有关“细胞周期检验点”的相关知识在细胞周期同步化中的应用

摘  要  细胞增殖是学习细胞的生命历程的核心内容之一，以细胞周期为主线，有助于树立生命观念。通过对细胞周期相关知识的拓展和分析，可加强对有丝分裂过程及意义的深入理解，有利于科学思维与研究能力的提升，促进生物学科核心素养的养成。

关键词  细胞增殖，细胞周期，细胞周期检验点，细胞周期同步化

细胞的增殖是高中生物学课程标准指定的学习目标，也是高考的考查内容。细胞的增殖具有周期性，细胞周期是细胞的增殖部分最为重要的基本内容。认识细胞周期可以分为间期和分裂期，了解有丝分裂过程中染色体的复制和分配，阐明有丝分裂保证了遗传信息在亲代和子代细胞间的一致性，作为初步学习细胞周期的内容较为合适。然而限于教学实际情况，过度展开相关内容会造成不必要的学习负担；对于学有余力及兴趣浓厚的学生来讲，这部分内容的深度和广度又远不能满足其对知识的渴望；对于一些问题的简化很可能造成含糊不清的困扰甚至产生错误的认知。鉴于此，适当拓展基于高中生物学教材细胞周期的内容，有助于在掌握与运用相关内容的基础上，达成深化认知、开拓思维、培育学科核心素养的目标。

一、细胞周期的基本过程

细胞周期是指连续分裂的细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的整个过程。如图1所示，细胞周期包括分裂间期和分裂期（简称M期）。

１．分裂间期

分裂间期包括DNA合成期（简称S期），以及S期前后的G₁期和G₂期。

G₁期是子代细胞形成后的最初生长期，这时细胞开始合成细胞生长所需要的rRNA、蛋白质、糖类、脂质等物质，但不合成DNA。

S期是DNA的合成期。真核生物的DNA复制是从染色体上的自主复制顺序开始的，是严格按着半保留的复制方式进行的。

G₂期是从DNA复制结束到细胞分裂前的一段时间。这一时期的细胞中主要大量合成蛋白质、RNA、ATP、脂质和糖类等，是细胞积蓄营养物质和能量，准备分裂的时期。

２．分裂期（M期）

有丝分裂是真核细胞最常见的细胞分裂方式。为了便于描述，常将有丝分裂的M期分为4个时期，即前期、中期、后期和末期。

二、细胞周期检验点

细胞周期的运行是一个非常有序的过程。这个过程是在一系列被称为检验点的严格检控下进行的。细胞周期检验点也称细胞周期检控点，或细胞周期限制点。当DNA发生损伤、DNA复制不完全、蛋白质合成和积累不足或纺锤体形成不正常等情况发生时，细胞周期的运行将不能通过相应的检验点，使细胞周期被阻断。细胞周期检验点由感受异常事件的感受器、信号转导通路和效应器构成，主要的检验点包括G₁/S检验点、S期检验点、G₂/M检验点和纺锤体装配检验点等，如图2所示。

１．G₁/S检验点

G₁/S检验点主要检验细胞中的DNA是否受到损伤，并通过一系列环节调控细胞是否可以由静止状态的G₁期进入DNA合成期。相关的检测事件也包括细胞外环境是否适宜及细胞体积是否足够大等。当条件不满足时，细胞被阻断在G₁/S，不能开始DNA复制，暂时离开细胞周期进入静止期（G₀期）。

２．S期检验点

Ｓ期检验点主要检验DNA在Ｓ期复制过程中是否受到损伤。S期细胞中损伤的DNA需要得到有效修复后，细胞周期才能通过S期检验点。

３．G₂/M检验点

G₂/M检验点是决定细胞一分为二的控制点，主要检测DNA在G₂期是否有损伤，细胞中合成的物质是否足够多，细胞的体积是不是足够大，环境因素是否利于细胞分裂等。只有当所有利于细胞分裂的因素得到满足以后，细胞才能顺利实现从G₂期向M期的转化

４．纺锤体装配检验点

纺锤体装配检验点也称中-后期检验点，主要检验纺锤体是否装配完好，纺锤丝微管是否已连接到染色体的动粒上。当纺锤丝未能正确地与染色体连接时，姐妹染色单体不能分离，从而阻止了细胞从有丝分裂中期向后期的过渡，只有当所染色体均附着纺锤丝后，中期的细胞才能顺利向后期的转化，保证了复制后的染色体能够均等地分配到两个子细胞中。染色体的任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会引起细胞周期中断在有丝分裂中期和后期的交界处。

三、细胞周期同步化

在自然状态下同种细胞组成的细胞群体中，不同的细胞可能处于细胞周期的不同阶段。在科学研究中，人们常常需要整个细胞群体处于细胞周期的同一个阶段，即需要细胞周期的同步化。自然界中存在一些细胞天然同步生长的现象，当然细胞周期同步化也可通过人工选择和人工诱导也可以进行人工同步化。人工选择同步化多数很不理想，而常用人工诱导同步化，即通过药物诱导，使细胞同步化在细胞周期的某个特定阶段。目前应用比较广泛的诱导同步化方法主要有两种，即DNA合成阻断法和分裂中期阻断法。

