细胞增殖及其调控

第 七 章 细 胞 增 殖 及 其 调 控 7.1 细 胞 增 殖 细 胞 分 裂 之 前 ， 必 须 进 行 一 定 的 物 质 准 备 。物 质 准 备 和 细 胞 分 裂 连 续 不 断 进 行 的 结 果是 细 胞 数 量 不 断 增 加 即 细 胞 增 殖 。 细 胞 增 殖 是 细 胞 生 命 活 动 的 重 要 特 征 ， 是生 物 繁 育 的 基 础 。 细 胞 增 殖 受 到 严 密 的 调 控 机 制 所 监 控 ， 必须 遵 循 一 定 的 规 律 。 7.2 细 胞 周 期 经 过 物 质 准 备 之 后 ， 细 胞 开 始 进 行分 裂 ， 子 代 细 胞 形 成 之 后 ， 又 将 开 始 新一 轮 的 物 质 积 累 ， 准 备 下 一 轮 的 细 胞 分裂 ， 如 此 周 而 复 始 ， 细 胞 数 目 不 断 增 加 。这 种 细 胞 物 质 积 累 与 细 胞 分 裂 的 循 环 过程 称 为 细 胞 周 期 。 连 续 分 裂 的 细 胞 ,从 一 次 有 丝 分 裂 结束 后 开 始 ， 经 过 物 质 累 积 过 程 ， 直 到 下一 次 细 胞 分 裂 为 止 所 经 历 的 全 过 程 ， 称为 一 个 细 胞 周 期 。 7.2.1 细 胞 周 期 时 相 细 胞 周 期 时 相 G1期 即 从 M期 结 束 到 S期 开 始 前 的 一 段 间 歇期 ; S期 ,即 DNA合 成 期 ; G2期 , 即 DNA合 成 后 (S期 )到 有 丝 分 裂 前 的 一个 间 歇 期 ; M期 ,即 有 丝 分 裂 期 。 标 准 细 胞 周 期 : 细 胞 周 期 时 间 的 长 短 ： 同 种 细 胞 ， 细 胞 周 期 时 间 长 短 相 似 或 相 同 ； 不 同 细 胞 种 类 ， 细 胞 周 期 时 间 长 短 差 别 很 大 ； 高 等 生 物 体 的 细 胞 周 期 时 间 长 短 主 要 差 别 在 G1期 。 多 细 胞 生 物 体 中 的 细 胞 类 群 周 期 中 细 胞 ： 持 续 分 裂 细 胞 G0期 细 胞 ： 又 称 静 止 期 细 胞 。 是 周 期 中 细 胞 暂 时 脱 离 细 胞 周 期 ,停 止 分裂 增 殖 ,去 执 行 一 定 的 生 物 学 功 能 ,如 某 些 免疫 淋 巴 细 胞 , 肝 细 胞 ,肾 细 胞 等 。 终 末 分 化 细 胞 ： 永 久 性 失 去 了 分 裂 能 力 的 细 胞 。（ 周 期 中 细 胞 ） 信 号 刺 激G1 G0 细 胞 周 期 时 相 7.2.2 细 胞 周 期 各 时 相及 其 主 要 事 件 G1期 合 成 活 动 ： 起 始 点 : 最 初 指 芽 殖 酵 母 细 胞 出 芽 的 开 始 ， 事 实 是 芽 殖酵 母 G1期 晚 期 的 一 个 特 定 阶 段 ， 控 制 着 新 一 轮细 胞 周 期 的 运 转 。 是 G1期 晚 期 的 一 个 基 本 事 件 ， 细 胞 只 有 在 内 在和 外 在 因 素 共 同 作 用 下 才 能 通 过 起 始 点 ， 顺 利通 过 G 1期 ， 进 入 S期 并 合 成 DNA。 cdc基 因 ： 限 制 点 高 等 真 核 细 胞 ， 尤 其 是 哺 乳 动 物 细 胞 中 ，类 似 于 芽 殖 酵 母 起 始 点 的 G1期 晚 期 的 一个 特 定 阶 段 。 检 验 点 ： 是 细 胞 周 期 研 究 领 域 中 应 用 的 术 语 。是 细 胞 周 期 进 程 中 的 监 控 机 制 ， 可 以 鉴别 细 胞 周 期 进 程 中 的 错 误 ， 并 诱 导 产 生特 异 的 抑 制 因 子 ， 阻 止 细 胞 周 期 进 一 步运 行 。 G1期 检 验 点 ： 检 测 细 胞 的 大 小 和 环 境 状 态 ， 如 果条 件 合 适 ， 就 会 激 发 DNA复 制 ， 使 细 胞 周期 进 程 向 前 移 动 。 