細胞生物學細胞周期與調(diào)控

關(guān)于細胞生物學細胞周期與調(diào)控人來源于人人的繁殖“一切細胞來自細胞”細胞的增殖細胞增殖(cellproliferation)是細胞通過生長和分裂使細胞數(shù)目增加的過程。

細胞增殖是細胞生命活動的基本特征之一細胞增殖?細胞周期與調(diào)控第2頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

細胞增殖有十分精確的調(diào)控機制，表現(xiàn)出精確的平衡和嚴格的時間及空間的順序性和周期性，如果異常就會產(chǎn)生疾病。如造血細胞生成的速率小于血液中細胞死亡的速率，就會造成貧血；機體局部細胞無休止的分裂就會產(chǎn)生腫瘤；細胞增殖過程中染色體分配異常就會導致染色體病。所以探討細胞增殖的機理對于醫(yī)學的理論和實踐有十分重要的意義。第3頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)細胞周期的基本概念一、細胞周期（cellcycle)

細胞增殖的順序性和周期性：細胞周期生長分裂第4頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（一）細胞增殖周期概念細胞周期：指連續(xù)分裂的細胞從親代細胞分裂結(jié)束開始到子代細胞分裂結(jié)束為止所經(jīng)歷的全過程，簡稱細胞周期(cellcycle)。何為細胞周期?第5頁,共61頁，2024年2月25日，星期天DNA合成前期(G1期)

間期DNA合成期(S期)DNA合成后期(G2期)細胞周期分裂期（M）前期、中期、后期、末期“圓”常用于表示周期性概念第6頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（二）細胞周期時間不同生物或不同組織細胞的周期時間可以有很大差別:有的只需幾十分鐘，如早期胚胎細胞；有的要幾十個小時，如某些上皮細胞和離體培養(yǎng)細胞；也有的要1-2年（肝、腎實質(zhì)細胞）甚至更長的時間。細胞周期時間(cycletime，TC)細胞增殖過程所經(jīng)歷的時間則稱為細胞周期時間。何為細胞周期時間?第7頁,共61頁，2024年2月25日，星期天不同細胞的周期時相差別很大：TCTG1TSTG2TMTCTG1小鼠食道上皮87757.24.10.712小鼠腹壁上皮1511396.25.30.512

人大腸粘膜241011.520.514

人宮頸癌2086.84.51.512人羊膜19.49.86.82.20.69.6大鼠肝47.528161.81.715.5人肺成纖維細胞16.86640.810.8細胞時相(小時)第8頁,共61頁，2024年2月25日，星期天從表中可看出:不同細胞的TC差別很大TC與TG1的變化一致TS+

TG2+

TM值比較穩(wěn)定,約12-24小時TM較小,約1小時左右可見,G1期時間決定細胞周期時間第9頁,共61頁，2024年2月25日，星期天二、細胞周期各時相的劃分

ＤＮＡ合成前期（Ｇ１期）細胞增殖周期（TC）ＤＮＡ合成期（Ｓ期）ＤＮＡ合成后期（Ｇ２期）分裂期（M）細胞周期各個階段所需時間分別為:TG1、TS、TG2、TMTC=TG1+TS+

TG2+

TM單位:小時第10頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

持續(xù)增殖細胞不斷進入周期，進行分裂，如皮膚生發(fā)層細胞，骨髓造血細胞等。

暫不增殖細胞

又稱Ｇ０期細胞，如肝腎的部分細胞。肝切除后開始分裂修復。不增殖細胞

即細胞失去增殖能力，合成

（分化細胞）其功能性蛋白而走向分化，又稱不育細胞或終末細胞。根據(jù)細胞增殖狀態(tài)，將機體細胞分三類：第11頁,共61頁，2024年2月25日，星期天分化死亡G0Ｇ1期細胞三種去向：第12頁,共61頁，2024年2月25日，星期天Ｇ0

