細(xì)胞增殖與凋亡機制

第十二章細(xì)胞增殖與凋亡機制多細(xì)胞生物的體細(xì)胞命運有三種：經(jīng)歷細(xì)胞周期增生；分化成具有特定功能的細(xì)胞；死亡并且從生物體中消失。細(xì)胞的上述生物學(xué)過程受到嚴(yán)密調(diào)控，任何一方失控都能導(dǎo)致機體功能障礙和疾病。本章介紹細(xì)胞增生與凋亡的分子機制。細(xì)胞增生一、細(xì)胞周期概念細(xì)胞周期是指從親代細(xì)胞分裂結(jié)束到子代細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程。一個細(xì)胞周期分四個時期：G1、S、G2、M期。G1SG2MG0二、細(xì)胞周期中各期的生化特點G1期：從有絲分裂完成到DNA復(fù)制之前這一階段，又稱為復(fù)制前期。該期細(xì)胞內(nèi)各種RNA、蛋白質(zhì)合成增多。同時該期是各種細(xì)胞群體之間細(xì)胞周期的差異取決于此期。S期：又稱為DNA合成期或復(fù)制期。該期細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)從二倍體到四倍體。同時組蛋白的合成也同時進行。G2期：指DNA合成完成到有絲分裂開始這段時間，又稱復(fù)制后期。該期DNA合成已終止，但仍然進行著RNA和一定蛋白合成。同時線粒體DNA在此期復(fù)制。M期：又稱為有絲分裂期。此期細(xì)胞呈球形，染色體在此期凝聚后分開，移向細(xì)胞兩端，解聚并再形成兩個完整的核，最后通過細(xì)胞質(zhì)分裂，結(jié)束M期。該期蛋白質(zhì)合成也顯著減少，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的多核糖體大部分解體。三、細(xì)胞周期中關(guān)卡是調(diào)控細(xì)胞周期位點細(xì)胞周期關(guān)卡此概念最早由Weinert和Hartwell提出，原來指酵母受X線照射后引起DNA損傷，誘導(dǎo)相關(guān)基因表達并使細(xì)胞周期停滯。目前用來指對細(xì)胞周期轉(zhuǎn)折處染色體物理完整性的監(jiān)控以及對與某些細(xì)胞周期事件起始相關(guān)的生化途徑的監(jiān)控，而這些細(xì)胞周期事件的起始依賴于另一些細(xì)胞周期事件的成功完成。G1晚期的關(guān)卡：監(jiān)控G1期細(xì)胞大小及環(huán)境中是否有生長因子。當(dāng)細(xì)胞生長足夠大，并且成功完成DNA復(fù)制準(zhǔn)備工作，不再依賴生長因子，可通過關(guān)卡。G1-S處關(guān)卡：監(jiān)控DNA是否損傷。G2-M處關(guān)卡：監(jiān)控DNA是否損傷及DNA是否正確完全復(fù)制。有絲分裂中期關(guān)卡：監(jiān)控姐妹染色體是否穩(wěn)定地附著在紡錘體上。在一個細(xì)胞周期內(nèi)至少存在四個關(guān)卡：四、參與細(xì)胞周期調(diào)控的相關(guān)蛋白參與細(xì)胞周期調(diào)控的相關(guān)蛋白可以分為以下幾類：1、周期蛋白（cyclin）2、周期蛋白依賴性激酶（Cdk）3、周期蛋白-周期蛋白依賴性激酶抑制因子（CKI）4、RB及E2F-DP1轉(zhuǎn)錄因子5、調(diào)節(jié)Cdk磷酸化和去磷酸化的蛋白激酶和磷酸酶6、泛素和使蛋白質(zhì)泛素化的酶細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的功能周期蛋白（cyclin）：目前發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)周期蛋白可分為A、B、D、E等類型。它們在細(xì)胞的不同時期內(nèi)含量是可升或降的。