細胞生物學/細胞分裂/細胞週期
正常的細胞週期包含兩個主要階段。第一個是間期，在此期間細胞存活並生長變大。第二個是有絲分裂期。間期由三個亞期組成。G1期（第一間隙期）、S期（合成期）和G2期（第二間隙期）。間期是細胞生長的階段。細胞執行正常的細胞功能，例如製造蛋白質和細胞器。有絲分裂期包含有絲分裂和胞質分裂。 有絲分裂是指細胞分裂的過程。有絲分裂可以進一步細分為多個階段。胞質分裂是指兩個子細胞完成分離的過程。有絲分裂是細胞核的分裂，而胞質分裂是細胞質的分裂。這兩個亞期之間存在一些重疊。生殖細胞分裂稱為減數分裂，它會產生具有非相同染色體組的子細胞，這些子細胞只有一套染色體。換句話說，它們擁有的染色體數量只有親代細胞的一半。減數分裂發生在性腺中，即卵巢或睪丸。因此，兩個配子結合在一起會產生 46 條染色體。
細胞週期是指生物細胞從其首次形成於分裂的親代細胞開始，到其自身分裂成兩個細胞為止的迴圈過程，包括重複的有絲分裂和間期（生長期）。細胞在其生命週期的大部分時間裡都處於間期（約 90% 的時間）。
脫氧核糖核酸 (DNA) 由四種核酸組成，即 A、T、C 和 G。在細胞中，DNA 提供了製造所有維持細胞生存能力、健康、生長、功能和複製所需的蛋白質的指令。編碼每種蛋白質的獨特 DNA 序列被稱為基因，而生物體或細胞的完整基因集被稱為基因組。原核生物基因組通常是一個長的 DNA 分子，而真核生物基因組則包含多個 DNA 分子。典型的**人類細胞**含有約 2 米的 DNA，這比細胞直徑大 250,000 倍。在細胞分裂之前，DNA 會先複製，然後分離，這樣每個子細胞最終都會獲得完整的基因組。染色體是打包的 DNA 分子。由於染色體的存在，複製和分配如此多的 DNA 才變得可控。每個真核物種的每個細胞核中都有特徵性的染色體數量。它們包含每條染色體的兩套：一套從父母一方遺傳而來。例如，人類體細胞（除生殖細胞之外的所有身體細胞）每個都包含 46 條染色體；生殖細胞（配子）的染色體數量是體細胞的一半。體細胞中染色體的數量在不同物種之間差異很大。真核染色體由染色質組成，染色質是 DNA 和相關蛋白質分子的複合物。每條染色體包含一個非常長的線性 DNA 分子，該分子攜帶數百到幾千個基因；相關的蛋白質維持染色體的結構並幫助控制基因活性。當細胞不分裂時，每條染色體都是一條細長的染色質纖維；然而，在 DNA 複製後，染色體濃縮。每條染色質纖維都會盤繞和摺疊。每條複製的染色體都有兩條姐妹染色單體，包含相同的 DNA 分子，最初透過粘附蛋白複合物連線在一起；這種連線被稱為姐妹染色單體凝聚。在染色體的濃縮形式中，中心狹窄的部分稱為著絲粒，這是一個特殊的區域，兩個染色單體在那裡緊密連線在一起。著絲粒兩側的染色單體其他部分被稱為臂。一旦姐妹染色單體分離，它們就被視為獨立的染色體。
有絲分裂期包括有絲分裂和胞質分裂，通常是細胞週期中最短的部分。間期約佔細胞週期的 90%；在間期，細胞生長並複製其染色體，為細胞分裂做準備。間期分為三個亞期：G1期（“第一間隙期”）、S期（“合成期”）和G2期（“第二間隙期”）。染色體僅在 S 期複製。在 G1 期，細胞生長，直到 S 期，細胞為 G2 期的細胞分裂做準備。根據人類細胞，M 期大約只需要 1 個小時，而 S 期大約需要 10-12 個小時。
細胞週期包含以下階段：
- G1 期，第一個生長階段
- S 期，在此期間 DNA 被複制，其中 S 代表 DNA 的合成。
- G2 期是第二個生長階段，也是為下一階段做準備的階段
- M 期或 有絲分裂 和 胞質分裂，細胞實際 分裂 成兩個子細胞的階段
細胞週期會在幾個檢查點停止，只有在滿足特定條件的情況下才能繼續，例如，如果細胞已達到一定直徑。有些細胞，如神經元，一旦進入G0 期，便永遠不會分裂。
