蘇大分子生物學(xué)第十二章

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第十二章 細(xì)胞周期及其調(diào)控的分子機(jī)制,第一節(jié) 細(xì)胞的增殖和周期,第二節(jié),細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制,一、細(xì)胞的增殖,一般的細(xì)胞分裂是對(duì)稱性分裂，即母細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)復(fù)制后平均分配給兩個(gè)子代細(xì)胞，子代細(xì)胞均與母細(xì)胞表型相同。但有些細(xì)胞分裂時(shí)為非對(duì)稱性分裂，這種不等分配的非對(duì)稱分裂是隨機(jī)的，與微環(huán)境因素有關(guān)。,二、細(xì)胞周期,(cell cycle),細(xì)胞從上一次有絲分裂到下一次有絲分裂完成所經(jīng)歷的過程稱細(xì)胞周期(cell cycle)，可分為間期和有絲分裂期(M期)。間期又分G,1,期、S期和G,2,期,即G,1,SG,2,M期。一般間期的時(shí)間較長(zhǎng)(多數(shù))，而M期的時(shí)間較短(少數(shù))(如圖12-1)。,間期(interphase)是兩個(gè)細(xì)胞分裂之間的時(shí)間。,G,1,期 有絲分裂后期，又稱DNA合成前期。,S期即DNA合成期，也稱復(fù)制期(duplication stage)。,G,2,期 為DNA合成后期，又稱細(xì)胞分裂前期或復(fù)制后期(post duplication stage)。,M期(mitosis stage)為有絲分裂期，是細(xì)胞周期的終結(jié)期。,前期(prophase)染色體形成并分裂成兩條染色單體與中心粒形成紡錘體，核仁、核膜消失，胞質(zhì)回縮,中期(metaphase)姐妹染色體分布在赤道板上排成一圈,后期(anaphase)染色體一分為二，紡錘體收縮，兩個(gè)姐妹染色體向兩極移動(dòng),末期(telophase)染色體融合成染色質(zhì)，核仁，核膜出現(xiàn)，胞體一分為二形成兩個(gè)子細(xì)胞,三、細(xì)胞周期時(shí)間,不同生物細(xì)胞周期時(shí)間有差異，同一系統(tǒng)中不同細(xì)胞，其細(xì)胞周期時(shí)間也有很大差異。細(xì)胞周期時(shí)間主要決定于G,1,期的時(shí)間。,不同生物，不同組織來(lái)源的細(xì)胞，不同體外培養(yǎng)的細(xì)胞胞系及腫瘤細(xì)胞，其細(xì)胞周期時(shí)間是有差異的，如表12-1，表12-2，表12-3，表12-4，表12-5。,第二節(jié) 細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制,一、細(xì)胞周期的控制點(diǎn),人及哺乳動(dòng)物細(xì)胞中存在著三個(gè)細(xì)胞周期控制點(diǎn)，即決定G1期發(fā)生的G,1,控制點(diǎn)、決定S期發(fā)生的S控制點(diǎn)和決定M期發(fā)生的M控制點(diǎn)(如圖12-2)。,G,1,控制點(diǎn),如圖,12-3,。,在G,1,期哺乳動(dòng)物細(xì)胞趨向有三種可能性：連續(xù)分裂細(xì)胞不斷突破G1期S期，通過G2和M期連續(xù)分裂，又稱周期性細(xì)胞暫時(shí)不增殖細(xì)胞；又稱休眠細(xì)胞或G,0,期細(xì)胞，細(xì)胞暫停在G1期，不合成，不分裂無(wú)增殖力細(xì)胞，不可逆地脫離細(xì)胞周期走向終末分化又稱終末分化細(xì)胞，,在正常情況下哺乳動(dòng)物體內(nèi)的大部分細(xì)胞是處于非增殖狀態(tài)的休止期(G,0,期)，只在一定條件下才進(jìn)入G,1,期，只有通過限制點(diǎn)的細(xì)胞才能進(jìn)入SG,2,M期，R點(diǎn)是控制細(xì)胞增殖的關(guān)鍵。,S控制點(diǎn),完成G,1,期后，S期激活因子(S phase activator)啟動(dòng)DNA復(fù)制，進(jìn)入S期的完成所有DNA復(fù)制后進(jìn)入G2期。,M控制點(diǎn),細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂需要M期激酶(M phase Kinase)的活化。