期細胞的特點：

表型分化的細胞，其性質(zhì)與Ｇ1期相似，因此，可視為延長了的Ｇ1期細胞

暫停分裂

可恢復增殖能力

對藥物的敏感性差Ｇ０期細胞即部分G1期細胞離開周期暫停分裂,當給予適宜的刺激時又可進入周期開始分裂，這類細胞稱為Ｇ0期細胞。如肝細胞、腎細胞等什么是G0細胞?第13頁,共61頁，2024年2月25日，星期天細胞周期各時相生化特點的總結(jié)

G1SG2MG1AG1BRNA合成S期需要的酶DNA復制有絲分裂因子染色質(zhì)組裝為蛋白質(zhì)合成及前體物質(zhì)組蛋白、及微管蛋白的合成染色體，均等核糖體形成的合成非組蛋白合成分配入子細胞（細胞生長（為DNA復（為細胞分裂胞質(zhì)分裂物質(zhì)積累）制做準備）做準備）第14頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第15頁,共61頁，2024年2月25日，星期天細胞周期的特點有：單向性即細胞只能沿G1→S→G2→M方向推進而不能逆行階段性在4個連續(xù)的時相中，細胞的形態(tài)與代謝特點有較明顯的差異，細胞可因某種原因在某時相停滯(arrest)下來，待生長條件好轉(zhuǎn)后，細胞可重新活躍起來過渡到下一時相。

第16頁,共61頁，2024年2月25日，星期天試想一想，46條染色質(zhì)（每條染色體DNA長度約40000μm）繞在一個很小的范圍內(nèi)(細胞核直徑約30μm），如何平均分配？染色體形成的意義——完成遺傳物質(zhì)的平均分配只有繞成一個個線團，才能平均分配。第17頁,共61頁，2024年2月25日，星期天調(diào)控元素：細胞周期素(cyclin)細胞周期素依賴激酶

(cyclin-dependentkinase，CDK)細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑（CDKinhibitoryproteinCKIS）

Cyclins–CDKs–CKIS調(diào)控網(wǎng)絡第二節(jié)

細胞周期調(diào)控第18頁,共61頁，2024年2月25日，星期天背景成熟促進因子(maturationpromotingfactor，MPF)=CDK1(cdc2)+cyclinB第19頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1983年，Evans等首次在海洋無脊椎動物中發(fā)現(xiàn)一組蛋白質(zhì)呈周期性出現(xiàn)，并調(diào)節(jié)細胞的生長，其被確定為細胞周期蛋白(細胞周期素)。細胞周期蛋白（cyclin）

至少發(fā)現(xiàn)有11種不同的cyclin，分別為A、B1、B2、C、D1、D2、D3、E、F、G和H。其中8種主要的cyclin己被分離。根據(jù)cyclin調(diào)控細胞周期時相的不同，可分為G1期和M期兩大類。

第20頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（一）G1期胞周期蛋白（G1—cyclin）作用在G1期或G1/S交界期，啟動細胞周期和促進DNA合成的cyclin，G1期是增殖細胞唯一能接受從外界傳入的增殖或抑制增殖信號的時期。cyclinD

：cyclinD1、cyclinD2、cyclinD3cyclinC

cyclinE

：cyclinE1、cyclinE2

第21頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1、cyclinD

cyclinD能激活CDK6，驅(qū)動細胞通過START。它有3個亞型，包括D1、D2、D3，具組織特異性。在細胞周期的調(diào)節(jié)中cyclinDl是一個比其它cyclins更加敏感的指標。

cyclinD1全長約15kb，最小，該蛋白半衰期很短，不足25min。在有生長因子的情況下，cyclinD1在細胞周期中首先被合成，并于G1中期合成達到高峰，cycllnD1的功能主要是促進細胞增殖，是G1期細胞增殖信號的關(guān)鍵蛋白質(zhì)，被視為癌基因，其過度表達可致細胞增殖失控而惡性化。

