装与核纤层蛋白的磷酸化水平相关。核纤层蛋白的磷酸化与去磷酸化可能是有丝分裂过程中核纤层结构动态变化的调控因素。一些研究结果表明，核纤层蛋白是有丝分裂促进因子(MPF)的直接作用底物。MPF具蛋白激酶活性，有丝分裂前期，MPF可以使核纤层蛋白22位和392位丝氨酸磷酸化，结果导致这两个与核纤层组装直接相关的结构域发生构象变化，从而导致核纤层蛋白四聚体解聚和核纤层解聚。解聚的核纤层蛋白A以可溶性单体形式弥散在细胞中，而核纤层蛋白B则与核膜解体后形成的核膜小泡保持结合状态。在分裂末期，结合有核纤层蛋白B的核膜小泡在染色质周围聚集，并渐渐融合形成新的核膜，而核纤层蛋白则在核膜的内侧组装成子细胞的核纤层。

前中期标志性事件之二是完成纺锤体装配，形成有丝分裂器( mitotic apparatus)。在前期，两个星体的形成和向两极的运动，事实上标志着纺锤体组装的开始。有丝分裂进入前中期，随着核膜的解体，由纺锤体两极发出的一些星体微管可进入“核”内，通过其正极端迅速捕获染色体，并分别与染色体两侧的动粒结合，形成动粒微管( kinetochore microtubule)。至此，由微管及其结合蛋白组成的纺锤体基本完成组装，由星体微管、染色体动粒微管和极间微管及其结合蛋白构成有星纺锤体，即动物细胞的有丝分裂器(图12-13)。此时的纺锤体赤道直径相对较大，两极直径的距离也相对较短。与同一条染色体的两个动粒相连接的两极动粒微管并不等长。因而染色体并不完全分布于赤道板，相互排列貌似杂乱无章。

纺锤体( ( spindle)是细胞分裂过程中的一种与染色体分离直接相关的细胞器。植物细胞不含中心体，但能形成无星纺锤体介导植物细胞的核分裂。

纺锤体组装是一个十分复杂的过程。首先要涉及微管在中心体周围组装和已经完成复制的中心体的分离。如前所述，中心体的复制和周围微管的组装需要许多调节因素的参与，如γ微管蛋白、中心体蛋白、中心粒周蛋白等。中心体的分离需要驱动蛋白相关蛋白( kinesin related protein，KP；参见表8-1驱动蛋白家族成员介绍)和细胞质动力蛋白等的作用(图12-14)。KRP主要为一些向微管正极运动(正向运动)的蛋白质，而细胞质动力蛋白主要是向微管负极运动(负向运动)的蛋白质。中心体分离时，负向运动的马达蛋白在来自姐妹中心体的微管之间搭桥，通过向负极运动，将被结合的微管牵拉在一起，组成纺锤体微管，中心体也自然形成了纺锤体的两极。这一过程称为中心体列队( centrosome alignment)，即分裂极的确立(图12-14A、B)。然后，正向运动的马达蛋白在纺锤体微管之间搭桥，借助向微管正极运动，将纺锤体拉长，中心体之间的距离逐渐加大(图12-14C)。当纺锤体拉长到一定程度后，负向运动的马达蛋白在细胞膜和星体微管之间搭桥，借助负向运动，将星体向两极细胞膜拉近，纺锤体也进一步被拉长(图12-14D)。

前中期标志性事件之三是染色体整列( (chromosome alignment)。由纺锤体极体发出的微管捕捉染色体动粒，形成染色体动粒微管，这是染色体整列的必要前提。没有动粒的染色体不能与纺锤体微管结合并向两极运动，同样，染色体动粒如果未被纺锤体微管捕获，也不能和其他染色体一起向两极运动。着丝粒和动粒是染色体结构的重要组分，由于着丝粒和动粒联系紧密，结构成分相互穿插，在功能方面又密切相关，因此二者常被合称为着丝粒一动粒复合体(centromere-kinetochore complex)，这是一种高度有序的整合结构。在电镜下动粒为一个圆盘状结构，分内、中、外三层。动粒的外侧主要用于纺锤体微管附着，内侧与着丝粒相互交织(图12-15)。每条中期染色体上含有两个动粒，分别位于着丝粒的两侧。细胞分裂后，两个动粒分别被分配到两个子细胞中。当细胞再次进入S期后，动粒又会重新复制。用抗动粒蛋白的抗体作免疫荧光染色，可以清楚地识别动粒所在位置。