它們在核內(nèi)的含量主要受以下幾個因素調(diào)控：1、生長因子誘導(dǎo)的基因表達；2、泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解；3、蛋白質(zhì)在核與胞質(zhì)間的運輸；在周期蛋白結(jié)構(gòu)中都有保守的100多個氨基酸殘基的周期蛋白盒，該部位是與周期蛋白依賴性激酶（Cdk）結(jié)合部位。該蛋白是細(xì)胞內(nèi)組成型表達的核內(nèi)絲-蘇氨酸蛋白激酶。單獨存在無活性，與相應(yīng)的周期蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，才能具有活性，磷酸化相應(yīng)底物蛋白質(zhì)如：RB蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、組蛋白、細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白等，通過它們的活性，調(diào)控細(xì)胞周期進程。同時，Cdk本身還受蛋白激酶和磷酸酶的催化。周期蛋白與Cdk形成的復(fù)合物還受Cdk抑制物（CKI）的抑制。周期蛋白依賴性激酶：CyclinD1、2、3E、AB、ACdk4/6Cdk2Cdk1調(diào)控G1進程G1-S轉(zhuǎn)折，S進程G2-M轉(zhuǎn)折Cdk抑制物(CKI)CKI有兩類1、Cdk4和Cdk6抑制因子家族，該家族包括P15、P16、P18和P19蛋白。它們主要特異認(rèn)別和結(jié)合Cdk4和Cdk6，抑制周期蛋白D與Cdk4和Cdk6結(jié)合，并且能和周期蛋白D-Cdk4/6復(fù)合物結(jié)合，抑制其對底物蛋白的磷酸化。2、細(xì)胞因子誘導(dǎo)的蛋白/激酶相互作用蛋白（Cip/Kip）家族，包括P21、P27和P57蛋白，是細(xì)胞接收到接觸抑制、DNA損傷、低氧及一些細(xì)胞因子等信號后的產(chǎn)物，主要功能是和周期蛋白-Cdk復(fù)合物結(jié)合，抑制其活性，但也有一定正調(diào)節(jié)作用。RB蛋白與轉(zhuǎn)錄因子E2F-DP1的結(jié)合對G1期進展產(chǎn)生負(fù)調(diào)節(jié)RB家族目前發(fā)現(xiàn)三個成員，RB（P105）、P107和P130。它們的分子中有一口袋結(jié)構(gòu)，故稱口袋蛋白。RB蛋白可以和多種蛋白如轉(zhuǎn)錄因子E2F-DP1、RNA聚合酶等結(jié)合，調(diào)控它們活性。Pi-RB-E2F-DP1G1早期D-Cdk4/6Pi-RB-E2F-DP1PiE-Cdk2Pi-RB+E2F-DP1PiPi+相關(guān)靶基因表達G1中期G1晚期使Cdk磷酸化和去磷酸化的酶（蛋白激酶和磷酸酶）也調(diào)節(jié)Cdk活性Cdk1Cdk1-T101PiG1CAKSWeel、Myt1Cdk1-T101PiT14PiY15PiG2Cdc25Cdk1-T101PiMG2-M關(guān)卡有活性無活性無活性無活性泛素-蛋白酶體介導(dǎo)蛋白質(zhì)降解也調(diào)節(jié)細(xì)胞周期通過泛素-蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑的蛋白質(zhì)主要是一些短命的蛋白質(zhì)，如周期蛋白、P21、P27、E2F等，通過泛素和這些蛋白質(zhì)中的賴氨酸殘基結(jié)合后，泛素在也可以通過泛素自身第48位賴氨酸殘基在聯(lián)結(jié)泛素，形成多泛素化蛋白，并被運送到蛋白酶體中降解。五、調(diào)控蛋白協(xié)同作用調(diào)控細(xì)胞周期（一）、Cdk4/6和Cdk2的活化是限制點處調(diào)控的關(guān)鍵因素Pi-RB-E2F-DP1G1早期D-Cdk4/6Pi-RB-E2F-DP1PiE-Cdk2Pi-RB+E2F-DP1PiPi+G1中期G1晚期相關(guān)靶基因表達相關(guān)靶基因的表達使細(xì)胞做好DNA復(fù)制準(zhǔn)備，細(xì)胞通過G1-S關(guān)卡，DNA復(fù)制起始，進入S期。（二）、

