细胞周期及其调控的分子机制

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十二章 细胞周期及其调控的分子机制,第一节 细胞的增殖和周期,第二节,细胞周期调控的分子机制,一、细胞的增殖,一般的细胞分裂是对称性分裂，即母细胞中的遗传物质复制后平均分配给两个子代细胞，子代细胞均与母细胞表型相同。但有些细胞分裂时为非对称性分裂，这种不等分配的非对称分裂是随机的，与微环境因素有关。,二、细胞周期,(,cell cycle),细胞从上一次有丝分裂到下一次有丝分裂完成所经历的过程称细胞周期(,cell cycle)，,可分为间期和有丝分裂期(,M,期)。间期又分,G,1,期、,S,期和,G,2,期,即,G,1,SG,2,M,期。一般间期的时间较长(多数)，而,M,期的时间较短(少数)(如图12-1)。,间期(,interphase,),是两个细胞分裂之间的时间。,G,1,期 有丝分裂后期，又称,DNA,合成前期。,S,期即,DNA,合成期，也称复制期(,duplication stage)。,G,2,期 为,DNA,合成后期，又称细胞分裂前期或复制后期(,post duplication stage)。,M,期(,mitosis stage),为有丝分裂期，是细胞周期的终结期。,前期(,prophase),染色体形成并分裂成两条染色单体与中心粒形成纺锤体，核仁、核膜消失，胞质回缩,中期(,metaphase),姐妹染色体分布在赤道板上排成一圈,后期(,anaphase),染色体一分为二，纺锤体收缩，两个姐妹染色体向两极移动,末期(,telophase,),染色体融合成染色质，核仁，核膜出现，胞体一分为二形成两个子细胞,三、细胞周期时间,不同生物细胞周期时间有差异，同一系统中不同细胞，其细胞周期时间也有很大差异。细胞周期时间主要决定于,G,1,期的时间。,不同生物，不同组织来源的细胞，不同体外培养的细胞胞系及肿瘤细胞，其细胞周期时间是有差异的，如表12-1，表12-2，表12-3，表12-4，表12-5。,第二节 细胞周期调控的分子机制,一、细胞周期的控制点,人及哺乳动物细胞中存在着三个细胞周期控制点，即决定,G1,期发生的,G,1,控制点、决定,S,期发生的,S,控制点和决定,M,期发生的,M,控制点(如图12-2)。,G,1,控制点,如图,12-3,。,在,G,1,期哺乳动物细胞趋向有三种可能性：连续分裂细胞不断突破,G1,期,S,期，通过,G2,和,M,期连续分裂，又称周期性细胞暂时不增殖细胞；又称休眠细胞或,G,0,期细胞，细胞暂停在,G1,期，不合成，不分裂无增殖力细胞，不可逆地脱离细胞周期走向终末分化又称终末分化细胞，,在正常情况下哺乳动物体内的大部分细胞是处于非增殖状态的休止期(,G,0,期)，只在一定条件下才进入,G,1,期，只有通过限制点的细胞才能进入,SG,2,M,期，,R,点是控制细胞增殖的关键。,S,控制点,完成,G,1,期后，,S,期激活因子(,S phase activator),启动,DNA,复制，进入,S,期的完成所有,DNA,复制后进入,G2,期。,M,控制点,细胞进行有丝分裂需要,M,期激酶(,M phase,Kinase,),的活化。,M,期激酶是由2个亚单位组成，一个是催化亚单位,P34，,另一个是调节亚单位，包括周期素,A(,cyclin,A),和周期素,B(,cyclin,B)。,只有形成,P34-,cyclin,A,或,P34-,cyclin,B,二聚体时，产生激酶活性，使细胞进入,M,期。,M,后期,M,期激酶失活，经前期、中期、后期、末期后分裂成两个子细胞，结束,M,期。,二、细胞周期调控的分子机制,周期素和周期素依赖性激酶,细胞质中有两种调节细胞周期的有丝分裂促进因子(,mitosis promoting factor MPF)。