第三节 细胞分裂
细胞分裂是生物繁殖的基础，生命的连续性主要通过细胞分裂来实现，同时生物的生长也依赖于细胞数量的增多和体积的增大。
一、细胞的分裂周期
不论是无丝分裂、有丝分裂，还是是减数分裂，细胞都要经历一系列变化。而这些变化总是有周期性的。那么，从一次细胞分裂完成到下次细胞分裂完成，称为一个细胞周期（cell cycle）。
有丝分裂周期是一个连续的动态变化过程，可以人为地划分为以下2个大的阶段：间期（interphase）和分裂期（mitosis，M）。细胞从一次分裂结束到下次细胞分裂开始前的一段时期称为间期。经固定处理的间期细胞核，在光学显微镜下可见到网状结构和易为碱性染料着色的细丝。已知间期的细胞核处于新陈代谢高度活跃的状态，包括DNA的复制，蛋白质、RNA及有关酶的合成等，从而为细胞分裂准备了物质基础（图2-9）。细胞周期又分为以下各期：
1．G1期（gap1 phase）
这是DNA合成前期，或复制准备期。在核分裂和细胞质分裂之后，细胞进入G1期。这个时期的主要特点是细胞不断生长，各种大分子物质如mRNA、tRNA、rRNA和多种蛋白质的合成，其中一些专一性的蛋白质为触发蛋白，它有助于细胞通过该期的限制点进入S期，直到分裂开始前蛋白质合成才明显下降。此外，在G1期中还有H1组蛋白的磷酸化以及各种核苷酸的累积。
有的细胞可在G1期合成一种抑制素物质，它与细胞停留在G1期有关。抑制素具有组织特异性，如从上皮细胞提取的抑制素只能抑制该种上皮细胞的繁殖，而对其他细胞无效。抑制素是一种水溶性物质，具有不可透析性、热不稳定性和能为乙醇所沉淀等性质，现已知它是一种类蛋白质物质。在肿瘤细胞中，这种抑制素的敏感度下降了。
2．S期（synthesis phase）
即DNA合成期，或染色体复制期。DNA和组蛋白的合成标志着G1期的结束和S期的开始，在此期间DNA含量增加了一倍，染色质进行了复制。此外，也合成一定量的组蛋白和非组蛋白。组蛋白是在细胞质中合成的，然后通过核孔进入细胞核中，同新合成的DNA结合，构成染色体。
各种细胞的S期长短不同，这种差别是由其本身的遗传性所决定的。例如小鼠的乳腺细胞需21.7h，人的结肠上皮细胞需14h，成红细胞需11~13h。
3．G2期（gap2 phase）
即DNA合成后期，这时DNA含量不再增加，只有少量的蛋白质合成，完成了分裂前的准备，随后便开始了细胞分裂。在G2期中，一个细胞核的DNA含量为4C，较G1期的含量增加了一倍。细胞在此期中合成某些蛋白质。如果在G2期加入p-苯丙氨酸代替苯丙氨酸参入蛋白质。在G2期末合成了一种可溶性蛋白质，能引起细胞进入有丝分裂期。这种可溶性蛋白质为一种蛋白质激酶，在G2期末被激活，从而使细胞由G2期进入分裂期。此种激酶可使核蛋白质磷酸化，导致核膜在前期破裂。此外，该激酶也可催化H1组蛋白高度磷酸化，引起蛋白质在临近有丝分裂时开始发生凝缩。
4．G0期
在细胞生长繁殖的过程中，一般前一周期的结束就是下一周期的开始。可是有的细胞并不立即进入下一周期，细胞这时所处的时期称为G0期。处于G0期的细胞不合成DNA，也不进行分裂。而是处于静止状态达数周、数月、甚至更长。这种细胞受到适当刺激后又能进行DNA合成和有丝分裂。例如肝细胞、肾细胞、淋巴细胞等都可迅速进入G0期。
G0期细胞在受到促细胞分裂刺激因子的影响时，会转化到G1期，这时DNA转录活动增强，非组蛋白水平提高。能使G0期细胞重新进入细胞周期的物质，称为细胞分裂促进剂。
在整个细胞周期中，分裂期占的时间很短，大部分时间处于间期。无论在体内还是在体外，在一定时间内只有少部分细胞处于分裂期，大约占5~10%。
在整个细胞周期中，各种生物所经历的时间长短都不相同（表2-4）。
