细胞周期同步化微专题复习

2022-06-19邵江樵

中学生理科应试 2022年6期

邵江樵

一、微专题 “微专题”是以某个“点”为中心，整合相关概念、原理、规律和模型的专题知识，复习中设置“微专题”的目的是为了帮助学生理解已有知识的内在联系，形成比较深刻的系统化知识，促进学生的深度学习，从而有效地解决某类具体的问题.如“细胞周期同步化”微专题基于真实的操作技术为情境，可以帮助学生理解细胞分裂是一个连续的过程，建立运用细胞周期模型进行问题分析的思维模式.

二、细胞周期同步化

在体外培养的细胞群体中，细胞有丝分裂是不同步的，有早有晚，有快有慢，即在某时刻，同时存在着各种时期的细胞.细胞同步化就是采取一定的方法，使细胞群体中处于细胞周期不同时期的细胞停留在同一时期.常见的人工诱导细胞周期同步化技术有：营养限制性培养法获得G1期;选用DNA合成抑制剂将细胞群体阻断在G1/S期交界处;用一些抑制微管聚合的药物（如秋水仙素）抑制纺锤体的形成，将细胞阻断在有丝分裂中期.

1.营养限制法

营养限制法是指在细胞全营养培养液中降低或剥夺某种营养物质，从而使细胞分裂暂停在某一时期（如G1期）的细胞同步化方法.其中常用的方法有血清饥饿法和氨基酸饥饿法.

血清饥饿法：通过将培养液中血清浓度降低到一定限度（0.5%～1%），使细胞仅能存活而不能分裂，进而获得大量处于G0期或G1期的细胞.G0期细胞，也称静止期细胞，通常由G1期细胞转化而来，G0期细胞暂停分裂，受到某些刺激时会重新开始分裂，获得的细胞中处于G0期细胞与处于G1期细胞的比例与血清饥饿的时间相关，

氨基酸饥饿法：通过剥夺全营养培养液中的异亮氨酸或精氨酸可将细胞阻断在G0期或G1期，

可见，营养限制法的原理是G1期细胞主要合成DNA所需蛋白质的合成和核糖体的增生，由于培养液缺乏营养物质，使细胞合成有关物质如RNA和蛋白质（DNA聚合酶等）受阻，而停滞于G.期以及转化为G0期，无法进入S期，

营养限制法的优点是不影响细胞的生理生化过程，一旦营养充足，细胞就会继续正常分裂.

2.DNA合成双阻断法

DNA合成双阻断法是用DNA合成抑制剂，可逆地抑制DNA合成，而不影响其他时期细胞的运转，最终可将细胞群阻断在G1/S交界处.

羟基脲、阿糖胞苷、氨甲蝶呤、高浓度AdR（脱氧腺苷）、GdR（脱氧鸟苷）和TdR（脱氧胸苷）均可抑制DNA合成，使细胞同步化，其中高浓度的TdR对S期细胞的毒性较小，因此常用TdR双阻断法诱导细胞同步化.两次阻断和洗脱操作的处理方法、处理目的和处理时间如表1和图1所示.

3.中期阻断法

纺锤体由纺锤丝——微管蛋白组装而成，是细胞分裂对程中染色体平均分配到两极的必要结构，构成纺锤体的纺锤丝分为星体纺锤丝、着丝粒纺锤丝和极体纺锤丝三种，后期时，着丝粒纺锤丝微管解聚缩短，在动粒处产生的拉力使染色体移向两极：极体纺锤丝的微管伸长和相互间的滑行向两极方向移动，使细胞两极之间的距离加大.动粒是与着丝粒相联系的蛋白质结构，是纺垂体微管与染色体相接触的结构，位于着丝粒外侧表面位置上，如图2所示，

细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制，当细胞周期中某一节点出现“异常事件”时，调节机制就被激活，排除“故障”或使细胞周期中断，如纺锤体组装检验点（SAC）能够检查纺锤体是否正确组装.纺锤丝是否正确连接在染色体的着丝粒两侧的动粒上，当着丝粒两侧的动粒都与纺锤丝连接并排列在赤道板上时.SAC蛋白会很快失活并脱离动粒，当所有的SAC蛋白都脱离后，细胞进入中期，然后APC（后期促进复合物）被激活，细胞才能由分裂中期进入后期.

