細胞由一次有絲分裂的中期到下一次分裂中期的歷程。
概述 細胞的生長和分裂是通過細胞週期進行的。細胞有絲分裂經歷G1→S→G2→M這條路線，G1、S和G2期為M期做準備，完成DNA複製，M期染色體分離，細胞一分為二，完完成一次細胞分裂。兩個子細胞獲得同樣一份染色體，以保持其遺傳性的相對穩定。
當細胞進入下一個細胞周期時有幾種選擇：一是繼續運轉，循環不已的細胞，稱為周期細胞；二是轉入分化，不再分裂的細胞，如多形核白細胞，稱為非周期細胞；第三類為G0期細胞，即細胞暫不分裂，必要時可以再進入分裂，如肝細胞、淋巴細胞及腫瘤中暫不分裂的細胞，包括培養細胞在內。G0期細胞比G1期細胞小，大分子的合成隻有G1期細胞的1/3，加血清刺激G0期細胞進入S期所需時間也遠比G1期細胞要長。細胞周期經歷的時間稱為細胞周期時間。細胞周期時間變化甚大。如哺乳類細胞一般為20多小時。有的細胞分裂非常迅速，如蛙卵體外受精後，其第一次分裂時間為75分鐘，接著便是11次均為30分鐘的同步化分裂，此時無G1及G2期，S、M期均非常短，然後失去同步化，細胞周期延長。有的細胞周期很長，如一個人的卵母細胞，停留於G2期可長達數十年。一般S、G2和M期時間較穩定，而變異最大的為G1期。
細胞周期運轉的基本引擎組分 細胞周期的運轉是井然有序的，這和細胞分裂周期(cdc)基因在精細調控下的有序表達有密切關系。細胞周期調控的研究者們，從不同的領域，采用不同的材料，探索著同一問題。1971年Y.馬蘇提取成熟非洲爪蟾卵母細胞胞質，註入未成熟的卵母細胞中，發現可誘導其產生生發泡破裂（GVBD），遂將此活性物質稱為成熟促進因子（MPF）。繼而從Hela細胞直至酵母、黏菌M期細胞中均提取出此物質，表明它在進化上有高度保守性。自20世紀70年代起學者們致力於MPF的提純。
一些酵母遺傳學傢從芽殖酵母中發現一種溫度敏感突變體，其cdc28表達產物P34受溫度的影響，在非允許溫度下大部分阻斷於G1/S期，小部分阻斷於G2/M期。在裂殖酵母中發現cdc2基因，表達產物P34，在G1/S期之間對細胞的啟動是必須的，也是G2/M期轉化的一個關鍵因子。cdc2和cdc28有69%同源性，都編碼一種磷酸化絲/蘇氨酸的蛋白激酶，其功能可以互補，都受到同樣幾個基因的正負調控。20世紀80年代初期發現海膽卵受精後有一種蛋白呈現周期性的消長，即卵裂後逐漸積累，到G2晚期達到高峰，由M中期向後期過渡時驟然消失，故將其稱為周期蛋白。爾後在酵母、海星、海蛤、果蠅和爪蟾中均發現其同源物，分A、B兩型，兩者序列相似，分子量介於45 000～60 000道爾頓之間。酵母的P34cdc2必須和P56cdc13結合才能表現出激酶活性，P34為催化亞基，cyclin為調節亞基。將人細胞cDNA文庫對芽殖酵母進行補救試驗，結果克隆出與其同源的人cdc2基因。它和芽殖酵母cdc28有64.5%的同源性。一直到1988年MPF被提純後發現其主要組成為P32和P45，從而啟發人們思考MPF是否就是酵母P34和P56的同源物。實驗證明，P32可被酵母P34多肽保守區的抗體所識別，酵母cyclin B2抗體也可識別MPF的P45，表明二者有同源性。以P34cdc2抗體進行免疫沉淀發現有cyclin與之共沉淀，而cyclin抗體的共沉淀中有P34cdc2的蛋白激酶活性。這一系列實驗揭示MPF這一細胞增殖調控中長期令人困惑的因子其核心成分就是在酵母、海蛤、海膽等低等生物中所研究的cdc2和cyclin。這一劃時代的重大突破，揭示出細胞周期的調控之謎，表明由低等真核生物一直到人類，細胞周期的調控統一到cyclin和cdc2調節分子的基礎之上，因而在此領域研究中做出原始創新工作的三位英國及美國科學傢獲得2001年諾貝爾生理學或醫學獎。繼而，在不同種類或同一類生物中發現cyclin和cdc2都是一個大傢族。兩種不同亞基分別選擇結成夥伴，它們的結合、分離、磷酸化、去磷酸化、合成與分解導致激酶的激活與消失。cdc2和cyclin通過包括cdc25、wee1等正負調節組分在內的引擎系統的連鎖反應，推動細胞周期的運轉。
