細胞周期與腫瘤課件all

1細胞周期與腫瘤

(Cellcycleandcancer)2細胞周期(cellcycle)是細胞生命活動的基本過程,指從細胞分裂結(jié)束開始,到下一次細胞分裂結(jié)束為止的過程。DNA合成和細胞分裂是細胞周期兩個主要事件。在這一過程中,細胞的遺傳物質(zhì)(DNA)經(jīng)過復制平均分配到兩個子細胞中。3細胞周期時相間期

Interphase:G1,S,G2有絲分裂期

Mitosis:前期prophase中期metaphase后期anaphase末期telophase45細胞有絲分裂過程6目前從流行病學、病因?qū)W、遺傳學多方面對腫瘤進行了深入研究，認識到腫瘤是多因素作用、多基因異常、多階段演進所形成的。但是腫瘤的惡性增生從生物學角度看，主要表現(xiàn)在兩個方面：一是腫瘤細胞的永生化（凋亡障礙）；二是腫瘤細胞的增殖失控，這兩方面均已成為腫瘤發(fā)生發(fā)展研究的熱點。7腫瘤是一類細胞周期調(diào)控機制破壞的疾病,對細胞周期調(diào)控機制和腫瘤細胞周期調(diào)控機制改變的重大發(fā)現(xiàn),對認識腫瘤發(fā)生和演進、臨床診斷與治療有十分重要的意義。這一認識驅(qū)動著科學家們在20世紀最后20年，圍繞細胞周期進行了卓有成效和研究。8歷史回顧91665年RobertHooke發(fā)現(xiàn)細胞,并稱之為小房(cell)1858年RudolfVirchow建立細胞理論1882年觀察到在細胞生長過程存在兩種形式：有絲分裂期（染色體）和間期（染色質(zhì)）1951年Howard和Pelc發(fā)現(xiàn)細胞分裂周期（celldividecycle）1971年YoshioMasui發(fā)現(xiàn)MPF20世紀70-80年代LelandHartwell,Paulnurse和Timhunt發(fā)現(xiàn)CDK和cyclin101971年YoshioMasui發(fā)現(xiàn)，非洲爪蟾卵的有絲分裂和減數(shù)分裂被一種物質(zhì)所啟動，他將這種物質(zhì)稱為成熟促進因子(MaturationPromotingFactor,MPF)。1975年LelandHartwell在芽殖酵母中、PaulNurse在裂殖酵母中分別發(fā)現(xiàn)了編碼酵母MPF的基因-細胞分裂周期基因(celldividecycle,CDC),并編以序號(如CDC2、CDC28)。1983年，TimHunt發(fā)現(xiàn)MPF由兩個基因編碼的蛋白質(zhì)共同組成：一個為56KD的蛋白質(zhì)，在細胞周期中呈時相性起伏，稱為細胞周期素（cyclin）一個為34KD蛋白質(zhì)，具有蛋白激酶功能，因其在裂殖酵母為CDC2編碼，芽殖酵母為CDC28編碼，故稱為p34cdc2/28,又因為與cyclin結(jié)合的p34cdc2/28才有活性，又稱為細胞周期素依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentkinase,CDK)。Oneofkeyregulatorsofthecellcycle,CDK(cyclindependentkinase),controlsthecellcycleviathephosphorylationofotherproteins.Additionalproteins(termedCyclins)areformedanddegradedduringeachcellcycle.Thelevelsoftheseproteinsvaryupanddownduringthecellcycle.ThecyclinsbindtotheCDKmoleculesandregulatetheactivityofCDKactivitybyselectingthecellproteinstobephosphorylated.Thesefindingsledtoimportantinsightsintohownormalandcancercellsdevelop.142001年，LelandHartwell，Paulnurse和Timhunt因成功揭示細胞周期分子機制而共同獲得第100屆諾貝爾生理學與醫(yī)學獎。這標志著細胞周期的研究已獲得全世界的認同，為細胞周期與腫瘤的研究奠定了基礎。15第一節(jié)

