细胞生物学,细胞周期与调控

细胞周期与调控生物教研室内容细胞周期概念细胞周期调控网络Cyclins–CDKs–CKIS调控网络人来源于人人的繁殖“一切细胞来自细胞”细胞的增殖细胞增殖(cellproliferation)是细胞通过生长和分裂使细胞数目增加的过程。•细胞增殖是细胞生命活动的基本特征之一细胞增殖?细胞周期与调控细胞增殖有十分精确的调控机制，表现出精确的平衡和严格的时间及空间的顺序性和周期性，如果异常就会产生疾病。如造血细胞生成的速率小于血液中细胞死亡的速率，就会造成贫血；机体局部细胞无休止的分裂就会产生肿瘤；细胞增殖过程中染色体分配异常就会导致染色体病。所以探讨细胞增殖的机理对于医学的理论和实践有十分重要的意义。第一节细胞周期的基本概念一、细胞周期（cellcycle)细胞增殖的顺序性和周期性：细胞周期生长分裂（一）细胞增殖周期概念细胞周期：指连续分裂的细胞从亲代细胞分裂结束开始到子代细胞分裂结束为止所经历的全过程，简称细胞周期(cellcycle)。何为细胞周期?DNA合成前期(G1期)间期DNA合成期(S期)DNA合成后期(G2期)细胞周期分裂期（M）前期、中期、后期、末期“圆”常用于表示周期性概念（二）细胞周期时间不同生物或不同组织细胞的周期时间可以有很大差别:有的只需几十分钟，如早期胚胎细胞；有的要几十个小时，如某些上皮细胞和离体培养细胞；也有的要1-2年（肝、肾实质细胞）甚至更长的时间。细胞周期时间(cycletime，TC)细胞增殖过程所经历的时间则称为细胞周期时间。何为细胞周期时间?不同细胞的周期时相差别很大：TCTG1TSTG2TMTCTG1小鼠食道上皮87757.24.10.712小鼠腹壁上皮1511396.25.30.512人大肠粘膜241011.520.514人宫颈癌2086.84.51.512人羊膜19.49.86.82.20.69.6大鼠肝47.528161.81.715.5人肺成纤维细胞16.86640.810.8从表中可看出:不同细胞的TC差别很大TC与TG1的变化一致TS+TG2+TM值比较稳定,约12-24小时TM较小,约1小时左右可见,G1期时间决定细胞周期时间二、细胞周期各时相的划分ＤＮＡ合成前期（Ｇ１期）细胞增殖周期（TC）ＤＮＡ合成期（Ｓ期）ＤＮＡ合成后期（Ｇ２期）分裂期（M）细胞周期各个阶段所需时间分别为:TG1、TS、TG2、TMTC=TG1+TS+TG2+TM单位:小时持续增殖细胞不断进入周期，进行分裂，如皮肤生发层细胞，骨髓造血细胞等。暂不增殖细胞又称Ｇ０期细胞，如肝肾的部分细胞。肝切除后开始分裂修复。不增殖细胞即细胞失去增殖能力，合成（分化细胞）其功能性蛋白而走向分化，又称不育细胞或终末细胞。根据细胞增殖状态，将机体细胞分三类：分化死亡G0Ｇ1期细胞三种去向：Ｇ0期细胞的特点：表型分化的细胞，其性质与Ｇ1期相似，因此，可视为延长了的Ｇ1期细胞暂停分裂可恢复增殖能力对药物的敏感性差Ｇ０期细胞即部分G1期细胞离开周期暂停分裂,当给予适宜的刺激时又可进入周期开始分裂，这类细胞称为Ｇ0期细胞。如肝细胞、肾细胞等什么是G0细胞?细胞周期各时相生化特点的总结G1SG2MG1AG1BRNA合成S期需要的酶DNA复制有丝分裂因子染色质组装为蛋白质合成及前体物质组蛋白、及微管蛋白的合成染色体，均等核糖体形成的合成非组蛋白合成分配入子细胞（细胞生长（为DNA复（为细胞分裂胞质分裂物质积累）制做准备）做准备）细胞周期的特点有：单向性即细胞只能沿G1→S→G2→M方向推进而不能逆行阶段性在4个连续的时相中，细胞的形态与代谢特点有较明显的差异，细胞可因某种原因在某时相停滞(arrest)下来，待生长条件好转后，细胞可重新活跃起来过渡到下一时相。试想一想，46条染色质（每条染色体DNA长度约40000µm）绕在一个很小的范围内(细胞核直径约30µm），如何平均分配？染色体形成的意义——完成遗传物质的平均分配只有绕成一个个线团，才能平均分配。