着丝粒DNA主要由卫星DNA构成。着丝粒DNA片段大小由芽殖酵母的一百多kb、裂殖酵母的100kb到人类的几千kb不等。大的着丝粒DNA片段则主要由一些特殊序列重复排列构成。着丝粒DNA也伸入到动粒的内层，成为动粒内层的组成成分。目前已经分离了几种着丝粒动粒蛋白质成分，如哺乳类的CENP-ACENP-B、CENP-C、CENP-E、CENp-F INCENP HecI等。CENP-A的分子质量约为1.7kDa，是一种组蛋白H3类的蛋白质，与组蛋白H3在C端有62%的同源序列。免疫标记技术证实CENP-A定位于动粒的内层。CENP-B分子质量约为80kDa，主要定位于动粒内层内侧的着丝粒上。CENP-C的分子质量约为140kDa，定位于动粒的内层。CENP-E分子质量约312kDa，是一种驱动蛋白，定位于动粒外层表面的冠上，被认为在促使染色体与来自两极的微管相联结过程中起重要作用。CENP-E在前中期与微管结合，以后逐渐转移到动粒上；到分裂后期，CENP-E离开动粒，转移到纺锤体的中间区。CENP-F分子质量约为330kDa。CENP-F在间期是一种核骨架蛋白；在分裂前期，转移到动粒上；到分裂后期，再转移到纺锤体的中间区域；到末期，再度转移到中体( midbody)上。在酵母细胞中也已分离到了在结构和功能上与此类同的蛋白质。Hecl是定位于动粒外板的结构蛋白，分子质量约为76kDa。至于着丝粒染色质是如何组装的，着丝粒形成后又是如何引导动粒在其附近装配的，以及动粒的分子结构至今并不十分清楚。

长期以来染色体整列问题一直困扰着有关生物学家。直到最近，这一研究领域才终于取得了突破性进展。近期的研究发现，至少有数种蛋白质参与染色体整列事件，其中首要的两组蛋白质称为Mad和Bub蛋白。Mad和Bub可以使动粒敏化，促使微管与动粒接触。免疫荧光染色发现，Mad2和Bub1位于前期和前中期染色体的动粒上。如果染色体被纺锤体微管捕获，Mad2和Bub1很快会从动粒上消失。一侧的动粒被微管捕捉，一侧的Mad2和Bub1消失；两侧的动粒被微管捕捉，两侧的Mad2和Bub1消失；如果染色体不被微管捕捉，则Mad2和Bub1不从动粒上消失。因而认为Mad2和Bub1与染色体组装入纺锤体有关。进一步研究发现，由于某些染色体不能被微管及时捕捉而滞后，Mad2和Bub1不能从这些染色体的动粒上消失，后期则不能启动，染色单体不能相互分离。只有等到这些染色体也被微管捕捉并排列到赤道板上，Mad2和Bub1从动粒上消失，后期才能开始启动(图12-16)。

3.中期

细胞有丝分裂进入中期( metaphase)的主要标志是染色体整列完成并且所有染色体排列到赤道面上，纺锤体结构呈现典型的纺锤样。当染色体上的两个动粒被微管捕获后，细胞通过什么机制将染色体排列到赤道面上呢?目前对此解释流行两种学说，即牵拉(pull)假说和外推(push)假说(图12-17)。牵拉假说认为，染色体向赤道面方向运动，是由于动粒微管牵拉的结果。动粒微管越长，拉力越大，当来自两极的动粒微管的拉力相等时，染色体即被稳定在赤道面上。外推假说认为，染色体向赤道方向移动，是由于星体的排斥力将染色体外推的结果。染色体距离中心体越近，星体对染色体的外推力越强，当来自于两极的推力达到平衡时，染色体即被稳定在赤道面上。这两种假说也许并不相互排斥，有可能同时发挥作用，或有其他机制共同参与染色体向赤道面运动的过程称为染色体整列或染色体中板聚合( congression)。当染色体完成在赤道面整列之后，两侧的动粒微管长度相等，作用力均衡。除动粒微管外，许多极微管在赤道区域也相互搭桥，形成貌似连续微管结构。整个纺锤体微管数量，在不同物种之间变化很大，少则十来根，多的数千根甚至上万根。如真菌 Phycomyces仅有10根纺锤体微管，产于澳大利亚的一种小袋鼠( (rat kangaroo))，其纺锤体微管约有1500根，而网球花属植物( Haemanthus)的纺锤体微管约有10000根。染色体整列的运动速度非常快，一般为0.05~1μm/s。染色体排列到赤道面上以后，其两个动粒分别面向纺锤体的两极，在每一个动粒上结合的动粒微管可以多达几十根。

4.后期

后期( anaphase)发生的标志性事件是中期整列的染色体的两条姐妹染色单体分离，分别向两极运动。当染色体在赤道面上完成整列后，在各种调节因素的共同作用下，细胞有丝分裂由中期向后期转换，姐妹染色单体分离并逐渐向两极移动。后期大致可以划分为连续的两个阶段，即后期A和后期B。在后期A，动粒微管变短，牵动染色体向两极运动；在后期B，极微管长度增加，两极之间的距离逐渐长。整个后期阶段约持续数分钟。染色体运动的速度为1~2μm/min。

