（续上期）

核查与控制

分子机器需要调控，才能顺利运行。我们对细胞周期调控系统的理解来自两个概念。首先是核查点（checkpoint）观念。开始的想法是，细胞周期是一系列的依赖性步骤，后来事件之启动，依赖于先前事件的完成。核查点的观念是在萌芽酵母菌的研究中形成的。该研究揭示细胞如何在一些特定“点”上“核查”在其周期中先前事件是否已准确完成。如果没有，细胞就发出阻止后来事件的信号。例如，没完成的S-期，导致发送阻止有丝分裂的信号。这使细胞免于在DNA只部分地复制了的情况下进行潜在致死的有丝分裂。

其他核查点操纵装置监察DNA损伤，并在修复前阻止S-期或有丝分裂。研究人员发现，损伤DNA或阻断其复制，会阻止酵母细胞的有丝分裂和细胞分裂。他们还发现酵母突变体则不顾这些问题而允许细胞分裂。结果，这些突变体表达作用于核查点途径，以监察DNA损伤及复制的基因。哺乳动物细胞中这种基因之一例，是P53基因。

第二个可加深我们对细胞周期的调控的理解的主要概念是限速步骤。这个概念来自对酵母细胞与蛙卵细胞的分裂的研究。酵母突变体细胞在不成熟条件下匆忙进入有丝分裂的发现，提示：在这些突变体调节有丝分裂时间的基因已变异。用蛙类所作的补充研究，鉴定出了可加速蛙卵细胞进入M-期的一些蛋白因子，提示这些因子也是细胞周期运转的限速操纵器。由酵母细胞中鉴定出的基因所编码的蛋白质，以及从蛙卵细胞中鉴定出的蛋白质因子，终被证明是同一的——都是周期蛋白依赖激酶（CDK）。

CDKs作为“细胞周期发动机”，推动细胞通过S-期与有丝分裂。它们是由一个催化激酶亚单位与一个调控周期蛋白亚单位组成的酶。CDKs的作用是磷酸化，并从而调控启动S-期与有丝分裂所需的其他蛋白质。CDK活性本身受抑制物与有效周期蛋白等因素的调控。随着一个细胞周期的进行，有关的CDK相继活化；不同的活性促使细胞通过G1期启动S-期和启动有丝分裂。细胞完成有丝分裂，进入下一细胞周期的G1期，CDK活性必须减弱。这发生于CDK的周期蛋白亚单位降解之时。

CDKs除为细胞周期设定步速外，还掌握着核查点操纵器。例如，当DNA受损或复制不完全时，许多不同种类的细胞可藉阻止CDK活性提高，而使发送阻断有丝分裂信号的途径起作用。一旦这些缺点被矫正，CDK活性又提高，有丝分裂又继续进行。CDK活性还有另一调控作用：防止没有完成有丝分裂的G2细胞再度进入S-期。这个调控的可能靶标是叫做启动因子的蛋白质。阻止它们负载DNA复制所需的一些蛋白质，便阻止了S-期。

并非所有的核查点操纵器都监察DNA损伤或复制缺点。基因组的稳定性还需要染色体在有丝分裂时准确地遗传。如果纺锤丝没被准确地集合，或如果染色体没准确地附着于纺锤丝，监察这个过程的核查点操纵器会中止有丝分裂的进行。这个核查点操纵器的作用，很可能是核查微管是否牢靠地附着于动粒；如果没有，就使姊妹染色线继续保持粘附，从而不能分开。这就延缓了丝裂的进程，直到所有的姊妹染色线都与纺锤丝准确连接、又与适当的中心体连接为止。

细胞周期和核查点操纵器的这个绝妙的组合有助于确保细胞周期的顺利运行。没有它们，基因组就不能精确地复制和分开，给每个新分裂出的细胞提供所需要的全部基因。结果是基因组的稳定。

发现生命的化学

把细胞增殖的这些特征与达尔文的自然选择进化学说结合起来，便形成了生命定义的一个框架。20世纪20年代，赫尔曼 · 穆勒（Hermann Muller）首次阐明了这个观点，认为生命物质有使自身经自然选择而进化的性质。首先，生命有机体必须能繁殖；第二，它们必须具有能把规定该生物特性的信息传递下去的遗传系统；第三，该遗传系统必须含有某些也能传下去的变异性，这个变异性提供生物学差异，以便自然选择发挥作用。

