第七章細胞增殖及其調(diào)控

1

第七章細胞增殖及其調(diào)控

27.1

細胞增殖

細胞分裂之前，必須進行一定的物質(zhì)準備。物質(zhì)準備和細胞分裂的循環(huán)過程稱為細胞增殖。細胞增殖是細胞生命活動的重要特征，是生物繁育的基礎。細胞增殖受到嚴密的調(diào)控機制所監(jiān)控，必須遵循一定的規(guī)律。37.2

細胞周期細胞從一次分裂結束后開始，經(jīng)過物質(zhì)累積過程，直到下一次細胞分裂結束為止所經(jīng)歷的全過程，稱為一個細胞周期。完成一個細胞周期所需的時間稱為細胞周期時間。4

7.2.1細胞周期時相

細胞周期時相

◆G1期即從M期結束到S期開始前的一段間歇期;◆S期,即DNA合成期;◆G2期,即DNA合成后(S期)到有絲分裂前的一個間歇期;

◆M期,即有絲分裂期。5標準細胞周期:

細胞周期時間的長短：同種細胞，細胞周期時間長短相似或相同；不同細胞種類，細胞周期時間長短差別很大；高等生物體的細胞周期時間長短主要差別在G1期。6多細胞生物體中的細胞類群——依據(jù)細胞周期劃分◆周期中細胞：持續(xù)分裂細胞◆G0期細胞：又稱靜止期細胞。

是周期中細胞暫時脫離細胞周期,停止分裂增殖,去執(zhí)行一定的生物學功能,如某些免疫淋巴細胞,肝細胞,腎細胞等。

◆終末分化細胞：

永久性失去了分裂能力的細胞。（周期中細胞）信號刺激G1G07細胞周期時相

897.2.2細胞周期各時相

的主要事件⒈

G1期

⑴合成活動：

⑵芽殖酵母細胞周期中的起始點（start）：

⑶限制點（R點）：⑷檢驗點：⑸由G1期向S期轉換的影響因素：

⑹cdc基因：10⑺G1/S期檢驗點：檢測DNA是否損傷？檢驗細胞體積是否足夠大？檢驗細胞外環(huán)境是否適宜？如果上述條件都合適，就會激發(fā)DNA復制，使細胞周期進程向前移動。在一些真核生物中，該檢驗點是細胞周期的主要控制點，它決定細胞能否分裂。11⒉S期——DNA合成期合成和組裝活動：合成DNA和組蛋白并組裝成核小體結構。DNA復制受多種細胞周期調(diào)節(jié)因素的嚴密調(diào)控。DNA復制與細胞核結構密切相關。12◆G2期合成活動：合成著絲粒蛋白、細胞周期蛋白B和微管蛋白等大量蛋白質(zhì)。G2/M期檢驗點：控制細胞周期能否順利進入進入M期?！鬗期細胞分裂活動：M期中-后期檢驗點：檢測所有的染色體是否都與紡錘體相連，并排列在赤道板上。13細胞周期運轉規(guī)律

14細胞

周期

調(diào)控

的

研究2001年

諾貝爾生理學/醫(yī)學獎得主152001年10月8日,在諾貝爾獎的百年慶典上,瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學院宣布將該年度的諾貝爾醫(yī)學或生理學獎授予了美國科學家LelandHartwell(利蘭·哈特韋爾)以及英國科學家R.Timothy(Tim)Hunt(蒂莫西·亨特)和PaulNurse(保羅·納斯)以表彰他們發(fā)現(xiàn)了細胞周期的關鍵調(diào)控分子。16利蘭·哈特韋爾發(fā)現(xiàn)了大量控制細胞周期的基因（cdc基因），其中一種被稱為“START”的基因對控制各個細胞周期的最初階段具有決定性的作用。保羅·納斯的貢獻是在哈特韋爾的基礎上，通過基因與分子學方法發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)細胞周期的一種關鍵物質(zhì)CDK（細胞周期蛋白依賴激酶），CDK是通過對其他蛋白質(zhì)的化學修飾（磷酸化）來驅動細胞周期的。蒂莫西·亨特的貢獻是首次發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)CDK功能的物質(zhì)CYCLIN（細胞周期蛋白）。17卡羅林斯卡醫(yī)學院評價說，哈特韋爾、納斯和亨特3人的發(fā)現(xiàn)對研究細胞的發(fā)育有重大的影響，特別是對開辟治療癌癥新途徑將具有極其深遠的意義，因為細胞周期控制過程中出現(xiàn)的缺陷可以導致癌細胞中染色體的變異。18三位諾貝爾獎獲得者發(fā)現(xiàn)了調(diào)控細胞周期的分子機制。CDK分子的數(shù)量在細胞周期中是不變的，但因為周期素的調(diào)節(jié)作用，它們的活性要發(fā)生變化。周期素可以調(diào)節(jié)細胞周期運轉的特定過程。例如，周期素E/CDK2可以控制S時相的初始化；周期素B/CDC2可以控制核膜分解和染色體凝聚。CDK和周期素一起驅動細胞從細胞周期的一個時相向下一個時相轉換。CDK分子可以看作是一個引擎，而周期素可看成是一個變速箱，控制引擎在一個閑置狀態(tài)運行或是驅動細胞周期向前進行。19一、物理法人工同步化（一）振蕩收集法（二）梯度離心法二、化學法人工同步化（一）秋水仙胺阻抑法——M期同步化（二）N2（氮氣）阻斷法——M期同步化（三）胸腺嘧啶核苷（TdR）雙阻斷法——S期同步化7.2.3細胞周期同步化207.2.4細胞周期調(diào)控7.2.4.1在細胞周期調(diào)控中蛋白激酶

