细胞周期调控异常 医学院 病理生理教研室 刘 进 军

一、细胞周期的基本概念 细胞增殖周期通常简称细胞周期(cell cycle)，是指细胞从上一次细胞分裂结束到本次分裂终了的过程或间隔时间。根据细胞周期不同时相的特点，可将细胞周期顺序分为4个连续阶段，即G1期（gap phase l)、S期(synthesis phase)、G2期（gap phase 2)及M期(mitotic phase)。

细胞周期的特点有： 单向性 即细胞只能沿G1→S→G2→M方向推进而不能逆行 阶段性 在4个连续的时相中，细胞的形态与代谢特点有较明显的差异，细胞可因某种原因在某时相停滞(arrest)下来，待生长条件好转后，细胞可重新活跃起来过渡到下一时相。

G1期 G1期是指从上一次有丝分裂完成到本次DNA复制之前的过程，持续时间一般为6～l2h。在G1期有mRNA和蛋白的合成，G1期细胞的主要任务是积累能量和原料，为DNA的复制作准备，故又称DNA合成前期。 S期 S期即DNA合成期，持续时间一般为6～8h。S期末DNA含量增加1倍，细胞由二倍体变为四倍体。S期DNA的复制极其准确，每一段DNA只复制一次，从而可保证分裂后子细胞的遗传物质平均分配。S期DNA复制的起始存在“开启”和“关闭”机制(“on-of”switch)。DNA合成前设“检查点”(check point)。

G2期 G2期是指从DNA复制完成到有丝分裂开始的时间区间，持续时间一般为3～4h。只有完成了所有DNA复制后，细胞才进入G2期，故G2期又称DNA合成后期或丝裂前期。在G2期RNA和蛋白质合成活跃，有丝分裂所需的蛋白质、微管蛋白是在G2期合成的。此外，还进行线粒体的复制。 M期 M期即有丝分裂期，细胞进行分裂，一般持续时间为lh。M期是很复杂的过程，根据光镜所见，可顺序分成6个阶段，即前期(Prophase)、前中期(early metaphase)、中期(metaphase)、后期(anaphase)、末期(telophase)和胞质分裂期(cytokinesis)。 除M期外，其他各期都有生物大分子合成。前一期进行的生物合成为过渡到下一期做好准备。

G0期 G0是指分裂后相对稳定的一段时期，也称静止期(resting or quiescent phase)。所谓G0期不包括在细胞周期之内。细胞在适宜刺激下能被触发从静止状态进人增殖周期，G1期细胞在一定条件下也可退入G0期。 近年来的研究表明，G0期细胞并不"静止"，而是进行着极为复杂的生化反应。

细胞周期的4个阶段及其与G0期的关系

早期胚胎细胞的细胞周期 早期胚胎细胞周期主要指受精卵在卵裂过程中的细胞周期。 由于卵细胞在成熟过程中已经积累了大量的物质基础，基本可以满足早期胚胎发育的需要，因此早期胚胎细胞周期的G1和G2期非常短，以致认为其仅含有S期和M期。 非洲爪蟾受精卵前12个细胞周期共需8h，而其体细胞的细胞周期持续时间约24h。

非洲爪蟾体细胞周期和早期胚胎细胞周期比较 G1 S G2 M

二、细胞周期的驱动力量――cyclin和 CDK的磷酸化和去磷酸化 细胞周期的程序控制主要通过各种细胞周期蛋白(cyclin)和依赖细胞周期蛋白的蛋白激酶(cyclin dependent kinase，CDK)有序地磷酸化和去磷酸化，从而控制cyclin-CDK复合物的活性来实现的。 在各阶段还可以分别处理来自细胞内外的各种信息并作出相应的应答。组成这一自动程控机器的成分还有细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶抑制因子(cyclin dependent kinase inhibitor，CDI)、磷脂酶和遍在蛋白/泛素(ubiquitin)。

cyclin cyclin，目前一般译为周期蛋白或周期素，因其在细胞间期连续合成不断积累而活性出现周期性变化而得名，cyclin是一组结构类似、能结合并调节CDK的蛋白质，统称为cyclin家族，目前知道的有8种成员，即cyclinA、B、C、D…H。每一种cyclin有若干亚型，如D型包括Dl、D2和D3。周期蛋白在细胞周期的不同时相程序性合成与释放。它们作为调节亚基，需与不同的催化亚基(CDK)结合形成复合物(cyclin-CDK)，从而通过对功能蛋白的磷酸化修饰，控制细胞周期的进行。

1. cyclin A 用微注射法将cyclin A注射给非洲蟾蜍(Xenopus)卵母细胞可以促进后者成熟。人cyclin A在S期与CDK2结合参与调控DNA复制;与cdc2结合参与G2/M过渡。 2. cyclin B 人cyclinB基因于1989年由Hunter等克隆成功。cyclinB-cdc2复合物是成熟促进因子MPF(maturation-promoting factor)或称M期促进因子(M phase-promoting factor)的重要组成部分。 3. cyclin C cyclin C主要在G1/S起作用。它的催化底物及其本身的功能还不完全清楚。cyclin C的基因可能是p53蛋白的靶标。

4. cyclin D 有D1、D2、D3三种，其表达在某些细胞有相对组织特异性。 cyclin D的特点为产生快、衰变快(半衰期不足30min)，是细胞外生长信号的“探测器”。只要生长因子存在，D型cyclin就维持中等程度的表达，而在G1/S交界处达高峰。一旦生长因子(如CSF-l)去除，D型cyclin就立刻消失，不管细胞处在何期。D型cyclin的表达始于G0/ G1交界处，其活性直到G1中期才显示出来，对G1/S转换起重要作用。

图2. 细胞受丝裂原刺激后合成cyclin的时序和相对浓度 p27 丝裂原刺激 G0 G1 S G2 M D E A B

cyclinD通过与不同的蛋白结合可表现出截然不同的生理作用，它的结合物有CDK2、CDK4、CDK5、增殖细胞核抗原(PCNA)及p2l等。 应用显微注射，注入cyclinD抗体以阻断其功能的研究中发现：当G0期细胞在生长因子接触后10～12小时阻断cyclinD功能，细胞不能进入S期，但生长因子接触后14～16小时注入则不影响细胞进入S期。 提示cyclinD是细胞通过“限制点”所必需的。

