Please note that some of the translations on this page are AI generated. Click here for the English version.
细胞分裂是所有生物体的基础，也是生长和发育所必需的。作为所有生物的重要繁殖方式，细胞分裂允许生物体将其遗传物质转移给后代。对于单细胞生物，细胞分裂会产生一个全新的生物。对于多细胞生物，细胞分裂产生新细胞用于生物体的一般发育，并产生健康细胞来替换受伤的受损细胞。多细胞生物的繁殖需要细胞分裂以产生生殖细胞。
为了分裂，细胞首先需要将其遗传内容复制并分裂成两个子细胞。这一系列的复制和分裂称为细胞周期。细胞周期的细节因生物体而异，但细胞分裂的基本阶段是通用的。
细胞生命中约 78% 的时间都花在间期，生长并为细胞分裂做准备。Interphase 本身包含三个子阶段。细胞分裂后，新形成的细胞立即进入间期的间隙 1 或 G1 部分。在 G1 期间，细胞积极生长，并且在许多情况下分化以执行特定功能。在这个阶段，细胞对内部和外部信号敏感，以确定是否分裂。一些细胞（如神经元）在分化后不会进行细胞分裂，而是保持在 G1 阶段直到死亡。一旦细胞满足进行细胞分裂的标准，它就会进入间期的合成或 S 阶段，在此期间细胞复制其整个基因组。接下来，细胞进入 Gap 2 或 G2 期，合成细胞分裂所需的所有蛋白质。接下来是细胞分裂阶段。
真核细胞中有两种类型的细胞分裂——有丝分裂和减数分裂。体细胞或非生殖细胞通过有丝分裂产生子细胞。有丝分裂是核分裂，由五个阶段组成:前期、前中期、中期、后期和末期 在前期，复制的 DNA 分子凝结成紧密堆积的染色体，而微管形成纺锤体。核膜在前中期溶解。在中期，连接到纺锤体的染色体沿细胞赤道排列。在后期，姐妹染色单体被拉到细胞的相反两极。最后，在末期，在两组染色体周围形成新的核膜。细胞核分裂完成后，每个细胞核周围的细胞质通过胞质分裂彼此分离，产生两个相同的子细胞。
另一种类型的真核细胞分裂称为减数分裂，它是生殖细胞特有的。减数分裂产生四个子细胞，每个子细胞的遗传含量只有亲本细胞的一半。在这个过程中，细胞在间期复制其 DNA，然后完成两次连续的细胞分裂，分别将细胞从 2 个细胞分裂成 4 个细胞。这些连续的细胞分裂称为减数分裂 I 和减数分裂 II，两者都包括从前期到末期的所有阶段。非姐妹染色单体组之间的遗传物质交换发生在前期 I 期间，该过程称为交叉。同源染色体对在中期 I 期间沿细胞赤道排列，在后期 I 期间彼此拉开。单倍体子核在末期 I 形成。胞质分裂通常发生在减数分裂 II 之前，然而，间期几乎从未发生在两个连续的分裂之间。减数分裂 II 与有丝分裂非常相似，并分离姐妹染色单体。在减数分裂结束时，形成四个单倍体子细胞。这些细胞子细胞称为配子，形成精子或卵细胞。
细胞分裂在外部和内部都受到严格调节。外部监管确保了划分的必要性。例如，胃壁的细胞经常分裂，以满足对新细胞替换受损细胞的持续需求。同样，受伤组织可能会经历更高的细胞分裂率以替换受损细胞，但前提是存在指导细胞分裂的外部信号，就只能在一段时间内。细胞分裂的内部调节确保了子细胞的健康。细胞周期的各个阶段中有许多检查点，可调节细胞从一个阶段到下一个阶段的过渡。例如，质量控制机制只有在 DNA 完整且适合复制的情况下，才允许细胞从 G1 期进入 S 期。同样，G2 的检查点只有在 DNA 被完全准确地复制后才允许细胞进入有丝分裂（M 期）。此外，中期检查点确保染色体附着在纺锤体上并在后期开始之前正确对齐。如果细胞无法纠正错误，则在检查点失败的细胞可能成为细胞凋亡的目标。
