第十二章 细胞周期及其调控的分子机制

第十二章细胞周期及其调控的分子机制•第一节细胞的增殖和周期•第二节细胞周期调控的分子机制一、细胞的增殖一般的细胞分裂是对称性分裂，即母细胞中的遗传物质复制后平均分配给两个子代细胞，子代细胞均与母细胞表型相同。但有些细胞分裂时为非对称性分裂，这种不等分配的非对称分裂是随机的，与微环境因素有关。二、细胞周期(cellcycle)细胞从上一次有丝分裂到下一次有丝分裂完成所经历的过程称细胞周期(cellcycle)，可分为间期和有丝分裂期(M期)。间期又分G1期、S期和G2期,即G1→S→G2→M期。一般间期的时间较长(多数)，而M期的时间较短(少数)(如图12-1)。⑴间期(interphase)是两个细胞分裂之间的时间。①G1期有丝分裂后期，又称DNA合成前期。②S期即DNA合成期，也称复制期(duplicationstage)。③G2期为DNA合成后期，又称细胞分裂前期或复制后期(postduplicationstage)。⑵M期(mitosisstage)为有丝分裂期，是细胞周期的终结期。①前期(prophase)染色体形成并分裂成两条染色单体与中心粒形成纺锤体，核仁、核膜消失，胞质回缩②中期(metaphase)姐妹染色体分布在赤道板上排成一圈③后期(anaphase)染色体一分为二，纺锤体收缩，两个姐妹染色体向两极移动④末期(telophase)染色体融合成染色质，核仁，核膜出现，胞体一分为二形成两个子细胞三、细胞周期时间不同生物细胞周期时间有差异，同一系统中不同细胞，其细胞周期时间也有很大差异。细胞周期时间主要决定于G1期的时间。不同生物，不同组织来源的细胞，不同体外培养的细胞胞系及肿瘤细胞，其细胞周期时间是有差异的，如表12-1，表12-2，表12-3，表12-4，表12-5。第二节细胞周期调控的分子机制一、细胞周期的控制点人及哺乳动物细胞中存在着三个细胞周期控制点，即决定G1期发生的G1控制点、决定S期发生的S控制点和决定M期发生的M控制点(如图12-2)。㈠G1控制点如图12-3。在G1期哺乳动物细胞趋向有三种可能性：①连续分裂细胞不断突破G1期→S期，通过G2和M期连续分裂，又称周期性细胞②暂时不增殖细胞；又称休眠细胞或G0期细胞，细胞暂停在G1期，不合成，不分裂③无增殖力细胞，不可逆地脱离细胞周期走向终末分化又称终末分化细胞，在正常情况下哺乳动物体内的大部分细胞是处于非增殖状态的休止期(G0期)，只在一定条件下才进入G1期，只有通过限制点的细胞才能进入S→G2→M期，R点是控制细胞增殖的关键。㈡S控制点完成G1期后，S期激活因子(Sphaseactivator)启动DNA复制，进入S期的完成所有DNA复制后进入G2期。㈢M控制点细胞进行有丝分裂需要M期激酶(MphaseKinase)的活化。M期激酶是由2个亚单位组成，一个是催化亚单位P34，另一个是调节亚单位，包括周期素A(cyclinA)和周期素B(cyclinB)。只有形成P34-cyclinA或P34-cyclinB二聚体时，产生激酶活性，使细胞进入M期。M后期M期激酶失活，经前期、中期、后期、末期后分裂成两个子细胞，结束M期。二、细胞周期调控的分子机制㈠周期素和周期素依赖性激酶细胞质中有两种调节细胞周期的有丝分裂促进因子(mitosispromotingfactorMPF)。一种是周期素(cyclin)，另一种是P34蛋白激酶，此激酶的活性依赖于同周期素结合，故又称为周期素依赖性蛋白激酶(cyclin-dependentKinase,cdk)。⒈周期素(cyclin)对细胞周期的调控⑴G1期周期素G1期周期素有cyclinC、D和E型，G0期细胞受到生长因子刺激后，首先表达C、D型周期素，再表达E型周期素，然后突破G1控制点进入DNA合成的S期。cyclinC的水平在G1期稍有增加。cyclinD在G1期早期开始表达，并与cdk4(为主)结合，使细胞由G0期进入G1期。