5. cyclinE l991年克隆出人cyclinE的基因。cyclinE在G1晚期到S早期与CDK2结合成复合物而参与G1/S转换。 6. cyclinF与cyclinG cyclinF和cyclinG的氨基酸组成与cyclin A部分类似。其功能尚不清楚。cyclin G是已知的唯一受到p53调控的细胞周期蛋白。

7. cyclinH 哺乳动物细胞的cyclinH是CDK活化激酶(CDK-activatjngkinase，CAK)的调节亚基，帮助CAK催化p34的第161位苏氨酸残基发生磷酸化。 8. 增殖细胞核抗原 增殖细胞核抗原(PCNA)也是一种周期蛋白，但它不与CDK结合，而是作为DNA聚合酶的附属蛋白，促进DNA聚合酶延伸DNA。它在S期浓度最高，可作为S期标志物。

CDK家族 CDK是一组丝氨酸-苏氨酸蛋白激酶，目前发现有9种成员，有不同程度的同源性，故称CDK家族，各成员命名为CDK1，2，3…9。CDK含催化亚基，但需要cyclin提供调节亚基才有活性。通常以cyclin-CDK复合物形式出现。 CDK的上游尚有CDK活化激酶(CDK-activating kinase，CAK)。CDK也能与CDI结合，而抑制细胞周期。此外，CDK自身的磷酸化状态与其活性也密切相关，如CDK中的苏氨酸(T)残基和酪氨酸(Y)残基磷酸化，可使CDK激活，而活化的Thr残基发生去磷酸化则使CDK失活。

1. CDK1 CDK1又称cdc2。研究酵母的细胞周期调控时找到了许多对温度极敏感的突变株。温度的变化，可使细胞周期停止进行。分离出可阻断细胞周期的基因，命名为cdc(cell division cycle gene)。后来在哺乳动物(包括人)细胞中也找到了一些控制细胞周期的基因，这些基因在进化上高度保守，如酵母的cdc2与人的cdc28结构类似，编码产物是相对分子质量为34000的蛋白质，一般表示为p34cdc2/cdc28。

p34蛋白与CDKl的激酶功能区完全一样，所以认为cdc2编码蛋白就是CDKl。p34是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，在不同时相与不同的蛋白结合，表现出不同的功能。p34对G1/S转换和G2/M转换都是必需的。p34与cyclin B结合成的复合物是成熟促进因子(MPF)的重要组分，对驱动细胞进入M期至关重要。 1991年冷泉港(Cold Spring Harbor)实验室发起的一次细胞周期研讨会上决定把cdc2命名为CDK家族的第一号，即CDKl。

2. CDK2 1991年克隆出非洲蟾蜍和人的CDK2基因。CDK2活性于G1晚期开始升高，在S期和M期达高峰，CDK2对G1/S转换是必需的。CDK2的晶体结构已阐明。

4. CDK4 CDK4主要与D型cyclin结合。Dl-CDK4复合物在G1/S交界处含量升高，而在S期下降。CDK4与CDKl、CDK2、CDK3及CDK5均不同，它不能使组蛋白H1磷酸化。

名称 与之结合的细胞周期素 CDK1 CDK2 CDK3 CDK4 CDK5 CDK6 CDK7 CDK8 cyclin B 表1 细胞周期素及与之对应的CDKs 名称 与之结合的细胞周期素 CDK1 CDK2 CDK3 CDK4 CDK5 CDK6 CDK7 CDK8 cyclin B cyclin A,D,E 未知 cyclin D

细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子 (cyclin dependent kinase inhibitor，CDI) CDI是CDK的抑制物，通过与CDK非共价结合而抑制CDK活性的，是与cyclin-CDK作用相对抗的重要机制之一，参与细胞周期检查机制。哺乳动物细胞的CDI主要包括Ink4、Kip及GADD45等。 Ink4(inhibitor of CDK4的缩写)是一族CDK4的特异性抑制蛋白，只特异性抑制CDK4、 CDK6。第一个被鉴定的成员为p16，其他成员有pl5、p18及pl9。 Kip即kinase inhibition protein的缩写，包括p2l、p27及p57。

l. pl6 p16基因又称为多肿瘤抑制基因l(multiple tumor suppressor l，MTSl), 在S期达高峰。p16蛋白与cyclinD竞争CDK4或CDK6从而控制cyclinD/CDK4或cyclinD/CDK6复合物的形成与活性。 这种负性反馈调节机制有利于确保基因组DNA稳定，其功能的丧失意味着细胞周期运转机器刹车装置失灵，可能因此导致肿瘤的发生、发展及恶化，在Rb基因缺失情况下，pl6水平增高，故有人认为pl6是一种抑癌基因。

2. pl5 p15基因又称多肿瘤抑制基因2(MTS2)，定位于9p21，与p16基因相毗邻。p15蛋白与p16有90%同源性。p15含137个氨基酸，能与CDK4结合，抑制其与相应的cyclin结合。经TGF-β处理的人角化细胞，pl5表达增高30倍

3. p21 p2l是作用强度较大、作用谱较广的一种细胞周期抑制蛋白。 p2l通常也写作p2lCip/Wafl/Sdil/Picl，右上角的Cipl，Wafl，Sdil，Picl等表示其来源或最早得到发现的途径。 ⑴ p2l的发现 Elledge等人(1992年)用酵母CDK2筛选人蛋白，得到CDK交互作用蛋白(CDK interacting protein，Cipl)。与此同时，Vogelstein等用杂交法比较含野生型p53基因和突变型p53基因细胞申的mRNA，得到一个cDNA，后者是可被野生型p53活化表达的基因，故称Wafl(wild-type-p53-activated fagment)基因。几乎同时，另外一个实验室(Kinsella等人)从静止的人类衰老细胞中找到了一种能阻止细胞生长的Sdil (senescent cell-derived inhibitor 1)基因。细胞静止时Sdil mRNA增加10-20倍，血清刺激后短暂升高，在S期前降低。以后证实上述3种基因和蛋白质序列及功能相同，统称为Picl(p53-regulated inhibitor of CDK)。 但必须强调指出p2lCip/Wafl/Sdil/Picl和细胞癌基因ras产物p21ras毫不相干。

⑵ p21的基因及蛋白质结构与定位 p21基因为单拷贝基因，约85kb，p21蛋白定位于细胞核中，富含精氨酸。N末端为cyclin结合区，与cyclinD、E结合，C末端为PCNA结合区中间第49-72位氨基酸是CDK2结合区。人与鼠p21一级结构有79%的同源性，提示p21在哺乳动物物种进化过程中高度保守。