调控元素：细胞周期素(cyclin)细胞周期素依赖激酶(cyclin-dependentkinase，CDK)细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CDKinhibitoryproteinCKIS）Cyclins–CDKs–CKIS调控网络第二节细胞周期调控背景成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)=CDK1(cdc2)+cyclinB1983年，Evans等首次在海洋无脊椎动物中发现一组蛋白质呈周期性出现，并调节细胞的生长，其被确定为细胞周期蛋白(细胞周期素)。细胞周期蛋白（cyclin）至少发现有11种不同的cyclin，分别为A、B1、B2、C、D1、D2、D3、E、F、G和H。其中8种主要的cyclin己被分离。根据cyclin调控细胞周期时相的不同，可分为G1期和M期两大类。（一）G1期胞周期蛋白（G1—cyclin）作用在G1期或G1/S交界期，启动细胞周期和促进DNA合成的cyclin，G1期是增殖细胞唯一能接受从外界传入的增殖或抑制增殖信号的时期。cyclinD：cyclinD1、cyclinD2、cyclinD3cyclinCcyclinE：cyclinE1、cyclinE2（二）M期细胞周期蛋白（M-cyclin）在G2／M交界期诱导细胞分裂的cyclin。cyclinA：cyclinA是G1期向S期转移的限速因素，也可促进细胞从G2期向M期的转化。cyclinB：cyclinB是有丝分裂蛋白激酶的一个亚单位，能促进G2期向M期的过渡。哺乳动物cyclinB在S晚期合成。cyclinA与cyclinB之间存在多种差异（1）周期积累方式不同，cyclinA含量在S期及G2期初最高，cyclinB在G2期末含量最高；（2）结合的催化亚基不同；（3）功能不同，cyclinA在S期发挥作用，与DNA的复制完成有关，cyclinB在G2／M交界期发挥作用，诱发细胞分裂；（4）对细胞分裂的影响不同，cyclinB持续升高可使细胞停滞于分裂期，而cyclinA的持续升高并不影响细胞分裂的完成。二、细胞周期素依赖激酶(cyclin-dependentkinase，CDK)CDK是一类重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，包括CDK1—7种。催化亚基CDK复合物调节亚基cyclin。ATP的结合部位三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CDKinhibitoryproteinCKIS）CKIS是CDK抑制蛋白，通过竞争性地抑制cyclin或cyclin—CDK复合物，导致cyclin生物学功能丧失；G1期CKIS有2个蛋白家族：（一）INKs：p15、p16、p18、p19是CDK4和CDK6的特异性抑制物。（二）CIP／KIPs：p21、P27、p57等，抑制各种cyclin-CDK复合物，阻止CDK激酶的激活，或阻止活化的CDK激酶活性。p27丝裂原刺激G0G1SG2MG1SG2MG0DEAB细胞受丝裂原刺激后合成cyclin的时序和相对浓度CyclinB的降解途径名称与之结合的细胞周期素CDK1CDK2CDK3CDK4CDK5CDK6CDK7CDK8cyclinBcyclinA,D,E未知cyclinDcyclinDcyclinDcyclinDcyclinD细胞周期素及与之对应的CDKs细胞周期的调控可分为外源和内源性调控,外源性调控主要是细胞因子以及其它外界刺激引起；内源性调控主要是通过Cyclin—CDK—CDI的网络调控来实现。调控中各元素间的相互作用图1.cyclin、CDK及CDKI相互关系各种细胞周期蛋白随特定细胞时相而出现。G1早期，cyclinD表达并与CDK2或CDK4结合，成为始动细胞周期的启动子；G1晚期、进入S早期后cyclinE表达，并与CDK2结合，推动细胞进入S期；进入S期后，cyclinA表达，cyclinD、cyclinE降解；S晚期、G2早期，cyclIinA、cyclinB表达，并与cdc2(CDK1)结合，促进细胞进入M期。