真核細胞周期調控與腫瘤

內容介紹:第一節(jié)細胞周期概述第二節(jié)細胞周期的各元素及其相互作用第三節(jié)細胞周期調控與腫瘤1本文檔共87頁；當前第1頁；編輯于星期一\18點0分

第一節(jié)細胞周期概述

一、細胞周期

細胞增殖周期，簡稱細胞周期(cellcycle)，是指連續(xù)分裂的細胞從上一次有絲分裂結束開始,到下一次有絲分裂結束為止所經歷的整個過程。2本文檔共87頁；當前第2頁；編輯于星期一\18點0分G1期：（DNA合成前期）從有絲分裂完成到DNA復制之前的一段時期；S期：（DNA合成期）為DNA復制的時期；G2期：（DNA合成后期）從DNA復制完成到有絲分裂開始的一段時期；M期：（有絲分裂期）從細胞分裂開始到結束的一段時期。細胞分裂周期4個時相DNA合成前期DNA合成期DNA合成后期有絲分裂期

MphaseG01.PhasesofCellCycle3本文檔共87頁；當前第3頁；編輯于星期一\18點0分2.CharacteristicsofCell

CyclePhasesG1期：細胞周期的大部分時相處于G1期，動物細胞一般為6-12小時。該期主要的生化活動是合成RNA和蛋白質。S期：此期一般持續(xù)6-8小時，其長短主要由基因組的復雜度決定。該期主要的生化活動是復制DNA。4本文檔共87頁；當前第4頁；編輯于星期一\18點0分G2期：該期主要的生化活動是合成一些與有絲分裂有關的蛋白質。

M期：該期很短，一般持續(xù)0.5-2小時。該期生化合成停止，細胞形態(tài)發(fā)生改變，一個母細胞分裂成2個子代細胞。5本文檔共87頁；當前第5頁；編輯于星期一\18點0分3.CheckingPointsofCellCycle真核細胞的分裂增殖必須經過兩個關鍵的調控點：即DNA合成開始時的G1→S期的轉換和有絲分裂開始時的G2→M期的轉換。除此之外，細胞還有G0→G1期的轉換，以及S期的檢查點。

6本文檔共87頁；當前第6頁；編輯于星期一\18點0分7本文檔共87頁；當前第7頁；編輯于星期一\18點0分4.細胞周期的特點:單向性：只能沿G1、S、G2、M方向推進。階段性：各期細胞形態(tài)和代謝特點有明顯差異，細胞可因某種原因在某時相停止下來，待生長條件適合后重新活躍到下一時相。檢查點：各時相交叉處存在檢查點，決定細胞下一步的增殖趨向。細胞微環(huán)境：細胞周期是否順利推進與細胞外信號和條件等密切相關。8本文檔共87頁；當前第8頁；編輯于星期一\18點0分1.周期性細胞：連續(xù)分裂的細胞；始終處于增殖和死亡的動態(tài)平衡中（穩(wěn)態(tài)更新），如表皮細胞、骨髓細胞。2.G0期細胞：休眠細胞；暫時脫離細胞周期，適當刺激可重新進入細胞周期（條件更新）。如肝、腎細胞。3.終端分化細胞：不分裂細胞；不可逆的脫離細胞周期，喪失增值能力，但具有一定生理功能。如神經細胞、心肌細胞。二、機體活細胞的分類9本文檔共87頁；當前第9頁；編輯于星期一\18點0分10本文檔共87頁；當前第10頁；編輯于星期一\18點0分細胞周期蛋白/素(cyclin，CLN)細胞周期素依賴激酶

(cyclin-dependentkinase，CDK)細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑

（CDKinhibitoryprotein，CKI）第二節(jié)

