夜黎本文章內容基於萊斯大學 OpenStax 的 Anatomy and Physiology 2e，由夜黎重新編輯。（根據本書前言中的創用 CC BY 4.0 聲明）
原文傳送門：<3> The Cellular Level of Organization — 3.5 Cell Growth and Division
索引傳送門：《解剖學和生理學2e》索引頁面
學習本章後，你將能夠：
- 描述細胞週期的各個階段
- 討論細胞週期是如何被調節的
- 描述失去對細胞週期控制的影響
- 依序描述有絲分裂〔mitosis〕和胞質分裂〔cytokinesis〕的階段
前言
到目前為止，在本章中，你已經多次閱讀了細胞分裂的重要性和普遍性。 雖然體內有些細胞不會進行細胞分裂（例如配子〔gametes〕、紅血球、大多數神經元和一些肌肉細胞），但大多數體細胞會定期分裂。 體細胞〔somatic cell〕是身體細胞的總稱，除了產生卵子和精子的細胞（稱為生殖細胞）外，所有的人體細胞都是體細胞。 體細胞的每條染色體均含有兩個拷貝（從父母雙方各取得一個拷貝）。 同源染色體對〔homologous pairs of chromosomes〕是每個體細胞中發現的單一染色體的兩個拷貝。 人類是二倍體生物體〔diploid organism〕，每個體細胞有23對同源染色體。 具有成對染色體的情況稱為二倍體〔diploidy〕。
人體內的細胞在人的一生中會自我更新。 例如，胃腸道內襯的細胞由於食物通過腸道的運動而不斷“磨損〔worn off〕”，因此必須經常更換。 但是什麼觸發細胞分裂，它如何準備並完成細胞分裂？ 細胞週期是細胞生命中的一系列事件，從細胞在上一個細胞分裂週期結束時創建的那一刻起，一直到它分裂自己，生成兩個新細胞。
細胞週期
細胞週期的一個“回合〔turn〕”或週期由兩個一般階段組成：間期，隨後是有絲分裂和細胞質分裂。間期〔interphase〕是細胞週期中細胞不分裂的時期。 大多數細胞大部分時間都處於間期。 有絲分裂〔cytokinesis〕是遺傳物質的分裂，在此期間細胞核分解並形成兩個新的、功能齊全的細胞核。 細胞質分裂〔cytokinesis〕將細胞質分成兩個不同的細胞〔distinctive cells〕。
間期
細胞在稱為 G1的時期生長並執行所有正常的代謝功能和過程（圖 3.30）。 G1期（間隙 1 期〔gap 1 phase〕）是細胞週期中的第一個間隙或生長期。 對於將再次分裂的細胞，G1期之後是 DNA 複製，這發生在 S期。 S期（合成期〔synthesis phase〕）是細胞複製DNA的時期。
細胞週期的兩個主要階段包括細胞分裂時的有絲分裂（稱為 M）和細胞生長並執行其所有正常功能時的間期。 間期進一步細分為 G1、S 和 G2 期。
合成期結束後，細胞進入 G2期。 G2期是第二個間隙期，在此期間細胞繼續生長並為有絲分裂做好必要的準備。 在 G1、S 和 G2期之間，細胞在 G1期的持續時間上變化最大。 細胞可能會在這裡度過幾個小時，甚至很多天。 S期通常持續 8-10 小時，G2期約持續 5 小時。 與這些階段相反，G0期是細胞週期的休息期。 暫時停止分裂並處於休息狀態的細胞（常見情況）和永久停止分裂的細胞（如神經細胞）被認為處於 G0狀態。
染色體的結構