染色体向两极的运动依靠纺锤体微管的作用。用破坏微管的药物如秋水酰胺、秋水仙素或诺考达唑等处理，染色体的运动会立即停止。去除这些药物，染色体并不能立即恢复运动，而是要等到纺锤体重新装配后才能恢复。可见染色单体与纺锤体微管的联系也是染色体向极部运动所必需的。用实验方法破坏这种联系，染色单体运动停止，直到这种联系恢复，染色体的运动才能恢复。

曾有多种假说解释后期染色单体分离和向两极移动的运动机制。目前比较广泛支持的假说是后期A和后期B两个阶段假说。在后期A，动粒微管变短，将染色体逐渐拉向两极。一般认为，动粒微管变短是由于其动粒端解聚所造成的；而这种解聚又是由于动力蛋白沿动粒微管向极部运动的结果。如图12-18所示，微管马达蛋白首先结合到动粒上，在ATP分解提供能量的情况下，沿动粒微管向极部运动，并带动动粒和染色体向极部运动。动粒微管的末端随之解聚成微管蛋白二聚体，动粒微管变短，动粒和染色单体与两极之间的距离逐渐拉近。当染色单体接近两极，后期A结束，转向后期B。在后期B，极微管游离端(正极)在ATP提供能量的情况下与微管蛋白聚合，使极微管加长，形成较宽的极微管重叠区。KRP与极微管重叠区的微管结合并在来自两极的极微管之间搭桥。KRP向微管正极行走，促使来自两极的极微管在重叠区相互滑动(如双极四聚体 kinesin-5)，使重叠区逐渐变得狭窄，两极之间的距离逐渐变长。同时，胞质动力蛋白在星体微管和细胞膜之间搭桥，并向星体微管负极运动，进一步将两极之间的距离拉长(图12-19)。

研究发现，在姐妹染色单体分离之前，彼此间通过黏连蛋白相互黏着在一起(图12-10)。黏连蛋白至少含有4种亚基，即Smcl、Smc3、Sccl/Mcd和Sc3。只有该复合体解聚的情况下，姐妹染色单体才能分离进一步研究发现，在姐妹染色单体分离过程中，黏连蛋白是被一种称为分离酶( ( separase)的蛋白酶所降解的。分离酶主要剪切黏连蛋白的Scc1亚基，结果导致姐妹染色单体的分离。分离酶剪切Scc1的过程是在严格的调控下进行的。通常情况下，分离酶与一种抑制性蛋白 securin结合而不表现出蛋白酶活性。dk也通过磷酸化分离酶而抑制其活性。当后期开始时，后期促进复合物( anaphase- promoting complex，apc)介导 securin的降解，解除其对分离酶的抑制作用；APC也通过介导 cyclin B降解，使Cdk活性丧失，失去对分离酶的磷酸化作用，促进分离酶活化。活化的分离酶剪切Sc，导致姐妹染色单体分离(图12-20)。

在所有染色体排列到赤道板上之前，为什么后期不能启动呢?有人认为，动粒在与微管联结之前，会发出抑制信号，抑制细胞周期向下一个阶段运转。另一些科学家为了验证这一观点，用激光特异地破坏滞后染色体尚未与微管联结的动粒，发现尽管染色体依然滞后，细胞周期却可以随之向下一阶段转化，提示未与微管联结的动粒确实可以发出抑制信号，抑制细胞周期向下一阶段运转。更为直接的证据显示，Mad2可以与APC及其他相关物质结合，抑制APC的活性，阻止细胞周期向下一个阶段发展。

微管与动粒联结后，抑制后期启动的信号又是如何解除的呢?有人认为CENP-E和Bub蛋白在这一过程中起了重要作用。当微管与动粒联结后，CENP-E分子的结构和位置将发生变化，这些变化进一步影响到Bubl的活性。Bub1活性变化，又进一步影响到Mad2的稳定性和与其他有关物质的结合，最终导致Mad2对APC抑制的解除。

5.末期

姐妹染色单体分离到达两极，有丝分裂即进入末期( telophase)。动粒微管消失，极微管继续加长，较多地分布于两组染色单体之间。到达两极的染色单体开始去浓缩，在每一个染色单体的周围，伴随核纤层蛋白去磷酸化，核纤层与核膜重新组装，分别形成两个子代细胞核。在核膜形成的过程中，核孔复合体同时在核膜上装配。随着染色单体的去浓缩，核仁也开始重新组装，RNA合成功能逐渐恢复。