表2-4 几种生物的细胞周期（h）
生物类型 G1 S G2 M 合计
蚕豆根尖（19℃） 4.9 7.5 4.9 2.0 19.3
洋葱根尖（21℃） 3.3 12.0 3.7 4.0 23.0
紫鸭跖草根尖 1.0 10.5 2.5 3.0 17.0
小鼠成纤维细胞 9.1 9.9 2.3 0.7 22.0
中国仓鼠成纤维细胞 2.7 5.8 2.1 0.4 11.0
小鼠皮肤上皮细胞 >22天 30.0 6.5 3.8 >22天
二、原核生物的细胞分裂
原核细胞的分裂包括两方面：①细胞DNA的复制和分配，使分裂后的子细胞能得到亲代细胞完整的遗传物质。②胞质分裂，把细胞基本上分成两等份。
原核细胞的DNA分子是环状的，无游离端。在一系列酶的作用下，经过解旋和半保留复制，形成了2个一样的环状DNA分子。复制常是从DNA附着在质膜上的部位开始。在DNA分子复制完成后，便开始了细胞质分裂。
细菌的细胞分裂时，复制好的2个DNA分子仍与质膜相连。随着连接处的生长，将2个DNA分子拉开。在细胞中部，质膜环绕细胞发生内陷，形成隔。而隔常在附有DNA的质膜区，显然有利于将复制的2个DNA分子分隔到2个子细胞中，质膜内褶形成的隔不断向中央生长延伸，最后将细胞隔为2部分。隔纵裂为二，把母细胞分成了2个大致相等的子细胞（图2-10）。
三、无丝分裂
无丝分裂（amitosis）也称直接分裂（direct division），它不像有丝分裂那样经过染色体有规律的和准确的分裂过程，而只是细胞核拉长，纵裂成两部分，接着细胞质也分裂，从而成为两个细胞。因为在整个分裂过程中看不到纺锤丝，也无染色体的动态变化，故称之（图2-11）。
过去认为，无丝分裂是低等生物的主要分裂方式，而在高等生物中比较少见，只是高等生物的某些专化组织或病变和衰退组织可能发生。如小麦的分蘖节、胚乳细胞和愈伤组织的细胞中，以及一些肿瘤和愈伤细胞都发现过无丝分裂。近年的观察资料表明，高等生物的许多正常组织也常发生无丝分裂，如植物的薄壁组织细胞、木质部细胞和毡绒层细胞等，还有动物胚的胎膜、填充组织和肌肉组织等也观察到无丝分裂。
由于无丝分裂的结果使遗传物质不能平均分配，导致细胞间的稳定性非常差。
四、有丝分裂
有丝分裂（mitosis）又称间接分裂（indirect division）。它不仅有细胞核分裂，还有细胞质分裂（cytokinesis），即细胞分裂为二，各含有1个核。
1．有丝分裂的过程
细胞分裂是一个连续的过程，为了便于描述起见，一般把核分裂时染色体的变化特征分为4个时期：前期（prophase）、中期（metaphase）、后期（anaphase）和末期（telophase）（图2-12），现就4个时期的特征分述于下。
（1）前期（prophase）
该期细胞核内出现细长而卷曲的染色丝，以后逐渐缩短变粗，成为染色体。每条染色体有两个染色单体。表明此时染色体已自我复制，但染色体的着丝粒还没有分裂。随着分裂的进展，核仁和核膜逐渐模糊不明显。动物细胞中的中心体分裂为二，并向两极分开，每个中心体周围出现星射线，在前期最后阶段将逐渐形成纺锤丝（spindle fiber）。但是高等植物细胞没有中心体，只从两极出现纺锤丝，构成纺锤体。
（2）中期（metaphase）
在此时期，核仁和核膜均已消失，核与细胞质已无可见的界限，细胞内出现清晰可见由来自两极的纺锤丝所构成的纺锤体（spindle）。各个染色体的着丝粒均排列在纺锤体中央的赤道面上，而其两臂则自由地分散在赤道面的两侧。由于这时染色体具有典型的形状，故此期是采用适当的制片技术进行染色体鉴别和染色体计数的最佳时间。
（3）后期（anaphase）
