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高考生物二輪復習專題專練
(7)　細胞周期的調控與細胞增殖的同步化
從“高度”上研究高考
[典例]　(2022·浙江1月選考)某多細胞動物具有多種細胞周期蛋白(cyclin)和多種細胞周期蛋白依賴性激酶(CDK)，兩者可組成多種有活性的CDK-cyclin復合體，細胞周期各階段間的轉換分別受特定的CDK-cyclin復合體調控。細胞周期如圖所示，下列敘述錯誤的是(　 )
A．同一生物個體中不同類型細胞的細胞周期時間長短有差異
B．細胞周期各階段的有序轉換受不同的CDK-cyclin復合體調控
C．抑制某種CDK-cyclin復合體的活性可使細胞周期停滯在特定階段
D．一個細胞周期中，調控不同階段的CDK-cyclin復合體會同步發(fā)生周期性變化
[解析]　同一生物不同類型細胞的細胞周期的時間長短不同，A正確；不同時期需要不同的CDK-cyclin復合體有序轉換，抑制某種CDK-cyclin復合體的活性會使細胞周期停滯在特定階段，B、C正確；不同時期需要的CDK-cyclin復合體不同，因此調控不同階段的CDK-cyclin復合體不會發(fā)生同步的變化，D錯誤。
[答案]　D
從“深度”上提升知能
1．細胞周期調控
細胞周期的調控關鍵在分裂間期。有兩個起決定作用的控制點，從G1期進入S期和從G2期進入M期。這兩個轉變過程都是由一種稱為成熟促進因子(MPF)的蛋白質復合體所觸發(fā)的。組成MPF的是兩種蛋白：cdc2激酶和細胞周期蛋白(cyclins)。cyclins有2種：S-cyclin和M-cyclin。其調控過程如圖所示：
2．動物細胞周期同步化的三種方法
根據細胞周期調控的原理，利用一定方法使細胞群體處于細胞周期的同一階段，稱為細胞周期同步化。以下是能夠實現動物細胞周期同步化的三種方法。
(1)DNA合成阻斷法：在細胞處于對數生長期的培養(yǎng)液中添加適量的DNA合成可逆抑制劑，會阻斷間期的DNA復制過程，使處于間期的細胞停滯在間期；處于分裂期的細胞不受影響而繼續(xù)細胞周期的運轉，最終細胞會停滯在細胞周期的間期，從而實現細胞周期同步化的目的。操作過程如下：
假設一個細胞周期時長＝G1＋S＋G2＋M＝10＋7＋3.5＋1.5＝22(h)。
①向細胞的培養(yǎng)液中加入過量的DNA合成可逆抑制劑，處于S期的細胞立刻被抑制。
②繼續(xù)培養(yǎng)G2＋M＋G1＝3.5＋1.5＋10＝15(h)，則處于G2、M、G1期的細胞都將被抑制在G1/S期交界處。
③除去抑制劑，更換新鮮培養(yǎng)液，細胞將繼續(xù)沿細胞周期運行，運行時間既要保證處于G1/S期交界處的細胞經過S期(7 h)進入G2期，又要保證處于S期的細胞不能再次進入S期，即運行時間應控制在7～15 h。
④再加入DNA合成可逆抑制劑，則可實現全部細胞都被阻斷在G1/S期交界處，實現細胞周期同步化。
(2)秋水仙素阻斷法：在細胞處于對數生長期的培養(yǎng)液中添加適量的秋水仙素，秋水仙素能夠抑制紡錘體形成，使細胞周期被阻斷，從而實現細胞周期同步化。
(3)血清饑餓法：培養(yǎng)液中缺少血清可以使細胞周期停滯在間期，以實現細胞周期同步化。
從“寬度”上拓展訓練