細胞周期機制的核心-CDK調(diào)控機制16在進化過程中,細胞發(fā)展并建立了一系列的調(diào)控機制,以確保細胞周期嚴格有序地交替和各時相依次有序變更。與細胞周期調(diào)控有關(guān)的分子主要有3大類:細胞周期素(cyclin)細胞周期素依賴性激酶(cyclin-dependentkinase,CDK)細胞周期素依賴性激酶抑制物(cyclin-dependentkinaseinhibitor,CKI),17CDK調(diào)控機制細胞周期事件受控于精密的細胞周期調(diào)控機制。細胞周期調(diào)控機制的核心是一組(Ser/Thr)蛋白激酶，它們各自在細胞周期內(nèi)特定的時間激活，通過對相應底物的磷酸化，驅(qū)使細胞完成細胞周期。這些蛋白激酶的細胞周期特異性或時相性激活，依賴于一類細胞周期特異性或時相性表達、累積與分解的蛋白質(zhì)。18細胞周期內(nèi)特異性、時相性表達的蛋白質(zhì)稱為細胞周期素cyclin。依賴cyclin的調(diào)控細胞周期的蛋白激酶稱為細胞周期素依賴性激酶cyclin-dependentkinase,CDK。19CDKs在整個細胞周期中的含量是平穩(wěn)的,但在細胞周期不同時相中,不同的cyclins的集聚與相應CDKs結(jié)合并被激活。CDK激活的底物主要有PRB、E2F、P107等,具有促進細胞周期時相轉(zhuǎn)變、啟動DNA合成、運行細胞分裂、推進細胞周期運行的重要功能。人類細胞主要的CDK有:CDK1(CDC2),CDK2,CDK4,CDK6。20CDK是細胞周期調(diào)控網(wǎng)絡的核心cyclin對CDK具有正性調(diào)控作用CKI對CDK具有負性調(diào)控作用CDK、cyclin和CKI共同構(gòu)成了細胞周期調(diào)控的分子基礎。21CDKs活性受以下幾種機制的調(diào)控：Cyclins的時相性表達與降解CDK激活性蛋白激酶(CDKActivatingKinase,CAK)

對CDKThr160/161磷酸化Weel/CDC25對Thr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化CDK抑制物(CKI)對CDK的抑制22一、Cyclins的時相性表達與降解Cyclins的表達具有典型的周期性和時相特異性細胞內(nèi)外各種信號傳導途徑激活轉(zhuǎn)錄因子,轉(zhuǎn)錄因子與靶基因的作用通過影響cyclins的細胞水平作用于相應的CDK,對細胞周期進行調(diào)控。23起初人們定義cyclin時，是根據(jù)其蛋白質(zhì)水平在細胞周期內(nèi)呈時相性起伏的特征?，F(xiàn)在看來，正確的定義，應根據(jù)該蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上是否存在能與CDK催化亞單位結(jié)合、激活的特異性區(qū)域。所有的cyclin蛋白分子結(jié)構(gòu)上，都有一個由100多個氨基酸組成的相對保守的區(qū)域，人們稱為細胞周期盒。Cyclinbox的主要功能是與CDK結(jié)合并激活之，如果該區(qū)域突變，cyclin與CDK的結(jié)合能力和激活功能同時喪失。

24100aa組成cyclinboxCyclin

-COOHH2N-cyclinCDKCyclin/CDKCombine催化亞基

CDK所有Cyclin蛋白分子結(jié)構(gòu)上都有一段與CDK結(jié)合并使之激活的保守區(qū)，稱為細胞周期素盒(Cyclinbox)。25人類細胞主要的Cyclin有:CyclinB1CyclinACyclinECyclinD1,D2和D326CyclinD是細胞周期運行的起始因子,又是生長因子的感受器。處于G0期的細胞在GF和GFR的作用下,通過ras蛋白→MAPK信號傳導通路使cyclinD在G1早期表達增加。27CyclinE表達始于G1中期,峰值位于G1/S交界處,cyclinE的合成受E2F和Myc

共同激活,當CyclinD與CDK4/CDK6結(jié)合后,使RB蛋白磷酸化,釋放轉(zhuǎn)錄因子E2F,誘導CyclinE和CDK2的表達，細胞越過G1/S轉(zhuǎn)折點。當細胞進入S期,cyclinE水平急劇下降,CDK2與cyclinA結(jié)合,在下一個時相發(fā)揮生物學功能。28各種cyclin含量在細胞周期呈周期性變化,與CDK結(jié)合形成復合物并激活其活性,對細胞內(nèi)特定底物進行磷酸化后,通過泛素依賴性的蛋白酶水解途徑降解失活。29Cyclins的時相性起伏DEABCyclin的功能調(diào)控主要依靠其蛋白質(zhì)水平的細胞周期特異性起伏。30Cyclins通過泛素-蛋白酶體途徑降解人類細胞的CDK只和特定的Cyclin結(jié)合CDK4/6與CyclinD（1,2,3）結(jié)合-G1期運行CDK2與CyclinE結(jié)合-S期啟動CDK2與CyclinA結(jié)合-G2期啟動和進行CDK1與CyclinB1結(jié)合-M期啟動和進行32G1SG2M