,一种是周期素(,cyclin,)，,另一种是,P34,蛋白激酶，此激酶的活性依赖于同周期素结合，故又称为周期素依赖性蛋白激酶(,cyclin,-dependent,Kinase,cdk,)。,周期素(,cyclin,),对细胞周期的调控,G,1,期周期素,G,1,期周期素有,cyclin,C、D,和,E,型，,G,0,期细胞受到生长因子刺激后，首先表达,C、D,型周期素，再表达,E,型周期素，然后突破,G,1,控制点进入,DNA,合成的,S,期。,cyclin,C,的水平在,G,1,期稍有增加。,cyclin,D,在,G,1,期早期开始表达，并与,cdk4(,为主)结合，使细胞由,G,0,期进入,G,1,期。若,cyclin,D,受抑，则细胞不能进入,S,期。,cyclin,E,表达，晚于,cyclin,D。,峰值在,G,1,-S,过渡点，使细胞由,G,1,期进入,S,期。,S,期和,M,期的周期素,cyclin,A,和,cyclin,B,cyclin,A,核内的合成比,cyclin,B,早，并接近于,G,1,-S,期过渡点。一旦被破坏就会抑制染色体的复制。,cyclin,H,cyclin,H,与,cdk,相关激酶,MO15,结合，形成复合物可增强,cdk2-,cyclinA,激酶活性。,周期素依赖性蛋白激酶,(,cdk,),对细胞周期的调控,cdk1,即,P34,cdc2,，,可与人,cyclin,B,结合形成复合物，通过催化方式可使细胞进入和走出,M,期。,cdk2,在,G,1,后期和,S,期由,cdk2,基因编码的,P33,cdk2,与,cyclin,E,cyclin,A,结合形成复合物后，又可与,pRb,相关转录因子结合形成复合物,参与,G1,和,S,期基因表达调控.,cdk3,与周期素结合后,参与,G1,期调控,若突变可使,G1,期阻止。,cdk4,与,cyclin,D,结合,其复合物能使,pRb,磷酸化,释放转录因子在,G1,期启动表达.,cdk5,可与,cyclin,D,结合在,G1,期发挥作用,cdk6,cdk6,与,cyclin,D,1,、D,2,及,D,3,结合，使,pRb,磷酸化，与,cdk4,功能相同,在,T,细胞中,cdk6,先被激活，在巨噬细胞及成纤维细胞中,cdk4,首先被激活。,周期素依赖性激酶,(,cdk,),抑制蛋白对细胞周期的调控,周期素依赖性激酶(,cdk,),的抑制蛋白(,CDI),是一种具有抑制,cdk,功能的新蛋白，能在细胞周期的特定时刻负调控,cdk,活性而控制细胞周期的进程。,P16,P16,分子有四个特殊的,ankyrin,结构域，能抑制,H-,ras,和,c-,myc,表达及细胞转化.在,G,1,-S,点,cdk4,和,cdk6,结合，使,cyclin,D/cdk4，,cyclin,D/cdk6,的激酶活性失活，从而抑制细胞周期进入,S,期。60%肿瘤有,p16,突变,突变细胞高达83%,P21,P21,WAF1,为,P53,的下游基因，表达产物的氨基端有一个锌指结合功能域，羧基端有两个核定位信号区，正常细胞中，野生型,P53,基因完整，,P21,表达恒定。在生长因子刺激下，,G,1,期,P21,表达快速增加，有大量“自由”的,P21,存在，然后降低。到,S,期时，这种“自由”的,P21,减少，而,cyclin,A,增加，一旦细胞受,电离辐射，,DNA,被损伤后，由,P53,促进产生的,P21,可抑制,cyclin,E/cdk2,而造成,G,1,期阻滞；同时,P21,可与,PCNA(,增殖细胞核抗体)结合抑制其活化的,DNA,聚合酶,，从而抑制,DNA,复制以利,DNA,修复。一旦,p53,突,p21,失活 ,PCNA,失活,使,cyclin,A/cdk2,超过,P21,引起肿瘤.,P24,P24,可以与,cdk2,结合，但不能与,cdk4,结合，并具有抗磷酸化酪氨酸的活性。与,P21,相似，它对细胞进入,S,期具有负调控作用。,P27,P27,分子在细胞中高度保守。