1．(2022·湘潭三模)胸腺嘧啶脫氧核苷(TdR)是一種低毒或無毒的DNA合成抑制劑，其可以將細胞最終抑制在G1/S期交界處狹窄的時間區(qū)段，即細胞周期同步化(細胞分裂間期依次分為G1、S、G2期，S期為DNA合成期)。具體做法如下：首先向細胞培養(yǎng)液中加入過量的TdR，培養(yǎng)t1時長后，將TdR洗脫，更換培養(yǎng)液，繼續(xù)培養(yǎng)t2時長，然后再次向細胞培養(yǎng)液中加入TdR，培養(yǎng)t3時長后，所有細胞都會被抑制在G1/S期交界處。下列敘述錯誤的是(　 )
A．培養(yǎng)開始時，處于分裂期的細胞數目最少
B．經過t1時長的培養(yǎng)，培養(yǎng)液中的細胞均已進入S期
C．t2時長應不短于S期的時長
D．t2時長與t3時長之和可能等于一個細胞周期的時長
解析：選B　細胞周期中間期占比很大，分裂期占比很小，所以培養(yǎng)開始時，處于分裂期的細胞數目最少，A正確；加入過量的TdR后，處于S期的細胞停留在S期，處于G2、M、G1期的細胞經過t1時間的培養(yǎng)，停留在G1/S期交界處，B錯誤；t2時間內，要讓所有細胞不在S期，故時長應不短于S期的時長，C正確；t2時長大于S期，同時還要小于G2、M、G1期時間之和，以防止細胞再次進入S期。t3時間內要保證所有細胞到達G1/S期交界處，其時長要大于G2、M、G1期時間之和。故t2時長與t3時長之和可能等于一個細胞周期的時長，D正確。
2．在細胞周期中有一系列的檢驗點對細胞增殖進行嚴密監(jiān)控，確保細胞增殖有序進行。周期蛋白cyclin B與蛋白激酶CDK1結合形成復合物MPF后，激活的CDK1促進細胞由G2期進入M期；周期蛋白cyclin E與蛋白激酶CDK2結合形成復合物后，激活的CDK2促進細胞由G1期進入S期。上述調控過程中MPF的活性和周期蛋白的濃度變化如圖所示。下列有關敘述錯誤的是(　 )
A．周期蛋白發(fā)揮作用的時間主要是分裂間期
B．抑制CDK1的活性可使細胞周期停滯在G2/M檢驗點
C．抑制cyclin E蛋白基因的表達，會促進細胞由G1期進入S期
D．蛋白激酶CDK2可能參與解旋酶和DNA聚合酶合成的調控
解析：選C　根據題干信息“周期蛋白cyclin B與蛋白激酶CDK1結合形成復合物MPF后，激活的CDK1促進細胞由G2期進入M期；周期蛋白cyclin E與蛋白激酶CDK2結合形成復合物后，激活的CDK2促進細胞由G1期進入S期”可知，周期蛋白發(fā)揮作用的時間主要是分裂間期，若抑制CDK1的活性可使細胞周期停滯在G2/M檢驗點，A、B正確；cyclin E蛋白基因的表達產物周期蛋白cyclin E與蛋白激酶CDK2結合形成復合物后，激活的CDK2促進細胞由G1期進入S期，故抑制cyclin E蛋白基因的表達，會抑制細胞由G1期進入S期，C錯誤；激活的CDK2能促進細胞由G1期進入S期，故蛋白激酶CDK2可能參與解旋酶和DNA聚合酶合成的調控，D正確。
3．(2022·冀州區(qū)模擬)一個細胞周期可分為分裂間期(G1、S、G2)和分裂期(M)。如圖1所示，一個細胞周期存在多個檢驗點，只有經過各檢驗點檢驗合格后，細胞才能順利進入下一個時期。研究發(fā)現，細胞中存在一種有絲分裂促進因子(MPF)，可使A時期細胞順利通過檢驗點4進入B時期(已知核DNA復制是在D時期完成的)，圖2表示MPF在細胞周期中的活性變化。下列說法錯誤的是(　 )
A．C、D、A、B的順序可表示一個細胞周期
B．若用某種藥物抑制DNA復制，則細胞不能通過的檢驗點是4
C．若向A時期細胞顯微注射適量的MPF，可使G2期細胞進入M期的時間提前
D．若用某種藥物抑制細胞紡錘體的形成，則細胞不能通過檢驗點5
