細(xì)胞周期的調(diào)控課件

第十三章

細(xì)胞周期的調(diào)控學(xué)生王函指導(dǎo)老師葉文博2010-6-11細(xì)胞周期的調(diào)控前言細(xì)胞周期的準(zhǔn)確調(diào)控對(duì)生物的生存、繁殖、發(fā)育和遺傳均是十分重要的。簡單生物調(diào)控細(xì)胞周期主要是為了適應(yīng)自然環(huán)境，以便根據(jù)環(huán)境狀況調(diào)節(jié)繁殖速度，以保證物種的繁衍。復(fù)雜生物的細(xì)胞則需面對(duì)來自自然環(huán)境和其他細(xì)胞、組織的信號(hào)，作出正確的應(yīng)答，以保證組織、器官和個(gè)體的形成、生長以及創(chuàng)傷愈合等過程能正常進(jìn)行，需要更為精細(xì)的細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制。細(xì)胞周期的調(diào)控

參與細(xì)胞周期調(diào)控的環(huán)境因素包括光、熱、輻射等理化因素和細(xì)胞因子、激素等生物因素。

細(xì)胞周期的調(diào)控可分為以下三個(gè)方面：1，時(shí)序調(diào)控——細(xì)胞周期的基本調(diào)控內(nèi)容，控制細(xì)胞周期的各個(gè)時(shí)序有規(guī)律的推進(jìn)和轉(zhuǎn)換。2，DNA復(fù)制的調(diào)控——保證DNA準(zhǔn)確完整的復(fù)制，維持遺傳物質(zhì)的穩(wěn)定性。3，檢查點(diǎn)的調(diào)控——細(xì)胞在受損和應(yīng)激等特殊情況下的調(diào)控機(jī)制。上述三個(gè)方面不是孤立的，而是協(xié)調(diào)一致的，既有交叉也有滲透。細(xì)胞周期的調(diào)控一、細(xì)胞周期的時(shí)序調(diào)控細(xì)胞周期的時(shí)序調(diào)控主要由cdc基因產(chǎn)物直接或間接參與調(diào)控cdc基因主要包括：周期素(cyclin)周期素依賴性蛋白激酶

(cyclin-dependentkinase，CDK)CDK調(diào)節(jié)因子CDK抑制因子（CDKinhibitoryproteinCKIS）細(xì)胞周期的調(diào)控（一）CDK的調(diào)節(jié)1971年,Masui和Markert用非洲爪蟾做實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一種能促進(jìn)卵細(xì)胞分裂的成熟因子,稱為成熟促進(jìn)因子（maturationpromotingfactor,MPF）。后來證實(shí)，MPF存在于所有的真核生物中，具有促進(jìn)細(xì)胞由G2期向M期轉(zhuǎn)換的作用。MPF由兩個(gè)亞基組成：

MPF=

p34cdc2/CDK1+cyclinB

（催化亞單位）（調(diào)節(jié)亞單位）CDK分子在進(jìn)化上高度保守，從酵母、秀麗線蟲等低等真核生物到高等生物，各種CDK分子都高度同源。，現(xiàn)有對(duì)細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)大都來自對(duì)酵母等低等生物細(xì)胞周期調(diào)控的結(jié)果細(xì)胞周期的調(diào)控

CDK只有和周期素結(jié)合，并在CDK活化激酶（CAK）的催化下才表現(xiàn)出蛋白激酶的活性。每一種CDK在細(xì)胞周期的特定時(shí)期與相應(yīng)的周期素結(jié)合，以復(fù)合體的形式發(fā)揮其生物學(xué)作用。

對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控CDK細(xì)胞周期的調(diào)控

不同周期蛋白的表達(dá)時(shí)期不同，與不同的CDK結(jié)合，調(diào)節(jié)不同CDK激酶的活性。

部分哺乳動(dòng)物和酵母細(xì)胞周期蛋白在細(xì)胞周期中的積累及其與CDK激酶活性的關(guān)系。細(xì)胞周期的調(diào)控

G1期時(shí)MFP的激活

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，Rb釋放出轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進(jìn)許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。細(xì)胞周期的調(diào)控

1988年M.J.Lohka純化了爪蟾的MPF，經(jīng)鑒定由32KD和45KD兩種蛋白組成，二者結(jié)合可使多種蛋白質(zhì)磷酸化。后來PaulNurse（1990）進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)證明P32實(shí)際上是CDC2的同源物，而P45是cyclinB的同源物，從而將細(xì)胞周期三個(gè)領(lǐng)域的研究聯(lián)系在一起。2001年10月8日美國人Leland

Hartwell、英國人PaulNurse、Timothy

Hunt因?qū)?xì)胞周期調(diào)控機(jī)理的研究而榮獲諾貝爾生理醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。

