腫瘤學(xué)細(xì)胞周期

Cellcyclecontrol&Cancer5/9/20241腫瘤學(xué)細(xì)胞周期腫瘤是細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制破壞的疾病。5/9/20242腫瘤學(xué)細(xì)胞周期2001NobelPrizeLelandH.Hartwell1970s“Checkpoint”Yeastgenetics~100CDCgenesStartgeneTimHunt1980sCyclinsSeaUrchinsPaulM.Nurse1970sCDKsyeast5/9/20243腫瘤學(xué)細(xì)胞周期LelandHartwell哈特韋爾的貢獻(xiàn)，一是發(fā)現(xiàn)了一系列控制細(xì)胞周期的重要基因；二是他為了解這些基因如何合作以控制細(xì)胞分裂提供了一個邏輯框架。哈特韋爾的細(xì)胞周期生物學(xué)研究使他贏得了多項美國和國際科學(xué)獎。5/9/20244腫瘤學(xué)細(xì)胞周期PaulNurse20世紀(jì)70年代中期，納斯使用了不同于哈特韋爾的另一種酵母作為模型生物體，納斯在這種酵母中發(fā)現(xiàn)了一種在控制細(xì)胞分裂中具有關(guān)鍵功能的基因，這個基因能調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的不同過程。1987年，納斯從人體細(xì)胞中分離出了相應(yīng)的基因，并命名為CDK1（細(xì)胞周期蛋白依賴激酶）。納斯的研究表明，CDK的激活作用依賴于可逆的磷酸化作用。5/9/20245腫瘤學(xué)細(xì)胞周期TimHunt亨特在20世紀(jì)80年代初發(fā)現(xiàn)了第一個CYCLIN，在細(xì)胞周期中這些蛋白質(zhì)周期性的變化。這些CYCLIN附在CDK分子上，調(diào)節(jié)CDK活性。CYCLIN最初是在海膽中發(fā)現(xiàn)的，后來，亨特發(fā)現(xiàn)其他物種中也含有CYCLIN，并且對細(xì)胞發(fā)育也具有重要意義。5/9/20246腫瘤學(xué)細(xì)胞周期有關(guān)細(xì)胞周期的原創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)（問題，模型，現(xiàn)象，工具）對細(xì)胞生長的所有方面都具有巨大的影響。細(xì)胞周期控制的缺陷會導(dǎo)致見于腫瘤細(xì)胞中的某種染色體改變。這些發(fā)現(xiàn)能讓我們在今后很長的時間內(nèi)創(chuàng)造治療癌癥的新方法。5/9/20247腫瘤學(xué)細(xì)胞周期細(xì)胞周期概述◆細(xì)胞周期的概念（conceptofcellcycle）：指從一次細(xì)胞分裂結(jié)束開始，到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的整個過程。分為：物質(zhì)積累期（間期或靜止期）和細(xì)胞分裂期。5/9/20248腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/20249腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202410腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Interphase:

–G1:gap –(G0:quiescentstateduringwhichcellcycledoesnotproceed) –S:replicationofDNAandassemblyofchromosomalproteinsondaughterDNAmolecules –G2:gapMphase:mitosis(nucleardivision)cytokinesis(cytoplasmicdivision)◆細(xì)胞周期時相組成：5/9/202411腫瘤學(xué)細(xì)胞周期細(xì)胞增殖是生命的基本特征初生嬰兒1012個細(xì)胞，成人1014個，約200種類型。成人體內(nèi)每秒鐘有數(shù)百萬新細(xì)胞產(chǎn)生，以補償衰老和死亡的細(xì)胞。一個大腸桿菌若按20分鐘分裂一次，并保持這一速度，則兩天即可超過地球的重量。5/9/202412腫瘤學(xué)細(xì)胞周期根據(jù)增殖狀況，可將高等動物的細(xì)胞分為三類：①連續(xù)分裂細(xì)胞，如表皮生發(fā)層、部分骨髓細(xì)胞。②休眠細(xì)胞，暫不分裂，但適當(dāng)刺激下可重新進(jìn)入細(xì)胞周期，稱G0期細(xì)胞，如淋巴細(xì)胞、肝、腎細(xì)胞，干細(xì)胞等。③不分裂細(xì)胞，不再分裂，又稱終端細(xì)胞，如神經(jīng)、肌肉、多形核細(xì)胞等。5/9/202413腫瘤學(xué)細(xì)胞周期