⑶ p2l的功能 ① 在G1期p2l抑制cyclinD-CDK4、cyclin A-CDK2 及cyclinE-CDK2，pRb不能发生磷酸化，细胞停滞于G1期，利于细胞进行修复。但p2l对cyclinB组成的复合物的抑制活性较弱。p2l与p27有协同作用。 ② 通过与PCNA结合使PCNA不能与DNA聚合酶δ形成复合物，或使DNA全酶复合物不能在模板DNA单链上滑动，影响DNA的复制。 ③在细胞应激时，p2l通过抑制应激激活蛋白激酶(stress-activated protein Kinase，SAPK)的活性，认为p2l参与细胞应激状态时的信号转导。

N C P21 蛋白的功能区域示意图 cyclin CDK2 PCNA 功能：主要在G1和G1-S期的转变阶段抑制cyclin-CDK活性 。 通过与PCNA结合影响DNA的“复制” 通过抑制SAPK参与应激时的信号转导 调节：p53依赖途径（p53作为转录因子启动p21表达） 非p53依赖途径（佛波脂、丫啶橙等可诱导p53－/－人类白细胞株 的p21表达。

4. p27 p27与cyclin-CDK结合成复合物，对后者有无抑制作用主要取决于p27的量，以化学剂量方式起作用。Go期细胞p27水平较高，从Go期到S期逐渐降低，在经过一个临界值后失去对cyclinD-CDK4或cyclinD-CDK6的抑制作用。p27主要受细胞外刺激诱导表达。 p27的作用特点: ①非特异性，p27可抑制所有CDK的活性;②化学剂量依赖性。

5. GADD45 GADD(growth arrest and DNA damage inducible)基因家族包括5个成员。GADD45对DNA损伤物质的诱导反应非常敏感，即使低剂量放射损伤即可诱导其表达。 GADD45将细胞阻滞于G1期，利于维持基因组DNA的稳定性。在癌前病变、遗传性运动失调性毛细血管扩张症，GADD45对放射损伤DNA诱导的应答存在缺陷。

图1.cyclin、CDK及CDKI 相互关系

内源性增殖抑制因子 抑制因子是细胞中产生的，具有组织特异性的，抑制生长 的调节分子，作用于细胞本身。有人称其为“抑素”。具有 以下性质： 无论在体内或体外，均能抑制有丝分裂，具有组织特异性 无种间差异 制造抑素的组织即是该抑素作用的靶组织 对有丝分裂的作用是可逆的，对细胞无损害作用

蛋白磷酸酶 蛋白磷酸化与脱磷酸化几乎涉及所有生理过程:从胚胎发育到细胞的生长发育、分裂分化、基因表达甚至癌变等。 它是使cyclin-CDK的靶分子去磷酸化的酶，其作用与cyclin-CDK相反。例如蛋白磷酸酶I(PPl) ，它在M期使Rb蛋白发生去磷酸化。ＰＰ2Ａ主要在Ｇ2/Ｍ相过渡和Ｍ期的终止时参与一系列磷酸化的过程,阻止细胞进入有丝分裂期。

以遍在蛋白为中介的蛋白水解体系 cyclin的浓度依细胞周期而变化，其产生取决于mRNA的转录与蛋白质的合成，其降解则需要蛋白水解体系，这种水解是以遍在蛋白(泛素)为中介的。遍在蛋白是高度保守的小分子蛋白。cyclin被分解时，先在一种特定的连接酶作用下，遍在蛋白连接到cyclin分子特定的位点，然后由依赖遍在蛋白的蛋白水解酶作用，将cyclin连同遍在蛋白一起水解掉。

酵母cdc34和UBC9(UBC为ubiquitin-conjugating的缩写)基因编码2个遍在蛋白的连接酶，cdc34编码产物在S期将遍在蛋白与G1期cyclin即Clnl和Cln2等连接，帮助蛋白水解酶分解这些cyclin;而UBC9产物在M期将遍在蛋白与Clb连接，帮助蛋白水解酶分解这些因子。 所以，泛素中介的蛋白水解体系异常与细胞周期异常及肿瘤发生也有一定关系。

E2F E2F是一类细胞转录活化因子，因首先发现它可激活腺病毒E2启动子而得名。已发现E2F有5个成员，即E2F-l~5。E2F通常以与其他蛋白质形成复合物的形式存在，只有少数细胞株(如HeLa细胞)含有大量游离形式的E2F。许多DNA合成基因和细胞生长控制基因的启动子中都存在E2F的结合位点，E2F可直接活化这些基因，启动DNA合成，从而使细胞进入S期。

E2F功能区与pRb(或RB相关蛋白p107和p130)结合后，其功能区被遮盖，从而使其活化转录功能被抑制。也就是说，E2F因与pRb结合而失活。但只有去磷酸化状态的pRb才能结合和抑制E2F，诱导细胞阻滞于G1期。磷酸化状态的pRb则不能抑制E2F的功能，从而使细胞由G1期进入S期。 p107（pRb相关蛋白）有丝(苏)氨酸蛋白激酶活性，与CDK2结合，使之磷酸化，抑制其活性。pl07通过与E2F4结合调控转录。

三、细胞周期的检查机制 细胞周期最主要的任务是将其基因组DNA在DNA合成期(S期)完整地复制成两份拷贝,然后在分裂期(M期)将这两份拷贝正确无误地分配给两个子代细胞。细胞在长期的进化过程中发展出了一套保证细胞周期中DNA复制和染色体分配质量的检查机制,通常被称为细胞周期检查点(check-point)。

细胞检查机制的含义是细胞周期内部事件的有序进行基于一种依赖关系，即下游事件的启动依赖于上游事件的完成，当下游事件完成后产生一个信号，然后由细胞周期上游的应答元件作出反应，故也称为反馈机制。细胞周期检查机制障碍与肿瘤、衰老、凋亡等的发生有密切关系。

根据“质量控制”的内容,可将细胞周期检查点分为三种。 第一种负责查看DNA有无损伤,称为DNA损伤检查点(DNA damage check-point); 第二种负责DNA复制的进度,称为DNA复制检查点(DNA replication check-point); 第三类是管理染色体的正确分配与否,称为纺锤体组装检查点(Spindleassemmblycheckpoint),因为染色体的分配主要依赖于纺锤体的作用。