生物体的这些性质也是细胞的特征。细胞增殖；它们拥有以基因为基础的遗传系统；DNA损伤或复制错误导致的基因变化，将在细胞分裂时遗传下去。这些性质使细胞进化，而由于细胞增殖是所有生物学繁殖的基础，所以，这些细胞性质同样也是所有生物体进化的基础。

穆勒对生命的定义是引人关注的，特别是对遗传学家，但它不能解释细胞的代谢和生长等功能。寻找这方面的答案，需要深入到细胞内部的化学中去。

19世纪后半叶，对发酵的研究显示，活细胞可促进特定的化学反应。水果与种子的发酵食品，人类已享用千年，但直到18世纪，安托万 · 拉瓦锡（Antoine Lavoisier）才首次认识到发酵是由于化学的缘故。随后，对发酵物用显微镜检查，使西奥多 · 施旺（Theodor Schwann）和查尔斯 · 卡格尼尔特-莱托尔（Charles Cagniard-Latour）于1835年提出，驱动发酵的力量与活的生物（酵母菌）有联系。路易士 · 巴斯德（Louis Pasteur）用不同的微生物引起特定的发酵、产生不同的化学物质，从而论证了上述观点。到1858年，他已得出结论：发酵是一种生理活动，它产生细胞生命所需的多种化学产物。

下一个有关生物化学的重要见解，是发现了这一切的背后是酶。1860年，莫里兹 · 特劳贝（Moritz Traube）曾臆测，促进发酵反应的物质存在于细胞内；它们的作用与已知存在于细胞外的可溶性发酵剂相似。不出两年，皮埃尔 · 伯赛尔特（Pierre Berthelot）为这个臆测提供了实验支持。他从浸软的酵母片获得一种可溶性发酵剂，叫做转化酶，它能使蔗糖化学降解。在这之前约30年，琼斯 · 伯齐列斯（Jöns Berzelius）提出了催化的概念。为认清伯齐列斯的实验有先见地提供了必需的理论基础，伯赛尔特曾假定催化物质的存在，认为它们在促进化学变化上的作用与热相似。他甚至猜测，发生于动植物的不同的催化过程数以千计。

关键性的进展是1897年由巴克纳（Buchner）兄弟作出的。他们发现酵母提取物的过滤液含有一种催化物质（酶），它能在试管中促进发酵所特有的化学反应。这个发现，为生物化学奠定了基础。它使人们得出这样的观点，即酶是生产细胞内化合物的蛋白质催化剂。所以，代谢与细胞生长，最终就在由催化酶所催化的化学反应的意义上被重新解释，而催化酶的性质，是由有关的基因所规定的。

不同的酶需要不同的条件（包括不同的pH和离子环境）才能发挥作用。细胞必须有应变的特点，才能在其内部展开那么多的化学反应。而且，为了进行细胞的一些更复杂的化学合成与分子活动，一些酶必须一前一后地发挥系列作用。为此，细胞必须在不同的细胞间隔维持一定范围内的不同的微环境。这是细胞内组织的最重要的原则。

要完成这种组织，细胞首先必须维持生命化学所需要的一般条件；它必须与局部环境隔绝。细胞以其外层脂质膜来做到这一点，脂质膜上装备有钠钾泵和运输器，以控制进出细胞的分子的移动。内部间隔化是维持不同微环境的关键；而这又是由多种机制产生的。首先，酶表面带有电荷，并有形状精确的表面，可构建起一个有助于特定化学反应的局部环境。在较高的组织水平，一些酶连接起来完成系列反应。代谢径路之形成即其一例。一条代谢径路上的一个酶反应的产物，成为该径路上下一个酶的初始物质。

图为研究人员进行蛋白质合成研究

同样，复杂的过程能够由分子机器来完成，这种机器是由蛋白质和RNA制成的脚手架内的适当的酶组成的。这样的装置能进行重新构建，促进系列反应。例如，核蛋白体能进行蛋白质合成；酶复合体能进行DNA复制。

高尔基复合体、线粒体和细胞核等细胞器则体现了更高水平的空间组织。它们是配有钠钾泵与运输装置的脂质间隔，是它们保持了细胞内不同的微环境。

空间组织是细胞控制化学反应的一个重要策略，时间性组织则是另一个。例如DNA复制与有丝分裂，两者都涉及染色体，但在细胞周期的不同时间。DNA复制需要染色体稀释，以便酶与之接触；但有丝分裂则需要染色体浓缩，以助成其移动。细胞的解决方法是在时间上分开这两个过程：在细胞周期里，DNA复制发生得早些，有丝分裂则发生得晚些。