細胞周期的元素及其相互作用

調節(jié)細胞周期的3類蛋白質:11本文檔共87頁；當前第11頁；編輯于星期一\18點0分1.周期蛋白依賴性蛋白激酶（CDK)---CDK1-6,是調節(jié)細胞周期的主要蛋白質，通過使其他蛋白質磷酸化而驅動細胞周期進程,其活性受周期蛋白的正調控，受CKI的負調控。2.周期蛋白（cyclin)---A,B,C,D,E等，不同的周期蛋白與不同的CDK結合形成cyclin-CDK復合物，可調節(jié)細胞周期的不同階段。3.CDK抑制蛋白（CKI)---與CDK結合后可抑制CDK的活性，可分為兩大家族：①CIP/KIP(p21,p27,p57等):廣泛抑制多種CDK的活性。②INK4家族(P15,p16,p18,p19等):特異性抑制作用。

12本文檔共87頁；當前第12頁；編輯于星期一\18點0分CDK4/cyclinD->CDK2/cyclinE->CDK2/cyclinA->CDK1/CyclinB

13本文檔共87頁；當前第13頁；編輯于星期一\18點0分14本文檔共87頁；當前第14頁；編輯于星期一\18點0分15本文檔共87頁；當前第15頁；編輯于星期一\18點0分2001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。16本文檔共87頁；當前第16頁；編輯于星期一\18點0分

Cyclin(CLN)又稱周期素，是一組結構相似,并能結合和調節(jié)細胞周期蛋白依賴激酶(cyclin-dependentkinase,CDK)活性的蛋白質。1.StructureandFunctionofCyclin17本文檔共87頁；當前第17頁；編輯于星期一\18點0分周期素都是CDK的調節(jié)亞基，分別在細胞周期的不同時期積累，激活CDK，使其具有催化關鍵底物磷酸化的作用并調節(jié)底物活性。在高等真核細胞中，周期素至少分為A、B、C、D、E、F、G等幾大類。18本文檔共87頁；當前第18頁；編輯于星期一\18點0分

不同的周期蛋白（cyclinA,B,C,D,E,F,G,H等）能與不同的CDK結合，可調節(jié)細胞周期的不同階段。

G1

SG2M

D-CDK4/6E-CDK2A-CDK2B-CDK1G1期運行S期啟動G2期啟動和進行M期啟動和進行19本文檔共87頁；當前第19頁；編輯于星期一\18點0分G1SG2M

prophasemetaphaseanaphasetelophaseCyclinDCDK4/6CyclinBCDK1CyclinACDK2CyclinECDK2Cyclins/CDKsinthedifferentphasesofcellcycle20本文檔共87頁；當前第20頁；編輯于星期一\18點0分TheExpressionalLevelsofCyclinsduringCellCycle21本文檔共87頁；當前第21頁；編輯于星期一\18點0分Cyclins的時相性起伏DEABCyclin的功能調控主要依靠其蛋白質水平的細胞周期特異性起伏。22本文檔共87頁；當前第22頁；編輯于星期一\18點0分TheRelationshipofCyclinExpressionalLevelswithDNAReplication23本文檔共87頁；當前第23頁；編輯于星期一\18點0分100aa組成cyclinboxCyclin

-COOHH2N-cyclinCDKCyclin/CDKCombine催化亞基

CDK所有Cyclin蛋白分子上都有一段與CDK結合并使之激活的保守區(qū)，稱為細胞周期素盒(Cyclinbox)。24本文檔共87頁；當前第24頁；編輯于星期一\18點0分

此外，周期蛋白還含有降解盒（destructionbox）或PEST序列（脯-谷-絲-蘇），可通過定時降解或快速轉換來調節(jié)周期素的水平。25本文檔共87頁；當前第25頁；編輯于星期一\18點0分周期素的家族成員26本文檔共87頁；當前第26頁；編輯于星期一\18點0分Cyclins通過泛素-蛋白酶體途徑降解27本文檔共87頁；當前第27頁；編輯于星期一\18點0分2.StructureandFunctionofCDK

CDK是一組絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，需與相應的cyclin結合才能顯示活性，故CDK稱為依賴cyclin的蛋白激酶。不同階段有相應的cyclin/CDK。cyclinCDKCyclin/CDK28本文檔共87頁；當前第28頁；編輯于星期一\18點0分人們對CDK的認識，最初是通過研究培養(yǎng)細胞和酵母細胞而得到的。目前已經確定的CDK有：裂殖酵母中CdC2；釀酒酵母中的CdC28、PHO85、KIN28以及人類細胞中CDK1～10。2.1TypesandCharactersofCDK29本文檔共87頁；當前第29頁；編輯于星期一\18點0分脊椎動物的CDKCDK結合的相應cyclin作用的細胞周期CDK1CDK2