DNA损伤检查点 (DNA damage check point) 一般认为,DNA损伤的出现可以迅速地激活DNA损伤检查点。由于DNA损伤可以发生在细胞周期的任一个时期,包括G1期、S期、G2/M期中,且DNA损伤有许多种类,所以存在多种探测DNA损伤的手段。它们可以在不同的时期对特定的DNA损伤进行检测。 在G1期DNA损伤时,可以引起p53的积累和活化;p53则可以诱导p21的转录。p21蛋白结合在Cdk4/6或Cdk2上,造成G1期的休止。最近又发现p53和p21的活性对于维持G2期的休止也是必需的。

DNA复制检查点 (DNA replication check-point) DNA复制检查点在检测DNA复制的完成情况时,常常是通过参与DNA复制的蛋白质来进行。有实验表明,DNA合成酶Polε和复制因子RFC的亚基Rfc5就负有探测的功能。DNA复制检查点的机理研究发现,其工作方式也主要是采用磷酸化。检查点除了要停止细胞周期的运行外,还需要修复损伤或排除故障。 PCNA是DNA复制机器中一个重要的辅助蛋白。越来越多的研究表明,PCNA既可以同检查点蛋白如p21结合,又能与DNA修复蛋白或DNA连接酶I结合。通过这种连接,细胞就能修复DNA损伤。

纺锤体组装检查点(Spindleassemmblycheckpoint) 染色体的移动依赖于纺锤体微管蛋白结合在着丝点上的运动。参与该检测点最重要的2类基因是MAD和BUB。MAD2和BUB1存在于尚未结合微管的动粒上,这两种蛋白在着丝点上可以探测动粒与微管的结合。 研究证实，用激光特异地破坏尚未与微管联结的动粒，发现尽管染色体依然滞后，细胞周期却可以随之向下一阶段转化。 提示未与微管联结的动粒确实可以发出抑制信号，抑制细胞周期向下一阶段运转。

后期促进因子（APC） 1995年KING 在非洲爪蟾卵种分离出了一种20S的蛋白复合体，称之为APC。在E1、E2、泛素和ATP再生体系存在的情况下，APC可以在体外将cyclinA、B降解。进一步研究证实，APC至少有8种成分，其中4种为cdc16、cdc23、cdc27及bimE.已证明人cdc16和cdc27位于中心体和纺锤体上。 抗cdc27抗体显微注射可将细胞抑制在分裂中期。在非洲爪蟾体系中用抗cdc27抗体处理上述20S的APC，可以使其泛素化活性丧失。

已证实cdc20是哺乳动物细胞中有丝分裂检测点的正调节因子。在有丝分裂后期APC会降解Ｍ期的周期蛋白,从而推动细胞从Ｍ期进入Ｇ1期。纺锤体装配检查点可诱导Mad2与cdc20的结合,使cdc20无法激活APC,导致细胞周期停止在Ｍ期。当纺锤体装配完成后，动粒全部被动粒微管蛋白捕捉，Mad2从动粒上消失，对cdc20的抑制解除，促使APC活化，降解cyclinB。如研究发现有丝分裂检测点中起重要作用的蛋白Mad2表达下降会导致乳腺癌的发生。

细胞周期检查点的特点 首先,检查点的机制很保守,从酵母到哺乳动物细胞都很相似,许多酵母细胞的检查点蛋白质都有哺乳动物细胞的同源蛋白质。 其次,蛋白质的磷酸化调控被细胞周期检查点用作信号传递的主要方式。 最后,检查点通过关闭细胞周期的引擎CDK来中止细胞周期的运行。

四、细胞周期调控的分子机制

（一）、G1期 G0期与G1早期交界处有一个检查点，决定细胞是停留在静止状态，还是从G0期进人G1期。G1早期这一检查点，通常称为限制点(restriction point)。 G1晚期与S期交界处(表示为G1/S交界处)也有一个检查点，负责检查染色体DNA是否有损伤，如DNA有损伤，则要求细胞先进行修复，然后才能复制，以免遗传信息传递出错。 细胞在通过G1晚期检查点之前一直对各种刺激(生长因子、丝裂原、分化诱导剂等)敏感。

G1晚期检查点决定是否进入S期，这最终取决于外界环境能否提供增殖信号及细胞内部有无出现障碍。去除丝裂原后，许多分化的哺乳动物细胞可以从细胞周期退出进入G0期;也有一些细胞停滞于G1期，然后发生凋亡，换句话说，G1期细胞的命运取决于外部信号能否诱导G1期细胞合成D型cyclin等主要调控蛋白。

pRb及其相关蛋白 G1期CDK的主要作用底物是pRb或pRb的相关蛋白。Rb基因首先从视网膜母细胞瘤（retinoblastoma)中鉴定出来，是一种肿瘤抑制基因。Rb基因失活可促进肿瘤的发生发展。cyclinD CDK可使pRb磷酸化。非磷酸化的pRb能结合转录因子E2F使之处于失活状态，从而阻止细胞周期的推进。

pRb的磷酸化和去磷酸化依细胞周期而精密受控。在G1初期，pRb以非磷酸化的形式存在;pRb的磷酸化主要发生于G1中期，在S期和G2/M期以高度磷酸化的形式存在;直到M中晚期才在磷酸酶1的作用下发生去磷酸化，并持续到下一个细胞周期的G1中期。所以pRb的磷酸化修饰是G1/S期交界的中枢性调控事件。

G1/S期交界调控示意图 DNA损伤（射线） p53↑ 启动凋亡程序 GADD45↑ (－) p21↑ 结合PCNA →DNA复制↓ Cyclin E/CDK2复合物活性↓ pRb-E2F pRb-P＋游离的E2F G1期阻滞 DNA合成细胞进入S期 G1/S期交界调控示意图

G1/S交界检查点 G1/S交界检查点负责检查DNA是否有损伤，细胞外的微环境是否有足够的供完成细胞分裂所需的营养原料，DNA合成底物是否已做好准备等。此处的检查机制至少包括p2l、p27、p16、pl5及GADD45等，它们均有抑制cyclin D CDK的作用。p2l和GADD45主要受细胞内信号(如DNA损伤)调节，而p27主要受细胞外信号调节。

离子射线可诱导细胞增加表达p53，后者可诱导p2l和GADD45表达增强，从而使细胞阻滞于G1后期。 遗传性运动失调性毛细血管扩张症(AT)患者的细胞经照射后不能积累p53，故AT患者对电离辐射高度敏感，发生肿瘤的倾向极高。p53突变的细胞经DNA损伤剂处理后，不能休止在G1期，经导入野生型p53，细胞再用电离辐射处理后则变为能休止在G1期。可见p53是在G1/S期执行DNA损伤检查的关键蛋白。p53与染色体的稳定性有关。

