第十七章细胞周期

1027

制造新细胞的唯一方法是复制已经存在的细胞。这个简单的事实最早是在十九世纪中叶建立的，它为生命的延续带来了深刻的信息。从单细胞细菌到多细胞哺乳动物，所有生物都是细胞反复生长和分裂的产物，这些过程可以追溯到 30 多亿年前地球上生命的开始。细胞通过执行有序的事件序列进行繁殖，在这些事件中，它会复制其内容，然后一分为二。这种复制和分裂的循环被称为细胞周期，是所有生物繁殖的基本机制。在单细胞物种中，例如细菌和酵母，每次细胞分裂都会产生一个全新的生物体。在多细胞物种中，需要长时间和复杂的细胞分裂序列才能产生一个功能正常的生物体。即使在成人体内，通常也需要细胞分裂来替换死亡的细胞。事实上，我们每个人每秒钟都必须制造数百万个细胞才能生存：例如，如果所有细胞分裂都因暴露在非常大剂量的 x 射线下而停止，我们将在几天内死亡。细胞周期的细节因生物体而异，并且在生物体生命的不同时期也各不相同。然而，某些特征是普遍存在的。至少，细胞必须完成其最基本的任务：将其遗传信息传递给下一代细胞。为了产生两个遗传上相同的子细胞，每个染色体中的 DNA 都会被忠实地复制以产生两个完整的副本。复制的染色体然后被分配（分离）到两个子细胞中，以便每个子细胞都收到整个基因组的副本（图 17 1）。除了复制基因组外，大多数细胞还会复制其他细胞器和大分子；否则，子细胞每次分裂都会变小。为了保持大小，分裂细胞会协调其生长（即细胞质量的增加）与分裂。

本章介绍真核细胞周期的事件及其控制和协调方式。我们首先简要概述细胞周期。

然后，我们描述细胞周期控制系统，这是一个复杂的调节蛋白网络，可触发周期的不同事件。接下来，我们详细考虑细胞周期的主要阶段，其中染色体被复制，然后分离到两个子细胞中。最后，我们考虑细胞外信号如何控制细胞生长和分裂的速度，以及这两个过程如何协调。

细胞周期概述

细胞周期最基本的功能是复制染色体中的大量 DNA，然后将这些副本分离成两个遗传上相同的子细胞。这些过程定义了细胞周期的两个主要阶段。

染色体复制发生在 S 期（S 代表 DNA 合成），这需要 10 12 小时，占据典型哺乳动物细胞中细胞周期时间的一半左右。 S 期后，染色体分离和细胞分裂发生

细胞周期

本章内容

细胞周期概述

细胞周期控制系统

S 期

有丝分裂

胞质分裂

减数分裂

细胞分裂和细胞生长的控制

第 17 章

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1027 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1027 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1028 第 17 章：细胞周期

处于 M 期（M 代表有丝分裂），所需时间要少得多（哺乳动物细胞中不到一小时）。 M 期包括两个主要事件：核分裂或有丝分裂，在此过程中，复制的染色体分布到一对子核中；细胞质分裂或胞质分裂，此时细胞本身一分为二（图 17 2）。

在 S 期结束时，每对复制染色体中的 DNA 分子仍然交织在一起，并通过专门的蛋白质键紧密结合在一起。在有丝分裂的早期，在称为前期的阶段，两个 DNA 分子解开并凝结成对刚性、紧凑的杆状物，称为姐妹染色单体，它们仍然通过姐妹染色单体凝聚力连接在一起。当核膜解体时，姐妹染色单体对会附着在有丝分裂纺锤体上，纺锤体是一个巨大的双极微管阵列（第 16 章讨论）。

姐妹染色单体附着在纺锤体的相反极上，最终在称为中期的阶段在纺锤体赤道处对齐。在后期开始时，姐妹染色单体凝聚力的破坏使姐妹染色单体分离，它们被拉向纺锤体的相反极。然后纺锤体被拆解，分离的染色体在末期被包装到单独的细胞核中。然后，细胞质分裂将染色体分裂成细胞分裂成两个，因此每个子细胞继承两个细胞核中的一个（图 17 3）。

真核细胞周期通常由四个阶段组成

大多数细胞生长和使其蛋白质和细胞器质量翻倍所需的时间比复制染色体和分裂所需的时间要多得多。部分为了留出生长时间，大多数细胞周期都有间隙期（M 期和 S 期之间的 G1 期和 S 期与有丝分裂之间的 G2 期）。因此，真核细胞周期传统上分为四个连续阶段：G 1、S、G2 和 M。G 1、S 和 G 2 合称为间期（图 17 4，参见图 17 3）。在培养中增殖的典型人类细胞中，间期可能

细胞生长

和染色体

复制

1

细胞

分裂

3

染色体

分离

2

子细胞

MBoC7 m17.01/17.01

细胞

周期

图 17 1 细胞周期。图中显示了具有两条染色体（一条红色，一条黑色）的假设真核细胞的分裂，以说明在每个周期中如何产生两个遗传上相同的子细胞。每个子细胞通常会通过经历额外的细胞周期继续分裂。

图 17 2 细胞周期的主要事件。细胞周期的主要染色体事件发生在 S 期（染色体复制）和 M 期（复制的染色体分离成一对子核（有丝分裂），之后细胞本身分裂成两个（胞质分裂）。

细胞质

细胞核

染色体

复制

有丝分裂

胞质分裂

MBoC7 m17.02/17.02

M 期 S 期

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1028 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1028 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1029 细胞周期概述

占据 24 小时周期中的 23 小时，其中 1 小时为 M 期。细胞生长发生在整个细胞周期中。

两个间隙阶段不仅仅是允许细胞生长的简单时间延迟。它们还为细胞提供时间来监测内部和外部环境，以确保在细胞开始进行 S 期和有丝分裂的复杂事件之前，条件适宜且准备工作完成。G 1 期在这方面尤其重要。其长度可能因外部条件和来自其他细胞的细胞外信号而有很大差异。例如，如果细胞外条件不利，细胞会延迟通过 G1 的进程，甚至可能进入一种称为 G0（G 零）的特殊静止状态，它们可以在该状态下停留数天、数周甚至数年。事实上，许多细胞会永久停留在 G 0 状态，直到生物体死亡。如果细胞外条件变得有利或引入生长和分裂的信号，G 0 中的细胞会通过 G 1 中称为启动（在酵母中）或限制点（在哺乳动物细胞中）的承诺点。我们将使用术语启动来表示酵母和动物细胞。过了这个点之后，细胞就开始进行 DNA 复制，即使刺激细胞生长和分裂的细胞外信号被移除。并非所有细胞都会经历传统的四相细胞周期。例如，脊椎动物胚胎的早期卵裂分裂并不伴随细胞生长，这些快速分裂只是交替出现 S 和 M 阶段，中间没有间隙。另一个重要且常见的变异是细胞内周期，也称为细胞内再复制，其中发生多轮 S 阶段而没有中间的 M 阶段，从而产生具有许多副本的细胞

+

M 阶段

DNA 复制

前期前中期中期后期末期间期

MBoC7 m17.03/17.03

有丝分裂

胞质分裂

间期

图 17 4 细胞周期的四个阶段。在大多数细胞中，间隙期将 S 期和 M 期的主要事件分开。

G1 是 M 期和 S 期之间的间隙，而 G2 是 S 期和 M 期之间的间隙。

G2

G1

有丝分裂

（核分裂）胞质分裂

（细胞质分裂）

M 期

G2 期

G1 期 S 期

（DNA 复制）

间期

S

M

MBoC7 m17.04/17.04

图 17 3 显微镜下看到的真核细胞分裂事件。核分裂（有丝分裂）和细胞分裂（胞质分裂）这两个容易看到的过程统称为 M 期，通常只占细胞周期的一小部分。周期中另一个更长的部分称为间期，包括 S 期和间隙期。

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1030 第 17 章：细胞周期

基因组，从而能够快速增加大量基因产物的产生。最后，正如我们稍后描述的，一些细胞类型在没有胞质分裂的情况下进行有丝分裂，从而产生具有多个细胞核的大细胞。

所有真核生物的细胞周期控制都相似

细胞周期的一些特征，包括时间 r完成某些事件所需的所有过程，即使在同一生物体中，在不同细胞类型之间也存在很大差异。然而，在所有真核细胞中，细胞周期的基本组织基本相同，所有真核生物似乎都使用类似的机制和控制机制来驱动和调节细胞周期事件。例如，细胞周期控制系统的蛋白质最早出现在十多亿年前。值得注意的是，它们在进化过程中得到了很好的保存，以至于它们中的许多在从人类细胞转移到酵母细胞时都能完美地发挥作用。因此，我们可以研究各种生物体的细胞周期及其调控，并利用所有这些生物体的发现来绘制真核细胞如何分裂的统一图景。在真核细胞周期的分析中使用了几种模型生物。芽殖酵母酿酒酵母和裂殖酵母粟酒裂殖酵母是简单的真核生物，它们可以利用强大的分子和遗传方法来识别和描述控制细胞分裂基本特征的基因和蛋白质。某些动物的早期胚胎，特别是青蛙非洲爪蟾的胚胎，是生化解剖细胞周期控制机制的极好工具，而果蝇果蝇则可用于遗传分析控制和协调多细胞生物细胞生长和分裂的机制。培养的人类细胞为分子和微观探索我们自身细胞分裂的复杂过程提供了一个极好的系统。

细胞周期进程可以通过多种方式研究

我们如何知道细胞在细胞周期中达到了哪个阶段？一种方法就是用显微镜观察活细胞。观察培养中增殖的哺乳动物细胞群，可以发现一部分细胞已经变圆并处于有丝分裂状态（细胞变圆使有丝分裂纺锤体更有效地发挥作用）。可以观察到胞质分裂过程中的其他细胞。我们可以用 DNA 结合荧光染料（显示有丝分裂中染色体的凝聚）或识别特定细胞成分（如微管）的抗体（显示有丝分裂纺锤体）对细胞进行染色，从而获得有关细胞周期位置的其他线索。可以通过向 S 期细胞提供可可视化的分子来识别 S 期细胞，这些分子被整合到新合成的 DNA 中，例如人工胸苷类似物 5-乙炔基-2'-脱氧尿苷 (EdU)；然后，通过使用与 EdU 共价连接的荧光染料处理，显示已掺入 EdU 的细胞核（图 17 5）。通常，在一群培养的哺乳动物细胞中，所有细胞都在快速但异步地增殖，大约 30 到 40% 的细胞会在任何时刻处于 S 期，并通过 EdU 的短暂脉冲进行标记。根据此类细胞群中被标记的细胞比例，我们可以估计 S 期的持续时间占整个细胞周期持续时间的比例。同样，根据

MBoC7 n17.100/17.05

100 m

图 17 5 标记 S 期细胞。小鼠小肠 EdU 标记细胞的荧光显微照片，显示肠绒毛的横截面。给小鼠注射了单剂量的 EdU，随后 EdU 被整合到注射时处于 S 期的任何细胞的新合成 DNA 中。96 小时后，将组织固定并用附着在 EdU（红色）上的荧光染料标记，从而标记 96 小时前处于 S 期的细胞。所有细胞核都用蓝色荧光染料染色。（摘自 A.

Salic 和 T.J. Mitchison，Proc. Natl. Acad. Sci. USA 105:2415 2420, 2008。经美国国家科学院许可。）

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1030 第 17 章：细胞周期 1031 细胞周期控制系统

有丝分裂（有丝分裂指数），我们可以估计 M 期的持续时间。细胞周期阶段的时间也可以在活细胞中使用荧光标记的蛋白质来测量，这些蛋白质在特定阶段出现和消失（图 17 6）。

评估细胞在细胞周期中所处阶段的另一种方法是测量其 DNA 含量，DNA 含量在 S 期翻倍。这种方法在很大程度上得益于荧光 DNA 结合染料和流式细胞仪的使用，它们可以快速自动分析大量细胞（图 17 7）。我们可以使用流式细胞仪通过测量细胞群中的 DNA 含量来确定 G1、S 和 G2 + M 期细胞的比例。

摘要

细胞分裂通常始于细胞内容物的复制，然后是y 将这些内容分配到两个子细胞中。染色体复制发生在细胞周期的 S 期，而大多数其他细胞成分则在整个周期中不断复制。在 M 期，复制的染色体被分离到单个细胞核中（有丝分裂），然后细胞分裂成两个（胞质分裂）。S 期和 M 期通常被称为 G1 和 G2 的间隙期分开，此时各种细胞内和细胞外信号调节细胞周期进程。

细胞周期的组织和控制在进化过程中得到了高度保守，对各种生物的研究已经形成了对真核细胞周期控制的统一观点。

细胞周期控制系统

多年来，细胞生物学家观看了 DNA 合成、有丝分裂和胞质分裂的木偶戏，但不知道幕后控制这些事件的是什么。甚至不清楚是否存在一个单独的控制系统，或者 DNA 合成、有丝分裂和胞质分裂过程是否以某种方式自我控制。20 世纪 80 年代末，随着控制系统关键蛋白质的识别，以及认识到它们与执行 DNA 复制、染色体分离等过程的蛋白质不同，出现了重大突破。

在本节中，我们首先考虑细胞周期控制系统运行的基本原理。然后，我们讨论系统的蛋白质成分，以及它们如何协同工作以计时和协调细胞周期事件。

G2 M

G1 S

(B) (A)

MBoC7 n17.101/17.06

25 m

1 h 10 h

11 h 20 h

21 h 30 h

时间

图 17 6 测量活细胞中的细胞周期时间。 (A) 此处显示的方法依赖于仅在特定细胞周期阶段存在的荧光蛋白，如图所示。

首先，一种称为 geminin 的蛋白质被绿色荧光蛋白标记。该蛋白质被 APC/C 降解，APC/C 是一种从中期到 G1 末期都活跃的泛素连接酶（如下所述）。因此，从早期 S 期到有丝分裂中期都可以看到这种蛋白质的绿色荧光。第二种蛋白质称为 Cdt1，用红色荧光蛋白标记。这种蛋白质从 G1 晚期到有丝分裂末期被泛素化和破坏。因此，细胞从有丝分裂末期到 G1 末期都发出红光。（B）荧光显微镜检查表达这两种蛋白质的单个哺乳动物细胞，随着细胞周期的进展，红色和绿色荧光交替出现。这些图像是在 30 小时内每小时获取一次的。细胞在 16 和 17 小时的时间点处于有丝分裂晚期和胞质分裂期，并且只有一个子细胞显示在后续图像中。这种方法称为 Fucci（基于荧光泛素化的细胞周期指示剂）。（摘自 A. Sakaue-Sawano 等人，Cell 132:487 498，2008。经 Elsevier 许可。）

图 17 7 使用流式细胞仪分析 DNA 含量。该图显示了在流式细胞仪中测定单个细胞的 DNA 含量时，增殖细胞群获得的典型结果。（流式细胞仪，也称为荧光激活细胞分选器或 FACS，也可用于根据荧光对细胞进行分选。）此处分析的细胞用染料染色，该染料与 DNA 结合时会发出荧光，因此荧光量与每个细胞中的 DNA 量成正比。这些细胞分为三类：具有未复制的 DNA 补体并因此处于 G1 期的细胞、具有完全复制的 DNA 补体（G1 DNA 含量的两倍）并处于 G2 或 M 期的细胞以及具有中等量 DNA 并处于 S 期的细胞。细胞分布表明 G1 期细胞数量多于 G2 + M 期细胞数量，表明该群体中的 G1 期比 G2 + M 期更长。

01 2

每个细胞的 DNA 相对量

（任意单位）

细胞数

处于 G1 期的细胞

处于 G2 和

M 期的细胞

处于 S 期的细胞

MBoC7 m17.08/17.07

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1031 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1031 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1032 第 17 章：细胞周期

细胞周期控制系统触发细胞周期的主要事件

细胞周期控制系统的运行方式与计时器非常相似，它按设定的顺序触发细胞周期的事件（图 17 8）。例如，在最简单的形式中，如早期动物胚胎的简化细胞周期所示，控制系统被严格编程以提供完成每个细胞周期事件的固定时间。这些早期胚胎分裂中的控制系统独立于它所控制的事件，因此即使这些事件发生，其计时机制仍会继续运行系统会失效。然而，在大多数细胞中，控制系统确实会对从其控制的过程收到的信息作出反应。例如，如果某些故障阻碍了 DNA 合成的成功完成，则会向控制系统发送信号以延迟进入 M 期。这种延迟为机器的修复提供了时间，并且还可以防止如果周期过早进入下一阶段并分离不完全复制的染色体而可能导致的灾难。细胞周期控制系统基于一系列连接的生化开关，每个开关都会启动特定的细胞周期事件。该开关系统具有许多重要特征，可提高细胞周期进程的准确性和可靠性。首先，开关通常是二进制的（开/关），并以完整、不可逆的方式启动事件。例如，如果染色体凝聚或核膜破裂等事件仅部分开始而未完成，显然将是灾难性的。其次，细胞周期控制系统非常强大和可靠，即使某些组件发生故障，该系统也能在各种条件下有效运行。最后，控制系统具有高度适应性，可以进行修改以适应特定细胞类型或响应特定的细胞内或细胞外信号。在大多数真核细胞中，细胞周期控制系统在三个主要调节转换处控制细胞周期进程（见图 17 8）。第一个是 G1 晚期的开始（或限制点），此时细胞致力于进入细胞周期和染色体复制。第二个是 G2/M 转换，此时控制系统触发早期有丝分裂事件，导致中期有丝分裂纺锤体上的染色体排列。第三个阶段是中期到后期的过渡，此时控制系统刺激姊妹染色单体分离，导致有丝分裂和胞质分裂完成。控制系统阻止进程

G2

M

S

G1

控制器

进入有丝分裂

触发后期并

进行胞质分裂

进入细胞周期并进行到S期

开始过渡

环境是否有利？

中期到后期

过渡

所有染色体都附着在纺锤体上吗？

G2/M过渡

环境是否有利？

所有DNA都复制了吗？

MBoC7 m17.09/17.08

图17 8 细胞周期的控制。

细胞周期控制系统触发细胞周期的基本过程，例如 DNA 复制、有丝分裂和胞质分裂。控制系统在这里表示为一个中央臂，即控制器，它顺时针旋转，当它到达外圈表盘（黄色框）上的特定转换时触发基本过程。有关细胞周期事件完成的信息以及来自环境的信号可能会导致控制系统在这些转换时停止细胞周期。

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1032 第 17 章：细胞周期 1033 细胞周期控制系统

如果检测到细胞内部或外部的问题，它会通过这些转换中的每一个。

例如，如果控制系统感觉到 DNA 复制完成存在问题，它会将细胞保持在 G 2/M 转换，直到这些问题得到解决。同样，如果细胞外条件不适合细胞增殖，控制系统会阻止细胞通过 Start 的进展，从而阻止细胞分裂，直到条件变得有利。

细胞周期控制系统依赖于周期性激活的

细胞周期依赖性蛋白激酶

细胞周期控制系统的核心成分是蛋白激酶家族的成员，称为细胞周期依赖性激酶 (Cdks)。这些激酶的活性随着细胞在周期中的进展而上升和下降，导致启动或调节细胞周期主要事件的细胞内蛋白质磷酸化的周期性变化。例如，G 2/M 转换时 Cdk 活性的增加会增加控制染色体凝聚、核膜破裂、纺锤体组装和早期有丝分裂中发生的其他事件的蛋白质的磷酸化。

Cdk 活性的周期性变化由一系列复杂的其他蛋白质控制。这些 Cdk 调节剂中最重要的是称为细胞周期蛋白的蛋白质。顾名思义，Cdks 的活性依赖于细胞周期蛋白：除非它们与细胞周期蛋白紧密结合，否则它们没有蛋白激酶活性（图 17 9）。

细胞周期蛋白最初之所以被命名为细胞周期蛋白，是因为它们在每个细胞周期中都会经历一个合成和降解的循环。相比之下，Cdk 蛋白的水平是恒定的。细胞周期蛋白水平的周期性变化导致细胞周期蛋白 Cdk 复合物在特定时间周期性组装和激活细胞周期的各个阶段。

有三种主要的细胞周期蛋白，每种都由它们结合 Cdks 并发挥其功能的细胞周期阶段定义（图 17 10）：

1. G1/S-细胞周期蛋白在 G 1 晚期激活 Cdks，从而帮助触发从起始阶段的进展，导致细胞周期进入。它们的水平在 S 期下降。

2. S-细胞周期蛋白在从起始阶段进展后不久与 Cdks 结合，并帮助刺激染色体复制。S-细胞周期蛋白水平一直保持升高直到有丝分裂，这些细胞周期蛋白也有助于控制一些早期有丝分裂事件。

3. M-细胞周期蛋白激活 Cdks，在 G2/M 过渡期刺激进入有丝分裂。M-细胞周期蛋白水平在有丝分裂中期下降。

细胞周期依赖性激酶 (Cdk)

细胞周期蛋白

MBoC7 m17.10/17.09

图 17 9 细胞周期控制系统的两个关键组成部分。当细胞周期蛋白与 Cdk 形成复合物时，蛋白激酶被激活以触发特定的细胞周期事件。没有细胞周期蛋白，Cdk 处于非活性状态。

图 17 10 细胞周期控制系统的细胞周期蛋白 Cdk 复合物。三种主要细胞周期蛋白类型的浓度在细胞周期中振荡，而 Cdks 的浓度（未显示）超过细胞周期蛋白量并且不变。在 G1 后期，G1/S-细胞周期蛋白水平升高导致 G1/S-Cdk 复合物的形成，从而触发启动转换的进展。 S-Cdk 复合物在 G1 后期形成并触发 DNA 复制，以及一些早期有丝分裂事件。

M-Cdk 复合物在 G2 期间形成，但处于非活性状态；它们在 G2 结束时被激活并在 G2/M 转换时触发有丝分裂的进入。一个单独的调节蛋白复合物 APC/C 启动了中期到后期的转换，我们将在后面讨论。

S-细胞周期蛋白 G 1 /S-细胞周期蛋白

G 2 M S G 1

APC/C

启动 G 2 /M 中期后期

细胞周期蛋白

M-细胞周期蛋白

G 1

S-Cdk M-Cdk G 1 /S-Cdk

MBoC7 m17.11/17.10

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1033 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1033 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1034 第 17 章：细胞周期

在大多数细胞中，第四类细胞周期蛋白，即 G1-细胞周期蛋白，有助于控制 G 细胞的活动1/S-细胞周期蛋白，从而控制 G1 晚期开始的进程。

刺激细胞增殖的细胞外信号部分通过增加

G1-细胞周期蛋白的产生起作用，正如我们在本章后面讨论的那样。

在酵母细胞中，单个 Cdk 蛋白结合所有类别的细胞周期蛋白，并通过在周期的不同阶段改变细胞周期蛋白伴侣来触发不同的细胞周期事件。

相比之下，在脊椎动物细胞中有四种 Cdk。两种与 G1-细胞周期蛋白相互作用，

一种与 G1/S- 和 S-细胞周期蛋白相互作用，一种与 S- 和 M-细胞周期蛋白相互作用。在本章中，我们

简单地将不同的细胞周期蛋白 Cdk 复合物称为 G1-Cdk、G1/S-Cdk、S-Cdk 和 M-Cdk。表 17 1 列出了各个 Cdk 和细胞周期蛋白的名称。

单独的细胞周期蛋白结合不能完全激活相关的 Cdk。完全激活需要一种单独的激酶，即 Cdk 活化激酶 (CAK)，它磷酸化 Cdk 活性位点入口附近的氨基酸。这会导致构象变化，从而大大增加 Cdk 亚基的活性（图 17 11）。CAK 活性在整个细胞周期中保持不变，因此这种修饰在整个周期中都会发生。在某些细胞周期阶段，一种称为 Wee1 的蛋白激酶对激酶活性位点附近的一对氨基酸进行磷酸化，可抑制 Cdk 活性。一种称为 Cdc25 的磷酸酶对这些位点进行去磷酸化，可增加 Cdk 活性（图 17 12）。这种调节机制尤为重要

表 17 1 脊椎动物和芽殖酵母的主要细胞周期蛋白和 Cdk

脊椎动物芽殖酵母

细胞周期蛋白 Cdk

复合物细胞周期蛋白 Cdk 伴侣细胞周期蛋白 Cdk 伴侣

G1-Cdk 细胞周期蛋白 D* Cdk4、Cdk6 Cln3 Cdk1**

G1/S-Cdk 细胞周期蛋白 E Cdk2 Cln1、2 Cdk1

S-Cdk 细胞周期蛋白 A Cdk2、Cdk1** Clb5、6 Cdk1

M-Cdk 细胞周期蛋白 B Cdk1 Clb1、2、3、4 Cdk1

*哺乳动物中有三种 D 细胞周期蛋白（细胞周期蛋白 D1、D2 和 D3）。

**Cdk1 的原始名称在脊椎动物和裂殖酵母中为 Cdc2，在芽殖酵母中为 Cdc28。

AT PA TP AT P

Cdk

MBoC7 m17.12/17.11

活性位点活化磷酸盐

cyclin

非活性 (A) (B) (C) 完全活性部分活性

Cdk 活化激酶 (CAK)

T 环

cyclin

P

图 17 11 Cdk 活化的结构基础。这些图基于人类 Cdk2 和 cyclin A 的三维结构，由 x 射线晶体学确定。标明了结合 ATP 的位置。酶以三种状态显示。 (A) 在非活性状态下，没有细胞周期蛋白结合，活性位点被蛋白质的 T 环（红色）区域阻断。 (B) 细胞周期蛋白的结合导致 T 环移出活性位点，从而导致 Cdk2 部分激活。 (C) Cdk2 在 T 环中的苏氨酸残基处发生磷酸化（由 CAK 进行）进一步激活酶通过改变 T 环的形状，提高酶结合其蛋白质底物的能力（电影 17.1）。

图 17 12 通过抑制磷酸化调节 Cdk 活性。

当激酶 Wee1 磷酸化活性位点上方两个相距很近的位点时，活性细胞周期蛋白 Cdk 复合物被关闭。磷酸酶 Cdc25 去除这些磷酸盐可激活细胞周期蛋白 Cdk 复合物。为简单起见，仅显示一个抑制性磷酸盐。 CAK 添加

活化磷酸盐，如图 17 11 所示。

Wee1

激酶

Cdc25

磷酸酶

活化磷酸盐

抑制性磷酸盐细胞周期蛋白

Cdk

MBoC7 m17.13/17.12

非活性活性

P P

P

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1034 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1034 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1034 第 17 章：细胞周期 1035 细胞周期控制系统

用于在有丝分裂开始时，我们将在后面讨论。

细胞周期早期 G 1/S- 和 S-Cdks 的活动部分由

Cdk 抑制蛋白 (CKI) 控制。这些小蛋白包裹在细胞周期蛋白 Cdk 复合物周围，促进 Cdk 活性位点的重排，使其失活

（图 17 13）。

蛋白磷酸酶逆转 Cdks 的作用

正如我们在第 3 章和第 15 章中了解到的那样，蛋白质磷酸化不仅受附着磷酸盐的蛋白激酶控制，还受去除磷酸盐的蛋白磷酸酶控制。因此，逆转 Cdks 和其他激酶作用的磷酸酶是细胞周期控制系统中的关键参与者。

我们可以将蛋白质磷酸化水平想象成水槽中的水位，这取决于水从水龙头流入的速度（蛋白激酶活性）和从排水管流出的速率（磷酸酶活性）。提高水位最快的方法是在增加水龙头流量的同时堵住排水管。事实上，我们会看到，当 Cdk 活性增加时，磷酸酶的活性趋于下降，从而导致蛋白质磷酸化状态更加强劲地增加。蛋白磷酸酶 2A (PP2A) 是细胞周期中 Cdk 底物的一个特别重要的调节剂。这种三亚基酶有多种形式，取决于称为调节亚基或 B 亚基的亚基的身份（图 17 14）。B 亚基影响酶的底物选择性、定位和调节。两个 B 亚基，B55 和 B56，是最重要的。与 B55 亚基相关的 PP2A 的细胞周期调控尤其容易理解，并说明了在细胞周期中如何协调相反的 Cdk 和磷酸酶活性。PP2A-B55 活性在间期很高，但在有丝分裂早期（当 M-Cdk 活性升高时）受到抑制。潜在机制在概念上很简单：M-Cdk 通过磷酸化一种名为 Greatwall 的中间蛋白激酶关闭 PP2A-B55（图 17 15）。因此，M-Cdk 的激酶活性在有丝分裂早期相对不受阻碍，导致 M-Cdk 底物的快速磷酸化。当后期开始时

并且 M-Cdk 活性在细胞周期蛋白破坏后下降，系统反向工作：

PP2A-B55 被重新激活以促进后期和末期 Cdk 底物的快速去磷酸化。

数百种 Cdk 底物以确定的顺序被磷酸化

Cdks 催化细胞中数百种不同蛋白质的磷酸化。

但显然，这些蛋白质并非同时全部被磷酸化：

例如，在 S 期早期触发 DNA 复制的蛋白质比在有丝分裂早期促进纺锤体组装的蛋白质更早被磷酸化。

如何实现底物磷酸化的正确排序？

答案只是部分理解。首先，很明显，细胞周期蛋白不仅激活 Cdk 伙伴，还将其引导至特定的靶蛋白。每个细胞周期蛋白的表面都含有一个短氨基酸序列的结合位点，

图 17 13 CKI 对细胞周期蛋白 Cdk 复合物的抑制。该图基于人类细胞周期蛋白 A Cdk2 复合物与 CKI p27 结合的三维结构，由 x 射线晶体学确定。p27 与复合物中的细胞周期蛋白和 Cdk 结合，扭曲了 Cdk 的活性位点。它还插入 ATP 结合位点，进一步抑制酶活性。

Cdk

cyclin

活性

cyclin Cdk

复合物

非活性

p27 cyclin Cdk

复合物 p27

MBoC7 m17.14/17.13

PP

支架亚基 (A)

MBoC7 n17.102/17.14

调节亚基 (B)

催化亚基 (C)

图 1 7 1 4 磷酸酶 PP2A 的结构。PP2A 由三个亚基组成。两个核心亚基包括小催化亚基它和一个称为支架的大型结构亚基。该二聚体与几个不同的调节亚基之一相关联，这些调节亚基位于催化亚基的活性位点旁边，可以影响其与底物的相互作用。 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1035 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1035 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1036 第 17 章：细胞周期

