細(xì)胞周期同步化微專題復(fù)習(xí)

邵江樵

一、微專題 “微專題”是以某個“點(diǎn)”為中心，整合相關(guān)概念、原理、規(guī)律和模型的專題知識，復(fù)習(xí)中設(shè)置“微專題”的目的是為了幫助學(xué)生理解已有知識的內(nèi)在聯(lián)系，形成比較深刻的系統(tǒng)化知識，促進(jìn)學(xué)生的深度學(xué)習(xí)，從而有效地解決某類具體的問題.如“細(xì)胞周期同步化”微專題基于真實(shí)的操作技術(shù)為情境，可以幫助學(xué)生理解細(xì)胞分裂是一個連續(xù)的過程，建立運(yùn)用細(xì)胞周期模型進(jìn)行問題分析的思維模式.

二、細(xì)胞周期同步化

在體外培養(yǎng)的細(xì)胞群體中，細(xì)胞有絲分裂是不同步的，有早有晚，有快有慢，即在某時刻，同時存在著各種時期的細(xì)胞.細(xì)胞同步化就是采取一定的方法，使細(xì)胞群體中處于細(xì)胞周期不同時期的細(xì)胞停留在同一時期.常見的人工誘導(dǎo)細(xì)胞周期同步化技術(shù)有：營養(yǎng)限制性培養(yǎng)法獲得G1期;選用DNA合成抑制劑將細(xì)胞群體阻斷在G1/S期交界處;用一些抑制微管聚合的藥物（如秋水仙素）抑制紡錘體的形成，將細(xì)胞阻斷在有絲分裂中期.

1.營養(yǎng)限制法

營養(yǎng)限制法是指在細(xì)胞全營養(yǎng)培養(yǎng)液中降低或剝奪某種營養(yǎng)物質(zhì)，從而使細(xì)胞分裂暫停在某一時期（如G1期）的細(xì)胞同步化方法.其中常用的方法有血清饑餓法和氨基酸饑餓法.

血清饑餓法：通過將培養(yǎng)液中血清濃度降低到一定限度（0.5%～1%），使細(xì)胞僅能存活而不能分裂，進(jìn)而獲得大量處于G0期或G1期的細(xì)胞.G0期細(xì)胞，也稱靜止期細(xì)胞，通常由G1期細(xì)胞轉(zhuǎn)化而來，G0期細(xì)胞暫停分裂，受到某些刺激時會重新開始分裂，獲得的細(xì)胞中處于G0期細(xì)胞與處于G1期細(xì)胞的比例與血清饑餓的時間相關(guān)，

氨基酸饑餓法：通過剝奪全營養(yǎng)培養(yǎng)液中的異亮氨酸或精氨酸可將細(xì)胞阻斷在G0期或G1期，

可見，營養(yǎng)限制法的原理是G1期細(xì)胞主要合成DNA所需蛋白質(zhì)的合成和核糖體的增生，由于培養(yǎng)液缺乏營養(yǎng)物質(zhì)，使細(xì)胞合成有關(guān)物質(zhì)如RNA和蛋白質(zhì)（DNA聚合酶等）受阻，而停滯于G.期以及轉(zhuǎn)化為G0期，無法進(jìn)入S期，

營養(yǎng)限制法的優(yōu)點(diǎn)是不影響細(xì)胞的生理生化過程，一旦營養(yǎng)充足，細(xì)胞就會繼續(xù)正常分裂.

2.DNA合成雙阻斷法

DNA合成雙阻斷法是用DNA合成抑制劑，可逆地抑制DNA合成，而不影響其他時期細(xì)胞的運(yùn)轉(zhuǎn)，最終可將細(xì)胞群阻斷在G1/S交界處.

羥基脲、阿糖胞苷、氨甲蝶呤、高濃度AdR（脫氧腺苷）、GdR（脫氧鳥苷）和TdR（脫氧胸苷）均可抑制DNA合成，使細(xì)胞同步化，其中高濃度的TdR對S期細(xì)胞的毒性較小，因此常用TdR雙阻斷法誘導(dǎo)細(xì)胞同步化.兩次阻斷和洗脫操作的處理方法、處理目的和處理時間如表1和圖1所示.