cyclinD2的編碼基因位于12p13，稱為CCND2，在正常的二倍體細胞及Rb陽性腫瘤細胞中cyclinD2的表達呈波動狀態(tài)，其峰值在G1晚期。給G1期細胞微量注射cyclinD2抗體，可使表達cyclinD2的淋巴細胞停滯在G1期，說明cyclinD2是細胞從G1期向S期轉(zhuǎn)移所必須的。

cyclinD3稱為CCND3。正常和惡性組織中未見cyclinD3基因異常及其蛋白的過度表達。目前認為cyclinD3似乎不直接反映惡性度，而是腫瘤發(fā)展到晚期的結(jié)果。第22頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第23頁,共61頁，2024年2月25日，星期天2、cyclinC

cyclinC與所有cyclin的同源性最低，主要在果蠅及人類細胞中發(fā)現(xiàn)，它與其他G1-cyclin不同的是其mRNA和蛋白質(zhì)水平在G1早期達最高，可能在G1早期發(fā)揮作用。第24頁,共61頁，2024年2月25日，星期天3、cyclinE

cyclinE在cyclinD之后出現(xiàn)，于G1／S轉(zhuǎn)化過程中表達，人類cyclinE基因定位于染色體19q12-q13。cyclinE中1／3段為高度保守區(qū)，稱為周期蛋白盒，此為CDKs結(jié)合所必須。在G1晚期發(fā)揮正調(diào)控細胞周期的作用。cyclinE蛋白的C端存在PEST序列(一個富含脯氨酸（P）、谷氨酸（E）、天冬氨酸（S）、絲氨酸和蘇氨酸（T）殘基的PEST序列，在蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)化和降解中起作用)

。

cyclinE基因及其產(chǎn)物的表達在細胞周期的G1中期上升，至G1晚期或S早期達高峰，然后經(jīng)與“PEST”序列有關(guān)的蛋白水解或與S期激酶相關(guān)蛋白-2(S-phasekinase-associatedproteinSKP2）泛素路徑降解而迅速下降。缺乏SKP2的細胞表現(xiàn)cyclinE蛋白降解不足并不斷積累。

第25頁,共61頁，2024年2月25日，星期天（二）

M期細胞周期蛋白（M-cyclin）在G2／M交界期誘導細胞分裂的cyclin。cyclinA：cyclinA是G1期向S期轉(zhuǎn)移的限速因素，也可促進細胞從G2期向M期的轉(zhuǎn)化。cyclinB：cyclinB是有絲分裂蛋白激酶的一個亞單位，能促進G2期向M期的過渡。哺乳動物cyclinB在S晚期合成。cyclinA與cyclinB之間存在多種差異（1）周期積累方式不同，cyclinA含量在S期及G2期初最高，cyclinB在G2期末含量最高；（2）結(jié)合的催化亞基不同；（3）功能不同，cyclinA在S期發(fā)揮作用，與DNA的復制完成有關(guān)，cyclinB在G2／M交界期發(fā)揮作用，誘發(fā)細胞分裂；（4）對細胞分裂的影響不同，cyclinB持續(xù)升高可使細胞停滯于分裂期，而cyclinA的持續(xù)升高并不影響細胞分裂的完成。第26頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

二、細胞周期素依賴激酶

(cyclin-dependentkinase，CDK)

CDK是一類重要的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，包括CDK1—7種。催化亞基CDK

復合物調(diào)節(jié)亞基cyclin。ATP的結(jié)合部位

第27頁,共61頁，2024年2月25日，星期天三、細胞周期蛋白依賴性激酶抑制劑（CDKinhibitoryproteinCKIS）

CKIS是CDK抑制蛋白，通過競爭性地抑制cyclin或cyclin—CDK復合物，導致cyclin生物學功能喪失；G1期CKIS有2個蛋白家族：（一）INKs：p15、p16、p18、p19