在某些 Cdk 底物上发现。因此，每个细胞周期蛋白 Cdk 复合物与特定靶标更紧密地相互作用：例如，S-Cdk 对 DNA 复制蛋白具有高亲和力，因此以高速率磷酸化这些蛋白质，同时基本上忽略低亲和力的有丝分裂靶标。因此，底物磷酸化的顺序可能部分取决于每个细胞周期蛋白 Cdk 复合物的激活时间。然而，细胞周期蛋白特异性并不是全部。即使是同一种细胞周期蛋白 Cdk 复合物，在周期的不同时间也能诱导不同的效应，这表明单一酶以特定的顺序磷酸化不同的靶标。这种顺序很可能是由于 Cdk 活性位点和底物之间相互作用的亲和力不同：高亲和力的底物更早被磷酸化。酶活性的总量也很重要：例如，M-Cdk 活性在细胞有丝分裂过程中持续升高，某些低亲和力靶标在有丝分裂后期被磷酸化，而磷酸化可能需要更高的活性。最后，我们不能忘记，蛋白质磷酸化的时间也取决于相反的磷酸酶，每种磷酸酶的活化时间、定位和对特定靶标的亲和力都不同。考虑到所有这些因素的作用，很容易看出，多种机制的组合很可能在细胞周期中产生蛋白质磷酸化的完美定时编排。

解开这些机制是当前研究的主要目标。

正反馈产生细胞周期转换的开关式行为

如前所述，细胞周期控制系统的一个关键特征是它能够产生开关式二元决策：通过每个主要细胞周期转换的进展都是一个完整的、不可逆转的承诺。细胞周期控制系统

MBoC7 n17.103/17.15

P

Cdk

底物

Cdk

底物

P

有丝分裂

B55

PP2A-B55

(非活性)

PP2A-B55

(活性)

M-Cdk

(活性)

Ensa

Greatwall 激酶

图 17 15 有丝分裂中 PP2A-B55 活性的控制。有丝分裂前，PP2A-B55 处于活性状态，

有助于降低 M-Cdk 靶标的磷酸化。当 M-Cdk 活性在有丝分裂开始时开始升高时，它会磷酸化并从而激活另一种称为 Greatwall 的蛋白激酶。这种激酶反过来磷酸化一种称为 Ensa 的小蛋白，该蛋白与 PP2A-B55 紧密结合并抑制磷酸酶活性。M-Cdk 从而使其对手失活。作为额外的转折，PP2A-B55 可以去磷酸化 Greatwall（虚线），从而抑制其自身抑制剂，这是一种正反馈形式。我们将在后面的部分讨论这种反馈的含义。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1036 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1036 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1036 第 17 章：细胞周期 1037 细胞周期控制系统通过使用正反馈实现这种行为。正如我们在第 8 章和第 15 章中讨论的那样，正反馈经常用于细胞调节以产生强大的、全有或全无的调节效应，并且这种机制非常适合产生在细胞周期进展中至关重要的开关行为。 M-Cdk 在 G 2/M 转换中的激活提供了细胞周期控制中正反馈最容易理解的例子。 M-Cdk 激活始于 G 2 期间 M-细胞周期蛋白的积累，这导致细胞接近有丝分裂时 M-Cdk 复合物的相应积累。虽然这些复合物中的 Cdk 亚基在激活位点被 Cdk 活化激酶 (CAK) 磷酸化，如前所述，但蛋白激酶 Wee1 通过在两个相邻位点抑制磷酸化使其处于非活性状态（见图 17 12）。因此，当细胞到达 G2 期末时，它含有丰富的 M-Cdk 储备，这些储备已准备就绪并准备发挥作用，但受到阻断激酶活性位点的磷酸盐的抑制。那么，是什么导致了 M-Cdk 储备的激活呢？关键事件是蛋白磷酸酶 Cdc25 的激活，它去除了抑制 M-Cdk 的抑制性磷酸盐（图 17 16）。同时，激酶 Wee1 的抑制活性受到抑制，进一步确保 M-Cdk 活性增加。值得注意的是，Cdc25至少部分地被其靶标 M-Cdk 激活。M-Cdk

还抑制抑制性激酶 Wee1。M-Cdk 能够激活其自身的激活剂 (Cdc25) 并抑制其自身的抑制剂 (Wee1)，从而产生正反馈

（见图 17 16）。结果是细胞中的所有 M-Cdk 复合物都被迅速且不可逆地激活，导致驱动有丝分裂早期事件的许多蛋白质快速磷酸化。

图 17 16 M-Cdk 激活中的正反馈。随着 M-细胞周期蛋白水平的逐渐升高，Cdk1 与 M-细胞周期蛋白结合。由此产生的 M-Cdk 复合物在激活位点被 Cdk 活化激酶 (CAK) 磷酸化，在一对抑制位点被 Wee1 激酶磷酸化（为简单起见，仅显示一个抑制性磷酸盐）。随后，磷酸酶 Cdc25 在 G2 末端激活了产生的失活 M-Cdk 复合物。活性 M-Cdk 进一步刺激 Cdc25，从而产生正反馈。M-Cdk 抑制 Wee1 的能力增强了这种反馈。磷酸酶 PP2A-B55 可逆转 Cdc25 和 Wee1 的磷酸化。如前所述，该磷酸酶被 M-Cdk 灭活（见图 17 15），这为 M-Cdk 自身激活提供了另一种机制。 Cdc25

Cdc25

非活性

磷酸酶

P CAK

Wee1

非活性

M-Cdk

活性

M-Cdk

非活性

M-Cdk

Cdk

活化

磷酸

抑制

磷酸

Cdk 抑制

激酶（非活性）

M-细胞周期蛋白

MBoC7 m17.20/17.16

P P

P

PP2A-B5 5

PP2A-B55

正反馈

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1037 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1037 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1038 第 17 章：细胞周期

与所有正反馈系统一样，必须存在某种外部触发机制，首先释放反馈回路，在这种情况下，会导致 Cdc25 活性略有增加。有丝分裂触发机制尚不清楚，但很可能是在 G2 和早期前期活跃的 S-Cdks 有助于启动 Cdc25 活化。

正如我们之前讨论的那样，早期有丝分裂中蛋白质磷酸化的增加还取决于 M-Cdk 通过蛋白激酶 Greatwall 抑制磷酸酶 PP2A-B55 的能力（见图 17 15）。值得注意的是，PP2A-B55 可以通过去磷酸化并从而抑制其抑制剂 Greatwall 进行反击。

这种相互拮抗本质上是一种正反馈形式：当通过增加 M-Cdk 触发少量 Greatwall 激活时，由此产生的 PP2A-B55 抑制会增加 Greatwall 磷酸化和激活，系统会突然切换到低 PP2A-B55 活性状态。

该系统的一个迷人之处在于 PP2A-B55 也是 M-Cdk 激活的抑制剂，因为它使 Cdc25（导致其失活）和 Wee1（导致其激活）去磷酸化（见图 17 16）。因此，M-Cdk 和 PP2A-B55 是相互拮抗剂，产生了另一层正反馈。

总体结果是一个非凡的调节回路，其中两个正反馈回路本身通过正反馈连接在一起（图 17 17）。这种高度集成的反馈系统会产生一个强大的生化开关，即使某些组件发生故障，它也能正常工作。

M-Cdk 底物的去磷酸化对于有丝分裂和胞质分裂的完成至关重要。在有丝分裂早期促进磷酸化的正反馈回路可以在后期翻转到替代的去磷酸化状态，此时 M-Cdk 因细胞周期蛋白的破坏而突然失活。我们接下来讨论细胞周期蛋白破坏的机制。

后期促进复合物/细胞周期蛋白 (APC/C) 触发

中期到后期的转变

而特定细胞周期蛋白 Cdk 复合物的激活会推动

Start 和 G 2/M 转变的进程（见图 17 10），而

中期到后期的转变进程不是由蛋白质磷酸化触发的

而是由蛋白质破坏触发的，从而导致细胞分裂的最后阶段。

Cdc25 和 Wee1 磷酸化的正反馈 Greatwall 激酶去磷酸化的正反馈 Greatwall 激酶的磷酸化 Cdc25 和 Wee1 去磷酸化 MBoC7 n17.104/17.17 Cdk 底物 Cdk 底物 P PP2A-B55 M-Cdk 图 17 17 有丝分裂调控回路。该图总结了图 17 15 和 17 16 中描述的相互作用。M-Cdk 和 PP2A-B55 均由正反馈激活（绿色）。它们还相互抑制（红色）。结果是一个由多个正反馈回路组成的集成系统。关于在早期和晚期有丝分裂中进入该系统的其他机制和分子，还有许多需要学习。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1038 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1038 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1038 第 17 章：细胞周期 1039 细胞周期控制系统

关键中期到后期转变的关键调节器是后期促进复合体或环化酶 (APC/C)，它是泛素连接酶家族的成员。如第 3 章所述，泛素连接酶用于多种细胞过程，以刺激特定调节蛋白的蛋白酶解破坏。它们多泛素化特定靶蛋白，导致其在蛋白酶体中被破坏。其他泛素连接酶标记蛋白质用于破坏以外的目的（第 3 章讨论）。

APC/C 催化两种主要蛋白质的泛素化和破坏。

第一种是 securin；它在中期的破坏会激活一种蛋白酶，该蛋白酶会分离姐妹染色单体对并释放后期，如下所述。 S 和

M 细胞周期蛋白是 APC/C 的第二大靶点。破坏这些细胞周期蛋白

会使细胞中的大多数 Cdks 失活（见图 17 10）。因此，从 S 期到有丝分裂早期被 Cdks 磷酸化的许多蛋白质在后期细胞中被

PP2A 和其他磷酸酶去磷酸化。Cdk 靶点的这种去磷酸化是完成 M 期所必需的，包括有丝分裂的最后步骤和胞质分裂。

APC/C 活性在有丝分裂中期增加，并在 G 1 期保持高活性。激活

主要取决于与两个激活亚基之一 Cdc20

或 Cdh1 的结合。这些亚基对 APC/C 活性至关重要，原因有两个。首先，

它们的结合会引起构象变化，从而增强酶活性。

其次，它们为酶的蛋白质底物提供主要结合位点。

激活剂与 APC/C 底物上的短氨基酸序列相互作用，将它们固定在原位，而 APC/C 在靶标上构建多泛素链

（图 17 18）。

两个 APC/C 激活剂亚基依次与 APC/C 相互作用。Cdc20

首先在中期起作用，触发 securin 和细胞周期蛋白的破坏，导致后期染色体分离。然后 Cdc20 被 Cdh1 取代，后者

在晚期有丝分裂和 G 1 期维持 APC/C 活性，确保细胞周期蛋白和其他蛋白质保持在低水平，直到下一个细胞周期。

Cdc20 和 Cdh1 依次激活 APC/C 是基于 M-Cdk 的相反作用：磷酸化激活 APC/C Cdc20 并抑制 APC/C Cdh1。因此，当 M-Cdk 水平在有丝分裂早期升高时，APC/C Cdc20 被开启，而 APC/C Cdh1 激活仅在 M-Cdk 活性因后期细胞周期蛋白破坏而下降后发生（图 17 19）。

细胞周期控制系统还使用另一种称为 SCF 的泛素连接酶（见图 3 67）。它在细胞周期中的主要作用是在 G 1 期晚期泛素化某些 CKI 蛋白，从而帮助控制 S-Cdks 的激活和 DNA 复制。SCF 还负责在 S 期早期破坏 G 1/S-细胞周期蛋白。 SCF 活性依赖于称为 F-box 蛋白的底物结合亚基。然而，与 APC/C 活性不同，SCF 活性在细胞分裂过程中是恒定的

图 17 18 APC/C 对蛋白水解的控制。APC/C 在中期通过与 Cdc20 结合而被激活，Cdc20 可识别 M-细胞周期蛋白和其他靶蛋白上的特定氨基酸序列。在另外两种称为 E1 和 E2 的蛋白质的帮助下（参见第 3 章），APC/C 在靶蛋白上组装多泛素链。然后在蛋白酶体中识别和降解多泛素化靶标。

E1 E2

泛素 ( )

+

泛素化

酶

非活性 APC /C

活性 APC /C

Cdk

M-细胞周期蛋白

活化

亚基

(Cdc20)

蛋白酶体多泛素链中 M-细胞周期蛋白的降解

MBoC7 m17.15a/17.18

P

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1039 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1039 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1040 第 17 章：细胞周期

周期。 SCF 的泛素化由其靶蛋白的磷酸化状态的变化控制，因为 F-box 亚基仅识别特异性磷酸化的蛋白质。

G1 期是 Cdk 失活的稳定状态

M 期后期的一个关键调节事件是 Cdks 的失活，这会在细胞准备进入新细胞周期时重置细胞周期控制系统。在大多数细胞中，这种 Cdk 失活状态会产生稳定的 G 1 间隙期，在此期间，细胞生长并监测其环境，然后进入新细胞周期。

细胞采用多种机制来抑制有丝分裂后的 Cdk 活性。

正如我们刚刚看到的，一种机制取决于 APC/C Cdh1 的晚期有丝分裂激活，这确保了细胞周期蛋白破坏在整个 G 1 期持续进行。抑制 Cdk 的第二种机制取决于 CKI（前面讨论过的 Cdk 抑制蛋白）的增加。芽殖酵母细胞是这种机制最容易理解的细胞，它含有一种名为 Sic1 的 CKI 蛋白，该蛋白在晚期 mi 中与 M-Cdk 结合并使其失活分裂和 G1。与 Cdh1 一样，Sic1 受到 M-Cdk 的抑制，后者在有丝分裂期间磷酸化 Sic1，从而促进其被 SCF 泛素化。因此，Sic1 和 M-Cdk 就像 Cdh1 和 M-Cdk 一样，相互抑制，从而产生更多的正反馈例子。结果，在有丝分裂晚期发生的 M-Cdk 活性下降导致 Sic1 蛋白积累，而这种 CKI 有助于在有丝分裂后保持 M-Cdk 活性较低。一种名为 p27 的 CKI 蛋白可能在动物细胞中发挥类似功能。在许多细胞中，M-细胞周期蛋白基因转录减少有助于降低有丝分裂晚期的 M-Cdk 活性。例如，在芽殖酵母中，M-Cdk 促进这些基因的表达，从而产生另一个正反馈回路。当细胞退出有丝分裂时，该环路被关闭：Cdh1 和 Sic1 使 M-Cdk 失活，导致 M-细胞周期蛋白基因转录减少，从而导致 M-细胞周期蛋白合成减少。促进 G1/S 和 S-细胞周期蛋白表达的基因调节蛋白也在 G1 期间受到抑制。因此，APC/C Cdh1 活性、CKI 积累和细胞周期蛋白基因表达减少共同作用，确保 G 1 期是大多数 Cdk 活性受到抑制的时期。与细胞周期控制的许多其他方面一样，使用多种调节机制可以使系统以合理的效率运行，即使一种机制有缺陷。那么细胞如何逃离这种稳定的 G 1 状态以启动新的细胞周期呢？答案是，G 1/S-Cdk 活性（在 G 1 晚期升高）释放了所有抑制 Cdk 活性的制动机制，正如我们在本章后面讨论细胞增殖控制时所描述的那样。

APC /C

非活性

APC /C

非活性

Cdh1 非活性

Cdh1

活性

APC /C Cdc20

活性

后期开始

APC /C Cdh1

活性

M-Cdk

MBoC7 n17.105/17.19

P

Cdc20

APC/C

去磷酸化

Cdh1

去磷酸化

P

M-Cdk

失活

P

图 17 19 Cdc20 和 Cdh1 依次激活

APC/C。M-Cdk

磷酸化 APC/C，从而

增强其与 Cdc20 的结合。

因此，M-Cdk 不仅触发了导致中期的早期有丝分裂事件，而且还为进入后期和细胞周期蛋白的破坏奠定了基础。这会产生一个负反馈回路：M-Cdk 启动一个导致其自身失活的调节过程。接下来是更多的负反馈：APC/C Cdc20 还通过使 Cdks 失活而关闭自身，这允许 APC/C 去磷酸化。APC/C Cdc20 因此在后期失活。APC/C 在有丝分裂期间及之后保持活性，因为第二个激活剂 Cdh1 以完全不同的方式进行调节：Cdks 对 Cdh1 的磷酸化抑制了其与 APC/C 的结合，使其从 G1 晚期到后期保持失活。当细胞周期蛋白在后期被破坏时，Cdk 失活会导致 Cdh1 去磷酸化，从而激活 Cdh1，进而刺激 APC/C Cdh1 的形成。APC/C Cdh1 保持活性，直到 Cdh1 被磷酸化，从而在下一个细胞周期开始时被 G1/S- 和 S-Cdks 失活。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1040 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1040 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1040 第 17 章：细胞周期 1041 细胞周期控制系统

细胞周期控制系统作为一系列相连的生化开关发挥作用

表 17 2 总结了细胞周期控制系统的一些主要组成部分。这些蛋白质在功能上相互连接，形成一个强大的网络，该网络基本上自主运行以激活一系列生化开关，每个开关都会触发特定的细胞周期事件。

当细胞增殖条件合适时，各种外部和内部

信号刺激 G 1-Cdk 的活化，进而刺激编码 G1/S 和 S-细胞周期蛋白的基因的表达

（图 17 20）。

G1/S-Cdk 的活化随后推动通过 Start 转换的进展，部分是通过释放

许多上述抑制机制来抑制 G1 中的 Cdk 活性

。通过我们稍后讨论的机制，G 1/S-Cdks 还会释放一波 S-Cdk

表 17 2 主要细胞周期调节蛋白的总结

通用名称功能和注释

修饰 Cdks 的蛋白激酶和蛋白磷酸酶

Cdk 活化激酶 (CAK) 磷酸化 Cdks 中的激活位点

Wee1 激酶磷酸化 Cdks 中的抑制位点；主要参与抑制有丝分裂前的 Cdk1 活性；动物也含有具有类似功能的相关激酶 Myt1

Cdc25 磷酸酶从 Cdks 中去除抑制性磷酸盐；哺乳动物有三个家族成员（Cdc25A、B、C）；主要参与控制有丝分裂开始时的 Cdk1 活化

蛋白磷酸酶，可使 Cdks 和其他细胞周期激酶的底物去磷酸化

PP2A-B55 参与 i 的两种主要 PP2A 形式之一n Cdk 底物调节

PP2A-B56 参与 Cdk 底物调节的两种主要 PP2A 形式中的第二种

PP1 参与 Cdk 底物调节的第二种主要磷酸酶类

Cdk 抑制蛋白 (CKI)

Sic1（芽殖酵母）抑制 G1 期中的 Cdk1 活性；Cdk1 在 G1 期末的磷酸化触发其

破坏

p27（哺乳动物）抑制 G1 期中的 G1/S-Cdk 和 S-Cdk 活性；帮助细胞在终末分化时退出细胞周期；Cdk2 的磷酸化触发其通过 SCF 进行泛素化

p21（哺乳动物）抑制 DNA 损伤后的 G1/S-Cdk 和 S-Cdk 活性

p16（哺乳动物）抑制 G1 期中的 G1-Cdk 活性；癌症中经常失活

泛素连接酶及其激活剂

APC/C 催化主要参与有丝分裂退出的调节蛋白的泛素化，

包括 securin 和 S-细胞周期蛋白和 M-细胞周期蛋白；通过与激活亚基 Cdc20 或 Cdh1 的结合进行调节

Cdc20 所有细胞中的 APC/C 激活亚基；在中期到后期的转变中触发 APC/C 的初始激活；受 M-Cdk 活性刺激

Cdh1 APC/C 激活亚基，在后期和整个 G1 期间维持 APC/C 活性；

受 Cdk 活性抑制

SCF 利用各种底物结合 (F-box) 亚基催化参与 G1 控制的调节蛋白的泛素化，包括一些 CKI（芽殖酵母中的 Sic1，哺乳动物中的 p27）；此活性通常需要靶蛋白的磷酸化

CRL4 Cdt2 与 SCF 相关：在 S 期催化复制调节剂 Cdt1 的泛素化，

从而抑制在起源处进一步加载 Mcm 解旋酶；靶标识别取决于

与复制叉处蛋白质的结合

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1041 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1041 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1042 第 17 章：细胞周期

活性，它在 S 期启动染色体复制，也有助于

M-Cdk 激活和有丝分裂的一些早期事件。然后，M-Cdk 触发 G 2/M 转换和早期有丝分裂事件的进展，导致有丝分裂纺锤体上姊妹染色单体对的排列。最后，M-Cdk 还激活 APC/C Cdc20，从而触发 securin 和 cyclins 的破坏，导致姊妹染色单体分离和晚期有丝分裂事件。Cdk 失活还会导致 APC/C Cdh1 和其他抑制 Cdk 活性的机制的激活，从而导致稳定的 G1 期。我们现在准备更详细地讨论这些细胞周期阶段，从 S 期开始。

摘要

细胞周期控制系统触发细胞周期事件并确保它们的时间安排正确且相互协调。控制系统的核心成分是细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶 (Cdks)，其活性依赖于细胞周期蛋白亚基。不同细胞周期蛋白 Cdk 复合物的活性波动控制着各种细胞周期事件。因此，S 期细胞周期蛋白 Cdk 复合物 (S-Cdk) 的激活会启动 S 期，而 M 期细胞周期蛋白 Cdk 复合物 (M-Cdk) 的激活会触发有丝分裂。控制细胞周期蛋白 Cdk 复合物活性的机制包括 Cdk 亚基的磷酸化和 Cdk 抑制蛋白 (CKI) 的结合。包括 PP2A 在内的蛋白磷酸酶会抑制 Cdks 的作用，从而帮助控制 Cdk 底物磷酸化，从而控制细胞周期进程。细胞周期控制系统还在很大程度上依赖于一种名为 APC/C 的泛素连接酶，该酶催化泛素化并随之破坏细胞周期蛋白和其他调控蛋白，这些蛋白控制着晚期有丝分裂的进程。细胞周期控制系统的许多组成部分共同组装成一个复杂的调控系统，其中包含一系列相互关联的生化开关，可推动细胞周期各个阶段的逐步进展。

S 期

真核细胞的线性染色体是 DNA 和蛋白质的庞大而动态的组装体，它们的复制是一个复杂的过程，占据了细胞周期的大部分时间。不仅每条染色体的长 DNA 分子必须被准确复制（这本身就是一项了不起的壮举），而且该 DNA 的每个区域的染色质蛋白质也必须被复制，以确保子细胞继承染色体结构的所有特征。

G1 S

G1-Cdk S-Cdk G1/S-Cdk M-Cdk APC/C Cdc20 APC/C Cdh1

G1/S-细胞周期蛋白合成

S-细胞周期蛋白合成

有利的

细胞外

环境

染色体

未附着于

纺锤体

DNA

损伤

DNA

损伤

未复制

DNA

DNA 重新复制

G2

MBoC7 m17.16/17.20

M

+

图 17 20 细胞周期期间 Cdks 的顺序激活。细胞周期控制系统的核心由一系列细胞周期蛋白 Cdk 复合物（黄色）组成。每种复合物的活性也受到各种抑制机制的影响，这些机制可提供信息关于细胞外环境、DNA损伤和纺锤体组装（顶部）的离子。我们将在本章后面讨论这些抑制作用背后的机制。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1042 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1042 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1042 第 17 章：细胞周期 1043 S 阶段染色体复制的核心事件 DNA 复制给细胞带来了两个问题。首先，复制必须极其精确地进行，以最大限度地降低下一代细胞发生突变的风险。其次，基因组中的每个核苷酸必须复制一次，但只能复制一次，以防止基因扩增的破坏性影响。在第 5 章中，我们讨论了以惊人的速度和准确性进行 DNA 复制的复杂蛋白质机制。在本节中，我们将考虑细胞周期控制系统启动复制过程的精妙机制，同时防止其在每个周期中发生超过一次。

S-Cdk 每个细胞周期启动一次 DNA 复制

正如我们在第 5 章中讨论的那样，真核细胞中的 DNA 复制始于复制起点，这些起点分散在每个染色体的许多位置。

在 S 期，当 DNA 解旋酶解开双螺旋并将 DNA 复制酶加载到两个单链模板上时，DNA 复制在这些起点处启动。这导致复制的延长阶段，此时复制机制从两个复制叉处的起点向外移动。

为了确保染色体复制在每个细胞周期中只发生一次，DNA 复制的启动分为两个不同的步骤，发生在细胞周期的不同时间（图 17 21）。第一步只发生在有丝分裂晚期或 G 1 期早期，此时两个不活跃的 DNA 解旋酶（称为 Mcm 解旋酶）被加载到复制起点的 DNA 上。此步骤有时称为复制起点许可，因为只有在预先加载了 Mcm 解旋酶的起点上才允许启动 DNA 合成。第二步发生在 S 期，此时 Mcm 解旋酶被激活，主要由 S-Cdks 激活，导致 DNA 解旋并启动 DNA 合成。一旦复制起点以这种方式被激活，它就不能被重新使用，直到新的 Mcm 解旋酶被加载到该起点，这只能在细胞达到晚期有丝分裂或 G 1 期时发生。因此，起点每个细胞周期只能被激活一次，确保 DNA 被复制一次且仅一次。

G1

M

S

S-Cdk 激活

M-Cdk 激活

Cdk 失活

APC /C 激活

起始

延伸

染色体分离

复制叉

+

起点处新 Mcm 解旋酶的组装

MBoC7 m17.17/17.21

复制起点处的 Mcm 解旋酶图 17 21 染色体复制的控制。 DNA 复制的准备始于有丝分裂晚期和 G1，此时无活性的 Mcm 解旋酶（棕色）被加载到复制起点（蓝色），该起点也被图 17 22 中描述的起点识别复合体占据。进入 S 期会导致解旋酶被激活，从而解开 DNA 并招募其他蛋白质来启动 DNA 复制。两个复制叉从每个起点移出，直到整个染色体被复制（红色表示新合成的 DNA）。然后，复制的染色体在 M 期分离，当细胞进入下一个 G1 时，新的 Mcm 解旋酶被加载。DNA 合成控制的关键步骤由 Cdks 和 APC/C 活动的振荡控制。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1043 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1043 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1044 第 17 章：细胞周期

图 17 22 说明了 DNA 复制启动中两个步骤控制的一些分子细节。一个关键因素是称为起点识别复合物 (ORC) 的大型多蛋白复合物，它与复制起点结合。在有丝分裂后期和 G 1 早期，蛋白质 Cdc6 和 Cdt1 与 ORC 协作，将 Mcm 解旋酶加载到 DNA 附近的起点附近。起点现在已获得复制许可。

在 S 期开始时，S-Cdk 通过磷酸化特定的辅助蛋白触发起点激活，这些辅助蛋白结合并激活起点处的 Mcm 解旋酶。两条 DNA 链分离，活性解旋酶被加载到每条链周围。DNA 合成机制被招募到起点，DNA 合成开始。另一种称为 DDK 的蛋白激酶也在 S 期被激活，并通过磷酸化 Mcm 解旋酶的特定亚基来帮助驱动起点激活。在 S-Cdk 启动 DNA 复制的同时，它采用多种机制来阻止起点处新 Mcm 解旋酶的加载。S-Cdk 磷酸化并从而抑制 ORC和 Cdc6 蛋白。Cdc6 ORC（起源识别复合物）的失活

P

起源 Cdt1

Mcm 解旋酶 +

S-Cdk

DDK

ORC、Cdc6、Cdt1

DNA 解旋酶的失活

激活

募集 DNA 聚合酶

和复制蛋白

完成

DNA 复制

G1

S

G2

MBoC7 m17.18/17.22

DNA

Cdc45

GINS

P

DNA 聚合酶

图 17 22 控制 DNA 复制的起始。复制起点在整个细胞周期中都与起点识别复合体 (ORC) 结合，但 ORC 仅在与 Cdc6 结合的晚期有丝分裂和早期 G1 中发挥作用。ORC Cdc6 结合 Mcm 解旋酶，该酶包含六个紧密相关的亚基，排列成桶状。该解旋酶还与一种名为 Cdt1 的蛋白质结合。利用 ATP 水解提供的能量，ORC 和 Cdc6 蛋白将两个 Mcm 解旋酶拷贝装载到起点旁的 DNA 周围。在 S 期开始时，S-Cdk 刺激每个 Mcm 解旋酶上几种辅助蛋白（包括 Cdc45 和 GINS）的组装。另一种蛋白激酶 DDK 磷酸化 Mcm 解旋酶的亚基。结果形成了一种大型蛋白质复合物，称为 CMG 解旋酶（代表 Cdc45 Mcm GINS），它在起点处解开 DNA。DNA 聚合酶和其他复制蛋白到达起点，DNA 复制开始。为清楚起见，此图未显示滞后链的合成（第 5 章讨论）。ORC 被复制机制取代，但新的 ORC 在复制后与两个复制起点结合。S-Cdk 和其他机制也会使加载因子 ORC、Cdc6 和 Cdt1 失活，从而阻止在有丝分裂结束前在起点加载新的 Mcm 解旋酶。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1044 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1044 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1044 第 17 章：细胞周期 1045 S 阶段

G 1 期末期的 APC/C Cdh1 也有助于防止 Mcm 解旋酶加载，如下所示。在有丝分裂晚期和 G 1 期早期，APC/C Cdh1 触发 Cdt1 抑制剂（称为 geminin）的破坏，从而使 Cdt1 活跃。当 APC/C Cdh1 在 G 1 期末期关闭时，geminin 会积聚并抑制与 DNA 不相关的 Cdt1。此外，Cdt1 与活性复制叉上的蛋白质结合会刺激 Cdt1 泛素化，这种泛素连接酶称为 CRL4 Cdt2，从而导致 Cdt1 降解。通过这些不同的方式，Mcm 复合物的加载从 S 期到有丝分裂中期都被阻断。因此，一旦使用了起点，就不能在同一细胞周期中用新的 Mcm 复合物重新加载。那么，细胞周期控制系统是如何重置的，以允许在下一个细胞周期中进行复制？在有丝分裂后期，APC/C 激活会导致 Cdks 失活和 geminin 破坏。ORC 和 Cdc6 被去磷酸化，Cdt1 被激活，从而允许 Mcm 解旋酶加载，为细胞进入下一个 S 期做好准备。染色体复制需要染色质结构的复制

染色体的 DNA 与多种蛋白质成分复合，包括组蛋白和参与控制基因表达的各种调节蛋白（第 4 章讨论）。因此，染色体的复制不仅仅是复制其核心的 DNA，还需要复制这些染色质蛋白及其在 DNA 上的正确组装。

染色质蛋白的产生在 S 期增加，以提供包装新合成 DNA 所需的原材料。最重要的是，S-Cdks 刺激四个组蛋白亚基的合成大幅增加，这些亚基形成每个核小体核心的组蛋白八聚体。

这些亚基通过核小体组装因子组装成 DNA 上的核小体，这些因子通常与复制叉相关，并在核小体从 DNA 合成机制中出现时将其分布在 DNA 的两条链上。染色质包装有助于控制基因表达。在染色体的某些部分，染色质高度浓缩，称为异染色质，而在其他区域，染色质具有更开放的结构，称为真染色质（第 4 章讨论）。染色质结构的这些差异取决于多种机制，包括组蛋白尾部的修饰和非组蛋白的存在。由于这些差异在基因调控中很重要，因此染色质结构（如其中的 DNA）在 S 期准确再现至关重要。然而，染色质结构是如何再现的还不太清楚。在 DNA 合成过程中，组蛋白修饰酶