細(xì)胞周期的調(diào)控（二）周期素周期素是一組隨著細(xì)胞周期的進(jìn)程周期性表達(dá)的蛋白，它作為CDK的調(diào)節(jié)亞基在各種真核生物細(xì)胞周期調(diào)控中起作用。迄今在脊椎動(dòng)物中發(fā)現(xiàn)9種周期素，有的有幾種亞型。不同的周期素有不同的表達(dá)規(guī)律，對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控作用也各不相同。例如：周期素D家族（D1、D2、D3）在G1期開始表達(dá)，直到分裂后期降解，是啟動(dòng)細(xì)胞增殖，促進(jìn)G1期向S期轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵因子。周期素D能與CDK4、CDK6組成復(fù)合體，催化Rb磷酸化，誘導(dǎo)E2F/DP-1二聚體活化，促進(jìn)周期素E等分子表達(dá)及向S期的轉(zhuǎn)換。細(xì)胞周期的調(diào)控周期素盒通過對(duì)各種周期素空間結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，周期素主要通過一個(gè)叫周期素盒（cyclinbox）的結(jié)構(gòu)域與CDK結(jié)合。周期素盒又由5個(gè)α-螺旋組成的被稱為周期素折疊（cyclinfold）的基序組成。對(duì)周期素A/CDK2的相互作用的分析顯示，周期素盒主要與CDK上的PSTAIRE基序結(jié)合。細(xì)胞周期的調(diào)控

細(xì)胞轉(zhuǎn)錄因子（E2F）

在許多DNA合成基因和細(xì)胞生長調(diào)控基因的啟動(dòng)子中均含有E2F的位點(diǎn)，E2F可以直接活化這些基因，啟動(dòng)DNA合成使細(xì)胞進(jìn)入S期。

在E2F基因活化轉(zhuǎn)錄功能區(qū)內(nèi)有一段18個(gè)氨基酸的序列可與Rb結(jié)合，Rb通過與E2F功能區(qū)的結(jié)合遮蓋其功能區(qū)，抑制其活性轉(zhuǎn)錄功能，抑制DNA合成。

E1A的介入，釋放出更多的游離E2F，影響著一些與轉(zhuǎn)化表型有關(guān)的特定基因表達(dá)。

細(xì)胞周期的調(diào)控

Rb基因

Rb基因位于人類染色體13q14，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物Rb蛋白是主要的轉(zhuǎn)錄信號(hào)連接物，在細(xì)胞周期中起制動(dòng)器功能。它能與轉(zhuǎn)錄因子E2F結(jié)合并阻止相應(yīng)基因轉(zhuǎn)錄表達(dá)，從而抑制細(xì)胞生長。

cyclinD是Rb調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的基礎(chǔ)。cyclinD1-CDK4復(fù)合物可看做G1期Rb蛋白激酶，它能結(jié)合Rb的N末端，磷酸化Rb蛋白，使轉(zhuǎn)錄因子釋放，導(dǎo)致G1／S轉(zhuǎn)化。

細(xì)胞周期的調(diào)控

細(xì)胞周期的調(diào)控E2F-1功能調(diào)節(jié)機(jī)制細(xì)胞周期的調(diào)控（三）CAK和磷酸酶CAK是CDK活化激酶，最早在動(dòng)物身上發(fā)現(xiàn)，由周期素H/CDK7組成。周期素H/CDK7復(fù)合體的形成還需要另外一個(gè)輔助因子MAT1參與。周期素H/CDK7-MAT1復(fù)合體能催化CDK1,CDK2,CDK4磷酸化。Cdc2與周期素結(jié)合后，在周期素H/CDK7-MAT1復(fù)合體的催化下，T161位點(diǎn)發(fā)生磷酸化，但此時(shí)由于WEEL和MIK1激酶的存在，Thr14、Try15位點(diǎn)的磷酸化使Cdc2仍處于失活狀態(tài)。只有在Cdc25酪氨酸磷酸酶催化下，Try15去磷酸化，Cdc2才完全活化，促進(jìn)細(xì)胞由G2向M期轉(zhuǎn)換。細(xì)胞周期的調(diào)控（四）CDK抑制因子細(xì)胞內(nèi)有一組CDK抑制因子（CKI）對(duì)細(xì)胞增殖起負(fù)調(diào)節(jié)作用，因而又稱“有絲分裂抑制劑”。目前發(fā)現(xiàn)的CKI大致分為兩大家族：（1）INKs：p15、p16、p18、p19

是cDK4和cDK6的特異性抑制物。（2）CIP／KIPs：p21、P27、p57等，抑制各種cyclin-CDK復(fù)合物，阻止CDK激酶的激活，或阻止活化的CDK激酶活性。細(xì)胞周期的調(diào)控P16

p16INK4位于染色體9p21，又稱多腫瘤抑制基因(multipletumorsuppressorMTSI)，是CDK4的特異性抑制物，可與cyclinD競(jìng)爭與CDK4或CDK6的結(jié)合，抑制CDK4對(duì)細(xì)胞生長分裂的正向作用，參與抑制細(xì)胞周期G1／S的轉(zhuǎn)化。p16在缺乏功能性Rb的細(xì)胞中水平上升，提示Rb可能抑制p16的表達(dá)，同時(shí)Rb刺激cyclinD的表達(dá)。