6.胞质分裂

胞质分裂与核分裂(有丝分裂)是相关的事件。胞质分裂一般开始于细胞分裂后期，完成于细胞分裂末期；而有丝分裂即使在没有胞质分裂的情况下也要发生。胞质分裂开始时，在赤道板周围细胞表面下陷，形成环形缢缩，称为分裂沟( furrow)。随着细胞由后期向末期转化，分裂沟逐渐加深，直至两个子代细胞完全分开。分裂沟的形成靠多种因素的相互作用。实验证明，肌动蛋白和肌球蛋白Ⅱ参与了分裂沟的形成和整个胞质分裂过程。在分裂沟的下方，除肌动蛋白之外，还有微管、核膜小泡等物质聚集，共同构成一个环形致密层称为中体( midbody)。随着胞质分裂，中体将一直持续到两个子细胞完全分离。胞质分裂开始时，大量的肌动蛋白和肌球蛋白Ⅱ在中体处组装成反向排列的微丝束环绕细胞，称为收缩环( (contractile ring)。收缩环收缩，分裂沟逐渐加深，细胞形状也由原来的圆形逐渐变为椭圆形、哑铃形，直到两个子细胞相互分离。用抗肌动蛋白和抗肌球蛋白的抗体作免疫荧光染色，可见随分裂沟的形成，其下面的荧光亮度逐渐增强，并明显高于其他部位。在电镜下，可见大量的微丝结构分布于分裂沟下。用抗肌动蛋白、抗肌球蛋白或特异性破坏微丝的药物如细胞松弛素B处理处于分裂期的活细胞，收缩环的收缩活动停止，分裂沟逐渐消失。胞质分裂整个过程可以简单地归纳为4个步骤，即分裂沟位置的确立、肌动蛋白聚集和收缩环形成、收缩环收缩、收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞(图12-21)。

分裂沟的定位与纺锤体的位置明显相关。人为地改变纺锤体的位置可以使分裂沟的位置改变。对分裂沟定位的分子作用机制目前尚不清楚，但在动物细胞分裂时，越来越多的证据显示，中央纺锤体和星体微管共同决定了分裂沟形成的位置，星体微管参与了分裂沟的形成(图12-22)。有实验显示，在培养细胞分裂中期，人为干扰中央纺锤体发出的信号(图12-22A)，将会阻止分裂沟的形成。在末期开始时，星体微管加长直到与细胞膜下的皮层接触。微管末端对细胞皮层刺激，促使分裂沟形成(图12-2B)。也有实验显示，在远离分裂沟的端部，星体微管可能发出抑制细胞皮层收缩的信号，促使该处细胞膜松弛，加速分裂沟的形成(图12-22C)。目前，对肌动蛋白与肌球蛋白Ⅱ的聚集和收缩环的形成也不完全了解。对于收缩环收缩和收缩环处细胞膜融合两个步骤的研究，已取得较大进展。1996～1997年，M.. Larochelle等在网柄菌属( Dictyostelium)中发现Ras基因家族中的RacE基因产物在收缩环收缩和细胞膜融合过程中起重要作用。RacE基因产物是一个小分子量的GTP酶。另外两组科学家发现，两种参与调节小分子GTP酶活性的蛋白GapA和 RgaA/DPAP1也参与收缩环收缩和细胞膜融合过程。目前已知有二十多种调节因子参与了分裂沟的定位、收缩环的形成和胞质分裂。这些调节因子主要包括微管结合蛋白PC、Kif4、 Aurora-B激酶及其结合蛋白、RhoA信号通络的各成员以及与膜融合相关的调节因子等。

也有实验证明，钙离子浓度的变化也会影响分裂沟的形成。将荧光标记的钙离子指示剂注入细胞，发现在分裂沟下钙离子浓度上升。将钙离子直接注射到蛙卵细胞膜下，可以刺激分裂沟形成。

二、减数分裂

减数分裂是一种特殊的有丝分裂形式，仅发生于有性生殖细胞形成过程中的某个阶段。按照真核生物减数分裂所发生的阶段不同，可将减数分裂区分为三种类型(图12-23)：①配子减数分裂，又称终末减数分裂( gametic/ terminal meiosis)，发生在所有多细胞动物和许多原生生物配子形成阶段；②孢子减数分裂，又称居间型减数分裂(

 sporic/intermediate meiosIs )，所有高等植物和某些藻类减数分裂发生阶段既与配子形成无关又与受精作用无关，发生在孢子体某一阶段；③合子减数分裂，又称起始减数分裂( zygotic/initial meiosis)，某些原生生物、真菌和少数藻类，在有性生活史起始，即受精后便发生减数分裂，形成单倍体孢子。

减数分裂与有丝分裂相比，其主要不同列于表12-1中。减数分裂最主要特征是，细胞仅进行一次DNA复制，随后细胞连续两次分裂。两次分裂分别称为减数分裂和减数分裂Ⅱ。在两次分裂之间，还有一个短暂的分裂间期。减数分裂的结果，子细胞各自的染色体数目减半。再经过受精，形成合子，染色体数恢复到体细胞的染色体数目。减数分裂的意义在于，既有效地获得双亲的遗传物质，保持后代的遗传稳定性，又可以增加更多的变异，确保生物的多样性，增强生物适应环境变化的能力。相反，假如在有性生殖过程中没有减数分裂，生殖细胞染色体数不能减半，经过受精，其染色体数必将倍增。细胞体积也会相应增加，生物个体体积也会增大。代代相传，其生命活动将无法适应环境变化，终将会被自然淘汰。因而，减数分裂是生物有性生殖的基础，是生物遗传、演化和生物多样性的重要保证。