若cyclinD受抑，则细胞不能进入S期。cyclinE表达，晚于cyclinD。峰值在G1-S过渡点，使细胞由G1期进入S期。⑵S期和M期的周期素①cyclinA和cyclinBcyclinA核内的合成比cyclinB早，并接近于G1-S期过渡点。一旦被破坏就会抑制染色体的复制。②cyclinHcyclinH与cdk相关激酶MO15结合，形成复合物可增强cdk2-cyclinA激酶活性。⒉周期素依赖性蛋白激酶(cdk)对细胞周期的调控⑴cdk1即P34cdc2，可与人cyclinB结合形成复合物，通过催化方式可使细胞进入和走出M期。⑵cdk2在G1后期和S期由cdk2基因编码的P33cdk2与cyclinE,cyclinA结合形成复合物后，又可与pRb相关转录因子结合形成复合物,参与G1和S期基因表达调控.⑶cdk3与周期素结合后,参与G1期调控,若突变可使G1期阻止。⑷cdk4与cyclinD结合,其复合物能使pRb磷酸化,释放转录因子在G1期启动表达.⑸cdk5可与cyclinD结合在G1期发挥作用⑹cdk6cdk6与cyclinD1、D2及D3结合，使pRb磷酸化，与cdk4功能相同,在T细胞中cdk6先被激活，在巨噬细胞及成纤维细胞中cdk4首先被激活。⒊周期素依赖性激酶(cdk)抑制蛋白对细胞周期的调控周期素依赖性激酶(cdk)的抑制蛋白(CDI)是一种具有抑制cdk功能的新蛋白，能在细胞周期的特定时刻负调控cdk活性而控制细胞周期的进程。⑴P16P16分子有四个特殊的ankyrin结构域，能抑制H-ras和c-myc表达及细胞转化.在G1-S点cdk4和cdk6结合，使cyclinD/cdk4，cyclinD/cdk6的激酶活性失活，从而抑制细胞周期进入S期。60%肿瘤有p16突变,突变细胞高达83%⑵P21P21WAF1为P53的下游基因，表达产物的氨基端有一个锌指结合功能域，羧基端有两个核定位信号区，正常细胞中，野生型P53基因完整，P21表达恒定。在生长因子刺激下，G1期P21表达快速增加，有大量“自由”的P21存在，然后降低。到S期时，这种“自由”的P21减少，而cyclinA增加，一旦细胞受电离辐射，DNA被损伤后，由P53促进产生的P21可抑制cyclinE/cdk2而造成G1期阻滞；同时P21可与PCNA(增殖细胞核抗体)结合抑制其活化的DNA聚合酶，从而抑制DNA复制以利DNA修复。一旦p53突→p21失活→PCNA失活,使cyclinA/cdk2超过P21引起肿瘤.⑶P24P24可以与cdk2结合，但不能与cdk4结合，并具有抗磷酸化酪氨酸的活性。与P21相似，它对细胞进入S期具有负调控作用。⑷P27P27分子在细胞中高度保守。由TGF-诱导的G1期，通过与cyclinE/cdk2复合物结合，阻止cdk2上第160位苏氨酸的磷酸化，从而抑制cyclinE/cdk2其复合物的激酶活性，使细胞阻滞在G1期。⑸P15P15只与cdk4和cdk6结合，与P16有高度同源性，受TGF-刺激而表达的。使细胞被阻止在G1期。当TGF-刺激时。因P15可与P27-cyclinD/cdk4/cdk6中的激酶单独结合，使P27与更多的cyclinE/cdk2结合，因替换而被游离的cyclinD被降解，从而使细胞阻止在G1期。㈡生长因子与相应的受体细胞因子与细胞表面受体结合后，可使受体发生变构，通过跨膜信号传导激活蛋白激酶活性，可使细胞内靶蛋白的酪氨酸发生磷酸化，进一步触发由细胞质到细胞核的一系列信号传递反应。核内调控蛋白接受传来的增殖信号后，才能被激活，与基因组中特定的调控序列发生相互作用，从而可启动与细胞增殖调控的特定基因发生转录。首先引起fos、jun、myc等基因的表达，产生转录因子,进而激活周期素和周期素依赖性激酶的基因表达，以调控细胞周期。举例如下：①表皮生长因子(EGF)能促进各种组织细胞的分裂和增殖。