CDK3CDK4CDK5CDK6CDK7

CyclinA,BCyclinACyclinD1,D2,D3CyclinE

CyclinD1,D2,D3P35*,CyclinD1,D2,D3CyclinD1CyclinH,P36*G2/M轉換；

M早期S期；G2期G1期G1/S轉換G1期G0/G1轉換、G1期神經纖維的磷酸化、G1期G0/G1轉換活化CDK*P35，P36的結構與細胞周期蛋白無相似性30本文檔共87頁；當前第30頁；編輯于星期一\18點0分CDK的分子量一般為35～40kD，不同CDK的氨基酸組成有40%以上的同源性。CDK催化亞基的活性中心約由300個氨基酸殘基組成，當處于單體或非磷酸化狀態(tài)時，CDK沒有催化活性。31本文檔共87頁；當前第31頁；編輯于星期一\18點0分MolecularStructureofCDK232本文檔共87頁；當前第32頁；編輯于星期一\18點0分在激活因素中，目前認為CDK與周期素的結合以及保守的蘇氨酸殘基(Thr161)的磷酸化是較為重要的兩種調節(jié)因素；而在抑制因素中，CDK的N-端氨基酸殘基的抑制性磷酸化(Thr14和Tyr15)以及抑制蛋白(CKI)的結合是主要的調節(jié)因素。2.2RegulationofCDKActivity33本文檔共87頁；當前第33頁；編輯于星期一\18點0分34本文檔共87頁；當前第34頁；編輯于星期一\18點0分①周期素的激活作用：周期素中的“周期素盒”結構域直接和CDK結合，并與CDK的激活相關。周期素的結合與激活作用主要通過周期素在細胞周期中的濃度波動來調控。2.2.1ActivationofCDK35本文檔共87頁；當前第35頁；編輯于星期一\18點0分CyclinA-CDK2ComplexwithATPBound36本文檔共87頁；當前第36頁；編輯于星期一\18點0分②磷酸化修飾的激活作用：CDK的激活還必須依賴于其保守的蘇氨酸殘基的磷酸化，如在人CDK1（p34cdc2）的Thr161和CDK2的Thr160的磷酸化，就與這兩個酶的激活相關。37本文檔共87頁；當前第37頁；編輯于星期一\18點0分催化CDK1和CDK2磷酸化的酶是CAK，催化亞基為CDK7CAK

調節(jié)亞基為周期素H

組裝蛋白因子MAT1（MAT1—CDK-activatingkinaseassemblyfactor1）

38本文檔共87頁；當前第38頁；編輯于星期一\18點0分ComplexofCDK7-CyclinH-MAT1

CyclinHCDK7MAT139本文檔共87頁；當前第39頁；編輯于星期一\18點0分CAKCDK的激活機制:CDKThr160/161磷酸化

CDK/Cyclin

cellcycle↑40本文檔共87頁；當前第40頁；編輯于星期一\18點0分CDK的激活和失活還與Thr14/Tyr15的磷酸化和去磷酸化有關。Thr14/Tyr15的去磷酸化導致CDK的激活,使其去磷酸化的磷酸酶是CDC25。

41本文檔共87頁；當前第41頁；編輯于星期一\18點0分CDK啟動cellcycle:CDK激活Cyclin與CDK結合CAK對CDKThr160/161的磷酸化CellcycleCDC25

對CDKThr14/Tyr15去磷酸化42本文檔共87頁；當前第42頁；編輯于星期一\18點0分①磷酸化修飾的抑制作用：在人的CDK1和CDK2中，Thr14和Tyr15殘基的磷酸化可抑制CDK的催化活性。其原因在于上述殘基的側鏈位于該酶活性中心ATP結合部位的頂端。2.2.2InhibitionofCDK43本文檔共87頁；當前第43頁；編輯于星期一\18點0分催化Thr14和Tyr15磷酸化的是兩種不同的蛋白激酶，使Thr14磷酸化的為蛋白激酶Myt1

