第二节　细胞的生长与增殖

细胞的增殖是生命的重要特征之一。细胞的分裂、增殖是生命得以延续的保证。细胞的增殖是指通过细胞分裂获得与母细胞具有相同遗传特性的子细胞，并使细胞数目增加的过程，所以生物体的生长、发育和繁殖后代都离不开细胞的增殖。在胚胎发育过程中，受精卵通过不断分裂、增殖，形成大量细胞。在成长的个体中，有些细胞仍保持了分裂能力，以不断补充老一代的衰老细胞。同样，机体的创伤修复和细胞分化也是以细胞增殖为基础的。肿瘤的生长和扩大，无疑与机体的局部细胞失控而无限增殖有关。因此，研究细胞的分裂和增殖的过程和机制，对认识生长、发育、繁殖、遗传、变异以及机体的病变现象都有重要的意义。

一、细胞增殖周期

（一）细胞增殖周期的概念

细胞增殖周期简称细胞周期（cell cycle），是指连续分裂的细胞从一次分裂结束开始，到下一次分裂完成所经历的整个连续过程。在此过程中，细胞遗传物质进行复制，各种组分倍增，然后平均分到两个子细胞中去。

现在一般把整个细胞周期分为两个阶段：间期（interphase）和有丝分裂期（mitotic phase）。细胞在一次分裂结束之后就进入间期，这时就是新的细胞周期的开始。间期又可分为DNA合成前期（G₁期）、DNA合成期（S期）和DNA合成后期（G₂期）（图2－15）。在这3期中，最关键的是DNA复制的S期。G₁期和G₂期则分别为S期前、后的一段间隙时间。G₂期结束后即进入有丝分裂期（M期），M期又根据其不同形态变化而分为前期、中期、后期和末期。M期是从细胞分裂开始到形成两个子细胞而告结束，新生的子细胞又进入下一个细胞周期的G₁期。

图2－15　细胞周期模式图

（二）细胞增殖周期的分期

1.间期

（1）DNA合成前期（G₁期）：G₁期是从前一次细胞周期结束后开始的，刚分裂的子细胞体积较原有的细胞小，因而这一时期细胞首先要经过一个生长的过程，使其体积恢复到原有水平，所以G₁期为细胞的生长期。其主要特点是细胞生长，表现为物质代谢异常活跃，3种RNA和核糖体以及一些蛋白质或酶的合成在迅速进行，其大小逐渐增加一倍左右。同时，为合成DNA做好物质和能量的准备，即合成4种脱氧核苷酸，以及DNA合成所需的酶和ATP等。

细胞周期的主要调节点在G₁期。细胞进入G₁期后可能出现如下3种状况。

①继续增殖：细胞不断离开G₁期，并正常地通过细胞周期中的各期，从而完成细胞分裂，这类细胞称为增殖细胞，如骨髓细胞、皮肤表皮细胞和肠上皮细胞等。

②不再继续增殖：这些细胞失去增殖能力，终身处于G₁期，经过分化、衰老直至死亡，这类细胞称为不增殖细胞，如高度分化的神经细胞、肌肉细胞和成熟的红细胞等。

③暂时不增殖：只有当细胞大量死亡或进行器官组织切除手术后，需要增殖补充时，才重新由G₁期进入细胞周期而进行增殖，这类细胞称为暂不增殖细胞或休止期（G₀期）细胞，如肝细胞和肾细胞等。G₀期细胞与处于细胞周期中其他各期的细胞相比较，G₀期细胞的代谢较不活跃，对药物反应也相应不敏感。有人认为在肿瘤组织中的暂不增殖的细胞群可能是肿瘤复发的根源。

（2）DNA合成期（S期）：从G₁期进入S期是细胞周期的关键时刻，通常只要DNA的合成一开始，细胞增殖活动就会进行下去，直到分成两个子细胞，细胞一般不停留于S期、G₂期或M期。S期的主要特点是遗传物质DNA复制成两套，即DNA的量增加一倍，表现为细胞核明显增大，染色也加深，故S期又称为DNA复制期。在DNA复制的同时，组蛋白也进行合成。

（3）DNA合成后期（G₂期）：DNA合成终止，表明细胞已进入G₂期。G₂期的主要特点是合成构成纺锤丝的原料，如微管蛋白和少量RNA，并积蓄了足够的分裂期所需的能量。这一时期是为进入M期做好一切准备，所以又称为有丝分裂准备期。

