4.1: 细胞分裂简介

细胞分裂是一个细胞产生两个或多个子细胞的过程。像酵母这样的单细胞生物通过细胞分裂进行繁殖，而像我们这样的多细胞生物使用相同的过程来发育、生长和维持我们的组织。了解控制正常细胞分裂的因素对于理解这种现象的破坏如何启动病理过程至关重要。

本视频简要介绍了细胞分裂领域的发现历史，重点介绍了细胞生物学家提出的关键问题，回顾了正在使用的重要工具，并展示了一些当今的应用。

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。

细胞的存在最早是在 1600 年代由 Anton van Leeuwenhoek 和 Robert Hooke 报道的。在显微镜创新的支持下，他们揭开了不可见微观世界的面纱。1830 年代，两位植物学家 Barth？lemy Dumortier 和 Hugo von Mohl 首次观察到细胞可以分裂，他们发现一个植物细胞可以通过分裂产生两个。在这一发现之后，1838 年，一位植物学家？马蒂亚斯·雅各布·施莱登？和生理学家？Theodor Schwann？观察到植物和动物细胞的相似性。这导致施万假设了细胞理论的两个原则，首先："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组成部分。？将近 20 年后，一位名叫 Rudolf Virchow 的医生发表了细胞理论的第三个原则，其中指出："所有细胞都来自先前存在的细胞。

1876 年，Walther Flemming 在观察细胞分裂时观察到线状结构的分离。因此，他创造了 ？有丝分裂，？源自希腊语 mitos，意思是线。后来，Edouard Van Beneden 和 Theodor Heinrich Boveri 发现这些线实际上是染色体，它们在现在称为中心体的结构产生的微管的帮助下被分裂。Beneden 与 Oscar Hertwig 和 August Weismann 一起，还解释了减数分裂——一种产生配子等细胞的不同类型的分裂。他们表明，与有丝分裂不同，减数分裂涉及一轮 DNA 复制，但涉及两轮细胞分裂，导致从亲本细胞到子细胞的染色体数量减半。

在 20 世纪下半叶，科学家们对细胞周期的调节产生了兴趣，在这个过程中，细胞会经历一系列阶段，从而导致其分裂。该领域最重要的发现之一来自 Leland Hartwell 及其同事于 1972 年。使用酵母菌株，他们证明了有些基因在引导细胞度过细胞周期阶段方面起着重要作用，Hartwell 博士将它们命名为细胞分裂周期基因或 ？cdc？s。

另一个发现是在 1983 年由正在研究海胆的蒂姆·亨特 （Tim Hunt） 发现的。他确定了与细胞周期阶段同步振荡的蛋白质。由于它们的振荡性质，他将这些蛋白质命名为 ？cyclins，？现在我们知道细胞周期蛋白是细胞周期的关键调节因子。四年后，Paul Nurse 爵士及其同事表明，cdc 基因，特别是 cdc2，在酵母和人类之间高度保守。这些发现共同大大增加了我们对细胞分裂的理解，因此当之无愧地获得了 2001 年的诺贝尔奖。

现在我们已经回顾了一些历史亮点，让我们来研究当今细胞分裂领域面临的一些基本问题。

我们将从细胞分裂中可能最广泛的问题开始：哪些基因和细胞内信号通路调节细胞周期？众所周知，复制和分裂由一系列激活或停用细胞周期过程的生化开关控制。研究人员正在努力更多地阐明影响细胞周期进展或抑制的分子。

生物学家还对确定刺激或抑制细胞分裂的细胞外因子感兴趣。细胞可能会响应称为有丝分裂原的外部化学线索而增加细胞分裂。科学家们正在努力了解哪些外部线索刺激或抑制细胞分裂。

异常的细胞分裂会导致细胞增殖增加或减少。细胞增殖增加会导致癌症等疾病。研究人员发现，某些称为癌基因的基因突变与癌症的发生有关。此外，科学家们还发现了几种在肿瘤进展中起关键作用的蛋白质。然而，一些致瘤因素仍然未知，生物学家正在努力揭示它们。

现在您已经了解了一些未解之谜，让我们看看生物学家用来寻找答案的一些研究工具。

在活跃分裂的细胞混合物中，细胞周期每个阶段存在的细胞比例可以通过细胞周期分析来确定。这是在特殊染料（如溴脱氧尿嘧啶或 BrdU）的帮助下完成的。它是一种胸苷类似物，在 DNA 复制过程中将自身整合到新合成的 DNA 链中。因此，它仅标记 S 期细胞。另一方面，碘化丙啶 （PI） 等荧光化合物对所有 DNA 进行染色，但结合的 PI 量有助于区分不同阶段的细胞。最后一步是使用流式细胞术分析染色的细胞，获得的数据揭示了细胞在不同细胞周期阶段的分布。

成像技术的进步现在有助于直接观察细胞分裂。科学家现在可以使用荧光素染料对细胞进行染色，或进行基因作以诱导荧光蛋白的表达。在此之后，他们可以使用延时显微镜直接观察活细胞的分裂。

最后，科学家们还设计了一种方法来量化特定细胞在混合细胞群中经历的分裂次数。这是通过使用 ？quantifiable tracking dyes.. 来完成的。这些染料很有用，因为它们产生的信号在通过细胞分裂稀释时变得较暗。荧光强度的减弱可用于识别不同世代的细胞。此外，最高和最低荧光强度之间的差异可以深入了解细胞经历了多少次分裂。

现在您已经熟悉了研究细胞分裂的一些常用方法，让我们看看这些方法是如何应用的。

如前所述，基因在细胞周期控制中起着重要作用。在这里，科学家们研究了基因突变对果蝇幼虫细胞分裂的影响。他们进行基因杂交以产生具有特定突变的果蝇，然后使用细胞周期分析观察突变对发育中的翅膀组织的影响。

使用荧光显微镜，科学家还可以直接观察药物如何影响癌症中的细胞分裂。在这个实验中，研究人员对确定潜在药物 JP-34 如何影响癌细胞分裂感兴趣。结果显示，用 JP-34 处理的癌细胞发生有丝分裂失败和细胞死亡。

最后，科学家使用示踪染料来识别细胞增殖速率的差异。在这里，他们使用了一种可量化的示踪染料来标记细胞膜，以研究各种免疫细胞的细胞分裂差异。流式细胞术数据分析显示，不同类型免疫细胞的增殖率不同。

您刚刚观看了 JoVE 对细胞分裂的介绍。在本视频中，我们回顾了细胞分裂的一些主要发现、当今细胞生物学家提出的关键问题、细胞分裂实验室中采用的重要工具及其当前应用。一如既往，感谢您的观看！