与有丝分裂相似，在减数分裂之前的间期阶段，也可以人为地划分为G1期、S期、G2期三个时相。但此间期阶段也有其鲜明的特殊性。为区别于一般的细胞间期，常把减数分裂前的细胞间期称为减数分裂前间期 (premeiotic interphase)。

(一)减数分裂前间期

减数分裂前间期的最大特点在于其S期持续时间较长，同时也发生一系列与减数分裂相关的特殊事件。例如，蝾螈( Triturus)体细胞有丝分裂前S期约为12h，而减数分裂前S期则可持续10天。小鼠有丝分裂前S期为5~6h，而其减数分裂前S期约为14h。另一个重要特点是，在网球花属植物中发现，其减数分裂前间期的S期仅复制其DNA总量的99.7%~99.9%，而剩下的0.1%~0.3%要等到减数分裂前期阶段才进行复制。科学家发现，这些推迟复制的DNA被分割为5000~10000个小片段，分布于整个基因组中，每个小片段长1000~5000个碱基对。另外还发现，有一种蛋白质，称为L蛋白，在减数分裂前间期与上述DNA小片段结合，阻止其复制。这些DNA小片段被认为与减数分裂前期Ⅰ染色体配对和基因重组有关。

大多数生物，减数分裂前间期的细胞核大于其体细胞核。染色质也多凝集成异染色质。这种变化的意义虽不明了，但一般认为与染色体配对和基因重组有关。另外，根据生物种类不同，减数分裂前间期的G2期的长短变化较大。有的G2期短，有的则和有丝分裂前间期的G2期长短相当，也有的可以在G2期停滞较长一段时间，直到受到新的刺激来打破这种停滞。

(二)减数分裂过程

由减数分裂前G2期细胞进入两次有序的细胞分裂，即减数第一次分裂和减数第二次分裂。两次减数分裂之间的间期或长或短，但无DNA合成。减数分裂过程见图12-24。

1.减数分裂

减数分裂I( meiosis I)与体细胞有丝分裂有许多相似之处，其过程也可以人为地划分为前期I、前中期I中期I、后期I、末期I和胞质分裂6个阶段。但减数分裂I又有其鲜明的特点，其主要表现是分裂前期I的同源染色体配对和基因重组以及其后的染色体分离方式等。

(1)前期I前期( (prophase I)持续时间较长。

在高等生物，其时间可持续数周、数月、数年，甚至数十年。在低等生物，其时间虽相对较短，但也比有丝分裂前期持续的时间长得多。在这漫长的时间过程中，要进行同源染色体配对和基因重组。此外，也要合成一定量的RNA和蛋白质。根据细胞染色体形态变化，又可以将前期人为地划分为细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期5个阶段。

细线期(1  (leptotene， leptonema )：为前期I的开始阶段。首先发生染色质凝缩，染色质纤维逐渐螺旋化折叠，包装成在显微镜下可以看到的细纤维样染色体结构。因而，有人将细线期也称为凝缩期( condensationtage)。细线期与有丝分裂前期起始阶段既有相似特点，如减数分裂前期I每个同源染色体的两条姐妹染色单体在黏连蛋白介导下被紧密约束在一起而不分离，待同源染色体配对时，黏连蛋白则参与联会复合体的装配；与有丝分裂前期也有明显不同，在细线期染色质在凝集前已复制，但仍呈单条细线状，看不到成双的染色体。但在电子显微镜下，可观察到此期的染色体是由两条染色单体构成的。不过，由于DNA复制在减数分裂前间期(S期)尚未全部完成，因而未被复制的DNA片段可能是将两条姐妹染色单体紧密联系在一起的可能因素之一(图12-25)。此期另外一个明显不同点是，在细纤维样染色体上，出现一系列大小不同的颗粒状结构，称为染色粒( chromomere)。虽然已经知道染色粒是由染色质紧密包装而成，但其功能并不清楚。细线期还有一个明显的特点，即染色体端粒通过接触斑与核膜相连。对玉米细胞减数分裂的研究发现，玉米细线染色体的端粒开始是分布在整个细胞核中，在邻近细线期结束时，端粒定位到核膜的内侧。由于很多细线染色体的端粒与核膜结合，使染色体装配成花束状，所以细线期又称花束期。

