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细胞增殖和凋亡异常与疾病 Abnormal Cell Proliferation, Apoptosis and Related of Disease

细胞增殖和凋亡异常与疾病 Abnormal Cell Proliferation, Apoptosis and Related of Disease. 陈玮 副教授 Email ： chenwei566@zju.edu.cn 个人主页： http://mypage.zju.edu.cn/566 8888. 裸鼠的结肠癌病理模型复制. 胃癌手术后肿瘤细胞转移患者 （患者处于恶液质状态）. 瘤细胞为什么会发生？. Abnormal Proliferation and Diseases. Abnormal Apoptosis and Diseases.

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细胞增殖和凋亡异常与疾病 Abnormal Cell Proliferation, Apoptosis and Related of Disease

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  1. 细胞增殖和凋亡异常与疾病 Abnormal Cell Proliferation, Apoptosis and Related of Disease 陈玮 副教授 Email：chenwei566@zju.edu.cn 个人主页： http://mypage.zju.edu.cn/566 8888

  2. 裸鼠的结肠癌病理模型复制 胃癌手术后肿瘤细胞转移患者 （患者处于恶液质状态） 瘤细胞为什么会发生？

  3. Abnormal Proliferation and Diseases Abnormal Apoptosis and Diseases

  4. ■细胞增殖↓、分化不良（过度） 组织器官发育不全 ■细胞增殖↑、分化不全 肿瘤发生 细胞增殖异常与疾病 一、细胞周期及其调控 细胞周期和概念（ Concept and phases of Cell cycle） 【Cell Proliferation】 细胞分裂和再生的过程，细胞通过分裂进行增殖，把遗传信息传给子代，保持物种的延续和数量增多。

  5. What is cell proliferation? • Cell proliferation is a process of cell division and regeneration, which results in an increase in the cell number with exact passages of genetic information to their daughter cells.

  6. 2001 Nobel Prize Leland H. Hartwell 1970s “Checkpoint” Yeast genetics ~100 CDC genes Paul M. Nurse 1970s CDKs yeast Tim Hunt 1980s Cyclins Sea Urchins

  7. 【细胞增殖过程】 细胞生长 DNA复制 细胞分裂 细胞 周期

  8. 【 Cell cycle】 Cell cycle is defined as a period from the end of one division to the end of next division of a proliferative cell. 细胞周期分期 （By stages） G1→S→G2→M

  9. Cell cycle phase G1期：DNA合成前期 （RNA和蛋白质合成） S期：DNA合成期 (DNA复制、组蛋白和非组蛋白) G2期：DNA合成后期/分裂前期（微丝、微管蛋白，成熟因子等合成） Interphase M phase M期：有丝分裂期

  10. Mitosis Prophase Interphase Prometaphase Metaphase Cytokinesis Anaphase Telophase

  11. Phases of the cell cycle DNA Cell Cycle Analysis

  12. 细胞（增殖）周期特点 • 单向性: G1S G2M • 阶段性: 各期细胞形态和代谢特点有明显差异。 • 检查点：决定细胞增殖分化趋向。 • 细胞微环境：细胞外信号、条件等影响细胞周期。

  13. Cell Cycle Regulation • Cyclins • Cyclin Dependent Kinases (CDKs) • Cyclin Dependent Kinases Inhibitors (CKI)

  14. Regulation of the cell cycle Regulation of the cell cycle by extracellular signals Regulation of the cell cycle by intracellular signals 细胞周期的控制（Regulation of the cell cycle） 1. 细胞周期自身控制（Regulation of intracellular signals） 细胞周期调控机制的核心是一组周期素依赖性蛋白激酶 （Cyclin dependent kinase, CDKs） Key spot：Cyclin、 CDKs、 CKI、Checkpoint of cell cycle。

  15. （二）细胞周期的调控1.细胞自身的调控 (1)周期素（cyclin） 是一个调节亚基，需与催化亚基CDK形成复合物，激活相应的CDK和加强对底物的作用，驱动细胞周期前行。 (2)细胞周期素依赖性激酶（CDK） • 一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶 • 需与cyclin形成复合物行使其催化亚基的功能 • 含有磷酸化活化调控部位 • 活性受上游的CDK活化激酶（CAK)的影响 • CDI可抑制其活性 • 泛素降解CDK