Cdk1活化是G2/M關(guān)卡處關(guān)鍵調(diào)控因素Cdk1Cdk1-T101PiG1CAKSWeel、Myt1Cdk1-T101PiT14PiY15PiG2Cdc25MG2-M關(guān)卡Cdk1-T101Pi周期蛋白B在G1后期合成，進入核內(nèi)與Cdk1結(jié)合成復(fù)合物，但Cdk1此時被強磷酸化，無活性。在G2-M關(guān)卡，Cdc25c磷酸酶被活化，使的Cdk1去磷酸化形成有活性的B-Cdk1-T101Pi復(fù)合物，從而磷酸化底物蛋白，如組蛋白1、核纖層蛋白、肌球蛋白等，為染色體分離做好準(zhǔn)備，細(xì)胞通過關(guān)卡。CyclinB（三）、APC介導(dǎo)的多泛素化蛋白降解是細(xì)胞離開M期進入

G1期的關(guān)鍵因素M期的周期蛋白A/B-Cdk1作用的底物之一是APC蛋白。APC蛋白磷酸化后才有活性。它能在有絲分裂間染色體分離組裝完成后，結(jié)合在紡錘體處的APC蛋白被活化，最終導(dǎo)致連接姐妹染色體的蛋白質(zhì)降解，細(xì)胞通過有絲分裂中期關(guān)卡?？蛇M入G1。（四）、DNA損傷關(guān)卡與G1、G2期停滯相關(guān)1、G2期細(xì)胞內(nèi)DNA受損或DNA復(fù)制不完全時，細(xì)胞停滯于G2期。當(dāng)DNA復(fù)制不完全或DNA受損激活至少六種傳感器蛋白并結(jié)合到受損DNA活化ATM/ATR磷酸化關(guān)卡激酶2/1磷酸化Cdc25c磷酸化Cdc25c能結(jié)合14-3-3蛋白并出細(xì)胞核進入胞質(zhì)缺乏Cdc25c去磷酸化的Cdk1無活性，不能通過G2-M關(guān)卡2、轉(zhuǎn)錄因子P53能使細(xì)胞停滯在G1和G2期DNA損傷活化E-Cdk·2P53蛋白磷酸化磷酸化P53蛋白不能被它的抑制蛋白HDM2結(jié)合和降解激活P21基因轉(zhuǎn)錄P21蛋白是Cdk的抑制物，因此細(xì)胞停滯于G1和G2++促進14-3-3基因表達，促進Cdc25c停留在胞質(zhì)，Cdk1無活性，不能通過G2-M關(guān)卡六、生長因子等細(xì)胞外因素通過信號轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控細(xì)胞周期細(xì)胞周期調(diào)控受細(xì)胞外的生長因子等外在因素的作用，如：細(xì)胞生長環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供應(yīng)量、各種生長因子及細(xì)胞因子等。這些外在因素通過細(xì)胞膜上的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)對細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的基因表達或生物活性進行調(diào)控，從而間接調(diào)控細(xì)胞周期。本節(jié)重點談生長因子對細(xì)胞周期的調(diào)控。（一）、細(xì)胞從G0進入細(xì)胞周期依賴多種生長因子的協(xié)同作用G1細(xì)胞G0細(xì)胞環(huán)境中信號分子缺乏；環(huán)境中生長因子不足；體外培養(yǎng)的原代細(xì)胞分裂一定次數(shù)后除分化細(xì)胞和衰老細(xì)胞外，其它G0期細(xì)胞可經(jīng)過三個階段，第一階段：獲得資格需要血小板源生長因子第二階段：進入需要血小板源生長因子、表皮生長因子、和胰島素第三階段：進展胰島素樣生長因子1在多種生長因子協(xié)同作用下，通過各種信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑最終活化周期蛋-Cdk，從而使細(xì)胞進入G1期。（二）、G1期的細(xì)胞也需要生長因子促進細(xì)胞周期進程特定生長因子（EGF、IGF）Ras-Raf-MAPK途徑活化P21、P27基因表達促進G1期合成的周期蛋白D與Cdk4/6結(jié)合并轉(zhuǎn)運至細(xì)胞核內(nèi)磷酸化RB而釋放E2F-DP1促進周期蛋白E和Cdk2的表達+最終使細(xì)胞通過G1期限制點ERK途徑+第二節(jié)細(xì)胞凋亡機制一、細(xì)胞凋亡（apoptosis）的概念