偶线期( zygotene， zygonema)：主要发生同源染色体配对( (pairing)，即来自父母双方的同源染色体逐渐靠近，沿其长轴相互紧密结合在一起。因而，偶线期又称为配对期( pairing stage)。配对过程是专一性的，仅发生于同源染色体之间，非同源染色体之间不进行配对。关于同源染色体之间相互识别的机制，目前尚不清楚。配对以后，两条同源染色体紧密结合在一起所形成的复合结构，称为二价体( (bivalent)。由于每个二价体由两条同源染色体构成，共含有4条染色单体，因而又称为四分体( tetrad)。但此时的四分体结构并不清晰可见。同源染色体配对的过程称为联会( (synapsis)。联会初期，同源染色体端粒与核膜相连的接触斑相互靠近并结合。从端粒处开始，这种结合不断向其他部位伸延，直到整对同源染色体的侧面紧密联会。联会也可以同时发生在同源染色体的其他位点上。在联会的部位形成种特殊的复合结构，称为联会复合体( synaptonemal complex)。联会复合体沿同源染色体长轴分布，在电镜下可以清楚地显示其细微结构(图12-26)。联会复合体被认为与同源染色体联会和基因重组有关。在偶线期发生的另一个重要事件是合成在S期未合成的约0.3%的DNA(偶线期DNA，即 ZygDNA)。若用DNA合成抑制剂抑制 ZygDNA合成，联会复合体的形成将受到抑制。 ZygDNA在偶线期转录活跃。转录的RNA被称为 ZygRNA。 ZyEDNA转录也被认为与同源染色体配对有关。

粗线期( pachytene， pachynema)：开始于同源染色体配对完成之后。这一过程可以持续几天至几个星期。在此过程中，染色体进一步凝缩，变粗变短，并与核膜继续保持接触。同源染色体仍紧密结合，并发生等位基因之间部分DNA片段的交换和重组，产生新的等位基因的组合。此时在联会复合体部位的中间，出现一个新的结构即重组节( combination nodule)。重组节是同源染色体配对联会复合体中的球形、椭圆形或棒状的结节，直径约为90mm，是由蛋白质装配成的小体，结构不清楚(图12-26)。重组节中含有催化遗传重组的酶类，因此推测某些重组节与染色体重组有关。交叉与重组节在总的数量上是相等的，而在联会染色体上的分布方式两者也极为相似，果蝇的某些突变引起了交叉分布的异常，重组频率因此降低，此时，可发现重组节不仅数量减少，分布也发生了变化，这也从另一个角度证明重组节与染色体交换的发生有关。在粗线期，也合成小部分尚未合成的DNA，称为PDNA。P-DNA大小为100~1000bp，编码一些与DNA剪切( (nicking)和修复( repairing))有关的酶类。

粗线期另一个重要的生化活动是，合成减数分裂期专有的组蛋白，并将体细胞类型的组蛋白部分或全部地置换下来。这种置换也许在一定程度上参与了基因重组过程，或反映出减数分裂前期染色体结构的变化。

在许多动物的卵母细胞发育过程中，粗线期还要发生rDNA扩增。即编码RNA的DNA片段从染色体上释放出来，形成环形的染色体外DNA，游离于核质中，并进行大量复制，形成数千个拷贝的rDNA。如在非洲爪蟾卵母细胞中，经过rDNA扩增，可以产生大约2500个拷贝的rDNA。这些rDNA将参与形成附加的核仁，进行rRNA转录。

双线期( diplotene，， diplonema)：重组阶段结束，同源染色体相互分离，仅留几处相互联系。同源染色体的四分体结构变得清晰可见。同源染色体仍然相联系的部位称为交叉( (chiasma)。交叉的数量变化不定，但一般认为“交叉”是遗传学“交换”( (crossover)的细胞学基础。即使在同种物种的不同细胞之间，交叉的数量也不相同(图12-27)。在电镜下可见交叉部位含有残留的联会复合体结构。

许多动物在双线期阶段，同源染色体或多或少地要发生去凝集，RNA转录活跃。关于染色体去凝集的程度，有的种类低到不易觉察，有的种类则高到几乎与般间期细胞相似。在许多动物，尤其是鱼类、两栖类、爬行类和鸟类的雌性动物，染色体去凝集形成一种特殊的巨大染色体结构，形似灯刷，故称灯刷染色体( lampbrush chromosome)。在灯刷染色体上有许多侧环结构，是进行RNA活跃转录的部位。RNA转录、蛋白质翻译以及其他物质的合成等，是双线期卵母细胞体积增长所必需的(见本书第九章)。

目前比较清楚的是，在灯刷染色体侧环上合成的RNA主要为前体mRNA。前体mRNA合成以后，很快被剪辑为mRNA。有些种类的mRNA，如编码组蛋白核糖体蛋白和卵黄蛋白的mRNA很快会在细胞质中翻译为蛋白质。许多其他种类的mRNA则和蛋白质结合，以非活跃形式储备在卵母细胞质中。直到卵细胞成熟并受精以后，这些储备的mRNA才能转变为活跃状态，进行蛋白质翻译。在灯刷染色体一定的侧环上，也可以检测到tRNA和5 SIRNA的转录。