M期激酶是由2個(gè)亞單位組成，一個(gè)是催化亞單位P34，另一個(gè)是調(diào)節(jié)亞單位，包括周期素A(cyclin A)和周期素B(cyclin B)。,只有形成P34-cyclin A或P34-cyclin B二聚體時(shí)，產(chǎn)生激酶活性，使細(xì)胞進(jìn)入M期。M后期M期激酶失活，經(jīng)前期、中期、后期、末期后分裂成兩個(gè)子細(xì)胞，結(jié)束M期。,二、細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制,周期素和周期素依賴性激酶,細(xì)胞質(zhì)中有兩種調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的有絲分裂促進(jìn)因子(mitosis promoting factor MPF)。一種是周期素(cyclin)，另一種是P34蛋白激酶，此激酶的活性依賴于同周期素結(jié)合，故又稱為周期素依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent Kinase,cdk)。,周期素(cyclin)對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控,G,1,期周期素 G,1,期周期素有cyclin C、D和E型，G,0,期細(xì)胞受到生長(zhǎng)因子刺激后，首先表達(dá)C、D型周期素，再表達(dá)E型周期素，然后突破G,1,控制點(diǎn)進(jìn)入DNA合成的S期。,cyclin C的水平在G,1,期稍有增加。,cyclin D在G,1,期早期開始表達(dá)，并與cdk4(為主)結(jié)合，使細(xì)胞由G,0,期進(jìn)入G,1,期。若cyclin D受抑，則細(xì)胞不能進(jìn)入S期。,cyclin E表達(dá)，晚于cyclin D。峰值在G,1,-S過渡點(diǎn)，使細(xì)胞由G,1,期進(jìn)入S期。,S期和M期的周期素,cyclin A和cyclin B,cyclin A核內(nèi)的合成比cyclin B早，并接近于G,1,-S期過渡點(diǎn)。一旦被破壞就會(huì)抑制染色體的復(fù)制。,cyclin H,cyclin H與cdk相關(guān)激酶MO15結(jié)合，形成復(fù)合物可增強(qiáng)cdk2-cyclinA激酶活性。,周期素依賴性蛋白激酶,(cdk),對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控,cdk1,即P34,cdc2,，可與人cyclin B結(jié)合形成復(fù)合物，通過催化方式可使細(xì)胞進(jìn)入和走出M期。,cdk2,在G,1,后期和S期由cdk2基因編碼的P33,cdk2,與cyclin E,cyclin A結(jié)合形成復(fù)合物后，又可與pRb相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合形成復(fù)合物,參與G1和S期基因表達(dá)調(diào)控.,cdk3,與周期素結(jié)合后,參與G1期調(diào)控,若突變可使G1期阻止。,cdk4 與cyclin D結(jié)合,其復(fù)合物能使pRb磷酸化,釋放轉(zhuǎn)錄因子在G1期啟動(dòng)表達(dá).,cdk5 可與cyclin D結(jié)合在G1期發(fā)揮作用,cdk6,cdk6與cyclin D,1,、D,2,及D,3,結(jié)合，使pRb磷酸化，與cdk4功能相同,在T細(xì)胞中cdk6先被激活，在巨噬細(xì)胞及成纖維細(xì)胞中cdk4首先被激活。,周期素依賴性激酶,(cdk),抑制蛋白對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控,周期素依賴性激酶(cdk)的抑制蛋白(CDI)是一種具有抑制cdk功能的新蛋白，能在細(xì)胞周期的特定時(shí)刻負(fù)調(diào)控cdk活性而控制細(xì)胞周期的進(jìn)程。,P16,P16分子有四個(gè)特殊的ankyrin結(jié)構(gòu)域，能抑制H-ras和c-myc表達(dá)及細(xì)胞轉(zhuǎn)化.在G,1,-S點(diǎn)cdk4和cdk6結(jié)合，使cyclin D/cdk4，cyclin D/cdk6的激酶活性失活，從而抑制細(xì)胞周期進(jìn)入S期。