，使Tyr15磷酸化的是蛋白激酶Wee1/Mik1

。催化Thr14和Tyr15脫磷酸化的是蛋白磷酸酶CDC25。因此，蛋白激酶Wee1和Myt1及蛋白磷酸酶CDC25的相對活性，決定CDK1和CDK2的活性高低。44本文檔共87頁；當前第44頁；編輯于星期一\18點0分RegulationofCDKActivityCAK45本文檔共87頁；當前第45頁；編輯于星期一\18點0分②抑制蛋白的作用：抑制蛋白，即周期素依賴性蛋白激酶抑制子（CKI），大部分CKI都是抑癌基因的編碼產物。在哺乳動物細胞中，目前已經確定的CKI主要有：P15和P16、

P19、P21、P27、P53和PRb，可分別抑制各型CDK的活性。46本文檔共87頁；當前第46頁；編輯于星期一\18點0分P16INK4A和P15INK4B：是分別由抑癌基因INK4A/MTS1和INK4B/MTS2編碼合成的蛋白質，能專一性的與CDK4和CDK6結合，并阻止其與周期素的結合反應，從而抑制其蛋白激酶活性，使細胞停留于G1期。47本文檔共87頁；當前第47頁；編輯于星期一\18點0分

P16CDK4cyclinD1

一

Pcdk介導的磷酸化

RbRbP

一

G1

S

DNA轉錄48本文檔共87頁；當前第48頁；編輯于星期一\18點0分P21WAF1/CIP1：是由抑癌基因WAF1/CIP1編碼合成的蛋白質，幾乎能與所有的周期素-CDK復合物結合，抑制其蛋白激酶活性，使細胞停留在G1期。49本文檔共87頁；當前第49頁；編輯于星期一\18點0分P27KIP1：是由抑癌基因KIP1編碼合成的蛋白質，也能與幾乎所有的周期素-CDK復合物結合，抑制其蛋白激酶活性，使細胞停留于G1期。50本文檔共87頁；當前第50頁；編輯于星期一\18點0分p27-cyclin-cdkcomplex51本文檔共87頁；當前第51頁；編輯于星期一\18點0分P53：由抑癌基因p53編碼合成的蛋白質，是WAF1/CIP1基因（P21）的轉錄激活因子。因此，P53的表達可促進P21WAF1/CIP1的轉錄表達，從而抑制CDK的蛋白激酶活性。52本文檔共87頁；當前第52頁；編輯于星期一\18點0分FunctionofP53：53本文檔共87頁；當前第53頁；編輯于星期一\18點0分54本文檔共87頁；當前第54頁；編輯于星期一\18點0分55本文檔共87頁；當前第55頁；編輯于星期一\18點0分PRb：是由Rb抑癌基因編碼合成的蛋白質，有低磷酸化型和高磷酸型兩種型式。低磷酸化型的PRb可與轉錄因子E2F形成復合體，抑制其轉錄激活作用，阻止細胞分裂；而高磷酸化型的PRb則不能與E2F形成復合體。催化PRb由低磷酸化型轉變?yōu)楦吡姿峄偷牡鞍准っ妇褪歉餍虲DK。56本文檔共87頁；當前第56頁；編輯于星期一\18點0分Rb在細胞周期內的磷酸化

57本文檔共87頁；當前第57頁；編輯于星期一\18點0分CyclinD與CDK結合使Rb釋放結合的轉錄因子E2F58本文檔共87頁；當前第58頁；編輯于星期一\18點0分59本文檔共87頁；當前第59頁；編輯于星期一\18點0分Figure.RegulationofRbandE2FactivitiesinlateG1.InteractionofE2FswithnonphosphorylatedRbproteininitiallyinhibitsE2Factivity.Whensignalingfrommitogensissustained,theresultinginitiatethephosphorylationofRb,convertingsomeE2Ftotheactiveform,whichactivatetargetgeneswhoseproductsareessentialforSphase.60本文檔共87頁；當前第60頁；編輯于星期一\18點0分Rbfunctionislinkedtoothertumorsuppressors61本文檔共87頁；當前第61頁；編輯于星期一\18點0分小結Rb的生理作用:Rb基因是視網膜母細胞瘤的致病基因，位于13q14。

Rb蛋白——p105

兩種形式：磷酸化Rb和非磷酸化Rb（活性形式）Rb蛋白的作用：1.

