第四章 細胞週期 (The Cell Cycle)

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1 第四章 細胞週期 (The Cell Cycle)
植物系 陳益明老師

2 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
(一)細胞分裂的功能為生殖、生長與修補 (Cell division of functions reproduction growth, and repair) (二)細胞分裂將兩套相同的染色體分佈在兩個子細胞(daughter cell)內(Fig.12.3)

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4 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
(三)細胞週期中有絲分裂與間期之交互進行(Mitosis alternates with interphase in the cell cycle) 有絲分裂只是細胞分裂週期中的一部分，細胞分裂週期又稱細胞週期(cell cycle)(Fig.12-4)。有絲分裂(mitosis)與細胞質分裂(cytokinesis)的時期稱為有絲分裂期(mitotic phase, or M phase)，為真正使細胞核和細胞質分裂的時期，事實上此時期僅為細胞週期中期最短的一部份。完整的細胞分裂應包括一個很長的間期(interphase)，所費時間為一個細胞週期中的90%，在此期間，細胞會生長並複製染色體，作為有絲分裂的準備。

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6 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
1. 在進行細胞週期(cell cycle)時，有絲分裂之中間要有間期(interphase)交互參雜其中，以利細胞分裂 前各項之準備。

7 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
細胞週期各階段之變化概述： 細胞週期是由有絲分裂(含細胞質分裂)與靜止期(interphase)組成，圖12-4。間期可分為G1(first gap)，S及G2(second gap)期。此階段所需之時間較長。（佔全部90%時間）

8 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
細胞週期各階段之變化概述： 有絲分裂可分為前期(prophase)，中期(metaphase)、後期（anaphase）及末期(telephase)，完成上述各階段，再進行細胞質分裂 (Fig.12.5) 。

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11 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
為研究或其他應用上之需要，在培養細胞時往往需要同步培養〞(synchronized culture)的細胞材料。

12 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
有絲分裂紡綞體(spindle)導引染色體等量分配到兩個子細胞中(Fig.12.6)

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14 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
紡綞體是在細胞分裂之前期在細胞質就已形成，它是由微管體及其他結合性蛋白(microtubles and associated proteins)所組成之絲狀構造。

15 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
紡綞體微管體的聚合(assembly)是由中心體開始。中心體又稱為微管體聚合中心(microtuble-orgnizing center)。在細胞環裂之靜止期，中心體分裂為二，位於細胞核之外，在細胞分裂前期或前中期(prometaphase)，微管體從中心體向外四散，兩個中心體排列在細胞相反的兩個極(spindle poles)上。

16 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
每一條染色體上有兩條相連接之染色分體(chromatids)，其相連處有蛋白質構造，稱為著絲點(kinetochore)，連接在著絲點上的微管體稱為著絲微管體(kinetochore microtubules)，有些不連在著絲點之微管體，則會由細胞兩個位置相反的極互相重疊此稱為(overlapping nokinetochore microtubules )(Fig.12.6)。

17 一、 細胞分裂扮演之角色 (The key roles of cell division)：
在細胞分裂末期，染色體如何分開而向兩極移動：染色體開始移動是往一方向，後來皆排列於中央。在分裂後期(anaphase)由於著絲點微管體變短(乃因在後期著絲點末端進行〝depolymerizing〞而變短)，釋出游離的tubulin分子(Fig.12.7)。

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19 (四) 紡綞體使染色體分配到子細胞 (The mitotic spindle distributes chromosomes to daughter cells: a closer look)
有絲分裂進行的很多步驟都依賴某種構造，稱為有絲紡綞體(mitotic spindle)，它在前期的細胞質內開始合成。紡綞體由微管(microtubules)及相關蛋白質組合而成(Fig.12.6)。當細胞在組成紡綞體時，細胞骨架有部份微管被部份分解並用以構建紡綞體。紡綞體微管可插入微管蛋白(tubulin)的次單位而延長。

20 (五) 細胞質分裂(cytokinesis)：
1.動物細胞質分裂：開始進行細胞質分裂信號是在細胞赤道板上產生分裂溝(cleavage furrow)，在此分裂溝之細胞質則有許多actin蛋白組成分，形成微絲伸縮環(contracting ring)，藉此分裂溝加深收縮，直到形成兩個子細胞 (Fig.12.8a) 。 2.植物細胞則先行成細胞板(cell plate) (Fig.12.8b) 。