60%腫瘤有p16突變,突變細(xì)胞高達(dá)83%,P21,P21,WAF1,為P53的下游基因，表達(dá)產(chǎn)物的氨基端有一個(gè)鋅指結(jié)合功能域，羧基端有兩個(gè)核定位信號(hào)區(qū)，正常細(xì)胞中，野生型P53基因完整，P21表達(dá)恒定。在生長(zhǎng)因子刺激下，G,1,期P21表達(dá)快速增加，有大量“自由”的P21存在，然后降低。到S期時(shí)，這種“自由”的P21減少，而cyclin A增加，一旦細(xì)胞受,電離輻射，DNA被損傷后，由P53促進(jìn)產(chǎn)生的P21可抑制cyclin E/cdk2而造成G,1,期阻滯；同時(shí)P21可與PCNA(增殖細(xì)胞核抗體)結(jié)合抑制其活化的DNA聚合酶,，從而抑制DNA復(fù)制以利DNA修復(fù)。一旦p53突 p21失活 PCNA失活,使cyclin A/cdk2超過P21引起腫瘤.,P24,P24可以與cdk2結(jié)合，但不能與cdk4結(jié)合，并具有抗磷酸化酪氨酸的活性。與P21相似，它對(duì)細(xì)胞進(jìn)入S期具有負(fù)調(diào)控作用。,P27,P27分子在細(xì)胞中高度保守。由TGF-,誘導(dǎo)的G,1,期，通過與cyclin E/cdk2復(fù)合物結(jié)合，阻止cdk2上第160位蘇氨酸的磷酸化，從而抑制cyclin E/cdk2其復(fù)合物的激酶活性，使細(xì)胞阻滯在G,1,期。,P15,P15只與cdk4和cdk6結(jié)合，與P16有高度同源性，受TGF-,刺激而表達(dá)的。使細(xì)胞被阻止在G,1,期。,當(dāng)TGF-,刺激時(shí)。因P15可與P27-cyclin D/cdk4/cdk6中的激酶單獨(dú)結(jié)合，使P27與更多的cyclin E/cdk2結(jié)合，因替換而被游離的cyclin D被降解，從而使細(xì)胞阻止在G,1,期。,生長(zhǎng)因子與相應(yīng)的受體,細(xì)胞因子與細(xì)胞表面受體結(jié)合后，可使受體發(fā)生變構(gòu)，通過跨膜信號(hào)傳導(dǎo)激活蛋白激酶活性，可使細(xì)胞內(nèi)靶蛋白的酪氨酸發(fā)生磷酸化，進(jìn)一步觸發(fā)由細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞核的一系列信號(hào)傳遞反應(yīng)。核內(nèi)調(diào)控蛋白接受傳來(lái)的增殖信號(hào)后，才能被激活，與基因組中特定的調(diào)控序列發(fā)生相互作用，從而可啟動(dòng)與細(xì)胞增殖調(diào)控的特定基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄。首先引起fos、jun、myc等基因的表達(dá)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄因子,進(jìn)而激活周期素和周期素依賴性激酶的基因表達(dá)，以調(diào)控細(xì)胞周期。舉例如下：,表皮生長(zhǎng)因子(EGF)能促進(jìn)各種組織細(xì)胞的分裂和增殖。,血小板衍化生長(zhǎng)因子PDGF)來(lái)源于血小板，能刺激靜止細(xì)胞離開G,0,期進(jìn)入生長(zhǎng)周期。,轉(zhuǎn)化生長(zhǎng)因子(TGF)有TGF,和TGF,兩大類，TGF,在結(jié)構(gòu),生物學(xué)特性上與EGF非常相似,能與EGFR結(jié)合，活化蛋白激酶，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。,TGF-,的轉(zhuǎn)化活性需EGF或TGF-,的協(xié)同。能抑制細(xì)胞增殖，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)起負(fù)調(diào)節(jié)作用。,抑素(chalone)是與生長(zhǎng)因子作用相反，對(duì)細(xì)胞生長(zhǎng)起抑制作用.,參與細(xì)胞周期調(diào)控的原癌基因及抑癌基因,激酶類,細(xì)胞癌變與蛋白質(zhì)激酶類活性基因的磷酸化有關(guān)。如src、fms、raf、erb-B基因編碼的蛋白質(zhì)定位在細(xì)胞膜上，為特異性酪氨酸磷酸化酶，與導(dǎo)致細(xì)胞轉(zhuǎn)化和癌變有關(guān)。