細胞增殖與凋亡機制

第十二章細胞增殖與凋亡機制多細胞生物的體細胞命運有三種：經歷細胞周期增生；分化成具有特定功能的細胞；死亡并且從生物體中消失。細胞的上述生物學過程受到嚴密調控，任何一方失控都能導致機體功能障礙和疾病。本章介紹細胞增生與凋亡的分子機制。細胞增生一、細胞周期概念細胞周期是指從親代細胞分裂結束到子代細胞分裂結束所經歷的過程。一個細胞周期分四個時期：G1、S、G2、M期。G1SG2MG0二、細胞周期中各期的生化特點G1期：從有絲分裂完成到DNA復制之前這一階段，又稱為復制前期。該期細胞內各種RNA、蛋白質合成增多。同時該期是各種細胞群體之間細胞周期的差異取決于此期。S期：又稱為DNA合成期或復制期。該期細胞內遺傳物質從二倍體到四倍體。同時組蛋白的合成也同時進行。G2期：指DNA合成完成到有絲分裂開始這段時間，又稱復制后期。該期DNA合成已終止，但仍然進行著RNA和一定蛋白合成。同時線粒體DNA在此期復制。M期：又稱為有絲分裂期。此期細胞呈球形，染色體在此期凝聚后分開，移向細胞兩端，解聚并再形成兩個完整的核，最后通過細胞質分裂，結束M期。該期蛋白質合成也顯著減少，細胞質內的多核糖體大部分解體。三、細胞周期中關卡是調控細胞周期位點細胞周期關卡此概念最早由Weinert和Hartwell提出，原來指酵母受X線照射后引起DNA損傷，誘導相關基因表達并使細胞周期停滯。目前用來指對細胞周期轉折處染色體物理完整性的監(jiān)控以及對與某些細胞周期事件起始相關的生化途徑的監(jiān)控，而這些細胞周期事件的起始依賴于另一些細胞周期事件的成功完成。G1晚期的關卡：監(jiān)控G1期細胞大小及環(huán)境中是否有生長因子。當細胞生長足夠大，并且成功完成DNA復制準備工作，不再依賴生長因子，可通過關卡。G1-S處關卡：監(jiān)控DNA是否損傷。G2-M處關卡：監(jiān)控DNA是否損傷及DNA是否正確完全復制。有絲分裂中期關卡：監(jiān)控姐妹染色體是否穩(wěn)定地附著在紡錘體上。在一個細胞周期內至少存在四個關卡：四、參與細胞周期調控的相關蛋白參與細胞周期調控的相關蛋白可以分為以下幾類：1、周期蛋白（cyclin）2、周期蛋白依賴性激酶（Cdk）3、周期蛋白-周期蛋白依賴性激酶抑制因子（CKI）4、RB及E2F-DP1轉錄因子5、調節(jié)Cdk磷酸化和去磷酸化的蛋白激酶和磷酸酶6、泛素和使蛋白質泛素化的酶細胞周期調控蛋白的功能周期蛋白（cyclin）：目前發(fā)現細胞內周期蛋白可分為A、B、D、E等類型。它們在細胞的不同時期內含量是可升或降的。它們在核內的含量主要受以下幾個因素調控：1、生長因子誘導的基因表達；2、泛素介導的蛋白質降解；3、蛋白質在核與胞質間的運輸；在周期蛋白結構中都有保守的100多個氨基酸殘基的周期蛋白盒，該部位是與周期蛋白依賴性激酶（Cdk）結合部位。該蛋白是細胞內組成型表達的核內絲-蘇氨酸蛋白激酶。單獨存在無活性，與相應的周期蛋白結合形成復合物，才能具有活性，磷酸化相應底物蛋白質如：RB蛋白、轉錄因子、組蛋白、細胞結構蛋白等，通過它們的活性，調控細胞周期進程。同時，Cdk本身還受蛋白激酶和磷酸酶的催化。周期蛋白與Cdk形成的復合物還受Cdk抑制物（CKI）的抑制。周期蛋白依賴性激酶：CyclinD1、2、3E、AB、ACdk4/6Cdk2Cdk1調控G1進程G1-S轉折，S進程G2-M轉折Cdk抑制物(CKI)CKI有兩類1、Cdk4和Cdk6抑制因子家族，該家族包括P15、P16、P18和P19蛋白。它們主要特異認別和結合Cdk4和Cdk6，抑制周期蛋白D與Cdk4和Cdk6結合，并且能和周期蛋白D-Cdk4/6復合物結合，抑制其對底物蛋白的磷酸化。2、細胞因子誘導的蛋白/激酶相互作用蛋白（Cip/Kip）家族，包括P21、P27和P57蛋白，是細胞接收到接觸抑制、DNA損傷、低氧及一些細胞因子等信號后的產物，主要功能是和周期蛋白-Cdk復合物結合，抑制其活性，但也有一定正調節(jié)作用。RB蛋白與轉錄因子E2F-DP1的結合對G1期進展產生負調節(jié)RB家族目前發(fā)現三個成員，RB（P105）、P107和P130。它們的分子中有一口袋結構，故稱口袋蛋白。RB蛋白可以和多種蛋白如轉錄因子E2F-DP1、RNA聚合酶等結合，調控它們活性。Pi-RB-E2F-DP1G1早期D-Cdk4/6Pi-RB-E2F-DP1PiE-Cdk2Pi-RB+E2F-DP1PiPi+相關靶基因表達G1中期G1晚期使Cdk磷酸化和去磷酸化的酶（蛋白激酶和磷酸酶）也調節(jié)Cdk活性Cdk1Cdk1-T101PiG1CAKSWeel、Myt1Cdk1-T101PiT14PiY15PiG2Cdc25Cdk1-T101PiMG2-M關卡有活性無活性無活性無活性泛素-蛋白酶體介導蛋白質降解也調節(jié)細胞周期通過泛素-蛋白酶體介導的蛋白質降解途徑的蛋白質主要是一些短命的蛋白質，如周期蛋白、P21、P27、E2F等，通過泛素和這些蛋白質中的賴氨酸殘基結合后，泛素在也可以通過泛素自身第48位賴氨酸殘基在聯(lián)結泛素，形成多泛素化蛋白，并被運送到蛋白酶體中降解。五、調控蛋白協(xié)同作用調控細胞周期（一）、Cdk4/6和Cdk2的活化是限制點處調控的關鍵因素Pi-RB-E2F-DP1G1早期D-Cdk4/6Pi-RB-E2F-DP1PiE-Cdk2Pi-RB+E2F-DP1PiPi+G1中期G1晚期相關靶基因表達相關靶基因的表達使細胞做好DNA復制準備，細胞通過G1-S關卡，DNA復制起始，進入S期。（二）、