双线期持续时间一般较长，其长短变化很大。两栖类卵母细胞的双线期可持续将近一年；而人类的卵母细胞双线期从胚胎期的第五个月开始，短者可持续十几年，到性成熟期开始，长者可达四五十年，到生育期结束。

终变期( (diakinesis)：染色体重新开始凝集，形成短棒状结构。如果有灯刷染色体存在，其侧环回缩，RNA转录停止，核仁消失，四分体较均匀地分布在细胞核中。同时，交叉向染色体臂的端部移行。此移行过程称为端化( (terminalization)。到达终变期末，同源染色体之间仅在其端部和着丝粒处相互联结。终变期的结束标志着前期I的完成。

(2)中期I前期结束，细胞逐渐转入减数分裂中期I( metaphase I)。在此过程中，要进行纺锤体组装。纺锤体结构和形成过程与一般有丝分裂过程中的相类似。核膜破裂标志着中期I的开始。纺锤体微管侵入核区，捕获分散于核中的四分体。四分体逐渐向赤道方向移动，最终排列在赤道面上。和有丝分裂不同的是，每个四分体含有四个动粒。其中一条同源染色体的两个动粒位于一侧，另一条同源染色体的两个动粒位于另侧。从纺锤体一极发出的微管只与一个同源染色体的两个动粒相连，从另一极发出的微管也只与另一个同源染色体的两个动粒相连(图12-28)。

(3)后期同源染色体对分离并向两极移动，标志着后期( anaphase I)的开始。移向两极的每个同源染色体均含有两条姐妹染色单体。其结果，到达每一极的染色体DNA含量由4n变为2n。以减数分裂前期细胞复制后的染色体数目为基数，减数分裂的第一次分裂后的染色体数减半。另外，两套同源染色体在功能上是等价的，解除配对的同源染色体向两极移动是一个随机分配、自由组合的过程，因而到达两极的染色体会出现众多的组合方式。如人类细胞有23对染色体，从理论上讲将会产生2种不同的排列方式。如此庞大的排列方式，即使不发生基因重组，得到遗传上完全相同的配子概率也只有八百四十万分之一。再加上基因重组和精子与卵子的随机结合，要获得遗传上完全相同的子代个体几乎是不可能的，除非是同卵双生个体，其遗传性状可能相同。

(4)末期I、胞质分裂I和减数分裂间期经过后期I后，细胞进一步的变化主要有两种类型：第一种类型，染色体到达两极，并逐渐进行去凝集。在染色体的周围，核被膜重新组装，形成两个子细胞核。同时，随着染色体分离并向两极移动，细胞质也开始分裂，形成两个间期子细胞。此时的间期细胞虽具有一般间期细胞的基本结构特征，但又有着重要区别，即它们不再进行DNA复制，也没有G1期、S期和G2期时相之分。间期持续时间一般较短，有的仅作短暂停留。为区别于一般细胞间期，特将其称为减数分裂间期( (interkinesis)。第二种类型，即细胞进入末期后，不是完全回复到间期阶段，而是立即准备进行减数第二次分裂，即减数分裂Ⅱ。

2.减数分裂Ⅱ

减数分裂Ⅱ过程与有丝分裂过程非常相似，即经过分裂前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ、末期Ⅱ和胞质分裂Ⅱ等几个过程。每个过程中细胞形态变化也与有丝分裂过程相似。对于上述第二种类型，染色体到达两极后，减数分裂I的纺锤体去组装，两极的中心粒和星体此时一分为二，重新组装成两个纺锤体。染色体在原来两极的位置重新排列，形成新的赤道板。此时即为中期Ⅱ。此后的发展则与一般有丝分裂相似。

经过减数分裂Ⅱ，共形成4个子细胞。但它们以后的命运随生物种类不同而不同。在雄性动物中，4个细胞大小相似，称为精细胞，经变态进一步发育成4个精子。在雌性动物中，减数分裂I为不等分裂，即第次分裂后产生一个大的卵母细胞和一个小的极体，称为第一极体。第一极体将很快死亡解体，有时也会进一步分裂为两个小细胞，但没有功能。卵母细胞将继续进行减数分裂Ⅱ，也为不等分裂。其结果是产生一个卵细胞和一个第二极体。第二极体也没有功能，很快解体。因此，雌性动物减数分裂仅形成一个有功能的卵细胞。高等植物减数分裂与动物减数分裂类似，即雄性产生4个有功能活性的精子，而雌性仅产生一个有功能活性的卵细胞。