和各种非组蛋白可能在两条新的

DNA 链从复制叉中出现时沉积在它们上面，这些蛋白质被认为可以复制母体染色体的局部染色质结构

（见图 4 44）。

黏连蛋白保持 S姐妹染色单体结合在一起

在 S 期结束时，每个复制的染色体由一对沿其长度粘合在一起的相同姐妹染色单体组成。这种姐妹染色单体的凝聚力为成功的有丝分裂奠定了基础，因为它极大地促进了两个姐妹染色单体附着在有丝分裂纺锤体的相反极上。想象一下，如果姐妹染色单体在 S 期后分开，实现双极纺锤体附着将有多么困难。事实上，例如，酵母突变体中姐妹染色单体凝聚力的缺陷不可避免地会导致染色体分离的重大错误。姐妹染色单体的凝聚力依赖于一种称为黏连蛋白的大型蛋白质复合物，它形成一个围绕两个染色单体的环状结构（图 17 23）。在 S 期之前，黏连蛋白首先在专门的加载复合物的帮助下加载到未复制的染色体周围。在 S 期期间，通过尚不清楚的机制，黏连蛋白环在复制叉通过时保持在原位，这样黏连蛋白环在合成新的姐妹染色单体对时就环绕着它们。同样在 S 期，乙酰转移酶会修饰黏连蛋白亚群，将它们锁定在姐妹染色单体周围，以提供稳定的姐妹染色单体黏连，这是将姐妹染色单体保持在一起直到有丝分裂所必需的。姐妹染色单体黏连也至少部分地来自姐妹 DNA 分子的缠绕，这种缠绕发生在 DNA 合成过程中两个复制叉相遇时。拓扑异构酶 II 酶通过切割一个 DNA 分子、让另一个 DNA 分子穿过断裂处，然后重新密封切割的 DNA，在 S 期和早期有丝分裂之间逐渐解开姐妹 DNA（见图 5 23）。一旦缠绕被去除，姐妹染色单体黏连就依赖于黏连蛋白。因此，在中期到后期的过渡中，姐妹黏连的丧失主要取决于这些复合物的破坏，我们将在后面进行描述。摘要

S 期染色体的复制涉及每个染色体中整个 DNA 分子的准确复制，以及与 DNA 相关并控制染色体功能各个方面的染色质蛋白的复制。染色体复制由 S-Cdk 的激活触发，S-Cdk 激活蛋白质，使 DNA 解开并在复制起点处启动其复制。一旦复制起点被激活，S-Cdk 还会抑制允许该起点再次启动 DNA 复制所需的蛋白质。因此，每个起点在每个 S 期只被激发一次，并且不能重复使用，直到下一个细胞周期。在 S 期，复制的染色体通过黏连蛋白连接在一起，黏连蛋白提供姐妹染色单体黏连力，这是有丝分裂中双极纺锤体上姐妹染色单体对对齐所必需的。

有丝分裂

在 S 期完成并过渡到 G2 期后，细胞经历了 M 期的剧烈变化。这始于有丝分裂，在此期间，姊妹染色单体分离并分布（分离）到一对相同的子核中，每个子核都有自己的基因组副本。有丝分裂传统上分为五个阶段：前期、前中期、中期、后期和末期，主要根据显微镜下看到的染色体行为来定义。有丝分裂完成后，M 期胞质分裂的第二个主要事件将细胞分成两半，每半都有相同的细胞核。面板 17 1 总结了 M 期的主要事件（电影 17.2、电影 17.3、电影 17.4 和电影 17.5）。

从调节的角度来看，有丝分裂可以分为两个主要部分，每个部分都由细胞周期控制系统的不同组成部分控制。首先，G 2/M 转换时 M-Cdk 活性的增加触发了早期事件

Smc 分子

CN

ATPase

域

铰链

(C) (A) (B)

姐妹染色单体

MBoC7 m17.19/17.23

Smc1 Scc3

Smc3 Scc1

AT P 铰链

20 nm

图 17 23 黏连蛋白。黏连蛋白是一种具有四个亚基的蛋白质复合物。

(A) 黏连蛋白的两个亚基是称为 SMC 蛋白（用于染色体结构维护）的大型蛋白质家族的成员。这些亚基 Smc1 和 Smc3 是卷曲螺旋蛋白，其 N 端和 C 端区域折叠在一起形成球状 ATPase 结构域。

(B) Scc1 亚基包含两个球状结构域，它们被一个较长的无序区域隔开，该区域与称为 Scc3 的附加亚基结合。Scc1 的球状结构域与 Smc1 和 Smc3 亚基的结合产生了一个环绕姐妹染色单体的环状结构，如图 (C) 所示。ATP 结合促进 ATPase 结构域的相互作用，如图所示，而 ATP 水解使 ATPase 结构域解离。黏连蛋白在 DNA 上的装载和卸载需要 ATP 水解，预计会涉及三个亚基间门之一的打开，但这个过程仍然不太清楚。在 S 期，Smc3 的 ATPase 结构域的乙酰化（未显示）阻止了环的打开，从而将黏连蛋白环锁定在姐妹染色单体周围。在中期，Scc1 无序区域中位点的蛋白水解裂解会触发姐妹染色单体分离，如下所述。 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1046 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1046 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1047 有丝分裂

有丝分裂（前期、前中期和中期）。M-Cdk 和其他有丝分裂

蛋白激酶磷酸化多种蛋白质，导致有丝分裂纺锤体的组装及其与姐妹染色单体对的附着。有丝分裂的第二个主要

部分始于中期到后期的过渡，此时 APC/C

触发了 securin 的破坏，释放出一种蛋白酶，该蛋白酶裂解黏连蛋白，从而启动姐妹染色单体的分离。 APC/C 还促进细胞周期蛋白的破坏，从而导致 Cdk 失活和 Cdk 靶标的去磷酸化，这是 M 期后期事件所必需的，包括后期的完成、有丝分裂纺锤体的解体以及细胞通过胞质分裂而分裂。

M-Cdk 和其他蛋白激酶驱动有丝分裂的进入

细胞周期控制最显著的特征之一是，单一蛋白激酶 M-Cdk 会引起有丝分裂早期发生的许多多样而复杂的细胞重排。至少，M-Cdk 必须诱导有丝分裂纺锤体的组装并确保一对姐妹染色单体都附着在纺锤体的相反极上。它还会触发染色体凝聚，即将相互缠绕的姊妹染色单体大规模重组为紧密的棒状结构。在动物细胞中，M-Cdk 还会促进核膜的分解以及肌动蛋白细胞骨架和高尔基体的重排。当 M-Cdk 磷酸化参与该过程的特定蛋白质时，这些过程便会启动。许多 Cdk 底物已被鉴定，在许多情况下，我们非常详细地了解了它们的磷酸化如何改变其功能。M-Cdk 直接磷酸化参与有丝分裂过程的许多蛋白质，但它也通过磷酸化并激活其他执行某些有丝分裂功能的蛋白激酶来间接发挥作用。两种蛋白激酶家族，即 Polo 样激酶和 Aurora 激酶，对早期有丝分裂事件的控制做出了特别重要的贡献。例如，Polo 样激酶 Plk1 是双极有丝分裂纺锤体正常组装所必需的，部分原因是它磷酸化了参与有丝分裂早期纺锤体极点分离的蛋白质。Aurora 激酶 Aurora-A 也有助于控制控制纺锤体组装和稳定性的蛋白质，而 Aurora-B 控制姐妹染色单体与纺锤体的附着，我们将在后面讨论。

凝聚蛋白有助于配置重复染色体以进行分离

在 S 期结束时，姐妹染色单体的超长 DNA 分子缠绕在部分交织的 DNA 和蛋白质团块中。在此状态下，任何试图将姐妹染色体拉开的尝试无疑都会导致染色体断裂。为了避免这种灾难，细胞在有丝分裂早期投入大量时间和精力将姐妹染色单体重组为相对较短、不同的结构，以便在后期更容易被拉开。这些染色体变化涉及两个重叠的过程：染色体凝聚，其中染色单体被显著压缩；姐妹染色单体分解，其中两个姐妹被分解成不同的可分离单元（图 17 24A）。分解是由于姐妹 DNA 解开，同时染色体臂上的黏连蛋白分子被部分去除。因此，

当细胞达到中期时，姐妹染色单体在显微镜下呈现为紧凑的棒状结构，其着丝粒区域紧密连接，而臂部则松散连接。

姐妹染色单体的凝聚和分解至少部分取决于一种称为凝聚蛋白的五亚基蛋白复合物，该复合物集中在有丝分裂染色体的中心轴上（图 17 24B）。凝聚蛋白的结构与将姐妹染色单体结合在一起的黏连蛋白复合物的结构相关（见图 17 23）。它包含两个与黏连蛋白类似的 SMC 亚基，加上

1 m

0.5 m (B)

(A)

MBoC7 e18.18/17.24

图 17 24 有丝分裂染色体。

(A) 扫描电子显微镜人类有丝分裂染色体的电子显微照片，由两条沿其长度连接的姊妹染色单体组成。收缩区域是着丝粒。（B）有丝分裂染色体的电子显微照片，其中凝聚蛋白用附着在微小金颗粒（暗点）上的抗体标记，表明凝聚蛋白主要位于染色体的中心核心。（A，由 Terry D. Allen 提供；B，来自 N.

Kireeva 等人，J. Cell Biol. 166:775 785,

2004。经洛克菲勒大学出版社许可。）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1047 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1047 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

前期 1 着丝粒

形成

有丝分裂

纺锤体

浓缩

复制染色体，由

两个姐妹染色单体沿其长度结合在一起组成

完整的

核膜

动粒

在前期，复制的

染色体，每个

由两个紧密关联的姊妹染色单体组成，

凝聚。在细胞核外，有丝分裂纺锤体在两个着丝粒之间组装，着丝粒已复制并分开。

为简单起见，仅显示三条染色体。在二倍体细胞中，每个染色体将有两个副本。在荧光显微照片中，染色体染成橙色，微管染成绿色。

前中期 2

前中期随着核膜的破裂而突然开始。染色体现在可以通过其着丝粒附着在纺锤体微管上并进行主动运动。

着丝粒

位于纺锤体

极

动粒

微管

主动运动中的染色体

核膜碎片

中期 3

在中期，染色体排列在纺锤体赤道处，位于纺锤体两极中间。动粒微管将姐妹染色单体附着在纺锤体的相对极上。

着丝粒位于纺锤体极

着丝粒

微管

MBoC7 面板 17.01a/面板 17.01a

10 m

1048 面板 17 1：动物细胞中 M 期（有丝分裂和细胞质分裂）的主要阶段

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1048 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1048 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

有丝分裂

后期 4

在后期，姐妹染色单体同步分离形成两个子染色体，每个染色体被缓慢拉向纺锤体极

面。动粒微管变短，纺锤体极点也分开；这两个过程都导致染色体分离。

末期 5

在末期，两组子染色体到达纺锤体的极点并解聚。新的核膜在每组周围重新组装，完成两个细胞核的形成并标志着有丝分裂的结束。细胞质的分裂始于收缩环的收缩。

细胞质分裂 6

在细胞质分裂过程中，

细胞质被

肌动蛋白和肌球蛋白丝的收缩环一分为二，

该收缩环将

细胞挤压成两半，形成

两个子细胞，每个子细胞都有一个细胞核。

缩短

着丝粒

微管

纺锤体极

向外移动

纺锤体极处的子染色体组

收缩环

开始收缩

着丝粒

核膜重新组装

围绕染色体

子染色体

完成的核膜

围绕解聚

染色体

收缩环

产生分裂

沟

间期重新形成

着丝粒成核的微管阵列

（显微照片由 Julie Canman 和 Ted Salmon 提供。）

MBoC7 面板 17.01b/面板 17.01b

1049

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1049 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1049 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1050 第 17 章：细胞周期

三个非 SMC 亚基（图 17 25A）。与黏连蛋白一样，凝聚蛋白形成一个环绕 DNA 的环。此外，凝聚蛋白能够利用 ATP 水解提供的能量来促进姐妹染色单体的压缩。有证据表明，凝聚蛋白的 ATPase 结构域充当马达，使 DNA 穿过环，从而使其能够形成染色体环（图 17 25B）。然而，在我们理解 M-Cdk 如何编排凝聚蛋白、黏连蛋白和组蛋白的局部协调，以实现姐妹染色单体的有效包装和分离之前，还有很多事情需要学习。

有丝分裂纺锤体是一种动态的微管机器

有丝分裂染色体分离的核心事件在所有真核生物中都依赖于一种复杂而美丽的机器，称为有丝分裂纺锤体（见图 17 1）。纺锤体是一种双极微管阵列，它在后期将姐妹染色单体拉开，从而将两组染色体分离到细胞的两端，在那里它们被包装成子核（电影 17.6）。M-Cdk 在有丝分裂早期触发纺锤体的组装，与染色体组装同时进行。纺锤体的结构和微管的结构与前面描述的相同。在讨论纺锤体如何组装以及其微管如何附着在姐妹染色单体上之前，我们先简要回顾一下中期纺锤体结构的主要特征。正如我们在第 16 章中讨论的那样，微管是具有正端和负端的动态极性聚合物，它们表现出不同的行为。动物细胞的中期纺锤体包含数千个从纺锤体两极辐射出来的微管，负端朝向极点，正端向外（图 17 26）。着丝粒微管是染色体分离的核心参与者：它们的正端附着在大型蛋白质结构（称为着丝粒）上的姐妹染色单体对上，着丝粒位于每个姐妹染色单体的着丝粒上。每个动粒结合大量微管，这些微管交联形成厚的微管束，称为 K 纤维。这些纤维负责在后期将分离的姊妹染色单体移向极点。纺锤体微管的第二种主要类型是非动粒微管（也称为极间微管），也是迄今为止数量最多的一种。这些相对较短且不稳定的微管密集地堆积在极点之间，由各种蛋白质交联形成动态且适应性强的支架折叠网络，为纺锤体提供结构稳定性。其中一些微管嵌入纺锤体极点，但许多微管远离极点，有时负端附着在其他微管的侧面。在纺锤体赤道附近，它们通常与反向平行的微管交联，这些微管的负端朝向纺锤体相反的极点。

在大多数动物细胞中，纺锤体还包含从极点向外辐射并与细胞皮层接触的星状微管，有助于将纺锤体定位在细胞中。这些纺锤体的两个极点中的每一个都集中在一个称为着丝粒的大型蛋白质细胞器上。如第 16 章所述（见图 16 42 和 16 43），着丝粒由一团无定形物质（称为中心粒周围物质）组成，该物质围绕着一对中心粒（图 17 27）。

中心粒周围物质成核形成微管的放射状阵列，其

动态正端向外突出，其负端与 MBoC7 m17.22/17.25

Smc2 Smc4

ATP

铰链

Brn1

Ycs4 Ycg1

附近的 DNA

与铰链相互作用

ATP 依赖性运动

活动延长

DNA 环

(B)

(A)

凝聚素非 SMC

亚基紧密结合 DNA

图 17 25 凝聚素。 (A) 凝聚素是一种类似于黏连素的五亚基蛋白复合物

（见图 17 23）。其两个主要亚基 Smc2 和 Smc4 的 ATPase 头部结构域由一种名为 Brn1 的连接蛋白连接在一起，该蛋白与另外两种名为 Ycs4 和 Ycg1 的蛋白质相关。（B）这些图说明了凝聚蛋白可能产生 DNA 环从而促进染色体压缩的机制。有关替代模型，请参见图 4 56。在此处显示的模型中，该过程始于 Ycg1 亚基与染色体 DNA 链紧密相互作用，将凝聚蛋白牢固地固定在 DNA 上。附近的 DNA 卷曲以与铰链结构域相互作用。通过尚不清楚的机制，铰链和 ATPase 结构域协同工作，利用来自 ATP 水解的能量，沿着顶部 DNA 链向左移动（红色箭头），从而产生染色体环。此类环是染色体包装中常见的结构元素（第 4 章讨论）。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1050 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1050 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1050 第 17 章：细胞周期 1051 有丝分裂

着丝粒。一些细胞，特别是高等植物的细胞和许多脊椎动物的卵母细胞，没有着丝粒，因此没有星体微管。因此，正如我们稍后讨论的那样，着丝粒对于纺锤体组装不是必需的。

双极纺锤体的组装和功能取决于数百种不同的微管相关蛋白，这些蛋白可分为三类：控制新微管形成的成核因子、控制微管两端聚合和解聚速率的调节蛋白以及交联和移动微管的运动蛋白。我们将在以下章节中简要介绍这些重要的微管调节剂，然后讨论这些成分如何在纺锤体的组装中协作。

微管在纺锤体的多个区域成核

微管是纺锤体的组成部分，纺锤体的组装需要合成大量新的微管。成熟的中期纺锤体含有数万或数十万个微管，其中大多数是旋转的细胞快速地分裂，因此需要不断供应新的

图 17 26 动物细胞中期有丝分裂纺锤体。平行的动粒微管束（K 纤维）将纺锤体极点与姊妹染色单体的动粒连接起来。非动粒微管分散在整个纺锤体中，其负端指向最近的极点；这些微管通过各种微管相关蛋白交联，形成动态的互连网状结构。在纺锤体赤道附近，反向平行微管通过特定的马达和其他蛋白质（浅紫色点）交联。在纺锤体的其他区域，平行微管是交联的（红点）。一些微管由着丝粒中的成核因子生长而成，而另一些微管则起源于其他微管侧面的成核因子（绿点），我们将在后面讨论。星状微管从极点向外辐射进入细胞质，并且在缺乏着丝粒的纺锤体中不存在。

+

MBoC7 m17.23/17.26

复制染色体

（姊妹染色单体）

着丝粒

星体微管

着丝粒微管

着丝粒

非着丝粒

微管

运动

蛋白

1 m

（A）（B）微管中心粒周围

物质

中心粒对

MBoC7 m17.24/17.27

图 17 27 着丝粒。 (A) 培养中的 S 期哺乳动物细胞的电子显微照片，显示了一个重复的着丝粒。每个着丝粒包含一对中心粒；尽管中心粒已经重复，但它们仍保持在一起形成一个复合体，如 (B) 中的显微照片所示。每对中心粒中的一个中心粒已被切开横截面，而另一个中心粒已被切开纵向横截面，这表明每对中心粒的两个成员彼此成直角排列。复制的着丝粒的两个半部，每个半部由被中心粒周围物质包围的中心粒对组成，当细胞进入 M 期时，它们将分裂并移开，从而启动有丝分裂纺锤体两极的形成（见图 16 42 和 16 43）。（A，来自 M. McGill 等人，J. Ultrastruct. Res. 57:43 53, 1976。经

Academic Press 许可。）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1051 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1051 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1052 第 17 章：细胞周期

微管。为了满足这一需求，纺锤体含有大量微管成核因子。迄今为止，其中最重要的是 g-微管蛋白环复合物（g-TuRC；见图 16 41），它从负端成核微管组装，使正端快速生长。

在许多含有着丝粒的动物细胞类型中，大量的 ?-TuRC 被锚定和激活在着丝粒周围物质中，并驱动从着丝粒向外辐射的微管的形成（见图 16-42）。每个着丝粒中的 ?-TuRC 数量在有丝分裂开始时大大增加，这一过程称为着丝粒成熟。微管的形成也发生在两极之间的中期纺锤体内。一种称为 augmin 的大型蛋白质复合物将活性 ?-TuRC 锚定在微管的一侧，导致新微管成核并从另一侧分支出来（见图 16-47）。Augmin 以这样一种方式与微管结合，即它使新微管的正端指向与其结合的微管相同的方向；因此，当新的微管被释放并重新定位在纺锤体微管网络中时，它具有正确的方向。纺锤体的组装还依赖于染色体附近微管合成的增加。有丝分裂染色体产生局部信号，激活 ?-TuRC，从而促进微管形成。正如我们稍后描述的，这种机制与各种运动蛋白对微管的分选一起，使染色体能够对双极纺锤体的形成做出重大贡献，特别是在没有着丝粒的情况下。

有丝分裂中微管不稳定性大大增加

如第 16 章所述，微管处于动态不稳定状态，其中单个微管要么生长，要么收缩，并随机在两种状态之间切换。新的微管不断产生，以平衡因解聚而完全消失的微管的损失。

进入有丝分裂标志着细胞微管的突然变化。在前期，特别是在前中期和中期（见图 17 1），微管的平均寿命急剧下降，特别是非动粒微管的寿命，它们仅存在 15 至 30 秒。

微管不稳定性增加，加上纺锤体能力增强如上所述，通过使微管成核，可产生非常密集和动态的纺锤体微管阵列。

细胞中的微管动力学由多种调节蛋白控制，包括促进稳定性的微管相关蛋白 (MAP) 和使微管正末端不稳定的解聚因子。这些蛋白质活性的变化是导致有丝分裂期间微管动力学变化的原因。这些变化中的许多是由 M-Cdk 和其他有丝分裂蛋白激酶对特定蛋白质的磷酸化引起的。

基于微管的运动蛋白控制纺锤体的组装和功能

有丝分裂纺锤体的组装和功能依赖于许多微管依赖性运动蛋白。如第 16 章所述，这些蛋白质属于两个家族：驱动蛋白相关蛋白大家族，通常向微管的正端移动，而动力蛋白则向负端移动。两种运动蛋白驱动蛋白-5 和细胞质驱动蛋白在纺锤体的组装和功能中尤为重要，许多其他蛋白，包括驱动蛋白-14 和驱动蛋白-4/10，也参与其中（图 17 28）。驱动蛋白-5 是一个大的四聚体，两端各有两个二聚运动域。运动域都向微管的正端移动，但可以朝相反的方向移动；因此，它们可以与两个反向平行的微管相关联并使其向相反的方向滑动。当这种情况发生在纺锤体中心附近时，结果是微管的负端被推向极点。这个过程对于纺锤体产生双极性至关重要。细胞质动力蛋白是一种负端定向马达，它与相关蛋白一起在细胞的各个位置组织微管。通过附着在一根微管的负端并将其运送到第二根微管的负端，动力蛋白的作用是将纺锤体中形成的新微管与在着丝粒处成核的微管连接起来，并聚焦纺锤极。动力蛋白也存在于细胞皮层的星体微管的正端。通过向星体微管的负端移动，动力蛋白马达将纺锤极拉向细胞皮层并相互远离。与大多数动力蛋白不同，动力蛋白-14 是一种负端定向马达。它包含一个二聚体马达结构域和一个可以以特定方向与相邻微管结合的第二个结构域，使其能够交联纺锤体中心的反向平行微管并将极点拉到一起。驱动蛋白 4 和驱动蛋白 10 也称为染色质驱动蛋白，是正端定向马达，它们与染色体臂结合并将附着的染色体推离极点（或将极点推离染色体）。

大多数动物细胞中的双极纺锤体组装始于着丝粒复制

有丝分裂纺锤体必须具有两个极点，才能在后期将两组姊妹染色单体拉到细胞的两端。在大多数动物细胞中，有几种机制确保纺锤体的双极性。一种取决于着丝粒。典型的动物细胞在进入有丝分裂时具有一对着丝粒，每个着丝粒都会形成径向微管阵列。两个着丝粒提供预制的纺锤体极，极大地促进了双极纺锤体的组装。其他机制取决于有丝分裂染色体成核和稳定微管的能力，以及运动蛋白将微管组织成双极阵列的能力。我们将在本节后面讨论这些自组织机制。在间期，大多数动物细胞含有一个中心体，该中心体使大多数细胞质微管成核。当细胞进入细胞周期时，中心体会复制，因此当细胞达到有丝分裂时，就会有两个中心体。中心体复制开始的时间与细胞进入 S 期的时间大致相同。触发细胞周期进入的 G 1/S-Cdk（动物细胞中细胞周期蛋白 E 和 Cdk2 的复合物；见表 17 1）也有助于启动中心体复制，以及另一种称为 Plk4 的蛋白激酶。着丝粒中的两个中心粒中的每一个都会形成一个新的中心粒，该中心粒在 S 期逐渐构建，以产生紧密连接的着丝粒对（图 17 29）。这对着丝粒一直留在细胞核的一侧，直到细胞进入有丝分裂，此时两个着丝粒经历无数变化，形成纺锤体的极点。着丝粒复制和染色体复制之间存在有趣的相似之处。两者都使用半保守ve 复制机制，在

非动粒

微管星状微管

动力蛋白

动力蛋白-4/10

动力蛋白-14

动力蛋白-5

动力蛋白

姐妹染色单体

着丝粒

+

质膜

MBoC7 m17.25/17.28

图 17 28 纺锤体的主要运动蛋白。微管依赖性运动蛋白有助于纺锤体的组装和功能（见正文）。彩色箭头表示运动蛋白沿微管运动的方向，蓝色表示朝向负端，浅红色表示朝向正端。由于非动粒微管在纺锤体和极点处广泛交联，因此人们认为，像这里所示那样的微管滑动可以改变纺锤体的长度。（摘自 D.O. Morgan，《细胞周期：控制原理》，第 117 页。伦敦：新科学出版社，2007 年。经牛津大学出版社许可。）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1053 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1053 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1054 第 17 章：细胞周期

两半分离并作为构建新半部分的模板。着丝粒与染色体一样，每个细胞周期必须复制一次且仅复制一次，以确保细胞以精确两个拷贝进入有丝分裂：着丝粒数量不正确会导致纺锤体组装缺陷，从而导致染色体分离错误。

我们开始揭示将着丝粒复制限制为每个细胞周期一次且仅复制一次的复杂机制。这些机制让人想起将 DNA 复制限制为每个细胞周期一次的机制：在 S 期发生复制后，需要通过有丝分裂才能在下一个细胞周期中允许着丝粒复制（见图 17 29）。

动物细胞中的纺锤体组装需要

核膜破裂

在含有着丝粒的细胞中，纺锤体组装开始于两个着丝粒在前期沿着核膜分开时，由连接星状微管和细胞皮层的动力蛋白

牵引（见图 17 28）。

着丝粒之间的微管正端相互交叉形成反向平行微管阵列，而动力蛋白-5 动力蛋白将这些微管交联并将着丝粒推开。

着丝粒和微管位于细胞质中，它们无法接触到细胞核内的姐妹染色单体对。因此，新生纺锤体与姐妹染色单体对的附着需要去除核膜。此外，许多促进纺锤体组装的运动蛋白和微管调节器与细胞核内的染色体有关，它们需要核膜破裂才能发挥其功能。核膜破裂是一个复杂的多步骤过程，据认为，当 M-Cdk 磷酸化核膜中核孔复合物的几个亚基时，这个过程就开始了。这种磷酸化引发了核孔复合物的分解及其与核膜的分离。M-Cdk 还会磷酸化核层（核膜下方的结构框架）的成分，导致核层分解。同时，几种内核膜蛋白的磷酸化导致

MBoC7 m17.26/17.29

G1 S G2 M G1

细胞

周期

进入

原中心粒

位点

选择

中心粒

复制

系绳

移除

中心粒

成熟

中心体

成熟

中心体

分离

进入有丝分裂

中心粒

脱离

中心粒到

中心体

转换

许可

附属物

系绳

成熟

父代

中心粒

未成熟

父代

中心粒

原中心粒

中心粒周围

材料

微管系绳

500 nm

图 17 29 着丝粒周期。在 G1 早期，着丝粒由两个由蛋白质系链连接的中心粒以及相关的中心粒周围物质组成，用于微管的成核（浅绿色）。一个中心粒，即成熟的亲本，携带某些着丝粒功能所需的蛋白质附属物。进入细胞周期后，G1/S-Cdk 和 Plk4 启动中心粒复制，从而在每个亲本中心粒一侧的单个位点组装一个新的中心粒（原中心粒）（黄点）。原中心粒的伸长通常在 G2 中完成。两个中心粒对在单个中心体复合体中保持紧密连接，直到进入有丝分裂，此时蛋白激酶 M-Cdk、Plk1 和其他调节器会触发许多变化：中心体之间的连接被移除，未成熟的亲本中心粒获得附属物（中心粒成熟），中心粒周围物质膨胀以使更多的微管成核（中心体成熟），并且中心体分离，在它们之间形成新的纺锤体。在完成有丝分裂后有丝分裂结束时，每个着丝粒中的两个中心粒分离（中心粒脱离），新的中心粒获得中心粒周围物质（中心粒到着丝粒的转换）。这两个过程是后续细胞周期中中心粒复制所必需的；因此，有丝分裂的进展是复制所必需的，有助于确保中心粒（和着丝粒）每个细胞周期仅复制一次。

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1054 第 17 章：细胞周期 1055 有丝分裂

层蛋白和染色体从核膜分离，然后被整合到内质网膜中。

有丝分裂染色体促进双极纺锤体组装

当它们存在时，着丝粒会驱动纺锤体组装。着丝粒是非常有效的微管成核剂，也起到组织纺锤体极的作用，

快速产生双极微管阵列，当核膜被移除时，微管阵列会降落到染色体上。然而，染色体不仅仅是纺锤体组装过程中的被动乘客。通过创造有利于微管成核和微管稳定的局部环境，染色体在纺锤体的形成中发挥着积极作用。在纺锤体形成后，可以用细玻璃针重新定位染色体来证明染色体的影响。对于一些处于中期的细胞，如果一条染色体被拉出排列，大量新的纺锤体微管会迅速出现在新定位的染色体周围，而染色体原先位置上的纺锤体微管会解聚。染色体的这种特性似乎至少部分取决于与染色质结合的鸟嘌呤核苷酸交换因子 (GEF)；GEF 刺激细胞溶胶中一种名为 Ran 的小 GTP 酶结合 GTP 代替 GDP。激活的 Ran-GTP 也参与核转运（第 12 章讨论），它会从胞质溶胶中的蛋白质复合物中释放微管调节蛋白，从而刺激染色体周围微管的局部成核和稳定（图 17 30）。最容易理解的机制取决于一种名为 TPX2 的蛋白质的释放，该蛋白质随后结合并激活蛋白激酶 Aurora-A。Aurora-A 磷酸化激活 ?-TuRC 的调节蛋白，导致局部新微管形成增加。TPX2 还可能激活 augmin 以促进现有微管两侧新微管分支的形成。蛋白激酶 Aurora-B 也促进局部微管稳定，它与有丝分裂染色体相关。在没有着丝粒的情况下，纺锤体的组装被认为是从染色体周围微管的形成开始的。然后，各种微管相关蛋白将微管组织成双极纺锤体（图 17 31）。我们之前讨论过的两个运动蛋白是

MBoC7 m17.27/17.30

10 m

图 17 30 有丝分裂染色体周围 GTPase Ran 的激活。Ran 蛋白与小 GTPase 家族的其他成员（第 15 章讨论）一样，可以存在于两种构象中，具体取决于它是与 GDP（非活性状态）还是 GTP（活性状态）结合。使用一种当被 Ran-GTP 激活时会发出特定波长荧光的蛋白质来确定有丝分裂中活性 Ran 的定位。在这里显示的中期人类细胞中，

Ran 活性（黄色和红色）在染色体周围、有丝分裂纺锤体极点之间（以星号表示）最高。（摘自 P. Kal b 等人，Nature 440:697 701，2006 年由 Nature Publishing Group 出版。经 SNCSC 许可转载。）

+

+ +

成核

驱动蛋白-5 反向平行交联

驱动蛋白-4/10 向外推

驱动蛋白极点聚焦

MBoC6 m17.28/17.31

图 17 31 纺锤体通过运动蛋白进行自组织。有丝分裂染色体刺激蛋白质的局部活化

促进染色体附近微管的形成。驱动蛋白 5（见图 17 28）将这些微管组织成反向平行束，而正端定向的驱动蛋白 4 和驱动蛋白 10 将微管连接到染色体臂并将负端推离染色体。驱动蛋白与许多其他蛋白质一起将这些负端聚焦成一对纺锤体极。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1055 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1055 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1056 第 17 章：细胞周期

重要。驱动蛋白-5 通过交联反向平行微管并将其负端向外推，对细胞的双极特性至关重要。纺锤体。

动力蛋白通过将一个微管负端运送到另一个微管的负端，是将负端聚焦在双极阵列两端的离散极点上所必需的。许多其他微管调节器，包括其他运动蛋白和增强蛋白，也有助于纺锤体的组装。

通常缺乏着丝粒的细胞，例如高等植物和许多动物卵母细胞的细胞，使用基于染色体的自组织机制来形成纺锤体。这些机制还在实验系统中组装纺锤体，其中着丝粒被移除，例如在某些动物胚胎中，这些胚胎被诱导从卵子发育而无需受精（称为孤雌生殖）。由于精子通常在使卵子受精时提供着丝粒，因此这些孤雌生殖胚胎中的有丝分裂纺锤体在没有着丝粒的情况下发育（图 17 32）。尽管由此产生的无着丝粒纺锤体可以正常分离染色体，但它缺乏星状微管，星状微管负责在动物细胞中定位纺锤体；因此，纺锤体可能会在细胞中定位错误。

动粒将姐妹染色单体附着到纺锤体上

在双极微管阵列组装后，纺锤体形成的第二个主要步骤是将阵列附着到姐妹染色单体对上。

纺锤体微管在动粒处附着到每条染色单体上，动粒是一个巨大的多层蛋白质结构，位于染色单体的着丝粒区域（图 17 33；另见第 4 章）。在中期，动粒微管的正端正面嵌入动粒外部区域内距离 DNA 最远的专门微管附着位点。动物细胞的动粒可以结合 10 40 个微管，而芽殖酵母的动粒只能结合一个。每个微管的附着依赖于称为 Ndc80 复合物的杆状蛋白质复合物的多个拷贝，该复合物的一端锚定在动粒中并与纺锤体极相互作用

aster

10 m

MBoC7 m17.29/17.32

图 17 32 昆虫 Sciara（或真菌蚊蚋）的孤雌生殖胚胎中没有着丝粒的双极纺锤体组装。微管染成绿色，染色体染成红色。上方的荧光显微照片显示了正常受精的 Sciara 胚胎中形成的正常纺锤体，该纺锤体带有着丝粒。下方的显微照片显示了在没有受精的情况下开始发育的胚胎中形成的没有着丝粒的纺锤体。请注意，带有着丝粒的纺锤体在纺锤体的每个极点都有一个星形体，而没有着丝粒的纺锤体则没有。这两种纺锤体都能够分离复制的染色体。（1998 B. de Saint Phalle 和 W.