是CDK4和CDK6的特異性抑制物。（二）CIP／

KIPs：p21、P27、p57等，抑制各種cyclin-CDK復合物，阻止CDK激酶的激活，或阻止活化的CDK激酶活性。

第28頁,共61頁，2024年2月25日，星期天1、P16p16INK4又稱多腫瘤抑制基因(multipletumorsuppressorMTSI)，是CDK4的特異性抑制物，可與cyclinD競爭與CDK4或CDK6的結(jié)合，抑制CDK4對細胞生長分裂的正向作用，參與抑制細胞周期G1／S的轉(zhuǎn)化。p16在缺乏功能性Rb的細胞中水平上升，提示Rb可能抑制p16的表達，同時Rb刺激cyclinD的表達。2、p15INKBp15INKB與p16一樣屬抑癌基因。

3、P27

P27可能是最直接地影響G1/S期限制位點的調(diào)控。廣泛抑制cyclin—CDK復合物。正常情況下P27在G0／G1時表達增高，進入S期后表達下降。人的p27cDNA全長594bp，編碼198個氨基酸，是高度保守的蛋白分子。其N末端介導抑制CDK，約12-87氨基酸主序列與p21同源。第29頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

p27表達水平受多種因素調(diào)控，如有絲分裂原、抗增殖信號因子、細胞因子、癌基因子及接觸抑制等。

TGF-β和接觸抑制能共同調(diào)控轉(zhuǎn)錄

p27和p15，其負調(diào)節(jié)信息的共同通路是抑制CDK和G1—cyclin功能，發(fā)揮CKI抑制作用。

TGF-β對p27表達的影響是雙相的，在大多數(shù)細胞中，TGF-β可誘導p27的表達，但是在正常垂體前部和垂體瘤細胞中，TGF-β可下調(diào)p27mRNA及蛋白的表達。

PDGF、EGF等也可下調(diào)p27的表達。

p27對細胞周期的調(diào)控主要依賴于其蛋白表達水平，而非基因突變。p27的表達下降或缺失會引起基因組不穩(wěn)定，甚至導致腫瘤發(fā)生。

第30頁,共61頁，2024年2月25日，星期天4、p21

p21基因位于染色體6p21．2，第17-71氨基酸含有cyclin結(jié)合抑制區(qū)。p21可能阻礙細胞進入S期；能抑制SAPK(stress-activatedproteinkinase)，參與細胞應激狀態(tài)時的信號轉(zhuǎn)導級聯(lián)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。

第31頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第32頁,共61頁，2024年2月25日，星期天p27絲裂原刺激G0G1SG2MG1SG2MG0DEAB細胞受絲裂原刺激后合成cyclin的時序和相對濃度第33頁,共61頁，2024年2月25日，星期天CyclinB的降解途徑第34頁,共61頁，2024年2月25日，星期天名稱與之結(jié)合的細胞周期素CDK1CDK2CDK3CDK4CDK5CDK6CDK7CDK8cyclinBcyclinA,D,E未知cyclinDcyclinDcyclinDcyclinDcyclinD細胞周期素及與之對應的CDKs第35頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

細胞周期的調(diào)控可分為外源和內(nèi)源性調(diào)控,外源性調(diào)控主要是細胞因子以及其它外界刺激引起；內(nèi)源性調(diào)控主要是通過Cyclin—CDK—CDI的網(wǎng)絡調(diào)控來實現(xiàn)。

調(diào)控中各元素間的相互作用

第36頁,共61頁，2024年2月25日，星期天圖1.cyclin、CDK及CDKI相互關(guān)系第37頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

各種細胞周期蛋白隨特定細胞時相而出現(xiàn)。

G1早期，cyclinD表達并與CDK2或CDK4結(jié)合，成為始動細胞周期的啟動子；

G1晚期、進入S早期后cyclinE表達，并與CDK2結(jié)合，推動細胞進入S期；進入S期后，cyclinA表達，cyclinD、cyclinE降解；

S晚期、G2早期，cyclIinA、cyclinB表達，并與cdc2(CDK1)結(jié)合，促進細胞進入M期。第38頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

