细胞增殖分化异常与疾病

细胞增殖（cellproliferation）细胞通过分裂，使细胞数目增多，并将遗传信息传给子代细胞，保持物种的延续性。细胞分化（celldifferentiation）在细胞增殖时，子代细胞在形态、结构和生理功能上产生差异的过程。其本质是细胞发生基因差别表达。人体生长、发育、衰老等时期，体内不稳定细胞通过分裂增殖，补充衰老凋亡或坏死的细胞，以维持细胞数量的相对平衡及正常组织器官的结构和功能。若细胞增殖停止，机体就会趋于死亡；细胞分化不能正常进行，将导致机体内特定组织器官的结构形成、功能和代谢异常。细胞是在增殖过程中进行分化，分化过程离不开增殖，增值与分化在细胞生命活动中是紧密相连的。若细胞增殖低下，分化不良可致组织器官发育不全；细胞过度增殖，分化不全则导致恶性肿瘤。从基因水平看，细胞增殖分化异常，是细胞增殖分化基因的调控异常。内容提要细胞周期与调控细胞周期调控异常与疾病细胞增殖的调节过程，包括细胞生长、DNA复制和细胞分裂。细胞增殖是通过细胞周期来实现的。在细胞周期内，细胞出现一系列生化反应和结构、功能变化。一、细胞周期与调控㈠细胞周期的概念、分期和特点概念又称细胞增殖周期是指增殖细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的时期和顺序变化。细胞周期的分期G1期（firstgapphase），DNA合成前期；S期（syntheticphase），DNA合成期；G2期（secondgapphase），DNA合成后期；M期（mitoticphase），有丝分裂期。S期最关键，此期,细胞进行DNA倍增和染色体复制。连续分裂的细胞按G1→S→G2→M四个阶段循环，又称为周期性细胞（不稳定细胞）。有些细胞可暂时脱离细胞周期，不进行增殖，需要适当刺激才可以重新进入细胞周期，称为G0期细胞，如肝细胞、肾小管上皮细胞等等（稳定细胞）。还有些细胞如神经细胞、心肌细胞等永远脱离细胞周期，丧失分裂能力，则成为终端分化细胞（固定细胞）。①单向性细胞只能沿G1→S→G2→M方向推进，不能逆转。②阶段性各期细胞形态和代谢特点有明显差异，细胞可因某种原因而在某时相停滞下来，待生长条件适合后，细胞又可重新活跃到下一时期。③检查点控制各时相交叉处存在着检查点（checkpoint）决定细胞下一步的增殖分化趋向。④细胞微循环影响细胞周期是否顺利推进与细胞外信号、条件等密切相关。细胞周期的特点㈡细胞周期的调控⒈细胞周期的自身调控⑴周期素（cyclin）随细胞周期不同时相，进行合成和降解调节细胞周期。目前已发现哺乳动物细胞中至少有8种cyclin，共14个成员，分为三大类：G1期细胞cyclinS期细胞cyclinG2/M期细胞cyclin需与催化亚基CDK形成复合物，激活相应的CDK和加强CDK对特定底物的作用，驱动该期前行（表8-1）Cyclin相关CDKs细胞周期作用相关蛋白底物降解ACDK1,CDK2S+G2→Mp107+E2F,p21,PCNARbubiquitinB(B1,B2)CDK1(cdc2)G2→Mp21，PCNARbubiquitinCCDK8G1--PESTD(D1～3)CDK4(2，5，6)G1Rb,p21,p27,p15,p16,PCNARbPESTECDK2G1+G1→Mp107+E2F,p21,PCNARbPESTF-S---G-G1---HCDK7G1,S,G2,M-CDK1,4,6-表8-1cyclin-CDK复合物及其相关蛋白cyclin在细胞周期中以恒定的速度产生。有丝分裂时因降解大于合成而消失，在间期时合成大于降解而积累。⑵周期素依赖性激酶（cyclindependentkinase，CDK）CDK对细胞周期的调节方式有序地磷酸化和去磷酸化来调节细胞周期。①依赖于与cyclin的结合和其分子中某些氨基酸残基的磷酸化状态。