Sullivan。最初发表于 J. Cell Biol.

https://doi.org/10.1083/jcb.141.6.1383。

经洛克菲勒大学出版社许可。）

图 17 33 动粒。（A）用 DNA 结合荧光染料和与特定动粒蛋白反应的人类自身抗体染色的中期染色体的荧光显微照片。两个动粒，一个与每个姐妹染色单体相关，染成红色。（B）中期染色体的图画，显示其两个姐妹染色单体附着在动粒微管的正端。每个动粒在着丝粒表面形成一个斑块。 (C) 后期染色单体的电子显微照片，其动粒上附着有微管。虽然大多数动粒都有三层结构，但此处显示的动粒（来自绿藻）具有异常复杂的结构，并带有额外的层。（A，1991 R.P. Zinkowski 等人，最初发表于 J. Cell Biol. https://doi.org/10.1083/jcb.113.5.1091。

经洛克菲勒大学出版社许可。C，来自 J.D. Pickett-Heaps 和 L.C. Fowke，Aust. J. Biol. Sci. 23:71 92，

1970。经 CSIRO Publishing 许可。）

（A）

复制的

染色体

着丝粒区

染色体

着丝粒

微管

染色单体（B）（C）

后期染色单体

着丝粒

染色单体

运动方向

微管

嵌入着丝粒

1 m

2 m

MBoC7 m17.30/17.33

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1056 第 17 章：细胞周期 1057 有丝分裂

微管的另一端，从而将微管连接到动粒，同时仍允许在此端添加或去除微管蛋白亚基

（图 17 34）。

动粒正端聚合和解聚的调节对于控制纺锤体上的染色体运动至关重要，我们稍后会讨论。

着丝粒附着在纺锤体上是通过一系列复杂的事件发生的。在动物细胞的前期末期，生长纺锤体的着丝粒通常位于纺锤体的相对两侧。核膜。因此，当核膜破裂时，姐妹染色单体对会受到来自两个方向的动态微管正端的轰击。然而，着丝粒不会立即实现与纺锤体两极正确的端对端微管附着。相反，光学和电子显微镜的详细研究表明，大多数初始附着都是不稳定的侧向附着，其中着丝粒在外着丝粒中的动力蛋白马达蛋白的帮助下附着在经过的微管的侧面。最终，微管正端以正确的端对端方向被一个着丝粒捕获，然后被另一个着丝粒捕获。另一种附着机制也起作用，特别是在没有着丝粒的情况下。染色体附近的短微管嵌入着丝粒的正端结合位点。这些正端的聚合导致微管远离动粒生长。这些动粒微管的负端最终与其他负端交联，并由纺锤体极处的动力蛋白马达蛋白聚焦（见图 17 31）。

双向定位是通过反复试验实现的

有丝分裂的成功要求一对姊妹染色单体附着在有丝分裂纺锤体的相反极上，这样当它们在后期分离时，它们就会移动到细胞的相反两端。这种称为双向定位的连接方式是如何实现的？是什么阻止了两个动粒附着到同一个纺锤体极上或一个动粒附着到两个纺锤体极上？部分答案是姐妹动粒以背对背方向构建

图 17 34 动粒中的微管附着位点。 (A) 在这张哺乳动物动粒的电子显微照片中，染色体在右侧，多个微管的正端嵌入左侧的外动粒中。 (B) 使用电子断层扫描（第 9 章讨论）构建 A 中外动粒的低分辨率三维图像。几个微管（多种颜色）嵌入动粒的纤维材料中，该纤维材料被认为是由 Ndc80 复合物和其他蛋白质组成的。 (C) 每个微管通过与 Ndc80 复合物（蓝色）的多个副本相互作用附着到动粒上。该复合物与微管正端附近的两侧结合，允许聚合和解聚发生，同时微管仍附着在着丝粒上。Ndc80 复合物的另一端通过中间蛋白附着在着丝粒核小体上，着丝粒核小体含有一种称为 CENP-A 的特殊组蛋白 H3（见第 4 章）。芽殖酵母着丝粒含有单个着丝粒核小体，因此含有单个微管结合位点（如图所示），而动物着丝粒（如 B 中的着丝粒）含有大量此类结合位点，分布在大量着丝粒核小体上。（A 和 B，来自 Y. Dong 等人，Nat. Cell Biol. 9:516 522，2007 年由 Nature Publishing Group 出版。

经 SNCSC 许可复制。）

微管着丝粒核小体的正端

（A）（C）（B）

MBoC7 m17.31/17.34

Ndc80 复合物

100 nm

外

动粒

内

动粒

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1058 第 17 章：细胞周期

降低了两个动粒面对同一纺锤体极点的可能性。

然而，不正确的连接确实会发生，并且已经进化出精妙的调节机制来纠正它们。

不正确的连接通过一个反复试验的系统来纠正，该系统基于一个简单的原则：大多数不正确的连接非常不稳定并且不会持久，而正确的连接则保持原位。动粒如何感知正确的连接？答案似乎是张力（图 17 35）。当一对姐妹染色单体在纺锤体上正确地双向定向时，两个动粒被强大的极向力拉向相反的方向。姐妹染色单体的凝聚力抵抗这些极向力，在动粒内产生高水平的张力。例如，当两条姊妹染色单体附着在同一纺锤体极上时，染色体附着不正确，张力较低，动粒产生抑制信号，松开微管附着位点的抓握，从而发生分离。当发生双向取向时，动粒的高张力会关闭抑制信号，加强微管附着。在动物细胞中，张力不仅增加了附着位点的亲和力，还导致额外的微管附着到动粒上。这导致形成由多个微管组成的粗动粒纤维bules。

张力感应机制依赖于蛋白激酶 Aurora-B，它与动粒相关，被认为会产生抑制信号，在没有张力的情况下降低微管附着的强度。它磷酸化微管附着位点的几个成分，包括 Ndc80 复合物，降低位点对微管正端的亲和力。当双向取向发生时，产生的张力会降低

(C) 不稳定 (D) 稳定 (B) 不稳定

(A) 不稳定

MBOC7 m17.33/17.35

图 17 35 动粒附着到纺锤体极的替代形式。（A）最初，纺锤体极上的单个微管与姐妹染色单体对中的一个动粒结合。然后，其他微管可以以各种方式与染色体结合。（B）来自同一纺锤体极的微管可以附着到另一个姐妹动粒上，或者（C）来自纺锤体两个极的微管可以附着到同一个动粒上。然而，这些不正确的连接是不稳定的，因此两个微管中的一个往往会分离。（D）当来自相反极的微管与第二个动粒结合时，姐妹动粒被认为能够感知其微管结合位点的张力。这会触发微管结合亲和力的增加，从而将正确的连接锁定在位。偶尔（未显示），可以形成 C 和 D 组合的连接；也就是说，两个姐妹着丝粒附着在相反的极点上并处于张力之下，但一个着丝粒和纺锤体的两个极点之间也存在不适当的微管连接。这种组合是稳定的，并且以这种附着方式进展到后期的细胞有将两个姐妹染色单体移动到同一个子代的风险，这通常对细胞是致命的。

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1058 第 17 章：细胞周期 1059 有丝分裂

Aurora-B 的磷酸化，从而增加了附着位点的亲和力（图 17 36）。

在染色体附着于纺锤体的两个极点后，染色体被来回拉扯，最终占据两极之间等距的位置，这个位置称为中期板。在脊椎动物细胞中，染色体随后在中期板上轻轻振荡，等待姐妹染色单体分离的信号。信号是在最后一对姐妹染色单体双向附着后产生的，具有可预测的滞后时间。

多种力作用于纺锤体中的染色体

中期纺锤体，其姐妹染色单体排列在中期板上，看起来像一个固定长度的稳定双极结构，但外表可能具有欺骗性。纺锤体是一个高度动态的组装体，它处于稳定状态，这取决于各种运动蛋白以及微管聚合和解聚产生的众多力的精确平衡。

这些力在染色体附着到纺锤体上后会移动染色体，并产生张力，而这种张力对于稳定正确的附着非常重要。

在后期，类似的力将分离的染色单体拉向纺锤体的两端。三种主要的纺锤体力特别重要，尽管它们的强度和重要性在有丝分裂的不同阶段有所不同。

第一种主要力将动粒及其相关染色单体沿着动粒微管拉向纺锤极。这种力是由微管正端的解聚产生的。它在前中期和中期拉动染色体，但对于在后期分离后将姐妹染色单体移向极点尤为重要。值得注意的是，这种动粒产生的极向力不需要 ATP 或运动蛋白。

乍一看，这似乎难以置信，但事实表明，在没有 ATP 存在的试管中，纯化的动粒可以附着在正在解聚的微管上，从而移动。驱动运动的能量储存在微管中，并在微管解聚时释放；它最终来自微管蛋白亚基添加到微管末端后发生的 GTP 水解（第 16 章讨论）。

正端解聚如何驱动动粒向极点移动？

正如我们之前讨论过的（见图 17 34C），动粒中的 Ndc80 复合物在微管侧面形成多个低亲和力附着。由于附着物不断在新的位置断裂和重新形成，因此即使微管解聚，动粒仍附着在微管上。

原则上，这可以将动粒移向纺锤极。

在某些细胞类型中，微管通量提供了第二种向极的力，

从而将微管本身拉向纺锤极。纺锤体极点处，负端解聚。这种向极运动的潜在机制尚不清楚，尽管它可能取决于运动蛋白产生的力量和纺锤体极点处的负端解聚。在中期，添加

图 17 36 张力如何增加微管对动粒的附着。这些图说明了一种推测机制，通过该机制，双向取向可能增加微管对动粒的附着。为清晰起见，显示了单个动粒；纺锤体极在右侧。（A）当姐妹染色单体对未附着在纺锤体上或仅附着在一个纺锤体极上时，外部和内部动粒之间的张力很小。蛋白激酶 Aurora-B 被束缚在内动粒上，并磷酸化外动粒中的微管附着位点，包括 Ndc80 复合物（蓝色）（如图所示），从而降低微管结合的亲和力。因此，微管会迅速结合和分离，附着不稳定。（B）当实现双向定位时，将动粒拉向纺锤极的力受到将另一个姊妹动粒拉向相反极的力的抵抗，由此产生的张力将外动粒拉离内动粒。因此，Aurora-B 无法到达外动粒，微管附着位点不会被磷酸化。因此，微管

结合亲和力增加，

导致多个微管稳定地附着在两个动粒上。

外部动粒

蛋白的去磷酸化依赖于此处未显示的磷酸酶。

P

姐妹染色单体

Aurora-B 激酶

微管

正端

外

动粒

内

动粒

双向

极向

力

(A) 低张力 (B) 高张力

MBoC7 m17.34/17.36

Ndc80 复合物

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1060 第 17 章：细胞周期

微管正端新微管蛋白补偿负端微管蛋白的损失，因此尽管微管向纺锤体极移动，微管长度仍保持不变（图 17 37）。任何附着在经历这种流动的微管上的动粒都会受到向极的力，这有助于在中期在动粒处产生张力。

除了上面讨论的基于动粒的力之外，流动还有助于向极的力，这种力在后期姐妹染色单体分离后会移动它们。

作用于染色体的第三种力是极地弹射力或极地风。

染色体臂上正端定向的驱动蛋白 4 和驱动蛋白 10 马达与微管相互作用，将染色体从纺锤体极点运走（见图 17 28）。这种力在前中期和中期尤为重要，因为它有助于将染色体臂从纺锤体中推出。这种力也可能有助于将姐妹染色单体对排列在中期板上。

APC/C 触发姐妹染色单体分离和有丝分裂的完成

细胞周期在从中期到后期的过渡期随着姐妹染色单体的分离而达到最戏剧性的时刻（图 17 38）。虽然 M-Cdk 活性为这一事件奠定了基础，但前面讨论过的后期促进复合体或环体 (APC/C) 会通过泛素化几种有丝分裂调节蛋白来触发启动姐妹染色单体分离的开关，从而触发它们的破坏（见图 17 18）。

正如我们前面讨论过的，黏连蛋白在 S 期后将姐妹染色单体对保持在一起。在有丝分裂早期，姊妹染色单体的分解伴随着染色体臂上大部分黏连蛋白的去除，这种去除的机制依赖于一种蛋白质，该蛋白质在其 Smc3 和 Scc1 亚基连接处拉开黏连蛋白环（见图 17 23）。当细胞到达中期时，黏连蛋白

(B) (C)

(D)

时间

距离

斑点

(A)

纺锤体极点

微管蛋白

去除

微管蛋白

去除

微管蛋白

添加

微管蛋白

添加

斑点向极点移动

MBoC7 m17.35/17.37

20 m

图 17 37 中期纺锤体中的微管通量。 (A) 为了观察微管通量，将少量荧光微管蛋白注入活细胞或细胞提取物中，这样单个微管就形成了一小部分荧光微管蛋白。这种微管在荧光显微镜下观察时呈斑点状。 (B) 我们对有丝分裂纺锤体行为的了解大部分来自对青蛙 X. laevis 卵提取物的研究。这些提取物在试管中进行许多细胞周期过程，包括有丝分裂纺锤体组装。此图显示了有丝分裂纺锤体的荧光显微照片提取物与少量荧光微管蛋白混合。由于这些提取物中没有着丝粒，纺锤体没有星状微管。染色体呈棕色，微管蛋白斑点呈红色。（C）可以通过延时视频显微镜跟踪单个斑点的移动。每 10 秒拍摄一次 B 中细垂直框区域（箭头）的图像，此处对齐以显示单个斑点以约 0.75 m/min 的速度向极点移动，表明微管正在向极点移动。（D）在此实验期间，动粒微管的长度没有显着变化，因为新的微管蛋白亚基以与微管蛋白亚基从负端移除的速率相同的速率添加到微管正端。（B 和 C，来自 T.J. Mitchison 和 E.D.

Salmon，《自然细胞生物学》3:E17 21，2001 年由 Nature Publishing Group 出版。经 SNCSC 许可转载。）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1060 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1060 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1060 第 17 章：细胞周期 1061 有丝分裂

主要停留在染色体的着丝粒区域，毗邻着丝粒，在那里它们起到抵抗将姐妹染色单体拉开的极向力的作用。后期始于剩余黏连蛋白的突然去除，这使得姐妹染色单体分离并移至纺锤体的相反两极。APC/C 通过靶向抑制蛋白 securin 进行破坏来启动该过程。在后期之前，securin 会结合并抑制一种名为分离酶的蛋白酶的活性。中期 securin 的破坏会释放分离酶，然后分离酶可以自由切割黏连蛋白的 Scc1 亚基（见图 17 23）。黏连蛋白脱落，姐妹染色单体分离（图 17 39）。我们之前看到，M-Cdk 对各种蛋白质的磷酸化促进了纺锤体组装、染色体凝聚和核膜破裂。因此，这些相同蛋白质的去磷酸化是纺锤体分解和末期子核重新形成所必需的，这并不奇怪。Cdk 靶标的去磷酸化部分取决于细胞中大多数 Cdks 的失活，这是 APC/C 靶向 S 和 M 细胞周期蛋白进行破坏的结果。蛋白质去磷酸化还会导致

图 17 38 后期姐妹染色单体分离。在从中期 (A) 到后期 (B) 的过渡中，姐妹染色单体突然同步分离并向有丝分裂纺锤体的相反极移动，如这些用金标记的抗微管蛋白抗体 (粉红色) 染色的 Haemanthus (百合) 胚乳细胞的光学显微照片所示。（Andrew Bajer 供图）

（A）(B)

20 m

MBoC7 m17.37/17.38

活性 APC /C

非活性 APC /C

G2 中期后期

裂解和

解离的黏连蛋白

Securin 的泛素化和

降解

非活性

分离酶

活性

分离酶

Cdc20

M-Cdk

MBoC7 m17.38/17.39

黏连蛋白

Securin

有丝分裂纺锤体

P

图 17 39 APC/C 启动姐妹染色单体分离。

Cdc20 激活 APC/C 导致 securin 泛素化和破坏，securin 通常使 separase 处于非活性状态。securin 的破坏使 separase 能够裂解 Scc1，Scc1 是将姐妹染色单体结合在一起的黏连蛋白复合物的亚基（见图 17 23）。然后有丝分裂纺锤体的力量将姐妹染色单体拉开。在动物细胞中，Cdks 的磷酸化也会抑制 separase（未显示）。因此，后期 Cdk 失活（由细胞周期蛋白破坏引起）也会通过允许其去磷酸化来促进 separase 活化。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1061 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1061 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1062 第 17 章：细胞周期

来自磷酸酶的激活。回想一下我们之前的讨论，例如，磷酸酶 PP2A-B55 被 M-Cdk 灭活（见图 17 15

和 17 17）。当细胞周期蛋白破坏后 Cdk 活性下降时，PP2A 和其他

磷酸酶被激活，进一步驱动蛋白质去磷酸化和

有丝分裂的完成。

未附着的染色体阻断姐妹染色单体分离：纺锤体组装检查点

使微管不稳定的药物，如秋水仙碱或长春花碱（第 16 章讨论），可使细胞在有丝分裂中停滞数小时甚至数天。这一观察结果导致人们发现了纺锤体组装检查点机制，该机制由药物治疗激活并阻止中期到后期的过渡。检查点机制确保细胞在有丝分裂纺锤体上所有染色体都正确双向定向之前不会进入后期。纺锤体组装检查点依赖于传感器机制，该机制监测运动细胞的微管附着情况任务。任何未正确附着于微管的动粒都会发出可扩散的负信号，阻止整个细胞中的 APC/C Cdc20 激活，从而阻止中期到后期的转变。当最后一对姐妹染色单体正确连接并双向定向时，此阻断被移除，从而允许姐妹染色单体分离。负检查点信号依赖于几种蛋白质，包括 Mad2，它们被募集到未连接的动粒（图 17 40）。未连接的动粒充当催化 Mad2 构象变化的酶，因此 Mad2 随后与其他蛋白质相互作用形成一个大的多蛋白复合物，该复合物结合并从而抑制 APC/C Cdc20。当微管正确附着时，这些抑制复合物被分解，从而缓解 APC/C Cdc20 抑制。

在哺乳动物细胞中，纺锤体组装检查点决定了后期的正常时间。这些细胞中的 securin 破坏开始于纺锤体上最后一对姐妹染色单体双向定向之后，而后期大约在 20 分钟后开始。实验性抑制检查点机制会导致姐妹染色单体过早分离和后期。

染色体在后期 A 和 B 中分离

在后期开始时，姐妹染色单体内聚力的突然丧失导致姐妹染色单体分离，这允许有丝分裂纺锤体的力量将姐妹拉向细胞的相反极点，称为染色体分离。

染色体通过两个独立且重叠的过程移动。第一个阶段，后期 A，是染色体最初的向极运动，同时伴随着着丝粒微管的缩短。第二个阶段，后期 B，是纺锤体极点本身的分离，在姊妹染色单体分离并且子染色体移动了一段距离后开始（图 17 41）。后期 A 中的染色体运动取决于前面描述的两种主要向极力的组合。第一个是着丝粒微管解聚产生的力，当着丝粒向极点移动时，它导致正端微管蛋白亚基的丢失。第二个是

MBoC7 m17.39/17.40

20 m

图 17 40 未附着的着丝粒上的 Mad2 蛋白。这张荧光显微照片显示了处于前中期的哺乳动物细胞，有丝分裂纺锤体为绿色，姐妹染色单体为蓝色。一对姐妹染色单体仅附着在纺锤体的一极上。用抗 Mad2 抗体染色表明 Mad2 与未附着的姐妹染色单体的着丝粒结合（红点，用红色箭头表示）。少量 Mad2 与附着在纺锤体极上的姐妹染色单体的着丝粒相关（淡色点，用白色箭头表示）。（1998

J. Waters 等人。最初发表于 J. Cell Biol. https://doi.org/10.1083/jcb.141.5.1181。经洛克菲勒大学出版社许可。）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1062 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1062 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1062 第 17 章：细胞周期 1063 有丝分裂

由微管通量提供，微管向纺锤体极点移动（见图 17 37）。后期这两种力的相对重要性在不同细胞类型中有所不同：例如，在胚胎细胞中，染色体运动主要依赖于微管通量，而酵母和脊椎动物体细胞中的运动主要来自动粒产生的力。后期 B 期间纺锤体极分离依赖于类似于早期有丝分裂中两个着丝粒分离的马达驱动机制。将星状微管正端锚定到细胞皮层的动力蛋白将极点拉开。驱动蛋白 5 在纺锤体中心交联反向平行微管，将极点推开（见图 17 28）。虽然姊妹染色单体分离启动了后期 A 的染色体运动，但其他机制也能确保后期 A 中染色体的正确运动和后期 B 中纺锤体的伸长。最重要的是，正常后期的完成取决于 Cdk 底物的去磷酸化，这在大多数细胞中是由 APC/C 依赖的细胞周期蛋白破坏引起的。如果通过产生 APC/C 无法识别的突变形式来阻止 M-细胞周期蛋白的破坏，例如，姊妹染色单体分离通常会发生，但后期的染色体运动和微管行为会异常。后期 A 和后期 B 对染色体分离的相对贡献因细胞类型而异。在哺乳动物细胞中，后期 B 在后期 A 之后不久开始，并在纺锤体长度约为中期长度的两倍时停止；相反，后期 B 在后期 A 之后不久开始，并在纺锤体长度约为中期长度的两倍时停止。例如，酵母和某些原生动物的纺锤体主要利用后期 B 来分离后期的染色体，它们的纺锤体

可延长至中期长度的 15 倍。

分离的染色体在末期被包装在子核中

到后期结束时，子染色体已分离成细胞两端的两个相等组。在末期，即有丝分裂的最后阶段，

两组染色体被包装到一对子核中。末期的第一个主要事件是有丝分裂纺锤体的解体，随后是

MBoC7 m17.40/17.41

1 1

22

后期 A 染色体被拉向极点后期 B 两极被推开并拉开

动粒微管

缩短，将染色体拖向纺锤体的极点

动粒微管

细胞皮层的拉力 (1)

将两极拉开；纺锤体中心处反向平行微管之间的滑动力（2）将两极推开微管正端的微管生长有助于将两极推开质膜（A）（B）图 17 41 哺乳动物细胞的后期两个过程。（A）分离的姊妹染色单体在后期 A 中向两极移动。（B）在后期 B 中，纺锤体的两个极点分开。（B） MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1063 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1063 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1064 第 17 章：细胞周期

核膜的重新形成。这个过程发生在多个阶段。

首先，染色体表面的蛋白质促进它们之间的相互作用，导致所有染色体形成一个紧密的簇。接下来，含有内核膜蛋白的内质网膜碎片与染色体簇的表面结合，最终融合以重新形成完整的核膜。核孔复合物被整合到核膜中，核层重新形成。孔复合体泵入核蛋白，细胞核膨胀，有丝分裂染色体重组为凝聚度较低的间期状态。新细胞核已产生，有丝分裂完成。剩下的就是细胞完成分裂成两个。

摘要

M-Cdk 触发早期有丝分裂事件，包括染色体凝聚、有丝分裂纺锤体的组装以及姊妹染色单体对与纺锤体微管的双极附着。动物细胞中的纺锤体组装依赖于微管在多个位置的成核。着丝粒在有丝分裂前复制，然后在有丝分裂早期分离，使微管成核以帮助形成纺锤体的两极。纺锤体的形成还取决于有丝分裂染色体刺激局部微管形成的能力以及运动蛋白将微管组织成双极阵列的能力。后期由 APC/C 触发，APC/C 刺激将姊妹染色单体结合在一起的蛋白质的破坏。APC/C 还促进细胞周期蛋白的破坏，从而导致 M-Cdk 失活。Cdk 靶标的去磷酸化是完成有丝分裂事件所必需的，包括纺锤体的分解和核膜的重新形成。

细胞质分裂

细胞周期的最后一步是细胞质分裂，即将细胞质一分为二。

在大多数细胞中，胞质分裂在每次有丝分裂后都会发生，但有些细胞，如早期果蝇胚胎和一些哺乳动物肝细胞和心肌细胞，在有丝分裂时不会发生胞质分裂，从而获得多个细胞核。在大多数动物细胞中，胞质分裂始于后期，并在末期有丝分裂完成后不久结束。

动物细胞的胞质分裂始于细胞表面出现分裂沟。该沟迅速加深并扩散到细胞周围，直到将细胞完全一分为二。这一过程的基础结构是收缩环，这是一种由肌动蛋白丝、肌球蛋白 II 丝和许多结构和调节蛋白组成的动态组件。在后期，收缩环在质膜正下方组装（图 17 42；另见面板 17 1）。

环逐渐收缩，同时细胞内囊泡融合

收缩环的肌动蛋白和肌球蛋白丝

MBoC7 m17.41/17.42

200 m

(C) (A)

25 m

(B)

图 17 42 细胞分裂。 (A) 收缩环的肌动蛋白肌球蛋白束的方向如图所示，因此它们的收缩将膜向内拉。

(B) 在这张低倍扫描电子显微照片中，裂纹特别明显，因为细胞异常大。细胞膜的沟纹是由其下方的收缩环活动引起的。 (C) 更高倍数下的沟纹表面描述。（B 和 C，来自 H.W. Beams

和 R.G. Kessel，Am. Sci. 64:279 290，

1976。经 Sigma Xi 许可。）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1064 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1064 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1064 第 17 章：细胞周期 1065 细胞质分裂

与质膜一起插入新的膜。膜的增加

补偿了伴随细胞质分裂的表面积增加。当环收缩完成时，收缩环解体，子细胞之间的窄膜桥被切断。

收缩环中的肌动蛋白和肌球蛋白 II 引导胞质分裂过程

在间期细胞中，肌动蛋白和肌球蛋白 II 细丝形成位于质膜下方的皮质网络。在某些细胞中，它们还形成称为应力纤维的大细胞质束（第 16 章讨论）。当细胞进入有丝分裂时，这些肌动蛋白和肌球蛋白阵列解体；大部分肌动蛋白重组，肌球蛋白 II 细丝被释放。当姐妹染色单体在后期分离时，肌动蛋白和肌球蛋白 II 开始在快速组装的收缩环中积累（图 17 43），其中还含有许多其他提供结构支撑或协助环组装的蛋白质。收缩环的组装部分是由于局部形成新的肌动蛋白丝，这取决于形成平行排列的线性、无分支肌动蛋白丝（第 16 章讨论）的福明蛋白。在后期，重叠的肌动蛋白丝和肌球蛋白 II 丝阵列收缩，产生将细胞质一分为二的力量。一旦收缩开始，环就会施加足够大的力来弯曲插入其路径的细玻璃针。当环收缩时，它保持相同的厚度，这表明它的总体积和它所含的细丝数量稳步减少。此外，与肌肉中的肌动蛋白不同，环中的肌动蛋白丝具有高度动态性，并且它们的排列在细胞分裂期间不断变化。当分裂结束时，收缩环最终完全消失，分裂沟的质膜变窄形成中体。

中体作为两个子细胞之间的系绳而存在，并包含纺锤体的残余部分，纺锤体是一种大型蛋白质结构，源自纺锤体中区的反向平行微管，紧密堆积在致密的基质材料内（图 17 44）。胞质分裂通过称为脱落的过程完成：中体两侧的膜被由称为 ESCRT-III 的聚合蛋白形成的细丝收缩和切断。

RhoA 的局部激活触发收缩环的组装和收缩

RhoA 是 Ras 超家族的一个小 GTPase（见表 15 5），控制收缩环在分裂部位的组装和功能。 RhoA 附着在未来分裂部位的细胞膜内表面，促进肌动蛋白丝形成、肌球蛋白 II 组装和环收缩。它