在G0期，细胞内p27维持在一个恒定的较高水平，推测p27起一种阈值设定者(threshold setter)的作用。在Go期，细胞内含有较高而相对恒定浓度的p27而缺少CDK，随着从休止状态解放出来，细胞开始合成cyclin和CDK，并积累cyclin CDK复合物，但它们大多因被p27所结合而失活。当细胞内cyclin CDK复合物增加到某一临界值后，可将p27完全结合，此时，细胞内游离的cyclin CDK复合物开始积累，细胞周期向S期推进。

（二）、S期 S期的主要任务是进行DNA复制与修复。DNA复制的重要意义在于使细胞代代相传中能准确地保存自身的遗传信息。在每一条染色体的DNA分子上，有3种特异的核苷酸序列是复制所必需的，它们是多个复制起点(replication orgin)、l个着丝粒(centromere)和2个端粒(telomere)。 真核细胞DNA复制是多点起始、双向复制的，不仅要启动DNA复制而且要关闭复制，以确保每段DNA在一个细胞周期中只复制一次，即S期DNA复制的起始存在"开启"和"关闭"机制。 再复制控制(re-replication control)机制

l. S期的cyclin /CDK S期初期主要发生cyclinE和A激活CDK2，两者都是启动DNA复制子所必需的。 继cyclinE激活CDK2后不久，发生cyclinA激活CDK2，且与可测定出的DNA合成同步。G1晚期阻滞细胞可表达一定水平的cyclinE，但不表达cydinA。cyclinA的过高表达足可克服S期阻滞。 S期的CDI主要为p2l。DNA损伤可诱导p2l表达，p21可抑制所有已发现的cyclin-CDK复合物。在S期p2l抑制PCNA参与DNA的复制与修复。

2. DNA复制的开启与关闭 DNA复制的起始特殊序列，称为复制子(replicator)，复制子是否开启，决定于复制子与启动有关的DNA结合蛋白组装成复制复合物(replication complex，RC)及其状态。起始识别复合物(orgin recognization complex，ORC)，ORC由6种多肽组成; 自主复制序列(autonomously replicating sequence，ARS)与DNA复制起始有关，它与蛋白质结合。ORC突变可使细胞阻滞于S期。极可能cdc28可直接激活ORC。cyclinE CDK2或cyclinA CDK2与ORC-ARS呈怎样的关系，目前不完全清楚。

ORC-ARS复合物的影响因素 已知道的有cdc6、cdc7等。cdc6有ATP-GTP酶的活性，可能与DNA解旋有关，cdc6有3个能被cdc28磷酸化的潜在位点。缺乏cdc6的细胞，虽能继续进行周期，但不能进行DNA复制，而进入假有丝分裂状态，使M期缩短。cdc7的浓度不依细胞周期而变，但其活性在G1/S交界处达到峰值，如cdc7基因发生突变，则DNA复制不能启动。此外，ARS中的TATA盒及ARS的侧翼元件对起始DNA的复制也是重要的。

DNA合成起始的关闭机制 DNA合成起始的关闭机制还不清楚，可能与核膜的完整性有关，因为发现自然的有丝分裂或者人为使核膜解离均可诱导早期两栖动物卵的新一轮基因组的倍增。有人认为核膜上联系着一种限制复制的因子，其在细胞内的分布随细胞周期而改变。另一种观点认为复制的“开”和“关”是一个事情的2个方面。cyclinCDK作用于复制复合物后，后者启动复制子并迅速使其发生分子构象的改变或解体而失活。再如cdc2有两种状态，一种促进S期，一种促进M期，二者可以互变。

（三）、M期 M期的驱动器为MPF。MPF主要由cdc2和cyclinB构成。cdc2的水平比较恒定，所以MPF的活性主要随cyclinB波动而改变。在整个细胞周期过程中，由cyclin B限定的转换有三处: 第一相，cyclinB合成自G1初期开始逐渐增加，在M期之前达到激活MPF的阈值水平, cyclinB达到阈值后至MPF的快相激活存在一个时间间隔，称之为延迟激活(lag activation)，此期间cyclinB继续增加，MPF的快相激活启动M前期(Prophase)。

第二相，MPF激活后经过一个平台期，MPF激活泛素介导的蛋白水解体系，将cyclinB破坏，启动M的后期(anaphase) 。同样cyclinB活性的破坏也要经过一个慢相积累，所以cyclinB的破坏为延迟破坏(lag destruction)，便于进行纺锤体的组装。 第三相，cyclinB的破坏机制关闭，细胞周期重新开始(reset)，cyclinB重新积累，周而复始。 第一相和第二相完全由细胞分裂的内部信号控制，第三相则受外部信号调控。

1. MPF的激活 p34与cyclinB结合及p34的磷酸化是MPF活化的关键步骤。p34的T161磷酸化受CAK(cdc2-activating Kinase)催化完成。PP2A可使磷酸化的T161去磷酸化，从而抑制p34的活性 。T161磷酸化使p34处于一种特殊空间构象，适合与cyclinB结合。当p34与cyclinB结合后空间结构发生变化，使Tl4Y15残基暴露出来，M期之前weel-mikl关联蛋白使之磷酸化，此时cyclinB-p34没有活性。进入M期，cdc25将p34TI4Y15磷酸基移去，于是MPF激活。

1 2 4 3 M期调控示意图

2. MPF的灭活 MPF的活化状态一直持续到M期的中期，此时细胞骨架结构的改变被识别，触发MPF的灭活机制而将cyclinB降解，结果MPF失活，细胞进入后期和胞质分裂期。 另一种观点认为在后期，姐妹染色体的分离不需要MPF的失活，只有胞质分裂期依赖MPF的失活。MPF灭活的细节尚知之不多。MPF的失活将结束一系列磷酸化反应，细胞离开M期。MPF的失活状态一直持续到下一个M期的前期起始处，磷酸化状态适于细胞的分裂，而去磷酸化作用，则使细胞回复到间期状态。

3. M期的检查点 ⑴ G2/M期检查点 G2期检查点负责检查DNA复制是否完成。 DNA复制末完成，则可激活weel-mikl蛋白激酶。weel-mikl可使p34的Tl4Y15发生磷酸化，MPF失活，细胞阻滞于G2期；DNA复制已完成，则cdc25表达出cdc25蛋白（p54/80），使p34Tl4Y15上的磷酸基被水解掉，MPF呈现活性，细胞进入M期。