cyclinA和CDK2相結(jié)合可以調(diào)節(jié)S期進入G2期；

cyclinBl—2可與CDKl結(jié)合并在G2／M轉(zhuǎn)化期間活性達到最高峰；與cyclinC匹配的CDK及其酶解底物尚不清楚；

cyclinH與cyclinC有較高的同源序列，可以和CDK7裝配成全酶對細胞周期各階段行使調(diào)節(jié)作用。

第39頁,共61頁，2024年2月25日，星期天細胞轉(zhuǎn)錄因子（E2F）在許多DNA合成基因和細胞生長調(diào)控基因的啟動子中均含有E2F的位點，E2F可以直接活化這些基因，啟動DNA合成使細胞進入S期。在E2F基因活化轉(zhuǎn)錄功能區(qū)內(nèi)有一段18個氨基酸的序列可與Rb結(jié)合，Rb通過與E2F功能區(qū)的結(jié)合遮蓋其功能區(qū)，抑制其活性轉(zhuǎn)錄功能，抑制DNA合成。

E1A的介入，釋放出更多的游離E2F，影響著一些與轉(zhuǎn)化表型有關(guān)的特定基因表達。

第40頁,共61頁，2024年2月25日，星期天Rb基因

Rb基因位于人類染色體13q14，其轉(zhuǎn)錄產(chǎn)物Rb蛋白是主要的轉(zhuǎn)錄信號連接物，在細胞周期中起制動器功能。它能與轉(zhuǎn)錄因子E2F結(jié)合并阻止相應基因轉(zhuǎn)錄表達，從而抑制細胞生長。

cyclinD是Rb調(diào)節(jié)細胞周期的基礎。cyclinD1-CDK4復合物可看做G1期Rb蛋白激酶，它能結(jié)合Rb的N末端，磷酸化Rb蛋白，使轉(zhuǎn)錄因子釋放，導致G1／S轉(zhuǎn)化。

第41頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第42頁,共61頁，2024年2月25日，星期天cyclinD1與Rb的功能是相互依賴的

低磷酸化的Rb還可刺激cyclinD1的轉(zhuǎn)錄，使其合成增加，并活化再導致Rb磷酸化，這樣形成負反饋環(huán)以調(diào)節(jié)cyclinD1的表達。

CyclinE-CDK2的作用是通過正反饋以促進Rb磷酸化和E2F的釋放。

第43頁,共61頁，2024年2月25日，星期天P21和p27抑制cyclin-CDK復合物的負性調(diào)節(jié)作用

P21結(jié)合并抑制多種cyclin-CDK復合物，負性調(diào)節(jié)CDK功能，實驗證明，正常細胞多數(shù)cyclin-CDK復合物都與p21結(jié)合，而多數(shù)轉(zhuǎn)化細胞中則不結(jié)合。

P21是P53作用的靶點，p21啟動子含有P53結(jié)合位點。G1期DNA損傷可激活p53，誘導P21轉(zhuǎn)錄，導致cyclinD-CDK4和cyclinE-CDK2抑制，從而阻止細胞進入S期，使損傷DNA得到修復。p21在p53介導的DNA損傷所致的G1期停滯中起重要作用。第44頁,共61頁，2024年2月25日，星期天P53P16

介導抑制CDK4

p21CDK4cyclinD1

抑制CDK4

活化CDK4Pcdk介導的磷酸化

RbRbPE2F

無活性復合物

E2F啟動

DNA轉(zhuǎn)錄

G1

S

DNA轉(zhuǎn)錄第45頁,共61頁，2024年2月25日，星期天

CDK活性狀態(tài)是以磷酸化形式存在的。

CAK

（

CDK激活酶）可誘導CDK磷酸化，而p27通過與CDK亞單位的結(jié)合，使CAK不能與CDK直接發(fā)生作用。非活化的CDK不能使Rb蛋白磷酸化，使細胞停留在G1期，對細胞周期進行負調(diào)控。