图 17 43 收缩环。

（A）分裂细胞中裂沟的绘图。（B）分裂动物细胞裂沟内生边缘的电子显微照片。（C）分裂黏菌变形虫的荧光显微照片，染色为肌动蛋白（红色）和肌球蛋白 II（绿色）。虽然所有可见的肌球蛋白 II 都已重新分布到收缩环，但只有部分肌动蛋白这样做了；其余的仍留在新生子细胞的皮层中。（B，来自 H.W. Beams 和

R.G. Kessel，Am. Sci. 64:279 290, 1976。

经 Sigma Xi 许可。C，由 Yoshio Fukui 提供。）

来自中央纺锤体的剩余微管

肌动蛋白和肌球蛋白丝的收缩环在分裂沟中

（A）(B) (C)

0.5 m 10 m

MBoC7 m17.42/17.43

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1065 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1065 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1066第 17 章：细胞周期

通过激活 formins 刺激肌动蛋白丝形成，并通过激活多种蛋白激酶（包括 Rho 相关激酶 (ROCK)）促进肌球蛋白 II 组装和收缩（图 17 45）。这些激酶磷酸化调节性肌球蛋白轻链（肌球蛋白 II 的一个亚基），从而刺激双极肌球蛋白 II 丝形成和运动活动。

RhoA 由一种称为 Ect2 的鸟嘌呤核苷酸交换因子 (GEF) 激活，后者刺激 GDP 的释放和 GTP 与 RhoA 的结合（见图 17 45）。Ect2 位于分裂位点，由涉及纺锤体微管的复杂机制激活，我们将在下文讨论。

有丝分裂纺锤体的微管决定动物细胞分裂的平面

胞质分裂的核心问题是如何确保分裂在正确的时间和正确的平面上发生ce. 细胞质分裂必须在两组染色体完全分离后才能发生，分裂部位必须

(A)

10 m

致密基质材料质膜

1 m

中体中交错微管区域

细胞 A

来自中央纺锤体的剩余极间微管

细胞 B

(B)

MBoC7 m17.43/17.44

图 17 44 中体。 (A) 培养动物细胞分裂的扫描电子显微照片；中体仍然连接两个子细胞。 (B) 分裂动物细胞中体的常规电子显微照片。分裂几乎完成，但子细胞仍然通过这条包含中央纺锤体残余的细细胞质链附着。当致密中体两侧的膜收缩和断裂时，就会导致脱落。（A，

由 Guenter Albrecht-Buehler 提供；B，

由 J.M. Mullins 提供。）

非活性 RhoA

centralspindlin

Aurora-B

活性 RhoA

Rho GAP

Rho GEF

（Ect2）

formin

肌球蛋白 II 活化

肌动蛋白肌球蛋白环的组装和收缩

肌动蛋白丝

形成

Rho 相关激酶

（包括 ROCK）

肌球蛋白

磷酸酶

调节性肌球蛋白

轻链

磷酸化

MBoC7 m17.44/17.45

GDP

GTP

图 17 45 GTPase RhoA 对收缩环的调节。与其他 Rho 家族

GTPases 一样，RhoA 由 Rho GEF 蛋白（称为 Ect2）激活，并由 Rho GTPase 激活蛋白（Rho GAP）灭活。通过结合 formins，激活的 RhoA 促进收缩环中肌动蛋白丝的组装。通过激活 Rho 相关蛋白激酶（例如 ROCK），它刺激肌球蛋白 II 丝的形成和活性，从而促进环的收缩。未来裂解位点处 RhoA 的激活取决于另一种称为 centralspindlin 的蛋白质复合物对 Ect2 的激活，下一节将讨论。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1066 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1066 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1066 第 17 章：细胞周期 1067 细胞质分裂

位于两组子染色体之间，从而确保

每个子细胞都获得一套完整的染色体。动物细胞中细胞质分裂的正确时间和定位是通过依赖于有丝分裂纺锤体的机制实现的。在后期，纺锤体产生信号，在纺锤体两极中间的位置启动沟的形成，从而确保

分裂发生在两组分离的染色体之间。由于这些信号源自后期纺锤体，因此这种机制也有助于在有丝分裂后期正确安排胞质分裂的时间。对海洋无脊椎动物受精卵的研究首次揭示了纺锤体微管在确定收缩环位置方面的重要性。受精后，这些胚胎迅速分裂，中间没有生长期。这样，原始卵逐渐分裂成越来越小的细胞。由于细胞质透明，可以用显微镜实时观察纺锤体。如果在早期后期用细玻璃针将纺锤体拉到新的位置，初始的分裂沟就会消失，新的分裂沟会根据新的纺锤体位置发展，这支持了纺锤体产生的信号会诱导局部沟形成的观点。有丝分裂纺锤体如何指定分裂位置？关键机制似乎是后期纺锤体的中间区产生促进细胞皮层沟形成的信号。该调节系统的核心成分是一种称为中央纺锤蛋白的双亚基蛋白复合物，它形成的寡聚体主要集中在纺锤体中间区的反向平行微管上（图 17 46）。蛋白激酶 Aurora-B 刺激中间区的中央纺锤蛋白组装，该激酶也在后期定位到纺锤体中间区（见图 17 45）。Aurora-B 定位到中央纺锤体依赖于 Cdk 底物的去磷酸化，从而提供了一种延迟胞质分裂直至后期的机制。中央纺锤蛋白与 RhoA GEF Ect2 相互作用，激活位于纺锤体两极中间的赤道细胞皮质的 RhoA（图 17 47）。在某些细胞类型中，可以看到中央纺锤蛋白和 Ect2 的小亚群从纺锤体中区迁移到细胞皮质，然后 Ect2 与 RhoA 相互作用以触发沟形成（见图 17 45）。中央纺锤蛋白和 Ect2 在赤道处的聚焦部分取决于星体微管以某种方式抑制中央纺锤蛋白在赤道区域外定位的能力。在某些细胞类型中，环组装的位置是在有丝分裂之前选择的。例如，在芽殖酵母中，一圈称为 septins 的蛋白质在 G1 后期在未来的分裂位点组装。septins 是被认为形成一个支架，收缩环的其他成分（包括肌球蛋白 II）可以组装到该支架上。在植物细胞中，一条由微管和肌动蛋白丝组成的有组织的带，称为前期带，在有丝分裂前组装，标志着细胞壁组装和将细胞一分为二的位点，正如我们现在讨论的那样。

图 17 46 胞质分裂调节剂在人类细胞中央纺锤体上的定位。（A）中间是胞质分裂开始时培养的人类细胞，显示了 GTPase RhoA（红色）和一种名为 Cyk4 的蛋白质（绿色）的位置，它是中央纺锤体蛋白的两个亚基之一，中央纺锤体蛋白是一种蛋白质复合物，集中在反向平行微管重叠的正端。 (B) 当在收缩环平面上查看相同的三维图像时，如图所示，RhoA（红色）被视为细胞表面下方的一个环，而中央纺锤蛋白亚基 Cyk4（绿色）与散布在细胞赤道平面上的微管束相关。请注意，在这些图像中不易检测到细胞皮层中的少量中央纺锤蛋白。（感谢 Alisa Piekny

和 Michael Glotzer。）

（A） (B)

MBoC7 m17.47/17.46

10 m

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1067 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1067 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1068 第 17 章：细胞周期

隔膜引导高等植物的细胞分裂

在大多数动物细胞中，分裂沟的向内运动取决于

质膜表面积的增加。新膜主要在分裂沟处添加，通常由小膜囊泡提供，这些小膜囊泡通过微管从高尔基体运输到分裂沟。膜沉积对于高等植物细胞的胞质分裂尤为重要。这些细胞被半刚性的细胞壁包裹。植物细胞的细胞质不是由收缩环从外向内划分细胞质，而是通过在两个子核之间构建新的细胞壁（称为细胞板）从内向外划分（图 17 48；图 17 49）。细胞板的组装始于后期，由称为成膜体的结构引导，成膜体包含来自有丝分裂的微管？

？

centralspindlin 和 Ect2 激活赤道皮质星状微管处的 RhoA

Ect2 和 centralspindlin

在纺锤体中区处

RhoA 分离子染色体

MBoC7 n17.106/17.47

图 17 47 在分裂沟形成位点处激活 RhoA。

centralspindlin 多聚体 (蓝色) 与纺锤体中区的 RhoA GEF、Ect2 (橙色) 相关联。通过不确定的机制 (虚线)，其中一些蛋白质移动到细胞赤道处的皮质，在那里它们激活 RhoA (紫色)

以触发沟形成。为了将信号聚焦在赤道处，星状微管的正端使用未知机制来抑制皮质其他区域的中央纺锤体 Ect2 复合物。

图 17 48 高等植物细胞胞质分裂的特殊特征。分裂平面在 M 期之前由细胞皮质的微管和肌动蛋白丝带（前期带）建立。在末期开始时，染色体分离后，新的细胞壁开始在旧纺锤体的赤道处在细胞内组装。末期剩余的有丝分裂纺锤体的微管形成成膜体。这些微管的正端不再重叠，而是终止于细胞赤道处。高尔基体衍生的囊泡充满了细胞壁物质，沿着这些微管运输并融合形成新的细胞壁，新细胞壁向外生长，到达质膜和原始细胞壁。

质膜和新细胞壁周围的膜融合，将两个子细胞分开。

前期微管带

和

肌动蛋白丝

纺锤体残余

微管

皮质间期微管阵列

液泡

母细胞壁高尔基体衍生的

囊泡

早期细胞

板

新

细胞壁

成膜体

微管

G2 末期胞质分裂 G1

MBoC7 m17.49/17.48

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1068 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1068 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1068 第 17 章：细胞周期 1069胞质分裂纺锤体。马达蛋白沿着这些微管将小囊泡从高尔基体运送到细胞中心。这些囊泡充满了合成新细胞壁所需的多糖和糖蛋白，融合形成一个圆盘状的膜包裹结构，称为早期细胞板。细胞板通过进一步的囊泡融合向外扩展，直到到达质膜和原始细胞壁并将细胞一分为二。后来，纤维素微纤维被放置在细胞内细胞板基质完成新细胞壁的构建。

膜包裹的细胞器必须在胞质分裂期间分配给子细胞

有丝分裂过程确保每个子细胞获得完整的染色体。然而，当真核细胞分裂时，每个子细胞还必须继承所有其他必需的细胞成分，包括膜包裹的细胞器。如第 12 章所述，线粒体和叶绿体等细胞器不能从其各个成分中重新组装；它们只能通过先前存在的细胞器的生长和分裂产生。同样，细胞不能制造新的内质网 (ER)，除非其中的某些部分已经存在。

那么，当细胞分裂时，各种膜包裹的细胞器如何分离？线粒体和叶绿体等细胞器通常数量足够多，如果平均而言，它们的数量在每个周期大约翻一番，则可以安全地遗传。间期细胞中的内质网与核膜相连，并由微管细胞骨架组织。进入 M 期后，微管重组和核膜破裂会释放内质网。在大多数细胞中，内质网基本保持完整，并在胞质分裂期间被切成两半。高尔基体在有丝分裂期间重组和碎裂。高尔基碎片与纺锤体极点相关联，从而分布到纺锤体的两端，确保每个子细胞都能继承在末期重建高尔基体所需的材料。

一些细胞重新定位纺锤体以进行不对称分裂

大多数动物细胞对称分裂：收缩环在母细胞赤道周围形成，产生两个大小相同且具有相同成分的子细胞。这种对称性是由有丝分裂纺锤体的位置引起的，在大多数情况下，纺锤体倾向于在细胞质中居中。星体微管和推动或拉动这些微管的运动蛋白有助于居中过程。

图 17 49 植物细胞在末期的细胞质分裂。（A）在这张光学显微照片中，早期细胞板（两个箭头之间）已在垂直于页面平面的平面上形成。纺锤体的微管用金标记的抗微管蛋白抗体染色，两组子染色体中的 DNA 用深蓝色染料染色。请注意，没有星状微管，因为高等植物细胞中没有着丝粒。（B）在这张植物细胞的荧光显微照片中，DNA 被染成蓝色，微管为红色。一种称为突触融合蛋白（绿色）的蛋白质位于细胞赤道处的细胞板上，负责刺激高尔基囊泡融合，从而递送细胞壁物质。（A，由 Andrew Bajer 提供；B，来自 C.-M.K. Ho 等人，Plant Cell 23:2909 2923, 2011。

经美国植物生物学家协会许可转载。）

50 m5 m

MBoC7 m17.48/17.49

(A) (B)

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1069 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1069 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1070 第 17 章：细胞周期

然而，在发育过程中，有很多情况是细胞不对称分裂产生两个大小不同的细胞，它们继承的细胞质内容物或两者均有。通常，两个不同的子细胞注定要沿着不同的途径发育。为了以这种方式产生具有不同命运的子细胞，母细胞必须首先将某些成分（称为细胞命运决定因素）分离到细胞的一侧，然后定位分裂平面，以便适当的子细胞继承这些成分（图 17 50）。为了不对称地定位分裂平面，纺锤体必须在分裂细胞内以受控方式移动。细胞皮层局部区域的变化似乎会指导这种纺锤体运动，并且位于那里的运动蛋白通过其星体微管将纺锤体极之一拉到适当的区域。对秀丽隐杆线虫和果蝇的遗传分析已确定了这种不对称分裂所需的一些蛋白质，其中一些蛋白质似乎在脊椎动物中具有类似的作用。

有丝分裂可以在没有胞质分裂的情况下发生

虽然核分裂通常随后是细胞质分裂，但也有例外。一些细胞经历多轮核分裂而没有中间的细胞质分裂。例如，在早期果蝇胚胎中，前 13 轮核分裂发生在没有细胞质分裂的情况下，导致形成一个包含数千个细胞核的单个大细胞，这些细胞核排列在靠近表面的单层中。多个细胞核排列成单层，细胞内有多个细胞质分裂。细胞核共享同一细胞质的结构称为合胞体。这种结构大大加快了早期发育，因为细胞不必花时间完成每次分裂的所有细胞质分裂步骤。在这些快速的核分裂之后，在每个细胞核周围形成膜，这是一轮协调的细胞质分裂，称为细胞化。质膜向内延伸，在肌动蛋白肌球蛋白环的帮助下，收缩以包裹每个细胞核（图 17 51）。某些类型的哺乳动物细胞也会发生没有细胞质分裂的核分裂。例如，产生血小板的巨核细胞以及一些肝细胞和肌肉细胞就是这样变成多核的。

摘要

有丝分裂完成一对子核的形成后，细胞质分裂通过分裂细胞本身来完成细胞周期。胞质分裂依赖于肌动蛋白和肌球蛋白丝环，该环在晚期有丝分裂中在分离染色体中间的位置收缩。在动物细胞中，前部后部 40 m

MBoC7 m17.50/17.50

图 17 50 不对称细胞分裂将细胞质成分分离到一个子细胞中。这些光学显微照片说明了在线虫 C. elegans 受精卵的第一次分裂过程中，特定细胞质成分受控不对称分离到一个子细胞中。左侧显微照片中显示的是受精卵，右侧显微照片中显示的是两个子细胞。上面的细胞已用蓝色 DNA 结合荧光染料染色以显示细胞核（和极体）；它们可以通过微分干涉对比显微镜和荧光显微镜进行观察。下面的细胞是用抗 P 颗粒抗体染色并通过荧光显微镜观察的相同细胞。这些小颗粒由 RNA 和蛋白质组成，决定哪些细胞成为生殖细胞。它们随机分布在未受精卵（未显示）的细胞质中，但会分离到受精卵的后极。卵裂面的方向确保只有后子细胞在卵分裂时接收 P 颗粒。相同的分离过程在随后的几次细胞分裂中重复进行，因此 P 颗粒最终只出现在产生卵子和精子的细胞中。（Susan Strome 供图）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1070 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1070 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1070 第 17 章：细胞周期 1071 减数分裂

(A)

(B)

10 m

受精卵合胞体中有许多细胞核

核分裂

核迁移

至皮层

细胞边界

开始形成

细胞化

完成

角质层质膜

MBoC6 m17.51/17.51

图 17 51 果蝇早期胚胎中无胞质分裂的有丝分裂。（A）前 13 个核分裂同步发生，没有细胞质分裂，形成一个大的合胞体。大多数细胞核迁移到皮层，质膜向内延伸并收缩以包围每个细胞核，形成单个细胞，这一过程称为细胞化。

（B）果蝇胚胎细胞化前多个有丝分裂纺锤体的荧光显微照片。

微管染成绿色，着丝粒染成红色。请注意，所有细胞核都同步经历这个周期；在这里，它们都处于中期，未标记的染色体在纺锤体赤道处显示为暗带。（B，由 Kristina Yu 和 William Sullivan 提供。）

收缩环由与后期纺锤体中区微管相关的蛋白质决定。Cdk 靶标的去磷酸化是由后期 Cdk 失活引起的，会在后期的正确时间触发胞质分裂。

减数分裂

大多数真核生物进行有性繁殖：两个亲本的基因组混合，产生与亲本遗传不同的后代。这些生物的细胞通常是二倍体；也就是说，它们包含两个略有不同的每个染色体的拷贝或同源物，每个亲本一个。有性繁殖依赖于称为减数分裂的专门核分裂过程，该过程产生仅携带每个染色体单个拷贝的单倍体细胞。在许多生物体中，单倍体细胞分化成称为配子（大多数物种中的卵子和精子）的专门生殖细胞。在这些物种中，当精子和卵子融合形成二倍体合子时，生殖周期结束，二倍体合子具有形成新个体的潜力。在本节中，我们将考虑减数分裂的基本机制和调节，重点介绍它们与有丝分裂的比较。

减数分裂包括两轮染色体分离

减数分裂使用许多相同的分子机器和控制将染色体数量减少一半在有丝分裂中运作的系统。与有丝分裂细胞周期一样，细胞通过在减数分裂 S 期复制其染色体来开始减数分裂程序，从而产生通过黏连蛋白复合物沿其整个长度紧密连接的姊妹染色单体对。然而，与有丝分裂不同，然后发生两轮连续的染色体分离（图 17 52）。这些分裂中的第一次（减数分裂 I）解决了减数分裂特有的同源物分离问题。复制的父系和母系同源物彼此配对并通过基因重组过程物理连接。这些同源物对，每个都包含一对姊妹染色单体，然后排列在第一个减数分裂纺锤体上。在第一次减数分裂后期，重复的同源物（而不是姐妹染色单体）被拉开并分离成两个子核。只有在第二次分裂（减数分裂 II）中，姐妹染色单体才会被拉开并分离（如在有丝分裂中一样）以产生单倍体子核。这样，每个进入减数分裂的二倍体核都会产生四个单倍体核，每个单倍体核都包含每条染色体的母本或父本拷贝，但不会同时包含两者（电影 17.7）。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1071 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1071 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1072 第 17 章：细胞周期

减数分裂 (A) (B) 有丝分裂

重复的

染色体

在中期纺锤体上单独排列

MBoC7 e19.06/17.52

父系

同源物

母系

同源物

二倍体

生殖系

细胞

二倍体

细胞

染色体

重复

染色体

重复

重复同源染色体配对和重组

同源染色体在减数分裂 I 的后期分离

减数分裂 I 的完成

姐妹染色质在减数分裂 II 的后期分离

姐妹染色质在后期分离

非同源单倍体细胞遗传上相同的二倍体细胞

减数分裂 II 减数分裂 I 减数分裂 S 期

重复的同源染色体对

排列在中期纺锤体上

减数分裂 M 期有丝分裂 S 期

图 17 52 减数分裂和有丝分裂的比较。为清楚起见，仅显示一对同源染色体（同源染色体）。 (A) 减数分裂是一种核分裂形式，其中一轮染色体复制（减数分裂 S 期）之后是两轮染色体分离。复制的同源物（每个同源物都由紧密结合的姐妹染色单体组成）在减数分裂 I 中配对并分离到不同的子核中；姐妹染色单体在减数分裂 II 中分离。正如部分红色和部分蓝色染色体的形成所表明的那样，减数分裂中的同源物配对会导致减数分裂 I 期间的基因重组（交叉）。因此，进入减数分裂的每个二倍体细胞都会产生四个遗传上不同的单倍体核，这些单倍体核通过胞质分裂分布到分化为配子的单倍体细胞中。

(B) 相反，在有丝分裂中，同源物不会配对，姐妹染色单体在单次分裂期间分离。因此，

每个通过有丝分裂分裂的二倍体细胞都会产生两个遗传上相同的二倍体子核，这些子核通过胞质分裂分布到一对子细胞中。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1072 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1072 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1072 第 17 章：细胞周期 1073 减数分裂

减数分裂前期重复同源物配对

在大多数生物的有丝分裂过程中，同源染色体的行为彼此独立。然而，在减数分裂 I 期间，同源物必须相互识别并进行物理关联，才能使母系和父系同源物在第一个减数分裂纺锤体上双向定向。特殊机制介导这些相互作用。

同源物的逐渐并置发生在一个称为减数分裂前期（或前期 I）的较长时期内，这在酵母中可能需要数小时，在小鼠中可能需要数天，在高等植物中可能需要数周。与有丝分裂的染色体一样，重复的减数分裂前期染色体首先以长线状结构出现，其中姐妹染色单体紧密粘合在一起，以至于它们看起来像一个。

正是在早期的前期 I 期间，同源物开始沿其长度关联，这个过程称为配对，至少在某些生物体中，这个过程始于两个同源物中互补 DNA 序列（称为配对位点）之间的相互作用。随着前期的进展，同源物变得更加紧密地并列，形成称为二价体的四染色单体结构（图 17 53A）。

在大多数物种中，同源物对随后通过同源重组锁定在一起：DNA 双链断裂在每个姐妹染色单体的几个位置形成，导致同源物之间发生大量 DNA 重组事件（如第 5 章所述）。其中一些事件导致相互的 DNA交换称为交叉，其中染色单体的 DNA 交叉并与同源染色单体的 DNA 连续（图 17 53B；另见图 5 53）。

同源物配对最终形成联会复合体

配对的同源物被带到紧密的并列位置，其结构轴（轴芯）相距约 400 nm，其机制在大多数物种中取决于姐妹染色单体中发生的双链 DNA 断裂。是什么将轴拉到一起？一种可能性是，在染色单体的双链断裂处组装的大型蛋白质机器（称为重组复合体）结合附近同源物中的匹配 DNA 序列并帮助卷入该伴侣。这种所谓的同源物突触前排列之后是联会，其中同源物的轴核通过密集排列的横向细丝与其配偶体的轴核紧密相连，形成联会复合体，该复合体填补了同源物之间现在只有 100 nm 的间隙（图 17 54）。虽然交叉开始

图 17 53 同源物配对和交叉。（A）由两个紧密排列的重复同源物形成的结构称为二价。与有丝分裂一样，每个同源物中的姐妹染色单体沿其整个长度和着丝粒紧密连接。在此阶段，同源物通常由称为联会复合体的蛋白质复合物连接（未显示；参见图 17 54）。 (B) 后期二价染色体，其中非姊妹染色单体之间发生一次交叉。只有当联会复合体解体并且配对的同源物在前期 I 结束时稍微分离时（如图所示），交叉在显微镜下才能看作同源物之间的细小连接，称为交叉。

复制的父系染色体

复制的母系染色体

着丝粒

二价的

姊妹染色单体

(A) (B) 交叉

MBoC7 m17.54/17.53

图 17 54 联会复合体的简化示意图。

每个同源物都围绕一个蛋白质轴核组织，当这些同源物轴通过杆状横丝连接时，联会复合体就形成了。每个同源物的轴核还与将姐妹染色单体结合在一起的黏连蛋白复合体相互作用（见图 9 28）。（改编自 K.

Nasmyth，Annu. Rev. Genet. 35:673 745,

2001.）

MBoC7 e19.10/17.54

100 nm

横向

?丝

联会

复合体

轴核

黏连蛋白

重复的

母系同源物的姐妹染色单体

重复的

父系同源物的姐妹染色单体

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1073 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1073 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1074 第 17 章：细胞周期

在联会复合体组装之前，最后的步骤发生在 DNA 被保持在复合体中时。

同源物配对期间发生的形态变化是将减数分裂前期分为五个连续阶段的基础：细线期、偶线期、粗线期、双线期和终变期（图 17 55）。前期从细线期开始，此时同源物凝聚并配对，基因重组开始。

在偶线期，联会复合体开始在同源物紧密相关且发生重组事件的位点组装。在粗线期，组装过程完成，同源物沿其整个长度联会（见图 9 28）。粗线期可以持续数天或更长时间，直到双线期联会开始脱联，联会复合体解体，染色体随之凝聚和缩短。只有在这个阶段，在复合体解体后，非姊妹染色单体之间的单个交叉事件才可以看作是同源体间连接，称为交叉（单数，交叉），现在它在将紧凑的同源体结合在一起方面发挥着至关重要的作用（图 17 56）。同源体现在已准备好开始分离过程。

父系

姐妹

染色单体

染色单体 1

染色单体 2

染色单体 3

染色单体 4

(A)

(C) (D)

母系

姐妹

染色单体

组装

联会

复合体

拆卸

联会

复合体

0.1 m

5 m

间期

细线期粗线期

合线期双线期

随后发生终变期 (B)

MBoC7 m17.56/17.55

图 17 56 具有三个交叉点的二价体，由三个交叉事件产生。 (A) 蚱蜢二价体的光学显微照片。 (B) 图 A 中显示的三个交叉的示意图。每个姐妹染色单体都有编号。请注意，在联会复合体解体后，交叉和姐妹染色单体臂的紧密连接（由黏连蛋白复合物介导）如何将两个同源物保持在一起；如果交叉或姐妹染色单体黏连未能形成，同源物将在此阶段分开，无法在减数分裂 I 中正确分离。（A，由 Bernard John 提供。）

图 17 55 前期 I 不同阶段的同源联会和脱联会。（A）图中显示单个二价体。在细线期，两个姐妹染色单体合并，它们的染色单体环从共同的轴芯延伸出来。联会复合体的组装始于早期合线期，并在粗线期完成。该复合体在双线期解体。（B）百合花中粗线期减数分裂细胞的联会复合体的电子显微照片。（C 和 D）真菌 Sordaria 的前期 I 细胞的免疫荧光显微照片。 C 显示的是在合线期部分联会的二价体，D 显示的是在合线期完全联会的二价体。C 中的红色箭头指向联会仍未完成的区域。（B，由 Brian Wells 提供；C 和 D，来自 A. Storlazzi 等人，Genes Dev. 17:2675 2687,

2003。经 Cold Spring Harbor Laboratory Press 许可。）

（B）

1

2

3

4

（A）

MBoC7 e19.11/17.56

5 m

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1074 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1074 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1074 第 17 章：细胞周期 1075 减数分裂

同源物分离取决于减数分裂 I 的几个独特特征

减数分裂 I 与有丝分裂（和减数分裂 II）之间的根本区别在于，

在减数分裂 I 中，同源物而不是姐妹染色单体分离然后分离

（见图 17 52）。这种差异取决于减数分裂 I 的三个特征，

这些特征将其与有丝分裂区分开来（图 17 57）。

首先，同源物中的两个姐妹动粒必须稳定地附着在同一纺锤体极上。这种类型的附着通常在有丝分裂期间避免（见图 17 35）。然而，在减数分裂 I 中，两个姐妹动粒融合成一个

单个微管结合单元，该单元仅附着在一个极上（见图 17 57A）。

姐妹着丝粒的融合是通过位于减数分裂 I 中的着丝粒上的蛋白质复合物实现的，但我们并不详细了解这些蛋白质是如何起作用的。它们在减数分裂 I 后从着丝粒中移除，因此在减数分裂 II 中，姐妹染色单体对可以在纺锤体上双向定向，就像它们在有丝分裂中一样。其次，交叉在同源物之间产生强大的物理连接，允许它们在纺锤体的赤道处双向定向，就像姐妹染色单体之间的凝聚力对于它们在有丝分裂（和减数分裂 II）中的双向定向很重要一样。交叉将同源对保持在一起只是因为

图 17 57 减数分裂 I、减数分裂 II 和有丝分裂中染色体行为的比较。染色体在有丝分裂和减数分裂 II 中的行为相似，但在减数分裂 I 中的行为非常不同。（A）在减数分裂 I 中，两个姐妹着丝粒并排位于每个同源物上，并附着在来自同一纺锤体极的微管上。沿着姐妹染色单体臂的黏连蛋白的蛋白水解裂解使臂解开并解决交叉，使重复的同源物在 I 后期分离，而着丝粒处残留的黏连蛋白使姐妹保持在一起。着丝粒黏连蛋白的裂解使姐妹染色单体在 II 后期分离。 (B) 相反，在有丝分裂中，两个姊妹动粒附着在纺锤体不同极的微管上，两个姊妹染色单体在后期开始时分开并分离成单独的子核。

(A) 减数分裂

(B) 有丝分裂

着丝粒

微管

着丝粒

染色单体

着丝粒

+

着丝粒

黏连蛋白

末期 II

末期后期中期

中期 II 后期 I 后期 II 中期 I

着丝粒

微管

染色单体

着丝粒

MBoC7 m17.58/17.57

二倍体子核

单倍体子核

黏连蛋白

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1075 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1075 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1076 第 17 章：细胞周期

姐妹染色单体的臂通过姐妹染色单体内聚力连接（见

图 17 57A）。

第三，在后期 I，黏连蛋白仅从染色体臂中去除，而不是从着丝粒附近的区域去除，着丝粒位于着丝粒处。臂黏连力的丧失会在后期 I 开始时触发同源物分离。该过程依赖于 APC/C 激活，从而导致 securin 破坏、分离酶激活和黏连蛋白沿臂裂解（见

图 17 39）。

在减数分裂 I 中，着丝粒附近的黏连蛋白受到一种名为 shugoshin（来自日语单词“守护神”）的着丝粒相关蛋白的保护，免受分离酶的破坏。Shugoshin 通过招募一种蛋白磷酸酶来发挥作用，这种磷酸酶可从着丝粒黏连蛋白中去除磷酸盐。黏连蛋白磷酸化通常是分离酶裂解黏连蛋白所必需的；因此，去除着丝粒附近的这种磷酸化可防止黏连蛋白裂解。因此，姐妹染色单体对通过减数分裂 I 保持连接，从而允许它们在减数分裂 II 中在纺锤体上正确双向定位。减数分裂 I 后，Shugoshin 失活。在后期 II 开始时，APC/C 激活会触发着丝粒黏连蛋白裂解和姐妹染色单体分离，就像在有丝分裂中一样。后期 II 后，核膜在染色体周围形成，产生四个单倍体核，之后胞质分裂和其他分化过程导致单倍体配子的产生。