Cdk1活化是G2/M關卡處關鍵調控因素Cdk1Cdk1-T101PiG1CAKSWeel、Myt1Cdk1-T101PiT14PiY15PiG2Cdc25MG2-M關卡Cdk1-T101Pi周期蛋白B在G1后期合成，進入核內與Cdk1結合成復合物，但Cdk1此時被強磷酸化，無活性。在G2-M關卡，Cdc25c磷酸酶被活化，使的Cdk1去磷酸化形成有活性的B-Cdk1-T101Pi復合物，從而磷酸化底物蛋白，如組蛋白1、核纖層蛋白、肌球蛋白等，為染色體分離做好準備，細胞通過關卡。CyclinB（三）、APC介導的多泛素化蛋白降解是細胞離開M期進入

G1期的關鍵因素M期的周期蛋白A/B-Cdk1作用的底物之一是APC蛋白。APC蛋白磷酸化后才有活性。它能在有絲分裂間染色體分離組裝完成后，結合在紡錘體處的APC蛋白被活化，最終導致連接姐妹染色體的蛋白質降解，細胞通過有絲分裂中期關卡?？蛇M入G1。（四）、DNA損傷關卡與G1、G2期停滯相關1、G2期細胞內DNA受損或DNA復制不完全時，細胞停滯于G2期。當DNA復制不完全或DNA受損激活至少六種傳感器蛋白并結合到受損DNA活化ATM/ATR磷酸化關卡激酶2/1磷酸化Cdc25c磷酸化Cdc25c能結合14-3-3蛋白并出細胞核進入胞質缺乏Cdc25c去磷酸化的Cdk1無活性，不能通過G2-M關卡2、轉錄因子P53能使細胞停滯在G1和G2期DNA損傷活化E-Cdk·2P53蛋白磷酸化磷酸化P53蛋白不能被它的抑制蛋白HDM2結合和降解激活P21基因轉錄P21蛋白是Cdk的抑制物，因此細胞停滯于G1和G2++促進14-3-3基因表達，促進Cdc25c停留在胞質，Cdk1無活性，不能通過G2-M關卡六、生長因子等細胞外因素通過信號轉導調控細胞周期細胞周期調控受細胞外的生長因子等外在因素的作用，如：細胞生長環(huán)境中營養(yǎng)物質和氧氣供應量、各種生長因子及細胞因子等。這些外在因素通過細胞膜上的信號轉導對細胞周期調控蛋白的基因表達或生物活性進行調控，從而間接調控細胞周期。本節(jié)重點談生長因子對細胞周期的調控。（一）、細胞從G0進入細胞周期依賴多種生長因子的協(xié)同作用G1細胞G0細胞環(huán)境中信號分子缺乏；環(huán)境中生長因子不足；體外培養(yǎng)的原代細胞分裂一定次數后除分化細胞和衰老細胞外，其它G0期細胞可經過三個階段，第一階段：獲得資格需要血小板源生長因子第二階段：進入需要血小板源生長因子、表皮生長因子、和胰島素第三階段：進展胰島素樣生長因子1在多種生長因子協(xié)同作用下，通過各種信號轉導途徑最終活化周期蛋-Cdk，從而使細胞進入G1期。（二）、G1期的細胞也需要生長因子促進細胞周期進程特定生長因子（EGF、IGF）Ras-Raf-MAPK途徑活化P21、P27基因表達促進G1期合成的周期蛋白D與Cdk4/6結合并轉運至細胞核內磷酸化RB而釋放E2F-DP1促進周期蛋白E和Cdk2的表達+最終使細胞通過G1期限制點ERK途徑+第二節(jié)細胞凋亡機制一、細胞凋亡（apoptosis）的概念