  16. Cdks

  17. cyclins • 自1983年首次发现周期蛋白后，许多科学家纷纷开展周期蛋白研究，短短10年就从各种生物中克隆分离了数十种周期蛋白，如酵母的Cln1、Cln2、Cln3、Clb1-Clb6，高等动物的周期蛋白A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H等等。 • 各种周期蛋白均含有100个左右的保守氨基酸序列，称为周期蛋白框，它可介导周期蛋白与CDK结合。 M期周期蛋白(A2,B1)分子的N端含有破坏框。G1期周期蛋白分子的C端含有一个PEST序列。

  18. 部分周期蛋白分子结构特征 图中除Cln3外，均为人的周期蛋白分子，所有这些分子均含有一个周期蛋白框。

  19. cyclin CDK 调节亚基 100aa组成cyclin box Cyclin -COOH H2N- CDK PSTAIRE Combine 催化亚基 Cyclin/CDK Cyclin box 结构与功能 Classification Cyclin B1、Cyclin A、Cyclin E、Cyclin D1,D2,D3, F,G,H,T。 Cyclin/CDK/CDI

  20. 细胞周期蛋白的破坏框与降解途径 G1周期蛋白也通过类似的途径降解，但其N端没有破坏框，C端有一段PEST序列与其降解有关。

  21. PEST 短寿命蛋白C-末端都有一个(或一个以上)富含Pro(P), Glu(E), Ser(S)和Thr(T)的序列的40个aa残基组成的结构域，简称PEST序列，它可以影响到某些蛋白的稳定性 。 PEST 样序列中3 个赖氨酰残基可能是其泛素化结合位点，将3个赖氨酰残基都进行突变，ste3p 的泛素化和胞吞会严重受损。

  22. Cyclin-CDK复合物及其相关蛋白 Cyclins 相关CDKs 细胞周期作用 相关蛋白 底物 降解 A CDK1，CDK2 S+G2 / M p107+E2F，p21，PCNA Rb ubiquitin B(B1,B2) CDK1(cdc2) G2 / M p21,PCNA Rb ubiquitin C CDK8 G1 - - PEST D(D1-3) CDK4(2,5,6) G1 Rb,p21,p27,p15,p16,PCNA Rb PEST E CDK2 G1+G1 / S p107+E2F ,p21,PCNA Rb PEST F - S - - - G - G1 - - - H CDK7 G1/ S,G2 /M - CDK1,4,6 - Cyclin 周期变化图

  23. Cdks

  24. ▲pRb蛋白：人视网膜母细胞瘤基因 肿瘤抑制基因, 作用于G1期，阻止G1到S期的转化。 Rb蛋白在G1期呈低磷酸化状态，在晚G1期，S、G2、M期则高磷酸化； • 低磷酸化Rb与E2F结合，抑制其介导的激活作用，阻止G1到S期的转变； • 高磷酸化Rb不能与E2F结合，不能抑制其功能。 Rb磷酸化时，E2F被释放，启动多种对细胞周期的进行很重要的基因转录，包括二氢叶酸还原酶、胸苷激酶、DNA多聚酶α、胸苷酸合酶（thymidylate synthase）、b-myb、CDK1及c-myc等基因。

  25. Cyclins

  26. Thr14、Tyr15抑制部位去磷酸化 Cyclin与CDK1结合、磷酸化 CDK1活化 CAK对CDK1活化部位的磷酸化 Cell cycle ●CDKs家族 CDKs是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。称为CDK1~9。 【CDK1活化促进G2/M转换】 Thr161 CDK活化激酶（CDK activation kinase,CAK）

  27. 【CDKs活化部位与抑制部位】 CAK对CDK1活化部位磷酸化活化，同时伴有抑制部位磷酸化活化。 ▲活化部位（CDK1Thr161）磷酸化 ▲抑制部位（CDK1Thr14、Tyr15）去磷酸化依赖P80cdc25酶作用 CAK（CDK activation kinase,CDK活化激酶） • 由cyclin H、CDK7和P36蛋白组成的复合物 • 调节大多数CDK活性 • 本身通过CDK7 Thr170残基的磷酸化后被激活 • 是转录因子TFIIH的组成成分，在RNA转录中发挥作用

