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Chapter7CellCycleSection1Introduction细胞周期（cellcycle）就是指细胞生长与分裂的周期，即细胞在一次分裂结束开始生长，到下一次分裂完成所经历的过程。1.PhasesofCellCycle细胞周期一般包含下列四个阶段：①G1期：从有丝分裂完成到DNA复制之前的一段时期；②S期：为DNA复制的时期；③G2期：从DNA复制完成到有丝分裂开始的一段时期；④M期：从细胞分裂开始到结束的时期。PhasesofCellCycleG02.CharacteristicsofCellCyclePhases①G1期：细胞周期的大部分时相处于G1期，动物细胞一般为6~12小时。该期主要的生化活动是合成RNA和蛋白质。②S期：此期一般持续6~8小时，其长短主要由基因组的复杂度决定。该期主要的生化活动是复制DNA。③G2期：是最短的时相。该期主要的生化活动是合成一些与有丝分裂有关的蛋白质。④M期：该期很短，一般持续0.5~2小时。该期生化合成停止，细胞形态发生改变，一个母细胞分裂成2个子代细胞。3.CheckingPointsofCellCycle真核细胞的分裂增殖必须经过两个关键的调控点：即DNA合成开始时的G1→S期的转换和有丝分裂开始时的G2→M期的转换。细胞必须在顺利经过这两个调控关键点之后，才可能完成细胞的分裂增殖，即细胞周期。除此之外，细胞由G0→G1期的转换，也涉及另外一个调控点。细胞周期中各关键点的转换，是通过各种调控因子相互作用，构成级联网络调控系统来实现的。这一调控系统的核心就是周期素依赖的蛋白激酶（cyclin-dependentproteinkinase，CDK）家族。正是该家族成员的顺序激活和对关键底物的磷酸化促进细胞周期的有序进程，启动并完成G1→S期和G2→M期的转换。Section2RegulationofCellCycle1.GrowthFactorsandtheirReceptors生长因子，如EGF、PDGF、TGF、FGF、NGF、IL-2等，与相应的靶细胞膜受体结合后，即可通过细胞信号转导，调节相关结构基因的表达，启动细胞增殖过程。2.StructureandFunctionofCyclin周期素都是CDK的调节亚基，分别在细胞周期的不同时期积累，激活CDK，使其具有催化关键底物的磷酸化修饰并调节其活性。在高等真核细胞中，周期素至少分为A、B、C、D、E、F、G等几大类。周期素的家族成员五大类周期素中都含有由100～150个氨基酸残基组成的保守区，称为周期素盒（cyclinbox），是与CDK相互作用的活性区域。此外，还可含有降解盒（destructionbox）或PEST序列（脯-谷-丝-苏），可通过定时降解或快速转换来调节周期素的水平。按周期素表达及作用的细胞周期阶段的不同，可将其分为G1期（D、E）和M期（A、B）两大类。TheExpressionalLevelsofCyclinsduringCellCycleTheRelationshipofCyclinExpressionalLevelswithDNAReplication是指在G1期或G1→S期转换点发挥作用，并能启动细胞周期，促进DNA合成的周期素。G1期周期素主要包括周期素C、D、E等，这些周期素通常在细胞周期的G1期时活性升高，而在S期以后则逐渐降至较低的水平。2.1CyclinsduringG1Phase①周期素C：周期素C的C-端存在一个PEST序列，其细胞内的水平在G1期中点达高峰。②周期素D：周期素D至少有D1、D2、D3三种亚型。周期素D的C-端存在一个PEST序列；N-端含有一个与DNA肿瘤病毒转化蛋白共同的顺序Leu-X-Cys-X-Glu，是周期素D与p110Rb等蛋白结合所必需。不同亚型周期素D在细胞内的表达模式不同，但主要是在G1期处于较高的表达水平。③周期素E：有E1和E2两种亚型，其细胞内的水平在G1/S调控点达峰值。是指在G2→M期转换处发挥作用，诱导细胞分裂的周期素，包括周期素A和B两类。这类蛋白在其N-端含有一个降解盒（destructionbox），在M期通过泛素（ubiquitin）途径降解。2.2CyclinsduringMPhase①周期素A：包括三种亚型：A1、A2和A3。在细胞周期的DNA合成之前出现，并不断增加，与启动DNA复制有关，主要在S期发挥作用。CyclinA3②周期素B：周期素B在人类有两种亚型，B1和B2。周期素B水平的变化主要由其降解速率来调控。周期素B在S晚期出现，在细胞进入M期之前，其水平呈线性增高，当达到一定阈值时，促使CDK激活；当细胞进入M期后，周期素B降解速率增加，水平骤然下降，CDK失活。3.StructureandFunctionofCDK人们对CDK的认识，最初是通过研究培养细胞和酵母细胞而得到的。目前已经确定的CDK有：裂殖酵母中CdC2；酿酒酵母中的CdC28、PHO85、KIN28以及人类细胞中CDK1～10。3.1TypesandCharactersofCDKCDKFamilyinHumanCDK的分子量一般为35～40kD，不同CDK的氨基酸组成有40%以上的同源性。典型的CDK催化亚基的活性中心约由300个氨基酸残基组成，当处于单体或非磷酸化状态时，CDK没有催化活性。MolecularStructureofCDK2CDK的催化活性受到激活因素与抑制因素两方面的调节。在激活因素中，目前认为CDK与周期素的结合以及保守的苏氨酸残基的磷酸化是较为重要的两种调节因素；而在抑制因素中，CDK的N-端氨基酸残基的抑制性磷酸化以及抑制蛋白的结合是主要的调节因素。3.2RegulationofCDKActivity①周期素的激活作用：周期素中的“周期素盒”结构域直接和CDK的结合，并与CDK的激活相关，周期素是CDK的正性调节剂。周期素的这两种功能是密切相关的，而这种结合与激活作用主要通过周期素在细胞周期中的浓度波动来调控。