關于細胞周期測定問題的解答

細胞周期的研究是細胞生物學的重要研究課題，在某些工作中，如對于腫瘤的研究等也常會涉及到細胞周期長短的測定。因此，在近幾年的高考及各地的競賽試題中，時常會出現與細胞周期測定相關的試題。現將細胞周期測定的基本方法和相關問題的解答方法作一梳理，供高考復習參考。

測定細胞周期時間的基本原理是選擇細胞周期中有變化規律的物質作標記，通過觀察這些標記物在細胞周期中的變化，間接計算細胞周期及各時相的時間。

一、標記有絲分裂比率法

標記有絲分裂比率法（PLM）是最經典的測定細胞周期各時相時間的方法。其實驗過程是：利用3H-TDR（TDR：胸腺嘧啶核苷）短暫的脈沖標記待測細胞群體，然后洗脫標記物，置換新鮮培養液繼續培養。隨后，每隔半小時或一小時定期取樣，進行細胞放射自顯影，以M期的3H-TDR標記指數為指標，測定有絲分裂細胞中已被標記的細胞比率，根據該比率變化發生的時間，計算細胞周期及各時相的時間。

結果分析方法如下：（1）當脈沖標記后，因3H-TDR只摻入到S期細胞中，在該段時間內已處于S期的細胞被標記，處于其他時期的細胞均無標記。由于S期細胞經G2期才進入M期，所以一段時間內標記有絲分裂百分數為0（圖1）。培養一定時間后，被標記的細胞將陸續進入M期。最先進入M期的標記細胞是原來處于S期最后階段的細胞，所以從3H-TDR摻入時起，到開始出現被標記的M期細胞，就是S期細胞經過G2期到達M期的時間，即為G2期的時間（TG2）。（2）隨著S期細胞逐漸進入M期，標記有絲分裂百分數逐漸上升，到達最高點時，說明原處于S期最后階段的細胞已完成M期，進入G1期。所以從開始出現標記的M期細胞到標記有絲分裂百分數達到最大值之間所經歷的時間為M期的時間（TM）。（3）由于S期的持續時間長于M期，所以標記有絲分裂比率的高峰要維持一定時間，直到處于S期最初階段的細胞進入M期為止。當標記有絲分裂比率開始下降時，表明緊跟S期細胞后面的G1期細胞開始進入M期，所以從開始出現標記的M期細胞到標記的有絲分裂比率開始下降的時間間隔為S期的時間（TS）。（4）當S期標記細胞經過一個細胞周期再次進入下一個細胞周期的M期時，又重復前一個循環的過程。第一次出現標記細胞和第二次出現標記細胞之間所持續的時間間隔為細胞周期時間（TC）。G1期的時間（TG1）可由TC－（TS+TG2+TM）算出。

也可采用BrdU取代3H-TDR標記細胞，檢測被標記的細胞可用抗BrdU抗體作免疫細胞化學染色。_______________

二、流式細胞技術測定細胞周期

流式細胞技術的基本原理是細胞經DNA特異性熒光染色后，被分離的單個細胞逐個通過流式細胞儀的熒光探測裝置，記錄每個細胞的熒光強度。由于每個細胞結合的染料與DNA含量成正比，所以每個細胞受激發后發射的特異性熒光強度與它的DNA含量成正比。由于G1期細胞的DNA含量為2C，G2和M期細胞DNA含量為4C，S期細胞的DNA含量為2~4C，因此可以根據DNA含量的不同分選出處于不同時相的細胞，然后通過統計算出細胞各時相所占的百分比，從而確定細胞周期的時間長短。

三、相關試題的解答方法

關于細胞周期測定問題的解答，下面以實例說明之。

[例1] 在某生物細胞培養液中加入用3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸，短暫培養一段時間后，洗去3H標記的胸腺嘧啶脫氧核苷酸。使在該段時間內已處于DNA復制期不同階段的全部細胞中DNA被3H標記，而當時處于其他時期的細胞則不帶標記。不同時間取樣做細胞放射性自顯影，找出正處于有絲分裂的分裂期細胞，計算其中帶3H標記的細胞占有絲分裂細胞的百分數。得到圖2（圖甲～圖丁中橫軸為時間，縱軸為帶標記細胞占總細胞數的百分數）：