在20世纪，更多的生命功能已经用细胞化学来解释。正如雅克 · 洛布（Jacques Loeb）在其1912年的文集《生命的机械论构想》中所认为的细胞像一架化学机器。

发展中的学科

细胞内全部化学反应的进行需要控制与协调。酶与基因活性的分析，以及20世纪中期控制论的兴起，把人们的注意力集中到反馈调控观念，把它看作进行这种调控的策略。一般的观念认为，过程的产出物对过程本身具有调控的影响。最简单的例子是定量的：某一代谢径路或活化基因的产物量会反馈到过程的早期，使之减慢或加速。反馈观念也适用于质的控制。想想复制DNA的酶复合物的校正机制：该复合物可以校正合成DNA时插入的碱基对的错误。

这样的调控活动完全是与被调控的过程密切联系的。当展开于不同细胞部位或不同细胞周期的活动需要协调时，情况就不是这样。在这种情况下，调控需要伸展于实距间与实时间的通讯系统。一种策略是从细胞外膜发送分子信号至细胞核，这是影响基因表达的过程。从细胞核查点操纵器（它记录S-期的问题）发出的其他信号，则作为“提醒物”用以延迟发生于细胞周期后期的M-期。

这种较高的组织程度，将生命的化学与无生命系统的化学区别开来。它也突显细胞的两个特征：进行空间组织的能力，以及通过信号发送网络处理信息的能力。直接的分子交互作用能导致低水平的空间组织，诸如核蛋白体那样的细胞机器的构建；但许多更大的空间组织需要满足更多的条件。如何完成这样的组织，仍属未知。但化学物理学家与理论生物学家（他们研究Belousov-Zhabotinsky反应等复杂化学反应系统的时空组织）已发现一些线索。决定这种精妙系统的化学反应网络，会引起中间产物浓度的变化，这些中间产物会及时振荡，产生持久的波。结果就使反应器内产生不同样式的化合物。解释化学反应如何产生细胞内的类似的时空组织，是生物学家的一个初步目标。

一个令人感兴趣的方法是，特别重视动态化学结构的产生，这种结构需要能量的不断输入以维持其生存，它还涉及结构中分子成份的不断改变。改变这些过程的动力学会导致产生不同大小和不同形状的结构；这些特征或许是可按细胞的需要而进行调整的。上述观念已不再是有关细胞组织思考的隐喻了；科学家们已在应用它们来帮助解释诸如丝裂期纺锤丝和细胞周期调控等结构和行为的产生了。

其他有关更高级组织的细胞特征，是通过信号发送网络进行的信息处理。这些网络不一定都是线性径路：它们可能是复杂的，有多种进口与出口，有分叉和放大的步骤，有些成份作用于一条径路的几个步骤，另一些成份则平行地起作用等。如此复杂的信号发送网络的全部意义尚未充分了解。一个引起人们兴趣的问题是，信号发送活动所携带的潜在信息，就像摩尔斯电码，可把信息按时间的形式编码。另一个问题是不同阈级的作用，可使高强度与低强度的信号各自发送不同的信息。互联网络的模型制作者已表明，相对简单的接线图表与操作规则可以产生有序的发送信号方式。发送信号的径路如何在细胞的实空（间）与实时（间）里运作，这方面的研究者必将有惊人的发现。

细胞是展现生命功能的最简单的单位。我们现在已经既有分子工具也有理论框架可用来实施协作研究的规划，以求了解细胞是如何运作的。基因组计划藉鉴定出完成细胞功能所需的全部基因，而为这项研究奠定了基础；但研究人员仍须弄清楚有关的基因产物是如何作用并交互作用以产生细胞组织的。研究让细胞内产生秩序的那些生理化学性质，以及研究复杂的信息网络如何运作的方式，是特别有价值的。细胞内所有基因有许多不同的协同作用的方式，但只有某些调准的、有组织的状态，可能是有效的和稳定的，从而是与生命相容的。揭示主宰这些状态的规则及其存在的原因，是有价值的研究目标。未来几年将是激动人心的，新的观念和学说将帮助我们充分了解细胞，从而充分了解生命本身。

[Science，2000年9月8日]