3.2.1ActivationofCDKCyclinA-CDK2ComplexwithATPBound②磷酸化修饰的激活作用：CDK的激活还必须依赖于其保守的苏氨酸残基的磷酸化，如在人CDK1（p34cdc2）的Thr161和CDK2的Thr160的磷酸化，就与这两个酶的激活相关。催化CDK1和CDK2磷酸化的酶是CAK，该酶是一种寡聚体，其催化亚基为CDK7，调节亚基为周期素H，另需一组装蛋白因子MAT1以稳定结构。MAT1——CDK-activatingkinaseassemblyfactor1ComplexofCDK7–CyclinH-MAT1CyclinHCDK7MAT1①磷酸化修饰的抑制作用：在人的CDK1和CDK2中，Thr14和Tyr15残基的磷酸化可抑制CDK的催化活性。其原因在于上述残基的侧链位于该酶活性中心ATP结合部位的顶端，因而对激酶的磷酸化作用产生了阻碍。3.2.2InhibitionofCDK催化Thr14和Tyr15磷酸化的是两种不同的蛋白激酶，使Thr14磷酸化的为蛋白激酶Myt1，使Tyr15磷酸化的是蛋白激酶Wee1/Mik1。催化Thr14和Tyr15脱磷酸化的是蛋白磷酸酶CDC25。因此，蛋白激酶Wee1和Myt1及蛋白磷酸酶CDC25的相对活性，决定CDK1和CDK2的活性高低。RegulationofCDKActivityCAK②抑制蛋白的作用：近年来，已分离并鉴定了若干能够与周期素-CDK复合物特异性结合并抑制其活性的蛋白因子，这些蛋白因子被称为周期素依赖性蛋白激酶抑制蛋白（CKI）。大部分CKI都是抑癌基因的编码产物。在哺乳动物细胞中，目前已经确定的CKI主要有：P21WAF1/CIP1、P27KIP1、P16INK4和P15INK4B，可分别抑制各型CDK的活性。①P21WAF1/CIP1：是由抑癌基因WAF1/CIP1编码合成的蛋白质，几乎能与所有的周期素-CDK复合物结合，抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留在G1期。②P27KIP1：是由抑癌基因KIP1编码合成的蛋白质，也能与几乎所有的周期素-CDK复合物结合，抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留于G1期。p27-cyclin-cdkcomplex③P16INK4A和P15INK4B：是分别由抑癌基因INK4A/MTS1和INK4B/MTS2编码合成的蛋白质，能专一性的与CDK4和CDK6结合，并阻止其与周期素的结合反应，从而抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留于G1期。④P53：由抑癌基因p53编码合成的蛋白质，是WAF1/CIP1基因的转录激活因子。因此，P53的表达可促进P21WAF1/CIP1的转录表达，从而抑制CDK的蛋白激酶活性。FunctionofP53⑤PRb：是由Rb抑癌基因编码合成的蛋白质，有低磷酸化型和高磷酸型两种型式。低磷酸化型的PRb可与转录因子E2F形成复合体，抑制其转录激活作用，阻止细胞分裂；而高磷酸化型的PRb则不能与E2F形成复合体。催化PRb由低磷酸化型转变为高磷酸化型的蛋白激酶就是各型CDK。Rbfunctionislinkedtoothertumorsuppressors细胞周期的调控机制Smad3/4——Mothersagainstdecapentaplegichomolog3/4ATM——Serine-proteinkinaseATMATR——Serine-proteinkinaseATRSKP2——S-phasekinase-associatedprotein2SCF——Skip1-cullin/cdc53-F-boxproteinGSK3——Glycogensynthasekinase3HDAC——HistonedeacetylaseDP-1——TranscriptionfactorDp-1Chapter8CellApoptosisSection1Introduction细胞死亡也是一种重要的生命过程。目前，经“细胞死亡命名委员会(NCCD)”确认的细胞死亡类型至少有10余种。其中，由NCCD明确鉴定的细胞死亡类型包括：细胞坏死(cellnecrosis)、细胞凋亡(cellapoptosis)和细胞自噬(cellautophage)。1.ConceptofCellApoptosis细胞凋亡（cellapoptosis）是指细胞自杀机制被活化而引发的一种以细胞固缩为主要形态学改变的程序性细胞死亡。细胞凋亡的发生受凋亡相关基因的调控。凋亡细胞的形态学改变主要发生在细胞核。凋亡时，由于细胞膜保持完整，无内容物溢出，故一般不会引起炎症反应。2.MorphologicandBiochemicalCharactersofCellApoptosis凋亡细胞出现特征性的形态学改变：①染色质密集，呈边缘化；②核固缩；③DNA链断裂；④出现凋亡小体。2.1MorphologicCharactersProcessingofCellDeathComparisonofNecroticwithApoptoticCellsnormalcellapoptoticcellnecroticcellApoptoticCellandMacrophage凋亡细胞的典型生化改变是将其基因组DNA进行琼脂糖凝胶电泳时，DNA片段表现为间隔180~200bp的阶梯状条带。2.2BiochemicalCharacters3.PhysiologicalSignificancesofCellApoptosis细胞凋亡是多细胞生物生命活动过程中的重要内容。细胞凋亡贯穿于动物全部生命周期中，是保证个体发育成熟所必需的过程。Section2GenesandTheirProteinsRelatedtoApoptosis1.CedGeneFamilyCed基因家族是线虫的细胞凋亡相关基因，包括Ced-3、Ced-4、Ced-9等。其中，Ced-3基因