在 一 些 真 核 生 物 中 ，G1期 检 验 点 是 细 胞 周 期 的 主 要 控 制 点 ，它 决 定 细 胞 能 否 分 裂 。 由 G1期 向 S期 转 换 的 影 响 因 素 ： 外 在 因 素 ： 营 养 供 给 和 相 关 的 激 素 刺 激 等 。 内 在 因 素 ： 与 cdc基 因 调 控 相 关 的 因 素 。 S期 DNA合 成 期 合 成 活 动 ： 合 成 DNA和 组 蛋 白 并 组 装 成 核 小 体结 构 。 DNA合 成 受 多 种 细 胞 周 期 调 节 因 素 的 严 密 调 控 。 G2期 合 成 活 动 ： 合 成 着 丝 粒 蛋 白 、 细 胞 周 期 蛋 白 B和 微 管蛋 白 等 大 量 蛋 白 质 。 G2期 检 验 点 ： 控 制 细 胞 周 期 能 否 顺 利 进 入 进 入 M期 。 M期 细 胞 分 裂 活 动 ： M期 检 验 点 ： 检 测 所 有 的 染 色 体 是 否 都 与 纺 锤 体 相 连 ，并 排 列 在 赤 道 板 上 。 否 则 不 能 进 行 有 丝 分 裂 和 胞 质 分裂 。 细 胞 周 期 运 转 规 律 细 胞周 期调 控的研 究 2001年诺 贝 尔生 理 学/医 学奖 得 主 2001年 诺 贝 尔 生 理 学 与 医 学 奖 : 利 兰 哈 特 韦 尔 发 现 了 控 制 细 胞 周 期 的基 因 ， 其 中 一 种 被 称 为 “ START” 的 基因 对 控 制 各 个 细 胞 周 期 的 最 初 阶 段 具 有决 定 性 的 作 用 。 保 罗 纳 西 的 贡 献 是 发 现 了 CDK 。 蒂 莫 西 亨 特 的 贡 献 是 发 现 了 调 节 CDK的 功 能 物 质 周 期 蛋 白 . 7.2.3 细 胞 周 期 调 控7.2.3.1 蛋 白 激 酶 在 细 胞 周 期 调 控 中 的作 用 的 研 究染 色 体 超 前 凝 集 （ PCC） 的 发 现 研 究 者 ： 1970年 ， Colorado（ 科 罗 拉 多 ） 大学 的 Robert Johnson 和 Potu Rao 研 究 方 法 ： G1期 Hela细 胞 与 S期 细 胞 融 合 ， 结 果 发 现 G1期 细 胞 中 的 DNA开 始 复 制 ； S期 细 胞 与 G2期 细 胞 融合 ， 结 果 发 现 G2期 细 胞 核 中 已 经 复 制 过 的 DNA没 有再 复 制 。 结 论 ： 正 在 进 行 DNA复 制 的 细 胞 的 细 胞 质 中 含有 促 进 G1期 细 胞 进 行 DNA复 制 的 起 始 因 子 ， 而 这 种起 始 因 子 对 于 已 经 进 行 了 DNA复 制 的 G2期 细 胞 没 有作 用 。 M期 细 胞 与 处 于 细 胞 周 期 其 他 阶 段 的 细胞 融 合 ， 结 果 发 现 与 M期 细 胞 融 合 的 其 他间 期 细 胞 均 发 生 了 形 态 各 异 的 染 色 体 凝集 ， 称 为 染 色 体 超 前 凝 集 （ PCC） 。 结 论 ： M 期 细 胞 中 一 定 有 一 种 能 促使 染 色 体 凝 集 的 因 子 ， 称 为 细 胞 促 分 裂因 子 。 G1期 细 胞 与 M期 细 胞 融 合 S期 细 胞 与 M期 细 胞 融 合 G2期 细 胞 与 M期 细 胞 融 合 MPF的 发 现 促 成 熟 因 子 (maturation-promoting factor， MPF） ,早 期 称 为 M-期 促 进 因 子 (M-phase promoting factor, MPF)， 是 指 M期细 胞 中 存 在 的 促 进 细 胞 分 裂 的 因 子 。 