,ras,基因,由c-ras基因編碼的蛋白有類似G蛋白的作用。定位于細(xì)胞膜內(nèi)面，在接受細(xì)胞表面信號(hào)刺激后,P21與GTP結(jié)合，形成具GTP酶活性的P21-GTP復(fù)合物，這種復(fù)合物具有傳遞細(xì)胞內(nèi)信號(hào)的功能，在其他生長(zhǎng)因子的相互作用下，可刺激細(xì)胞生長(zhǎng)，并可導(dǎo)致細(xì)胞增殖失控。,生長(zhǎng)因子類蛋白,如c-sis癌基因編碼的P28 sis產(chǎn)物以自分泌方式作用于PDGF受體，使細(xì)胞增殖，有許多癌基因的基因產(chǎn)物均可以自分泌方式來(lái)刺激細(xì)胞生長(zhǎng)。,c-myc,c-myc基因?qū)儆谠缙诜磻?yīng)基因，在特異性生長(zhǎng)信號(hào)刺激時(shí)，可使細(xì)胞進(jìn)入增殖周期，c-myc的表達(dá)增加。不僅可促使G,0,G,1,期的過渡，而且在整個(gè)細(xì)胞周期中都有表達(dá)，與細(xì)胞周期后階段和細(xì)胞凋亡有關(guān)。,P53,基因,P53基因產(chǎn)物是一種轉(zhuǎn)錄因子，以四聚體形式與特異的DNA序列結(jié)合后，對(duì)靶基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。是一種細(xì)胞生長(zhǎng)抑制性蛋白；它抑制正常和轉(zhuǎn)化細(xì)胞的生長(zhǎng)，使細(xì)胞停滯在G,1,期。但當(dāng)細(xì)胞DNA損傷時(shí)，抑制G,1,晚期的基因轉(zhuǎn)錄，以利DNA修復(fù)，對(duì)維護(hù)基因穩(wěn)定性起重要作用。若P53突變，喪失了對(duì)細(xì)胞周期的控制作用而致使細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化或惡性變。,視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤,(retinoblastoma,，,Rb),基因,pRb存在于整個(gè)細(xì)胞周期中，它可以在細(xì)胞周期的多個(gè)階段起作用。但是，在不同階段的pRb的磷酸化水平不同，只有非磷酸化的pRb具有抑制細(xì)胞增殖的活性。,三、對(duì)細(xì)胞周期的影響：,pRb,和,E2F,pRb蛋白主要涉及調(diào)控細(xì)胞由G,1,期進(jìn)入S期，其磷酸化狀態(tài)與細(xì)胞周期進(jìn)程緊密相關(guān)。,在G,1,期只有pRb的非磷酸化和低磷酸化狀態(tài)，具有抑制細(xì)胞增殖的作用.但在G,1,SM期過渡的過程中，pRb處于高磷酸化狀態(tài)。,E2F是腺病毒E2啟動(dòng)子基因，每種E2F同源物(至少有5種，E2F,1,E2F,5,)在核內(nèi)可與其他核蛋白(如DP-1或DP-2)結(jié)合成異二聚體，可與pRb或其同源物(P130或P107)發(fā)生特異結(jié)合，pRb與E2F的結(jié)合可使E2F由轉(zhuǎn)錄活化因子轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)錄抑制因子。而E2F的過高表達(dá)反過來(lái)又可克服低磷酸化pRb對(duì)G,1,期的阻滯，細(xì)胞進(jìn)入S期，可打破細(xì)胞周期阻滯，二者間的平衡決定了細(xì)胞是靜止(G,0,期)還是開始增殖(進(jìn)入G,1,期)。,調(diào)控pRb(或同源物)與特定E2F-DP復(fù)合物的結(jié)合就能在細(xì)胞周期的特定時(shí)段對(duì)特定基因轉(zhuǎn)錄的開放或關(guān)閉起調(diào)節(jié)作用。pRb-E2F的復(fù)合物還可在G1期與cyclin E/cdk2結(jié)合或在S期與cyclin A/cdk2結(jié)合，而由E2F-1表達(dá)驅(qū)動(dòng)的細(xì)胞增殖后，同時(shí)又可啟動(dòng)細(xì)胞凋亡。,綜上所述，細(xì)胞周期起動(dòng)由G,1,期進(jìn)入S期的過程是一個(gè)涉及一系列細(xì)胞周期相關(guān)蛋白(周期素和cdk)結(jié)合并接序磷酸化和一系列基因活化的復(fù)雜過程(如圖12-4)。,四、細(xì)胞周期的調(diào)控異常和惡性