细胞分裂导论

细胞分裂是一个细胞产生两个或更多子细胞的过程。单细胞生物（如酵母）通过细胞分裂进行繁殖，而多细胞生物（例如我们人类）则利用这一过程实现发育、生长以及组织的维持。了解调控正常细胞分裂的机制，对于理解该过程的紊乱如何引发病理过程至关重要。

本视频简要回顾细胞分裂领域的重大发现历史，突出细胞生物学家关注的关键科学问题，概述当前使用的重要研究工具，并展示该领域的一些现代应用。

让我们首先回顾一些奠定细胞分裂研究基础的里程碑式研究。

细胞的存在最早由安东·范·列文虎克和罗伯特·胡克在17世纪报道。借助显微镜技术的进步，他们揭开了不可见微观世界的一角。19世纪30年代，两位植物学家巴泰勒米·迪莫里埃和雨果·冯·莫尔首次观察到细胞可以分裂，发现一个植物细胞能够通过分裂产生两个细胞。在此发现之后，1838年，植物学家马蒂亚斯·雅各布·施莱登和生理学家西奥多·施旺观察到植物细胞与动物细胞之间的相似性。这促使施旺提出了细胞学说的两条基本原理：第一，“所有生物体都由一个或多个细胞组成”；第二，“细胞是所有生命的基本结构单位”。近二十年后，一位名叫鲁道夫·菲尔绍的医生提出了细胞学说的第三条原理：“所有细胞都来源于已存在的细胞”。

1876年，瓦尔特·弗莱明在观察细胞分裂时，注意到线状结构的分离现象。因此，他根据希腊语中意为“线”的“mitos”一词，创造了“有丝分裂”（mitosis）这一术语。随后，爱德华·范·贝内登和西奥多·海因里希·博韦里发现这些线状结构实际上是染色体，它们在如今被称为中心体的结构所发出的微管的帮助下进行分离。贝内登还与奥斯卡·赫特维希和奥古斯特·魏斯曼一起阐明了减数分裂——一种产生配子等细胞的不同类型的分裂方式。他们表明，与有丝分裂不同，减数分裂包含一次DNA复制，但经历两次细胞分裂，从而使子细胞的染色体数目减半。

在20世纪下半叶，科学家开始关注细胞周期的调控，即细胞经历一系列阶段最终完成分裂的过程。该领域最重要的发现之一来自1972年利兰·哈特韦尔及其同事的研究。他们利用酵母菌株证明，存在一些基因在引导细胞通过细胞周期各阶段中发挥重要作用，哈特韦尔博士将其命名为细胞分裂周期基因，即“cdc基因”。

另一项重要发现出现在1983年，由蒂姆·亨特在研究海胆时取得。他鉴定出一类丰度随细胞周期各阶段同步振荡的蛋白质。由于其振荡特性，他将这些蛋白质命名为“周期蛋白”（cyclins）。如今我们已知，周期蛋白是细胞周期的关键调控因子。四年后，保罗·纳斯爵士及其同事证明，cdc基因（特别是cdc2）在酵母和人类之间高度保守。这些发现极大地增进了我们对细胞分裂的理解，因此在2001年当之无愧地获得了诺贝尔奖。

在回顾了一些历史上的重要进展之后，让我们来探讨当前细胞分裂领域所面临的一些基本问题。

我们首先从细胞分裂中最广泛的问题开始：哪些基因和细胞内信号通路调控细胞周期？已知细胞的复制与分裂是由一系列生化开关控制的，这些开关可激活或失活细胞周期过程。研究人员正致力于揭示影响细胞周期进程或抑制作用的分子机制。

生物学家还关注识别刺激或抑制细胞分裂的细胞外因素。细胞可能会对外部化学信号（称为有丝分裂原）作出反应，从而增加细胞分裂。科学家正在努力弄清哪些外部信号能够刺激或抑制细胞分裂。

异常的细胞分裂可导致细胞增殖增加或减少。细胞增殖过度会引起癌症等疾病。研究人员已发现，某些被称为癌基因的基因发生突变与癌症的发生有关。此外，科学家还发现了多种在肿瘤进展中起关键作用的蛋白质。然而，仍有一些致癌因素尚未明确，生物学家正努力揭示这些未知因素。

现在您已经了解了一些尚未解答的问题，接下来让我们看看生物学家用来寻找答案的一些研究工具。

在一群活跃分裂的细胞混合物中，可以通过细胞周期分析来确定处于细胞周期各阶段的细胞比例。这一过程借助特殊的染料完成，例如溴脱氧尿苷（bromodeoxyuridine，BrdU）。BrdU 是一种胸苷类似物，可在 DNA 复制过程中掺入新合成的 DNA 链中，因此仅标记 S 期细胞。另一方面，像碘化丙啶（propidium iodide，PI）这样的荧光化合物可以染色所有 DNA，但结合的 PI 量有助于区分处于不同周期阶段的细胞。最后一步是使用流式细胞术分析染色后的细胞，所获得的数据可揭示细胞在不同细胞周期阶段的分布情况。

成像技术的进步如今使得直接观察细胞分裂成为可能。科学家现在可以使用荧光素染料对细胞进行染色，或通过基因操作诱导荧光蛋白的表达。随后，他们可以利用延时显微镜直接观察活细胞的分裂过程。

最后，科学家还设计出一种方法，用于量化特定细胞在混合细胞群体中经历的分裂次数。该方法使用“可定量追踪染料”。这类染料的信号会随着细胞分裂而逐渐稀释变弱，因此非常有用。荧光强度的减弱可用于识别不同代次的细胞。此外，最高与最低荧光强度之间的差异还能提供有关细胞分裂次数的信息。

现在您已经熟悉了一些研究细胞分裂的常用方法，接下来让我们看看这些方法是如何被应用的。

如前所述，基因在细胞周期调控中起着重要作用。在此实验中，科研人员研究了基因突变对黑腹果蝇（Drosophila）幼虫细胞分裂的影响。他们通过遗传杂交获得具有特定突变的果蝇，然后利用细胞周期分析观察这些突变在发育中的翅组织内所产生的效应。

利用荧光显微镜，科研人员还可以直接观察药物对癌细胞分裂的影响。在本实验中，研究人员旨在确定一种潜在药物JP-34如何影响癌细胞的分裂过程。结果显示，经JP-34处理的癌细胞出现了有丝分裂失败并最终导致细胞死亡。

最后，科研人员使用示踪染料来识别细胞增殖速率的差异。在此研究中，他们采用了一种可定量的膜标记示踪染料，用于分析不同类型免疫细胞在细胞分裂上的差异。流式细胞术数据分析表明，不同类型的免疫细胞之间其增殖速率存在差异。

您刚刚观看了 JoVE 关于细胞分裂的简介。在本视频中，我们回顾了细胞分裂领域的一些重要发现、当今细胞生物学家正在探索的关键问题、细胞分裂实验室中常用的重要工具及其当前的应用。一如既往，感谢您的观看！