第十四章细胞增殖调控.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 细胞增殖调控与癌细胞,细胞增殖是通过严格调控的细胞周期来实现的，在细胞周期的不同阶段有一系列检查点对该过程进行严密监控。不然，不受约束而生成的细胞将被机体免疫系统所清除，或者癌变，转化为癌细胞。癌细胞不仅表现出增殖失控，同时还具有侵润和转移的特征，最终导致个体的死亡。,第一节 细胞增殖调控,第二节 癌细胞,第一节 细胞增殖调控,一、,MPF,的发现及其作用,二、,p34,cdc2,激酶的发现及其与,MPF,的关系,三、周期蛋白,四、,CDK,和,CDK,抑制因子,五、细胞周期运转调控,六、其他因素在细胞周期调控中的作用,一、,MPF,的发现及其作用,MPF,（,maturation-/mitosis-/M-phase-promoting factor,）：即（卵细胞）成熟促进因子，或细胞有丝分裂促进因子，也称,M,期促进因子，在细胞周期调控中起重要作用。,PCC,（,premature chromosome condensation,）：即早熟染色体凝缩，主要是指与,M,期细胞融合的间期细胞（,G,1,、,S,和,G,2,）发生的形态各异的染色体凝缩。,G,1,期,PCC,为细单线状（因,DNA,未复制），,S,期,PCC,为粉末状（因,DNA,由多个部位开始复制），,G,2,期,PCC,为双线染色体状（说明,DNA,复制已完成），这样的形态变化可能与,DNA,复制状态有关。,一、,MPF,的发现及其作用,M,期细胞中可能存在细胞有丝分裂促进因子：,M,期细胞可以诱导,PCC,，暗示在,M,期细胞中可能存在一种诱导染色体凝缩的因子，称为细胞有丝分裂促进因子（,MPF,）。,M,期细胞与,G,1,（,A,）、,S,（,B,）和,G,2,（,C,）期细胞融合诱导早熟染色体凝缩（,PCC,）（图,14-1,）,成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子的存在：,两位科学家分离出第,期等待成熟的非洲爪蟾卵母细胞，并用孕酮进行体外刺激，诱导卵母细胞成熟，然后进行细胞质移植实验，他们发现，在成熟的卵细胞的细胞质中必然有一种物质可以诱导卵母细胞成熟，即成熟促进因子（,MPF,）；后来还证明，在成熟卵细胞中，,MPF,已经存在，只需通过翻译后修饰即可转化为活性状态的,MPF,。,1998,年分离获得了,MPF,：,1998,年，科学家们以非洲爪蟾卵为材料，分离获得了微克级的纯化,MPF,，并证明其主要含有,p32,和,p45,两种蛋白，并且是一种蛋白激酶。,二、,p34,cdc2,激酶的发现及其与,MPF,的关系,（已知）非洲爪蟾卵：,MPF,p32,p45,；,MPF,是激酶,裂殖酵母：,cdc2,（基因）,p34,cdc2,（蛋白）,p34,cdc2,激酶调控,G,2,/M,转换；,p34,cdc2,p56,cdc13,。,cdc,即细胞分裂周期之缩写。,芽殖酵母：,cdc28,（基因）,p34,cdc28,（蛋白）,p34,cdc28,激酶调控,G,1,/S,和,G,2,/M,转换；,p34,cdc28,p34,cdc2,（同源物）。,p34,cdc2,p32,（同源物）。,海胆卵：,含量随细胞周期进程变化而变化的蛋白质即周期蛋白（,cyclin,），,cyclinB,是,MPF,的另一种主要成分；,cyclinB,p56,cdc13,（同源物）。,结论：,MPF,催化亚基单位（,CDK,）调节亚单位（,Cyclin,）。