04 细胞的生命活动（第1页）

04细胞的生命活动

细胞周期

按照丹佛大学迪克·麦金托什（Ditosh）的说法，细胞分裂的机制远比建造火箭或者超级计算机复杂。首先，细胞需要复制其所有的分子，包括DNA、RNA、蛋白质、脂质等。而在细胞器水平上，数百个线粒体、大面积的内质网、新的高尔基体、细胞骨架结构以及几百万个核糖体均需要进行复制，以便子细胞能有足够的资源来生长与分裂。以上所有过程共同构成了“细胞周期”的概念。我们体内的部分细胞每天都会分裂，而另一部分细胞则可以存活数十年且不再分裂。细胞周期可分为多个阶段，包括分裂间期与有丝分裂期（M期）。细胞周期起始于间期，即两次分裂之间的阶段（约23小时）。M期是原始细胞分裂为两个子细胞的阶段（约1小时）。间期又可以进一步细分为三个不同的时期，包括间隙1（G1期，持续4～6小时），合成阶段（S期，持续12小时）和间隙2（G2期，持续4～6小时）。通常，细胞可在整个间期中持续生长，但DNA复制仅发生于S期。在G1期的末尾存在着一个检查点。如果营养与能量水平不足以进行DNA合成，那么细胞将会进入G0期[1]。2001年，蒂姆·亨特（TimHunt）、保罗·奈瑟斯（PaulNurse）与里兰德·哈特威尔（LeelandHartwell）因阐明细胞周期的调控机制获得了诺贝尔奖。其中，亨特发现了细胞周期蛋白。该蛋白可在细胞周期的特定阶段进行积聚，一旦达到合适的水平，将“允许”细胞进入下一阶段，同时细胞周期蛋白会被破坏。之后，细胞周期蛋白将再次积累，并且在细胞周期的不同阶段保持特定的含量，只有当细胞周期蛋白达到合适浓度时，细胞才会进入下一阶段。有丝分裂

一旦细胞开始启动分裂，它将进入细胞周期中的M期。M期又可进一步分为五个阶段：分裂前期、分裂前中期、分裂中期、分裂后期与分裂末期。M期的第一个阶段是分裂前期。在此期间，染色体将凝缩成独立的结构。到了分裂前中期，核膜将发生破裂，核仁则难以分辨。此时染色体通过进一步压缩、盘绕和超螺旋，凝缩成清晰可见的成对的香肠状结构（如图8c、8d、8e所示）。每个染色体由两个染色单体组成，并通过着丝粒结构连接在一起。着丝粒提供了染色体与有丝分裂纺锤体（可将染色体分配至子细胞中）之间的附着位点，即着丝点。有丝分裂纺锤体由细胞质微管构成，并通过一对提前完成复制并迁移至细胞两端的中心粒牵引形成（如第2章所述）。到了有丝分裂中期，纺锤体微管将向染色体施加张力，将其拉至纺锤体的中心形成一条直线，从而形成了“中期板”。

下一阶段是有丝分裂后期，此时每条染色体的两条染色单体被分别移至有丝分裂纺锤体的两端（如图9所示）。这一过程是由着丝粒到纺锤体双极间的微管缩短以及纺锤体两端的微管延长共同促成的，其机制在于相邻微管间的相对滑动。每组染色单体到达纺锤体极点标志着有丝分裂的最后阶段，即有丝分裂末期的完成。为了将一个母细胞分裂成两个子细胞，细胞中央将形成一个由肌动蛋白丝组成的收缩环，进而将细胞质分为两半，如同皮带一般越勒越紧，这一过程被称为胞质分裂（esis，如图9b所示）。一旦子细胞彼此分离，它们的染色体将通过解压缩与去凝缩过程重新恢复到间期状态，并成为新形成的细胞核中的一部分。之后，去凝缩的染色体表面将形成一个新的核被膜，同时开始形成新的核孔。至此，有丝分裂已全部完成，细胞将再次进入间期，或继续生长准备进行下一次分裂，或离开细胞周期（G0）并开始分化，从而实现特定的组织功能，关于这一内容我们将在第5章进行描述。

图9细胞分裂

a。正在经历分裂后期的细胞切片，其中一组染色单体被有丝分裂纺锤体拉向不同的极点；b。两个子细胞在分裂结束时开始分离，通过中央部位的沟环将彼此“箍断”

减数分裂

减数分裂是一种生殖分裂。通过减数分裂，多细胞生物可以产生具有单份DNA（单倍体）的特殊细胞——配子（gametes），并通过与另一配子融合的方式产生具有正常的双份DNA（二倍体）的细胞（合子），进而形成胚胎并进一步发育成为一个新的个体。配子在大多数动物中是**与卵细胞，在植物中是花粉与胚珠，在真菌等其他生命形式中则是孢子。两种不同个体配子间互相融合而产生新生物的行为被定义为有性生殖。动物大都依赖于有性生殖，但植物还保留着无性生殖的方式。本书不对有性生殖的遗传重要性作过多展开，但可以说，有性生殖带来的基因不断融合，为自然选择下的进化提供了更多生物多样化的可能性。

减数分裂的机制相对简单：在减数分裂的过程中，细胞经历了两轮染色体分离，而此过程却缺少了一轮DNA复制。二倍体细胞分裂两次，将产生四个单倍体配子。减数分裂起始于二倍体细胞中两个相匹配的（同源）染色体（一个母本，一个父本）联会，此时DNA可能会发生“交换”，这一过程被称为交叉互换。第一次分裂将每一对染色体中的其中一个分配至两个新的子细胞中，然后直接分裂产生四个配子。此时，这些配子将含有原始DNA中的一半（单倍体）。在减数分裂过程中，通过纺锤体微管进行染色体分离的分子机制与有丝分裂过程几乎完全相同。从数字上讲，**的产量大大超过了卵细胞，这是因为一个有生育能力的男性在每次心脏跳动的同时便可以生产1000个**，而女性在一生当中只能产生大约500个卵细胞。

