20110915-细胞周期的调控与检测

细胞周期及其调控机制苏川[e-mail]南京医科大学病原生物学系86862774江苏省病原生物学重点实验室86862773提纲一、基本概念介绍二、历史回顾三、细胞周期各时相的动态变化四、细胞周期的调控五、细胞周期得以进行的两大机制六、细胞周期的界面机制七、肿瘤与细胞周期八、常用的细胞周期检测方法九、细胞周期同步化生命是如何生长、生存、繁衍和死亡？在每一个生命个体中都存在一个精密的程序，或生物钟。生物钟决定着细胞是否、何时生长、分裂、或死亡。这就是细胞周期调控机制，它在相关基因的控制下，依据一定的规则和节奏运行着，调控细胞的生长、分裂和死亡。在胚胎细胞，细胞周期保持快速运行，在一些成年细胞中其运行慢得多，而在神经元细胞细胞周期几乎完全不运行。在生长过程中的细胞，如果细胞周期不能运行，结果是死亡。而在成熟细胞，细胞周期不正确的运行，结果则是肿瘤的发生。细胞周期(cellcycle)细胞周期调控(cellcycleregulation)“细胞周期”也称“细胞分裂周期”，是指一个细胞经生长、分裂而增殖成两个所经历的全过程，通常可分为若干阶段，即G1期、S期、G2期和M期。细胞在G1期完成必要的生长和物质准备，在S期完成其遗传物质——染色体DNA的复制，在G2期进行必要的检查及修复以保证DNA复制的准确性，然后在M期完成遗传物质到子细胞中的均等分配，并使细胞一分为二。一、基本概念介绍2001NobelPrizeLelandH.Hartwell1970s“Checkpoint”Yeastgenetics~100CDCgenesStartgeneTimHunt1980sCyclinsSeaUrchinsPaulM.Nurse1970sCDKsyeast二、历史回顾生命复制之谜的揭开（1）1858年建立细胞理论：生命的基本形式是细胞，机体由细胞构成，细胞的生长复制形成了生物体的生长繁衍，细胞的异常或死亡导致机体的疾病或死亡。（2）1951年发现了细胞分裂周期：G1SG2MG0细胞生长中有两种形式----有丝分裂期和细胞间期细胞周期细胞间期有丝分裂期（M期）DNA合成前期（G1期）DNA合成期（S期）DNA合成后期（G2期）前期中期后期末期细胞分裂周期图（3）随着成熟刺激因子（maturationpromotingfactor,MPF），细胞周期素（cyclin），细胞周期素依赖性蛋白激酶(cyclindependentkinase，CDK)的发现使对细胞周期及与肿瘤的发生发展关系的研究有了很大进展。三、细胞周期各时相的动态变化１、G1期（DNA合成前期，指有丝分裂完成到DNA合成之前的一段时间）RNA在此期大量合成，导致蛋白质量明显增加。S期所需的DNA复制相关的酶系，如DNA聚合酶，G1期向S期转变相关的蛋白质如触发蛋白、钙调蛋白、细胞周期蛋白等均在此期合成。蛋白质的磷酸化作用在G1期开始增加，这将有利于G1晚期染色体结构成分的重排。非组蛋白、一些蛋白激酶在G1期也可发生磷酸化，已知大多数蛋白激酶磷酸化发生于其丝氨酸或苏氨酸、酪氨酸部位。触发蛋白是一种不稳定蛋白，它对细胞从G1期进入S期是必须的。只有当其含量积累到临界值，细胞周期才能朝DNA合成方向进行。钙调蛋白是真核细胞内重要的钙受体，它调节细胞内钙的水平，钙调蛋白的含量，在G1晚期可达峰值，用抗钙调蛋白药物处理细胞，可延缓其从G1期到S期的进程。G1期蛋白质量的增加，可能与蛋白质合成增强有关，而另一原因则可能使其降解的减弱。２、S期（DNA合成期，从DNA合成开始到DNA合成结束的全过程，是细胞增殖周期的关键阶段）S期是细胞进行大量DNA复制的阶段，组蛋白及非组蛋白也在此期大量合成，最后完成染色体的复制（１）DNA复制需要多种酶的参与包括DNA聚合酶、DNA连接酶、胸腺嘧啶核苷酸激酶、核苷酸还原酶等。随着细胞由G1期进入S期，这些酶的含量或活性可显著增高（２）DNA复制具有严格的时间顺序通常，GC含量较高的DNA序列在早S期复制，晚S期复制的主要为ＡＴ含量高的DNA序列；就染色体而言，常染色体的复制较异染色体要早，典型的例子如人类女性的细胞中，当其它染色体都被复制完以后，才开始进行纯化的X染色体复制。