②血小板衍化生长因子PDGF)来源于血小板，能刺激静止细胞离开G0期进入生长周期。③转化生长因子(TGF)有TGF和TGF两大类，TGF在结构,生物学特性上与EGF非常相似,能与EGFR结合，活化蛋白激酶，发挥调节作用。TGF-的转化活性需EGF或TGF-的协同。能抑制细胞增殖，对细胞生长起负调节作用。④抑素(chalone)是与生长因子作用相反，对细胞生长起抑制作用.㈢参与细胞周期调控的原癌基因及抑癌基因⒈激酶类细胞癌变与蛋白质激酶类活性基因的磷酸化有关。如src、fms、raf、erb-B基因编码的蛋白质定位在细胞膜上，为特异性酪氨酸磷酸化酶，与导致细胞转化和癌变有关。⒉ras基因由c-ras基因编码的蛋白有类似G蛋白的作用。定位于细胞膜内面，在接受细胞表面信号刺激后,P21与GTP结合，形成具GTP酶活性的P21-GTP复合物，这种复合物具有传递细胞内信号的功能，在其他生长因子的相互作用下，可刺激细胞生长，并可导致细胞增殖失控。⒊生长因子类蛋白如c-sis癌基因编码的P28sis产物以自分泌方式作用于PDGF受体，使细胞增殖，有许多癌基因的基因产物均可以自分泌方式来刺激细胞生长。⒋c-mycc-myc基因属于早期反应基因，在特异性生长信号刺激时，可使细胞进入增殖周期，c-myc的表达增加。不仅可促使G0→G1期的过渡，而且在整个细胞周期中都有表达，与细胞周期后阶段和细胞凋亡有关。⒌P53基因P53基因产物是一种转录因子，以四聚体形式与特异的DNA序列结合后，对靶基因的表达进行调控。是一种细胞生长抑制性蛋白；它抑制正常和转化细胞的生长，使细胞停滞在G1期。但当细胞DNA损伤时，抑制G1晚期的基因转录，以利DNA修复，对维护基因稳定性起重要作用。若P53突变，丧失了对细胞周期的控制作用而致使细胞发生转化或恶性变。⒍视网膜母细胞瘤(retinoblastoma，Rb)基因pRb存在于整个细胞周期中，它可以在细胞周期的多个阶段起作用。但是，在不同阶段的pRb的磷酸化水平不同，只有非磷酸化的pRb具有抑制细胞增殖的活性。三、对细胞周期的影响：pRb和E2FpRb蛋白主要涉及调控细胞由G1期进入S期，其磷酸化状态与细胞周期进程紧密相关。在G1期只有pRb的非磷酸化和低磷酸化状态，具有抑制细胞增殖的作用.但在G1→S→M期过渡的过程中，pRb处于高磷酸化状态。E2F是腺病毒E2启动子基因，每种E2F同源物(至少有5种，E2F1~E2F5)在核内可与其他核蛋白(如DP-1或DP-2)结合成异二聚体，可与pRb或其同源物(P130或P107)发生特异结合，pRb与E2F的结合可使E2F由转录活化因子转变成转录抑制因子。而E2F的过高表达反过来又可克服低磷酸化pRb对G1期的阻滞，细胞进入S期，可打破细胞周期阻滞，二者间的平衡决定了细胞是静止(G0期)还是开始增殖(进入G1期)。调控pRb(或同源物)与特定E2F-DP复合物的结合就能在细胞周期的特定时段对特定基因转录的开放或关闭起调节作用。pRb-E2F的复合物还可在G1期与cyclinE/cdk2结合或在S期与cyclinA/cdk2结合，而由E2F-1表达驱动的细胞增殖后，同时又可启动细胞凋亡。综上所述，细胞周期起动由G1期进入S期的过程是一个涉及一系列细胞周期相关蛋白(周期素和cdk)结合并接序磷酸化和一系列基因活化的复杂过程(如图12-4)。四、细胞周期的调控异常和恶性肿瘤细胞周期素和cdk等细胞周期相关蛋白过表达或缺陷，特别是那些决定细胞由G1进入S期的蛋白若表达异常，使细胞周期进程超越或突破细胞周期的控制点，细胞不能正常发生细胞周期阻滞以及细胞自发产生的细胞凋亡、衰老或分化，从而造成细胞恶性增生，形成恶性肿瘤。P53、Rb等抑癌基因的突变或缺失，与许多恶性肿瘤的发生、进展和不良预后相关，如某些生长因子及其受体的高表达与癌基因异常激活有关，特别是一些与信号传导有关的蛋白酶的异常活化，以抑制细胞凋亡基因的异常表达，均与细胞的恶性变相关。