交叉受到严格监管

交叉在减数分裂中具有两种不同的功能：它有助于将同源物保持在一起，以便它们正确地分离到减数分裂 I 产生的两个子核中，并且它有助于最终产生的配子的遗传多样化。因此，正如可以预料的那样，交叉受到严格调控：每条染色体上双链断裂的数量和位置受到控制，断裂转化为交叉的可能性也受到控制。平均而言，这种调控的结果是，每对人类同源物都通过大约两到三个交叉连接在一起（图 17 58）。虽然在减数分裂 I 中发生的双链断裂几乎可以位于染色体的任何地方，但它们的分布并不均匀：它们聚集在 DNA 可接触的热点处，很少发生在冷点，例如着丝粒和端粒周围的异染色质区域。至少有两种调控影响形成的交叉的位置和数量，这两种调控方式都不太清楚。两者都在联会复合体组装之前起作用。确保每个同源物对的成员之间至少形成一次交叉，这是正常同源物所必需的

10 m

MBoC7 m17.59/17.58

图 17 58 人类睾丸中同源物之间的交叉。在这些免疫荧光显微照片中，抗体用于染色联会复合体（红色）、着丝粒（蓝色）和交叉位点（绿色）。请注意，所有二价体至少有一次交叉，没有一个有超过四个。（改编自

A. Lynn 等人，Science 296:2222 2225,

2002。经 AAAS 许可。）

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1076 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1076 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1076 第 17 章：细胞周期 1077 细胞分裂和细胞生长的控制

减数分裂 I 中的分离。在另一种称为交叉干扰的交叉事件中，一个交叉事件的存在会抑制另一个交叉事件在附近形成，可能是通过局部消耗将双链 DNA 断裂转化为稳定交叉所需的蛋白质来实现的。

减数分裂经常出错

减数分裂期间发生的染色体分类是细胞内记账的一项了不起的壮举。在人类中，每次减数分裂都需要起始细胞跟踪 92 条染色单体（46 条染色体，每条染色体都有重复），将每种类型的常染色体的完整组合分配给四个单倍体后代。毫不奇怪，在这个复杂的过程中，染色体的分配可能会出现错误。错误在人类女性减数分裂中尤其常见，在双线期后数年才会停止：减数分裂 I 仅在排卵时完成，减数分裂 II 仅在卵子受精后完成。事实上，卵子发育过程中的这种染色体分离错误是人类自然流产（流产）和智力残疾的最常见原因。当同源体无法正确分离时（一种称为不分离的现象），结果是一些产生的单倍体配子缺少特定的染色体，而另一些则有多个染色体拷贝。受精后，这些配子形成异常胚胎，其中大多数会死亡。然而，有些会存活下来。例如，人类的唐氏综合症是智力残疾的主要原因，它是由 21 号染色体的额外拷贝引起的，通常是由于女性卵巢在减数分裂 I 期间不分离造成的。减数分裂 I 期间的分离错误会随着母亲年龄的增长而大大增加。

摘要

单倍体配子由减数分裂产生，其中二倍体细胞核在一轮 DNA 复制后经历两次连续的细胞分裂。减数分裂以延长的前期为主。在前期开始时，染色体已复制并由两个紧密连接的姐妹染色单体组成。同源染色体随后配对，并在前期进行时逐渐变得更加紧密地并列。紧密排列的同源体发生基因重组，形成交叉，有助于在中期 I 将每对同源体保持在一起。减数分裂特异性的着丝粒相关蛋白有助于确保同源体中的两个姐妹染色单体附着在同一纺锤体极上；其他着丝粒相关蛋白确保同源体在减数分裂 I 期间，同源染色体在着丝粒处保持连接，因此在减数分裂 I 中分离的是同源染色体而不是姐妹染色单体。减数分裂 I 之后，减数分裂 II 迅速发生，没有 DNA 复制，其过程类似于有丝分裂，因为姐妹染色单体在减数分裂后期被拉开。

细胞分裂和细胞生长的控制

小鼠受精卵和人类受精卵大小相似，但它们产生的动物大小却大不相同。人类和小鼠细胞行为控制中的哪些因素导致了这些尺寸差异？对于动物体内的每个器官和组织，都可以提出相同的基本问题。哪些因素决定了大象鼻子的长度或其大脑或肝脏的大小？这些问题大部分尚未得到解答，但仍然可以说出答案的要素。器官或生物体的大小取决于其总细胞质量，而总细胞质量又取决于细胞总数和细胞大小。反过来，细胞数量又取决于细胞分裂和细胞死亡率。因此，器官和身体的大小由三个基本过程决定：细胞生长、细胞分裂和细胞存活。每个过程都受到细胞内程序和控制这些程序的细胞外信号分子的严格调控。 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1077 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1077 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1078 第 17 章：细胞周期

调节细胞生长、分裂和存活的细胞外信号分子通常是可溶性分泌蛋白、与细胞表面结合的蛋白质或细胞外基质的成分。它们在操作上可以分为三大类：

1. 有丝分裂原，主要通过触发一波 G1/S-Cdk 活性来刺激细胞分裂，从而缓解细胞内的负控制，否则会阻碍细胞周期的进展。

2. 生长因子，通过促进蛋白质和其他大分子的合成并抑制其降解来刺激细胞生长（增加细胞质量）。

3. 生存因子，通过抑制程序性细胞死亡（称为细胞凋亡）来促进细胞存活。

许多细胞外信号分子促进所有这些过程，而其他细胞外信号分子则促进其中一两个过程。事实上，生长因子这个术语经常被不恰当地用来描述具有这些活性的因子。更糟糕的是，细胞生长这个术语通常被用来表示细胞数量的增加或细胞增殖。

除了这三类刺激信号外，还有抑制细胞增殖、细胞生长或两者的细胞外信号分子。还有激活细胞凋亡的细胞外信号分子。

在本节中，我们主要关注有丝分裂原和其他因素（如 DNA 损伤）如何控制细胞分裂的速度。然后，我们转向一个重要但不太清楚的问题，即增殖细胞如何协调其生长与细胞分裂以保持其适当的大小。我们在第 18 章中讨论了细胞凋亡对细胞存活和细胞死亡的控制。

有丝分裂原刺激细胞分裂

单细胞生物倾向于尽可能快地生长和分裂，其增殖速度在很大程度上取决于环境中营养物质的可用性。

然而，多细胞生物的细胞仅在生物体需要更多细胞时才会分裂。因此，动物细胞要增殖，必须从其他细胞（通常是其邻居）接收刺激性细胞外信号（有丝分裂原的形式）。有丝分裂原克服了阻碍细胞周期进展的细胞内制动机制。

已知有 50 多种动物蛋白质可充当有丝分裂原。这些蛋白质中的大多数具有广泛的特异性。例如，血小板衍生的生长因子 (PDGF) 可以刺激多种类型的细胞分裂，包括成纤维细胞、平滑肌细胞和神经胶质细胞。同样，表皮生长因子 (EGF) 不仅作用于表皮细胞，还作用于许多其他类型的细胞，包括上皮细胞和非上皮细胞。然而，一些有丝分裂原具有狭窄的特异性：例如，促红细胞生成素仅诱导红细胞前体的增殖。许多有丝分裂原，包括 PDGF，除了刺激细胞分裂外还具有其他作用：它们可以刺激细胞生长、存活、分化或迁移，具体取决于环境和细胞类型。在某些组织中，抑制性细胞外信号蛋白会对抗正向调节剂，从而抑制器官生长。最容易理解的抑制信号蛋白是转化生长因子 (TGF) 及其相关蛋白。TGF 抑制几种细胞类型的增殖，主要通过阻断 G1 期细胞周期进程来实现。

C细胞可以进入一种特殊的非分裂状态

在没有促有丝分裂信号来增殖的情况下，G 1 期 Cdk 抑制由前面讨论的多种机制维持，并阻止进入新的细胞周期。在某些情况下，细胞会部分分解其细胞周期控制系统，并从周期中退出，进入一种称为 G0 的特殊非分裂状态。

我们体内的大多数细胞都处于 G0 期，但这种状态的分子基础和可逆性在不同的细胞类型中有所不同。我们大多数的神经元和骨骼肌

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1078 第 17 章：细胞周期 1079 细胞分裂和细胞生长的控制

例如，细胞处于终末分化的 G 0 状态，其中它们的细胞周期控制系统被完全拆除：编码各种 Cdks 和细胞周期蛋白的基因的表达被永久关闭，并且细胞分裂很少发生。一些细胞类型仅暂时退出细胞周期，并保留快速重组细胞周期控制系统并重新进入周期的能力。例如，大多数肝细胞处于 G0 期，但如果肝脏受损，它们可以受到刺激而分裂。其他类型的细胞，包括成纤维细胞和一些淋巴细胞，在其一生中反复退出和重新进入细胞周期。

成人体内几乎所有的细胞周期长度变化都发生在细胞处于 G1 或 G0 期的时间内。相比之下，细胞从 S 期开始到有丝分裂所需的时间通常很短（哺乳动物通常为 12 至 24 小时）且相对恒定，无论一次分裂到下一次分裂的间隔如何。

有丝分裂原刺激 G1-Cdk 和 G1/S-Cdk 活性

对于绝大多数动物细胞，有丝分裂原通过在细胞周期的 G1 期起作用来控制细胞分裂的速度。如前所述，多种机制在 G1 期起作用以抑制 Cdk 活性。有丝分裂原释放了 Cdk 活性的这些制动器，从而允许进入新的细胞周期。

正如我们在第 15 章中讨论的那样，有丝分裂原与细胞表面受体相互作用，触发多个细胞内信号通路。一条主要通路通过单体 GTPase Ras 起作用，从而激活有丝分裂原活化蛋白激酶 (MAP 激酶) 级联（见图 15 50）。这导致转录调节蛋白（包括 Myc）的产生增加。

Myc 被认为通过几种机制促进细胞周期进入，其中一种机制是增加编码 G 1-细胞周期蛋白 (D 细胞周期蛋白) 的基因表达，从而增加 G1-Cdk (细胞周期蛋白 D Cdk4) 活性。Myc 在刺激增加细胞生长的基因转录方面也发挥着重要作用。

G 1-Cdk 复合物在动物细胞中的关键功能是激活一组称为 E2F 蛋白的基因调控因子，这些因子与多种基因启动子中的特定 DNA 序列结合，这些基因编码 S 期进入所需的蛋白质，包括 G 1/S-细胞周期蛋白、S-细胞周期蛋白以及参与 DNA 合成和染色体复制的蛋白质。在没有有丝分裂原刺激的情况下，E2F 依赖性基因表达受到 E2F 与视网膜母细胞瘤蛋白 (Rb) 家族成员之间相互作用的抑制。当细胞受到有丝分裂原刺激而分裂时，活性 G 1-Cdk 会积聚并磷酸化 Rb 家族成员，从而降低它们与 E2F 的结合。然后，释放的 E2F 蛋白激活其靶基因的表达（图 17 59）。这种转录控制系统与调节细胞周期的许多其他控制系统一样，包括反馈回路，以确保进入细胞周期是完整且不可逆的。例如，释放的 E2F 蛋白会增加其自身基因的转录。此外，E2F 依赖的 G1/S-细胞周期蛋白（细胞周期蛋白 E）和 S-细胞周期蛋白（细胞周期蛋白 A）基因转录会导致 G1/S-Cdk 和 S-Cdk 活性增加，进而增加 Rb 蛋白磷酸化并促进进一步释放 E2F（见图 17 59）。Rb 家族的核心成员 Rb 蛋白本身最初是通过对一种儿童遗传性眼癌（称为视网膜母细胞瘤）的研究而发现的（第 20 章讨论）。 Rb 基因的两个拷贝的丢失导致发育中的视网膜中某些细胞过度增殖，这表明 Rb 蛋白对于抑制该组织的细胞分裂尤为重要。Rb 的完全丢失不会立即导致视网膜或其他类型细胞的增殖增加，部分原因是 Cdh1 和 CKI 也有助于抑制 G 1 期的进展，部分原因是其他细胞类型含有 Rb 相关蛋白，可在 Rb 缺失时提供后备支持。其他与 Rb 无关的蛋白质也可能有助于调节 E2F 的活性。

额外的控制层促进 S-Cdk 活性在 S 期开始时大幅增加。我们之前提到过，APC/C

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1080 第 17 章：细胞周期

激活剂 Cdh1 抑制有丝分裂后的细胞周期蛋白水平。然而，在动物细胞中，

G1- 和 G 1/S-细胞周期蛋白对 APC/C Cdh1 具有抗性，因此可以不受 APC/C 的阻碍地促进 Rb 蛋白磷酸化和 E2F 依赖性基因表达。相比之下，S-细胞周期蛋白不具有抗性，其水平最初受到 APC/C Cdh1 活性的限制。然而，G1/S-Cdk 也会磷酸化和灭活 APC/C Cdh1，从而允许 S-细胞周期蛋白积累，进一步促进 S-Cdk 活化。G 1/S-Cdk 还会灭活抑制 S-Cdk 活性的 CKI 蛋白。所有这些相互作用的总体效果是快速完全激活 S 期启动所需的 S-Cdk 复合物。

DNA 损伤阻断细胞分裂

细胞周期的进展以及细胞增殖的速度不仅受细胞外有丝分裂原控制，还受其他细胞外和细胞内信号控制。其中最重要的影响因素之一是DNA损伤，

活性Rb

蛋白

失活

E2F蛋白

活性

G1-Cdk

S期基因

转录

G1/S-细胞周期蛋白

（细胞周期蛋白E）

S-细胞周期蛋白

（细胞周期蛋白A）

活性

S-Cdk

DNA

合成

正反馈

G1 S

失活Rb

蛋白

MBoC7 m17.61/17.59

活性E2F

蛋白

活性

G 1/S-Cdk

Ras

丝裂原受体

丝裂原

MAP激酶

转录激活调节蛋白

胞浆

细胞核

立即早期

基因表达

Myc

转录

调节

蛋白延迟反应基因表达

P

P P

图 17 59 丝裂原刺激细胞周期进入。如第 15 章所述，丝裂原与细胞表面受体结合以启动细胞内信号通路。其中一条主要通路涉及小 GTPase Ras 的激活，从而激活 MAP 激酶级联，导致许多直接早期基因的表达增加，包括编码转录调节蛋白 Myc 的基因。Myc 增加许多延迟反应基因的表达，包括一些导致 G1-Cdk 活性增加（细胞周期蛋白 D Cdk4）的基因，从而触发 Rb 蛋白家族成员的磷酸化。

这会使 Rb 蛋白失活，释放基因调节蛋白 E2F 来激活 G1/S 基因的转录，包括 G1/S-细胞周期蛋白（细胞周期蛋白 E）和 S-细胞周期蛋白（细胞周期蛋白 A）的基因。由此产生的 G1/S-Cdk 和 S-Cdk 活性进一步增强 Rb 蛋白磷酸化，形成正反馈回路。E2F 蛋白还会刺激自身基因的转录，形成另一个正反馈回路。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1080 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1080 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1080 第 17 章：细胞周期 1081 细胞分裂和细胞生长的控制

这可能是由于 DNA 中的自发化学反应、DNA 复制中的错误或暴露于辐射或某些化学物质（第 5 章中讨论）而发生的。在尝试复制或分离受损染色体之前，必须先修复受损的染色体。细胞周期控制系统可以很容易地检测到 DNA 损伤，并在两个转换点之一阻止细胞周期：一个是在启动阶段，阻止细胞进入细胞周期和 S 期；另一个是在 G2/M 转换阶段，阻止细胞进入有丝分裂（见图 17 20）。DNA 损伤通过激活一对相关蛋白激酶 ATM 和 ATR 中的一种来启动信号通路，这两种蛋白激酶与损伤部位相关，并磷酸化各种靶蛋白，包括另外两种蛋白激酶 Chk1 和 Chk2。这些不同的激酶磷酸化其他靶蛋白，导致细胞周期停滞。一个主要靶点是基因调节蛋白 p53，它刺激编码 p21（一种 CKI 蛋白）的基因的转录； p21 与

G1/S-Cdk 和 S-Cdk 复合物结合并抑制其活性，从而有助于

阻止进入细胞周期（图 17 60 和电影 17.8）。

DNA 损伤通过间接机制激活 p53。在未受损的细胞中，

p53 非常不稳定，浓度非常低。这主要是因为它与另一种蛋白质 Mdm2 相互作用，后者充当泛素连接酶

，以 p53 为目标，由蛋白酶体破坏。 p53 磷酸化后

P

稳定、

活性 p53

p21 基因

p21 mRNA

p21（Cdk

抑制蛋白）

转录

翻译

活性

G1/S-Cdk

和 S-Cdk

非活性

G1/S-Cdk 和 S-Cdk

与 p21 复合

活性 p53 结合到

p21 基因的

调节区

p53 的磷酸化

p53 泛素化

和降解在蛋白酶体中

p53

Mdm2

DNA

x 射线

MBoC7 m17.62/17.60

Chk1/Chk2 激酶激活

A TM/A TR 激酶激活

DNA 损伤

P

图 17 60 DNA 损伤如何使细胞周期在 G1 中停滞。当 DNA 受损时，各种蛋白激酶被募集到损伤部位并启动导致细胞周期停滞的信号通路。损伤部位的第一个激酶是 ATM 或 ATR，具体取决于损伤类型。然后，其他蛋白激酶（称为 Chk1 和 Chk2）被募集和激活，导致转录调节蛋白 p53 的磷酸化。 Mdm2 通常与 p53 结合并促进其在蛋白酶体中的泛素化和破坏。p53 的磷酸化会阻止其与 Mdm2 的结合；因此，p53 会积累到高水平并刺激许多基因的转录，包括编码 CKI 蛋白 p21 的基因。p21 结合并灭活 G1/S-Cdk 和 S-Cdk 复合物，使细胞停滞在 G1 期。在某些情况下，DNA 损伤也会诱导 Mdm2 的磷酸化或 Mdm2 生成减少，从而导致 p53 进一步增加（未显示）。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1081 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1081 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1082 第 17 章：细胞周期

DNA 损伤会降低其与 Mdm2 的结合。这会降低 p53 降解，

从而导致细胞中 p53 浓度显着增加。此外，

与 Mdm2 的结合减少会增强 p53 刺激基因转录的能力（见图 17 60）。

蛋白激酶 Chk1 和 Chk2 还通过磷酸化 Cdc25 蛋白磷酸酶家族成员来阻止细胞周期进程，从而抑制其功能。如前所述，这些磷酸酶在有丝分裂开始时激活 M-Cdk 时特别重要（见图 17 16）。

Chk1 和 Chk2 在抑制位点磷酸化 Cdc25，这些位点不同于刺激 Cdc25 活性的磷酸化位点。DNA 损伤对 Cdc25 活性的抑制有助于阻止进入有丝分裂（见图 17 20）。

DNA 损伤反应也可由复制叉在 DNA 复制过程中出现的问题激活。例如，当核苷酸耗尽时，复制叉会在 DNA 合成的延长阶段停滞。为了防止细胞试图分离部分复制的染色体，响应 DNA 损伤的相同机制会检测停滞的复制叉并阻止进入有丝分裂，直到问题得到解决。

任何细胞的正常生命过程中都会发生低水平的 DNA 损伤，如果 DNA 损伤反应不起作用，这种损伤就会在细胞的后代中积累。从长远来看，缺乏 DNA 损伤反应的细胞中遗传损伤的积累会导致促癌突变的频率增加。事实上，至少一半的人类癌症都发生了 p53 基因突变（第 20 章讨论）。p53 功能的丧失使癌细胞更容易积累突变。同样，一种称为毛细血管扩张性共济失调的罕见遗传病是由 ATM 缺陷引起的，ATM 是一种蛋白激酶，在 X 射线引起的 DNA 损伤反应中被激活；患有这种疾病的人对 X 射线非常敏感，患癌症的几率也更高。如果 DNA 损伤严重到无法修复，会发生什么？答案在不同的生物体中有所不同。单细胞生物（如芽殖酵母）会停止其细胞周期以尝试修复损伤，但即使修复无法完成，细胞周期也会恢复。对于单细胞生物来说，有突变的生命显然比没有生命要好。然而，在多细胞生物中，生物体的健康优先于单个细胞的生命。

分裂时DNA损伤严重的细胞会威胁生物体的生命，因为基因损伤通常会导致癌症和其他疾病。因此，DNA损伤严重的动物细胞不会试图继续分裂，而是通过凋亡自杀。因此，除非DNA损伤得到修复，否则DNA损伤反应可能导致细胞周期停滞或细胞死亡。DNA损伤诱导的细胞凋亡通常取决于p53的激活。

许多人类细胞在分裂次数上有内在限制许多人类细胞分裂的次数有限，然后停止分裂并经历永久性的细胞周期停滞。例如，从正常人体组织中提取的成纤维细胞在标准有丝分裂培养基中培养时仅经历约 25 至 50 次群体倍增。在这段时间结束时，增殖会减慢并最终停止，细胞进入非分裂状态，并且永远不会恢复。这种现象称为复制性细胞衰老。

复制人类成纤维细胞中的细胞衰老似乎是由端粒结构的变化引起的，端粒是染色体末端的重复 DNA 序列和相关蛋白质。如第 5 章所述，当细胞分裂时，端粒 DNA 序列不会以与基因组其余部分相同的方式复制，而是由端粒酶合成。端粒酶还促进保护染色体末端的蛋白质帽结构的形成。由于人类成纤维细胞和许多其他人类体细胞不产生端粒酶，因此它们的端粒会随着每次细胞分裂而变短，并且它们的保护性蛋白质帽会逐渐恶化。最终，

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1082 第 17 章：细胞周期 1083 细胞分裂和细胞生长的控制

暴露的染色体末端被视为 DNA 损伤，从而激活

p53 依赖性细胞周期停滞（见图 17 60）。相比之下，啮齿动物细胞在培养中增殖时保持端粒酶活性，因此没有这种限制增殖的端粒依赖性机制。利用基因工程技术在正常人类成纤维细胞中强制表达端粒酶，可以阻止这种形式的衰老。不幸的是，大多数癌细胞已经恢复了产生端粒酶的能力，因此在增殖时保持了端粒功能；因此，它们不会经历复制性细胞衰老。

细胞增殖伴随着细胞生长

如果细胞增殖而不生长，它们会逐渐变小，总细胞质量不会净增加。因此，在大多数增殖细胞群中，细胞生长伴随着细胞分裂。在酵母等单细胞生物中，细胞生长和细胞分裂都只需要营养物质。相比之下，在动物中，细胞生长和细胞增殖都依赖于其他细胞产生的细胞外信号分子，我们分别称之为生长因子和有丝分裂原。

与有丝分裂原一样，刺激动物细胞生长的细胞外生长因子与细胞表面的受体结合并激活细胞内信号通路。这些通路刺激蛋白质和其他大分子的积累，它们通过增加其合成率和降低其降解率来实现这一点。它们还会触发营养物质的吸收增加和 ATP 的产生，以促进蛋白质合成的增加。生长因子受体激活的最重要的细胞内信号通路之一涉及酶磷酸肌醇 3-激酶 (PI 3-激酶)，它将 ATP 中的磷酸盐添加到质膜中肌醇磷脂的 3' 位置（第 15 章讨论）。 PI 3-激酶的激活会导致一种名为 mTORC1 的蛋白激酶的激活，该蛋白激酶是所有真核生物细胞生长调节途径的核心（见图 15 55）。mTORC1 激活细胞中的许多靶标，刺激代谢过程，包括蛋白质和脂质合成，或减少蛋白质周转（图 17 61）。

mTORC1

Ulk1 Lipin S6 激酶 1 4EBP

eIF4E eIF4B SREBP

生长因子氨基酸

MBoC7 m17.64/17.61

激活的生长因子受体

蛋白质合成

脂质合成

蛋白质周转

PP

图 17 61 细胞外生长因子和营养素刺激细胞生长。生长因子占据细胞表面受体导致激活复杂的信号通路，从而激活多亚基蛋白激酶 mTORC1（见图 15 55）。胞浆氨基酸也有助于激活 mTORC1。mTORC1 磷酸化多种蛋白质，包括 4EBP 和蛋白激酶 S6 激酶 1 (S6K1)，以刺激翻译起始因子 eIF4E 和 eIF4B 的活性，从而刺激蛋白质合成。mTORC1 还通过 S6K1 以及另一种称为 Lipin 的蛋白质起作用，以激活一种称为 SREBP 的转录调节因子，从而增加参与脂质合成的基因的表达。最后，mTORC1 磷酸化另一种蛋白激酶 Ulk1，降低其促进蛋白质周转的能力。

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1084 第 17 章：细胞周期

增殖细胞通常协调其生长和分裂

为了使增殖细胞保持恒定的大小，它们必须协调其生长与细胞分裂，以确保细胞大小在每次分裂时翻倍：如果细胞生长太慢，它们会随着每次分裂而变小，如果细胞生长太快，它们会随着每次分裂而变大。目前尚不清楚细胞如何实现这种协调，但很可能涉及多种机制在不同的生物体中，甚至在同一生物体的不同细胞类型中也各不相同（图 17 62）。然而，动物细胞的生长和分裂并不总是协调的。在许多情况下，它们完全脱钩，允许生长而不分裂或分裂而不生长。例如，肌肉细胞和神经细胞在永久退出细胞周期后可以急剧生长。同样，许多动物的卵子在没有分裂的情况下长到非常大的尺寸；然而，受精后，这种关系被逆转，并且会发生多轮分裂而不会生长。与细胞分裂相比，关于动物细胞大小如何控制的研究令人惊讶地少。因此，细胞大小如何确定以及为什么同一动物的不同细胞类型会长成如此不同的大小仍然是一个谜。哺乳动物中最为人熟知的案例之一是成年交感神经元，它已永久退出细胞周期。它的大小取决于它所支配的靶细胞分泌的神经生长因子 (NGF) 的数量；神经元能够获得的 NGF 数量越多，它就越大。细胞表达的基因似乎限制了它的大小，而细胞外信号分子和营养物质则在这些限制内调节大小。挑战在于确定每种细胞类型的相关基因和信号分子。

摘要

在多细胞动物中，细胞大小、细胞分裂和细胞存活受到严格控制，以确保生物体及其器官达到并保持适当的大小。有丝分裂原通过去除抑制细胞周期进程的细胞内分子制动器来刺激细胞分裂率。生长因子

细胞外因子

细胞生长

细胞分裂

细胞外因子

细胞分裂

生长因子

细胞生长细胞生长

有丝分裂原

细胞分裂

(A) (B) (C)

MBoC7 m17.65/17.62

图 17 62 协调细胞生长和分裂的潜在机制。在增殖细胞中，细胞大小由协调细胞分裂和细胞生长速率的机制维持。

人们认为存在多种替代耦合机制，不同细胞类型似乎采用这些机制的不同组合。 (A) 在许多细胞类型中，特别是酵母，细胞分裂的速度受细胞生长速度控制，因此只有当生长速度达到某个最低阈值时才会发生分裂；在酵母中，主要是细胞外营养物质的水平调节细胞生长速度，从而调节细胞分裂速度。 (B) 在某些动物细胞类型中，生长和分裂可分别由单独的细胞外因子（分别为生长因子和有丝分裂原）控制，细胞大小取决于这两种因子的相对水平。 (C) 一些细胞外因子可以通过同时激活促进生长的信号通路和促进细胞周期进程的其他通路来刺激细胞生长和细胞分裂。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1084 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1084 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1084 第 17 章：细胞周期 1085 问题

问题

哪些陈述是正确的？解释为什么或为什么不正确。

17 1 由于成年人体内大约有 10 13 个细胞，

并且每天大约有 10 10 个细胞死亡和被替换，因此我们

每 3 年就会变成新人。

17 2 所有三个主要的细胞周期转变 Start、

G2/M 和中期到后期都依赖于

Cdks 的活性。

17 3 只有在装载了 Mcm 复合物的复制起点处才允许启动 DNA 合成。

17 4 染色体在中期板上受到大小相等、方向相反的力的作用，这些力将它们拉向纺锤体的两极。

17 5 减数分裂将父系同源物分离成精子，将母系同源物分离成卵子。

17 6 如果我们能够激活所有细胞中的端粒酶活性，我们就可以预防衰老。

讨论以下问题。

17 7 一些来自人类细胞的细胞周期基因在酵母细胞中表达时功能良好。你为什么认为这是了不起的？毕竟，许多编码代谢反应酶的人类基因也在酵母中发挥作用，没有人认为这是了不起的。

17 8 Hoechst 33342 是一种膜渗透性染料，当它与 DNA 结合时会发出荧光。当将一群细胞与 Hoechst 染料短暂孵育，然后在流式细胞仪中进行分类时，流式细胞仪会测量每个细胞的荧光，细胞会显示不同程度的荧光，如图 Q17 1 所示。

A. 图 Q17 1 中的哪些细胞处于细胞周期的 G 1、S、G 2 和 M 期？解释您答案的基础。

B. 绘制您期望的细胞分类分布，这些细胞经过处理抑制剂阻断细胞周期在 G1、S 或 M 期。解释你的理由。

17 9 果蝇使用的双组分 Fucci（基于荧光泛素化的细胞周期指示剂）在细胞周期的不同时间点产生不同颜色的细胞，如图 Q17 2 所示。如果这个结果是通过用 GFP（绿色）标记蛋白质 A 和用 RFP（红色）标记蛋白质 B 获得的，那么这些蛋白质在细胞周期的什么时候表达？

A. 蛋白质 A 在 G 1、S 和 G 2 期；蛋白质 B 在 G 1、S 和 G 2 期

B. 蛋白质 A 在 G2、M 和 G1 期；蛋白质 B 在 S、G2 和早期 M 期

C. 蛋白质 A 在晚期 M 和 G1 期；蛋白质 B 在 S 期

D. 蛋白质 A 在晚期 M、G1 和 S 期； G2 和早期 M 中的蛋白 B

17 10 细胞周期控制系统在中期到后期的转变中会刺激什么特定事件？

17 11 下列哪种蛋白激酶和蛋白磷酸酶活性组合会使磷酸化时最活跃的靶蛋白产生最高活性？

A. 激酶关闭；磷酸酶关闭

B. 激酶关闭；磷酸酶开启

C. 激酶开启；磷酸酶关闭

D. 激酶开启；磷酸酶开启

图 Q17 2 果蝇中的双组分 Fucci 系统（问题 17 9）。

（来自 N. Zielke 和 B.A.

Edgar 的图 5a，Wiley Interdiscip. Rev. Dev. Biol.