cyclinA和CDK2相结合可以调节S期进入G2期；cyclinBl—2可与CDKl结合并在G2／M转化期间活性达到最高峰；与cyclinC匹配的CDK及其酶解底物尚不清楚；cyclinH与cyclinC有较高的同源序列，可以和CDK7装配成全酶对细胞周期各阶段行使调节作用。细胞转录因子（E2F）在许多DNA合成基因和细胞生长调控基因的启动子中均含有E2F的位点，E2F可以直接活化这些基因，启动DNA合成使细胞进入S期。在E2F基因活化转录功能区内有一段18个氨基酸的序列可与Rb结合，Rb通过与E2F功能区的结合遮盖其功能区，抑制其活性转录功能，抑制DNA合成。E1A的介入，释放出更多的游离E2F，影响着一些与转化表型有关的特定基因表达。Rb基因Rb基因位于人类染色体13q14，其转录产物Rb蛋白是主要的转录信号连接物，在细胞周期中起制动器功能。它能与转录因子E2F结合并阻止相应基因转录表达，从而抑制细胞生长。cyclinD是Rb调节细胞周期的基础。cyclinD1-CDK4复合物可看做G1期Rb蛋白激酶，它能结合Rb的N末端，磷酸化Rb蛋白，使转录因子释放，导致G1／S转化。cyclinD1与Rb的功能是相互依赖的低磷酸化的Rb还可刺激cyclinD1的转录，使其合成增加，并活化再导致Rb磷酸化，这样形成负反馈环以调节cyclinD1的表达。CyclinE-CDK2的作用是通过正反馈以促进Rb磷酸化和E2F的释放。P21和p27抑制cyclin-CDK复合物的负性调节作用P21结合并抑制多种cyclin-CDK复合物，负性调节CDK功能，实验证明，正常细胞多数cyclin-CDK复合物都与p21结合，而多数转化细胞中则不结合。P21是P53作用的靶点，p21启动子含有P53结合位点。G1期DNA损伤可激活p53，诱导P21转录，导致cyclinD-CDK4和cyclinE-CDK2抑制，从而阻止细胞进入S期，使损伤DNA得到修复。p21在p53介导的DNA损伤所致的G1期停滞中起重要作用。P53P16介导抑制CDK4p21CDK4cyclinD1抑制CDK4活化CDK4Pcdk介导的磷酸化RbRbPE2F无活性复合物E2F启动DNA转录G1SDNA转录CDK活性状态是以磷酸化形式存在的。CAK（CDK激活酶）可诱导CDK磷酸化，而p27通过与CDK亚单位的结合，使CAK不能与CDK直接发生作用。非活化的CDK不能使Rb蛋白磷酸化，使细胞停留在G1期，对细胞周期进行负调控。P27还可阻止Rb蛋白磷酸化，其过度表达能抑制细胞进入G1期。p27在调节细胞进入和退出M期中起重要作用，抗丝裂原环境中细胞生长停滞与p27—CDK2复合物的量相关。细胞周期阶段cyclin-CDK复合物抑制因子P16P21P27G1cyclinD1-CDK4－－－G2/ScyclinE-CDK2－+－ScyclinA-CDK2－+－G2/McyclinB-CDK2－+－问题与展望细胞周期通常受到信号传导途径和反馈环路的精确调控,其正常与否和细胞以及个体的生长、分化、衰老和癌变密切相关。经过一个完整的细胞周期后，有的细胞继续增殖,有的细胞可能暂不增殖或永不增殖。决定细胞周期后各类细胞命运的关键则是细胞周期的调控。目前对细胞周期的调控研究已作为生命科学研究的热点，随着研究的深入将进一步揭示细胞周期调控的分子机制、细胞信号传导途径、恶性肿瘤癌变机制，将对认识细胞生长的动力学、有目的的调控细胞周期、对肿瘤的防治干预具有重要的指导意义。生长因子与生长因子受体周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶细胞增殖的调控细胞增殖与医学肿瘤的恶性增殖：有机体局部器官组织的细胞超常增殖，其所形成的赘生物称为肿瘤。肿瘤组织的细胞也有三种增殖状态：１、增殖型２、暂不增殖型３、永不增殖型细胞周期和肿瘤治疗1、Ｇ0期的肿瘤细胞对化疗药物不敏感，又具有肿瘤复发的潜在危险性。根据细胞增殖的调控机理，可