1971年 ， 科 学 家 通 过 试 验 认 为 ， 在 非 洲 爪蟾 成 熟 的 卵 细 胞 的 细 胞 质 中 必 然 有 一 种 物质 ， 可 以 诱 导 卵 母 细 胞 成 熟 ， 并 明 确 提 出将 其 称 为 促 成 熟 因 子 ， 即 MPF。 MPF的 结 构 组 成 及 特 性 是 由 两 个 不 同 的 亚 基 组 成 的 异 质 二 聚 体 ， 是 一 种蛋 白 激 酶 : 催 化 亚 基 ： p32cdc2 是 丝 氨 酸 /苏 氨 酸 型 蛋 白 激 酶 其 活 性 依 赖 于 周 期 蛋 白 ， 故 称 为 周 期 依 赖性 蛋 白 激 酶 (cyclin-dependent protein kinases, CDKs); 调 节 亚 基 ： p45-周 期 蛋 白 (cyclin)。 MPF的结构 p34cdc2 激 酶 及 其 与 MPF的 关 系 cdc（ cell division cycle） 基 因 ： p34cdc2是 cdc2基 因 的 表 达 产 物 ， 具 有 蛋白 激 酶 活 性 。 在 裂 殖 酵 母 细 胞 周 期 调 控过 程 中 起 关 键 性 调 节 作 用 ， 促 进 G2/M转换 。 p34cdc2本 身 并 没 有 激 酶 活 性 ， 只 有 当 与有 关 蛋 白 结 合 后 ， 其 激 酶 活 性 才 能 表 现出 来 。 裂 殖 酵 母 细 胞 MPF中 的 p34cdc2与 蛙 MPF中的 p32cdc2是 同 源 物 ， 都 具 有 激 酶 活 性 。 细 胞 周 期 蛋 白 的 鉴 定 1983年 ， Tim Hunt（ 美 ） 报 道 ， 在 海 胆 卵 细胞 中 存 在 两 种 特 殊 蛋 白 质 ， 即 周 期 蛋 白 。 周 期 蛋 白 其 含 量 随 细 胞 周 期 进 程 变 化 而 变 化 ， 一 般在 细 胞 间 期 内 积 累 ， 在 细 胞 分 裂 期 内 消 失 ，在 下 一 细 胞 周 期 又 重 复 这 一 消 长 现 象 。 非 洲 爪 蟾 的 MPF中 的 另 一 种 主 要 成 份 是 周 期蛋 白 B。 至 此 确 定 的 MPF生 化 组 成 成 分 Cdc2蛋 白 :蛋 白 激 酶 催 化 亚 单 位 周 期 蛋 白 ： 蛋 白 激 酶 调 解 亚 单 位周 期 蛋 白 种 类 及 功 能 的 执 行 周 期 蛋 白 种 类 酵 母 中 的 周 期 蛋 白 高 等 动 物 的 周 期 蛋 白 G 1期 周 期 蛋 白 M期 周 期 蛋 白 表 1 不 同 类 型 的 周 期 蛋 白 激 酶 复 合 体 脊 椎 动 物 芽 殖 酵 母Cyclin CDK Cyclin CDK G1-CDK Cyclin D CDK4 、 6 Cln 3 CDK1(Cdc28) G1/S-CDK Cyclin E CDK2 Cln 1、 2 CDK1(Cdc28)S-CDK Cyclin A CDK2 Cln 5、 6 CDK1(Cdc28)M-CDK Cyclin B CDK1(CDK2) Cln 1-4 CDK1(Cdc28) 周 期 蛋 白 功 能 的 执 行 不 同 的 周 期 蛋 白 在 细 胞 周 期 内 表 达 的时 期 不 同 ， 并 与 不 同 的 CDK 结 合 ， 调 节不 同 的 CDK 激 酶 的 活 性 。 周 期 蛋 白 与 CDK 结 合 的 关 键 结 构 是 周期 蛋 白 框 G1期 cyclin D表 达 ， 并 与 CDK4、 CDK6结 合 ， 使下 游 的 蛋 白 质 如 Rb磷 酸 化 ， 磷 酸 化 的 Rb释 放 出转 录 因 子 E2F， 促 进 许 多 基 因 的 转 录 ， 如 编 码cyclinE、 A和 CDK1的 基 因 。 图 Cyclin D与 CDK结 合 使 Rb释 放 结 合 的 转 录 因 子 E2F 在 G1-S期 ， cyclinE与 CDK2结 合 ， 促 进 细 胞 通 过 G1/S限 制 点 而 进 入 S期 。 