细胞周期及其调控(讲义)

医学分子细胞生物学细胞周期及其调控CellCycle&CellRegulation第一节细胞周期各时项的动态变化一、细胞周期概念细胞周期（cellcycle）：是指细胞从上一次分裂结束开始生长，到下一次细胞分裂结束所经历的过程，又称细胞增殖周期。细胞周期时间（TC）细胞周期经历的时间。细胞周期间期分裂期（M期）DNA合成前期（G1期,G1gap1）DNA合成期（S期,Synthsisphase）DNA合成后期（G2期,G2gap2）前期中期后期末期细胞周期中的细胞G1期细胞周期分为：G1期、S期、G2期和M期四个时期。(Mitosis,division）终端分化细胞G0周期性细胞细胞类型（增殖特性）周期性细胞：始终保持旺盛的增殖活性。G0期细胞：一般不分裂，暂不增殖细胞。终端分化细胞（无增殖能力细胞）结构和功能高度特化。周期性细胞终端分化细胞研究方法：流式细胞术细胞同步化生化方法等等（一）G1期（DNA合成前期）G1早期：细胞体积增大、生物合成、形成细胞器触发蛋白、钙调蛋白增加。体积、表面积、核\质比G1晚期：H1及多种蛋白的磷酸化，为DNA合成准备。信号分子调控G0——G1晚——S期startpoint（DNA合成相关酶，细胞周期运行的蛋白）（二）S期（DNA合成期）1.DNA复制多种酶的参与。2.蛋白质合成：（组蛋白、非组蛋白）组装核小体。3.中心粒的复制，并发生分离，发挥微管的组织作用。（三）G2期（有丝分裂准备期）1.促有丝分裂因子(MPF)合成2.微管蛋白（tubulin)合成3.0.3%DNA复制4.结构功能蛋白的合成G2期checkpoint：（1）是否完成DNA复制？（2）是否有DNA错误复制？有丝分裂的主要特征是：姊妹染色单体分离；核膜、核仁破裂重建。人为的划分为四个时期：前期、中期、后期、末期。（四）M期（有丝分裂期）细胞有丝分裂过程1.有丝分裂间期核膜核仁染色质中心粒1.前期①染色质凝缩，②分裂极确立与纺锤体开始形成，③核仁解体，④核膜消失。前期星体微管：由中心体向外放射，末端结合有分子马达，负责两极的分离动粒微管：由中心体发出，连接在染色体着丝点动粒上,着丝点上具有马达蛋白。极体微管：由中心体发出，在纺锤体中部重叠，重叠部位结合有分子马达，负责将两极推开。--+++++纺锤体有三种微管结构：染色体的运动Twocentrosomes,andtheirformingradialarraysofastralmicrotubulesseparatingonthesurfaceofanearlyprophasenewtlungcellnucleus.2.中期染色体排列到在细胞的赤道面上。赤道板中期3.后期姐妹染色体单体分离并移向细胞两极。后期后期阶段染色体的分离由微管去聚合假说解释：动粒微管不断解聚缩短,造成的拉力将染色体拉向两极。机理：微管正端插入动粒的外层,微管在此端去组装。动粒中的ATP水解,提供能量,驱动微管上的马达分子向极部移动,拉动染色体向极移动。4.末期从子染色体到达两极，至形成两个新细胞的时期。两个出现：核膜出现、核仁出现两个消失：染色体消失、纺锤丝消失中间小体从子染色体到达两极，至形成两个新细胞的时期。主要标志是子核的形成和胞质分裂。中间小体动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现，收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成。用细胞松弛素处理这一时期的细胞，会出现什么现象？DividingMuscleMyoblast(primativemusclecell)(SEMx8,000)第二节细胞周期调控的动力因素一、细胞周期调控蛋白(cellcycle-regulatingprotein)CDK类蛋白激酶——催化亚单位细胞周期素（Cyclin)——调节亚单位CDK抑制因子（CKI）——抑制CDK激酶活性M期促发因子(MPF)MPF的发现：一种在G2期形成，能促进M期启动的调控因子，即促细胞成熟因子或促细胞分裂因子（MPF)。（一）细胞周期调控研究过程的重要事件：CDK：(cyclin-dependentproteinkinases）（二）细胞周期调控蛋白的种类1.CDK类蛋白激酶（cyclin-dependentkinase）：•CDK与细胞周期素结合才具有激酶的活性，故称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。分为四类：G1、G1/S、S期CDK和M期CDK。2.细胞周期素（cyclins)是一类随细胞周期的变化呈现周期性出现和消失的蛋白质。（A、B、C、D、E等几类，亚型，20多种）表达时间不同，执行功能多种多样。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。DEAB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。分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。G1、G1/S、G2期(CyclinD、E、A)M期(CyclinB)不同类型CDK-Cyclin复合物•*包括D1-3，各亚型cyclinD在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。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)3.细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CDKinhibitor,CKI）CDKI是对CDK激酶起负性调控作用的蛋白质。