含催化亚基的CDK需要cyclin提供调节亚基才能显示活性，只有cyclin浓度升高达到阈值时，才能与相应的CDK结合形成cyclin/CDK复合体，CDK才能被激活；②CDK分子中含有活化部位和抑制部位，其活化部位处于磷酸化和抑制部位处于去磷酸化状态，CDK才显示活性。③CDK的活性还受其上游的CDK活化激酶（CDK-activatingkinase，CAK）的影响。CAK是通过使CDK分子中的活化部位的氨基酸残基磷酸化来参与调控CDK的活性。CDK的激活CDK是一组丝氨酸/苏氨酸（serine/threonine）蛋白激酶，已发现有9种成员(CDK1~9)。CDK的组成及家族成员CDK的灭活CDK的灭活，泛酸（ubiquitin）介导的蛋白水解酶系外；CDI可特异性抑制CDK的活性。时相变化调节细胞周期。CDK在各类细胞中，表达的分子浓度在细胞周期各阶段是稳定的，由于cyclin的周期性波动，所以CDK出现周期性的变化。⑶细胞周期素依赖性激酶抑制因子CDI对细胞周期调节的方式（CDKinhibitor，CDI）CDI是CDK的抑制物，分子量较小，哺乳类细胞的CDI主要包括Ink4（Inhibitorofcdk4）和Kip（kinaseinhibitionprotein，Kip）等。当出现某种应激或损伤时，Kip和/或Ink4发挥作用，使带有某种类型损伤的细胞阻滞在G1期。Ink是一组CDK4的抑制蛋白，分子量15~20KD，含有一个重复的结构域ankyrin，可特异性地与CDK4/6结合，防止其与cyclin再结合或降低cyclin/CDK复合物的稳定性，以抑制其激酶活性，间接抑制mRNA的合成而抑制细胞周期。Ink4的成员包括P16Ink4a、P15Ink4b、P18Ink4c、P19Ink4d。P16Ink4a，在S期达高峰，对G1/S限制点起负调控作用。Kip的N端有一个保守的80个氨基酸序列，经外共价键与cyclin/CDK复合物结合，形成三元体或四元体抑制CDK。Kip的成员包括P21waf1、P27Kip1、P57Kip2，它们在N-末端具有高度的结构和功能相似性，可特异性抑制几种cyclinD/CDK的蛋白酶活性，但其C-末端还具有各不相同的功能区。P21waf1作用较强，作用谱较广。其合成的调节主要有P53依赖性和P53非依赖性两条途径。P21waf1还参与细胞应激状态的信号转导。P27Kip1在休止细胞内呈高表达，在增值细胞内呈低表达。能与G1后期所形成的cyclinE/CDK2结合，来灭活cyclin/CDK复合物活性，抑制细胞周期。通过C-末端抑制CDK2（T160）的磷酸化而抑制其激酶活性。⑷增殖细胞核抗原（proliferatingcellnuclearantigen，PCNA）也是一种细胞周期相关蛋白，它不与CDK结合，而作为DNA聚合酶的附属蛋白，促进DNA聚合酶延伸DNA，在S期浓度最高，故常可作为S期标志物之一。在细胞周期中，cyclin与CDK形成复合体，激活CDK，推动细胞周期行进；当CDI介入，形成cyclin/CDK/CDI复合体或cyclin减少时，CDK活性受到抑制，就终止细胞周期行进，这种调控，在细胞周期过程中，根据实际需要有序进行，使细胞周期运行与环境和发育相一致。CDK又受Rb和P53、myc等基因的控制，使之与细胞分化和细胞死亡相协调，完成细胞增殖。cyclin、CDK、CDI之间的关系（小结）⑸泛素依赖的蛋白溶解系统泛素，是由76个氨基酸组成的小分子蛋白，具有高度保守性。泛素介导的蛋白质水解是一个普通的生化过程，需多项酶促反应参与完成。泛素有两条不同的蛋白水解途径：①CDC34途径主要是通过水解CDI来促进细胞从G1期转换到S期。P53和pRb蛋白均作用于G1期，阻止G1→S期转化。②后期促进复合体途径，主要是通过水解后期抑制因子和水解有丝分裂cyclin而促进细胞由有丝分裂中期向后期转换，并由此结束分裂期。⑹抑癌基因产物P53和pRb蛋白P53蛋白可与其专一的DNA接合部位结合，通过活化含有此反应元件的CDK，抑制P21及gadd45基因的转录，使DNA受损伤的细胞生长停滞在G1关卡点。