prophasemetaphaseanaphasetelophaseCyclinDCDK4/6CyclinBCDK1CyclinACDK2CyclinECDK2Cyclins/CDKsinthedifferentphasesofcellcycle33CDK的Thr161/160磷酸化可促進CDK-Cyclin的結(jié)合。對Thr160/161磷酸化的蛋白激酶是CAK。CAK的兩個重要亞單位是CDK7和CyclinH.二、CAK對CDKThr160/161磷酸化34CAKCDK的激活機制CDKThr160/161磷酸化

CDK/Cyclin

cellcycle↑35三、Weel/CDC25對CDKThr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化CDK的激活和失活還與Thr14/Tyr15的磷酸化和去磷酸化有關(guān)。Thr14/Tyr15的去磷酸化導致CDK的激活

使CDK上Thr14/Tyr15磷酸化的蛋白激酶是weel,使其去磷酸化的磷酸酶是CDC25。

CDK啟動cellcycleCDK激活Cyclin與CDK結(jié)合CAK對CDKThr160/161的磷酸化CellcycleCDC25

對CDKThr14/Tyr15去磷酸化37

四、CKI對CDK的抑制CKI有兩大類蛋白組成Ink4家族：P16INK4a、P15INK4b、P18INK4c和P19INK4d，抑制CDK4、CDK6。Cip/Kip家族：p21Cipl、P27Kip1和P57Kip1，抑制CDK2、CDK4、CDK6等。38大部分CKI識別CDK-Cyclin復合物P16ink4a是與CDK4單體結(jié)合→阻斷CDK4與Cyclin的結(jié)合。39第二節(jié)細胞周期調(diào)控的兩大機制一．細胞周期的驅(qū)動機制二．細胞周期的監(jiān)控機制40一．細胞周期的驅(qū)動機制細胞周期能否啟動進行細胞增殖，主要的調(diào)控點在G1期晚期-“限制點”（restrictionpoint,R)，它決定細胞是否通過G1期，進入S期.41人類細胞是否能夠通過R點進入細胞周期，主要受生長因子調(diào)控。只要有相應的生長因子，細胞就能通過了R點,依次完成G1、S、G2、M期。如果G1期缺乏生長因子，細胞周期運行將停止在R點，細胞進入G0期。42生長因子通過多種信號轉(zhuǎn)導途徑，啟動多種基因轉(zhuǎn)錄，驅(qū)使細胞進入細胞周期，進行生長分裂。根據(jù)基因轉(zhuǎn)錄后mRNA出現(xiàn)的時間，這些基因可分為早期應答基因和延遲應答基因二類。43細胞周期的驅(qū)動機制生長因子早期應答基因(Jun,Fos,Myc)延遲應答基因cyclinD-CDK4/6cyclinE-CDK2R點(Rb)44聯(lián)結(jié)信號傳導與細胞周期機制有兩條途徑：通過CyclinD-CDK4/6通過CyclinE-CDK2生長信號（GF）：通過早期應答基因傳遞到細胞周期調(diào)控機制時,首先是cyclinD的表達增加,與CDK4/6形成復合物，使細胞周期運行。抑制信號（TGF-β）：促進CKI表達增加,抑制CyclinD-CDK4/6復合物的功能，使細胞阻滯在G1期。46二．細胞周期的監(jiān)控機制細胞周期通過細胞內(nèi)固有的監(jiān)控機制-檢測點（checkpoint）以保證細胞復制的忠實性。檢測點分類DNA損傷檢測點時相次序檢測點檢測點功能探測→制動→修復→決定（死亡或分化）47（一）DNA損傷檢測點p53pathway(主要為G1期檢測點)Cdc25pathway(主要為G2期檢測點)DNA損傷p53蛋白表達，積累p21CIP1抑制cyclinE-CDK2細胞不能進入S期,G1-S期阻滯p53pathwayGADD45抑制CyclinB-CDK1G2-M期阻滯DNA損傷信號激活DNA損傷感應激酶hATM/hATR激活chk1激酶CDC25上ser216磷酸化，CDC25失活CDK1失活（Thr14不能去磷酸化）G2期阻滯Cdc25pathway50DNA損傷檢測點信號轉(zhuǎn)導途徑是一個高度保守的信號感應過程，整個途徑大致可以分為損傷感應、信號傳遞及信號效應3個組成部分。其中，3-磷脂酰肌醇激酶家族類成員ATM(ataxia-telangiectasiamutated)和ATR(ataxia-telangiectasiaandRad3-related)是重要的DNA損傷感應激酶，其活性增加構(gòu)成整個途徑活化的第一步。它們通過激活下游的效應激酶Chk2/Chk1（checkpointkinase）,通過協(xié)同作用許多其他調(diào)控細胞周期、DNA復制、DNA損傷修復及細胞凋亡等過程的蛋白質(zhì)因子來實現(xiàn)細胞對DNA損傷的高度協(xié)調(diào)反應。51（二）時相次序檢測點時相次序檢測點主要起保護DNA復制和染色體分配的輪流完成的作用。包括兩個調(diào)控過程S期啟動的調(diào)控有絲分裂后期調(diào)控521.S期啟動（DNA復制）的調(diào)控第一步Pre-RC組裝第二步S期CDK/DDK的激活，激活后的S期CDK又抑制Pre-RC的再組裝。時相調(diào)控過程的兩步制約53S期啟動的調(diào)控