◆細(xì)胞周期長短同種細(xì)胞間周期時間長短相似或相同；不同種類細(xì)胞間，周期長短差別很大。

S+G2+M的時間變化較小，細(xì)胞周期時間長短差別在G1期，M期最短,約0.5～4.5小時。部分細(xì)胞的細(xì)胞周期沒有G1、G2期。5/9/202414腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202415腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202416腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202417腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202418腫瘤學(xué)細(xì)胞周期細(xì)胞周期阻滯的幾種結(jié)局5/9/202419腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Mechanismsinvolvedincellcyclecontrol:CheckpointregulationDifferentialcyclingeneexpressionProteindegradation(ubiquitinpathway)CDKactivitiesregulatedby –phosphorylation –bindingofcyclins5/9/202420腫瘤學(xué)細(xì)胞周期1.MPF(Mphase–promotingfactor),Cyclin,CDK

1.1MPFfound1.2MPFcomponentsCyclin(B)CDK(cyclindependentkinase)5/9/202421腫瘤學(xué)細(xì)胞周期1970sRao等發(fā)現(xiàn)與M期細(xì)胞(Hela)融合的間期細(xì)胞染色體發(fā)生凝縮，稱為早熟凝集染色體（PCC）。G1期PCC為單線狀，因DNA未復(fù)制。S期PCC為粉末狀，因DNA由多個部位開始復(fù)制。G2期PCC為雙線染色體，說明DNA復(fù)制已完成。不同類的M期細(xì)胞也可誘導(dǎo)PCC產(chǎn)生，說明M期細(xì)胞具有促進(jìn)間期細(xì)胞進(jìn)行分裂的因子，即成熟促進(jìn)因子(MPF)。1.1MPFfound5/9/202422腫瘤學(xué)細(xì)胞周期G1phasefusewithMphase5/9/202423腫瘤學(xué)細(xì)胞周期s

phasefusewithMphase5/9/202424腫瘤學(xué)細(xì)胞周期G2phasefusewithMphase5/9/202425腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Hartwell

1960s,Nurse1970s分別以芽殖酵母和裂殖酵母為材料，利用溫度敏感突變株，發(fā)現(xiàn)許多與細(xì)胞分裂有關(guān)的基因(cdc)。如：裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突變型在限制溫度下無法分裂；wee1突變型則提早分裂，cdc25突變型細(xì)胞體積增大而不分裂；cdc2和cdc28都編碼一個34KD的蛋白激酶，促進(jìn)細(xì)胞周期的進(jìn)行，weel和cdc25分別表現(xiàn)為抑制和促進(jìn)cdc2的活性。5/9/202426腫瘤學(xué)細(xì)胞周期buddingyeast

5/9/202427腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Fissionyeast

5/9/202428腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Cdc25&Wee1mutant5/9/202429腫瘤學(xué)細(xì)胞周期T.Hunt1980s發(fā)現(xiàn)海膽的卵裂過程中兩種蛋白質(zhì)的含量隨細(xì)胞周期振蕩，命名為cyclinA和B，其mRNA能誘導(dǎo)蛙卵成熟。5/9/202430腫瘤學(xué)細(xì)胞周期1988年Lohka將非洲爪蟾的MPF純化。經(jīng)鑒定MPF由32KD和45KD兩種蛋白組成，是一種絲氨酸/蘇氨酸激酶。進(jìn)一步的研究發(fā)現(xiàn)MPF=cdc2+cyclinB5/9/202431腫瘤學(xué)細(xì)胞周期ThecoremechanismofcellcycleregulationCDKsCyclinsCKIsCAKWee1/CDC25Degradation5/9/202432腫瘤學(xué)細(xì)胞周期1.2細(xì)胞周期素(cyclin)特點：在細(xì)胞周期中呈周期性變化。含有一段約100個氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白框，介導(dǎo)與CDK結(jié)合。作用：激活和引導(dǎo)CDK作用于不同底物。已知30余種，分為4類：G1型、G1/S型、S型、M型。5/9/202433腫瘤學(xué)細(xì)胞周期A2DestroyboxCyclinboxB1PEST,G1cyclinrenewalCDifferentCyclinexpressedindifferentcellcyclephaseBindwithDifferentCDK,regulateCDKkinaseactivity5/9/202434腫瘤學(xué)細(xì)胞周期G1期，在生長因子的刺激下，cyclinD表達(dá)，并與CDK4、CDK6結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，釋放轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進(jìn)許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE、A、CDK1和DHFR的基因。G1-S期，cyclinE與CDK2結(jié)合，激活DNA復(fù)制。G2-M期，cyclinA、cyclinB與CDK1結(jié)合，CDK1引起染色體凝縮、核膜解體等。5/9/202435腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202436腫瘤學(xué)細(xì)胞周期ExperimentalDemonstrationthatCyclinDisRequiredforPassageThroughtheRestrictionPointintheMammalianCell5/9/202437腫瘤學(xué)細(xì)胞周期

