细胞周期调控

细胞生物学细胞周期与周期调控第一节细胞周期(cellcycle)一、定义：连续分裂细胞从上一次分裂结束到下一次分裂完成所经历的全过程。细胞周期分裂间期：G1、S、G2分裂期：M细胞增殖周期后期分裂间期有丝分裂期(M期)DNA合成前期(Gap1,G1)DNAsynthesis(S期)DNA合成后期(Gap2,G2)前期中期末期G1期子细胞分裂间期(interphase):G1＋S＋G2有丝分裂期(mitosis)M细胞周期(cellcycle)细胞周期时间(Tc)：TG1+TS+TG2+TM大约12~32h04128小时G1期S期(DNA合成)G2期M期G0期细胞所在部位TCTG1TS＋TG2＋TM口腔粘膜857510食管18117110回肠362610结肠17710小鼠消化道上皮干细胞的周期时间周期性细胞（cyclingcell）G0细胞终末分化细胞根据不同细胞在细胞周期中的细胞分裂行为差异分类：G0期(静止期细胞)：暂时脱离细胞周期，停止分裂，执行一定的生物学功能，在适当刺激下重新进入细胞周期的细胞。如某些免疫淋巴细胞,肝、肾等器官的实质细胞等。G0期二、细胞周期各时相及主要事件1、G1期(DNA合成前期)rRNA、mRNA、tRNA、核糖体合成结构蛋白、酶蛋白合成、糖类、脂类合成细胞体积增大，膜转运能力增强G1期晚期合成DNA复制所需各种酶类：DNA聚合酶，解旋酶等细胞周期蛋白触发蛋白，钙调蛋白二、细胞周期各时相及主要事件2、S期（DNAsynthesis）先GC，后AT，先常染色质，后异染色质组蛋白合成，非组蛋白合成DNA复制（具有高度的顺序性）X染色体长臂在S期末期复制中心粒开始复制并完成二、细胞周期各时相及主要事件3、G2期(DNA合成后期)染色体凝集相关蛋白，微管蛋白成熟促进因子、RNA、蛋白质的合成，为M期作准备。0.3％DNA复制完成细胞内DNA含量由2n增至4n二、细胞周期各时相及主要事件4、M期亲本细胞分裂成2个相等的子细胞RNA合成抑制蛋白质合成降低细胞周期各时相及主要事件G1SG2MmRNA，tRNA，rRNA合成RNA继续合成DNA合成RNA合成RNA合成停止蛋白质合成蛋白质继续合成蛋白质继续合成微管蛋白合成蛋白质合成减少组蛋白合成组蛋白继续合成非组蛋白合成非组蛋白继续合成DNA聚合酶合成RNA聚合酶合成DNA开始转录染色体凝集分离多聚核糖体再形成多聚核糖体散开磷脂合成速率增加合成磷脂一、细胞周期调控系统的组成细胞周期调控系统的蛋白质细胞周期检查点（checkpoint）第二节细胞周期的调控（一）细胞周期调控系统的蛋白质1.细胞周期蛋白（cyclin）2.细胞周期蛋白依赖激酶(Cyclin-dependentkinase,Cdk）3.Cdk抑制因子（Cdkinhibitor,CKI）4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物(SCF和APC酶复合体)调控核心1.细胞周期蛋白(Cyclin)一类随细胞周期时相变化周期性合成和降解的蛋白质。不同种类的周期蛋白表达的时间不同，与Cdk结合，调节CDK的激酶活性，推动细胞周期前进。Cyclin分类：脊椎动物：A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H、L1-2、T1-2等。分为G1型、G1/S型、S型和M型4类酵母：cln1、cln2、cln3、clb16cyclin结构特点：1.周期蛋白框（cyclinbox）：一段约100个氨基酸的保守序列，介导与Cdk结合成复合物，参与细胞周期调解。2.G1期周期蛋白含有PEST序列：C端一段与cyclin降解有关的序列3.S、M期周期蛋白含有破坏框CyclinA、CyclinB的破坏框序列泛素化途径降解Cyclin的功能:细胞周期不同时期表达不同的周期蛋白，与不同的CDK结合，调节其激酶的活性。