,CDK,为周期蛋白（,cyclin,）依赖性蛋白激酶,三、周期蛋白,周期蛋白（,cyclin,）：,指含量随细胞周期进程变化而周期性变化的蛋白质，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期中又重复这一消长现象。,周期蛋白有多种：,酵母中的周期蛋白有,Cln13,、,Clb16,；哺乳动物细胞中的周期蛋白,A12,、,B13,、,C,、,D13,、,E12,、,F,、,G,、,H,、,L12,、,T12,等。,周期蛋白框（,cyclin box,）：,指所有周期蛋白中都存在的约由,100,个残基组成的相当保守的氨基酸序列，其功能是介导周期蛋白与,CDK,结合。,三、周期蛋白,破坏框,/,降解盒（,destruction box,）：,指,M,期周期蛋白近,N,端含有的一段由,9,个氨基酸残基组成的特殊序列（,RXXLGXIGX,），其功能是参与泛素依赖性的,cyclinA,和,B,的降解。在破坏框之后有一段约,40,个氨基酸残基组成的,Lys,（,K,）富集区。,PEST,序列：,指,G,1,期周期蛋白的,C,端含有的一段特殊的,PEST,氨基酸序列，其功能可能与,G,1,期周期蛋白的更新（降解）有关。,不同的,Cyclin-CDK,复合体表现不同的,CDK,活性,：不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时相不同，并通过不同的周期蛋白框与不同的,CDK,结合，组成不同的,cyclin-CDK,复合体，表现出不同的,CDK,活性。,周期蛋白含量随细胞周期的变化,部分周期蛋白分子结构特征（图,14-4,）,细胞周期蛋白的降解盒与降解途径,部分哺乳动物（,A,）和酵母细胞（,B,牙殖和,C,裂殖）周期蛋白在细胞周期中的积累及其与,CDK,活性的关系（,图,14-5,）,四、,CDK,和,CDK,抑制因子,周期蛋白依赖性蛋白激酶,（,cyclin-dependent kinase,CDK,）：由周期蛋白结合并活化的调控细胞周期进程的蛋白激酶。,CDK,通过磷酸化其底物而对细胞周期进行调控。,CDK,有多种,：在人体中发现并命名的,CDK,包括,CDK1,（,Cdc2,）,CDK13,。不同的,CDK,在细胞周期中起调节作用的时期不同。,某些,CDK,与,cyclin,的配对关系及执行的功能的时期：见表,14-1,。,CDK,激酶结构域,：各种,CDK,的,CDK,激酶结构域保守程度有所不同，但其中有一小段序列则相当保守，即,PSTAIRE,序列，与周期蛋白结合有关。,四、,CDK,和,CDK,抑制因子,CDK,的活性受磷酸化修饰调节：细胞内存在多种因子，对,CDK,分子结构进行磷酸化修饰，从而调节,CDK,的活性。,CDK,抑制蛋白（,CDK inhibitor,CKI,）：指对,CDK,起负调控作用的蛋白质，包括,Cip/Kip,家族和,INK,家族。,Cip/Kip,家族：包括,p21,、,p27,和,p57,等，其中,p21,主要对,G,1,期,CDK,（,CDK24,和,CDK6,）起抑制作用,p21,还与,DNA,聚合酶,的辅助因子增殖细胞核抗原（,PCNA,）结合，抑制,DNA,的复制；,INK,家族：包括,p16,、,p15,、,p18,和,p19,等，其中,p16,主要抑制,CDK4,和,CDK6,活性。