P53蛋白还可和TATA结合蛋白结合，抑制细胞增殖的迅速发生早期基因c-jun、PCNA等的转录，抑制细胞增殖。P53蛋白还可和复制因子A相互作用，抑制DNA复制。Rb蛋白在大部分的G1期，呈低磷酸化状态，而在晚G1期，经S、G2及M期则高磷酸化。低磷酸化的pRb在G1期与E2F（细胞转录活化因子，首先发现它能激活腺病毒E2启动子而得名）结合，并且抑制E2F介导的反式激活作用，高磷酸化的pRb失去与E2F结合的能力，因此不能抑制E2F。另外，抑癌基因Rb失活，可释放转录因子，引起P16表达增强，后者竞争cyclinD与CDK4/CDK6结合，导致CDK4/CDK6激酶失活，细胞停滞于G1期。（7）细胞周期检查点（checkpoint）细胞周期检查点是保证细胞周期中DNA复制和染色体分配质量的检查机制，是一类负反馈调节机制。细胞周期检点的种类①DNA损伤检查点在G1/S交界处检查，如果DNA受损，则把细胞阻滞在G1期，先进行DNA修复，然后才能复制。②DNA复制检查点在S/G2交界处检查，负责检查DNA复制进度。③纺锤体组装检查点通过检查有功能的纺锤体形成，管理染色体的正确分配。①探测器在细胞周期进展中，若前一期尚未彻底准确完成，就进入下一期，对细胞来说将是灾难性的。检查点工作方式负责检测上一期进展的质量问题。②传感器将探测器所检获的“出了质量问题”信号下传，如磷酸激酶传递给效应器。③效应器负责中断细胞周期进程，并开动修复机制。细胞周期反应CDK既是细胞周期转折的主要调节因子，也是细胞周期检查点的效应器。因此，细胞周期中某一检查点失灵、检查点的组成部件受损或检查点控制回路的调节障碍与肿瘤的发生、衰老等密切相关。⒉细胞外信号对细胞周期的调控细胞外环境细胞因子、激素、基质、营养改变影响细胞周期。增殖信号细胞外信号大多数肽类生长因子可促进G0期细胞进入细胞周期。细胞因子与膜受体结合，启动细胞内信号转导，促进cyclinD合成，并下调CDI合成，cyclinD与相应的CDK结合，使pRb磷酸化而失去抑制E2F的作用，游离的E2F激活DNA合成基因，使细胞进入G1期，如丝裂原刺激持续存在，细胞继而进入S期。而MAPK若磷酸化，则抑制cyclin降解，使细胞停留在M期。抑制信号如转化生长因子β（transforminggrowthfactor-β，TGF-β）在体内外能广泛抑制正常细胞和肿瘤细胞生长，并使细胞阻滞于G1期。TGF-β对细胞周期的调节是下调cyclin和CDK等的表达，主要是在G1期抑制CDK4的表达，同时还诱导P21waf1、P27kip1、和P15Ink4b等CDI产生。细胞休止于G0期或进入细胞周期并有序进展的条件外来信号的种类、强度和持续时间细胞内级联反应的调控各种cyclin和CDI的适时合成和降解，调节各种CDK的瞬间活性，并在细胞检查点对前期完成的事件进行检查、校正合作出反应以调节细胞周期进展。二、细胞周期调控异常与疾病细胞增殖过度或不足即是细胞周期的调控异常。细胞周期的驱动力改变（cyclin、CDK和CDI表达过高或过低）。周期调控异常与细胞的恶性增殖的主要表现检查机制障碍。相关疾病增殖过度的疾病如肿瘤、肝肺肾纤维化、前列腺肥大等增殖缺陷的疾病如再生性贫血、基因缺陷无汗腺症、胚胎发育障碍先天性畸形等（表8-2）增殖异常分化异常增殖分化异常再生障碍性贫血肥胖症恶性肿瘤白癜风遗传性血红蛋白症银屑病前列腺肥大肌营养不良畸胎瘤动脉粥样硬化先天畸形家族性红细胞增多症X-连锁γ-球蛋白缺症高IgM血症㈠细胞周期调控异常与肿瘤⒈细胞周期蛋白的异常①基因扩增是主要机制。如乳腺癌、胃肠癌及食道癌中，扩增程度可达16倍以上。②染色体倒位如人甲状旁腺肿瘤发生倒位inv（p15:q13）。③染色体易位如B淋巴细胞瘤，由于Bcl-1断裂点发生(q13:q32)易位。cyclinD1对于正常及某些肿瘤的G1期有一个阈值，超过阈值，细胞不会进入S期。cyclin