G1期蛋白：CyclinC、D、EG1/S期蛋白：CyclinD、ES期蛋白：CyclinA、BG2/M期蛋白：CyclinBM期蛋白：CyclinBCyclinD家族：•cyclinD1、cyclinD2、cyclinD3•在G1期开始表达，M后期降解•G1期向S期转换的关键因子•与CDK4、CDK6组成复合体CyclinE家族：•在G1~S期高水平表达•与CDK2、CDK3结合•启动DNA复制CyclinA家族：•在S期开始表达，G2期达高峰•与CDK2结合•促进DNA复制CyclinB家族：•含有2个成员cyclinB1、cyclinB2•G2末期开始表达•与CDK1、CDK2结合•M后期降解•促进G2期向M期转换CyclinC家族：•与CDK8结合，组成CAK•激活CDKCyclinH家族：•与CDK7结合，组成CAK•激活CDK、磷酸化RNA-polⅡ的CTD，调节基因转录Cyclin的周期性表达2.细胞周期蛋白依赖性激酶(Cyclin-dependentkinase，Cdk)一类必须与Cyclin结合才具有激酶活性的蛋白激酶；磷酸化细胞周期相关蛋白质（Ser/Thr)；在整个细胞周期中表达量较为恒定；不同的cdk结合特定的cyclin。按其发现先后顺序分Cdk1～8。Cdk通过激酶结构域与Cyclin结合不同cyclin－Cdk复合物启动细胞周期的不同步骤CyclinandCdksCyclin/CdkcomplexCyclinCdkG1-CdkCyclinDCdk4,Cdk6G1/S-CdkCyclinECdk2S-CdkCyclinACdk2M-CdkCyclinBCdk1CDK激活的结构基础人体细胞的Cdk的三种状态：非活性状态：活性位点与T-环蛋白（T-loop）结合,不结合cyclin.部分激活状态:与cyclin结合,T-loop移出活性中心。完全激活状态:Cdk的两个氨基酸位点的磷酸化Cdk存在二个磷酸化位点：活性的Thr161，抑制性的Tyr15（酵母）/Thr14（脊椎动物）位点。Cdks激酶活性受cyclin及磷酸化双重作用调节Thr161的磷酸化由CAK催化。Tyr15的磷酸化由Weel激酶催化，由磷酸酶cdc25去磷酸化。Thr14的磷酸化由myt激酶催化，由磷酸酶cdc25去磷酸化。Cdk活化激酶（Cdkactivatingkinase,CAK）组成：cyclinH＋Cdk7＋p36作用：使Cdk上Thr161磷酸化（活性磷酸化）Wee1激酶：使Cdk上Tyr15磷酸化（抑制性磷酸化）Cyclin-Cdk是细胞周期运转的驱动力G1bG1cG1dSG2MG0PDGFREGFRG1aCyclinDCDK4,6CyclinECDK2CyclinECDK2CyclinACDK2CyclinA,BCDK1E2F限制点DNA复制基因↑DNA复制MPF↑3.CDK抑制因子(cyclindependentkinaseinhibitor,CKI)细胞增殖的负性调节因子，抑癌基因的编码产物。两大家族：INK4(InhibitorofCDK4)KIP(kinaseinhibitionprotein)/CIP1.CIP/KIP家族：p21、p27、p57蛋白主要抑制G1期CDK(Cdk2/4)，直接抑制DNA复制或抑制G1S。2.INK4家族：p16、p15、p18蛋白主要抑制Cdk4/6活性，阻止G1S。结合cyclin-Cdk复合物，改变Cdk活性位点空间位置；结合Cdk分子ATP位点，阻止ATP与Cdk结合INK4：p16INK4a、p15INK4b、p18INK4c、p19INK4d•特异性抑制CDK4-cyclinD1、CDK6-cyclinD1复合物的活性•p15、p16受TGFβ的调控•恶性肿瘤常有p15、p16的缺失或突变KIP：p21CIP1、p27KIP1、p57KIP2•能抑制大多数CDK的激酶活性•p21在整个细胞周期中起作用•DNA发生损伤时，p21表达水平增高，与cyclinE-Cdk2结合，抑制细胞从G1转向S期Cdk抑制物蛋白（p21）使细胞周期阻滞与cyclinE-Cdk2形成三元复合物4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物Cdk调节因子CyclinCKICyclin合成，积累，结合Cdk周期事件完成Cyclin降解CKI降解Cdk激酶表现活性4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物SCF和APC介导Cdk调节蛋白的降解途径是：泛素化SCF的活性在细胞周期中是不变的，可识别被磷酸化的CDKI上某个特定的氨基酸序列。