⑵ M中期末的检查点 M中期末的检查点是指cyclinB的灭活机制。其中APC活性变化是认识细胞周期由分裂中期向分裂后期转化的关键问题之一 APC各成分在分裂间期中表达，但只有到达M期后才表现出活性，提示M期CDK活性对APC的活性起着调节作用。 APC活性受到纺锤体装配检查点的监控，纺锤体装配不完全或所有动粒不能被动粒微管捕捉，APC不能激活。

五、 细胞周期控制与细胞外部信号 细胞的外部环境可影响细胞周期。 单细胞的酵母可因外部的营养条件改变而影响细胞的分裂。同时酵母细胞之间也有信息的交换。多细胞生物，有严密的调节系统，细胞对不同信号进行整合，然后作出反应，究竟休止在G0期抑或是进入细胞周期，则主要取决于各种细胞调控分子的浓度和活性的对比。cyclin、CDK及CDI的半衰期均较短，它们活化发挥作用后很快失活，故细胞持续分裂依赖细胞外生长信号的持续存在;另一方面，细胞进出细胞周期是可逆的。

细胞因子 根据对细胞生长影响的性质，可将细胞因子分为正调控因子和负调控因子。 正调控因子（如PDGF、IGF、FGF等）促进G0期细胞进入G1期，继而进入S期。 负调控因子（如TGF-β）处理培养细胞，可使之休止在G1期，可能与其诱导p27产生和抑制CDK4表达有关。

HIV AIDS 病毒HIV感染时可使T细胞（主要是CD4T细胞）上的CDK1上的酪氨酸残基过分磷酸化而失活，并使cyclinB积聚，CDK1是细胞由G2期进入M期的主要激酶，cyclinB的降解则是进入M期的必要条件，因而HIV的感染造成细胞停留于G2期，最终导致细胞凋亡。

EB 病毒 体外实验证明ＥＢ病毒潜伏感染人外周血Ｂ淋巴细胞后可以活化Ｂ细胞的细胞周期,促使静息期的Ｂ细胞转化为永生化大量增殖的类淋巴母细胞系(LCL)。同时大量试验也证明ＥＢ病毒的潜伏感染与多种肿瘤及淋巴增生性疾病如伯基特淋巴瘤(ＢＬ),鼻咽癌(ＮＰＣ）等有密切的关系。这提示了ＥＢ病毒可活化细胞周期。 ＥＢ病毒对细胞周期的活化可能主要是通过pRB调控途径,而不干扰ｐ53的调控途径。对于pRB调控途径,ＥＢ病毒通过提高生长因子受体活化信号转导途径,结合周期素Ｄ的高表达消除宿主细胞对生长因子的需求,使pRB持续细胞磷酸化,细胞大量增殖。

X射线照射 小剂量全身照射可促进细胞增殖过程,使其DNA合成增强。 中剂量全身照射后,细胞出现明显的DNA合成抑制,G1和G2阻滞及有丝分裂延迟,且G2阻滞呈现较明显的剂量效应关系。 大剂量全身照射,射线所致的DNA断裂可形成p53蛋白的积累,使细胞周期停滞在G1期,若受损的DNA不能修复,则p53蛋白可促进凋亡蛋白转录,或促使高尔基体释放储存的死亡受体,与死亡配体特异结合而诱导细胞凋亡。

低频电磁场 磁场作用于生物体后,在生物体内引起一系列的生物学效应。不同种类的细胞对磁场具有不同的敏感性,取决于磁场强度和持续时间,不同的细胞对相同的磁场强度反应不同,而相同的细胞对不同的磁场强度反应亦不同,并与处理时间长短有关。 低频电磁场（ LFEMF）可促使静止态的HUMEC由Ｇ1期向Ｓ期转变,使ＤＮＡ合成量增多,但随磁场作用时间延长,促进作用减弱变为抑制作用。 既往的研究中发现LFEMF可以显著抑制ＶＳＭＣ的增殖 。

高糖 高糖可诱导体外培养的ＶＥＣＳ凋亡,并且具有时间 效应和浓度 效应关系。研究显示,高糖培养ＶＥＣＳ72ｈ,Ｇ0 /Ｇ1期细胞比例增加,Ｓ和Ｇ2 /Ｍ期细胞比例下降,同时出现了凋亡亚二倍体峰。 免疫印记法证实在高浓度糖中培养48～96小时的系膜细胞表达p27蛋白，有研究认为p27在高糖培养的系膜细胞肥大中起关键作用，是TGFβ抑制增殖作用的靶点。 高糖刺激p21表达，p21过表达抑制生长因子诱导的系膜细胞增殖，使细胞停滞，不进入S期，细胞合成蛋白增多，抑制DNA合成和细胞分化。

细胞粘附 　细胞生长及存活大多需要粘附于细胞外基质(ＥＣＭ),若阻止细胞粘附,则引起细胞生长阻滞或凋亡。而细胞由粘附依赖性向非粘附依赖性的转变意味着肿瘤源性的转化。细胞通过粘附于ＥＣＭ而导致细胞内传导通路的激活,继而细胞由Ｇ1期进入Ｓ期。 细胞粘附可激活cyclinE-CDK2活性 cyclinＡ的ｍＲＮＡ表达依赖于细胞粘附 生长因子与ＥＣＭ协同作用促进Ｒｂ磷酸化

六、细胞周期调控与疾病

关于分化的认识 受精卵在通过细胞分裂增殖发育成一个个体的同时，原始细胞还向不同方向演变为具有稳定的形态结构、生化特征和生理功能的不同类型的细胞。这种通过细胞分裂逐渐产生与来源细胞在结构和功能上有稳定差异的过程就是细胞分化。

1. 细胞分化调控 分化细胞的全能性： 已分化细胞仍保留着同受精卵一样的全套基因组，这已为核移植试验所证实。 细胞分化是基因的程序性表达： 细胞分化的实质是组织特异性基因在时间与空间上的差异表达。借助于组合调控，某种关键基因调控蛋白通过对其他调控蛋白的级联启动，诱发整个器官的形成。

在眼的发育中有一种关键性调控蛋白称Ey，如果将果蝇的ey基因导入到早期发育中将形成腿的细胞中表达，结果ey基因异常表达最终诱导产生构成眼的不同类型细胞的有序三维组合。 在腿的中部形成眼