此期在纺锤丝的牵引下，每条染色体的着丝粒分裂为二，原来的染色单体成为子染色体。每个子染色体分别向两极移动，因而两极各具有与原来细胞同样数目的染色体（或子染色体）。这时每条染色体只有一条DNA分子，而不存在染色单体了。
（4）末期（telophase）
此期，染色体到达两极。随后，围绕着染色体出现新的核膜，染色体解螺旋，重又变得松散细长，核仁重新出现。于是在一个母细胞内形成两个子核。
接着细胞质分裂，纺锤体的赤道板区域形成细胞板，分裂为两个细胞，又恢复为分裂前的间期状态。
2．有丝分裂过程经历的时间
有丝分裂的全过程所经历的时间，因物种和外界环境条件而不同，一般以前期的时间最长，可持续1~2h；中期、后期和末期的时间都较短，约5~30min。在25℃条件下，豌豆根尖细胞的有丝分裂时间约为83min，而大豆根尖细胞的有丝分裂时间约为114min。蚕豆根尖细胞在25℃下，分裂时间约为114mn；在3℃下，则为880min（表2-4）。
表2-5 几种生物有丝分裂持续的时间 （min，引自G. W. Burns，1980）
生物种类 温度（℃） 前期 中期 后期 末期 合计
紫鸭跖草雄蕊毛 20 181 14.0 15.0 130 340
洋葱根尖 20 71 6.5 2.4 3.8 83.7
蚕豆根尖 19 90 31.0 34.0 34.0 189.0
豌豆根尖 20 78 14.5 4.2 13.2 109.9
家鸡（培养成纤维细胞） 19~25 4~7 3.5~6 7.5~14 34~52
小鼠（脾） 38 21 13.0 5.0 4.0 43.0
蝗虫（神经母细胞） 38 102 13.0 9.0 57.0 181.0
3．有丝分裂的意义
（1）保证了物种染色体数目的稳定性：首先，是核内每个染色体准确地复制，为形成2个子细胞在遗传组成上与母细胞完全一样提供了基础。其次，是复制的各对染色体有规则而均匀地分配到2个子细胞中去，从而使2个子细胞与母细胞具有同样质量和数量的染色体。
（2）保证了物种的连续性和稳定性：对细胞质来说，在有丝分裂过程中虽然线粒体、叶绿体等细胞器也能复制，也能增殖数量。但是它们原先在细胞质中分布是不均匀的，数量也是不恒定的。因而在细胞分裂时它们是随机而不均等地分配到2个子细胞中去。由此可见，任何由线粒体、叶绿体等细胞器所决定的遗传表现，是不可能与染色体所决定的遗传表现具有同样的规律性。
（3）是无性繁殖生物产生后代的主要形式：这种均等方式的有丝分裂既维持了多细胞生物个体的正常生长和发育；也能使那些利用无性繁殖的生物正常繁殖后代。
五、减数分裂
减数分裂（meiosis）实际上由2次连续分裂构成，通常称为第一次减数分裂（M1）和第二次减数分裂（M2），它们都可划分为前、中、后、末4个连续的时期。习惯上，以前期I、中期I、前期Ⅱ、中期Ⅱ来表示。其过程见图2-13，2-14。
1．第一次减数分裂（M1）
（1）前期I（prophaseⅠ）
在减数分裂过程中为时最长，大约占全部减数分裂时间的1/2强，其间染色体发生一系列的复杂变化，人为地把该期分为以下5个时期：
① 细线期（leptotene） ：此时染色体已经历了复制，开始呈细线状盘绕成团，在显微镜下仍看到杂乱无章。虽然此时每条染色体由2条染色单体构成，但在光学显微镜下看不出是由两条染色单体组成的。
② 偶线期（zygotene）：主要特点是同源染色体彼此靠拢，进行准确的配对，称为联会（synapsis）。同源染色体在联会时可以从两端开始，也可以沿着染色体长轴由一点或多点开始，逐步完成整体的配对而形成联会复合体（synaptonemal complex，图2-15）。同源染色体联会的结果，细胞中的染色体就由2n条单价体变成了n条二价体（bivalent），这里所说的二价体是指一对同源染色体经联会和配对形成的图象；若有3条同源染色体联会，则称为三价体（trivalent）；若某条染色体没有同源的，则形成单价体。