1．DNA合成阻断法

DNA合成阻断法：这种方法是选用无毒或低毒的DNA合成抑制剂，特异和可逆地抑制DNA合成，而不影响处于其他时期细胞的运转，最终可将细胞群阻断在S期或G₁/S交界处。5-氟脱氧尿嘧啶、羟基脲、阿糖胞苷、氨甲蝶呤以及高浓度AdR（脱氧核糖腺苷）、GdR（脱氧核糖鸟苷）和TdR（脱氧核糖胸苷）等均可以通过抑制DNA合成使细胞同步化。其中高浓度TdR对S期细胞的毒性较小，因此实验中常用TdR阻断法诱导细胞同步化。

2．分裂中期阻断法

某些药物，如秋水仙素、秋水酰胺和诺考达唑等，可以抑制微管聚合，因而能有效地抑制细胞纺锤体的形成，将细胞阻断在细胞分裂中期[染色体着丝点是否着生纺锤丝是中期向后期发展的重要检验，而细胞的其他变化不受此影响，比如核膜核仁已完成解体消失，染色质已高度螺旋化成为染色体等等，这都是中期的重要特点]。处于间期的细胞，受药物的影响相对较弱，常可以继续运转到M期。将分裂中期细胞悬浮于新鲜培养液中继续培养，它们可以继续分裂并沿细胞周期同步运转，从而获得G₁期不同阶段的细胞。

四、举例说明相关知识的应用

此类知识并不要求以识记的方式呈现，而常常以背景资料、信息题的形式出现在试题中，以教材中所学过的知识为基础，考查学生的关键能力和学科素养。

例（高考真题·2017新课标丙卷）利用一定方法使细胞群体处于细胞周期的同一阶段，称为细胞周期同步化。以下是能够实现动物细胞周期同步化的三种方法。回答下列问题：

⑴DNA合成阻断法：在细胞处于对数生长期的培养液中加适量的DNA合成可逆抑制剂，处于_______期的细胞不受影响而继续细胞周期的运转，最终细胞会停滞在细胞周期的_____期，以达到细胞周期同步化的目的。

⑵秋水仙素阻断法：在细胞处于对数生长期的培养液中添加适量的秋水仙素，秋水仙素能够抑制____________，使细胞周期被阻断，即可实现细胞周期同步化。经秋水仙素处理的细胞_______（填“会”或“不会”）被阻断在间期。

⑶血清饥饿法：培养液中缺少血清可以使细胞周期停滞在间期，以实现细胞周期同步化。分裂间期的特点是______________________________________（答出1点即可）。

答案：⑴分裂  间（或答：S） ⑵纺锤体形成  不会  ⑶完成DNA复制和有关蛋白质的合成，为分裂期准备物质

五、教学反思

此题虽然以细胞学中细胞周期同步化为情景设计，看似较为陌生与复杂，可谓起点很高，但考查的知识却是学生熟知的细胞周期的有关基础内容，落点却又很低。其中最值得仔细琢磨品味与教学反思的是第⑵小题这一问：经秋水仙素处理的细胞_______（填“会”或“不会”）被阻断在间期。此问本身做对并不难，但是此处很有深意。

不妨深入思考一下：为何设问经秋水仙素处理的细胞会不会被阻断在间期？而不直接设问：经秋水仙素处理的细胞被阻断在分裂期的______期（填“前”或“中”或“后”或“末”），该问法也是日常教辅试题常用的套路。

很多人认为秋水仙素能够抑制纺锤体的形成，而纺锤体的形成开始于分裂前期，所以秋水仙素仅作用于前期，因此经秋水仙素处理的细胞也应该被阻断在分裂前期。很显然这种认知是错误的，虽然纺锤体的形成开始于分裂前期，但是纺锤体的构建在M期是一个动态的过程，一边装配，一边解聚，秋水仙素可以对存在纺锤体的所有时期（M期）起作用。这就好比“长（zhǎng）头发”，我们在胎儿期就出现了头发，之后我们的大多数时刻(秃顶例外)头发都还在不停地生长，我们不能因为头发是在胎儿期出现的就仅在胎儿期剪发一样。秋水仙素处理的细胞应该被阻断在分裂中期，为什么这么说呢？虽然秋水仙素抑制纺锤体的形成，但是细胞的其他变化不受此影响原本处于分裂前期的细胞向分裂中期发展的过程中染色体的凝缩、核仁解体、核膜消失的现象依然会发生，这些都是判断中期的重要标志；而原本处于分裂中期向分裂后期发展的过程却因为纺锤体遭到破坏，即纺锤丝与染色体未正确连接，所以细胞周期被阻断在分裂中期，直到去除秋水仙素后纺锤体重新正确装配之后才能恢复。

同时基于以上的分析也就很容易让人理解，为什么使用秋水仙素能让染色体数目加倍。那是因为一部分原本已经通过纺锤体装配检验点即中-后期检验点的细胞发生了着丝点（实为着丝粒）的分裂，染色单体分离成为两条染色体，使用秋水仙素后纺锤体遭到破坏，染色体无法被正常牵引到细胞的两极，分裂停止，从而使细胞中的染色体数目加倍。

参考文献

[1]翟中和,王喜忠,丁明孝.细胞生物学(第四版)[M].北京:高等教育出版社,2011:273-278.

[2]黄百渠,曾宪录.细胞生物学简明教程[M].北京:高等教育出版社,2010:179-183.

[3]中华人民共和国教育部.普通高中生物学课程标准(2017年版2020年修订)[M].北京:人民教育出版社,2020:14.

[4]教育部考试中心.高考理科试题分析理科综合分册2018年版[M].北京:高等教育出版社,2017:220-221.