分子生物學/細胞週期

細胞週期概覽

• 真核細胞週期分為G₁、S、G₂、M四個階段
• G₁、S、G₂期合稱為間期，時間佔整個細胞週期的95%
• 其中的G期之G代表"gap"，M期之M代表"Mitosis"
• 另有G₀期，細胞進入此時期不再分裂，但仍能行新陳代謝，除非受到生長因子，才會進入G₁期，開始走細胞週期，人體有約90%的細胞在這時期，包括神經細胞、水晶體細胞和皮膚成纖維細胞
• 不是所有真核細胞的細胞週期都需要經歷出這四個階段，像是胚胎細胞，只有S和M期
• 典型快速增殖的人類細胞完成一個細胞週期需要24小時；早期胚胎細胞只有30分鐘或更短

細胞週期各階段概覽

階段名稱	執行動作	持續時間（以一個循環為24小時為例）
G1	新陳代謝旺盛、DNA還沒開始複製、合成RNA與DNA合成所需蛋白質	11(9)小時
M	合成DNA（DNA複製）	8（10～12）小時
G2	合成細胞分裂所需的蛋白質	4（4.5）小時
G2	細胞分裂	1小時（小於一小時或30分鐘）

細胞週期實驗

利用一些實驗方法，得知現在細胞在哪一階段，在藥學領域，此技術用在判斷抗癌藥物對哪一階段具有特異性

1. 傳統上，使用化學藥劑使細胞停留在某一週期，移除化學藥劑即可讓細胞週期繼續正常進行
   1. 抗生長因子使細胞停在G₁期
   2. Hydroxyurea使細胞停留在S期
   3. Nocodazole使細胞停留在M期
   4. 利用放射性胸腺嘧啶或人工thymidine analong bromodeoxyuridine（BrdU）判斷細胞是否在M期
2. 現在，利用螢光染色DNA，觀察螢光強度來判斷，執行這動作的儀器稱為Flow cytometry（又稱為Fluorescence-activated cell sorter, FACScan），可以偵測「每一個」細胞的螢光強度

透過生長因子和細胞外訊息調控細胞週期

當細胞在晚期G₁期，需通過一個稱為"Restriction point"才能進入S期，這個點可以讓細胞去判斷是否要進行細胞週期，要通過這個點需要有細胞因子刺激，一但通過這個點，剩下的三個階段接可以不用生長因子刺激，但下一個循環經過 restriction point時還是需要有生長因子刺激；相反的，沒有生長因子的刺激下，細胞不能進入S期，細胞週期無法進行，而進入G₀期

Restriction pointy在酵母細胞中稱為START，但不是靠生長因子刺激，而是確定環境中的營養物質是否足夠，以及細胞大小是否適合，如都適合，才能進入S期

細胞週期檢查點

為了確保每一時期的作業完成後才能進入下一期，因此有細胞週期檢查點（註：與免疫檢查點不同），以避免DNA還沒複製完就進入G₂期、spindle還沒組裝完就進入M期，有了細胞週期檢查點，細胞至少要分裂10⁴到10⁵次才會有一個錯誤

細胞週期中有以下數個檢查點，分別在G₁期間、G₁與S期之間、S期中間、S期G₂之間、G₂和M期之間、晚期M期（不同教科書描述的檢查點數量稍不同，敝作者綜合三本教科書不同的寫法）。除了晚期M期，其他檢查點基本上是在檢查DNA是否損害，晚期M期的檢查點會確認紡錘體與染色體排列完全；另外，S期的檢查點亦會檢查DNA是否複製完全、G₂和M期之間的檢查點亦會檢查致癌基因是否也被複製

這些檢查點能夠辨識DNA是否損失和是否有未複製完全的DNA，是由ATM和ATR這兩種蛋白質完成，一旦發現問題，便立刻停止細胞週期，啟動DNA修復，如無法修復便走向程序式細胞死亡（例如最常見的是細胞凋亡）

蛋白質激酶與細胞週期調控

早期分子生物實驗發現，抽取從G₂到M期之蛙類卵母細胞的細胞質液，將此抽取物微注射入停留在G₂期的蛙卵細胞，可使此卵母細胞離開G₂期，進入M期，且如果注射量越多，越多細胞進入M期。此實驗說明有一項因子，存在細胞質中，會觸發細胞進入M期，此因子在那時（約1971年）我們稱為 maturation promoting factor, MPF。進一步研究發現，MPF不侷限作用於卵母細胞，體細胞也會，因此MPF被稱為能使細胞從G₂期進入M期的基本調節者

1983年，Tim Hunt與他的同事在海膽和蛤胚胎細胞，發現有兩種蛋白質會隨著時間做週期性含量變化，在間期時，此蛋白質積聚於細胞中，濃度漸漸變高，進入M期後，蛋白質被分解，含量下降，直到下一次間期，含量再生上升，如此反覆。因此推論這蛋白質與細胞週期的進行有關，Hunt分別將這兩種蛋白質稱為Cyclin A, Cyclin B。1986年，Joan Ruderman 與他的同事將Cyclin A注射入蛙卵母細胞，可使其從G₂期進入M期

1988年，James Maller 在實驗室中從蛙卵細胞提純出MPF，然後MPF的分子分析便在各個實驗室中進行，發現它由兩個亞單位組成：CDK1和Cyclin B，至此我們知道細胞週期的進行是有不同的CDK和Cyclin所調節