細胞周期的調控 細胞周期調控是極其精巧與復雜的。細胞周期中有幾個檢驗點，酵母在G1/S間有一啟動點，高等真核生物中稱為R點或限制點。其他還有G2/M及M期的中期/後期紡錘體檢驗點等（見圖）。如果細胞大小及營養情況未達標準，前次分裂完成不良則不允許通過R點。細胞受到機體發育過程不同時空因子和分化因子信號的指令，或者開始新一輪的增殖，或退出周期分化為特殊功能的細胞，或暫時處於G0狀態，這些細胞不能通過R點。一旦通過R點，細胞便決定啟動一輪自我復制，此時即使無生長因子存在，也按既定程序完成細胞周期。若S期完成DNA合成，則不需通過G2/M檢驗點；若紡錘體微管與動粒連接不良，則不能通過M期的中期/後期紡錘體檢驗點。DNA損傷在細胞周期的任何階段均可發生，細胞有多種手段、通路進行檢測，組織細胞周期運轉。如G1期DNA損傷，可引起P53的積累和活化，繼而誘導P21轉錄增加，抑制cdc2活性，同時發現它們也可阻斷在G2期。如果沒有這一整套檢驗系統，便會產生斷裂染色體、異倍體、基因丟失，其結果將會導致遺傳的紊亂，細胞不是癌變便是凋亡。檢驗點一般是受反饋調控的。反饋調控單元由感受器、反應信號和細胞周期引擎反應成分三部分組成。P53是反饋調控的組成成分之一，其作用是活化反應調節基因、阻斷周期進行中必需物的表達及直接抑制DNA的合成。P53基因突變可導致細胞的癌變。
細胞群體和細胞周期G0細胞是休止細胞，它能在適宜刺激下合成DNA和分裂。R2細胞是被阻滯在G2期的細胞，但受到刺激時能進入有絲分裂期（無DNA的復制）
P34cdc2水平在整個細胞周期中維持不變，但必須和cyclinB結合才具備表現蛋白激酶活性的條件。cyclinB的轉錄由間期開始，G2/M期達高峰，中期向後期過渡時被水解，其結果復合體激酶活性在G2/M達峰值，誘導M期的發生，M期結束時突然消失。顯然，cyclinB調節P34cdc2激酶活性的波動。此外，它的激酶活性還受到磷酸化與去磷酸化的調控。間期中cyclinB合成積累到一定水平時，開始與P34cdc2結合，伴隨發生兩種磷酸化，Thr14、Tyr15磷酸化抑制P34cdc2的活性。因Thr14、Tyr15位於P34cdc2與ATP結合的空穴部位，從而使P34cdc2不能結合ATP。此種沒有活性的MPF稱為pre-MPF。另一類型的磷酸化即Thr161（人）的磷酸化，這是隨後的G2/M轉換，P34cdc2具有激酶活性所必需的。負責磷酸化的Thr14和Tyr15的蛋白激酶是Wee1和Mik1基因的產物，Wee1基因突變使細胞提前進入M期，但體積較小。Wee1是受Nim1基因產物Nim1磷酸化而失活的，故Nim1是負調控者。負責Thr161磷酸化的激酶為CAK即cdc7與cyclin H復合物，P80cdc25可使P34cdc2的Thr14和Tyr15去磷酸，導致MPF激活而啟動G2/M的轉換。MPF的激活又刺激cdc25激活，表明MPF能夠自身激活。M期的發生也有MAP激酶、鈣調素依賴蛋白激酶、MPM2激酶和一系列PP1、PP2A等磷酸酶參加，其中許多激酶活性受P34cdc2-cyclinB的調控。如P34cdc2-cyclinB的活性是MPM2激酶活化所必需的，MPM-2激酶使十幾種位於有絲分裂結構上的蛋白磷酸化，P34cdc2-cyclinB可能通過它及其他激酶放大其作用。激活的MPF誘導一系列底物磷酸化，如紡錘體形成、核仁層崩解、染色體凝聚等。通過對cdc2蛋白激酶磷酸化H1組蛋白的研究，顯示有一段序列（K/R）S/TP（X）K/P是cdc2特異性作用的相當狹窄的底物。
隨著生物進化到哺乳類，細胞周期調控要遠比酵母復雜，cyclin傢族成員增加，有A、B1、B2、C、D1、D2、D3、E、F、G、H等，其中F、G研究得甚少。cdc2的傢族出現瞭眾多成員，總稱為cdk（cyclin dependent kinase），有cdk1，cdk2……cdk7，最初發現的cdc2則編號為cdk1。這兩個傢族成員又有詳細分工，它們選擇性地結成對子，在不同的細胞周期位點上各司其責。其激酶的激活與失活程序與cyclinD1的表達，D1與cdk4或cdk6結合，繼而是cyclinE的表達與cdk2結合，對G1/S過渡起調節作用。cyclinE為瞬間表達，一旦進入S期被水解，cyclinA接替cyclinE與cdk2結合形成激酶復合體，調控S期的DNA復制。cyclinA的合成和分解均較cyclinB要早一步。cyclinA在G1/S開始轉錄合成的同時出現於核內，在整個間期均滯留核內，在轉錄後合成的cyclinB存在於胞質中一直到核膜崩解之前才突然進入核內。綜上所述，不同類型的cyclin在細胞周期不同時間轉錄合成。但依不同動物或不同組織細胞，其高峰也有差異。在一些植物組織中也克隆出cyclin及CDK的同源物。