Overexpression

（GeneAmplification）

乳腺癌、胃癌、食道癌

Chromosomereverse

甲狀旁腺腺癌

Chromosomerearrangement

B淋巴細(xì)胞白血病

Genemutation(T286)

CyclinD5/9/202438腫瘤學(xué)細(xì)胞周期1.3CDK：Cyclindependkinase

cdc2與細(xì)胞周期蛋白結(jié)合才具有激酶的活性，故名細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶(CDK)。cdc2又稱CDK1，可將特定蛋白磷酸化，如：將核纖肽磷酸化導(dǎo)致核纖層解體、核膜消失；將H1磷酸化導(dǎo)致染色體的凝縮等。在動物中已知7種CDK。均含PSTAIRE保守序列，與周期蛋白的結(jié)合有關(guān)。5/9/202439腫瘤學(xué)細(xì)胞周期1.4CDKinhibitoryproteins(CKI)

對細(xì)胞周期起負(fù)調(diào)控作用，分為：①Ink4:抑制cdk4·cyclinD1,cdk6·cyclinD1。②Kip：抑制大多數(shù)CDK。其中P21cip1還能與DNA聚合酶δ的輔助因子PCNA結(jié)合，直接抑制DNA的合成。5/9/202440腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202441腫瘤學(xué)細(xì)胞周期CDKs

Over-expressionofCDK4andCDK6CKI

Lowerexpressionormutation(p16,Kip/cip)P21cipl

Cyclins/CDKsPCNACellCyclevelocityinhibitionofDNAreplication5/9/202442腫瘤學(xué)細(xì)胞周期2CHECKPOINT組成：感受器、信號傳導(dǎo)通路、效應(yīng)器。主要檢驗點：G1/S檢驗點：DNA是否損傷？細(xì)胞外環(huán)境是否適宜？細(xì)胞體積是否足夠大？在酵母中稱start點，在哺乳動物中稱R點(restrictionpoint)。S期檢驗點：DNA復(fù)制是否完成？G2/M檢驗點：DNA是否損傷？細(xì)胞體積是否足夠大？中-后期檢驗點：紡錘體組裝檢驗點。5/9/202443腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Fourcheckpoints5/9/202444腫瘤學(xué)細(xì)胞周期2.1TheG1/SCheckpointEnvironmentalGrowthfactors-(fromothercells),egPDGFDensitydependentinhibitionInternalDNAdamage5/9/202445腫瘤學(xué)細(xì)胞周期G1cyclinD(D1,D2,D3),E,AG1CDK,CDK2,4,6cyclinD+CDK4,6cyclinE,A+CDK2cyclinD(D1,D2,D3)iskeyfactorforG1/ScyclinEiskeyfactorforstartups-phaseG1phasecyclindegradationbyUbiquitinthroughPEST5/9/202446腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202447腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202448腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202449腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Rb基因的異常主要表現(xiàn)為等位基因缺失和基因突變。除了視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤和骨肉瘤外，在許多種腫瘤中也檢測到Rb基因的突變，包括肺癌（40%）,膀胱癌（30%），前列腺癌（20%）以及乳腺癌，宮頸癌和某些類型的白血病。

5/9/202450腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202451腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202452腫瘤學(xué)細(xì)胞周期2.2S/G2/MDNAreplicationcheckpointIfDNAdidnotcompletereplication,s-phasecouldnotchangeintoG2ThisG2checkpointsensesunreplicatedDNA,whichgeneratesasignalthatleadstocellcyclearrest.CDC25activityislowbutWeelactivityishigh 5/9/202453腫瘤學(xué)細(xì)胞周期MPFinactivate5/9/202454腫瘤學(xué)細(xì)胞周期◆G2checkpoint:

●G2checkpointpreventstheinitiationofmitosisuntilDNAreplicationiscompleted●OnlytheinhibitionofG2progressionrelieved,allowingthecelltoinitiatemitosisanddistributethecompletelyreplicatedchromosomestodaughtercells.5/9/202455腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202456腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202457腫瘤學(xué)細(xì)胞周期2.3M-phaseregulationMPFactivateMphasecheckpoint5/9/202458腫瘤學(xué)細(xì)胞周期MPF&theG2CheckpointMPF-pushescellpastG2checkpoint5/9/202459腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Cdc2ActivatesCdc25andInhibitsWee1:

PositiveFeedbackLoopAlittleCdc2goesalongway…Thr161Tyr14,15ThismeansCdc25Mustalsoberegulated…5/9/202460腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Tyr15Inhibitory:AddedbyWee1RemovedbyCdc25Thr160Activating:CDKaddsafterCyclinbinding5/9/202461腫瘤學(xué)細(xì)胞周期MPFinducesmultiplenuclearandcytoplasmicchangesattheonsetofMphase,bothbyactivatingotherproteinkinasesandbyphosphorylatingproteinssuchascondensinsandthenuclearlamins.5/9/202462腫瘤學(xué)細(xì)胞周期SoMPFgetsusintomitosis,howdowegetout?Onecanimaginemanypossibilities:

ActivateWeekinaseandturnoffMPFInactivateCdc25phosphataseActivateaphosphatasethatundoestheworkofCDKSynthesizeaninhibitorofMPF,aCKIItturnsoutallthesepossibilitiesarewrong.ThesolutionliesinthebehaviorofCYCLIN5/9/202463腫瘤學(xué)細(xì)胞周期CyclinDestructionDrivesMitoticExit5/9/202464腫瘤學(xué)細(xì)胞周期APCandM-regulationAPC:AnaphasePromotingComplexM-phasetoanaphasedependonrigidregulationAPC1-8APCregulateCyclinBandotherproteinUbiquitinationSpindleassemblycheckpointcontrolAPCactivity5/9/202465腫瘤學(xué)細(xì)胞周期AnaphasePromotingComplex&theMCheckpointMad2Cdc205/9/202466腫瘤學(xué)細(xì)胞周期2004年諾貝爾化學(xué)獎授予以色列科學(xué)家阿龍·切哈諾沃、阿夫拉姆·赫什科和美國科學(xué)家歐文·羅斯，以表彰他們發(fā)現(xiàn)了泛素調(diào)節(jié)的蛋白質(zhì)降解。其實他們的成果就是發(fā)現(xiàn)了一種蛋白質(zhì)“死亡”的重要機(jī)理。死亡之吻5/9/202467腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Proteindegradation

Neednotenergy,onlyneedenzymeNeedenergy,certaintime,certainposition

certaindirectionproteindegradation5/9/202468腫瘤學(xué)細(xì)胞周期一種被稱為泛素的多肽在需要能量的蛋白質(zhì)降解過程中扮演著重要角色。這種多肽由76個氨基酸組成，它最初是從小牛的胰臟中分離出來的。它就像標(biāo)簽一樣，被貼上標(biāo)簽的蛋白質(zhì)就會被運送到細(xì)胞內(nèi)的“垃圾處理廠”，在那里被降解。5/9/202469腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Ubiquitin:Proteinsareusuallytaggedforselectivedestructioninproteolyticcomplexescalledproteasomesbycovalentattachmentofubiquitin,asmall,compact,highlyconservedprotein.

5/9/202470腫瘤學(xué)細(xì)胞周期5/9/202471腫瘤學(xué)細(xì)胞周期Polyubiquitinationofmitoticcyclins5/9/202472腫瘤學(xué)細(xì)胞周期FortuitousDiscoveryofCyclinBUbiquitinationIPof35S-LabeledCyclinB:NormalExposureOverExposureCyclinBCyclinB-UbLadder5/9/202473腫瘤學(xué)細(xì)胞周期原來細(xì)胞中存在著E1、E2和E3三種酶，它們各有分工。E1負(fù)責(zé)激活泛素分子。泛素分子被激活后就被運送到E2上，E2負(fù)責(zé)把泛素分子綁在需要降解的蛋白質(zhì)上。但E2并不認(rèn)識指定的蛋白質(zhì)，這就需要E3幫助。E3具有辨認(rèn)指定蛋白質(zhì)的功能。當(dāng)E2攜帶著泛素分子在E3的指引下接近指定蛋白質(zhì)時，E2就把泛素分子綁在指定蛋白質(zhì)上。這一過程不斷重復(fù)，指定蛋白質(zhì)上就被綁了一批泛素分子。5/9/202474腫瘤學(xué)細(xì)胞周期HighEnergyThioesterBond,canbetransferredfromE1toE2,E3,orsubstrateUbiquitinisTransferredviaThioesterBonds5/9/202475