（３）S期是细胞合成的主要时相此时细胞质中可出现大量的组蛋白mRNA，新合成的组蛋白从胞质进入胞核，与复制后的DNA迅速结合，但绕成核小体，进而形成具有两条单体的染色体。除了蛋白质合成以外，在S期细胞中不断进行着组蛋白的持续磷酸化。（４）中心粒的复制也在S期完成原本垂直的一对中心粒发生分离，各自在其垂直方向形成一个子中心粒，由此形成的两对中心粒在以后的细胞周期进程中，将发挥微管组织中心的作用，纺锤体微管，星体微管的形成均与此相关。３、G2期（DNA合成后期，从DNA复制完成到有丝分裂开始前的时期，为有丝分裂进行物质条件）为细胞分裂准备期，细胞中合成一些与M期结构功能相关的蛋白质，与核膜破裂，染色体凝集相关的成熟促进因子在此期合成。微管蛋白G２期合成达高峰，为M期纺锤体微管的形成提供了丰富的来源。已经复制的中心粒在G2期逐渐长大，并开始向细胞两极分离。４、M期（有丝分裂期，细胞经过分裂将染色体平均分配到两个子细胞中）在此期细胞中，染色体凝集后发生姊妹染色单体的分离，核膜核仁破裂后再重建，胞质中有纺锤体收缩环出现，随着两个子核的形成，胞质也一分为二，由此完成细胞分裂。G1期：为DNA合成准备所需要的RNA、蛋白质、脂类、糖类等•G1早期：细胞的生长•G1晚期：为S期的DNA合成做准备S期（DNA合成期）•DNA合成(复制)•染色体蛋白的合成：组蛋白、非组蛋白等•中心粒的复制G2期（DNA合成后期）•有活跃的RNA和蛋白质合成•微管蛋白，促有丝分裂因子（MPF）•中心粒向两极移动M期（有丝分裂期）•DNA、RNA、蛋白质合成停止。•细胞发生一系列形态变化、结构建成。将加倍的DNA平均分配到两个子细胞中1)细胞周期调控研究过程的重要事件---MPF的发现：最早发现，MPF是一种在G2期形成、能促进M期启动的调控因子，称之为促细胞成熟因子或促细胞分裂因子（MPF)。MPF由调节亚单位细胞周期素（cyclin）和催化亚单位细胞周期素依赖性蛋白激酶（CDK）组成。1、细胞周期调控蛋白（cellcycle-regulatingprotein)四、细胞周期的调控2）细胞周期调控蛋白的种类A、CDK类蛋白激酶：CDK与细胞周期素结合才具有激酶的活性，故名细胞周期素依赖性蛋白激酶(cyclin-dependentkinase，CDK).作用：CDK可将特定蛋白磷酸化，促进细胞周期运行。在动物中已知7种CDK，CDK1-7。B、细胞周期素（cyclin)特点：在细胞周期中呈周期性变化。作用：能与CDK结合，激活CDK，间接调节细胞周期运行。已知30余种，在脊椎动物中为cyclinA1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等。脊椎动物芽殖酵母激酶复合体CyclinCDKCyclinCDKG1-CDKCyclinD*CDK4、6Cln3CDK1(CDC28)G1/S-CDKCyclinECDK2Cln1、2CDK1(CDC28)S-CDKCyclinACDK2Clb5、6CDK1(CDC28)M-CDKCyclinBCDK1(CDC2)Clb1-4CDK1(CDC28)Cyclins与CDKs结合后，CDKs才具有活性，它们两者的结合使细胞周期有序进行。具体结合方式如下：C、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子(CKI)CKI对细胞周期起负调控作用，分为：Ink4:P16ink4a,P15ink4b,P18ink4c,P19ink4d。特异性抑制cdk4-cyclinD1,cdk6-cyclinD1。Kip：P21cip1、P27kip1、P57kip2，抑制大多数CDK的激酶活性。P21cip1还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。作用机制：未完全清楚，大多数CKI是通过直接与Thr160/161磷酸化后的CDK-cyclin复合物密切结合，直接抑制其蛋白激酶活性。