解析：選B　圖1中核DNA的復制是在D時期完成的，則D時期為S期，那么A時期為G2期，則B為分裂期，C為G1期，所以C、D、A、B的順序可表示一個細胞周期，A正確；由于DNA復制是在D時期完成的，所以若用某種藥物抑制DNA復制，則細胞不能通過的檢驗點是2，B錯誤；MPF是有絲分裂促進因子，若向A時期細胞顯微注射適量的MPF，可使G2期細胞進入M期的時間提前，C正確；紡錘體在分裂前期形成，若用某種藥物抑制細胞紡錘體的形成，則細胞不能通過檢驗點5，D正確。
[微課微練·一點一評]
一、選擇題
1．有絲分裂的細胞周期為G1→S(DNA復制)→G2→M(分裂期)。在連續(xù)分裂的細胞中，一直存在一類周期蛋白依賴性激酶(CDK)，其活性受細胞周期蛋白(cyclin)含量的調控。周期蛋白cyclin E與蛋白激酶CDK2結合后，激活的CDK2促進細胞由G1期進入S期；周期蛋白cyclin B與蛋白激酶CDK1結合后，激活的CDK1促進細胞由G2期進入M期。下列分析錯誤的是(　 )
A．CDK1被激活后，可能具有促進染色質螺旋化的作用
B．CDK2通過增強cyclin E的活性推動細胞進入S期
C．抑制細胞cyclin E的表達，細胞將被阻滯在G1/S交界期
D．CDK1的活性與cyclin B周期性的合成與分解有關
解析：選B　激活的CDK1促進細胞由G2期進入M期，說明CDK1被激活后，可能具有促進染色質螺旋化的作用，在分裂期形成染色體，A正確；周期蛋白cyclin E與蛋白激酶CDK2結合后，激活的CDK2促進細胞由G1期進入S期，而不是CDK2通過增強cyclin E的活性推動細胞進入S期，B錯誤；由于周期蛋白cyclin E與蛋白激酶CDK2結合后，激活的CDK 2促進細胞由G1期進入S期，所以抑制細胞cyclin E的表達，CDK2沒有被激活，細胞將被阻滯在G1/S交界期，C正確；由于在連續(xù)分裂的細胞中，一直存在一類周期蛋白依賴性激酶(CDK)，其活性受細胞周期蛋白(cyclin)含量的調控，所以CDK1的活性與cyclin B周期性的合成與分解有關，D正確。
2．(2022·金華模擬)利用一定方法使細胞群體處于細胞周期的同一階段，稱為細胞周期同步化。如圖是動物細胞周期同步化的方法之一，下列說法正確的是(　 )
A．阻斷Ⅰ需在培養(yǎng)液中添加毒性較強的DNA復制抑制劑，不可逆的抑制DNA復制
B．解除阻斷時應更換正常的新鮮培養(yǎng)液，培養(yǎng)的時間應控制在大于S即可
C．阻斷Ⅱ處理與阻斷Ⅰ相同，經過處理后，所有細胞都停留在S期
D．營養(yǎng)限制性培養(yǎng)也能夠實現動物細胞周期同步化
解析：選D　毒性較強的DNA復制抑制劑，不可逆的抑制DNA復制會導致解除抑制后DNA也無法正常復制，A錯誤；為了防止之前加的阻斷物質對細胞周期的影響，因此解除阻斷時應更換正常的新鮮培養(yǎng)液，培養(yǎng)的時間應控制在大于S、小于G2＋M＋G1，B錯誤；阻斷Ⅱ處理后，細胞應停留在G1/S交界處，C錯誤；培養(yǎng)液中缺少血清可以使細胞周期停滯在間期，故培養(yǎng)液中用缺乏血清的培養(yǎng)液培養(yǎng)也能夠實現動物細胞周期同步化，D正確。
3．為了探究細胞周期運行的調控機制，研究人員取不同時期的細胞進行了融合實驗，獲得如下表結果。下列推論錯誤的是(　 )
細胞融合的組合方式 融合細胞中的現象
M期細胞和G1期細胞 原G1期細胞中染色質出現凝縮
M期細胞和G2期細胞 原G2期細胞中染色質出現凝縮
S期細胞和G1期細胞 原G1期細胞核中DNA進行復制
S期細胞和G2期細胞 原G2期細胞核中DNA沒有啟動復制