細胞凋亡是機體細胞在正常生理或病理狀態(tài)下發(fā)生的一種自發(fā)的程序化死亡過程。細胞凋亡并不完全等同于程序性細胞死亡。程序性細胞死亡的范疇大于細胞凋亡。二、細胞凋亡的形態(tài)學變化

細胞縮小而喪失與周圍細胞接觸，染色質固縮在核膜附近，細胞骨架崩解，核膜消失，DNA斷裂成片段，細胞膜起泡，最終細胞解體成許多由細胞膜包裹的凋亡小體，并被周圍健康細胞或吞噬細胞吞噬。細胞壞死最主要形態(tài)區(qū)別是細胞腫脹、破裂、內容物外流并導致炎癥反應。正常機體內細胞凋亡發(fā)生的情況（一）、在正常生理狀態(tài)下：1、胚胎發(fā)育期身體形狀塑造；2、胚胎期中樞神經系統(tǒng)發(fā)育；3、胸腺細胞的凋亡；4、月經周期中子宮內膜脫落及哺乳期后乳腺萎縮；5、成體中細胞凋亡（二）、病理狀態(tài)下細胞凋亡細胞凋亡機制一、美麗線蟲凋亡機制模型Egl-1Ced9Ced4Ced3底物蛋白降解，包括:細胞調節(jié)、細胞信號轉導、DNA修復、組織平衡、細胞存活等環(huán)節(jié)中重要的蛋白，出現凋亡。抑制抑制活化底物蛋白水解二、哺乳動物細胞凋亡機制Egl-1Ced9Ced4Ced3底物蛋白降解,出現凋亡抑制抑制活化胱天蛋白酶家族（caspase）凋亡蛋白酶活化因子1（Apaf1）Bcl-2家族胱天蛋白酶家族（caspase）

胱天蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的半胱氨酸殘基，能水解底物蛋白中特異部位的天冬氨酸殘基羧基側肽鍵。該家族在哺乳動物中至少有14種，此類蛋白通常有酶前體和激活的酶兩種類型。

Caspases酶原包含三個結構域：NH2末端結構域（Prodomain）、約20KD的大亞基和約10KD的小亞基。酶原的激活需要在大小亞基和N末端結構域內進行切割，形成具有兩個獨立活性位點的四聚體，這就是被激活的酶。

胱天蛋白酶家族（caspase）

胱天蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的半胱氨酸殘基，能水解底物蛋白中特異部位的天冬氨酸殘基羧基側肽鍵。該家族在哺乳動物中至少有14種，此類蛋白通常有酶前體和激活的酶兩種類型。

Caspases酶原包含三個結構域：NH2末端結構域（Prodomain）、約20KD的大亞基和約10KD的小亞基。酶原的激活需要在大小亞基和N末端結構域內進行切割，形成具有兩個獨立活性位點的四聚體，這就是被激活的酶。

Bcl-2家族bcl-2是B細胞淋巴瘤/白血病基因的縮寫，最初從小鼠B淋巴瘤中分離得到。哺乳動物細胞中目前發(fā)現有15種成員。它們都是約為180個氨基酸殘基的蛋白質，分子中都有能介導成員之間相互作用、并與其功能相關的BH區(qū)（Bcl-2homologyregion）。BH區(qū)有4種。根據其成員的功能、BH區(qū)種類和數量可分為三類：第一類成員有抗凋亡功能，分子中含BH1-4區(qū)域；第二類成員是促凋亡成員，分子中缺乏BH4區(qū)域；第三類成員也是促凋亡成員，分子中只有BH3區(qū)域，其成員位于促凋亡途徑的上游。細胞凋亡的信號轉導途徑一、外源性死亡受體途徑FasLDD(deathdomain)DED(death