,通过,PCR,技术测定与,CDK1,类似的,CDK,蛋白分子图解（图,14-6,）,不同类型的周期蛋白,激酶复合体,脊椎动物,芽殖酵母,Cyclin,CDK,Cyclin,CDK,G,1,-CDK,Cyclin,D,*,CDK,2,、,4,、,6,Cln 3,CDK1(CDC28),G,1,/S-CDK,Cyclin,E,CDK,2,Cln 1,、,2,CDK1(CDC28),S-CDK,Cyclin,A,CDK,2,Clb 5,、,6,CDK1(CDC28),G,2,/,M-CDK,Cyclin,B,CDK,1,(CDC2),Clb 1-4,CDK1(CDC28),周期蛋白,-,周期蛋白依赖型激酶复合物在真核生物细胞周期调控中的作用,真核生物,周期蛋白,-,周期蛋白依赖型激酶复合物在细胞周期调控中的作用,G,1,G,1,-S,S,G,2,-M,芽殖酵母,Cln3-CDC28,Cln1/2-CDC28,Clb5/6-CDC28,Clb1-4-CDC28,裂殖酵母,Cig1-CDC2,Cig2-CDC2,Cig2-CDC2,Cdc13-CDC2,脊椎动物,CycD-CDK4/6,CycE-CDK2,CycA-CDK2,CycA/B-CDK1,植物,CycD-CDKA,CycA-CDKA,CycA-CDKA,CycA/B-CDKA,CDC:,细胞分裂周期蛋白,Cyclin,的周期性变化,植物细胞周期控制的图示,p21,抑制作用的机理,五、细胞周期运转调控,细胞周期调控系统（,cell cycle control system,）是指调节细胞周期运行的蛋白质网络系统。,CDK,因对细胞周期运行起着核心调控作用而被称为周期引擎分子。不同种类的周期蛋白与不同种类的,CDK,结合，构成不同的,MPF,。不同的,MPF,在细胞周期的不同时期表现活性，因而对细胞周期的不同时期进行调节。,MPF,又被称作细胞周期引擎。,（一）,G,2,/M,期转化与,CDK1,的关键性调控作用,（二）,M,期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化,（三）,G,1,/S,期转化与,G,1,期周期蛋白依赖性,CDK,（四）,S/G,2,/M,期转换与,DNA,复制检查点,（一）,G,2,/M,期转化与,CDK1,的关键性调控作用,CDK1,活性依赖于,cyclinB,含量的积累,：,cyclinB,（或,cyclinA,）的含量达到一定值并与,CDK1,结合，同时在其它一些因素的调节下，逐渐表现出最高激酶活性（,G,2,/M,期转换和,M,期启动）。,CDK1,催化底物蛋白磷酸化,：,CDK1,通过使某些底物蛋白磷酸化，改变其下游的某些靶蛋白的结构和启动其功能，实现其调控细胞周期的作用。,CDK1,选择底物中某个特定序列中的某个,Ser/Thr,残基磷酸化。,CDK1,可以使多种底物蛋白磷酸化（见表,14-2,）。,（一）,G,2,/M,期转化与,CDK1,的关键性调控作用,CDK,活性受到多种因素的综合调节,：周期蛋白与,CDK,结合只是激活,CDK,活性的先决条件：仅周期蛋白与,CDK,结合，并不能使,CDK,激活；还需要其它几个步骤的修饰：,cyclinB-CDK1,复合物（无活性）,Wee1/mik1,激酶和,CDK1,活化激酶（,CAK,）,cyclinB-CDK1,的,Thr14,、,Tyr15,和,Thr161,磷酸化（无活性前体,MPF,）,cdc25C,蛋白磷酸酶,cyclinB-CDK1,仅剩,Thr161,磷酸化（有激酶活性的,MPF,）（,MPF,对,cdc25C,有正反馈作用）,不同的,CDK,之间有一定的代偿功能；,CDK,对个体和器官的发育也起着重要的调节作用。,cyclin B,在,CDK1,活性调节过程中的作用（图,14-7,）,CDK1,激酶活性综合控制示意图（图,14-8,）,活性,MPF,的正反馈,（二）,M,期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化,后期促进复合物（,anaphase-promoting complex,，,APC,）：,20S,，泛素连接酶（,E3,），通过泛素依赖性蛋白降解途径，降解,M,期周期蛋白和中期向后期转换的非周期蛋白类负调控因子，使细胞从中期向后期转换。