秋水仙素能与微管特异性结合，形成的复合物不仅不能使微管继续聚合形成纺锤体，而且还会使已经组装的微管蛋白解聚;所以用适宜浓度的秋水仙素在适宜的时间作用于动物细胞和植物细胞，纺锤体会迅速消失.可见，用秋水仙素处理后，细胞不能正常形成纺锤丝，细胞则无法进入后期，将滞留住中期.这里的细胞停滞中期是从分裂时期的角度来说的，也是染色体螺旋化程度最高的时期，由于失去了纺锤丝的牵引，此时的染色体很难整齐排列在赤道，而是在细胞中呈散乱分布，

秋水仙素能抑制纺锤体的形成，使细胞周期被阻断在中期.实理细胞周期同步化.常川的药物有秋水仙素和秋水仙酰胺，后者毒性较少，

秋水仙素的作用是可逆的，当作物体内的秋水仙素被代谢降解后其作用消失，不再抑制微管和纺锤丝形成，细胞即可继续分裂，

三、典型试题与应用

例1 （2017年11月浙江选考卷）为了研究海拉细胞的细胞增殖，若要得到大量的G.期細胞，可采用的方法 _____，原因是_____，

解析本题考查G1期的特点和细胞周期各时期的相互关系.教材在多莉羊的培育过程中指出，需要对供体细胞——乳腺细胞进行营养限制性培养.C1期细胞主要合成DNA所需蛋白质的合成和核糖体的增生，由于培养液缺乏营养物质，使C，期细胞合成有关物质受阻，如mRNA和DNA聚合酶等蛋白质的合成受阻，从而无法进入S期，而停滞在G1期，

参考答案：减少培养液中的营养物质成分由于原料缺少使细胞合成有关物质如RNA和蛋白质等受阻，而停滞于G1期

变式练习1 （2020年1月浙江选考卷16）下列关于用不同方法处理与培养小鼠骨髓细胞的叙述，正确的是（

）.

A.用缺乏营养物质的培养液培养，会使M期细胞减少

B.用蛋白质合成抑制剂处理，不影响C.期细胞进入S期

C.用促进细胞分裂的试剂处理.c，期细胞中染色体数目增加

D.用仅含适量3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷的培养液培养，s期细胞的数量增加

解析用缺乏营养物质的培养液培养，会使细胞不能在分裂间期完成DNA的复制及有关蛋白质的合成，这样细胞无法进入分裂期，所以M期细胞减少，A选项正确;G1期主要是合成DNA所需蛋白质的合成和核糖体的增生，用蛋白质合成抑制剂处理，G.期细胞不能合成相应的蛋白质，无法进入s期，因此B选项错误;有丝分裂过程中的染色体数目加倍发生在后期，用促进细胞分裂的试剂处理，G2期细胞中的染色体数目不会增加，C选项错误;虽然S期进行DNA复制，但用仅含适量3H标记的胸腺嘧啶脱氧核苷的培养液培养，S期细胞还是无法进行DNA半保留复制，细胞数量不会增加，D选项错误.

参考答案：A

例2 细胞周期可分为分裂间期和分裂期，分裂间期包括G.期、S期和G2期，分裂期即M期.图3是甲物种细胞周期各时期的时间，若在培养液中加入过量3H标记的胸苷（3H -TdR），下列说法正确的是（

）.

A.過量3H—TdR通过阻碍核糖体与mRNA的结合发挥作用

B.若乙物种M期为2小时，则乙比甲更适合作为观察有丝分裂染色体行为的材料

C.全部细胞被抑制在G.期和s期的交界处约需15小时

D.用含过量3H—TdR的培养液培养10小时后，约有7/22的细胞被阻断在S期

解析过量3H—TdR的作用原理是抑制DNA合成，所以A选项错误;观察有丝分裂染色体行为看分裂期，需要M期细胞在细胞周期中的比例高.细胞周期中各时期的细胞数量占总细胞数的比例与该时期在细胞周期中的时间比例成正比，虽然乙物种的M期大于甲物种，但不知道乙物种的细胞周期时间，因此无法判断谁更适合作为观察有丝分裂染色体行为的材料，B选项错误：要使全部细胞被抑制在G，期和S期的交界处需要两次阻断DNA的合成，第一次阻断的时间至少为G2+M+G1，第一次洗脱的时间不少于S期，第二次阻断的时间至少为G2+M+G1，合计不少于37小时，故C选项错误;据图3可知，细胞周期为22小时，其中S期7小时，因此s期细胞约占细胞总数的7/22.由于过量3H- TdR只抑制DNA合成，而不影响其他时期细胞的运转，用含过量3H—TdR的培养液培养10小时后，已经完成了DNA复制的细胞（G2期+M期）继续完成分裂会使细胞数增加.10小时后的总细胞数相对值=一个细胞周期+G：+M=27，被阻断在S期实际比例= 7/27，约为7/22，因此D选项正确.

参考答案：D

变式练习2 -个处于培养状态下的细胞株，处于细胞周期各时期的均有若干，其数量与时长成正比，已知细胞周期各阶段的时长如表2所示，

现对该细胞株依次进行如下操作：

①加入DNA合成抑制剂：

②维持12小时：

③去除DNA合成抑制剂;

④维持12小时;

⑤加入DNA合成抑制剂：

⑥维持7小时，

下列叙述错误的是（

）.

A.操作①只能使部分细胞停止分裂活动