分子细胞生物学――细胞周期调控

MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian第十三章细胞周期及细胞分裂李莲军博士云南农业大学动物科技学院2003.9-2010.9MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian第四节细胞周期调控细胞周期调控有两大机制：★细胞周期驱动机制(时顺调控机制)；★细胞周期监控机制(检查点调控机制)。细胞周期调控的关键点：Cyclin、CDKs、CDKI、Checkpointofcellcycle。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian细胞周期调控是一个非常复杂和精细的调节过程，有大量调节蛋白参与其中。此过程的核心是一组细胞周期依赖性蛋白激酶(CDKs)，而CDKs调节的关键步骤是细胞周期检查点。细胞周期调控由信号传导通路来实现，并决定细胞的分裂、分化和凋亡等过程。细胞周期调控MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian一、细胞周期时顺调控二、细胞周期检查点调控三、细胞周期同步化MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian一、细胞周期时顺调控细胞周期调控的关键物质是细胞周期蛋白(cyclin)，周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclindependentkinase,CDK)和CDK的抑制性蛋白(CDKI)。不同分子的cyclin和CDK及CDKI与其他相关调控蛋白精确调控细胞周期的每一个时相。细胞通过调节cyclin的水解和Cdks的连续激活和灭活来实现周期调控。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian（一）细胞周期蛋白细胞周期蛋白cyclin，也称周期素、循环素，指合成和降解与细胞周期相关，并能与相应的Cdk形成复合物的一类蛋白。它们与细胞周期依赖性激酶(Cdk)形成复合物以决定激酶特异性和酶活性。脊椎动物已发现10余种：cyclinD1、cyclinD2、cyclinD3，cyclinE1、cyclinE2cyclinA1、cyclinA2、cyclinA3、cyclinB1、cyclinB2，cyclinC，cyclinG，cyclinH。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Lliancyclins均含有由100~150个氨基酸残基组成的保守区，称为周期蛋白框(cyclinbox)，是介导周期蛋白与CDK结合的活性区域。此外，cyclins还可含有由降解盒(destructionbox)或PEST序列(脯-谷-丝-苏)，用于决定其降解途径以调节周期蛋白的水平。按周期素表达及作用的细胞周期阶段的不同，可将其分为G1期(C、D、E)和M期(A、B)两大类。cyclins分子结构特点MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian周期蛋白分子结构MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCyclinD家族含有3个成员cyclinD1、cyclinD2、cyclinD3在G1期开始表达，分裂后期降解。与CDK2、CDK4、CDK6组成复合体，是启动细胞由G1期向S期转换的关键因子。CyclinE家族有cyclinE1和cyclinE2两种。其表达水平在G1/S调控点达峰值。与CDK2、CDK3结合，启动DNA复制。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCyclinA家族包括cyclinA1、cyclinA2和cyclinA3在S期开始表达，G2期达高峰，M期的中期降解。与CDK2结合，启动DNA复制。CyclinB家族含有2个成员cyclinB1和cyclinB2。在G2末期开始表达，M期的中期达高峰，M期的后期降解。与CDK1、CDK2结合，促进G2期向M期转换。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCyclinH家族，cyclinH的表达在整个细胞周期过程中不呈周期性变化。与CDK7结合，组成CAK。激活CDK、磷酸化RNA-polⅡ的CTD，调节基因转录。CyclinC家族与CDK8结合，组成CAK，激活CDK。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian细胞周期蛋白水平变化MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian周期蛋白依赖性激酶(cyclindependentkinase)是指与周期蛋白结合才具有酶活性的激酶类。现已发现10余种。（二）周期蛋白依赖性激酶在细胞周期中，CDK的表达量相对恒定，但以非活性的形式存在，在细胞周期特定的时间与周期素特异地结合，一种CDK能与多种cyclin结合，以复合体的形式发挥作用。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCDKs是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，称为CDK1~9。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCDK常以使底物磷酸化的形式起作用，其效应是多方面的，包括DNA合成的启动和终止，染色体的凝集、运动和松懈，核膜、核仁的崩解和重新形成，核纤层的降解和重新聚合，纺缍体的形成和消失等。各种CDK分子在进化上高度保守，都含有一段类似的CDK激酶结构域，其中一段PSTAIRE的序列相当保守，与周期蛋白的结合有关。