由,TGF-,诱导的,G,1,期，通过与,cyclin,E/cdk2,复合物结合，阻止,cdk2,上第160位苏氨酸的磷酸化，从而抑制,cyclin,E/cdk2,其复合物的激酶活性，使细胞阻滞在,G,1,期。,P15,P15,只与,cdk4,和,cdk6,结合，与,P16,有高度同源性，受,TGF-,刺激而表达的。使细胞被阻止在,G,1,期。,当,TGF-,刺激时。因,P15,可与,P27-,cyclin,D/cdk4/cdk6,中的激酶单独结合，使,P27,与更多的,cyclin,E/cdk2,结合，因替换而被游离的,cyclin,D,被降解，从而使细胞阻止在,G,1,期。,生长因子与相应的受体,细胞因子与细胞表面受体结合后，可使受体发生变构，通过跨膜信号传导激活蛋白激酶活性，可使细胞内靶蛋白的酪氨酸发生磷酸化，进一步触发由细胞质到细胞核的一系列信号传递反应。核内调控蛋白接受传来的增殖信号后，才能被激活，与基因组中特定的调控序列发生相互作用，从而可启动与细胞增殖调控的特定基因发生转录。首先引起,fos,、,jun,、,myc,等基因的表达，产生转录因子,进而激活周期素和周期素依赖性激酶的基因表达，以调控细胞周期。举例如下：,表皮生长因子(,EGF),能促进各种组织细胞的分裂和增殖。,血小板衍化生长因子,PDGF),来源于血小板，能刺激静止细胞离开,G,0,期进入生长周期。,转化生长因子(,TGF),有,TGF,和,TGF,两大类，,TGF,在结构,生物学特性上与,EGF,非常相似,能与,EGFR,结合，活化蛋白激酶，发挥调节作用。,TGF-,的转化活性需,EGF,或,TGF-,的协同。能抑制细胞增殖，对细胞生长起负调节作用。,抑素(,chalone,),是与生长因子作用相反，对细胞生长起抑制作用.,参与细胞周期调控的原癌基因及抑癌基因,激酶类,细胞癌变与蛋白质激酶类活性基因的磷酸化有关。如,src,、,fms,、,raf,、,erb,-B,基因编码的蛋白质定位在细胞膜上，为特异性酪氨酸磷酸化酶，与导致细胞转化和癌变有关。,ras,基因,由,c-,ras,基因编码的蛋白有类似,G,蛋白的作用。定位于细胞膜内面，在接受细胞表面信号刺激后,P21,与,GTP,结合，形成具,GTP,酶活性的,P21-GTP,复合物，这种复合物具有传递细胞内信号的功能，在其他生长因子的相互作用下，可刺激细胞生长，并可导致细胞增殖失控。,生长因子类蛋白,如,c-sis,癌基因编码的,P28 sis,产物以自分泌方式作用于,PDGF,受体，使细胞增殖，有许多癌基因的基因产物均可以自分泌方式来刺激细胞生长。,c-,myc,c-,myc,基因属于早期反应基因，在特异性生长信号刺激时，可使细胞进入增殖周期，,c-,myc,的表达增加。不仅可促使,G,0,G,1,期的过渡，而且在整个细胞周期中都有表达，与细胞周期后阶段和细胞凋亡有关。,P53,基因,P53,基因产物是一种转录因子，以四聚体形式与特异的,DNA,序列结合后，对靶基因的表达进行调控。是一种细胞生长抑制性蛋白；它抑制正常和转化细胞的生长，使细胞停滞在,G,1,期。但当细胞,DNA,损伤时，抑制,G,1,晚期的基因转录，以利,DNA,修复，对维护基因稳定性起重要作用。若,P53,突变，丧失了对细胞周期的控制作用而致使细胞发生转化或恶性变。,视网膜母细胞瘤,(,retinoblastoma,，,Rb,),基因,pRb,存在于整个细胞周期中，它可以在细胞周期的多个阶段起作用。但是，在不同阶段的,pRb,的磷酸化水平不同，只有非磷酸化的,pRb,具有抑制细胞增殖的活性。,三、对细胞周期的影响：,pRb,和,E2F,pRb,蛋白主要涉及调控细胞由,G,1,期进入,S,期，其磷酸化状态与细胞周期进程紧密相关。,在,G,1,期只有,pRb,的非磷酸化和低磷酸化状态，具有抑制细胞增殖的作用.但在,G,1,SM,期过渡的过程中，,pRb,处于高磷酸化状态。,E2F,是腺病毒,E2,启动子基因，每种,E2F