③ 粗线期（pachytene）：联会的染色体开始缩短变粗，有些染色体数目较少的生物，此时可看出细胞内有n个二价体。这时，每个二价体包含4条染色单体，其中每条染色体的两条染色单体互称为姊妹染色单体（sister chromatid），对其同源染色体的另两条染色单体来说，则互称为非姊妹染色单体（non sister chromatid）。这时同源染色体联会得很紧密，不易看清，仅在局部位置可以分辨出2条染色体。在粗线期，同源染色体的非姊妹染色单体间可以发生交换，产生遗传重组，它是有性生殖的生物产生遗传变异的主要原因，也是遗传学第三基本定律——连锁交换定律的基础。由于在此期交换不能直接看到，只能根据在下个时期一一双线期出现的交叉现象（chiasma）等加以判断。
④ 双线期（diplotene）： 染色体进一步缩短，组成二价体的两条同源染色体出现排斥现象，但由于同源染色体之间发生了交换，姊妹染色单体之间相互牵连，因而在不同的二价体上，分别在不同部位、不同程度地呈现相互连接的交叉现象，使二价体成为X、V、8等形状，这时可见到姊妹染色单体。同源染色体只靠一些交叉联系在一起。而交叉是在粗线期非姊妹染色单体之间发生交换的结果。
⑤ 浓缩期（diakinesis）：染色体更加变粗、变短，交叉明显，但数量减少。交叉从同源染色体中部消失，移向染色体两端，这一现象被称为交叉端化（terminalization）。此时核仁、核膜已消失，二价体分散在细胞内，很易区分，所以是染色体计数的最好时期。而且此期可辨别出二价体、单价体等。
（2）中期Ⅰ（metaphaseⅠ）
细胞内出现了纺锤体，同源染色体向纺锤体中部集中，排在赤道面上，二价体染色体臂的端部由于此前已发生了交换，仍有交叉牵连，位于纺锤体赤道面上，而同源染色体的着丝粒分居赤道两侧。在这期，不同对的染色体排列方式将决定着随后非同源染色体的自由组合或独立分配。
如果有两对染色体排列在赤道面上，将有2种排列方式，将来可产生4种配子；3对染色体会有4种排列方式，可产生8种配子，其他依次类推（图2-16）。所以该期是遗传学第二基本定律形成的基础。
（3）后期Ⅰ（anaphaseⅠ）
此期同源染色体的两条染色体彼此分离，分别移向一极。这时每极的染色体数比亲代细胞减少了一半，为n。但每条染色体仍由两条染色单体组成，故含有二倍的DNA。如人类体细胞2n=46，到后期I时每一极染色体数则为23条，一个细胞内染色单体总数仍为46条。
由于该期同源染色体要彼此分离，那么上面所载的等位基因也必定随着分离，这就为遗传学第一定律——分离定律奠定了物质基础。
（4）末期Ⅰ（telophaseⅠ）
有的生物没有末期I，而由后期Ⅰ直接进入第二次分裂的前期或中期。若存在末期Ⅰ，此时，核膜重新出现；染色体松展、伸长，但仍保持一定形态，出现核仁。
第一次减数分裂后，产生了两个细胞。多数生物这时细胞质不发生分裂，实际上只是核进行了一次分裂。核分裂后细胞进入间期，但不发生DNA复制。
2．第二次减数分裂（M2）
第二次减数分裂也分为前期、中期、后期和末期。其分裂方式与有丝分裂类似。通过第二次减数分裂，每个细胞核内的DNA含量又减少了一半，变成了单倍体核（n）。
（1）前期Ⅱ（prophaseⅡ）
如果在末期Ⅰ时染色体松展，那么到前期Ⅱ时染色体又浓缩。前期Ⅱ晚期，核膜再次解体，形成纺锤体。
（2）中期Ⅱ（metaphaseⅡ）
此期每条染色体的着丝粒整齐地排列在细胞的赤道面上，随后着丝粒分裂，进入下一个时期。