3.中期阻斷法

紡錘體由紡錘絲——微管蛋白組裝而成，是細(xì)胞分裂對程中染色體平均分配到兩極的必要結(jié)構(gòu)，構(gòu)成紡錘體的紡錘絲分為星體紡錘絲、著絲粒紡錘絲和極體紡錘絲三種，后期時，著絲粒紡錘絲微管解聚縮短，在動粒處產(chǎn)生的拉力使染色體移向兩極：極體紡錘絲的微管伸長和相互間的滑行向兩極方向移動，使細(xì)胞兩極之間的距離加大.動粒是與著絲粒相聯(lián)系的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)，是紡垂體微管與染色體相接觸的結(jié)構(gòu)，位于著絲粒外側(cè)表面位置上，如圖2所示，

細(xì)胞周期檢驗(yàn)點(diǎn)是細(xì)胞周期調(diào)控的一種機(jī)制，當(dāng)細(xì)胞周期中某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)“異常事件”時，調(diào)節(jié)機(jī)制就被激活，排除“故障”或使細(xì)胞周期中斷，如紡錘體組裝檢驗(yàn)點(diǎn)（SAC）能夠檢查紡錘體是否正確組裝.紡錘絲是否正確連接在染色體的著絲粒兩側(cè)的動粒上，當(dāng)著絲粒兩側(cè)的動粒都與紡錘絲連接并排列在赤道板上時.SAC蛋白會很快失活并脫離動粒，當(dāng)所有的SAC蛋白都脫離后，細(xì)胞進(jìn)入中期，然后APC（后期促進(jìn)復(fù)合物）被激活，細(xì)胞才能由分裂中期進(jìn)入后期.

秋水仙素能與微管特異性結(jié)合，形成的復(fù)合物不僅不能使微管繼續(xù)聚合形成紡錘體，而且還會使已經(jīng)組裝的微管蛋白解聚;所以用適宜濃度的秋水仙素在適宜的時間作用于動物細(xì)胞和植物細(xì)胞，紡錘體會迅速消失.可見，用秋水仙素處理后，細(xì)胞不能正常形成紡錘絲，細(xì)胞則無法進(jìn)入后期，將滯留住中期.這里的細(xì)胞停滯中期是從分裂時期的角度來說的，也是染色體螺旋化程度最高的時期，由于失去了紡錘絲的牽引，此時的染色體很難整齊排列在赤道，而是在細(xì)胞中呈散亂分布，

秋水仙素能抑制紡錘體的形成，使細(xì)胞周期被阻斷在中期.實(shí)理細(xì)胞周期同步化.常川的藥物有秋水仙素和秋水仙酰胺，后者毒性較少，

秋水仙素的作用是可逆的，當(dāng)作物體內(nèi)的秋水仙素被代謝降解后其作用消失，不再抑制微管和紡錘絲形成，細(xì)胞即可繼續(xù)分裂，

三、典型試題與應(yīng)用

例1 （2017年11月浙江選考卷）為了研究海拉細(xì)胞的細(xì)胞增殖，若要得到大量的G.期細(xì)胞，可采用的方法 _____，原因是_____，

解析本題考查G1期的特點(diǎn)和細(xì)胞周期各時期的相互關(guān)系.教材在多莉羊的培育過程中指出，需要對供體細(xì)胞——乳腺細(xì)胞進(jìn)行營養(yǎng)限制性培養(yǎng).C1期細(xì)胞主要合成DNA所需蛋白質(zhì)的合成和核糖體的增生，由于培養(yǎng)液缺乏營養(yǎng)物質(zhì)，使C，期細(xì)胞合成有關(guān)物質(zhì)受阻，如mRNA和DNA聚合酶等蛋白質(zhì)的合成受阻，從而無法進(jìn)入S期，而停滯在G1期，

參考答案：減少培養(yǎng)液中的營養(yǎng)物質(zhì)成分 由于原料缺少使細(xì)胞合成有關(guān)物質(zhì)如RNA和蛋白質(zhì)等受阻，而停滯于G1期

變式練習(xí)1 （2020年1月浙江選考卷16）下列關(guān)于用不同方法處理與培養(yǎng)小鼠骨髓細(xì)胞的敘述，正確的是（

）.

A.用缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)液培養(yǎng)，會使M期細(xì)胞減少

B.用蛋白質(zhì)合成抑制劑處理，不影響C.期細(xì)胞進(jìn)入S期

C.用促進(jìn)細(xì)胞分裂的試劑處理.c，期細(xì)胞中染色體數(shù)目增加

D.用僅含適量3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷的培養(yǎng)液培養(yǎng)，s期細(xì)胞的數(shù)量增加

解析用缺乏營養(yǎng)物質(zhì)的培養(yǎng)液培養(yǎng)，會使細(xì)胞不能在分裂間期完成DNA的復(fù)制及有關(guān)蛋白質(zhì)的合成，這樣細(xì)胞無法進(jìn)入分裂期，所以M期細(xì)胞減少，A選項(xiàng)正確;G1期主要是合成DNA所需蛋白質(zhì)的合成和核糖體的增生，用蛋白質(zhì)合成抑制劑處理，G.期細(xì)胞不能合成相應(yīng)的蛋白質(zhì)，無法進(jìn)入s期，因此B選項(xiàng)錯誤;有絲分裂過程中的染色體數(shù)目加倍發(fā)生在后期，用促進(jìn)細(xì)胞分裂的試劑處理，G2期細(xì)胞中的染色體數(shù)目不會增加，C選項(xiàng)錯誤;雖然S期進(jìn)行DNA復(fù)制，但用僅含適量3H標(biāo)記的胸腺嘧啶脫氧核苷的培養(yǎng)液培養(yǎng)，S期細(xì)胞還是無法進(jìn)行DNA半保留復(fù)制，細(xì)胞數(shù)量不會增加，D選項(xiàng)錯誤.