向 细 胞 内 注 射 CyclinE的 抗 体 能 使 细 胞 停 滞 于 G1期 ， 说明 细 胞 进 入 S期 需 要 CyclinE的 参 与 。 同 样 将 CyclinA的 抗 体 注 射 到 细 胞 内 ， 发 现 能 抑 制 细 胞的 DNA合 成 ， 推 测 CyclinA是 DNA复 制 所 必 需 的 。 在 G2-M期 ， cyclinA、 cyclinB与 CDK1结 合 ， CDK1使 底物 蛋 白 磷 酸 化 、 将 组 蛋 白 H1磷 酸 化 导 致 染 色 体 凝 缩 ，核 纤 层 蛋 白 磷 酸 化 使 核 膜 解 体 等 下 游 细 胞 周 期 事 件 。 CDK激 酶 周 期 蛋 白 依 赖 性 蛋 白 激 酶 与 周 期 蛋 白 结 合 ， 并 以 周 期 蛋 白 作 为 其调 节 亚 单 位 ， 进 而 表 现 出 蛋 白 激 酶 活 性 。 不 同 CDK激 酶 所 要 求 结 合 的 周 期 蛋 白 不 同 ，在 细 胞 周 期 中 执 行 的 调 解 功 能 也 不 同 。 CDK分 子 中 有 一 些 重 要 位 点 ， 通 过 磷 酸 化修 饰 对 CDK激 酶 活 性 起 重 要 调 节 作 用 。 细 胞 内 存 在 多 种 因 子 ， 通 过 对 CDK分 子 结构 进 行 修 饰 ， 参 与 CDK激 酶 活 性 调 节 。 CDK激 酶 抑 制 物 （ CDKI） 细 胞 内 存 在 的 一 些 对 CDK激 酶 活 性 起 负 性调 控 ， 即 对 CDK激 酶 起 抑 制 作 用 的 蛋 白 质 ，称 为 CDK激 酶 抑 制 物 。 其 他 内 在 因 素 和 外 在 因 素 在 细 胞 周 期 调控 中 的 作 用 内 在 因 素 癌 基 因 和 抑 癌 基 因 外 在 因 素 离 子 辐 射 、 化 学 物 质 作 用 、 病毒 感 染 、 温 度 变 化 、 pH变 化 等 。 细 胞 周 期 运 行 的 调 控 机 制 细 胞 周 期 运 转 受 到 细 胞 内 外 各 种 因 素 的 精 密调 控 ， 细 胞 内 因 是 调 控 依 据 。 CDK激 酶 是 细 胞 周 期 调 控 中 的 重 要 因 素 ， 是 细胞 周 期 运 转 的 引 擎 分 子 。 各 种 不 同 的 CDK激 酶 都 至 少 含 有 两 个 亚 单 位 ，即 周 期 蛋 白 和 CDK蛋 白 。 周 期 蛋 白 是 调 节 亚 单位 ， CDK蛋 白 是 催 化 亚 单 位 。 不 同 种 类 的 周 期 蛋 白 分 别 与 不 同 的 CDK蛋 白 结合 ， 在 细 胞 周 期 的 不 同 时 相 起 调 节 作 用 。 CDK激 酶 通 过 磷 酸 化 其 底 物 蛋 白 而 对 细 胞 周 期进 行 调 控 。 CDK激 酶 活 性 受 到 多 种 因 素 的 综 合 调 节 ， 除 周期 蛋 白 外 还 有 各 种 修 饰 性 调 控 因 子 、 CDK激 酶抑 制 物 等 。 除 CDK激 酶 及 其 直 接 的 活 性 调 节 因 子 外 ， 还 有很 多 其 他 因 素 参 与 细 胞 周 期 调 控 ， 如 各 种 检 验点 等 。 各 种 检 验 点 也 有 专 门 的 调 控 机 制 。 上 述 所 有 因 素 共 同 组 成 一 个 极 其 复 杂 的 综 合 性调 控 网 络 。 本 章 重 点1、 解 释 并 区 别 下 列 名 词 ： 细 胞 周 期 、 标 准 细 胞 周 期 、 G0细胞 、 MPF、 PCC、 周 期 蛋 白 、 CDK激 酶 、检 验 点2、 细 胞 周 期 中 各 个 不 同 时 相 及 其 主 要事 件 ？3、 细 胞 周 期 中 有 哪 些 检 验 点 ， 各 起 何种 作 用 ？4、 细 胞 周 期 的 运 行 调 控 机 制 ？