4:469 487, 2015。经 Wiley 许可。）

Fly-Fucci

S

G 1 G 2

M

MBoC7 nQ17.100/Q17.02

图 Q17 1 在流式细胞仪中分类的细胞群中对 Hoechst

33342 荧光的分析

（问题 17 8）。

MBoC7 Q17.01

细胞数

每个细胞的相对荧光

0 12

通过刺激合成和抑制大分子降解来促进细胞生长（增加细胞质量）。为了保持恒定的细胞大小，增殖细胞使用多种机制来确保细胞生长与细胞分裂协调。

MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1085 MBOC7_ptr_ch17_1027-1088.indd 1085 02/12/21 2:14 PM 02/12/21 2:14 PM

1086 第 17 章：细胞周期

直接影响染色体中交叉的分布。

对于图 Q17 4 中所示的 13 个完整二价体，

有多少个染色体臂上有多个交叉？

17 17 唐氏综合征（21 三体）和爱德华氏综合征（18 三体）是人类婴儿中最常见的常染色体

三体。这个事实是否意味着这些染色体在减数分裂过程中最难正确分离？

17 18 人类基因组由 23 对染色体组成（22 对常染色体和 1 对性染色体）。在减数分裂过程中，母系和父系同源物配对，然后分离成配子，因此每个配子包含 23 条染色体。如果假设配对同源物中的染色体随机分配到子细胞，那么在减数分裂过程中可以产生多少种父系和母系同源物的潜在组合？（为了进行此计算，假设没有发生重组。）

17 19 高剂量的咖啡因会干扰哺乳动物细胞中的 DNA 损伤反应。那么，你认为为什么卫生局局长还没有向大量饮用咖啡和可乐的人发出适当的警告？一杯典型的咖啡（150 毫升）含有 100 毫克咖啡因（196 克/摩尔）。假设咖啡因不会被代谢或排泄（但所有液体都会被代谢或排泄），你大约需要喝多少杯咖啡才能达到干扰 DNA 损伤反应所需的剂量（10 mM）？（一个典型的成年人体内大约有 40 升水。）

17 12 酵母黏连蛋白亚基 Scc1 对姐妹染色单体黏连至关重要，可以在细胞周期的任何时间点人工调节其表达。如果在 S 期开始时开启表达，所有细胞都会令人满意地分裂并存活。相反，如果 Scc1 表达

仅在 S 期完成后才开启，细胞将无法分裂并死亡，即使 Scc1 在细胞核中积累并与染色体有效相互作用。

你为什么认为黏连蛋白必须存在于

S 期才能使细胞正常分裂？

17 13 图 Q17 3 显示了蝾螈肺上皮的活细胞处于 M 期的不同阶段。

将这些光学显微照片按正确顺序排列

并确定每个照片代表的 M 期阶段。

17 14 在有丝分裂时，人类细胞中有多少个动粒？

17 15 如果用能破坏微管稳定性的诺考达唑处理刚进入有丝分裂期的细胞，核膜会破裂，染色体会凝聚，但纺锤体不会形成，细胞周期会在有丝分裂期停滞。相反，如果用能破坏活性的细胞松弛素 D 处理这种细胞，n 丝状体，有丝分裂正常进行，但会产生进入 G 1 期的双核细胞。

解释这些使用细胞骨架抑制剂治疗的不同结果的基础。

这些结果告诉您有关 M 期细胞周期检查点的什么信息？

17 16 在减数分裂期间重组研究的早期，遗传学家得出结论，每个染色体臂大约有一个交叉。使用荧光标记将联会复合体染成红色，将着丝粒染成蓝色，将交叉染成绿色，现在可以观察到

MBoC7 Q17.02

(A) (B) (C)

(D) (E) (F)

图 Q17 3 M 期不同阶段的单个细胞的光学显微照片（问题 17 13）。（Conly L. Rieder 提供。）

10 m

MBoC7 nQ17.101/Q17.04

图 Q17 4 人类细胞中同源物之间的交叉

（问题 17 16）。（根据 A. Lynn 等人，Science 296:2222

2225, 2002 修改。经 AAAS 许可。）

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1088 第 17 章：细胞周期

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1089

多细胞生物的发育和维持不仅取决于细胞生长和细胞分裂，还取决于细胞死亡。例如，在动物发育过程中，精心安排的细胞生长、分裂和死亡模式有助于确定肢体和器官的大小和形状。成年动物组织大小的维持通常需要细胞以与产生相同的速度死亡，这一过程称为细胞周转。这种正常的细胞死亡也发生在植物的发育过程中以及花叶的衰老过程中，也可能发生在单细胞生物中，包括酵母和细菌。大多数正常的细胞死亡都是自杀，其中一系列分子事件从内部摧毁了细胞，但分子机制可能大不相同。在本章中，我们将重点介绍一种分子上不同的细胞自杀形式，称为凋亡（来自希腊语，意思是脱落，如树叶从树上掉下来），尽管它只发生在动物细胞中。细胞凋亡被认为发生在所有动物中，而且它是迄今为止我们细胞死亡最常见的方式。它也是研究最深入的细胞死亡形式。凋亡细胞会经历特征性的形态和生物化学变化，部分原因是将自身包装起来，以便被附近的细胞快速吞噬和消化。图 18 1 显示正常大鼠细胞（图 A）和经历两种不同细胞死亡形式的同类型大鼠细胞（图 B D）。在凋亡中，细胞收缩和凝聚，细胞骨架崩溃，核膜解体，核染色质凝聚和碎裂（图 18 1B）。凋亡细胞表面通常形成多个大突起，称为水泡（电影 18.1），如果细胞很大，它会分裂成膜包裹的碎片，称为凋亡小体。重要的是，细胞及其碎片的表面会发生化学改变，因此邻近细胞（通常是脊椎动物中的巨噬细胞）会在细胞和碎片溢出其内容物之前迅速吞噬它们（图 18 1C）。这样，细胞就会干净利落地死亡，细胞及其碎片也会迅速被清除，而不会引起破坏性的炎症反应。由于凋亡细胞被吃掉和消化得如此之快，因此即使在大量细胞因凋亡而死亡的组织中，也通常很少看到死细胞。受损或感染的细胞也会因凋亡而死亡，确保它们在威胁动物健康之前被消灭。然而，严重受损或受压的动物细胞有许多非凋亡方式死亡。这些通常被归类为细胞坏死。一种常见的、主要是被动形式的细胞坏死发生在细胞因急性组织损伤（如创伤或血液供应受阻）而溶解时：细胞肿胀并破裂（图 18 1D），将其内容物溢出到邻近细胞上并引发炎症反应。在其他形式的细胞坏死中，细胞积极参与死亡过程，并根据诱导应激的性质和所涉及的分子机制，赋予它们特殊名称，例如坏死性凋亡或焦亡。

在本章中，我们讨论了脊椎动物中细胞凋亡的主要功能、其分子机制和调控，以及过度或不足的细胞凋亡如何导致人类疾病。

细胞死亡

第 18 章

MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1089 MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1089 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM

1090 第 18 章：细胞死亡

凋亡消除不需要的细胞

许多发育和成年脊椎动物组织中发生的细胞凋亡数量令人震惊：健康成年人中每秒至少有 100 万个细胞以这种方式死亡（并被细胞分裂取代）。这么多细胞死亡似乎非常浪费，尤其是绝大多数细胞在自杀时都是完全健康的。如此大规模的细胞死亡有什么好处？在某些情况下，特别是在动物发育过程中，细胞死亡的作用是显而易见的。细胞凋亡有助于在胚胎发育过程中塑造我们的手和脚：这些附属物最初是铲状结构，各个手指只有在它们之间的细胞死亡时才会分开，如图 18 2 中的小鼠爪子所示。在其他情况下，当细胞形成的结构不再需要时，它们会因细胞凋亡而死亡。例如，当蝌蚪在变态过程中变成青蛙时，尾巴中的细胞会因细胞凋亡而死亡，而青蛙不需要的尾巴会消失。细胞凋亡在发育过程中也起着质量控制过程的作用，消除异常、错位、无功能或对动物有潜在危险的细胞。脊椎动物的适应性免疫系统中就出现了引人注目的例子，细胞凋亡会消灭正在发育的 T 和 B 淋巴细胞，这些细胞要么无法产生可能有用的抗原特异性受体，要么产生使细胞具有潜在危险性的自身反应性受体（第 24 章将对此进行讨论）；它还会消灭大多数因感染而激活并增殖的淋巴细胞，因为它们已经帮助消灭了致病微生物。在既不生长也不萎缩的成人组织中，必须严格控制细胞死亡和细胞分裂以确保它们保持平衡。例如，如果成年大鼠的部分肝脏被切除，肝细胞增殖就会增加以弥补损失。相反，如果给大鼠服用苯巴比妥这种刺激肝细胞生长和分裂（从而导致肝脏增大）的药物，然后停止苯巴比妥治疗，肝脏细胞凋亡会大大增加，直到肝细胞数量恢复正常，通常在一周左右。因此，通过调节细胞死亡率和细胞出生率，肝细胞数量保持恒定。负责控制这种显著的调节在很大程度上是未知的。

动物细胞可以识别其各种细胞器中的损伤，如果损伤足够大，它们可以通过凋亡自杀。一个重要的例子是DNA损伤，它可以产生促进癌症的

图18 1 两种不同的细胞死亡形式。这些电子显微照片显示了不同状态下的大鼠少突胶质细胞前体细胞：（A）培养中的正常细胞；（B）培养中的细胞因缺乏细胞外生存信号而因凋亡而死亡（稍后讨论）；（C）正常发育视神经中的细胞因凋亡而死亡并被邻近的吞噬细胞吞噬；（D）培养中的细胞因坏死而死亡。请注意，B 和 C 中的凋亡细胞具有完整的质膜，但染色质已浓缩、扭曲并集中在细胞核边缘，而 D 中的坏死细胞似乎已爆炸。B 中细胞的细胞质中可见的大空泡是凋亡的一个可变特征。（由 Julia Burne 和 Martin Raff 提供。）

图 18 2 通过凋亡在发育中的小鼠爪中塑造手指。

（A）这只小鼠胎儿的爪子已用染料吖啶橙染色，染料进入凋亡细胞，从而在正常发育的爪子中明亮地标记它们。

凋亡细胞呈现为集中在发育手指之间的亮绿色点。（B）指间细胞死亡已经消除了发育中的指间大部分组织，如一天后所见，此时凋亡细胞非常少。（来自 W. Wood 等人，Development

127:5245 5252, 2000。经生物学家公司许可。）

1 毫米

（B）

（A）

MBoC7 m18.02/18.02

（D）(B) 10 米 (A) 10 米 (C) 吞噬

死细胞

吞噬细胞

MBoC7 m18.01/18.01

MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1090 MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1090 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM

1091

突变如果不是修复。细胞有多种检测 DNA 损伤的方法（见图 17 60），如果无法修复，细胞就会因凋亡而死亡。

细胞凋亡依赖于由胱天蛋白酶介导的细胞内蛋白水解级联反应

一类专门的细胞内蛋白酶家族通过在特定氨基酸序列处裂解大量但特定的细胞内蛋白质来触发细胞凋亡，从而引起细胞凋亡期间发生的剧烈变化。由于这些蛋白酶在其活性位点处具有半胱氨酸，并在特定的天冬氨酸处裂解其靶蛋白，因此它们被称为胱天蛋白酶（c 代表半胱氨酸，asp 代表天冬氨酸）。并非所有的胱天蛋白酶都参与细胞凋亡：事实上，第一个被鉴定的人类胱天蛋白酶，胱天蛋白酶-1，主要通过裂解两种促炎性细胞外信号分子（细胞因子，第 24 章讨论）的前体来帮助刺激炎症反应。参与细胞凋亡的胱天蛋白酶在几乎所有细胞的胞质溶胶中都以无活性的前体（通常称为 procas -

pases）的形式存在，在细胞凋亡期间被激活。这些凋亡胱天蛋白酶主要分为两类：启动胱天蛋白酶和执行胱天蛋白酶。启动胱天蛋白酶，顾名思义，启动凋亡程序。在哺乳动物中，它们主要是胱天蛋白酶-8 和胱天蛋白酶-9。它们以无活性的可溶性单体形式存在，只有当单体二聚化时才会被激活。当凋亡信号触发特定衔接蛋白复合物的组装时，就会发生二聚化，然后该复合物会募集多个相同的启动蛋白酶单体以形成更大的活化复合物，单体在其中二聚化并被活化。活化的蛋白酶二聚体中的每个单体随后在特定位点切割其伴侣，形成成熟的、活化的启动蛋白酶二聚体（图 18 3）。启动蛋白酶的主要功能是激活执行蛋白酶，从而协调凋亡程序。脊椎动物中有三种执行蛋白酶：caspase-3、caspase-6 和 caspase-7。与启动蛋白酶不同，执行蛋白酶通常以无活性的可溶性二聚体形式存在，通过裂解激活，几乎总是由启动蛋白酶介导（图 18 4）。每个启动蛋白酶可以激活一个或多个执行蛋白酶的许多副本，从而导致蛋白酶级联扩增。一旦被激活，执行者胱天蛋白酶就会催化广泛的蛋白质裂解事件，这些事件负责以特征性方式杀死细胞，并为快速吞噬和消化做好准备

前结构域

（适配器结合）

蛋白酶结构域

裂解位点

非活性启动子

胱天蛋白酶单体

活化启动子

胱天蛋白酶二聚体

成熟活性启动子胱天蛋白酶

凋亡

信号

组装适配器-

蛋白质复合物

胱天蛋白酶通过二聚化激活

交叉裂解、

亚基重排和释放 OF 活性胱天蛋白酶二聚体来自前结构域衔接子复合物

大亚基

小亚基

MBoC7 18.03top/18.03

图 18 3 凋亡开始时启动胱天蛋白酶的激活。启动胱天蛋白酶在其较大的羧基末端区域包含一个蛋白酶结构域，在其氨基末端区域包含一个较小的衔接子蛋白结合前结构域。胱天蛋白酶以无活性单体的形式存在，通过二聚化激活。二聚化和激活仅当凋亡信号触发特定衔接子蛋白复合物的组装时才会发生（此处显示为假设最简单的同型二聚体）。然后，每种类型的衔接子复合物都会招募一种类型的启动胱天蛋白酶单体的多个副本，使它们二聚化并从而变得活跃。在图示的情况下，一旦被激活，活化的

胱天蛋白酶二聚体中的每个单体都会在特定位点交叉切割其伴侣；蛋白酶结构域中的切割使大和小

胱天蛋白酶亚基能够重新排列，大蛋白酶结构域和前结构域之间的切割会从前结构域衔接复合物中释放出成熟的

活性胱天蛋白酶二聚体。

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1092 第 18 章：细胞死亡

邻近细胞。胱天蛋白酶启动的蛋白水解级联不仅具有自我扩增和破坏性，而且不可逆，因此一旦细胞开始走向凋亡，就无法回头。

执行者胱天蛋白酶在凋亡过程中切割数百种不同的细胞蛋白，但这些靶蛋白在凋亡中的作用仅在少数情况下为人所知，我们在此提到了其中几种。例如，胱天蛋白酶-6切割核层蛋白会导致核层不可逆破裂（第 12 章讨论）。胱天蛋白酶-3 切割抑制蛋白，该抑制蛋白通常将特定的 DNA 降解内切酶保持在非活性形式，从而释放内切酶以在凋亡期间切割细胞核中的 DNA（图 18 5）。某些调节肌动蛋白细胞骨架的蛋白质的裂解会导致细胞皮层中的肌动蛋白聚合，而这会导致细胞凋亡时表面起泡，如前所述（参见电影 18.1）。其他肌动蛋白调节剂和一些将细胞附着到其邻近细胞上的细胞粘附蛋白的裂解有助于凋亡细胞聚集并与邻近细胞分离，从而使邻近细胞更容易吞噬它。正如我们稍后讨论的那样，质膜中两种磷脂转移蛋白的裂解会导致磷脂酰丝氨酸暴露在凋亡细胞的表面，在那里它充当邻近吞噬细胞的“吃我”信号。重要的是，阻止任何单个蛋白质裂解步骤都不能阻止凋亡细胞死亡，尽管它会按预期在每种情况下改变其特性。启动蛋白酶如何在凋亡信号的作用下首先被激活？

我们的细胞使用两种主要的激活途径：一种是从细胞外部发出信号

，称为外部途径，另一种是从线粒体发出信号

蛋白酶

结构域

前结构域

非活性执行者

蛋白酶二聚体

成熟活性

执行者蛋白酶

通过切割、

亚基重排和

前结构域去除激活

活性启动蛋白酶

多种类型的细胞蛋白的切割，

导致细胞凋亡

大亚基

小亚基

MBoC7 m18.03bottom/18.04

图 18 4 细胞凋亡期间执行者蛋白酶的激活。执行者胱天蛋白酶具有非常短的脯氨酸结构域，缺乏与其他蛋白质相互作用的位点。它们最初形成为无活性二聚体，通过在每个蛋白酶结构域的位点处进行切割而激活，几乎总是由启动胱天蛋白酶进行。切割使大亚基和小亚基重新排列以形成两个活性蛋白酶位点，然后每个位点从其伴侣单体的脯氨酸结构域上切下，产生成熟的活性执行者胱天蛋白酶，如图所示。成熟的活化胱天蛋白酶随后切割各种细胞靶蛋白，导致细胞受控凋亡。图 18 5 凋亡期间的 DNA 碎片。 (A) 在健康细胞中，胱天蛋白酶活化的 DNase (CAD) 由抑制蛋白 iCAD 保持在非活性状态。在细胞凋亡过程中，执行者 caspase-3 的激活导致 iCAD 裂解，释放活性 DNase 以切割核小体之间的染色体 DNA。 (B) 由于 DNA 裂解仅发生在核小体之间连接区域的可接近位点，因此 DNA 被切割成大小不等的片段，相当于与一个或多个核小体相关的 DNA（如 A 所示），在 DNA 凝胶电泳时产生梯形图。显示的模式是获得的该方法通过用地塞米松诱导小鼠胸腺淋巴细胞凋亡，在凝胶顶部指示的时间提取 DNA，通过琼脂糖凝胶电泳按大小分离片段，并用溴化乙锭对凝胶中的 DNA 进行染色。（B，来自 D. McIlroy 等人，Genes Dev. 14:549 558, 2000。

经 Cold Spring Harbor

Laboratory Press 许可。）（B）（A）

MBoC7 m18.04/18.05

01 36 12

时间（小时）

iCAD

切割

活性执行者

胱天蛋白酶（胱天蛋白酶-3）

非活性

CAD

活性

CAD

染色质片段

iCAD 的切割

核小体之间

DNA 的切割

MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1092 MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1092 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM

1092 第 18 章：细胞死亡 1093

细胞内，称为内在或线粒体途径。正如我们现在讨论的那样，每个途径都使用自己的启动蛋白酶和衔接蛋白。

细胞表面死亡受体的激活启动细胞凋亡的外在途径

与细胞表面死亡受体结合的细胞外信号蛋白触发细胞凋亡的外在途径。死亡受体是跨膜蛋白，包含细胞外配体结合结构域、单个跨膜结构域和细胞内死亡结构域，这是受体激活凋亡程序所必需的。这些受体是同源三聚体，属于肿瘤坏死因子 (TNF) 受体家族，该家族有 8 个成员，包括 TNF 本身的受体和 Fas 死亡受体。激活死亡受体的配体也是同源三聚体，属于 TNF 信号蛋白家族。

关于死亡受体如何触发细胞凋亡的外部途径的一个相对容易理解的例子是杀伤性（细胞毒性）淋巴细胞表面的 Fas 配体激活靶细胞表面的 Fas 受体（第 24 章讨论）。Fas 信号在调节 T 和 B 淋巴细胞数量方面发挥着作用，正如 Fas 信号失活导致这些细胞异常增加的研究结果所表明的那样。如图 18 6 所示，

非活性

caspase-8

单体

蛋白酶

结构域

杀伤性

淋巴细胞

caspase-8

丝状体

2 8

caspase-8

复制

caspase-8

DISC

杀伤性

淋巴细胞

质膜

细胞核

死亡

结构域

激活的 Fas

死亡受体

暴露的

死亡

结构域

FADD 适配器

暴露的

死亡

效应域 (DED)

未暴露的

死亡

效应域 (DED)

FADD 适配器蛋白

非活性的 Fas

死亡受体

Fas 配体

靶细胞

质膜

FAS 受体

活化、圆盘组装

和通过二聚化激活 Caspase-8

CASPASE-8

交叉裂解、亚基

重排和释放

成熟活化的

CASPASE-8 二聚体进入细胞溶胶

通过切割

执行者 caspase

3 和 7 激活

凋亡靶细胞

凋亡

MBoC7 m18.05/18.06

活化的

caspase-8

二聚体

图 18 6 通过 Fas 死亡受体激活的细胞凋亡的外在途径。杀伤性淋巴细胞表面的三聚体 Fas 配体与靶细胞表面的三聚体 Fas 死亡受体结合，诱导靶细胞通过外部途径进行细胞凋亡而自我杀死。虽然图中未显示，但至少两个三聚体 Fas 配体必须与至少两个三聚体 Fas 受体结合并聚集在一起才能激活该途径；为清晰起见，图中仅显示了配体和受体的单个副本。配体诱导的受体聚集（未显示）在受体尾部暴露出死亡结构域，如这里所示，结构域的颜色在暴露后从浅红色变为深红色。每个暴露的死亡结构域都与细胞溶质衔接蛋白 FADD（F as 相关死亡结构域）上类似的暴露死亡结构域结合。结合的 FADD 蛋白随后暴露出死亡效应域 (DED；深蓝色)，使 FADD 能够通过与 caspase 前结构域上暴露的 DED (深蓝色) 结合来招募无活性的单体启动 caspase (主要是 caspase-8)。每个 caspase-8 单体都有两个 DED，当一个与暴露的 DED 结合时，另一个就会暴露出来（如 DED 颜色从浅蓝色变为深蓝色所示）并且可以招募另一个 caspase-8 单体；这会导致链式反应，其中 caspase-8 单体寡聚化为三维螺旋细丝（未显示），每个 FADD 蛋白最多可附着八个 caspase-8 分子。最终结果是组装一个由多个 Fas、FADD 和 caspase-8 副本组成的大型死亡诱导信号复合物 (DISC)。在 DISC 中，相邻的 caspase-8 单体相互作用形成

活化二聚体，这些二聚体现在可以交叉切割其伴侣单体（未显示，但见图 18 3），切割前结构域并形成

成熟的活化二聚体，这些二聚体被释放到细胞溶胶中，在那里它们可以切割并激活执行者胱天蛋白酶以诱导细胞凋亡。在人类细胞中，胱天蛋白酶-10启动胱天蛋白酶也可以被整合到DISC中，但与胱天蛋白酶-8不同，它对于Fas诱导的细胞凋亡并非必不可少。

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1094 第18章：细胞死亡

三聚体Fas配体与三聚体Fas受体聚集，在受体尾部暴露死亡结构域，然后结合并聚集一种称为FADD的小细胞内衔接蛋白。成簇的 FADD 蛋白依次募集多个无活性的单体启动蛋白酶（主要是 caspase-8）的拷贝，这些蛋白酶寡聚化，在靶细胞质膜的细胞质表面形成一个大的死亡诱导信号复合物 (DISC)。

caspase-8 的寡聚化使 caspase 二聚化和活化，然后 caspase 自身裂解形成成熟、活性的 caspase-8 二聚体，这些二聚体可以裂解和激活下游执行蛋白酶以诱导细胞凋亡。

不同细胞类型对 Fas 诱导的细胞凋亡的敏感性各不相同。许多细胞产生抑制蛋白，可抑制外在凋亡途径。例如，一些细胞会产生一种称为 FLIP 的蛋白质，这种蛋白质与 caspase-8 相似，但缺乏蛋白酶活性，因为它缺少活性位点所需的关键半胱氨酸。FLIP 与 DISC 中的 caspase-8 二聚化，并阻止其激活执行者 caspase 来启动细胞凋亡。这样，FLIP 设置了一个抑制阈值，外部途径必须通过激活 caspase-8 来克服该阈值才能触发细胞凋亡。正如我们稍后讨论的那样，外部途径要杀死某些细胞类型，就必须克服另一种 caspase 抑制剂，它通过招募内部凋亡途径（我们现在讨论的途径）来实现这一点。

细胞凋亡的内在途径取决于线粒体释放的蛋白质

细胞还可以从细胞内部激活其凋亡程序，通常是对发育信号或 DNA 损伤等损伤作出反应。在脊椎动物细胞中，这些凋亡反应由细胞凋亡的内在途径介导，该途径也称为线粒体途径，因为它取决于线粒体蛋白质释放到细胞溶胶中，这些蛋白质通常位于这些细胞器的膜间隙中（见图 12 47）。这些释放的蛋白质中最重要的是细胞色素 c，它是线粒体电子传递链的水溶性成分，因此在线粒体氧化磷酸化产生 ATP 的过程中起着核心作用（见图 14 18）。

然而，当它被释放到细胞溶胶中（图 18 7）时，它就具有了全新的功能：它可以诱导细胞凋亡，而与其电子传递活性无关。

25 m 10 m

细胞色素 c GFP 线粒体染料细胞色素 c GFP

MBoC7 m18.06/18.07

(A) 对照细胞 (B) 紫外线处理的细胞

图 18 7 在细胞凋亡的内在途径中，细胞色素 c 从线粒体释放到细胞溶胶中。这些荧光显微照片显示了培养中的人类癌细胞。

这些细胞被转染了一种编码融合蛋白的基因，该融合蛋白由与绿色荧光蛋白（细胞色素 c GFP）连接的细胞色素 c 组成，并且还用一种在线粒体中积累的红色染料处理。 (A) 未受刺激的对照细胞：绿色和红色的重叠分布证实细胞色素 c GFP 位于线粒体中。 (B) 用紫外线 (UV) 照射细胞以诱导细胞凋亡的内在途径，并在 5 小时后拍照。这张显微照片右下方的七个细胞已将其细胞色素 c 从线粒体释放到细胞溶胶中，而显微照片中的其他细胞尚未这样做。（摘自 J.C. Goldstein 等人，《自然细胞生物学》2:156 162，2000 年由 Nature Publishing Group 出版。经 SNCSC 许可转载。）

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1094 第 18 章：细胞死亡 1095

（在进化过程中，线粒体和细胞色素 c 如何获得其在细胞凋亡中的惊人作用，这仍然是一个重要的谜团。）

一旦释放到细胞溶胶中，细胞色素 c 就会与一种名为 Apaf1（凋亡蛋白酶活化因子）的衔接蛋白结合1)，导致适配器结合脱氧 ATP 并寡聚化成一个大的轮状七聚体。然后，七聚体将无活性的启动蛋白酶 9 单体招募到复合物中，形成更大的结构，称为凋亡小体（图 18 8）。Caspase-9 由凋亡小体内的二聚化激活，就像另一种主要启动蛋白酶 caspase-8 由 DISC 内的二聚化激活一样（见图 18 6）。一旦被激活，caspase-9 就会裂解并激活下游执行者 caspases，介导细胞凋亡。

内在途径是脊椎动物中绝大多数细胞凋亡的原因。上游信号要激活内在途径，它们必须改变线粒体外膜，以便膜间隙中的可溶性蛋白质（如细胞色素 c）可以扩散到细胞溶胶中。

这一关键的外膜通透步骤由 Bcl2 蛋白家族成员之间的相互作用控制，正如我们现在所讨论的。

Bcl2 蛋白是细胞凋亡内在途径的关键控制者

内在途径受到严格调控，以确保细胞仅在适当的时候通过凋亡自杀。这种调节主要是 Bcl2 蛋白家族的功能，该家族以第一个描述的家族成员（B 细胞淋巴瘤-2）命名，如下所述。在哺乳动物细胞中，这些蛋白质之间复杂的相互作用控制着线粒体外膜的通透性，从而控制细胞色素 c 和

图 18 8 细胞凋亡的内在途径。细胞内凋亡刺激导致线粒体释放细胞色素 c。

细胞色素 c 与细胞质衔接蛋白 Apaf1 的结合诱导 Apaf1 发生构象变化，从而激活它，暴露出脱氧 ATP (dATP) 的结合位点、寡聚化结构域和 caspase 募集结构域

(CARD)。暴露的寡聚化结构域介导 Apaf1 组装成轮状七聚体。七聚体中的每个 CARD 随后通过其自身的 CARD 募集一个无活性的 caspase-9 单体，形成一个大的凋亡体，相互作用的 CARD 聚集在凋亡体的中心枢纽上方。在组装过程中，dATP 水解为 dADP。在凋亡体中，caspase-9 单体通过二聚化被激活。活化的 caspase-9 二聚体随后裂解并激活下游执行者 caspase，导致细胞凋亡。请注意，CARD 结构域在结构和功能上与 caspase-8 的死亡效应域 (DED) 相关（参见图 18 6）。

dA TP 结合

dA TP

dADP

非活性 Apaf1

衔接蛋白

活性 Apaf1

释放

细胞色素 c 胞质溶胶

细胞色素 c

在膜间隙中

细胞色素 c 和

dATP 结合

激活 Apaf1

Apaf1 的寡聚化

招募

胱天蛋白酶 9

单体形成

凋亡体

并通过二聚化激活胱天蛋白酶

非活性

胱天蛋白酶 9

单体

活性

胱天蛋白酶 9

二聚体

线粒体

暴露

CARD

未暴露

CARD

通过切割和激活执行者胱天蛋白酶

活化的胱天蛋白酶-9

二聚体

细胞凋亡

MBoC7 m18.07/18.08

凋亡刺激

凋亡体

埋藏

卡

阻断

dA TP-

结合位点

埋藏

寡聚化

域

暴露

寡聚化

域

MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1095 MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1095 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM

1096 第 18 章：细胞死亡

膜间隙中的其他可溶性蛋白质，这一过程称为线粒体外膜通透性 (MOMP)。与 caspase 家族一样，

Bcl2 蛋白家族存在于所有动物中，并且得到了显著的保守性；

例如，人类 Bcl2 蛋白在秀丽隐杆线虫中表达时可以抑制细胞凋亡。

哺乳动物 Bcl2 家族蛋白有三种结构和功能类别：(1) 抗凋亡 Bcl2 家族蛋白，包括 Bcl2 本身，通过阻止 MOMP 来抑制细胞凋亡。(2) 促凋亡 Bcl2 家族效应物可以通过在外线粒体膜上产生开口来直接诱导 MOMP。

(3) 第二类促凋亡 Bcl2 家族蛋白，称为 BH3 特异性蛋白（原因稍后解释），通过调节其他两类来促进细胞凋亡。这三类蛋白活性之间的平衡在很大程度上决定了 MOMP 是否发生，从而决定了哺乳动物细胞是通过细胞凋亡的内在途径生存还是死亡。

如图 18 9 所示，抗凋亡 Bcl2 家族蛋白（包括 Bcl2 本身和 Bcl 特大 (BclxL)）具有四个独特的 Bcl2 同源性 (BH) 结构域 (BH1 4)。两种主要的促凋亡 Bcl2 家族效应物 Bak 和 Bax 在结构上与 Bcl2 相似，但缺少 BH4 结构域。第二类促凋亡 Bcl2 家族蛋白的成员仅在 BH3 结构域中与 Bcl2 具有序列同源性，因此被称为仅 BH3 蛋白；它们是迄今为止最大的 Bcl2 蛋白类。