CDK2+CyclinEORC↓CDC6p→Pre-RC組裝→DNA復制啟動McM↑

DDK+Dbf4G1期晚G1期S期Pre-RC:復制前復合物（pre-replicationcomplex,Pre-Rc）ORC:起始點識別復合物（OriginRecognitionComplex）DDK:Dbf4依賴性蛋白激酶（Dbf4-DependentKinase）54真核生物中，為保證遺傳物質(zhì)精確傳遞到子代，一個細胞周期中DNA只能復制一次。DNA獲得復制的能力是通過各種相關(guān)調(diào)控蛋白與DNA復制起始點順序性結(jié)合而實現(xiàn)的，主要包括ORCs、Cdc6、Cdt1和MCM2-7等。G1/S交界處，Pre-RC在至少兩種激酶(CDK和Cdc7/Dbf4)作用下形成起始前復合體(Pre-initiationcomplex，Pre-IC)，Pre-IC進而觸發(fā)DNA復制的啟動。552.有絲分裂后期調(diào)控：第一步CDK1激活→姐妹染色體排列于兩極的紡錘體之間；第二步APC激活→姐妹染色體分離和M期Cyclin降解時相調(diào)控過程的兩步制約56細胞周期調(diào)控機制小結(jié)細胞周期由一系列瀑布式的CDKs激活所驅(qū)動CDKs的激活受控于四大機制(cyclin,CAK,Weel/CDC25,CKIs)CDKs激活執(zhí)行細胞周期的兩大生物學功能:復制和分裂57第三節(jié)細胞周期的界面機制58當靜止期細胞將正負生長信號整合后，啟動進入細胞周期，經(jīng)過各種檢測點，將面臨三種主要歸宿：分裂、分化和死亡，說明細胞周期與信號傳導、基因轉(zhuǎn)錄、DNA修復、細胞凋亡、細胞分化等多種生命活動的界面之間，存在密切的聯(lián)系。59一．細胞周期與DNA修復所有的真核細胞中都存在一整套高度保守的完整的精密機制，承擔著DNA損傷、錯誤地發(fā)現(xiàn)，并將其信號傳遞給相應的機制，去阻滯細胞周期的運行，并同時進行DNA損傷的修復。然后視修復情況，決定繼續(xù)分裂或死亡，執(zhí)行一系列細胞的重要生命活動。60這一過程包括：傳感器→制動→修復→決定發(fā)現(xiàn)DNA損傷的傳感器(Sensor)受損細胞的制動或扣留(Arrest)DNA修復(Repair)決定(Decision)繼續(xù)分裂或凋亡61在人類執(zhí)行傳感器任務的是ATM和p53基因。細胞G1/S期阻滯主要通過p21，G2/M期阻滯主要通過GADD45。DNA修復機制主要有錯配修復和切除修復。62二、細胞周期與細胞凋亡細胞凋亡表現(xiàn)為細胞周期特異性，即不同因素誘導的細胞凋亡發(fā)生在細胞周期不同的時相。這類細胞凋亡的發(fā)生，往往是細胞先被阻滯在細胞周期的某一時相，然后發(fā)生細胞凋亡。許多化療藥物正是通過這類細胞周期特異性細胞凋亡，達到