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23 二、有絲分裂的演化 (The evolution of mitosis ) (Fig. 12
二、有絲分裂的演化 (The evolution of mitosis ) (Fig A hypothesis for the evolution of mitosis)

24 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
動物或植物細胞分裂的時間和速率在不同部位，正常生長，發育與維持等不相同，我們可以觀察到不同細胞形式的幾種細胞分裂形態。例如，人類的皮膚細胞在一生當中分裂頻繁，而肝臟細胞則保留分裂能力，值到有需要的部位才回復，以利修補受傷組織。某些特化的細胞，如神經或肌肉細胞，它們在人體成熟以後就不再分裂了。

25 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
驅動細胞週期之分子調控系統(A molecular control system drives the cell cycle )(Fig.12.12) 調節蛋白以週期性的改變，其功能有如一個有絲分裂時鐘(cyclinal change in regulatory proteins function as a mitotic clock) 限制點是一個不能回頭的點，允許S期的開始，使細胞繼續進行G2及M期並且分裂，即使外在如營養的供應已不足亦然。這也不是意味在細胞失去控制。成功地分裂所需要的一系列地精確步驟，端賴細胞欲進行下一步驟的每一件事是否完成。

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27 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
Cell cycle checkpoint 微纖維母細胞(fibrob;ast cells)培養時若加入PDGF(platelet-derived growth factor)，其細胞才會快速分裂，否則細胞不能分裂(Fig.12.13)。

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29 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
Cell cycle checkpoint Maturation Promoting Factor C(MPF)包含二部份 A.Cdc2： cell division control proteins 即 protein kinase responsible for interphase 進入 Mitosis階段。 含量都保持恒定。

30 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
Cell cycle checkpoint Maturation Promoting Factor C(MPF)包含二部份 cyclin： (a)呈韻律變化，在M-phase量最高。 (b)cyclin 與cdc2結合形成Active MPF。

31 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
Cell cycle checkpoint cyclin(週期素)：是一種調節性蛋白質。 Cdks (cyclin-dependent kinase) MPF: Maturation Promoting Factor,其活性受cyclin 調控。 Cell-cycle 控制系統：在細胞週期中可接受〝stop〞或〝go-ahead〞信息而調控的點。(Fig.12.14)

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33 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
蛋白質激酶(kinase)與細胞分裂的控制 細胞週期的各個步驟受到蛋白質激酶的律動活化。該酵素藉由磷酸化開放或關閉其標的蛋白質，其中一種蛋白質激酶MPF是由週期素 (cyclin 一種調節性蛋白質，其濃度可以改變週期性與Cdk (週期素依賴激酶)循環組成複合物)。週期素在整個週期都有合成，並在間期累積。

34 三、 細胞週期的調控(regulation of cell cycle)
蛋白質激酶(kinase)與細胞分裂的控制 週期素附著在Cdk，並在間期末活化。 活化的複合物MPF藉著磷酸化各種蛋白質，包括它各種蛋白質激酶，以協調細胞質分裂。 當週期素瓦解酵素(cyclin-degrading enzyme)被活化時，會破壞MPF的活性。 MPF中的Cdk部份是可循環再利用的。一但再與新週期素結合，可恢復期激酶的活性。

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37 四、 癌細胞脫離細胞分裂的控制(Cancer cells escape from the controls on cell division)
癌細胞對身體的控制機制是沒有正常反應。它們過度的分裂並且侵犯其他組織，如未被察覺，他們會殺死整個個體。

38 四、 癌細胞脫離細胞分裂的控制(Cancer cells escape from the controls on cell division)
研究者從癌細胞的培養研究中，了解癌細胞並不接受停止生長的訊號。尤其是，他們在培養基生長時不受密度依賴抑制所控制(Fig.11.12b)。被培養的細胞相互緊密靠近之後仍然繼續分裂、堆疊，直到培養基的營養枯竭為止。

39 四、 癌細胞脫離細胞分裂的控制(Cancer cells escape from the controls on cell division)
Hela cells：1951年Henrietta Lacks 之子宮癌細胞經培養之〝cell line〞 一個轉形細胞(transformed cell，即begin tumor)，如何轉變成惡性腫瘤 (Malignant tumor)，其原因甚複雜。 由original site 的癌細胞蔓延到其他部位稱為轉移(Metastasis) (Fig.12.17)。

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42 五、 參考資料 1.Compbell,TB and Reece,JB (2002)Biology(6 th,ed.) .Chap.12.p