人體每天有數十億個細胞分裂。 在間期的合成階段（即DNA合成的S期），細胞內 DNA 的量精確地加倍。 因此，在DNA複製之後、細胞分裂之前，每個細胞實際上都包含每條染色體的兩個拷貝。 染色體的每個副本都稱為姐妹染色單體〔sister chromatid〕，並與另一個副本物理地結合。（請注意，無論人的性別如何，都使用術語“姐妹染色單體”。） 中節〔centromere〕是連接一個姐妹的結構染色單體到另一個。 由於人體細胞有 46 條染色體，因此在此階段，細胞內有 92 條染色單體 (46 × 2)。 確保不要混淆一對染色單體〔a pair of chromatids〕（一條染色體及其在有絲分裂期間附著的精確副本）和一對同源染色體〔a homologous pair of chromosomes〕（兩對單獨遺傳的染色體，它們分別由父母的每個染色體遺傳而來）的概念（圖 3.31）。
紅色和藍色對應於一對同源染色體。 同源染色體對中的每一個成員都是分別從一個父母那裡遺傳來的。 同源對中的每條染色體也與相同的姊妹染色單體結合，這是由DNA複製產生的，並形成熟悉的「X」形狀。
有絲分裂和細胞質分裂
細胞的有絲分裂階段〔mitotic phase〕通常需要 1 至 2 小時。 在此階段，細胞經歷兩個主要過程。 首先，它完成有絲分裂，在此期間細胞核的內容物被均勻地拉開並分佈在其兩半之間。 然後發生細胞質分裂，將細胞質和細胞體分裂成兩個新細胞。 有絲分裂分為四個主要階段，發生在間期〔interphase〕之後（圖 3.32），順序如下：前期〔prophase〕、中期〔metaphase〕、後期〔anaphase〕和末期〔telophase〕。 過程之後是細胞質分裂〔cytokinesis〕。
細胞分裂的階段監督相同的遺傳物質分離成兩個新的細胞核，然後是細胞質的分裂。
前期〔Prophase〕是有絲分裂的第一階段，在此期間鬆散堆積的染色質捲曲並凝縮成可見的染色體。 在前期，每條染色體都變得可見，並附有相同的夥伴，形成熟悉的 X 形姐妹染色單體。 核仁在這個階段早期消失，核膜也解體。
前期的一個主要事件涉及一個非常重要的結構，其中包含微管〔microtubule〕生長的起始位點。 回想稱為中心粒〔centrioles〕的細胞結構，它是微管延伸的起點。 這些微小的結構在有絲分裂過程中也扮演著非常重要的角色。 中心體〔centrosome〕是一對在一起的中心粒。 細胞包含兩個並排的中心體，它們在前期開始分開。 當中心體遷移到細胞的兩側時，微管開始從每一側延伸，就像兩隻手的手指向著彼此延伸一樣。 有絲分裂紡錘體〔mitotic spindle〕是由中心體及其新生微管組成的結構。
在前期接近結束時，來自有絲分裂紡錘體的微管侵入核區域。 核膜已經解體，微管將自身附著在與姊妹染色單體對相鄰的中節〔centromeres〕上。 著絲點〔kinetochore〕是中節〔centromere〕上的蛋白質結構，是有絲分裂紡錘體和姊妹染色單體之間的附著點。 此階段被稱為晚前期〔late prophase〕或“前中期〔prometaphase〕”，以指示前期和中期之間的過渡。
中期〔Metaphase〕是有絲分裂的第二階段。 在此階段，姐妹染色單體及其附著的微管沿著細胞中部的線性平面排列。 中期板〔metaphase plate〕在中心體之間形成，中心體現在位於細胞的兩端。 中期板是通過紡錘體中心的平面的名稱，姐妹染色單體位於該平面上。 微管現在準備將姊妹染色單體拉開，並將每對中的一個帶到細胞的每一側。