A.M期細胞中存在能誘導染色質凝縮成染色體的調控因子
B．S期細胞中存在能誘導染色質DNA復制的調控因子
C．將M期細胞和S期細胞融合，原M期細胞染色體DNA不會復制
D．將M期細胞和S期細胞融合，原S期細胞中染色質不會凝縮
解析：選D　根據題表分析，M期細胞中存在能誘導染色質凝縮成染色體的調控因子，A正確；S期細胞和G1期細胞融合，原G1期細胞核中DNA進行復制，說明S期細胞中存在能誘導染色質DNA復制的調控因子，B正確；M期細胞是分裂期的細胞，此時的細胞已經經歷過間期DNA分子的復制，再結合題表分析可得，將M期細胞和S期細胞融合，原M期細胞染色體DNA不會復制，C正確；根據題表可知，M期細胞中存在能誘導染色質凝縮成染色體的調控因子，將M期細胞和S期細胞融合，原S期細胞中染色質會凝縮，D錯誤。
4.為了保證細胞周期的正常運轉，細胞自身存在著一系列檢驗點(如圖)，只有檢測到相應的過程正常完成，細胞分裂才能進入下一個階段。下列說法正確的是(　 )
A．檢驗點1的作用是檢驗DNA分子是否完成復制
B．與檢驗點1相比，在檢驗點3時細胞中染色體數目加倍
C．如果檢驗點4檢測不到的紡錘體的形成，細胞將停在分裂期
D．檢驗點5的作用是同源染色體是否正確分離并到達細胞兩極
解析：選C　檢驗點1時還沒開始進行DNA復制，所以檢驗點1不能檢驗DNA分子是否完成復制，A錯誤；檢驗點3時染色體已經完成復制，但兩條染色單體共用一個著絲粒，染色體數目沒有加倍，B錯誤；檢驗點4屬于分裂期，如果沒有紡錘體的形成，細胞將停留在分裂期，C正確；該細胞進行的是有絲分裂，沒有同源染色體的分離，D錯誤。
二、非選擇題
5．細胞周期同步化是指借助特定方法使分裂細胞都停留在細胞周期的同一階段的現象。高濃度的胸腺嘧啶脫氧核苷(TdR)雙阻斷法是常用的同步方法。TdR能可逆地抑制S期DNA合成，而不作用于其他細胞階段的運轉，最終導致細胞群被同步化。如圖為研究人員利用TdR雙阻斷法使人宮頸癌細胞群同步化的過程示意圖。回答下列問題：
(1)細胞增殖包括____________和細胞分裂兩個相連續(xù)的過程。
(2)據圖推測，TdR雙阻斷法先后兩次使用高濃度TdR處理，這兩次處理的時間均應控制在__________________范圍內；正常處理的時間應控制在________________________范圍內，該次處理的目的是____________________________；經過上述三次處理后，所有細胞都應停滯在細胞周期的____________(填位置)，從而實現了細胞周期的同步化。解析：(1)細胞增殖包括分裂前的物質準備和細胞分裂兩個相連續(xù)的過程。(2)TdR能可逆地抑制S期DNA合成，結合宮頸癌細胞周期各期長短，用TdR對細胞進行恰當時間的處理，可調控、阻斷細胞周期的時間節(jié)點。如，第一次用TdR處理細胞大于或等于(G2＋M＋G1)時，可讓剛加入TdR處理時，位于S期的細胞依然停在S期，其他時間的細胞停留在G1/S交界處，然后正常處理大于S、小于(G2＋M＋G1)的時間，可讓所有細胞均不在S期，此時再次用TdR處理大于或等于(G2＋M＋G1)的時間，則可讓所有細胞均被阻斷在G1/S交界處，從而實現了細胞周期的同步化。
答案：(1)物質準備　(2)大于或等于(G2＋M＋G1)　大于S、小于(G2＋M＋G1)　保證被TdR阻斷在S期的細胞完全越過S期的同時避免再次進入S期　G1/S交界處

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