已发现多种CDKIINK4家族:p16、p15、p18、p19CIP/KIP家族:P21、27、57在G1期抑制多种CDK。CKI对细胞周期起负调控作用，分为：①Ink4:P16ink4a,P15ink4b,P18ink4c,P19ink4d。特异性抑制cdk4-cyclinD1,cdk6-cyclinD1。②Kip：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。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。（三）M期CDK的激活M期调控：1.M-CDK活化（涉及CyclinB、CAK、cdc25、Well1）2.CDK1激发M期所有事件CDK1APCAPC泛素蛋白连接酶复合体M-Cylin降解泛素蛋白多聚化蛋白酶体4.3.促后期蛋白复合体（AnaphasePromotingComplex)APCM中——M后泛素蛋白（Ubiquitin)cyclin降解盒4.CDK1活性下降出M期细胞核重建、染色体解螺旋、启动收缩机制。进出S期调控：M期末G1CDKs活性——0G1(晚期)增殖信号（激素、生长因子）G1—cyclin转录cyclinD+cdk4/cdk6G1/S转换“Start”S期DNA合成启动，cyclin+CDK2（S—CDK）保证精确复制（pre—RC）复制前复合体(prereplicationcomplex，Pre-RC)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，这些信号可使细胞周期停留在某些点上，称为限制点。4个主要检验点：–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。二、细胞周期限制点（checkpoint）FourCheckpoints（1）限制点在细胞周期调控中的作用细胞周期有敏感点，确保细胞周期事件有序进行，检测，修复。Checkpoint：1.DNA损伤检查点2.DNA复制检查点3.纺锤体组装检查点G1--SDNA损伤、复制错误,不能进入S期。G2—MDNA复制错误，完整精确修复后可通过。M中期--M后期纺缍丝组装/动粒连接错误时，细胞不能进入后期控制失调时即可引起各种染色体畸变，基因扩增、突变等癌发生三、细胞周期中的信号系统调控温度、pH、营养、药物、感染、射线；细胞因子、激素、生长因子（一）生长因子是与细胞增殖有关的信号物质，已知多数能促进细胞增殖，又称有丝分裂原（mitogen）。PDGF、EGF、IL、TGF、FGFNGF等，对G0细胞进入S期有调节作用。生长因子---受体信号传递与转换转录因子/调控蛋白转录、基因的表达细胞增殖作用方式：旁分泌细胞外信号EGF、PDGF等具TPK活性的受体GRB2PSOSPRas-GTPPRaf调节其他蛋白活性MAPKKMAPKPPP细胞核反式作用因子调控基因表达细胞膜二聚化跨膜受体型TPK信号通路：ras、cAMP、磷脂酰肌醇途径。如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内，激活c-myc，myc作为转录因子促进cyclinD、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。生长因子的作用方式Ras蛋白：介导的MAPK信号转导途径是具有酪氨酸激酶活性的大多数生长因子及其受体传递信息的主要通路，是细胞周期正常运行的信号指令系统之一、主要由Ras蛋白→Ras转换因子(如Raf－1)→丝裂原活化蛋白激酶(MAPK)等部分组成。与丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化有关。（二）抑素（chalone)和细胞周期具有严格的组织特异性和细胞周期阶段特异性。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。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p53、P21及Gadd45在G1阻滞中的作用P53有多种下游效应分子：如MDM2，P21WAFl，Gadd45，Bax,IGFBP3，Fas等。MDM2通过与P53蛋白氨基末端结合来阻止P53蛋白转录激活，形成一个“负反馈环”。MDM2的正常功能是限制GI期阻滞的时间，使DNA损伤修复后的细胞重新进入细胞周期。Gadd45和P21WAFl是参与辐射所致细胞G1期阻滞的重要分子。P53／P21wAF1通路是通过CDK／周期蛋白活性抑制，Rb脱磷酸化而发挥作用的。Gadd（growtharrestandDNAdamage）是一些生长抑制和DNA损伤诱导的基因，Gadd45是其中一员，也是野生型P53诱导G1期阻滞的一条通路。参与的相关蛋白及其作用：(1)p21WAF1/CIP1p21基因定位于第六号染色体短臂上(6p21.2），P21蛋白定位于细胞核中，属CKI分子（CDK抑制分子），能广泛抑制各种周期蛋白－CDK复合物。野生型P53蛋白作为转录因子可诱导p21WAF1/CIP1基因的表达，抑制CDK2和CDK4对pRB蛋白的磷酸化失活，进而导致G1、G1/S和S期延迟，使DNA损伤有时间得以修复。（2）ATM基因AT：毛细血管扩张性共济失调症;ATM基因是AT唯一致病基因；对AT纯合子突变细胞的研究表明，这类突变细胞缺乏细胞周期检查点调控对辐射损伤的正常反应，缺乏辐射诱导P53蛋白增加、p21wAFl和Gadd45转录和翻译水平增强的动态变化，表明ATM很可能是DNA损伤反应途径中p53的上游分子。ATM（ataxiatelangiectasia-mutated