2.影响细胞分化的因素 细胞外信号 细胞记忆与决定 受精卵细胞质分布的不均一性 细胞间的相互作用与位置关系 环境对性别的影响

3.细胞分化调控紊乱 胚胎发育的分化紊乱 各种致畸物影响胚胎发育调控机制，引起畸变 成年个体的细胞分化障碍 主要表现为各种恶性肿瘤，恶心肿瘤是未分化或分化不完全的干细胞的增殖失控而其分化受阻所致，可以认为细胞恶变是细胞增殖和分化间的偶联平衡失调的结果。 诱导分化，即建立增殖和分化的偶联，作为治疗的手段亦非常诱人（如全反式视黄酸治疗急性早幼粒细胞白血病）

（一）、肿瘤 细胞生长是通过细胞周期来实现的，在周期内出现的一系列有序的生化反应和结构功能的变化，是由于不同基因按照时间顺序活化和表达的结果。肿瘤细胞增殖就是由于调控失衡造成的。外部环境如细胞因子与细胞表面的受体结合通过引发级联式反应促进细胞生长;另一方面，细胞内癌基因的激活也促进细胞生长，这2个方面的因素最终都要通过影响细胞周期而起作用。从细胞增殖周期的调控机制来看，细胞增殖过度的原因不外乎2个方面:驱使细胞周期的力量过强(cyclin和CDK表达过高)，或检查与刹车系统失灵(检查机制障碍)。

1、cyclin过量表达与肿瘤 目前研究较多的是cyclinD和cyclinE。cyclinＤ1异常表达广泛存在于各种实体肿瘤和血液系统肿瘤中,并与很多肿瘤的组织分级、临床分期、预后和疗效有关 cyclinD1在肿瘤中的异常变化有: ①基因扩增;②染色体倒位;③染色体易位。D2和Ｄ3异常表达在血液系统恶性肿瘤更多见。cyclinＤ1转基因鼠自发形成肝癌,并且反义Ｄ1能抑制其肝癌生长。过表达cyclinＥ和Ａ也促进肿瘤细胞生长,而限制其表达则抑制肿瘤,甚至引起其凋亡。乳腺癌中cyclinE的增加不仅与肿瘤组织分级和临床分期有关,而且与不良预后和较高死亡率有关。人成骨细胞肉瘤细胞中有与ｐ53相关的cyclinＧ1过表达。

目前普遍认为Ｇ1期cyclin是原癌基因。有学者提出肿瘤本身就是细胞周期异常疾病。在cyclinＡ上有乙型肝炎病毒(HBV)插入位点。当HBV与cyclinＡ整合时, cyclinＡ的Ｎ末端至“cyclin盒”的序列被HBV的蛋白取代。这种HBV-cyclinＡ嵌合蛋白丧失了cyclinＡ本身的降解结构而不能降解。在HBV感染的肝细胞中,由于HBV-cyclinＡ蓄积,使cyclinＡ作用持久细胞快速进入Ｍ期,不受控制地增殖而发生恶性转化,最终产生肝细胞癌 。

2、CDK的过量表达与肿瘤 目前认为在CDK中，CDK4和CDK6与肿瘤有密切关系。CDK4可能是TGF-β介导生长抑制的靶蛋白。用TGF-β处理人角化细胞时可抑制CDK4的mRNA表达。MVlLU细胞用TGF-β处理时可引起CDK4的减少，但不影响其mRNA的表达。高浓度的CDK4可对抗pl5的作用。在诱导细胞分化过程中，常有CDK4表达的下调。而持续高表达CDK4则抑制细胞分化。

3、CDI表达不足、突变与肿瘤 细胞检查机制的失控是导致肿瘤发生的另一关键环节。当机体内在因素、外来因素对机体细胞基因组DNA的完整性造成损害时，细胞不能通过检查点而阻滞于G1期。由此出发，细胞因而可能有3种不同的命运: ① 修复DNA损伤后，完成细胞周期; ② 损伤不能修复，启动凋亡程序;

③ 携带损伤DNA的细胞不发生G1期阻滞，也不能启动细胞凋亡，若变异的基因组DNA不能被修复，则此有丝分裂过程称为有丝分裂灾难(mitotic catastrophe)，而该细胞称有丝分裂灾难细胞。

4 、肿瘤细胞检测点功能缺陷与增殖的矛盾 细胞周期检测点的功能缺陷固然为肿瘤细胞提供了生长优势,不过矛盾的是,它也使肿瘤失去了一个保护机制,因为检测点功能缺陷的细胞通常对引发检测点缺陷反应的化学试剂或射线极为敏感。近年来对Ｇ2期检测点的研究发现,许多抗癌药物会破坏Ｇ2期检测点从而导致肿瘤细胞死亡。

进一步对小鼠的异体移植肿瘤的研究显示,ｐ53或ｐ21的缺失使体内肿瘤细胞对化疗的敏感性增加。UCN01是一种与星形孢菌素有关的蛋白激酶,能有效破坏Ｇ2期检测点,从而增加ＤＮＡ损伤试剂对癌细胞的细胞毒性。研究显示UCN01通过ｐ53功能缺陷有效地破坏了癌细胞中的Ｇ2期检测点。这些发现一方面进一步阐述了肿瘤的发生机制,另一方面还为肿瘤的治疗提供了很好的研究方向。

5、控制细胞周期为肿瘤治疗提供全新策酪 (1)抑制cyclin表达 体外和裸鼠体内实验证实，向肿瘤细胞注射抗cyclinDl抗体、反义寡核酐酸和导入录反义cyclinDl的重组质粒，可在一定程度上抑制肺癌细胞由G1向S期过渡，并改变转化细胞的形态。

(2)修复缺陷的细胞周期检查机制 将野生型CDI(如p16，p2l，p27)基因导入肿瘤细胞可使细胞停滞于G0/G1，如将外源p27引入人星形细胞瘤细胞系获得高表达时，能够抑制瘤细胞的恶性表型和减少非整倍体细胞的积累;又如将p2lcDNA导入人脑、肺、直肠癌等多种瘤细胞株，可抑制瘤细胞生长。 如能诱导CDI高表达，则也可能达到类似疗效。电离辐射处理骨髓瘤细胞系，1，25-(OH)2VitD3，处理He压细胞，均可诱导G1期细胞中游离的p27积累。

关于衰老的决定因素的两个小试验 决定因素在细胞内 决定因素在细胞核内 老年男性细胞（无巴氏体）与青年女性细胞（有巴氏体）混合培养两类细胞的倍增次数与分别单独培养时相同 年轻细胞胞质体（细胞松弛素处理B去核）与年老细胞融合后杂种细胞不能分裂；年老细胞胞质体与年轻细胞融合后，分裂能力与年轻细胞几乎相同。 决定因素在细胞核内