  28. 【CDK活化与调控细胞周期】 ▲ CDK4、CDK6与cyclin D1、D2、D3结合 pRb磷酸化 游离E2F释放 启动G1期 DNA合成↑ 启动S期 ▲CDK2与cyclin E和A结合后 识别染色体ARS 促进S期 ▲CDK1与cyclin B1结合(Maturation promoting factor,MPF) 启动M期 ▲CDK2与cyclin A结合 启动G2期 磷酸酶P80cdc25

  29. 【抑制途径】 ▲ CKIs通过直接结合CDK-cyclin复 合物的磷酸化活化部位，抑制CDK 的激酶活性。 ▲P16INK4a通过结合CDK4单体， 阻断它与cyclins的结合。 (3) CKI：复合物 CKI可特异性抑制CDK的活性。 ▲Ink4：P16INK4a、P15INK4b、P18INK4c和P19INK4d CDK4、CDK6 ▲Cip/Kip：p21cipl、P27Kip1和P57Kip2CDK2

  30. CDI 1.Ink: p16ink4a在S期达到高峰，是G1/S限制点负调控机制的重要组成部分。 2.P21kip1作用较强，作用谱较广泛。主要调控细胞周期确保遗传物质精确地传递给下一代，以消除DNA损伤而引发的肿瘤。 3.P27kip1为停止细胞分裂所必需，在休止细胞内高表达，在增殖细胞内低表达。与G1后期的cyclinE/CDK2复合物结合，抑制其磷酸化。

  31. SUMO 泛素 Cyclins降解主要是泛素-蛋白酶体进行泛素化降解 蛋白质 降解的蛋白质

  32. (4)泛素依赖的蛋白溶解系统 • CDC34途径： • 水解CKI，促使细胞从G1期转换到S期； • 后期促进复合体(anaphase-promoting complex,APC)途径： • 通过E3 ligase与有丝分裂后期的抑制因子和有丝分裂cyclin结合并将其水解，从而促使细胞有丝分裂中期向后期转变。

  33. （5）细胞周期检查点 (check point) 保证细胞周期中DNA复制和染色体分配质量的检查机制，为负反馈调节机制 G1/S交界处检查，DNA损伤则停在G1期，以进行修复后复制 DNA 损伤检查点 S/G2交界处检查，负责检查DNA复制进度 DNA复制检查点 G2/M交界处检查，检查有功能的纺锤体形成，管理染色体的正确分配 纺锤体组装检查点 对细胞周期前一事件作出反应，保证细胞增殖按质完成

  34. 检查点工作方式 • 探测器：检测上一期进展的质量问题； • 传感器：将探测器所检获的“质量问题”信号下传 • 效应器：由效应器去中断细胞周期进程并开动修复机制 • CDK既是细胞周期转折的主要调节因子，也是细胞周期检查点的效应器。

  35. Cell cycle checkpoints Cell cycle checkpoints

  36. （EGF、NGF、IL） 磷酸化 pRb E2F 2. 细胞外信号的调控 G1期存在一个“限定点，它决定细胞是否进入周期。 这“限定点”主要受细胞外信号的调控。 ■刺激信号（生长因子 ） ■抑制信号（TGF-β） 可以下调cyclin和CDK4的表达和促进P21cipl、P27kipl和P15ink4b等CKI产生，使细胞阻滞在G1期。 ■细胞生长条件不具备 能使P16INK4a和P15INK4b增加，并均能抑制Cyclin D-CDK4/6复合物的功能，细胞阻滞G1期。

  37. Check mechanism ▲P53： ①磷酸化P53上调 p21Cipl基因的转录，P21Cipl能与多种 CDK-cyclin复合物结合，抑制CDKs的激活，阻滞G1/S的过渡，为DNA修复提供足够时间； ②与TATA结合蛋白结合，抑制c-Jun、PCNA等基因转录，抑制细胞增殖；③与复制因子A相互作用，抑制DNA复制。

  38. ▲Cdc25（P80)：负责G2期处检查。 蛋白激酶结合在损伤的DNA上，激活Chk1(checkpoint kinase)，Chk1使Cdc25失活，使其不能活化cdc2，导致细胞周期中断。 Cdc2基因产物为CDK1，为启动有丝分裂所必需。 MPF(成熟促进因子)