細(xì)胞周期的調(diào)控

P16

CDK4

cyclinD1

一

Pcdk介導(dǎo)的磷酸化

RbRbP

一

G1

S

DNA轉(zhuǎn)錄細(xì)胞周期的調(diào)控細(xì)胞周期的調(diào)控（五）CDK和周期素調(diào)節(jié)蛋白CDK和周期素的調(diào)節(jié)蛋白是一組調(diào)節(jié)CDK次序性活化與失活，參與或介導(dǎo)周期素降解的分子，包括CDC6、CDC45、CDC37.CDC6功能是協(xié)助復(fù)制前復(fù)合體的形成CDC45有助于DNA的延伸CDC37的功能是協(xié)助周期素D1-CDK4復(fù)合體的形成，并能與熱休克蛋白90形成穩(wěn)定的復(fù)合物細(xì)胞周期的調(diào)控

在細(xì)胞周期的調(diào)控過程中，周期素、CDK抑制劑和其他調(diào)控分子都需要適時(shí)表達(dá)和活化，及時(shí)降解，才能保證細(xì)胞周期的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。泛素-蛋白酶復(fù)合體介導(dǎo)的蛋白水解途徑在細(xì)胞周期調(diào)控分子及其他信號(hào)分子的活性調(diào)控中扮演及其重要的角色。細(xì)胞周期的調(diào)控

細(xì)胞周期調(diào)控中各元素間的相互作用

細(xì)胞周期的調(diào)控可分為外源和內(nèi)源性調(diào)控,外源性調(diào)控主要是細(xì)胞因子以及其它外界刺激引起；內(nèi)源性調(diào)控主要是通過Cyclin—CDK—CDI的網(wǎng)絡(luò)調(diào)控來實(shí)現(xiàn)。細(xì)胞周期的調(diào)控各種細(xì)胞周期蛋白隨特定細(xì)胞時(shí)相而出現(xiàn)

G1早期，cyclinD表達(dá)并與CDK2或CDK4結(jié)合，成為始動(dòng)細(xì)胞周期的啟動(dòng)子；

G1晚期、進(jìn)入S早期后cyclinE表達(dá)，并與CDK2結(jié)合，推動(dòng)細(xì)胞進(jìn)入S期；進(jìn)入S期后，cyclinA表達(dá)，cyclinD、cyclinE降解；

S晚期、G2早期，cyclIinA、cyclinB表達(dá)，并與cdc2結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞進(jìn)入M期。細(xì)胞周期的調(diào)控

二、細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)的調(diào)控

細(xì)胞在長期的進(jìn)化過程中發(fā)展出了一套保證細(xì)胞周期中DNA復(fù)制和染色體分配質(zhì)量的檢查機(jī)制,通常被稱為細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)(checkpoint)又稱為限制點(diǎn)(restrictionpoint)。這是一類負(fù)反饋調(diào)節(jié)機(jī)制。當(dāng)細(xì)胞周期進(jìn)程中出現(xiàn)異常事件,如DNA損傷或DNA復(fù)制受阻,這類調(diào)節(jié)機(jī)制就被激活,及時(shí)地中斷細(xì)胞周期的運(yùn)行,待細(xì)胞修復(fù)或排除了故障后,細(xì)胞周期才能恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。保證了在細(xì)胞周期中上一期事件完成以后才開始下一期的事件。

細(xì)胞周期的調(diào)控

細(xì)胞周期檢測(cè)點(diǎn)：G1-S期檢測(cè)點(diǎn)、S期檢測(cè)點(diǎn)、

G2期檢測(cè)點(diǎn)、M期檢測(cè)點(diǎn)。檢測(cè)點(diǎn)的組成：發(fā)現(xiàn)或傳感(detect或sensor)、制動(dòng)或扣留(stop或arrest)、修復(fù)(repair)、繼續(xù)分裂或死亡。檢測(cè)點(diǎn)功能缺陷會(huì)導(dǎo)致基因突變和染色體結(jié)構(gòu)異常細(xì)胞增殖,導(dǎo)致腫瘤發(fā)生

。細(xì)胞周期的調(diào)控檢測(cè)點(diǎn)的任何一部分出了問題，如發(fā)現(xiàn)不了DNA損傷(如ATM突變)、不能使細(xì)胞周期停下來(如p53突變)、DNA修復(fù)錯(cuò)誤(如MLHl／PSM突變)、決定錯(cuò)誤(如BCL—2突變)等都會(huì)導(dǎo)致遺傳的不穩(wěn)定性、(基因)受損細(xì)胞的