2.有丝分裂期（M期）　M期是一个连续变化的过程，此期有明显的形态变化，一般为研究和描述的方便，人为地将整个分裂过程划分为前、中、后、末四个时期（图2－16）。

图2－16　动物细胞有丝分裂模式图

下面以动物细胞的有丝分裂为例来说明细胞有丝分裂各期的主要特点。

（1）前期　细胞在G₁期完成了分裂期的准备后进入M期。前期是指从细胞分裂的启动到染色体出现的时期。其主要特点是细胞核的体积明显增大。中心粒（或星体）经复制后分成两组，分别向细胞两极移动，中心粒之间出现细丝状的纺锤丝，相互连接，形成纺锤体（spindle）。细胞核内的染色质纤丝经高度螺旋化后，变短、变粗，形成了具有一定形态和数目的染色体。细胞核内的染色质不断凝集而出现染色体是M期开始的第一个可见标志。染色体数目随生物种属而异，如人类体细胞有46条染色体，狗有78条，猫有38条，果蝇有8条。此期的染色体已复制，每条染色体包含有两条染色单体，靠其共同部分——着丝粒连接在一起。也就是说在前期结束以前，可见染色体已纵裂为二，而着丝粒还没有分裂。在染色体形成的过程中，核膜和核仁逐渐消失，核基质和细胞质基质也就混合在一起。

（2）中期　中期是指已形成的染色体整齐地排列到细胞的赤道部位的时期。其主要特点是两组中心粒分别到达细胞两极，染色体移向细胞中央，全部染色体排列在梭形的纺锤体中央的平面上，与纺锤体的纵轴相垂直，这个平面称为赤道板（equatorial plate）。纺锤体微管附着在每条染色体的着丝粒（centromere）上。

（3）后期　后期是指每条染色体的两条染色单体分开，两组相同的染色体分别移向细胞两极的时期。其主要特点是每条染色体的着丝粒一分为二，两条染色单体就彼此分开了，这样就完成了染色体的分裂，此时每条染色体都有自己的着丝粒，是一条完整的染色体。由于纺锤丝的收缩，牵引着各自所连接的染色体逐渐向两极移动，结果成对的染色体被平分，形成了数目相等的两组染色体，分别集中于细胞两端。与此同时，细胞拉长，细胞中央的细胞膜向内凹陷。

（4）末期　末期是指染色体恢复到间期核的形态，细胞质也一分为二的时期。其主要特点是前期的逆转，集中于细胞两端的两组染色体停止向两极移动，并逐渐恢复成细长的染色质丝，最后又恢复成染色质网。纺锤丝消失，核仁和核膜重新出现，各自形成一个新的子细胞核。细胞膜中部的凹陷加深，即以横缢的方式把细胞质分割成两部分，这样就形成两个子细胞。末期终了则有丝分裂结束，细胞又进入间期。

细胞有丝分裂的生物学意义：母细胞将S期复制的两套遗传信息，通过恒定数目的染色体形成、复制和移动，把全部遗传信息在质和量上都准确地分配到子细胞，这样细胞的遗传特性就可一代一代地传递下去，保证了遗传的稳定性。

以上所述的是高等动物和人类的体细胞的增殖方式，但要增加个体的数目则必须由成熟的生殖细胞——精子和卵子结合成受精卵才能实现，而生殖细胞的成熟过程则是通过另一种特殊的细胞有丝分裂方式——减数分裂来完成的。体细胞有丝分裂后形成的每个子体细胞中的染色体数目不变，仍保持原来母细胞中的染色体数目，但经减数分裂后形成的精子和卵子中的染色体数目则比体细胞中的染色体数目减少一半，精子和卵子结合后又恢复到体细胞中的正常染色体数目。减数分裂的过程和意义详见后述。