作用的研究染色體超前凝集（PCC）的發(fā)現(xiàn)——細胞融合實驗◆研究者：1970年，Colorado（科羅拉多）大學的RobertJohnson

和PotuRao。◆研究思路：什么控制DNA的復制和染色體的凝集？21◆研究方法：⑴S期Hela細胞與G1期細胞融合，發(fā)現(xiàn)G1期細胞中的DNA開始復制；S期細胞與G2期細胞融合，發(fā)現(xiàn)G2期細胞核中已經(jīng)復制過的DNA沒有再復制。

結論：正在進行DNA復制的細胞的細胞質(zhì)中含有促進G1期細胞進行DNA復制的起始因子，而這種起始因子對于已經(jīng)進行了DNA復制的G2期細胞沒有作用。

22⑵M期Hela細胞與處于細胞周期其他階段的間期細胞融合，發(fā)現(xiàn)與M期細胞融合的間期細胞均發(fā)生了形態(tài)各異的染色體凝集現(xiàn)象，稱為染色體超前凝集（PCC）。

結論：M期細胞中一定有一種能促使染色體凝集的因子，稱為細胞促成熟因子。23G1期細胞與M期細胞融合——單線狀24S期細胞與M期細胞融合——粉末狀25G2期細胞與M期細胞融合——雙線狀26MPF的發(fā)現(xiàn)

◆促成熟因子(maturation-promotingfactor，MPF）,早期稱為M-期促進因子(M-phasepromotingfactor,MPF)，是指M期細胞中存在的促進細胞分裂的因子?！粞芯空撸?971年，Masui和Markert,明確提出MPF的概念。◆研究思路：能否從細胞質(zhì)中提取某些物質(zhì)注入其他細胞使之分裂。27◆實驗材料：非洲爪蟾卵母細胞◆實驗結果：成熟卵細胞細胞質(zhì)能誘導卵母細胞成熟分裂形成成熟的卵細胞?！敉普摚涸诜侵拮赋墒炻鸭毎募毎|(zhì)中必然有一種物質(zhì)，可以誘導卵母細胞成熟，稱其為促成熟因子，即MPF。28MPF的活性測定實驗◆實驗材料：非洲爪蟾卵母細胞◆實驗方法：（1）卵母細胞+蛋白質(zhì)合成抑制劑+孕酮激素；（2）卵母細胞+蛋白質(zhì)合成抑制劑+成熟卵細胞細胞質(zhì)?！魧嶒灲Y果：實驗（1）卵母細胞不能成熟；實驗（2）卵母細胞成熟?！敉普摚涸诔墒炻鸭毎募毎|(zhì)中MPF已經(jīng)存在。29MPF的結構組成及特性◆1988年，Maller實驗室，Lohka等人；◆非洲爪蟾卵為實驗材料，分離純化得到MPF；◆研究證明是由兩個不同的亞基組成的異二聚體蛋白，是一種蛋白激酶:●催化亞基：p32cdc2●調(diào)節(jié)亞基：p45---周期蛋白(cyclin)。30MPF的結構31p34cdc2、