(三)减数分裂过程的特殊结构及其变化

1.性染色体的分离

在染色体组型中与性别决定有关的染色体称性染色体。XY型性别决定是所有哺乳类动物、多数雌雄异株植物、部分昆虫、某些鱼类和两栖类动物的性别决定方式。不同性别之间，其性染色体构成不同。性染色体组成为XX的个体是雌性，性染色体组成为XY或XO(即无Y染色体)的个体是雄性。另一种为ZW型性别决定，刚好与XY型相反，雌性个体的性染色体组成为ZW，雄性个体的性染色体组成为ZZ。ZW型性别决定方式普遍存在于鸟类、鳞翅目昆虫、某些两栖类和爬行类之中。对于含有XX性染色体的细胞，两条X染色体像常染色体一样进行正常配对、交换和分离。而含有XY性染色体的细胞，两条性染色体的形态结构不同，基因含量也不同。在前期I，二者是如何配对和分离的呢?一般讲，有些物种的XY染色体间可能会含有一些同源区段，有的可能不含任何同源区段。对于含有同源区段的XY染色体，如人类的XY染色体，在前期I可以进行配对。不管XY染色体配对与否，二者都将和常染色体一样，在分裂中期I排列到赤道面上。其后，随常染色体分离而相互分离，并各自移向两极。到减数分裂Ⅱ，XY染色体和常染色体一样，其两条染色单体再进行分离。偶尔也可出现XY染色体的染色单体在减数分裂I时就相互分离的现象，致使产生的两个细胞各含有一个X染色单体和一个Y染色单体。到第二次减数分裂时，每个细胞的X和Y染色单体再分配到两个细胞中。

对于XO物种(主要是昆虫)，在第一次减数分裂时，X染色体移向一极。结果将产生一个含X染色体的细胞和一个不含性染色体的细胞。到第二次减数分裂，含染色体的细胞分裂为两个含X染色单体的细胞；不含性染色体的细胞也一分为二，形成两个不含性染色体的细胞。偶尔也可以看到X染色体的两个染色单体在第一次减数分裂时即相互分离，产生两个各含一个X染色单体的细胞。到第二次减数分裂时，X染色单体仅分配到一个细胞中。最终结果是，一个XO细胞经过减数分裂，产生两个含X染色体的细胞和两个无性染色体的细胞。

2.联会复合体和基因重组

联会复合体是减数分裂期间(前期I)在两个同源染色体之间形成的一种临时性蛋白质梯状结构。这种结构是M.J. Moses于1956年用电镜观察蝲蛄卵母细胞时发现的。随后证实，联会复合体在动物和植物减数分裂过程中广泛存在，主要功能是介导同源染色体之间配对(联会)和遗传重组(交换)。现在也有证据表明，联会复合体对于遗传重组不是必需的，因为不仅发现重组可以发生在联会复合体装配之前，而且发现突变的酵母细胞即使不能形成联会复合体，也能实现遗传信息的交换。所以近来又认为联会复合体的主要功能是为相互作用的染色单体之间完成交换提供一种结构框架。联会复合体在同源染色体联会处沿同源染色体长轴分布，由位于中间的中央组分和位于两侧的侧生组分共同构成。侧生组分的外侧则为配对的同源染色体(图12-29)。联会复合体中央组分宽约100m，侧生组分宽20~40nm。从两侧的侧生组分向中央组分方向发出横向纤维 ( transverse fiber)，交会于中央组分的中间部位。

蛋白质是联会复合体的主要组成成分之一。用胰蛋白酶、链霉蛋白酶等处理联会复合体，其中央组分、侧生组分以及横向纤维等结构消失。现已鉴定出联会复合体3种特异性蛋白： SC protein-1(syp1)、 SC protein-2(YCP2)和 SC protein-3(SYCP3)，并已在人类中确定其编码基因的染色体定位。SYCP3和SYCP2参与侧生组分组成，SYCP1参与中央组分组成，也是横向纤维的主要成分。

P.b. Moens实验室等曾经分离出几种联会复合体结构蛋白，并用其制备了特异抗体。用免疫电镜方法证实，其中有两种小分子蛋白质位于侧生组分，两者的分子质量分别为30和33kDa。第三种蛋白质分子质量为125kDa，位于中央组分。第四种蛋白质的分子质量约为190kDa，既分布于侧生组分，也分布于中央组分。这些蛋白质分子的功能尚不清楚。另外，用同样方法也证明，DNA拓扑酶Ⅱ存在于侧生组分和其周围的染色质中。

DNA片段也是联会复合体的组成成分之一。这些DNA片段长度多在50~550bp之间。它们很可能是挂在或包含于侧生组分的染色体纤维的部分DNA片段。 Moens等用DNA酶消化分离多线染色体，发现这些DNA片段被联会复合体保护而免遭DNA酶消化。序列分析显示，这些DNA片段中并无特殊的DNA序列。不同细胞之间，这些DNA片段的大小和碱基的序列会有明显差别。这些结果提示，DNA与联会复合体结合不需要特殊的DNA序列；染色体的任何部分都可能与联会复合体的侧生组分结合。这些DNA片段很可能完全穿越侧生组分而进入中央组分，在此处参与同源染色体的基因重组。

在中央组分和侧生组分中还发现有RNA。因此，联会复合体可能含有核糖核蛋白复合物。