（三）细胞增殖周期对医学实践的意义

肿瘤是机体内一类恶性生长的细胞组织，肿瘤细胞是从正常细胞转变来的。其产生是在某些理化因素和生物因素作用下，机体对部分细胞正常生长的控制功能发生了障碍，细胞不按机体需要而异常增殖，从而形成了肿瘤。肿瘤细胞生长迅速，且无限制，带有盲目性，不断增殖以致达到某种临界体积，最后导致宿主的死亡。肿瘤细胞生长快的主要原因并非其细胞周期比正常细胞的增殖周期为短，而是其中处于G₀期的细胞比较少，这样就有较多的细胞参与细胞周期，细胞倍增的时间就比较短。所以，肿瘤的增长情况取决于其细胞周期中3种细胞群的比例，若增殖细胞群的细胞越多，不增殖细胞群和暂不增殖细胞群的细胞越少，则肿瘤细胞生长越快，肿瘤的恶性程度越高。

抗癌药物可分为两大类。一类为细胞周期非特异性药物，这类药物破坏DNA的合成，使DNA断裂，也影响RNA和蛋白质的合成，因此对增殖细胞和非增殖细胞都有相似的杀伤能力，如氮芥、氮化芥和芥丁酸等。另一类为细胞周期特异性药物，这类药物抑制DNA的合成，只能杀伤处于增殖状态的细胞（即已进入S期的细胞），而对未进入细胞周期的暂不增殖细胞缺乏杀伤能力。后一类又可分为两类：一类为周期特异性药物，对细胞周期中各期增殖细胞都有杀伤能力，如环磷酰胺、放线菌D、氟尿嘧啶等；另一类为时相特异性药物，它有选择性地作用于细胞周期的某一增殖时期，对未进入这一时期的细胞无影响。如秋水仙素和长春新碱等主要作用于M期，破坏纺锤丝，从而起抑制有丝分裂的作用；又如氨甲蝶呤、脱氧核苷和阿糖胞苷等主要作用于S期。一般而言，对生长缓慢的肿瘤先选用细胞周期非特异性药物，进行短期大剂量冲击治疗，以破坏和杀灭肿瘤细胞，可使肿瘤缩小，促使未被杀灭的暂不增殖细胞进入增殖周期，随后再用细胞周期特异性药物来杀灭肿瘤细胞。对生长迅速的肿瘤，则先选用细胞周期特异性药物，杀伤处于增殖周期中的肿瘤细胞，并可减少对正常细胞的损害，然后再改用细胞周期非特异性药物杀伤暂不增殖细饱。

总之，细胞增殖周期的研究成果，对肿瘤的化学治疗有着一定的指导意义。在肿瘤治疗中，如能确定肿瘤细胞各期的时间，则选择对各期具有针对性的药物进行治疗即可。

二、减数分裂

（一）减数分裂的概念

减数分裂（meiosis）又称成熟分裂。减数分裂是生物的有性生殖中，成熟的生殖细胞在形成过程中的一种特殊的细胞有丝分裂，也就是由二倍体细胞（2n）变为单倍体细胞（n）的分裂过程。其主要特点是细胞连续分裂两次，而染色体只复制一次，分裂结果产生四个子细胞，成熟的生殖细胞中的染色体数目比母细胞中的染色体数目减少了一半，即由2n变为n。

（二）减数分裂的过程

减数分裂发生在由初级精母细胞或卵母细胞形成成熟精子或卵子的过程中，包括两次连续发生的有丝分裂，可分为前减数分裂和后减数分裂（图2－17）。

1.前减数分裂（减数Ⅰ）　该阶段包括前期Ⅰ、中期Ⅰ、后期Ⅰ和末期Ⅰ。

（1）前期Ⅰ　前期Ⅰ的时间较长，形态变化较复杂，在此期中有如下主要特点。由减数分裂前的G₂期进入前期Ⅰ后，细胞内的细胞核膨大，染色体形成，并逐渐变短、变粗，出现同源染色体（homologous chromosome）（形态、大小、结构相同，一条来自父方，另一条来自母方的一对染色体）的配对现象，称为染色体联会（synapsis）。此后可见配对的染色体各自纵裂为二，但着丝粒尚未分开，每条染色体呈二分体（dyad）形态，有n对染色体的细胞形成n对二分体染色体，这样每对同源染色体就形成四条紧密并列的染色单体，称为四分体（tetrad）。在四分体阶段，每对同源染色体中的非姐妹染色单体（non－sister chromatid）之间可以发生交叉现象，可导致相互交换一个片段，这就造成父源和母源染色体之间交换一部分遗传物质，又称互换。核膜和核仁逐渐消失。