後期〔Anaphase〕是有絲分裂的第三階段。 後期發生在幾分鐘內，此時姊妹染色單體對彼此分離，再次形成單獨的染色體。 當微管縮短時，這些染色體被動粒拉到細胞的兩端。 細胞的每一端接收每對姊妹染色單體的一個夥伴，確保兩個新的子細胞包含相同的遺傳物質。
末期〔Telophase〕是有絲分裂的最後階段。 末期的特徵是在分裂細胞的兩端形成兩個新的子核。 這些新形成的細胞核圍繞著遺傳物質，遺傳物質解開，使染色體恢復到鬆散堆積的染色質。 核仁也重新出現在新的細胞核內，有絲分裂紡錘體分裂，每個新細胞接收自己的 DNA、細胞器、膜和中心粒的補充。 此時，隨著細胞質分裂的開始，細胞已經開始分裂成兩半。
卵裂溝〔cleavage furrow〕是由微絲〔microfilaments〕組成的收縮帶，細胞質分裂期間在細胞中線周圍形成。 （回想一下，微絲由肌動蛋白組成。）這條收縮帶將兩個細胞擠壓分開，直到它們最終分開。 現在形成了兩個新細胞。 這些細胞之一（“幹細胞〔stem cell〕”）進入自己的細胞週期； 能夠在未來的某個時間點再次生長和分裂。 其他細胞轉變為組織的功能細胞，通常取代那裡的“舊”細胞。
想像一個細胞完成了有絲分裂，但從未經歷過細胞質分裂。 在某些情況下，細胞可能會分裂其遺傳物質並增加體積，但無法進行細胞質分裂。 這會產生具有多個細胞核的較大細胞。 通常這是一種不必要的畸變，並且可能是癌細胞的徵兆。
細胞週期控制
一個非常複雜且精確的調節控制系統，引導細胞從細胞週期的一個階段進入下一階段並開始有絲分裂。 控制系統涉及細胞內的分子以及外部觸發因素。 這些內部和外部控制觸發器為細胞提供“停止”和“前進”訊號。 細胞週期的精確調節對於維持生物體的健康至關重要，細胞週期控制的喪失可能導致癌症。
細胞週期控制機制
當細胞進行其週期時，每個階段都涉及某些過程，這些過程必須在細胞進入下一階段之前完成。 檢查點〔checkpoint〕是細胞週期中的一個點，在此點可以向細胞週期發出前進或停止的信號。 在每個檢查點，不同種類的分子會根據細胞內的某些條件提供停止或前進訊號。 週期蛋白〔cyclin〕是細胞週期控制分子的主要類別之一（圖 3.33）。 週期蛋白依賴性激酶 (CDK) 〔cyclin-dependent kinase〕是一組分子中的一個，與週期蛋白〔cyclin〕一起確定細胞檢查點的進展。 透過與許多其他分子相互作用，這些觸發器會推動細胞週期前進，除非由於某種原因細胞尚未準備好而被“停止”訊號阻止。 在 G1 檢查點，細胞必須準備好進行 DNA 合成。 在 G2 檢查點，細胞必須為有絲分裂做好充分準備。 即使在有絲分裂期間，中期的關鍵停止和前進檢查點也確保細胞為完成細胞分裂做好充分準備。 中期檢查點確保所有姐妹染色單體正確附著到各自的微管上，並在後期發出信號將它們分開之前在中期板〔metaphase plate〕上排列。
細胞在多種分子（例如細胞週期蛋白和細胞週期蛋白依賴性激酶）的控制下進行細胞週期。 這些控制分子決定細胞是否準備好進入下一階段。
細胞週期失控：影響
大多數人都知道癌症或腫瘤是由不斷繁殖的異常細胞引起的。 如果異常細胞繼續不停地分裂，它們就會損害周圍的組織，擴散到身體的其他部位，最終導致死亡。 在健康細胞中，細胞週期的嚴格調節機制可以防止這種情況發生，而細胞週期控制失敗可能會導致不必要的過度細胞分裂。 控制失敗可能是由遺傳性基因異常引起的，這些異常損害了某些“停止”和“前進”訊號的功能。 損害 DNA 的環境污染也會導致這些訊號出現功能障礙。 通常，遺傳傾向和環境因素的結合會導致癌症。