有絲分裂有五個階段：前期、前中期、中期、後期和末期。有絲分裂紡錘體在前期開始在細胞質中形成。它由微管和其他相關蛋白質組成。當有絲分裂紡錘體組裝時，細胞骨架的微管會解體，為構建紡錘體提供材料。在動物細胞中，紡錘體微管的組裝始於中心體，即微管組織中心。在植物細胞中，不存在中心粒。
在動物細胞的間期，單箇中心體複製；兩個中心體保持靠近細胞核在一起，並在有絲分裂的前期和前中期，隨著紡錘體微管的生長，它們會彼此分離。兩個中心體位於細胞的相對兩端。然後，星體，即從每個中心體延伸出來的短微管的放射狀排列，從每個中心體延伸出來。著絲粒是與染色體 DNA 特定部位（在著絲粒處）相關的蛋白質結構。複製染色體的兩個姐妹染色單體中的每一個都包含著絲粒，因為它朝向相反的方向。在前期，當一些紡錘體微管附著到著絲粒上時，著絲粒微管就會形成。在微管附著到染色體著絲粒上之後，染色體開始朝著那些微管延伸的極移動。染色體像一場拔河比賽一樣移動。中期板是指在中期形成的假想平面，所有複製染色體的著絲粒都位於紡錘體兩個極點之間的中間平面。沒有附著到著絲粒上的其他微管會重疊並與來自紡錘體另一極點的其他非著絲粒微管相互作用。非著絲粒微管負責在後期拉長整個細胞。在後期，連線著每條染色體姐妹染色單體的凝聚素會被酶裂解。然後，染色單體分離，並向細胞的相對兩端移動。重疊區域縮小，因為附著在微管上的運動蛋白使用 ATP 彼此遠離。當微管彼此推開時，它們的紡錘體極也會被推開，拉長細胞。當複製的染色體組到達拉長的親代細胞的相對兩端時，末期就會開始；在末期，細胞核重新形成，胞質分裂開始。
- 間期的 G2 期：在 G2 期，核膜包圍著細胞核，兩個中心體透過單箇中心體的複製而形成。在動物細胞中，每個中心體包含兩個中心粒。染色體在 S 期複製，但由於尚未濃縮，因此不可見。
- 前期：染色質纖維盤繞並濃縮成染色體，核仁消失。每條複製的染色體都有兩條相同的姐妹染色單體，在著絲粒處以及透過凝聚素連線著它們的臂連線在一起，然後形成有絲分裂紡錘體。星體是從中心體延伸出來的較短微管的放射狀排列。在延伸的微管的推動下，中心體彼此分離。
- 前中期：隨著核膜斷裂，從每個中心體延伸的微管侵入核區。染色體變得更加濃縮，因為每條染色體的兩個染色單體都有一個著絲粒。一些微管附著到著絲粒上（“著絲粒微管”），而其他非著絲粒微管從紡錘體的另一極點相互作用。
- 中期: 中期是細胞有絲分裂中最長的階段。中心體位於細胞的兩極。染色體的著絲粒位於中期板，染色體聚集在中期板。每對姐妹染色單體的著絲粒都與來自兩極的著絲粒微管相連。
- 後期: 後期是細胞有絲分裂中最短的階段，它始於連線蛋白的斷裂，使每對姐妹染色單體突然分離。兩個遊離的子染色體沿著絲粒微管縮短移動，移向細胞的兩極。細胞開始伸長，非著絲粒微管變長。到後期結束時，細胞的兩極都有等量的染色體集合。
- 末期: 細胞中形成兩個子核，核膜從親代細胞核膜的碎片中出現。隨著核仁的重新出現，染色體變得不太凝縮，完成了一個核分裂成兩個遺傳上相同的核。
- 胞質分裂: 在動物細胞中，胞質分裂涉及形成分裂溝；在植物細胞中不存在分裂溝。細胞壁在細胞中間（細胞板）的形成將細胞分裂成兩個子細胞。
胞質分裂過程始於細胞分裂。分裂溝是細胞表面靠近舊中期板的淺溝，是細胞分裂的第一個跡象。隨著它的程序，肌動蛋白微絲的收縮環在細胞質側形成。肌動蛋白微絲與肌球蛋白分子相互作用，導致環收縮。隨著分裂溝的加深，細胞被分成兩個具有自己細胞核的細胞。對於植物細胞，由於它們有細胞壁，所以不存在分裂溝。它們不是形成分裂溝，而是來自高爾基體的囊泡沿著微管移動到細胞的中間，形成細胞板。隨著細胞板的擴大，周圍的膜與細胞周邊的質膜融合，形成兩個子細胞。