图2－17　减数分裂图解

（2）中期Ⅰ　n对四分体染色体整齐地排列在纺锤体中央的平面上，形成赤道板。

（3）后期Ⅰ　在纺锤丝的牵引下，四分体中的两条二分体染色体分离，分别移向细胞两端。每一端只能获得每对同源染色体中的一条，至于是母源染色体还是父源染色体则完全随机。

（4）末期Ⅰ　到达细胞两端的染色体各为n条，染色体数目已减半，且都为二分体染色体，核膜和核仁重新形成，细胞质分裂，形成两个子细胞。每个子细胞中各含有n条二分体的染色体。

2.后减数分裂（减数Ⅱ）　该阶段包括前期Ⅱ、中期Ⅱ、后期Ⅱ和末期Ⅱ。

减数Ⅰ结束后，经过短暂的间期（有的物种可完全没有间期），染色体不再进行复制，便进入第二次减数分裂，减数Ⅱ各期的情况与一般细胞的有丝分裂过程基本相似，只是染色体数目有差异。每条二分体染色体的着丝粒分裂，两条姐妹染色单体分离成两条独立的单分体染色体，分别进入两个子细胞，两条姐妹染色单体中哪一条进入哪个子细胞也完全是随机的。减数Ⅱ的结果，即形成四个子细胞，但每个子细胞中各合有n条单分体染色体，即为每对同源染色体中的一条，比体细胞中的染色体数目减少了一半。

由此可知，减数Ⅰ是n对同源染色体中两条二分体染色体即父源染色体与母源染色体的分离和n对非同源染色体中的任何一条二分体染色体的随机组合。减数Ⅱ是n条二分体染色体中的两条姐妹染色单体的分离和n对非姐妹染色单体中任何一条单分体染色体的随机组合。例如：假设某种生物只有A和B、C和D两对同源染色体，减数分裂时，A和B要分离，C和D要分离，在不发生交换的情况下，非同源染色体的随机组合类型为2ⁿ（n为单倍体数），如2²＝4，即可能有AC、AD、BC和BD四种组合类型。在不发生交换的情况下，非姐妹染色单体的随机组合类型基本上是上述四种组合类型。如果发生交换的话，则配子的染色体组合类型将会更多。所以，减数分裂的实质是同源染色体的分离和非同源染色体的随机组合，从而造成了亲代配子的多样性。

（三）减数分裂的意义

1.保持物种染色体的数目恒定　经减数分裂后形成的成熟生殖细胞中的染色体减少一半，由2n变为n，精子和卵子结合成受精卵，又恢复到2n，保证了各种不同物种的染色体数目相对恒定，也就保证了遗传性状始终如一地保持相对稳定，这是减数分裂最主要的生物学意义。

2.产生种内的多样性　如上述减数分裂造成了亲代配子极大的多样性。例如：人类的染色体，如2n＝46，n＝23，通过减数分裂，在不发生交换的情况下，就可能产生2²³＝8 388 608种不同染色体组合类型的配子，如果发生交换，则组合类型将更多。这样具有极大多样性的精子和卵子的随机组合，即使不发生交换，也可产生941亿种不同组合的受精卵，可以说除同卵双生之外，几乎不可能有两个人完全相同，由此不难理解同一生物的多样性，正是由于极大多样性的配子为子代遗传性的变异提供了丰富的源泉。

3.为遗传定律提供了细胞学基础　在减数分裂过程中，同源染色体的联会、交叉、分离和非同源染色体的随机组合是遗传基本定律的细胞学基础。

4.减数分裂是导致染色体病的重要原因之一　减数分裂中因染色体的行为异常，如染色体不分离或丢失等，可产生异常的生殖细胞，受精后会形成异常染色体数目的个体。

知识链接

音乐指挥家——舟舟

舟舟是近年来家喻户晓的音乐指挥家，但你可知道舟舟的智商（IQ）只有30分，从理论和医生的经验上看他属于重度智力低下者，又称“弱智儿”。正常人体细胞有46条染色体，可舟舟的体细胞有47条染色体。父母染色体正常，但父母之一在形成生殖细胞（精子或卵子）的过程中，出现了分配差错，同源染色体或姐妹染色单体不分离，正常情况下双亲只能每人给舟舟1条21号染色体，而这时双亲之一却给了2条21号染色体，就导致了医学上不可逆的“先天愚型”——唐氏综合征。