細胞逃離其正常控制系統並癌變的過程，實際上可能在全身頻繁發生。 幸運的是，免疫系統的某些細胞能夠識別已癌變的細胞並消滅它們。 然而，在某些情況下，癌細胞仍未被發現並持續增生。 如果產生的腫瘤不會對周圍組織構成威脅，則被認為是良性的，通常可以輕鬆切除。 如果能夠造成損害，則腫瘤被認為是惡性的，患者被診斷出患有癌症。
癌症源自於體內平衡失衡
癌症是一種極為複雜的疾病，可能由多種遺傳和環境原因引起。 通常，細胞 DNA 中的突變〔mutations〕或畸變〔aberrations〕會損害正常的細胞週期控制系統，從而導致癌性腫瘤。 細胞週期控制是維持適當細胞功能和健康的穩態機制的一個例子。 在細胞週期的各個階段進行時，多種細胞內分子提供停止和前進訊號來調節進入下一階段的運動。 這些訊號保持著複雜的平衡，因此細胞只有在準備好時才進入下一階段。 這種細胞週期的穩態控制可以被認為是汽車的巡航定速〔cruise control〕。 巡航定速將持續施加適量的加速度以保持所需的速度，除非駕駛員踩下煞車，在這種情況下汽車會減速。 同樣，細胞包含分子信使，例如細胞週期蛋白，它們推動細胞在其週期中前進。
除了細胞週期蛋白之外，一類由原致癌基因〔proto-oncogenes〕編碼的蛋白質也提供了調節細胞週期並使其向前移動的重要訊號。 原癌基因產物的例子包括生長因子的細胞表面受體〔cell-surface receptors〕或細胞訊號分子〔cell-signaling molecules〕，這兩類分子可以促進DNA複製和細胞分裂。 相較之下，稱為腫瘤抑制基因〔tumor suppressor genes〕的第二類基因在細胞週期中發出停止訊號。 例如，腫瘤抑制基因的某些蛋白質產物會發出DNA潛在問題的信號，從而阻止細胞分裂，而其他蛋白質則發出信號，如果細胞受到無法修復的損壞，則細胞會死亡。 有些腫瘤抑制蛋白也會發出周圍細胞密度足夠的訊號，這表示細胞目前不需要分裂。 後者功能對於防止腫瘤生長尤其重要：正常細胞表現出一種稱為“接觸抑制〔contact inhibition〕”的現象； 因此，細胞與鄰近細胞的廣泛接觸會產生阻止進一步細胞分裂的訊號。
原致癌基因〔proto-oncogenes〕和腫瘤抑制基因〔tumor suppressor genes〕這兩類截然不同的基因，分別就像細胞本身「巡航定速系統〔cruise control system〕」的加速踏板和煞車踏板。 在正常情況下，這些停止和前進訊號保持穩態平衡。 一般來說，細胞的巡航控制系統可能會透過兩種方式失控：加速器故障（過度活躍）或煞車故障（活躍不足）。 當因突變而受到損害或以其他方式改變時，原致癌基因可以轉化為癌基因〔oncogenes〕，癌基因產生癌蛋白，推動細胞在其週期中前進並刺激細胞分裂，即使這是不希望的。 例如，由於廣泛的 DNA 損傷而應被規劃〔programmed〕為自毀〔self-destruct〕（稱為細胞凋亡〔apoptosis〕的過程）的細胞可能會被癌蛋白觸發增殖。 另一方面，功能失調的腫瘤抑制基因可能無法為細胞提供必要的停止訊號，也會導致不必要的細胞分裂和增殖。
許多原致癌基因和腫瘤抑制基因之間微妙的穩態平衡微妙地控制著細胞週期，並確保只有健康的細胞才能複製。 因此，這種穩態平衡的破壞會導致異常的細胞分裂和癌性生長。
更新紀錄
2023/09/22 發佈本文
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