參考答案：A

例2 細(xì)胞周期可分為分裂間期和分裂期，分裂間期包括G.期、S期和G2期，分裂期即M期.圖3是甲物種細(xì)胞周期各時期的時間，若在培養(yǎng)液中加入過量3H標(biāo)記的胸苷（3H -TdR），下列說法正確的是（

）.

A.過量3H—TdR通過阻礙核糖體與mRNA的結(jié)合發(fā)揮作用

B.若乙物種M期為2小時，則乙比甲更適合作為觀察有絲分裂染色體行為的材料

C.全部細(xì)胞被抑制在G.期和s期的交界處約需15小時

D.用含過量3H—TdR的培養(yǎng)液培養(yǎng)10小時后，約有7/22的細(xì)胞被阻斷在S期

解析 過量3H—TdR的作用原理是抑制DNA合成，所以A選項(xiàng)錯誤;觀察有絲分裂染色體行為看分裂期，需要M期細(xì)胞在細(xì)胞周期中的比例高.細(xì)胞周期中各時期的細(xì)胞數(shù)量占總細(xì)胞數(shù)的比例與該時期在細(xì)胞周期中的時間比例成正比，雖然乙物種的M期大于甲物種，但不知道乙物種的細(xì)胞周期時間，因此無法判斷誰更適合作為觀察有絲分裂染色體行為的材料，B選項(xiàng)錯誤：要使全部細(xì)胞被抑制在G，期和S期的交界處需要兩次阻斷DNA的合成，第一次阻斷的時間至少為G2+M+G1，第一次洗脫的時間不少于S期，第二次阻斷的時間至少為G2+M+G1，合計不少于37小時，故C選項(xiàng)錯誤;據(jù)圖3可知，細(xì)胞周期為22小時，其中S期7小時，因此s期細(xì)胞約占細(xì)胞總數(shù)的7/22.由于過量3H- TdR只抑制DNA合成，而不影響其他時期細(xì)胞的運(yùn)轉(zhuǎn)，用含過量3H—TdR的培養(yǎng)液培養(yǎng)10小時后，已經(jīng)完成了DNA復(fù)制的細(xì)胞（G2期+M期）繼續(xù)完成分裂會使細(xì)胞數(shù)增加.10小時后的總細(xì)胞數(shù)相對值=一個細(xì)胞周期+G：+M=27，被阻斷在S期實(shí)際比例= 7/27，約為7/22，因此D選項(xiàng)正確.

參考答案：D

變式練習(xí)2 -個處于培養(yǎng)狀態(tài)下的細(xì)胞株，處于細(xì)胞周期各時期的均有若干，其數(shù)量與時長成正比，已知細(xì)胞周期各階段的時長如表2所示，

現(xiàn)對該細(xì)胞株依次進(jìn)行如下操作：

①加入DNA合成抑制劑：

②維持12小時：

③去除DNA合成抑制劑;

④維持12小時;

⑤加入DNA合成抑制劑：

⑥維持7小時，

下列敘述錯誤的是（

）.

A.操作①只能使部分細(xì)胞停止分裂活動

B.操作④后存在有染色單體的細(xì)胞

C.理論上操作②后處于S期（非Cl/S臨界處）的細(xì)胞占7/19

D.若操作⑥之后去除DNA合成抑制劑，各細(xì)胞的分裂過程將同步

參考答案：C

變式練習(xí)3 （浙江省十校聯(lián)盟2022屆高三第二次聯(lián)考第16題）科學(xué)家采取一些方法使細(xì)胞處于細(xì)胞周期的同一時相，稱為細(xì)胞同步化技術(shù).圖4是動物細(xì)胞周期同步化的方法之一，下列敘述錯誤的是（

）.

A.阻斷1只能使部分細(xì)胞停止分裂活動

B.理論上阻斷I處理后，處于S期（非G./S臨界處）細(xì)胞占S/（2G2 +2M +S+G1）

C.解除阻斷時應(yīng)更換正常的新鮮培養(yǎng)液，培養(yǎng)的時間應(yīng)控制在大于S期，小于等于G1+M+G1

D.阻斷Ⅱ處理與阻斷I相同.處理時間必須大于等于G2+M+G1

參考答案：D

（收稿日期：2022 - 03 - 11）