一些突变允许细胞分裂，即使没有指导细胞分裂的信号。例如，肿瘤抑制基因阻止细胞不受控制的分裂，而这些基因的突变可以减轻这种抑制。如果不加以控制，这种异常的细胞分裂会导致肿瘤形成，在某些情况下会导致癌症。作为美国的主要死亡原因之一，癌症无疑对社会产生重大影响。随着 DNA 突变随着时间的推移而积累，终生患癌症的风险会增加，尤其是乳腺癌、肺癌、前列腺癌和结肠癌1。因此，正在进行的细胞分裂研究对于改善癌症检测、治疗并最终预防至关重要。事实上，目前治疗癌症的疗法利用了细胞分裂机制的知识，例如涉及细胞分裂的靶向机制。例如，铂类药物（如顺铂）与 DNA 结合并阻止 DNA 复制，而紫杉烷类（如紫杉醇）与微管结合并抑制纺锤体分解，从而阻止细胞分裂2。
了解细胞周期和细胞分裂机制对于了解和开发影响非分裂细胞的疾病的治疗方法也很重要。目前，由于受损的神经元和肌肉细胞无法替代，因此神经系统或心脏的损伤可能会使人衰弱。然而，神经组织的损伤与神经元和支持神经胶质细胞中细胞周期通路的激活有关。有趣的是，抑制这些细胞周期通路会减少神经胶质瘢痕的形成和损伤后的继发性损伤。因此，了解细胞周期和细胞分裂的调节对于了解所有器官系统的健康和疾病状况至关重要3。
细胞周期是指典型细胞生命周期中的一系列事件 - 涉及生长、DNA 复制和细胞分裂的准备。对于有性繁殖的生物体来说，生命始于受精卵。随着时间的推移，原始的单细胞以受控的方式生长和分裂，产生多细胞、复杂的个体。细胞继续这个过程，尤其是在衰老过程中维持和修复组织。
现在让我们仔细看看。在真核生物中，双链 DNA 专门组织在膜结合的细胞核内，以适应细胞的有限空间。在压缩的第一级，DNA 紧紧包裹在称为组蛋白的特定蛋白质周围。然后，这种 DNA 蛋白颗粒的组合被重复并包装成称为核小体的阵列，这些核小体与接头 DNA 一起形成盘绕的染色质纤维。最后，额外的纤维蛋白进一步压缩染色质，将长长的 DNA 打包到紧密浓缩的单元中。被识别为染色体，取决于细胞分裂的阶段。
为了准备分裂，细胞必须经历间期，间期分为三个阶段。G1、S 和 G2。在 G1 阶段，即第一个间隙期，新生成的子细胞大小增加，并为下一阶段的 DNA 复制做准备。现在在 S，即合成阶段，细胞复制它们的核 DNA，这些 DNA 仍然包装成染色质。细胞还复制中心体，即形成有丝分裂纺锤体装置的微管组织结构。最后，在 G2 阶段，即第二个间隙期，细胞继续生长，繁殖有丝分裂所需的细胞器和蛋白质，并补充其能量储存。细胞现在已准备好进入有丝分裂的第一阶段。
有丝分裂由五个独特的阶段组成，是一种分裂形式，其中细胞的遗传物质在两个子细胞之间分配。首先，在人类的前期，核酸染色质凝结成 X 形染色体，由连接在着丝粒连接的姐妹染色单体对组成。同时在细胞核外，中心体迁移到细胞的相对两侧。当它们这样做时，微管杆开始从每个微管杆中生长。朝向细胞的内部或外部，形成一个网状的纺锤体装置。接下来，核膜在前中期溶解，使染色体暴露于细胞的其他内容物中。蛋白质结构也出现在着丝粒的两侧，每个染色单体一个。一旦这些着丝粒形成，延伸的内部微管就会固定在它们上面，每个姐妹染色单体被拴在不同的极上。
然后有丝分裂进展到中期，纺锤体装置重新排列染色体，使它们沿细胞赤道排成固定行。在后期，着丝粒附着的微管缩短。而姐妹染色单体，现在单独称为染色体，被拖分开。这些和其他微管动力学也会拉长细胞。最后，染色体在末期落在相对的细胞两侧。纺锤装置解散了。遗传物质松动，两个核膜出现，一个围绕每组染色体。在末期，一个独特的过程，而不是技术上的有丝分裂阶段，称为胞质分裂，也会分裂细胞。因此，有丝分裂的最终结果是一对细胞在基因上与其前体相同。
不幸的是，突变会对控制细胞周期调控的基因造成损害，从而导致细胞分裂不受控制地进行。在这种情况下，每次连续的细胞分裂都会产生损伤更大的子细胞，错误的生长调节最终导致形成称为肿瘤的细胞团。
在本实验中，您将使用洋葱根尖细胞检查有丝分裂的不同阶段。然后检查当细胞周期控制丧失时会发生什么。