（二）、衰老 正常细胞达到40～60代后,就进入周期停滞的衰老阶段（早老症患者的成纤维细胞在体外只能传代2～3次） 。此时,人类二倍体成纤维细胞中的CDK及cyclin均有异常表达:cyclinD、cyclinE的mRNA水平比休眠细胞高很多倍,这说明衰老细胞中mRNA的下调机能失控。这必然导致过量的cyclinD,E产生。但磷酸化cyclin却比休眠细胞少得多,而这种磷酸化的cyclin却可以提高cyclin-CDK复合物的活性。

另有研究表明,衰老细胞中虽然CDK2总磷酸化水平不变,但cyclinD,E-CDK中的磷酸化水平却下降,从而导致细胞停滞于G1期。两月龄的小鼠细胞周期总长为10.1h，而27月龄者竟达15.2h，细胞分裂速度明显减慢，其主要原因是G1期明显延长，S期变化不大。

在衰老细胞没有cyclinA,cyclinB,CDK4,CDC2的mRNA及产物。此外,还可能由于缺乏转录后调节而没有PCNA的成熟mRNA及产物。同时衰老细胞中p21的表达量比正常增殖的年轻细胞高20倍,这也可能是引起细胞衰老及细胞增殖周期失同步现象的原因。CDK与cyclin在衰老细胞中的异常表达是一个较新的课题,随着人类对衰老基因的进一步了解,其中的原因最终会被找到。

（三）、肾脏疾病 1、膜性肾病 膜性肾病是引起蛋白尿和肾功能减退的另一组疾病。肾小球脏层上皮细胞(GEC)受损后不能充分增殖覆盖小球基膜是这一病变发展的重要环节。和肾小球系膜细胞和内皮细胞不同体内GEC的增殖能力相当有限。现在一般认为成熟的GEC刺激后能进行暂时有限的DNA合成,但往往阻滞于M期不能进行细胞分裂。在膜性肾病动物模型(PHN)中,补体介导的GEC受损可以引发DNA合成甚至形成多倍体,但GEC数量不增。GEC的增殖能力减弱可能也和CKI的过度表达有关，尤其是P27的过度表达是GEC增殖能力减低的原因 。

2.糖尿病肾病 糖尿病肾病是引起肾功能减退的重要病因之一, 早期主要表现为肾小球肥大、GFR增高。在糖尿病实验模型中,同增殖性疾病相反,无G1/S期Cyclin及CDK2、CDK4的改变,肾小球p27表达增高,而pRb处于低磷酸化状态。用p27反义寡核苷酸可以促进高糖环境中系膜细胞的增殖,减少细胞肥大。 目前认为糖尿病早期的肾小球肥大也是由TGF-β1所介导的。高血糖或糖基化产物促进体内TGF-β1及受体表达,TGF-β1又作用于细胞周期调控蛋白,使pRb维持于低磷状态,抑制细胞增殖。

3、肾小管间质性病变 多种因素会损伤肾小管上皮细胞,引起小管间质细胞的增殖、修复和坏死,同时伴有一系列细胞周期调控蛋白表达的上调。肾缺血损伤后,其外髓部PCNA染色阳性细胞迅速增多,并伴有CyclinD1、D3、B、A含量及CDK4、CDK2蛋白含量及活性的增加。

（四）动脉粥样硬化 在动脉粥样硬化(AS)的病理损害中,血管平滑肌细胞(VSMC)的增殖起着核心的作用。以往的研究发现,蛋白激酶C(PKC)在VSMC增殖反应中起着重要的信号转导作用。利用基因转染技术建立过度表达PKC的VSMC细胞模型中,PKC的高表达能抑制cyclinD、cyclinE水平,而p27蛋白水平却显著高于正常细胞, 进一步研究证实p27蛋白是决定VSMC能否进入细胞周期进而增殖的关键。

另一方面,在AS的发生发展过程中,单核巨噬细胞系统(Mф)作用正日益受到重视。在AS损伤的早期, Mф起到了减轻脂质浸润的作用。但是Mф的长期集聚,经过一系列的粘附、渗透机制,进入动脉壁,释放细胞因子,促进VSMC增殖和脂质的浸润,从而导致粥样斑块的形成。

研究表明,巨噬细胞集落刺激因子（MCSF）促进Mф增殖是通过下调p27蛋白水平而实现的,MCSF作用于Mф,使细胞内p27蛋白水平下调,细胞进入增殖周期,,Mф进入动脉壁后,与内皮细胞、VSMC接触,对MCSF的刺激反应增强,增生、增殖,释放细胞因子增多,反过来促进VSMC增殖,加速动脉粥样硬化的形成。

（五）、类风湿关节炎 类风湿关节炎（rheumatoid arthritis，RA)是一种以滑膜衬里层细胞增生、血管翳形成、单个核细胞浸润,进而软骨侵蚀和关节破坏为特征的慢性炎症性疾病。目前,ＲＡ滑膜增生的确切机制尚不明确。有研究表明,ＲＡ滑膜成纤维细胞在细胞周期中增生异常活跃,呈肿瘤样增生,是造成软骨破坏的一个重要原因。有研究表明,RA患者的滑膜组织不表达ｐ21、ｐ16和ｐ15。体外试验发现,包含ｐ16的腺病毒载体可抑制ＲＡ滑膜成纤维细胞生长。将该病毒载体注入佐剂性关节炎动物的受累关节,能有效抑制其关节炎症状。

小结 细胞周期及其调控可简单地比喻为一个高度自动化的机器。该机器主要由动力系统和制动系统2个部分组成，两者相互协调、相互制约，才能保证有丝分裂的正常进行。其动力系统一旦启动，可使细胞周期依编好的程序，按时间有序地一步一步进行下去。有人称之为"细胞周期时钟"(cell cycle clock)。

细胞对外界信号作出反应，通过细胞内信号系统，激活细胞周期的动力系统，通过有序地活化各种cyclinCDK复合物和磷酸酶，诱导一连串的级联式反应，通过对转录因子及其他功能蛋白的磷酸化和去磷酸化，实现各细胞期的功能。细胞周期有精密的检查机制，在各细胞期之间转化时都有检查点和检查机制，从而确保程序进行的正确性。这个自动化机器运转失灵，就可能造成细胞衰老、死亡或恶化。