当凋亡刺激触发内在途径时，促凋亡的

Bcl2 家族效应物 Bak 和 Bax 被激活，并通过

在线粒体外膜中聚集成各种大小的寡聚体来触发 MOMP，

通过不确定的机制在膜上产生开口，允许

细胞色素 c 和其他膜间蛋白逃逸进入细胞溶胶（图 18 10A 和 B）。这些促凋亡效应物中的至少一种是内在凋亡途径在哺乳动物细胞中起作用所必需的：缺乏这两种蛋白质的突变小鼠细胞不会经历 MOMP 或参与内在凋亡途径。即使在没有凋亡信号的情况下，Bak 也会与线粒体外膜结合（见图 18 10A 和 B），而 Bax 主要位于细胞溶胶中，直到凋亡信号激活它，导致它重新定位到外膜，在那里它寡聚化。正如我们下面讨论的那样，Bak 和 Bax 的激活通常依赖于激活的 BH3 特异性蛋白。抗凋亡 Bcl2 家族蛋白（如 Bcl2 和 BclxL）也位于线粒体外膜的胞浆表面，它们有助于防止不适当的 MOMP。它们通过与活性促凋亡效应物 Bak 和 Bax 的 BH3 结构域结合，从而防止其寡聚化（图 18 10C）。哺乳动物抗凋亡 Bcl2 家族蛋白至少有五种，每个哺乳动物细胞都需要至少一种来避免凋亡并因此存活。此外，许多这些抗凋亡蛋白必须被抑制才能通过内在途径诱导凋亡，而 BH3 独有蛋白介导这种抑制。 BH3 特异性蛋白是 Bcl2 家族蛋白中最大的亚类，当它们在细胞中响应凋亡刺激而产生或激活时，会促进 MOMP，从而导致细胞凋亡。它们至少通过两种方式实现这一点。

(1) 一些 BH3 特异性蛋白，包括 Bad（见图 18 9），抑制某些

抗凋亡

Bcl2 家族蛋白

（例如，Bcl2、BclxL、Mcl1）

促凋亡

Bcl2 家族效应物

（例如，Bak、Bax）

促凋亡

BH3 特异性蛋白

（例如，Bad、Bim、

Bid、Puma、Noxa）

BH4 BH3 BH1 BH2

MBoC7 m18.08/18.09

图 18 9 三类 Bcl2 家族蛋白中的 BH 结构域示意图。请注意，

BH3 结构域是所有 Bcl2 家族成员共享的四个 BH 结构域中唯一的一个；它介导促凋亡和抗凋亡家族成员之间的直接相互作用（见图 18 10C 和 D）。

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1096 第 18 章：细胞死亡 1097

抗凋亡 Bcl2 家族蛋白通过其 BH3 结构域与抗凋亡蛋白上的 BH3 结合槽结合。这种结合阻断了 Bcl2 家族蛋白的抗凋亡活性，从而使 Bax 和/或 Bak 在粒线体外膜上寡聚化以触发 MOMP（图 18 10D）。（2）一些 BH3 特异性蛋白，包括 Bim 和 Bid（见图 18 9），可以直接结合并激活 Bak 和 Bax，刺激它们寡聚化并触发 MOMP。通过这些方式，BH3 特异性蛋白提供了凋亡刺激和凋亡内在途径之间的重要联系，不同的刺激激活或诱导不同的 BH3 特异性蛋白的产生。例如，当细胞遭受无法修复的 DNA 损伤时，肿瘤抑制蛋白 p53（第 17 章和第 20 章讨论）会在细胞核中积聚，并激活编码 BH3 独有蛋白 Puma 和 Noxa 的基因转录（见图 18 9），然后触发 MOMP 和细胞凋亡，从而消除可能变成癌细胞的潜在危险细胞。我们将看到，一些细胞外生存信号通过阻止细胞存活来促进细胞存活

BclxL 的结合阻断了

活化 Bak 的寡聚化

Bad 与 BclxL 结合，

释放活化 Bak

抑制的

活化 Bak

+

凋亡刺激

非活性 Bak

膜间

外

线粒体

膜

内

线粒体

膜

细胞色素 c

膜间

中的其他蛋白质

MBoC7 m18.09/18.10

活化 Bak 的寡聚化

诱导 MOMP

活化 Bak 的寡聚化

诱导 MOMP

膜间空间

胞质溶胶

膜间空间

胞质溶胶

外线粒体

膜

外线粒体

膜

非活性 Bak 蛋白

活化 Bak

BH3

结构域

BH3 结构域活性 Bad

非活性 Bak 蛋白

暴露于活化 Bak

BH3 结构域

BH3 结合槽

(A) Bak 的活化和寡聚化 BclxL 预防 MOMP (C)

(B) Bak 寡聚体诱导 MOMP (D) A 诱导 MOMP BH3 唯一蛋白（如 Bad）

BclxL

MOMP

阻断

寡聚化

暴露的 BH3 结合槽

激活

图 18 10 促凋亡 Bcl2 家族效应物如何诱导 MOMP 以及抗凋亡 Bcl2 家族蛋白如何阻断它。（A）大多数促凋亡效应物 Bak 在蛋白质被激活之前已经附着在线粒体外膜上。当受到凋亡刺激激活时，蛋白质会发生构象变化，从而h

暴露 BH3 结构域并产生 BH3 结合槽，使 Bak Bak 在外膜中发生寡聚化。 (B)

Bak 寡聚体通过在外膜上产生开口来诱导 MOMP，从而使细胞色素 c 和膜间隙中的其他可溶性蛋白质

扩散到细胞溶胶中；尽管 Bak (和 Bax) 寡聚体如何产生

开口的细节尚不确定，但人们认为它们会形成破坏外膜完整性的大环结构。一旦

释放到细胞溶胶中，细胞色素 c 就会刺激凋亡体的组装（见图 18 8）。 (C) 抗凋亡的 Bcl2 家族蛋白 BclxL 与 Bak 一样，通常与线粒体外膜结合，在那里它可以通过其 BH3 结合槽与活化 Bak 上暴露的 BH3 结构域相互作用，从而阻止 Bak Bak 寡聚化、MOMP 和凋亡。 (D) 仅含 BH3 的蛋白质（如 Bad）被认为间接诱导 MOMP 和凋亡的一种方式是通过抑制某些抗凋亡的 Bcl2 家族蛋白（如 BclxL）。

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1098 第 18 章：细胞死亡

通过抑制某些 BH3 特异性蛋白的合成或活性而发生细胞凋亡（见图 18 13B）。

如前所述，在某些细胞中，外在凋亡途径必须招募内在途径来帮助杀死靶细胞；BH3 特异性蛋白

Bid 是这两条途径之间的纽带。 Bid 在这些细胞中通常处于非活性状态，但当死亡受体激活外在途径时（见图 18 6），启动蛋白酶 caspase-8 会裂解 Bid，产生一种活性形式的蛋白质，该蛋白质会转移到线粒体外膜以激活 Bax 和/或 Bak，导致它们寡聚化并触发 MOMP。激活的死亡受体需要 MOMP 来杀死这些细胞，因为它会从线粒体膜间隙释放蛋白质，中和这些细胞胞质中存在的抑制蛋白，这种抑制蛋白通常会阻止细胞凋亡，我们将在下文中解释。

一种凋亡抑制剂 (IAP) 和两种抗 IAP 蛋白

有助于控制某些哺乳动物细胞胞质中的胱天蛋白酶活化

由于凋亡胱天蛋白酶级联的激活会导致某些细胞死亡，因此细胞采用多种机制来帮助确保这些蛋白酶仅在适当的时候被激活。FLIP 蛋白在外在凋亡途径中对胱天蛋白酶-8 的抑制就是前面讨论的一个例子（见第 1095 页）。

胱天蛋白酶抑制蛋白（称为凋亡抑制剂 (IAP)）提供了另一道防线，以防止不适当的胱天蛋白酶活化。这些蛋白质首先在某些昆虫病毒（杆状病毒）中发现，这些病毒编码 IAP 蛋白，以防止被病毒感染的宿主细胞激活 caspase 并通过凋亡杀死自己，从而抑制病毒的复制。大多数动物细胞也产生 IAP 蛋白，尽管大多数这些蛋白质并不调节 caspase 和凋亡。哺乳动物细胞似乎只有一种 IAP 可以直接抑制 caspase 活性。它被称为 XIAP（因为它在 X 染色体上编码），它存在于我们许多细胞的细胞质中。它与 caspase-9（启动 caspase）和 caspase-3 和 caspase-7 结合并抑制它们，从而设置这些 caspase 必须克服的抑制阈值才能触发凋亡。在这些细胞中，XIAP 还有助于调节三种 caspase 蛋白的水平：它具有泛素连接酶结构域，可对 XIAP 结合的 caspase 进行多泛素化，标记它们以便在蛋白酶体中破坏（见图 3 67）。

当细胞凋亡的内在途径被激活时，MOMP 从线粒体膜间隙释放的蛋白质中有两种抗 IAP 蛋白，称为 Smac 和 Omi。在胞质溶胶中含有 XIAP 的细胞中，这些抗 IAP 蛋白与 XIAP 结合并阻止其抑制 caspase，从而促进 caspase 活化和细胞凋亡（图 18 11）。这就是为什么

外在凋亡途径需要招募内在途径（涉及

MOMP 和 caspases 9、3 和 7）来诱导某些细胞凋亡，如前所述；这些细胞在胞质溶胶中表达 XIAP。

细胞外存活因子以各种方式抑制细胞凋亡

如第 15 章和第 21 章所述，细胞外信号调节动物细胞的大多数活动，包括细胞凋亡。它们是正常社会控制的一部分，在这种情况下，确保单个细胞的行为有利于整个生物体，当需要细胞时存活，当不需要细胞时自杀。一些细胞外信号分子刺激细胞凋亡，而另一些抑制细胞凋亡。我们已经讨论了激活死亡受体进行 tr 的信号蛋白，例如 Fas 配体刺激细胞凋亡的外在途径。其他刺激细胞凋亡的细胞外信号分子在脊椎动物发育过程中尤为重要：例如，血液中甲状腺激素的激增会向蝌蚪尾部的细胞发出信号，使其在变态时发生细胞凋亡。在小鼠中，局部产生的信号蛋白刺激发育中的手指和线粒体膜间隙之间的细胞

线粒体膜间隙

胞质溶胶

细胞色素 c

Bak 或 Bax

寡聚体

MBoC7 n18.103/18.11

MOMP

细胞凋亡

Smac Omi

XIAP

caspase-9

caspases

3 和 7

线粒体外膜

图 18 11 MOMP 如何克服 XIAP 抑制。在某些哺乳动物细胞中，胞质溶胶中 XIAP 的存在会抑制启动子 caspase-9 和执行子 caspase 3 和 7；XIAP 与这三种酶的活性位点结合，从而阻断它们的活性。然而，除了释放细胞色素 c 外，MOMP 还会释放两种抗 IAP 蛋白 Smac 和 Omi，它们会抑制 XIAP 的抗 caspase 活性，从而允许在细胞凋亡的内在途径期间在胞质溶胶中激活这些 caspase（见图 18 8）。

MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1098 MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1098 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM

1098 第 18 章：细胞死亡 1099

脚趾自杀，从而塑造了这些手指（见图 18 2）。然而，在这里，我们关注通过抑制细胞凋亡促进细胞存活的细胞外信号分子，它们统称为存活因子。大多数动物细胞需要来自其他细胞的此类信号来避免发生细胞凋亡，通常通过内在途径。这种令人惊讶的安排显然有助于确保细胞仅在需要时和需要的地方存活。例如，一些神经细胞在发育中的神经系统中过量产生，然后争夺它们通常连接的靶细胞分泌的有限数量的生存因子。接收到足够生存信号的神经细胞存活，而其他神经细胞则因凋亡而死亡。这样，存活的神经元数量会自动调整，以使其适合它们连接的靶细胞数量（图 18 12）。局部或系统产生的有限数量的生存因子的类似竞争可能有助于控制其他组织中的细胞数量，无论是在发育期间还是在成年期。生存因子通常与细胞表面受体结合，从而激活抑制凋亡程序的细胞内信号通路（第 15 章中讨论），通常通过调节 Bcl2 蛋白家族成员的表达或活性来抑制凋亡程序。例如，一些生存因子刺激抗凋亡 Bcl2 家族蛋白（如 Bcl2 本身或 BclxL）的合成（图 18 13A）。其他一些生存因子通过抑制促凋亡 BH3 特异性蛋白（如 Bad）的功能起作用（图 18 13B）。一些正在发育的神经元（如图 18 12 所示）使用一种违反直觉的替代策略，其中生存因子受体在未被占用时刺激细胞凋亡，而在生存因子结合时停止这样做。所有这些情况的最终结果都是一样的：细胞存活取决于生存因子与细胞表面受体的结合。

神经细胞

凋亡

神经细胞

体

神经细胞

轴突

靶细胞

凋亡

调整神经细胞数量

以适应靶细胞释放的生存因子的大小

MBoC7 m18.11/18.12

图 18 12 生存因子和

凋亡如何帮助调整发育中的神经细胞数量

以适应神经细胞所支配的靶组织的大小。

在此示例中，产生的神经细胞数量多于靶组织中细胞产生的有限生存因子所能支持的神经细胞数量。因此，一些神经细胞接收的生存因子数量不足以避免

凋亡。这种在发育过程中先过量生产然后进行剔除的策略有助于确保所有适当的靶细胞都能与适当的神经细胞接触，而多余的神经细胞则被自动消除。

图 18 13 细胞外存活因子抑制细胞凋亡的两种不同方式。 (A) 一些存活因子通过刺激编码抗凋亡 Bcl2 家族蛋白（如 Bcl2（如图所示）或 BclxL）的基因转录来抑制细胞凋亡。 (B) 许多其他因子激活丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 Akt，除了其他许多靶标外，它还磷酸化和灭活促凋亡的 BH3 特异性蛋白 Bad（见图 18 9）。当未磷酸化时，

Bad 通过结合并抑制抗凋亡 Bcl2 家族蛋白（如 Bcl2 本身）来促进细胞凋亡。一旦磷酸化，Bad 就会解离，

释放 Bcl2 以抑制细胞凋亡（见图 18 10C 和图 15 54）。

Akt 也可以抑制细胞凋亡通过磷酸化和灭活转录调节蛋白，这些蛋白刺激编码促进细胞凋亡的蛋白质的基因转录，例如 BH3 独有的蛋白质 Bim（未显示）。存活因子还可以通过许多其他方式抑制细胞凋亡，但这里没有说明。

生存因子生存因子

激活

受体

激活

转录

调节器

激活

受体

核

RNA

DNA

Bcl2

凋亡

激活

Akt 激酶

未抑制

Bcl2

抑制

Bcl2

活性

Bad

非活性

磷酸化

Bad

抗凋亡 Bcl2 家族蛋白产量增加

(A) (B) 促凋亡 BH3-only 蛋白失活

MBoC7 m18.12/18.13

P P

P

MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1099 MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1099 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM

1100 第 18 章：细胞死亡

健康邻居吞噬并消化凋亡细胞

凋亡细胞死亡是一个整洁的过程。凋亡细胞及其碎片不会破裂并释放其内容物。相反，它们通常保持完整，直到它们被邻近细胞（通常是人类的巨噬细胞）迅速吞噬和消化，不留痕迹。这样，细胞凋亡就避免了引发破坏性的炎症反应。吞噬过程依赖于凋亡细胞表面的化学变化，这种变化显示出吞噬细胞识别的各种吞噬信号。

这些信号中最重要的是带负电荷的磷脂磷脂酰丝氨酸。在健康细胞中，磷脂酰丝氨酸通常仅位于质膜脂质双层的内层（见图 10 15）；它由特定的磷脂翻转酶保持在那里，该酶利用 ATP 水解将磷脂酰丝氨酸 (PS) 和磷脂酰乙醇胺 (PE) 从外层翻转到内层。然而，在正在经历凋亡的细胞中，PS 通过两种机制在细胞表面积累。首先，执行者胱天蛋白酶裂解磷脂翻转酶，从而使其失活，阻止 PS 和 PE 从外层转移到内层。其次，执行者 caspases 裂解并激活磷脂乱序酶，该酶将质膜磷脂非特异性地转移到内外脂质小叶之间，从而使它们在两个小叶之间乱序。这两种导致 PS 暴露在凋亡细胞表面的机制如图 18 14 和电影 18.2 所示。即使在没有 caspase 激活的情况下，PS 也会出现在细胞表面的某些形式的坏死性细胞死亡中；破坏质膜就足以做到这一点。凋亡和坏死细胞上的 PS 被各种可溶性桥接蛋白识别，这些蛋白与暴露的 PS 和邻近吞噬细胞表面上的特定受体相互作用，从而触发细胞骨架和其他变化，从而启动吞噬过程。巨噬细胞是专业的吞噬细胞，会吞噬死细胞、微生物、细胞碎片、乳胶珠和几乎任何其他颗粒，但它们不会吞噬生物体内的健康细胞，即使是那些在激活时会在其表面暂时暴露磷脂酰丝氨酸的健康细胞，例如血小板和一些 T 淋巴细胞。原因之一是，我们几乎所有的细胞表面都显示信号蛋白，这些蛋白与巨噬细胞表面的抑制受体结合，刺激受体阻止吞噬作用。因此，除了表达细胞表面的“吃我”信号（如刺激吞噬作用的磷脂酰丝氨酸）外，凋亡细胞还必须去除或灭活阻止吞噬作用的“不吃我”信号。

细胞凋亡过度或不足都会导致疾病

许多人类疾病中，过多的细胞发生凋亡，从而导致病理性组织损失。最常见和最显著的例子是心脏病发作和中风，它们分别由心脏或大脑血液供应的急性中断引起。在这些情况下，许多细胞最初会因坏死而死亡。如果通过动脉导管或使用凝块破坏药物疏通阻塞的血管，缺氧组织中的一些存活细胞会因细胞凋亡而死亡，从而导致组织损失。希望未来能够阻止细胞凋亡的药物以及能够阻止某些形式的坏死性细胞死亡的药物能够减少组织损失及其致残性后果。

还有其他疾病，其中细胞凋亡导致的死亡太少。例如，

如前所述，小鼠和人类的突变会使编码 Fas 死亡受体或其配体的基因失活，从而阻止 n某些类型的淋巴细胞正常死亡，导致这些细胞在脾脏和淋巴腺中异常积聚。在许多情况下，这会导致自身免疫性疾病，因为一些自身反应性淋巴细胞无法被消除并对个体自身组织产生反应。淋巴细胞的增加还会导致淋巴细胞癌，称为淋巴瘤。事实上，凋亡减少对许多类型的癌症有重要影响，因为癌细胞中对凋亡的正常抑制控制通常存在缺陷。例如，Bcl2 基因首次在一种常见的人类淋巴瘤中发现，其中染色体易位导致抗凋亡 Bcl2 蛋白的过量产生（如前所述，Bcl2 因这种 B 细胞淋巴瘤而得名）。携带易位的淋巴细胞中 Bcl2 蛋白的增加通过抑制凋亡促进癌症的发展，从而异常延长细胞存活时间并增加其数量；Bcl2 的增加还降低了细胞对抗癌药物的敏感性，这些药物通常通过导致癌细胞凋亡而起作用（第 20 章讨论）。

活性

?ippase 细胞外

空间

胞质溶胶

非活性

scramblase

失活 ?ippase 激活的 scramblase 血浆

膜

caspase

裂解

位点

caspase

裂解位点

FLIPPASE 被 EXECUTIONER

灭活

caspase 介导的

裂解

SCRAMBLASE 被 EXECUTIONER

激活

caspase 介导的

裂解

其他血浆

膜

磷脂

氨基磷脂

(PS 和 PE)

激活的执行者

caspase

激活的执行者

caspase

健康细胞

凋亡细胞

MBoC7 n18.104/18.14

图18 14 两种 caspase 依赖性机制导致磷脂酰丝氨酸在凋亡细胞表面积累。在健康细胞中（图上半部分），ATP 依赖性氨基磷脂翻转酶 (ATP11C) 主动将磷脂酰丝氨酸 (PS) 和磷脂酰乙醇胺 (PE) 从质膜脂质双层的外层翻转到内层，使这些脂质主要局限于内层。在细胞凋亡期间（图下半部分），激活的执行者 caspase（caspase-3、caspase-7 或两者）裂解并从而使 ATP11C 翻转酶失活，从而阻止其脂质转位活性；同时，激活的执行者 caspase 裂解并激活质膜中的磷脂乱序酶 (Xkr8)，该酶非特异性地在膜的两个脂质小叶之间翻转磷脂，使它们在小叶之间乱序。（虽然没有显示，但 ATP11C 翻转酶与较小的跨膜蛋白 CDC50 紧密相关，后者需要陪伴翻转酶到达质膜并可能协助脂质易位过程。）随着翻转酶永久失活和乱序酶永久激活，PS 和 PE 迅速且不可逆地暴露在凋亡细胞表面，其中 PS 作为邻近吞噬细胞的“吃我”信号。这两种 caspase 依赖性机制

都是产生这种快速有效的“吃我”信号所必需的：如果仅使翻转酶失活，

则 PS 可能需要很长时间才能在凋亡细胞

表面积累有效量，因为磷脂很少在没有酶（例如翻转酶）催化的情况下在脂质双层的两个小叶之间自发翻转（见图 10 10B）。同样，如果仅激活翻转酶，活性翻转酶会迅速将任何翻转的 PS 从外部小叶返回到内部小叶，从而将 PS 从细胞表面去除。图 12 39

说明了磷脂翻转酶在内质网膜脂质双层合成中的作用

以及磷脂翻转酶在某些其他细胞内膜中产生脂质双层不对称的作用。（改编自 S. Nagata 等人，Cell Death Differ. 23:952 961, 2016.）

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1102 第 18 章：细胞死亡

同样，编码肿瘤抑制蛋白 p53 的基因在约 50% 的人类癌症中发生突变，因此它不再促进细胞凋亡或细胞周期停滞以响应 DNA 损伤（如第 17 章和第 20 章所述）。因此，缺乏 p53 功能使癌细胞即使在 DNA 受损的情况下也能存活和增殖；这样，细胞逐渐积累更多的突变，其中一些突变使癌症更加恶性。由于许多抗癌药物通过 p53 依赖机制诱导细胞凋亡（和细胞周期停滞），p53 功能的丧失也会使癌细胞对这些药物的敏感性较低。

如果凋亡减少会导致癌症，那么我们应该能够用促进凋亡的药物治疗癌症。这种方法最近导致了小分子化学物质的开发，这些化学物质通过与这些蛋白质的 BH3 结合槽高亲和力结合来阻断抗凋亡 Bcl2 家族蛋白（如 Bcl2 和 BclxL）的功能，其方式与促凋亡的 BH3 特异性蛋白非常相似（见图 18 10D）。这些 BH3 模拟药物（图 18 15）激活细胞凋亡的内在途径，增加某些癌症中肿瘤细胞死亡的数量，尤其是那些依赖特定抗凋亡 Bcl2 家族蛋白生存的癌症。

大多数人类癌症都是癌，发生在肺、肠道、乳腺和前列腺等上皮组织中（第 20 章讨论）。

此类上皮癌细胞表现出许多行为异常，包括在特殊细胞连接处粘附细胞外基质和彼此的能力下降。在下一章中，我们将讨论这些至关重要的结构，它们负责将我们的细胞保持在组织和器官中的正确位置。

摘要

当动物细胞受到严重损坏或压力、不再需要或对生物体构成威胁时，它们可以激活各种细胞内死亡程序并自杀。在大多数情况下，这些死亡都是由细胞凋亡引起的，在凋亡过程中，细胞萎缩，细胞核和细胞凝聚并经常碎裂，邻近的吞噬细胞在细胞质内容物泄漏之前迅速吞噬细胞或碎片。细胞凋亡是由一种称为胱天蛋白酶的蛋白水解酶介导的，这种酶会裂解特定的细胞内蛋白质，从而快速而干净地杀死细胞。凋亡胱天蛋白酶以无活性前体的形式存在于几乎所有有核动物细胞中。当凋亡刺激激活衔接蛋白时，就会发生启动胱天蛋白酶的激活，衔接蛋白会使无活性的启动胱天蛋白酶单体在大型活化复合物中靠近，单体通过二聚化被激活。活化的启动胱天蛋白酶二聚体会自我裂解，然后通过裂解激活下游执行胱天蛋白酶二聚体；激活的

执行者胱天蛋白酶随后裂解细胞中的数百种靶蛋白。

扩增的、不可逆的胱天蛋白酶级联负责所有细胞凋亡事件，

包括那些集体杀死细胞并准备被邻近细胞吞噬和快速消化的事件。

细胞使用两种不同的途径激活启动胱天蛋白酶以触发细胞凋亡：

外在途径由细胞外配体与细胞表面死亡受体结合激活；

内在途径由发育信号或应激信号从细胞内部激活。每条途径都使用自己的启动胱天蛋白酶、

衔接蛋白和活化复合物。在外在途径中，死亡受体通过衔接蛋白募集胱天蛋白酶-8以形成称为DISC的活化复合物。在内在途径中，细胞内信号诱导线粒体外膜通透化 (MOMP)，从而将可溶性蛋白质从线粒体膜间隙释放到细胞质中；释放的细胞色素 c 激活衔接蛋白 Apaf1，后者募集 caspase-9 单体形成称为凋亡体的大型活化复合物。抗凋亡和促凋亡的细胞内 Bcl2 家族蛋白相互作用，严格控制 MOMP，以确保凋亡的内在途径通常仅在细胞死亡对动物有利时才被激活。

S

Cl

(B)

MBoC7 m18.13/18.15

O

N

O

NH

N +

O

(A)

图 18 15 一种特异性抑制 Bcl2 抗凋亡 Bcl2 家族蛋白的 BH3 模拟药物。如图 18 10D 所示，BH3-only 蛋白可以促进细胞凋亡的一种方式是通过结合抗凋亡 Bcl2 家族蛋白（如 Bcl2 本身）中的长 BH3 结合槽，从而阻止该蛋白阻断细胞凋亡。 (A) 维奈克拉的化学结构，其设计和合成是为了紧密且特异性地结合 Bcl2 的 BH3 结合凹槽。 (B) 维奈克拉 (红色) 与人类 Bcl2 蛋白 (黄色) 结合的晶体结构。通过抑制 Bcl2 的活性，该药物可促进任何依赖该蛋白生存的细胞凋亡，例如人类慢性淋巴细胞白血病细胞，该药物正在临床用于治疗该病。

（PDB 代码：60OK。）

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1102 第 18 章：细胞死亡 1103 问题

问题

哪些陈述是正确的？解释为什么或为什么不正确。

18 1 否在正常成体组织中，细胞死亡通常会平衡细胞分裂。

18 2 没有细胞色素c的哺乳动物细胞应该对DNA损伤引起的细胞凋亡具有抵抗力。

讨论以下问题。

18 3 Fas配体是杀伤性淋巴细胞上的同源三聚体质膜蛋白，可与靶细胞表面的同源三聚体死亡受体Fas结合，包括一些淋巴细胞（图Q18 1）。通过Fas配体簇的结合使三聚体Fas聚集，从而改变了Fas的构象，使其与衔接蛋白结合，然后该衔接蛋白募集并激活caspase-8，引发caspase级联，导致细胞凋亡。

在人类中，自身免疫性淋巴增生综合征 (ALPS) 与 Fas 的显性突变有关，包括点突变和 C 端截断。

在此类突变杂合的个体中，一些淋巴细胞不会以正常速度死亡，并会异常大量地积累，从而导致各种临床问题。与这些患者相比，突变杂合的个体完全消除了 Fas 表达，因此不会出现这些临床问题。

假设 Fas 的正常形式和显性形式表达到相同水平并随机组装成三聚体，那么杂合 ALPS 患者的淋巴细胞上 Fas Fas 配体复合物中有多少部分预计完全由正常 Fas 亚基组成？

您的计算是否能解释为什么表达 Fas 突变体的杂合子个体有临床问题，而未表达 Fas 突变体的杂合子个体没有临床问题？

18 4 与类似的大脑异常相比，缺乏 Apaf1 或 caspase-9 的新生小鼠的爪子有明显的异常。缺乏 Apaf1 的小鼠无法消除正在发育的手指之间的网状结构，而缺乏 caspase-9 的小鼠的手指可以正常形成（图 Q18 2）。如果 Apaf1 和 caspase-9 在相同的凋亡途径中发挥作用，那么这些缺乏的小鼠在网状细胞凋亡方面怎么可能有所不同？

18 5 当人类癌细胞暴露于 90 mJ/cm 2 的紫外线 (UV) 光下时，大多数细胞会在 24 小时内凋亡。早在将此类细胞群暴露于紫外线后 6 小时，就可以检测到线粒体释放的细胞色素 c，并且此后 10 多个小时内细胞色素 c 持续增加。这是否意味着单个细胞在此时间段内缓慢释放其细胞色素 c？或者，单个细胞是否快速释放其细胞色素 c，但不同的细胞在不同的时间被触发？为了回答这个基本问题，您已将绿色荧光蛋白 (GFP) 基因与细胞色素 c 基因融合，以便您可以通过共聚焦荧光显微镜观察单个细胞的行为。在表达细胞色素 c

GFP 融合蛋白的细胞中，荧光显示出线粒体蛋白的典型点状图案。然后，用紫外线照射这些细胞，观察单个细胞的点状图案变化。图 Q18 3A 和 B 显示了两个这样的细胞（白色轮廓）。释放

图 Q18 1 三聚体 Fas 配体与 Fas 的结合（问题 18 3）。

虽然没有显示，但至少两个三聚体 Fas 配体必须结合并聚集至少两个三聚体 Fas 受体才能激活该途径；

为清楚起见，仅显示了配体和受体的单个副本。

杀伤性淋巴细胞

质膜

细胞核

未暴露的

死亡域

激活的 Fas

死亡受体

与暴露的

死亡域

无活性的 Fas

死亡受体

Fas 配体

淋巴细胞

质膜

FAS 受体

激活

MBoC7 Q18.03/Q18.01

图 Q18 2 Apaf1 /

和 Casp9 / 新生小鼠的爪子外观与正常新生小鼠相比（问题 18 4）。（摘自 H. Yoshida 等人，Cell 94:739 750, 1998。经 Elsevier 许可。）

Casp9

Apaf1

MBoC7 Q18.01/Q18.02

/

/ +/+

+/

图 Q18 3 通过延时视频荧光显微镜分析单个细胞线粒体释放的细胞色素 c GFP（问题 18 5）。（A）在紫外线照射后 10 小时观察细胞 6 分钟。（B）在紫外线照射后 17 小时观察细胞 8 分钟。A 中的一个细胞和 B 中的一个细胞（每个细胞都以白色勾勒出轮廓）在观察的时间范围内释放了细胞色素 c GFP，每个面板下方显示为小时：分钟。（摘自

J.C. Goldstein 等人，《自然细胞生物学》2:156 162，2000 年由

Nature Publishing Group 出版。经 SNCSC 许可转载。）

MBoC7 Q18.02/Q18.03

(B)

(A)

17:10 17:18

10:09 10:15

MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1103 MBOC7_ptr_ch18_1089-1104.indd 1103 02/12/21 12:26 PM 02/12/21 12:26 PM

1104 第 18 章：细胞死亡

Jiang X & Wan

第十七章 细胞周期

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