APC的活性启动是由于其复合物中加入了活化亚基cdc20，APC催化泛素连接到Cyclin破坏框附近的赖氨酸上。SCF(Skp1-Cull-F-boxprotein)APC(anaphase-promotingcomplex)酶复合物泛素（ubiquitin）：76个氨基酸组成，高度保守蛋白。多聚泛素链作为标志，可介导蛋白质被蛋白水解酶降解。pp多聚泛素链激酶泛素E1E2+Cdk抑制蛋白（CKI）活化的SCFSCF催化泛素在磷酸化CDKI上聚合介导其降解CKI被蛋白酶体水解(26sproteasome)CKI的降解E2+泛素E1活化的APC活化亚基（Cdc20）无活性的APCCdkM-Cyclin多聚泛素链M-cyclin被蛋白酶体降解多聚泛素链APC催化泛素在Cyclin上聚合介导其水解Cyclin的降解CDK的活性调节——多因素综合调节正调控:cyclin，CAK，磷酸酶负调控:激酶,CDKI转录后调节细胞周期的调控（一）细胞周期调控系统的蛋白质组成1.细胞周期蛋白（cyclin）2.细胞周期蛋白依赖激酶(Cyclin-dependentkinase,Cdk）3.Cdk抑制因子（Cdkinhibitor,CDKI）4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物调控核心SCFAPC小结（二）细胞周期检测点（checkpoint）Checkpoint：保证细胞周期正常运转的监控系统，检测细胞周期正常事件及出现的故障。1.start点或R点2.DNA复制检测点3.纺锤体组装检测点4.DNA损伤检测点5.染色体分离检测点DNA复制检测点纺锤体组装检测点R点1.start点或R点2.DNA复制检测点3.纺锤体组装检测点DNA损伤检测点有两个，一个存在于G1晚期，另一个在G2晚期。G1期检测点通过抑制G1/S和S-Cdk的活化来阻止细胞进入S期G2期检测点通过使Cdc25磷酸化，抑制M-Cdk的活化，阻止细胞进入有丝分裂期。4.DNA损伤检测点DNA损伤与p53活化在G1期调控中的作用第四节细胞周期事件的胞内调控机制1.G1期中cyclin-Cdk复合物的作用2.S期中cyclin-Cdk复合物的作用3.M期中cyclin-Cdk复合物的作用1.G1期中cyclin-Cdk复合物的作用磷酸化转录因子磷酸化S期cyclin-Cdk抑制蛋白（CKI）蛋白合成生长因子cyclinD合成+Cdk4,6Rb磷酸化cyclinE/A基因的转录DNA和中心体的复制泛素化降解S期cyclin-Cdk活化Rb蛋白：G1/S期转化的负性调节因子，控制G1期进展，使细胞停留在G1期。•生长因子刺激G1期cyclinD表达•cyclinD与CDK4、CDK6结合，使Rb磷酸化•磷酸化的Rb释放出转录因子E2F•E2F促进cyclinE、A基因的转录，促使G1期向S期转化•cyclinE/CDK2、cyclinA/CDK2启动DNA和中心体的复制•到达S期一定时期，G1期cyclin通过泛素化途径降解生长因子信号激活G1期CDK/cyclin的激酶活性(1)CyclinA的合成始于G1→S期转化，进入S期后，CyclinA-Cdk2成为主要的Cyclin-Cdk复合物。(2)在S期CyclinA-Cdk2复合物位于DNA复制中心。(3)CyclinA-Cdk2不仅起始DNA的复制，而且防止DNA的再次复制。2.S期中cyclin-Cdk复合物的作用3.M期的进出与有丝分裂事件的触发G2期向M期的转换有丝分裂事件的触发M期的退出MG1SG2成熟