现较为肯定的是p21，其调控水平在基因转录的层面，当DNA损伤和细胞衰老时，具有转录因子作用的p53增高，抑制其蛋白激酶活性，阻滞细胞周期的进行。M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累。结合M-cyclin的CDK1被Wee1（抑制因子）将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累。在M期，Wee1的活性下降，CDC25磷酸酶使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CAK)的作用下完成的。3）M期CDK的激活CDKactivating活性位点抑制位点由于某些环境因素的作用细胞周期出现故障或差错，这些信号可是细胞停留在某些点上，称为限制点。主要检验点：G1/S限制点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restrictionpoint)。S期限制点：DNA复制是否完成？G2/M限制点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期限制点：纺锤体组装限制点。2、细胞周期限制点（checkpoint）Fourcheckpoints3、细胞周期中的信号系统调控单细胞生物的增殖取决于营养，多细胞生物细胞的增殖与信号途径有关。A、生长因子：是与细胞增殖有关的信号物质，已知几十种，多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（mitogen），如EGF、NGF。作用方式：旁分泌。信号通路：ras途径，cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。B、抑素（chalone)是一种由细胞自身产生、分泌的，对细胞增殖起抑制作用的糖蛋白，与膜上的受体结合，引起信号转换及在胞内传递，影响细胞周期相关的蛋白的表达。具有严格的组织特异性和细胞周期阶段特异性。作用于G1期的抑素可阻止细胞进入S期，称S因子。作用于G2期的抑素可阻止细胞进入M期，称M因子。五、细胞周期得以进行的两大机制细胞周期得以进行的核心机制是在一系列cyclin时相起伏的调控下，相应的CDK依次激活，驱使细胞通过G1,S,G2期，达到M期，细胞一分为二，实现忠于亲代的细胞复制。这一过程的顺利完成取决于是否启动（启动机制）和能否忠于运行（监控机制），达到忠实复制，是细胞周期调控的两大生物学机制。1、细胞周期的启动机制细胞周期能否启动进行细胞增殖，主要的调控点在G1期，它决定细胞是否通过G1期进入S期。这一调控点首先在芽殖酵母的研究中被认识，人们称其为“起始点”（START）。一旦细胞通过start,它们势必进入S期，完成整个细胞分裂周期。因此start有人称之为酵母细胞周期的“决定点”。在人体细胞增殖中，在G1期存在相似的调控机制。在G1期较晚时，也有一个决定点，称为“限制点”（restrictionpoint），与酵母的START功能类似，不同的是，人类细胞是否通过“限制点”，进入细胞周期，主要受与细胞增殖有关的细胞外生长因子的调控，而不是营养素。只要有相应的生长因子存在，细胞就能通过R点进入S期，完成整个细胞周期。回到G0/1期。相反，如果细胞在G1期就缺乏相应的生长因子，细胞周期的运行将停止在R点，此时细胞进入“安静状态，称之为G0期。连接信号转导与细胞周期有两条途径，一是cyclin－D/CDK4，二是cyclinE/CDK2。二者都是G1期进行的限速步骤，即cyclinD或cyclinE的过度表达，均能缩短G1期时间或加速G1期进行2、细胞周期的监控机制A.DNA损伤检测点抑癌基因p53在人类细胞周期G1期检测点起着关键性作用。还存在G2期检测点。B.时相次序监测点MPF(有丝分裂促进因子)，可以诱导所有细胞周期时相的细胞核发生染色体凝集。SPF(S期促进因子)，只能诱发G1期细胞进入S期而不能使G2期细胞进入M期。六、细胞周期的界面机制