細(xì)胞凋亡是機體細(xì)胞在正常生理或病理狀態(tài)下發(fā)生的一種自發(fā)的程序化死亡過程。細(xì)胞凋亡并不完全等同于程序性細(xì)胞死亡。程序性細(xì)胞死亡的范疇大于細(xì)胞凋亡。二、細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)變化

細(xì)胞縮小而喪失與周圍細(xì)胞接觸，染色質(zhì)固縮在核膜附近，細(xì)胞骨架崩解，核膜消失，DNA斷裂成片段，細(xì)胞膜起泡，最終細(xì)胞解體成許多由細(xì)胞膜包裹的凋亡小體，并被周圍健康細(xì)胞或吞噬細(xì)胞吞噬。細(xì)胞壞死最主要形態(tài)區(qū)別是細(xì)胞腫脹、破裂、內(nèi)容物外流并導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。正常機體內(nèi)細(xì)胞凋亡發(fā)生的情況（一）、在正常生理狀態(tài)下：1、胚胎發(fā)育期身體形狀塑造；2、胚胎期中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育；3、胸腺細(xì)胞的凋亡；4、月經(jīng)周期中子宮內(nèi)膜脫落及哺乳期后乳腺萎縮；5、成體中細(xì)胞凋亡（二）、病理狀態(tài)下細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡機制一、美麗線蟲凋亡機制模型Egl-1Ced9Ced4Ced3底物蛋白降解，包括:細(xì)胞調(diào)節(jié)、細(xì)胞信號轉(zhuǎn)導(dǎo)、DNA修復(fù)、組織平衡、細(xì)胞存活等環(huán)節(jié)中重要的蛋白，出現(xiàn)凋亡。抑制抑制活化底物蛋白水解二、哺乳動物細(xì)胞凋亡機制Egl-1Ced9Ced4Ced3底物蛋白降解,出現(xiàn)凋亡抑制抑制活化胱天蛋白酶家族（caspase）凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf1）Bcl-2家族胱天蛋白酶家族（caspase）

胱天蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的半胱氨酸殘基，能水解底物蛋白中特異部位的天冬氨酸殘基羧基側(cè)肽鍵。該家族在哺乳動物中至少有14種，此類蛋白通常有酶前體和激活的酶兩種類型。

Caspases酶原包含三個結(jié)構(gòu)域：NH2末端結(jié)構(gòu)域（Prodomain）、約20KD的大亞基和約10KD的小亞基。酶原的激活需要在大小亞基和N末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)進行切割，形成具有兩個獨立活性位點的四聚體，這就是被激活的酶。

胱天蛋白酶家族（caspase）

胱天蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的半胱氨酸殘基，能水解底物蛋白中特異部位的天冬氨酸殘基羧基側(cè)肽鍵。該家族在哺乳動物中至少有14種，此類蛋白通常有酶前體和激活的酶兩種類型。

Caspases酶原包含三個結(jié)構(gòu)域：NH2末端結(jié)構(gòu)域（Prodomain）、約20KD的大亞基和約10KD的小亞基。酶原的激活需要在大小亞基和N末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)進行切割，形成具有兩個獨立活性位點的四聚體，這就是被激活的酶。

Bcl-2家族bcl-2是B細(xì)胞淋巴瘤/白血病基因的縮寫，最初從小鼠B淋巴瘤中分離得到。哺乳動物細(xì)胞中目前發(fā)現(xiàn)有15種成員。它們都是約為180個氨基酸殘基的蛋白質(zhì)，分子中都有能介導(dǎo)成員之間相互作用、并與其功能相關(guān)的BH區(qū)（Bcl-2homologyregion）。BH區(qū)有4種。根據(jù)其成員的功能、BH區(qū)種類和數(shù)量可分為三類：第一類成員有抗凋亡功能，分子中含BH1-4區(qū)域；第二類成員是促凋亡成員，分子中缺乏BH4區(qū)域；第三類成員也是促凋亡成員，分子中只有BH3區(qū)域，其成員位于促凋亡途徑的上游。細(xì)胞凋亡的信號轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑一、外源性死亡受體途徑FasLDD(deathdomain)DED(death