DNA复制

在细胞分裂之前，它必须产生两份DNA，以使每个子细胞都有一份。在这一过程中，来自母细胞的两条原始DNA链首先被分离开来，作为复制的模板。值得注意的是，核苷酸碱基A总是与T配对，而C总是与G配对。如果一条链具有序列ATCG，那么新链将具有序列TAGC。原始链的互补链是TAGC，其子链为ATCG。通过这种方式，两个完全相同的DNA序列复本便产生了。这种复制方式被称为半保留复制，其精确度通常可达到很高的水平。复制过程中的任何错误都将导致突变的发生，进而导致遗传信息发生改变，并传递至子细胞中。DNA的合成是一个持续不间断的过程，大约需要占用一个完整细胞周期的三分之一时间。对细菌而言，一个细胞周期可能仅持续几分钟，而在简单的真核生物（如酵母菌）中则需要花费数小时。与之不同，大多数哺乳动物的一个细胞周期约持续24小时。在人体内，只有一小部分细胞可以每天分裂。例如，我们每天都会制造一层新的皮肤细胞，并不断地对肠道表面进行修复。但与此同时，有些神经细胞却可以存活一生之久。DNA的复制发生于遍布整个细胞核的大约100个“复制工厂”中。DNA被送入复制机器中，就像胶片放到放映机中，可额外获得一幅同胶片一样的图像。若想从分子水平对这一过程进行准确描述，恐怕得用两本书的内容来细细讲述，因此接下来我们将对细胞间遗传信息传递的总过程进行简要的概述。

DNA复制的第一步是将DNA螺旋解开，以提供新链合成的模板——两条单链的原始DNA。这一过程在原核生物中相对简单（因为其DNA**在细胞中）。而在真核生物中，仅从一端开始复制将耗费大量时间。因此，一种被称为解旋酶的蛋白酶会在DNA上的1000个不同位点打开DNA双链结构，我们可以利用一段扭绳来理解这一过程中的拓扑学原理。在复制过程中，首先需要将螺旋结构中的其中一条链切断，这样才能将双链DNA解开。此时，参与复制的主要蛋白酶——DNA聚合酶将锚定在这些“复制叉”处，以每秒100个碱基的速率按照正确的顺序向新链中添加新的核苷酸碱基（如图10所示）。细菌能够以更高的速率进行这一过程——每秒可高达1000个碱基。尽管复制速度很快，准确度却很高，因为细胞内存在相关的蛋白，可以对任何错配的核苷酸进行校对与纠正。通常每合成10亿个核苷酸才会产生一个错误。

转录

转录是利用遗传信息产生新的蛋白质的第一步。DNA中的一条链（称为编码链）将作为模板，进而生成一段RNA序列（mRNA）（如图11所示）。这一段mRNA将在之后作为蛋白质合成的模板。

与DNA复制相类似，RNA的合成也是沿着DNA模板进行的，但这一过程所用到的蛋白酶是RNA聚合酶而非DNA聚合酶。此外，mRNA使用了另一种核苷酸碱基——尿嘧啶（U），而非DNA中的胸腺嘧啶（T）。在新转录的RNA离开细胞核之前，其前端会进行加帽修饰，而其后端也会连上一个尾巴结构。在转录过程中，DNA序列中无法编码蛋白的部分将通过RNA剪接过程除去。之后，新合成的mRNA将被一个蛋白质标记，进而通过核孔进入细胞质，与核糖体结合并开始形成新的蛋白质。

图10DNA复制

a。复制叉。解旋酶解开双链DNA，使每条链得以复制。两个DNA聚合酶各结合一条DNA链，以相反的方向合成互补链（如箭头所示）。在细菌中，DNA链是连续环状的结构，因此复制将从一个点开始，环绕一圈后即可完成对整个DNA分子的复制。b。在动物细胞中，复制在多个位点同时进行。图中最上方的1是一条双链DNA（灰色链，黑色链），×表示复制开始的位置或起点。在2和3中，DNA聚合酶开始沿箭头指示的方向对两条链进行复制。3的每条链上有许多DNA聚合酶进行复制，产生多个新合成的DNA链片段。在4中，随着复制泡的增长，这些片段逐渐连接在一起，并进行准确性检查，最终形成了两个起始DNA的精确复本

尽管转录的机制已被阐明，但基因如何被选中进行转录目前仍知之甚少。数十年来，上千位分子生物学家孜孜不倦地对“基因表达”的现象进行研究。研究发现，对于维持细胞良好工作状态所需的基本基因（管家基因）而言，它们可持续地进行表达，而许多其他基因则仅在生物体生长过程中的特定时间才会进行表达。一些基因，例如组成血红蛋白的两种球蛋白，主要来源于红细胞，约占其蛋白含量的90％以上，在生物体中需求量非常大。此外，细胞还可以通过非常复杂的方式打开或关闭基因，蛋白质与酶的生产或终止也是细胞响应环境变化的主要方式。我们体内大约有200种不同类型的细胞，它们均具有特殊的功能。这些不同组织中分化的细胞正是不同基因打开或关闭产生的结果。细胞必须能够通过快速地打开与关闭基因的方式来响应外部变化，这些开关由3000种不同的蛋白质（称为转录因子）所控制。一些基因需要多种转录因子调控，而有些基因仅需少量转录因子。转录因子位于细胞质中，必须进入细胞核才能与靶基因接触。细胞快速响应所需的转录因子可以快速进出核孔，为随时可能到来的“战斗”做好准备。

图11DNA转录