在中期Ⅱ，不同生物的（甚至雌雄性细胞）染色体在赤道面上的排列有不同的方式：一是与第一次分裂时染色体排列方式仍呈平行排列，二是与第一次分裂时染色体的排列方式呈垂直排列。
（3）后期Ⅱ（anaphaseⅡ）
在此期，姊妹染色单体从着丝粒处分裂，每条染色单体分别移向一极，成为子染色体，即不再有染色单体。当此期结束时，每一极具单倍体染色体组（n）。
（4）末期Ⅱ（telophaseⅡ）
染色体再次松展，逐渐分散，细胞核重新出现，核仁、核膜形成。随后细脆质发生分裂，结果减数分裂的两次核分裂产生了4个单倍体细胞，称为四分子（quartet）。
3．减数分裂的遗传学意义
（1）在有性生殖的生物中，保证了物种染色体数目的稳定性：在二倍体生物中，所有的体细胞都是2n，经减数分裂形成的4个单倍体性细胞（n），它们发育为精子或卵子，即配子。当两性配子受精后，合子及由它发育的个体又恢复为2n的染色体数，从而使亲代与子代间保持染色体数目的稳定。
（2）可产生各种可遗传变异：由于同源染色体上的非姊妹染色单体交换、同源染色体的分离、非同源染色体的自由组合，产生了各种各样的配子。当两性配子随机结合后便形成了众多的生物类型，为生物的变异提供了重要的物质基础，有利于生物的适应和进化。如一个杂合的生物体含有3对染色体，即AaBbCc，在减数分裂时，每对染色体可彼此分离，A与a分离，B与b分离等，而非同源染色体又可以自由组合（图2-16），A既可与B、C组合，又可与b、c组合等，结果可形成8种配子： ABC、ABc、AbC、Abc、aBC、aBc、abC、abc。若雌雄性器官均产生这8种配子，当精卵受精后就有8×8=64种组合方式。若有n对染色体上带有不同对的基因，就可产生2 n种配子，再由配子随机结合，后代的生物类型就是4 n种，可见生物种类的多样性主要来自减数分裂。
3．有丝分裂和减数分裂的区别
从有丝分裂和减数分裂的过程和结果来看，二者都有纺锤丝和染色体的出现，染色体都需经过多级螺旋，也都存在细胞核和细胞质的分裂，但两种分裂方式经比较，各有其特点：
（1）染色体复制和细胞分裂的关系：有丝分裂中染色体复制一次，细胞分裂一次；减数分裂中染色体复制一次，细胞分裂两次，第一次减数分裂使染色体数目减半，第二次减数分裂仅是染色体的分裂。
（2）细胞分裂的结果：有丝分裂所形成的子细胞染色体数目与母细胞相同，而且很少或不发生变异；而减数分裂的4个子细胞内的染色体数目减半，更重要的是通过染色单体的交换、非同源染色体的自由组合、同源染色体的分离等表现了遗传组成的多样性。
（3）前期的历程：有丝分裂的前期仅有染色体的螺旋，变化简单；减数分裂的前期I染色体变化复杂，不仅有同源染色体的联会，同源染色体的非姊妹染色单体间的交换，而且还有交叉现象发生等。
（4）中期染色体的变化动态：有丝分裂的中期，染色体的着丝粒整齐地排列在赤道面上，染色体的两条臂不受约束，可随意摆动；而减数分裂的中期I主要是以二价体排列在赤道面上，由于交叉端化现象的存在，染色体臂排列在赤道面上，不能随机摆动，着丝粒分别向着两极。
（5）后期的分裂和分离：有丝分裂后期是染色体从着丝粒处一裂为二，原来的两条染色单体各分到一极，形成子染色体；而减数分裂后期I有同源染色体分离、非同源染色体的自由组合，但每条染色体的两条染色单体却没有分裂，到达细胞每极的染色体数目减半，这时，每条染色体仍含有两条染色单体。
（6）细胞分裂的时期和方式：有丝分裂是体细胞分裂方式，在有性生殖的生物中，主要是个体的发育；而减数分裂只在产生生殖细胞时才进行，故有时称为成熟分裂。
（7）细胞分裂所需的时间：有丝分裂进行时所需的时间短（不包含间期），一般为1~2小时；减数分裂需时较长，如人的精母细胞在进行减数分裂时至少需24小时，卵母细胞形成卵子甚至可长达数年。