,APC,至少由,15,种成分组成，分别称为,APC1APC15,。,APC,的发现是细胞周期研究领域中又一重大进展，表明细胞分裂中期向后期转换也受到精密调控。,APC,的主要作用,：到达分裂中期后，,cyclinB/A,与,CDK1,分离，在,APC,介导下，通过泛素化依赖途径而降解。,CDK1,活性消失，细胞由分裂中期向后期转化。,（二）,M,期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化,APC,活性受到多种因素的综合调节：,M,期,CDK,激酶和蛋白磷酸酶对,APC,的活性起着调节作用；纺锤体组装检查点调控,APC,的活性，如,cdc20,和,Mad2,（有丝分裂捕获缺陷蛋白,2,）分别为,APC,有效的正调控因子和负调控因子，在分裂中期之前，位于动粒上的,Mad2,与,cdc20,结合并抑制其活性。到分裂中期，,Mad2,从动粒上消失，解除对,cdc20,的抑制作用，促使,APC,活化，导致,M,期周期蛋白降解，,M,期,CDK,活性丧失。,后期促进复合物（,APC,）作为有丝分裂的终结者,马达蛋白和微管系统共同协作导致染色体分离,Cyclin B,的降解途径,（三）,G,1,/S,期转化与,G,1,期周期蛋白依赖性,CDK,细胞由,G,1,期向,S,期（,G,1,/S,期）转化主要受,G,1,期周期蛋白依赖性,CDK,：,cyclinD-CDK4/6,、,cyclinE-CDK2,和,cyclinA-CDK2,。,cyclinD-CDK4/6,为细胞,G,1,/S,期转化所必需,：,cyclinD,包括,D1,、,D2,和,D3,，它们的表达有细胞和组织特异性；,cyclinD-CDK4/6,的底物主要是,Rb,蛋白（,retinoblastoma protein,）即成视网膜细胞瘤蛋白，,Rb,蛋白是,E2F,的抑制因子，,E2F,是促进与,G,1,/S,期转化和,DNA,复制有关的基因转录的转录因子，,Rb,蛋白在,G,1,/S,期转化中起负调控（“刹车”）作用，在,G,1,期的晚期通过磷酸化而失活,。,（三）,G,1,/S,期转化与,G,1,期周期蛋白依赖性,CDK,cyclinE-CDK2,为,S,期启动所必需,：,cyclinE-CDK2,的主要作用是去除,p107,（类,Rb,蛋白）对,E2F,的抑制作用，促进,G,1,/S,期转化；,cyclinE-CDK2,是,TGF-,的主要靶酶，,TGF-,可以有效地抑制,cyclinE-CDK2,活性，进而将细胞阻止在,G,1,期,；,cyclinE,在肿瘤细胞中的含量比正常细胞中要高得多；在细胞中，提高,cyclinE,的表达，该细胞则快速进入,S,期，对生长因子的依赖性降低。,cyclinA-CDK2,也可以作用于,p107,（类,Rb,蛋白）：,除此之外，,cyclinA,合成虽始于,G,1,/S,期转化时期，但,cyclinA-CDK2,却是,S,期主要的,CDK,。,Cyclin D,与,CDK,结合使,Rb,释放结合的转录因子,E2F,p53,和,Rb,在细胞周期调节中的作用,G,1,期周期蛋白是到达,S,期的一定阶段通过,SCF,泛素化途径降解的，同时需要,G,1,期,CDK,的参与：,SCF,（,Skp-cullin-F-box protein,）（间期初级活化因子）是一种具有泛素连接酶（,E3,）功能的多亚基的蛋白复合物（,Skp1,、,Cul1,和,Rbx1,），可以被,Skp2,、,-Trcp,或,Fbw7,三种,F-box,蛋白分别活化，而且,SCF,的底物特异性的识别是由,F-box,蛋白来决定的；,SCF,通过降解细胞周期的不同时期的不同的底物从而在整个细胞周期中都发挥作用（,但主要在细胞间期,G,1,、,S,和,G,2,期发挥作用,），如降解,G,1,期周期蛋白（,cyclinA,、,D1,和,E,）（,PEST,序列对降解起促进作用），,CKI,（,p21,、,p27,和,p57,），,DNA,复制调控因子（,ORC1,和,Cdt1,）和 其它（,cdc25a,、,Wee1,和,Emi1,）。