（1）圖乙中a點開始檢測到_____ 帶3H標記分裂期細胞，則O~a為_____期，理由是：__________ 。

（2）圖乙中b點帶3H標記分裂期細胞數開始達到最大值，則a~b段表示_____ 期，理由是：_____ 。

（3）圖丙中c點時，帶標記的細胞百分數開始下降，則a~c段表示_____ 期。

（4）此后，帶標記的分裂期細胞數逐漸減少，直到消失，到第二次出現帶有標記的細胞數時為圖表中e點，則一個完整的細胞周期為：__________

解析：S期細胞經G2期進入M期；最先進入M期的標記細胞是原來處于S期最后階段的細胞，所以從3H-TDR摻入時起，到開始出現被標記的M期細胞，就是G2期的時間。從開始出現標記的M期細胞到標記有絲分裂百分數達到最大值，說明原處于S期最后階段的細胞已完成M期，所經歷的時間為M期的時間。由于S期的持續時間長于M期，所以標記有絲分裂比率的高峰要維持一定時間，從開始出現標記的M期細胞到標記的有絲分裂比率開始下降的時間間隔為S期的時間。而第一次出現標記細胞和第二次出現標記細胞之間的時間間隔為細胞周期時間。答案：（1）G2，理由是：處于DNA復制最后階段的細胞最先經G2期成為分裂期細胞；（2）分裂期，理由是：a點后，原處于DNA復制期最后階段的細胞完成有絲分裂；（3）S；（4）a~e。

[例2] 在研究細胞周期時，可以用BrdU進行標記。將細胞置于含有BrdU的某種培養基中培養，當細胞的DNA復制時，BrdU可替代胸腺嘧啶脫氧核苷酸摻入到DNA的子鏈中。將處于不同細胞周期的中期細胞進行常規制片，經特殊染色后，在顯微鏡下觀察每條染色體的姐妹染色單體的著色情況。由于摻入BrdU的情況不同，著色的深淺也不同：在染色單體中，若DNA只有一條單鏈摻有BrdU，則著色深；若DNA的兩條單鏈都摻有BrdU，使DNA雙鏈螺旋程度降低，從而著色淺。請分析回答：

（1）若觀察到置于含有BrdU的某種培養基中培養的細胞中所有染色體上的兩條姐妹染色單體著色深，則該細胞正處于第 個細胞周期的中期。

（2）若細胞中的所有染色體上的兩條姐妹染色單體一條著色深、一條著色淺，則該細胞正處于第

個細胞周期的中期。判斷的理由是 。

（3）科學研究表明，在細胞周期中，染色體的兩條姐妹染色單體之間可能發生部分交換。若用顯微鏡觀察，如何判斷姐妹染色單體已發生了部分交換？答:_______________。

解析：（1）著色深說明DNA只有一條單鏈摻有BrdU，即DNA只經過一次復制，細胞處于第一個細胞周期。（2）第一次分裂產生的DNA一條鏈摻有BrdU，一條鏈沒有BrdU，以這兩條鏈分別為模板，在含有BrdU的培養基中進行第二次復制，結果子代一個DNA的兩條鏈都摻有BrdU，另一個DNA的一條鏈摻有BrdU，一條鏈沒有BrdU，使細胞中的所有染色體上的兩條姐妹染色單體一條著色深、一條著色淺。（3）如果染色體的兩條姐妹染色單體之間發生了部分交換，用顯微鏡觀察時會發現同一條染色單體的著色深淺會不一樣。答案：(1)一；(2)二，理由是這時細胞內的所有染色體中，一條染色單體的DNA分子只有一條單鏈含有BrdU，另一條染色單體的DNA分子則兩條單鏈都含有BrdU；（3）染色體上著色深的染色單體中含有著色淺的染色單體片段，著色淺的染色單體中含有著色深的染色單體片段。

[例3] 細胞周期包括分裂間期（分為G1期、S期和G2期）和分裂期（M期）。圖3標注了甲動物（體細胞染色體數為12）腸上皮細胞的細胞周期各階段的時長及DNA含量。請回答下列問題：

