10.細胞增殖和細胞周期2

1、第十六章 細胞增殖和細胞周期(二)1第三節(jié) 細胞周期的調控細胞周期調控的主要研究內容細胞周期調控系統(tǒng)的主要作用MPFCyclin-Cdk復合物的多樣性及細胞周期運轉細胞進出S期的調控細胞周期運轉的阻遏(細胞周期運轉的負調控)發(fā)生在G1期的細胞周期調控事件細胞周期檢驗點(Cell Cycle Checkpoint) 2細胞周期調控的主要研究內容：一、尋找與細胞周期調控密切相關的基因及其表達蛋白，研究它們在細胞周期中的動態(tài)變化及相互作用的規(guī)律二、這些基因和蛋白如何啟動和影響細胞周期各時相發(fā)生的分子事件，進而影響細胞周期的表型三、內外環(huán)境因素是怎樣通過細胞內信號傳遞系統(tǒng)影響細胞周期的3細胞周期調控系

2、統(tǒng)的主要作用在適當時候激活細胞周期各個時相的相關酶 和蛋白,然后自身失活(正調控)確保每一時相事件的全部完成(負調控) 對外界環(huán)境因子起反應(如多細胞生物對增殖信號的反應)4一、MPF的發(fā)現及組成把M期細胞的細胞質注射到卵細胞，發(fā)現可以促進卵細胞成熟分裂，繼續(xù)用該卵細胞細胞質誘導新的卵細胞，仍然可以促進卵細胞成熟分裂。因而他們推測M期細胞中必然有一種物質可以誘導卵細胞成熟分裂，即促細胞成熟因子（maturation promoting factor, MPF）。5MPF的組成： MPF是一種蛋白復合物，具有蛋白激酶活性，由兩個亞單位組成，一個是細胞周期素（Cyclin），另一個是細胞周期素依賴

3、性蛋白激酶(Cyclin-dependent protein kinase，CDK）。6二、MPF的功能（細胞進出M期的調控）1.M期Cyclin-Cdk復合物（MPF）的活化隨Cyclin濃度變化而變化激酶與磷酸酶的調節(jié)活化的MPF可使更多的MPF活化2. MPF的失活3.功能：啟動細胞從G2期進入M期的相關事件78MPF Cdk=M-CdK= CdK1(CDK1)=cdc2 kinase MPF cyclin=M-cyclin=CyclinB,濃度隨細胞周期變化而變化CAK=CDK1-Activiting Kinase, 細胞進入G2 期，CyclinB濃度及活性升高，它與CDK1結合，使

4、CDK1的活性位點暴露出來，此時CAK進一步磷酸化CDK1，但是由于CDK分子內尚有另外兩個抑制性位點被Wee1磷酸化，使CDK1仍處于抑制狀態(tài)，屬于負調控。9 到G2 期末，磷酸酶cdc25使CDK1的兩個抑制性位點去磷酸化，解除了Wee1的抑制作用，使CDK1有活性，屬于正調控。CAKWeelcdc2510調節(jié)性激酶和磷酸酶Wee1使CDK Thr14和Tyr15磷酸化，遮蔽CDK激酶活性位點。cdc25 去除Thr14和Tyr15磷酸化，恢復CDK激酶活性。1112cdc25活化的MPF能促進磷酸酶cdc25的激活，從而使更多的MPF活化，這是一個正反饋。13 到了M中期末，CDK1的激

5、酶活性達到高峰，通過一種未知的途徑，激活促后期蛋白復合體（anaphase promoting complex, APC）。MPF的失活：CyclinB的降解14APC是一種遍在蛋白連接酶(Ubiquitin ligase), APC使CyclinB發(fā)生遍在蛋白多聚化（泛素化），使蛋白酶體（proteosome）能識別并降解CyclinB，這種機制稱為遍在蛋白化降解機制。15M期Cyclin的N端有一段序列與其降解有關，叫降解盒。當MPF活性最高時，通過遍在蛋白連接酶催化遍在蛋白與cyclinB結合，cyclinB隨后被蛋白酶體水解。16遍在蛋白由76個氨基酸組成，高度保守，普遍存在于真核細胞

6、，故名遍在蛋白。共價結合遍在蛋白的蛋白質能被蛋白酶體識別和降解，這是細胞內短壽命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑，遍在蛋白相當于蛋白質被摧毀的標簽。蛋白酶體是一個大型的蛋白酶，可將遍在蛋白化的蛋白質分解成短肽。APC還可以用遍在蛋白化降解機制降解連接姐妹染色單體的蛋白，促使姐妹染色單體分開，使細胞從M中期進入M后期。17MPF（M-CdK, CDK1）激發(fā)M期事件使細胞進入M期M-CdK核纖層蛋白磷酸化組蛋白H1磷酸化核膜破裂染色體凝集相關蛋白磷酸化紡錘體形成相關蛋白磷酸化骨架和細胞器重排M期開始18M-CdK的活性下降導致細胞出M期由于前述的遍在蛋白化降解機制，CyclinB降解， M-Cd

7、K活性下降，到M末期達到最低點，原來磷酸化的蛋白去磷酸化，從而發(fā)生了與進入M期相反的過程，細胞就走出了M期。192001年10月8日美國人LelandHartwell、英國人Paul Nurse、TimothyHunt因對細胞周期調控機理的研究而榮獲諾貝爾生理醫(yī)學獎。20Cyclin-Cdk復合物的多樣性 Cyclin：細胞周期素，能與CDK結合，通過調節(jié)CDK的活性，間接調節(jié)細胞周期的運行。脊椎動物的Cyclin有Cyclin A（S期細胞周期素）， Cyclin B（M期細胞周期素）， Cyclin D（ G1 期細胞周期素）， Cyclin E（ G1 /S 期細胞周期素）等。 CDK：