,APC,主要在,M,期和,G,1,期早期发挥作用,：,APC,的,2,个负责底物识别的因子是,cdc20,和,Cdh1,，,APC,催化的底物见图,14-9,。,间期初级活化因子（,SCF,）和后期促进复合物（,APC,）在细胞周期中的活动,APC,和,SCF,在细胞周期中的活性及其底物（图,14-9,）,SCF,泛素化依赖蛋白质降解途径（图,14-10,）,其它对,DNA,复制起始活动进行综合调控的因素,：,DNA,复制的起始并不仅仅是在,G1,期末的起始点（限制点）处才决定的。早在,G1,期开始时，许多与,DNA,复制有关的物质即已表达并与染色质结合，开始了,DNA,复制的起始调控。,ORC,（复制起始点识别复合物）,：,ORC,识别,DNA,复制起始点并与之结合，这是,DNA,复制起始所必需的；,cdc6,和,cdc45,也是,DNA,复制所必需的调控因子：,cdc6,在,G,1,期早期与染色质结合，到,S,期早期从染色质上解离下来；,cdc45,约在,G,1,期晚期才与染色质结合，,CDK6,对,cdc45,于染色质的结合起促进作用；,DNA,复制执照（,licensing,）因子,Mcm,蛋白（,minichromosome mantenance protein,）：,在,M,期，胞质中的执照因子,Mcm,蛋白（,DNA,解旋酶）与染色质接触并与之结合，使染色质获得,DNA,复制所必需的“执照”，但随着,DNA,复制进程“执照”信号会不断减弱直到消失，只有等到下一个,M,期重新获得“执照”，才能开始新一轮的,DNA,复制。,DNA,复制起始调控是近十年细胞周期调控研究中的又一大进展。,ORC,、,cdc6,、,cdc45,、,CDK,和,Mcm,与染色质的结合及其在,DNA,复制起始调控中的作用（图,14-11,）,ORC,、,cdc6,、,cdc45,、,CDK,和,Mcm,与染色质的结合及其在,DNA,复制起始调控中的作用（图,14-11,）,（四）,S/G,2,/M,期转换与,DNA,复制检验点,检查点（,checkpoint,）：,细胞周期的调控点，检验细胞从一个周期时相进入下一个时相的条件是否适合。除,CDK,及其直接的活性调节因子外，还有不少其他因素参与细胞周期调控过程，如各种检查点等。各种检查点也有专门的调控机制。,（四）,S/G,2,/M,期转换与,DNA,复制检验点,DNA,复制检查点主要包括,2,种,：,S,期内部检查点,（,intra-S phase checkpoint,）：指在,S,期内发生,DNA,损伤（如双链断裂）时，,S,期内部检查点被激活，从而抑制复制起始点的启动使,DNA,复制速度减慢，,S,期延长，同时激活,DNA,修复和复制叉的恢复等机制。,DNA,复制检查点,（,DNA replication checkpoint,）：指由于停滞的复制叉导致的,S,期的延长。这,2,种检查点能够将细胞停滞在,S,期和,G,2,/M,期。当,DNA,复制叉阻断引发单链,DNA,时，,ATR-CHK1,通路被激活；当,DNA,双链断裂时，,ATM-CHK2,通路被激活。,ATR/ATM,是,DNA,损伤信号感受因子，也是与,PI-3-K,同源的激酶，激活下游信号通路。,CHK,即检查点激酶。