（1）若用含放射性同位素的胸苷（DNA復制的原料之一）短期培養甲動物腸上皮細胞后，處于S期的細胞都會被標記。洗脫含放射性同位素的胸苷，換用無放射性的新鮮培養液培養，定期檢測。預計最快約_____h后會檢測到被標記的M期細胞。

（2）從被標記的M期細胞開始出現到其所占M期細胞總數的比例達到最大值時，所經歷的時間為 期的時間，處于該期的一個細胞中染色體數目的變化情況是__________。

（3）若向甲動物腸上皮細胞培養液中加入過量胸苷，處于S期的細胞立刻被抑制，而處于其他時期的細胞不受影響。預計加入過量胸苷約__________h后，細胞都將停留在S期。

（4）乙動物腸上皮細胞的細胞周期時長為24h，M期時長為l.9h。若要在顯微鏡下觀察細胞有絲分裂過程中染色體形態的變化，選用_____（填“甲”或“乙”）動物腸上皮細胞更合適。

解析和答案：（1）S期最后階段的細胞經G2期后最先變為M期細胞，故檢測到被標記的M期細胞最短時間為G2期，即2.2h。（2）被標記的細胞從M期開始出現，到其所占M期細胞總數比例達到最大值后，變為間期細胞，故經歷的時間即為M期時間。（3）剛結束S期的細胞，經過G2、M、G1期后再次到達S期時會受到抑制，經歷時間共為7.4h，其他各期細胞到達S期的時間均短于該時間。（4）觀察染色體形態變化主要是觀察分裂期的細胞，而分裂期細胞的多少與其所占細胞周期的時間比例呈正相關。甲、乙動物腸上皮細胞分裂期所占時間分別約為12%、8%，因此選甲動物作為觀察材料。答案：（1）2.2；（2）M 12→24→12；（3）7.4；（4）甲。

[例4] 細胞增殖過程中DNA含量會發生變化。通過測定一定數量細胞的DNA含量，可分析其細胞周期。根據細胞DNA含量不同，將某種連續增殖的細胞株細胞分為三組，每組的細胞數如圖4。從圖中所示結果分析其細胞周期，不正確的是：

A. 乙組細胞正在進行DNA復制

B. 細胞分裂間期的時間比分裂增長

C. 丙組中只有部分細胞的染色體數目加倍

D. 將周期阻斷在DNA復制前會導致甲組細胞數減少

解析和答案：乙組中DNA含量從2C達到了4C，反映了細胞中DNA的復制過程，即S期。甲組細胞DNA含量為2C，是G1期，處于甲組和乙組狀態的細胞較多，說明間期較長。丙組細胞DNA含量為4C，說明已完成DNA復制，為G2期和M期細胞，但染色體數目加倍只發生在有絲分裂后期，所以丙組中只有部分細胞染色體數目加倍。如果將DNA的復制阻斷，則會導致甲組細胞數增多，而乙、丙細胞數相對減少。答案：D。

[例5] 科學家在研究蠶豆根尖分生區細胞的有絲分裂周期時，分別用放射性同位素15N標記胸腺嘧啶脫氧核苷酸（15N-TdR），用32P標記尿嘧啶核苷酸（32P-UdR），把兩種核苷酸被細胞利用的速率繪成曲線如圖5所示。已知蠶豆根尖細胞有絲分裂周期為20h。下列對結果的分析，不正確的是：

A. b點時，細胞正在大量合成RNA

B. d點時，細胞中DNA含量達到最大值

C. ce段，細胞最容易發生基因突變

D. 蠶豆根尖細胞有絲分裂周期中，分裂期時間不超過6h

解析和答案：b點時，對32P-UdR的利用率最高，說明細胞正在大量合成RNA；d點時，DNA復制速度最快，DNA的復制到e點結束，e點時DNA的含量才達到最大值；基因突變發生在DNA復制過程中，ce段正是DNA復制的階段；蠶豆根尖細胞有絲分裂周期為20h，G1期和S期的時間超過14h，因此分裂期時間不超過6h。答案：B。