P27還可阻止Rb蛋白磷酸化，其過度表達能抑制細胞進入G1期。

p27在調(diào)節(jié)細胞進入和退出M期中起重要作用，抗絲裂原環(huán)境中細胞生長停滯與p27—CDK2復合物的量相關(guān)。第46頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第47頁,共61頁，2024年2月25日，星期天細胞周期階段

cyclin-CDK復合物抑制因子

P16P21P27

G1

cyclinD1-CDK4

－－－

G2/S

cyclinE-CDK2

－

+－

S

cyclinA-CDK2

－+－

G2/M

cyclinB-CDK2

－

+－第48頁,共61頁，2024年2月25日，星期天問題與展望

細胞周期通常受到信號傳導途徑和反饋環(huán)路的精確調(diào)控,其正常與否和細胞以及個體的生長、分化、衰老和癌變密切相關(guān)。經(jīng)過一個完整的細胞周期后，有的細胞繼續(xù)增殖,有的細胞可能暫不增殖或永不增殖。決定細胞周期后各類細胞命運的關(guān)鍵則是細胞周期的調(diào)控。目前對細胞周期的調(diào)控研究已作為生命科學研究的熱點，隨著研究的深入將進一步揭示細胞周期調(diào)控的分子機制、細胞信號傳導途徑、惡性腫瘤癌變機制，將對認識細胞生長的動力學、有目的的調(diào)控細胞周期、對腫瘤的防治干預具有重要的指導意義。

第49頁,共61頁，2024年2月25日，星期天生長因子與生長因子受體周期蛋白和周期蛋白依賴性激酶細胞增殖的調(diào)控第50頁,共61頁，2024年2月25日，星期天第51頁,共61頁，2024年2月25日，星期天細胞增殖與醫(yī)學腫瘤的惡性增殖：有機體局部器官組織的細胞超常增殖，其所形成的贅生物稱為腫瘤。腫瘤組織的細胞也有三種增殖狀態(tài)：１、增殖型２、暫不增殖型３、永不增殖型第52頁,共61頁，2024年2月25日，星期天細胞周期和腫瘤治療

1、Ｇ0期的腫瘤細胞對化療藥物不敏感，又具有腫瘤復發(fā)的潛在危險性。根據(jù)細胞增殖的調(diào)控機理，可以利用血小板源生長因子激活Ｇ0期細胞，將它們驅(qū)入Ｇ１期，進入增殖狀態(tài)，再用理化療法就可以收到較為理想的效果。２、細胞周期和用藥根據(jù)細胞周期代謝活動特點選用不同的治療藥物是臨床治療的常規(guī)方法。３、用細胞或基因植入進行治療抑癌基因的導入或原癌基因的置換等進行基因治療被認為有深遠前景。第53頁,共61頁，2024年2月25日，星期天三、細胞周期的檢查機制

細胞周期最主要的任務是將其基因組DNA在DNA合成期(S期)完整地復制成兩份拷貝,然后在分裂期(M期)將這兩份拷貝正確無誤地分配給兩個子代細胞。細胞在長期的進化過程中發(fā)展出了一套保證細胞周期中DNA復制和染色體分配質(zhì)量的檢查機制,通常被稱為細胞周期檢查點(check-point)。細胞檢查機制的含義是細胞周期內(nèi)部事件的有序進行基于一種依賴關(guān)系，即下游事件的啟動依賴于上游事件的完成，當下游事件完成后產(chǎn)生一個信號，然后由細胞周期上游的應答元件作出反應，故也稱為反饋機制。細胞周期檢查機制障礙與腫瘤、衰老、凋亡等的發(fā)生有密切關(guān)系。第54頁,共61頁，2024年2月25日，星期天細胞周期檢查點分為：G1/S檢查點（start）：負責監(jiān)控細胞的大小和環(huán)境是否合適，DNA有無損傷,也稱為DNA損傷檢查點(DNAdamagecheck-point);S期檢查點：負責DNA復制的進度,稱為DNA復制檢查點(DNAreplicationcheck-point);G2/M期檢查點：監(jiān)控復制完的染色體是否還有損傷，細胞的體積是否足夠大等。M中期/后期檢查點：監(jiān)控紡錘體是否組裝完成，管理染色體的正確分配與否,也稱為紡錘體組裝檢