8、細胞周期素依賴性蛋白激酶（cyclin-dependent protein kinase），通過磷酸化靶蛋白控制細胞周期中的事件，包括G1 、 G1 /S、 S和 M期CDK Cyclin-Cdk-調控細胞周期的引擎：不同的細胞周期素與不同的CDK結合，構成不同的Cyclin-Cdk復合物； 不同的Cyclin-Cdk復合物在不同的時相表現活性，影響不同的下游事件。2122細胞進出S期的調控（一）DNA復制啟動的調控 DNA的復制是由起始復制點（origins of replication）開始的，起始復制點是一種自主復制序列，散布在染色體上。在整個細胞周期中，起始復制點上結合有起始識別復合體

9、（Origin recognition complex, ORC），其作用就象一個停泊點，供其它調節(jié)因子?？?。 Cdc6是一種調節(jié)因子，在G1期Cdc6含量瞬間提高，Cdc6結合在ORC上，在ATP供能下，促進6個亞單位構成的Mcm復合體和其他一些蛋白結合到ORC上，形成前復制復合體（pre-replicative complex，pre-RC），Mcm實際上就是DNA解旋酶。23ORC-binding site即起始復制點S-CdK主要通過與DNA起始復制點的pre-RC結合，啟動DNA的合成。24 S-CdK觸發(fā)pre-RC的啟動，同時阻止了DNA再次進行復制，因為S-CdK將Cdc6磷酸

10、化，使其脫離ORC，磷酸化的Cdc6隨后被遍在蛋白化途徑降解。 S-CdK的活性可持續(xù)到M早期，另外， M-CdK也能磷酸化Cdc6和Mcm，從而保證了DNA僅復制一次。（二）防止DNA重復復制的調控25至M末期，細胞中的M-CdK和S-CdK活性均下降到0， Cdc6和Mcm蛋白去磷酸化，重新與ORC結合形成pre-RC，細胞進入G1期，為下一周期DNA復制作準備。26細胞周期運轉的阻遏(細胞周期運轉的負調控)細胞周期調控蛋白的種類1.CDK CDK分子的含量在整個細胞周期中比較恒定。 CDK具有激酶活性位點，但其本身沒有激酶活性。只有在與特定的cyclin分子結合后，同時其分子內某些氨基酸

11、位點處于正確的磷酸化狀態(tài)時，CDK分子才有活性。2.細胞周期素（Cyclin）含量呈周期性變化，能與CDK結合，使CDK磷酸化和活化的蛋白，包括G1 、 G1 /S、 S和 M期細胞周期素 3.CDK抑制因子（CDK inhibitor, CKI）抑制CDK的激酶活性，阻斷或延遲細胞周期的運行。27細胞至少可通過兩種不同機制阻遏細胞周期的運轉： Cdk抑制蛋白(CKI)阻止Cyclin-Cdk復合物的裝配或活 性；周期調控系統(tǒng)組分停止合成。CKI包括CIP/KIP家族和INK4家族及其它蛋白，其作用是抑制Cyclin-Cdk復合物的裝配或活性，而將細胞阻止在不同的檢驗點。如DNA受損后，細胞將

12、停留于G1 Checkpoint 讓DNA修復或者凋亡。CKI如p21, p15, p16,p27等。周期調控系統(tǒng)組分停止合成，如G0細胞，大部分Cyclin和Cdk都消失，這在多細胞生物尤其明顯。28發(fā)生在G1期的細胞周期調控事件G1期Cdk活性較低的原因：1.CKI作為細胞周期的抑制因子直接與CDK或Cdk蛋白復合體結合，抑制Cdks的活性。2.由于Cyclin轉錄活性下降，引起Cdks活性下降。Cdks活性下降的意義：可防止細胞在G1期啟動DNA復制和細胞分裂等事件，保證細胞有足夠時間完成G1期的事件。29G1期Cyclin和CDK的激活 細胞在激素或生長因子的刺激下，G1期Cyclin

13、 D表達，并與CDK4、CDK6結合，使CDK4和CDK6的活性升高，進而激起G1 /S-CdK和S-CdK蛋白復合體的活性升高，從而啟動了DNA合成，使細胞從G1期進入S期。30細胞周期檢驗點(限制點checkpoint)細胞周期檢驗點是細胞周期調控的一種機制, 主要是確保周期每一時相事件的有序、全部完 成并與外界環(huán)境因素相聯系 細胞周期檢驗點及其作用 31細胞周期的檢驗點有四個： DNA損傷限制點（ G1/S檢驗點）:在酵母中稱start點，在哺乳動物中稱R點(restriction point)，控制細胞由靜止狀態(tài)的G1進入DNA合成期，相關的事件包括：DNA是否損傷？細胞外環(huán)境是否適宜？細胞體積是否足夠大？ DNA 復制限制點（S期檢驗點）：DNA復制是否完成？ DNA復制如果沒完成，則細胞不能進入M期。G2/M檢驗點：是決定細胞一分為二的控制點，相關的事件包括：DNA是否損傷？細胞體積是否足夠大？紡錘體連接限制點（中-后期檢驗點）：任何一個染色體動粒沒有正確連接到紡錘體上