另外，都有多个磷酸化位点，位点的磷酸化与激酶的活性有关。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCDK催化活性的激活：①CDK与周期素结合②保守苏氨酸残基磷酸化修饰CDK催化活性的抑制：①N-端氨基酸残基的抑制性磷酸化②抑制蛋白与其结合(是主要的抑制性调节)CDK的催化活性受到激活因素与抑制因素两方面的调节。CDK的调节物包括：cyclin、CKI、CDK调节分子、CAK和磷酸酶等。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian（三）CDKs激活激酶CAK(CDKactivatingkinase)有2种：cyclinH-CDK7及cyclinC-CDK8。CDKs的激活需要与特异性亚基cyclins结合，并被cyclinH-CDK7-MAT1三元复合物(CAK)磷酸化。CDK7-cylinH-MAT1也是转录因子ⅡH(TFⅡH)的亚基组成部分，磷酸化RNA聚合酶Ⅱ(RNAPⅡ)大亚基的C-末端结构域(CTD)。p27能阻止cyclinH-CDK7的催化作用。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCDKI分为两大家族：★INK4(InhibitorofCDK4)★CIP/KIP(Kinaseinhibitionprotein)（四）CDK抑制因子CDK抑制因子(CDKinhibitor,CDKI或CDI、CKI)是一类细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂、主要对细胞周期起负性调控作用，大部分都是抑癌基因的编码产物，以多肽的分子量大小来命名。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian1、Ink4(InhibitorofCdk4)P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d等，能专一性的与CDK4和CDK6结合，并阻止其与周期素的结合反应，从而特异地抑制CDK4-cyclinD1、CDK6-cyclinD1复合物的活性，使细胞停留于G1期。p15、p16受TGFβ的调控，p18、p19的表达受p53的调控。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian2、CIP/KIP(Kinaseinhibitionprotein)P21cip/waf1(cyclininhibitionprotein1)、P27kip1(kinaseinhibitionprotein1)、P57kip2等，含一相似的60个氨基酸抑制区，能抑制所有G1和S期CDK的激酶活性。①P57是CDK2的抑制剂。②P21cip/waf1除抑制CDK的激酶活性外，还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA(proliferatingcellnuclearantigen)结合，直接抑制DNA的合成。P53可促进P21cip/waf1的表达，因P53是WAF1/CIP1基因的转录激活因子。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian③P27能与几乎所有的cyclin-CDK复合物结合，抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留于G1期。其作用机制是抑制cyclinH-CDK7等CAK的活性。p27的表达受TGFβ的调控，还受cAMP的调节。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian1.theG1Cdkcomplexes;2.G1/S-phaseCdkcomplexes;3.theS-phaseCdkcomplexes;4.themitoticCdkcomplexes.5.APC(anaphasepromotingcomplex)（五）细胞周期调控复合物MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianMolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianCyclins相关CDKs细胞周期作用相关蛋白底物降解ACDK1，CDK2S+G2,Mp107+E2F，p21，PCNARbubiquitinB(B1,B2)CDK1(cdc2)G2,Mp21,PCNARbubiquitinCCDK8G1--PESTD(D1-3)CDK4(2,5,6)G1Rb,p21,p27,p15,p16,PCNARbPESTECDK2G1+G1,Sp107+E2F,p21,PCNARbPESTF-S---G-G1---HCDK7G1,S,G2,M-CDK1,4,6-Cyclin-CDK复合物及其相关蛋白MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian细胞周期调控复合物MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian（六）细胞周期运转细胞周期运转依赖于调控复合物活性的周期性变化。MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.Llian细胞在生长因子的刺激下，G1期cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使PRb被磷酸化而失活，释放出转录因子E2F，E2F进入细胞核内，使促进G1期转入S期所需的调控基因开始转录。当细胞进入S期后，cyclinD被磷酸化后由SCF泛素化途径降解。1.细胞周期的启动MolecularCellBiologyYunnanAgriculturalUniversity.LlianPRb是由Rb抑癌基因编码合成的蛋白质，有低磷酸化