二分裂是一種“對半分裂”的無性生殖方式。在原核生物中，二分裂不涉及有絲分裂，但在進行二分裂的單細胞真核生物中除外。在細菌中，大多數基因位於單個細菌染色體上，該染色體由環狀 DNA 分子和相關蛋白質組成。大腸桿菌的染色體，當拉伸時，是細胞長度的 500 倍。在複製起點，細菌染色體的 DNA 開始複製。隨著染色體的繼續複製，一個起點迅速移動到細胞的另一端，細胞伸長。當複製完成後，細菌大小約為其初始大小的兩倍，其質膜向內生長，將親代大腸桿菌細胞分成兩個子細胞。細菌沒有有絲分裂紡錘體；兩個複製起點最終位於細胞的兩端或其他一些非常特定的位置。
由於原核生物在地球上的時間比真核生物早了十億年以上，因此可以假設有絲分裂起源於更簡單的原核生物細胞繁殖機制。一些參與細菌二分裂的蛋白質與真核生物中參與有絲分裂的功能相關的蛋白質有關。關於有絲分裂進化的一個可能的假設是，原核生物細胞的繁殖導致了有絲分裂。
基於哺乳動物細胞生長實驗，支援一個可能的假設：細胞週期是由細胞質中存在的特定訊號分子驅動的。在這個實驗中，兩個處於不同細胞週期階段的細胞融合成一個具有兩個核的細胞。一個細胞處於 S 期，另一個細胞處於 G1 期，G1 核立即進入 S 期，就好像被第一個細胞細胞質中存在的化學物質刺激一樣。因此，如果一個正在進行有絲分裂 (M 期) 的細胞與另一個處於其細胞週期的任何階段的細胞融合，則第二個細胞核進入有絲分裂。其他關於動物細胞和酵母的實驗證明了細胞週期控制系統的順序事件；細胞週期控制系統執行著一組細胞中的分子，這些分子既觸發也協調細胞週期中的關鍵事件。細胞週期控制系統自行執行，但它在某些檢查點受到內部和外部訊號的調節。動物細胞具有內建的停止訊號，這些訊號會暫停檢查點的細胞週期，直到它們收到繼續訊號。這些訊號報告在該點之前應該發生的至關重要的細胞過程是否已正確完成，以及細胞週期是否應該繼續。三個檢查點位於 G1、G2 和 M 期。對於哺乳動物細胞，G1 檢查點是最重要的。當一個細胞在 G1 檢查點接收到繼續訊號時，該細胞將完成 G1、S、G2 和 M 期，並分裂；然而，當一個細胞沒有接收到繼續訊號時，它將退出細胞週期並進入非分裂狀態，即 G0 期。大多數人類細胞處於 G0 期，例如成熟的神經細胞和肌肉細胞。然而，肝細胞可以重新進入細胞週期，例如在受傷時釋放的生長因子。細胞週期控制分子丰度和活性的節律性波動控制著細胞週期的順序事件。調節分子是兩種型別的蛋白質：蛋白激酶和細胞週期蛋白。蛋白激酶是透過磷酸化啟用或滅活其他蛋白質的酶。蛋白激酶在 G1 和 G2 檢查點發出繼續訊號。驅動細胞週期的激酶在生長細胞中以恆定濃度存在，但它們處於非活性狀態。為了啟用它們，激酶必須與細胞週期蛋白結合，細胞週期蛋白是一種在細胞中迴圈波動的蛋白質。由於這種要求，它們被稱為細胞週期蛋白依賴性激酶或 CDK。CDK 的活性隨著其細胞週期蛋白伴侶濃度的變化而上升和下降。細胞週期蛋白水平在 S 期和 G2 期上升，然後在 M 期迅速下降。MPF（成熟促進因子）或 M 期促進因子活性與細胞週期蛋白濃度峰值相對應。MPF 觸發細胞透過 G2 檢查點進入 M 期。MPF 既直接作為激酶，又透過啟用其他激酶間接起作用。在後期，MPF 透過啟動導致自身細胞週期蛋白破壞的過程來幫助自身關閉。CDK，MPF 的非細胞週期蛋白部分，以非活性形式持續存在於細胞中，直到它與下一輪週期的 S 期和 G2 期合成的新的細胞週期蛋白分子結合。密度依賴性抑制是一種現象，即擁擠的細胞停止分裂。它是由外部物理因素引起的。此外，大多數動物細胞表現出錨定依賴性；為了分裂，細胞必須附著在基質上；就像細胞密度一樣，錨定透過涉及質膜蛋白和連線到它們的細胞骨架元素的途徑向細胞週期控制系統發出訊號。細胞週期控制的喪失會導致癌細胞，癌細胞既不表現出密度依賴性抑制，也不表現出錨定依賴性。
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