非磷酸化Rb與轉錄因子E2F結合，抑制其活性，使細胞停留在G1期。E2F

是很強的轉錄因子，可促進許多參與S期的酶和蛋白質如DNA聚合酶、胸苷激酶、二氫葉酸還原酶等的表達，增強DNA的復制，促進細胞通過G1/S控制點。2．Rb磷酸化磷酸化的Rb釋放E2F促進DNA的合成細胞分裂增殖。62本文檔共87頁；當前第62頁；編輯于星期一\18點0分3.病毒癌蛋白（SV40大T抗原，腺病毒EIA和人乳頭瘤病毒E7等）和Rb結合，釋放E2F，從而促進細胞的分裂增殖和轉化。4.Rb基因的突變失活（點突變，缺失或GC島的高甲基化等）使之失去結合E2F和抑制細胞增殖的能力。5.生長因子如EGF、PDGF和癌基因c-myc等都可促進cyclinD1的表達和D1-CDK4/6的形成，從而促進細胞的分裂增殖。6．CDK抑制蛋白P16是抑癌基因

P16可競爭性地與CDK4/6結合，抑制CDK4/6的活性，從而抑制細胞從G1→S過渡，使細胞停留在G1期。63本文檔共87頁；當前第63頁；編輯于星期一\18點0分3.

細胞周期調控中各元素間的相互作用

細胞周期的調控可分為外源和內源性調控.

外源性調控主要是細胞因子以及其它外界刺激引起；

內源性調控主要是通過Cyclin－CDK－CKI的網絡調控來實現(xiàn)。

64本文檔共87頁；當前第64頁；編輯于星期一\18點0分生長信號（GF）：通過早期應答基因傳遞到細胞周期調控機制時,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。65本文檔共87頁；當前第65頁；編輯于星期一\18點0分66本文檔共87頁；當前第66頁；編輯于星期一\18點0分PRbE2FD-CDK4/6E2F磷酸化的RbEGF,PDGF,c-myc等Cyclin--D病毒癌蛋白與Rb結合參與S期DNA合成的蛋白質基因的表達細胞的過度增殖和癌變Rb基因的突變P16突變的Rb蛋白67本文檔共87頁；當前第67頁；編輯于星期一\18點0分68本文檔共87頁；當前第68頁；編輯于星期一\18點0分

各種細胞周期蛋白隨特定細胞時相而出現(xiàn)。

G1早期，cyclinD表達并與CDK4或CDK6結合，成為始動細胞周期的啟動子；

G1晚期、進入S早期后cyclinE表達，并與CDK2結合，推動細胞進入S期；

進入S期后，cyclinA表達，cyclinA和CDK2相結合可以調節(jié)S期進入G2期；

S晚期、G2早期，cyclIinA、cyclinB表達，并與cdc2結合，促進細胞進入M期。69本文檔共87頁；當前第69頁；編輯于星期一\18點0分P53P16

介導抑制CDK4

p21CDK4

cyclinD1

抑制CDK4

活化CDK4Pcdk介導的磷酸化

RbRbPE2F

無活性復合物

E2F啟動

DNA轉錄

G1

S

DNA轉錄70本文檔共87頁；當前第70頁；編輯于星期一\18點0分

CDK活性狀態(tài)是以磷酸化形式存在的。

CAK可誘導CDK磷酸化（Thr161），而p27通過與CDK亞單位的結合，使CAK不能與CDK直接發(fā)生作用。非活化的CDK不能使Rb蛋白磷酸化，使細胞停留在G1期，對細胞周期進行負調控。