p34cdc28及其與蛙卵中MPF的關系◆cdc（celldivisioncycle）基因：◆cdc2基因是裂殖酵母細胞中最重要的基因，其突變會導致細胞周期停留在G2/M交界處?！魀34cdc2是cdc2基因的表達產(chǎn)物，具有蛋白激酶活性。在裂殖酵母細胞周期調(diào)控過程中起關鍵性調(diào)節(jié)作用，促進G2/M轉換。32◆cdc28基因是芽殖酵母細胞中最重要的基因，其突變會導致細胞周期停留在G1/S交界處，或停留在G2/M交界處。◆p34cdc28是cdc28基因的表達產(chǎn)物，也具有蛋白激酶活性。在芽殖酵母細胞周期由G2/M轉換過程中起關鍵性調(diào)節(jié)作用，同時對G1/S的轉換也是必需的?！艚湍讣毎械膒34cdc2和p34cdc28與蛙卵中MPF的p32cdc2是同源物。三者本身均不具有激酶活性，只有當與有關蛋白結合后，其激酶活性才能表現(xiàn)出來。33細胞周期蛋白的發(fā)現(xiàn)與鑒定◆1983年，TimHunt（美）報道，在海膽卵細胞中存在兩種特殊蛋白質(zhì)，其含量隨細胞周期進程變化而變化，一般在細胞間期內(nèi)積累，在細胞分裂期內(nèi)消失，在下一細胞周期又重復這一消長現(xiàn)象，因而將其命名為周期蛋白。◆周期蛋白廣泛存在于各種真核細胞中?！羰钦T導細胞進入M期所必需的?！舴侵拮窶PF中的另一種主要成分是周期蛋白B，即p45?！糁芷诘鞍譈與酵母的p56cdc13是同源物。34周期蛋白種類及功能的執(zhí)行◆周期蛋白種類●酵母中的周期蛋白

●高等動物的周期蛋白●G1期周期蛋白●M期周期蛋白35表1不同類型的周期蛋白激酶復合體脊椎動物芽殖酵母CyclinCDKCyclinCDKG1-CDKCyclinDCDK4、6Cln3CDK1(Cdc28)G1/S-CDKCyclinECDK2Cln1、2CDK1(Cdc28)S-CDKCyclinACDK2Cln5、6CDK1(Cdc28)M-CDKCyclinBCDK1(CDK2)Cln1-4CDK1(Cdc28)36周期蛋白分子結構特點

◆周期蛋白共同的分子結構特點：●氨基酸序列保守的周期蛋白框

——周期蛋白與CDK結合的關鍵結構

◆

M期周期蛋白的分子結構特點：●破壞框及賴氨酸富集區(qū)◆

G1期周期蛋白的PEST序列：37◆周期蛋白功能的執(zhí)行

●不同的周期蛋白在細胞周期內(nèi)表達的時期不同，并與不同的CDK結合，調(diào)節(jié)不同的CDK激酶的活性。

38G1期cyclinD表達，并與CDK4、CDK6結合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，磷酸化的Rb釋放出轉錄因子E2F，促進許多基因的轉錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。

圖CyclinD與CDK結合使Rb釋放結合的轉錄因子E2F39在G1-S期，cyclinE與CDK2結合，促進細胞通過G1/S限制點而進入S期。向細胞內(nèi)注射CyclinE的抗體能使細胞停滯于G1期，說明細胞進入S期需要CyclinE的參與。同樣將CyclinA的抗體注射到細胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)能抑制細胞的DNA合成，推測CyclinA是DNA復制所必需的。在G2-M期，cyclinA、cyclinB與CDK1結合，CDK1使底物蛋白磷酸化、將組蛋白H1磷酸化導致染色體凝縮、使核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等下游細胞周期事件。

40CDK激酶及其活性調(diào)節(jié)◆周期蛋白依賴性蛋白激酶，簡稱CDK?！舸祟惣っ付己幸欢晤愃频陌被嵝蛄小狿STAIRE序列?！襞c周期蛋白結合，并以周期蛋白作為其調(diào)節(jié)亞單位，進而表現(xiàn)出蛋白激酶活性。◆不同CDK激酶所要求結合的周期蛋白不同，在細胞周期中執(zhí)行的調(diào)解功能也不同。

41◆CDK分子中有一些重要位點，通過磷酸化修飾對CDK激酶活性起重要調(diào)節(jié)作用。◆細胞內(nèi)存在多種因子，通過對CDK分子結構進行修飾，參與CDK激酶活性調(diào)節(jié)?！?/p>

CDK激酶抑制物（CDKI）●細胞內(nèi)存在的一些對CDK激酶活性起負性調(diào)控，即對CDK激酶起抑制作用的蛋白質(zhì)，稱為CDK激酶抑制物。42細胞周期運行的調(diào)控機制細胞周期運轉受到細胞內(nèi)外各種因素的精密調(diào)控，細胞