,四个主要的检验点,S/G,2,/M,期转化与,DNA,复制检查点（图,14-12,）,DNA,损伤检查站的作用机理模型,六、其他因素在细胞周期调控中的作用,癌基因和抑癌基因产物对细胞增殖和分化起着重要的调控作用：,癌基因产物大致可归纳为多肽类生长因子、膜表面生长因子受体和激素受体、类固醇和甲状腺素受体、信号转导器、蛋白激酶、转录因子和核蛋白等几个类型。它们在细胞周期信号调控中各自起着不同的作用。抑癌基因产物对细胞增殖起负调控作用，如,Rb,和,p53,等。,p53,常被称为“分子警察”，抑制,CDK1,、,CDK2,和,CDK4,等的活性，从而影响细胞周期运转。,六、其他因素在细胞周期调控中的作用,除细胞内在因素外，细胞和机体的外在因素对细胞周期也有重要影响：如病毒感染、化学物质作用、离子辐射、温度变化和,pH,变化等。,本章概要（一）,细胞周期运转受到细胞内外各种因素的精密调控，细胞内因是调控依据。研究发现，周期蛋白依赖性,CDK,是细胞周期调控中的重要因素。目前已发现，在哺乳动物细胞内至少存在,13,种,CDK,，即,CDK1,至,CDK13,。一般情况下，,CDK,至少含有两个亚单位，即周期蛋白和,CDK,蛋白。周期蛋白为其调节亚单位，,CDK,蛋白为其催化亚单位。周期蛋白也有多种，在哺乳动物细胞中包括周期蛋白,A,、,B,、,C,、,D,、,E,、,F,、,G,、,H,、,L,、,T,等，分别与不同的,CDK,蛋白结合。不同的,CDK,在细胞周期中起调节作用的时期不同。,CDK,通过磷酸化其底物而对细胞周期进行调控。,CDK,活性也受到其他因素的直接调节。除,CDK,及其直接的活性调节因子外，还有不少其他因素参与细胞周期调控过程，如各种检验点等。各种检验点也有专门的调控机制。所有这些因素，可能组成一个综合的调控网络。,本章概要（一）,DNA,复制起始调控是近十年细胞周期调控研究中的又一大进展。,DNA,复制的起始并不仅仅是在,G1,期末的起始点（限制点）处才决定的。早在,G1,期开始时，许多与,DNA,复制有关的物质即已表达并与染色质结合，开始了,DNA,复制的起始调控。目前已经知道，,Orc,、,cdc6,、,cdc45,、,Mcm,等蛋白质参与了,DNA,复制的起始调控过程。这一调控过程也需要某些,CDK,激酶参与，尤其是周期蛋白,E-CDK2,。,本章概要（二）,分裂后期促进因子,APC,的发现是细胞周期研究领域中又一重大进展。到达分裂中期后，周期蛋白,B/A,与,CDK1,分离，在,APC,介导下，通过泛素化依赖途径而降解。,CDK1,活性消失，细胞由分裂中期向后期转化。,APC,的成分至少含有,8,种，分别称为,APC1,至,APC8,。,APC,活性也受到多种因素的综合调控，其中,cdc20,为,APC,有效的正调控因子。在分裂中期之前，位于动粒上的,Mad2,可以与,cdc20,结合并抑制后者的活性。到分裂中期，,Mad2,从动粒上消失，解除对,cdc20,的抑制作用，促使,APC,活化。,本章概要（二）,细胞增殖调控紊乱，可能导致细胞癌变。细胞癌变即可以看做是正常细胞增殖失控，也可以看做是细胞分化失控。癌基因是控制细胞生长和分裂的正常基因（又称原癌基因）的一种突变形式，能引起正常细胞癌变。癌基因编码的蛋白质主要包括生长因子、生长因子受体、信号转导通路中的分子、基因转录调控因子和细胞周期调控蛋白等几大类型。抑癌基因实际上是正常细胞增殖过程中的负调控因子，它编码的蛋白质往往在细胞周期的检验点上起阻止细胞周期进程的作用。如果抑癌基因突变，丧失其细胞增殖的负调控作用，则导致细胞失控而过度增殖。癌症是一种典型的老年性疾病，它涉及一系列的原癌基因与抑癌基因的致癌突变的积累。癌症的发生与肿瘤干细胞有密切关系。,