P27還可阻止Rb蛋白磷酸化，其過度表達能抑制細胞進入G1期。

71本文檔共87頁；當前第71頁；編輯于星期一\18點0分小結:細胞周期由一系列瀑布式的CDKs激活所驅動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72本文檔共87頁；當前第72頁；編輯于星期一\18點0分第三節(jié)

細胞周期調控與腫瘤

科學家在研究中逐漸發(fā)現(xiàn)，幾乎所有癌基因、抑癌基因的生物學效應，最終都會聚到細胞周期機制上。許多癌基因、腫瘤抑制基因直接參與細胞周期的調控，或者本身就是細胞周期調控復合體的主要成分。這些基因變異的結果，導致了細胞周期的失控，直接誘發(fā)腫瘤。73本文檔共87頁；當前第73頁；編輯于星期一\18點0分驅動機制檢查機制CKI-checkpointCDK4,6/cyclinDCDK2/cyclinECDK2/cyclinACDK1/cyclinBCyclin-CDK+細胞惡性增殖驅動力增強檢查機制失靈腫瘤細胞惡性增殖的機制74本文檔共87頁；當前第74頁；編輯于星期一\18點0分腫瘤細胞惡性增殖的機制Cyclin的過表達CDK的增多CKI表達不足和突變檢查點功能障礙細胞增殖過度與腫瘤G1/S檢查點功能障礙（P53突變）G2/M檢查點功能障礙惡性增殖75本文檔共87頁；當前第75頁；編輯于星期一\18點0分一、腫瘤細胞周期失控的分子基礎

1．細胞周期蛋白異常

G1cyclin基因突變、重排，使這些cyclin異常表達，從而使細胞通過G1期，進入S期，細胞即自發(fā)增殖，出現(xiàn)轉化特征。許多人類腫瘤中，均發(fā)現(xiàn)有cyclinD1基因的擴增。76本文檔共87頁；當前第76頁；編輯于星期一\18點0分CyclinD1（原癌基因Bcl-1）過表達原因:▲基因擴增（CyclinD1過表達的主要機制）乳腺癌、胃癌、食道癌存在CyclinD1基因擴增過度?！旧w倒位（Chromosomeinversion）CyclinD1基因倒位于甲狀旁腺啟動子控制下

CyclinD1蛋白合成↑甲狀旁腺腺癌▲染色體易位（Chromosometranslocation)Bcl-1t(11:14)(q13:q32)易位CyclinD1受Ig重鏈基因增強子影響CyclinD1表達↑77本文檔共87頁；當前第77頁；編輯于星期一\18點0分【CyclinD過表達致腫瘤機制】CyclinD過表達+生長因子

CDKs瀑布效應↑細胞增殖過度易發(fā)生細胞癌變▲基因突變CyclinD1T286突變CyclinD1泛素化受阻CyclinD1↑78本文檔共87頁；當前第78頁；編輯于星期一\18點0分

B型肝炎病毒（hepatitisBvirus,HVB）感染人體后成為導致肝癌的因素之一，有研究發(fā)現(xiàn)，HVB基因組整合入cyclinA基因的一個內含子中，產生異常、過量表達的轉錄物。和正常的cyclinA相比，它缺少N端的“destructionbox”，逃脫了對它的降解，大量異常的cyclinA刺激細胞增殖。79本文檔共87頁；當前第79頁；編輯于星期一\18點0分2．CDK和CKI基因的突變

研究中發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞CDK的水平一般較高，而CKI基因常見純合性缺失突變，細胞內缺少CKI，或CKI抑制CDK功能的喪失。

■

CDK表達異常主要見于CDK4、CDK6過表達。CDK4↑+cyclinD結合↑CDK4/cyclinD↑pRbpRb磷酸化↑細胞增殖過度

E2F↑G1/S過渡加速80本文檔共87頁；當前第80頁；編輯于星期一\18點0分細胞增殖異常CKI的缺失與突變腫瘤細胞中常見CKI（腫瘤抑制基因）表達不足或突變。

▲【p16