cdk一方面不僅作用於其特異的底物，引起其下遊一系列的反應，同時它還受到若幹抑制因子的調控。如Rb及P53均視為抑癌因子，但也是周期調控因子，pRb因子是小兒視網膜母細胞瘤抑制基因Rb產物，分子量介於105～120道爾頓之間。Rb在G1期時為低磷酸化狀態與E2F、cyclinD、cdk結合成復合物。當cyclinD激活使pRb過磷酸化而釋放轉錄因子E2F，借助cdk的導向作用與DNA合成的啟動子結合，誘導一系列的DNA合成有關酶的活性，通過R點啟動DNA合成。繼而發現Rb傢族的其他成員如P107、P130等，可以和不同cdk及cyclin結合，與E2F形成復合物。在G1及S期起著不同的調節作用。
最近克隆出來的由抑制信號誘導的基因，其表達的蛋白分子量小，可直接與cyclin-cdk結合，使其不表現激酶活性，導致細胞周期抑制，稱之為CKI（cdk kinase inhibitor）。哺乳動物細胞中有兩類CKI，一類為cip/kip，傢族包括有P21、P27、P57；另一類為Ink4傢族，包括有P15、P16、P18和P19四種。如TGF-β使P27與cyclinE-cdk2結合，而抑制其活性。P27過表達使細胞阻斷在G1期。因P27還可抑制cyclinD-cdk4和cyclinA-cdk2等，在靜止細胞或接觸抑制細胞中均呈現高度表達。生長因子刺激G0向S期過渡時P27降解。DNA損傷修復系統是細胞防止癌變的保護系統，當細胞DNA受到輻射損傷時，P53誘導P21表達，它可以結合到一系列的cyclin-cdk而阻斷細胞周期，使其有機會修復或引起細胞凋亡。另兩種CKI P15和P16，它們隻特異地抑制cdk4和cdk6的活性。有人認為哺乳動物中增殖細胞抗原（PCNA）參與周期調控。
細胞周期有規律的運轉，與其具有精確的正負調控和嚴密的監控系統密切相關。以簡單的形象比喻，cyclin負責正調控，它與cdk結合，誘導 cdk活化；而CKI負責負調控，與cdk-cyclin結合抑制其活性。cdk、cyclin、CKI三者在檢驗點的檢測調控下，使細胞周期得以正常運轉。
泛素介導的一些關鍵蛋白定時、定點的分解在周期調控中起關鍵作用。20世紀80年代發現的cyclin B 在間期積累，在中期向後期過渡時突然降解，後查明cyclin B 的N 末端有一段保守序列RXXLXXIXN 破壞盒可特異性地為泛素所識別，並將其分解。繼而多聚泛素鏈可被26s蛋白水解酶復合體識別並將其分解。若將cyclin B的N 末端，連接在其他蛋白分子上，該蛋白在M期也被水解。當將保守序列中的R變為C時，則cyclin B在M期不被水解，M期亦不能結束。cyclin C、D、E則是通過分子羧基端的PEST序列破壞盒為泛素所識別在周期的不同位點上被水解。P27和染色體間連接蛋白，也是經泛素化途徑分解的。泛素要通過E1激活酶、E2結合酶、E3連接酶，將泛素轉移到要降解的靶蛋白的賴氨酸殘基上，形成泛素聚合鏈，方可為蛋白水解酶體識別而將靶蛋白水解。E1有一種，而E2、E3卻有多種。最近發現的一種E3和過去發現的E3s不同，後者為單體，前者為幾種蛋白的復合體。如負責G1/S轉換的為SCF，負責M後期轉換、蛋白降解、分離姐妹染色單體及cyclin B 降解進入G1 期的為APC。二者皆為多種蛋白的復合體。
細胞周期調控因子與癌變 細胞周期和癌，過去是兩個完全不同的研究領域，而現在卻會聚到一起瞭。如在許多的腫瘤發生中常有G1 cyclin 基因擴增和染色體倒位的過表達，或與抑制擴增的CKI基因丟失有關。如甲狀旁腺瘤因11（P15，q13）染色體倒位發生cyclin D1的過表達。一種B淋巴細胞白血病由於染色體重組t（11，14）（q13，q32）使cyclin D1接在免疫球蛋白重鏈增強子後而過表達。cyclin E在包括乳癌在內的多種癌細胞對TGF-β等抑制生長因子不起反應。P15、P16 的染色體區在許多腫瘤細胞中丟失。
因此，細胞周期調控中任一個環節異常均可導致運轉失控，其結果可能產生細胞增殖性疾病、腫瘤或細胞凋亡。