  39. ►细胞周期异常与疾病（Abnormal cell cycle & diseases） 细胞过度增殖或不足的本质是细胞周期调控异常。 【Deregulation of cell cycle】 ■细胞周期的驱动失控（Cyclin、CDK和CDI表达异常） ■监控（检查）机制受损（The impairment of checkpoint system）

  40. 细胞增殖分化异常与相关疾病 增殖异常 分化异常 增殖分化异常 再生障碍性贫血 肥胖症 恶性肿瘤 白癜风 遗传性血红蛋白病 银屑病 前列腺肥大 肌营养不良 畸胎瘤 动脉粥样硬化 先天畸形 家族性红细胞增多症 X-连锁-球蛋白缺乏症 高IgM血症

  41. 恶性肿瘤 细胞增殖异常机制

  42. ▲染色体倒位（Chromosome inversion） Cyclin D1基因倒位于甲状旁腺启动子控制下 Cyclin D1蛋白合成↑ ▲染色体易位（Chromosome translocation) 甲状旁腺腺癌 Bcl-1 t(11:14) (q13:q32)易位 Cyclin D1受Ig重链基因增强子影响 Cyclin D1表达↑ 1．细胞周期驱动机制失控 ■Cyclins的过表达（Over expression of cyclins） 肿瘤的发生与cyclin（D、E）过量表达有关。 【Cyclin D1（Bcl-1）过表达原因】（原癌基因） ▲基因扩增（Cyclin D1过表达的主要机制） 乳腺癌、胃癌、食道癌存在Cyclin D1基因(CCND1)扩增过度。 Inv(11) (p15:q13)

  43. ■ CDK 表达异常 主要见于CDK4、CDK6过表达。 CDK4↑+ cyclin D结合↑ CDK4/cyclin D↑ CDKs表达↑ pRb pRb磷酸化↑ 细胞增殖过度 E2F ↑ G1/S过渡加速 ▲基因突变 Cyclin D1 T286突变 Cyclin D1泛素化受阻 Cyclin D1↑ 【Cyclin D过表达致肿瘤机制】 Cyclin D过表达 + 生长因子 CDKs瀑布效应↑ 细胞增殖过度 易发生细胞癌变 可能

  44. 【Mechanism】 p16 InK4基因表达↓ CDK4与cyclin D结合↑ 细胞周期处在“易于”被启动状态 易发生细胞癌变 可能 ■CKI表达不足和突变 肿瘤细胞中常出现CKI（肿瘤抑制基因）表达不足或突变。 ▲ InK4失活 【p16 InK4基因失活原因】 突变或缺失、染色体易位、p16 InK4高度甲基化。

  45. ▲Kip/Cip含量减少（Deficient expression of Kip/Cip） P21cipl功能 cyclins/CDKs活性↓ 细胞周期速度↓ 增殖细胞核抗原（PCNA） 阻滞DNA复制 【Mechanism】 p53基因突变 P21cip1转录↓ DNA受损细胞增殖↑ 正常

  46. 2. 细胞周期监控机制受损(Impairment of checkpoint system) 主要原因：G1/S、G2/M检查点异常 失察结果：探测DNA损伤功能降低 （如发现不了DNA损伤，会导致基因缺失、易位、染色体重排等）

  47. ■G1/S交界处失察 ▲P53 进入S期 DNA损伤 修复成功 G1/S检查 停顿G1期 损伤DNA修复 修复失败 细胞凋亡 下调bcl-2表达、激活bax 基因 P53 ▲P53突变或丢失 易发生细胞癌变 致变剂 检测点检查功能↓ 遗传不稳定性 复制忠实性↓

  48. 表 人类肿瘤p53基因突变热点和频率 肿瘤型 突变频率（%） 突变热点 肿瘤型 突变频率（%） 突变热点 肺癌 56 157，248，273 前列腺癌 30 不确定 结肠癌 50 175，245，248，273 肝细胞癌 45 249 食道癌 45 不确定 胶质癌 25 175、248 卵巢癌 44 273 乳腺癌 22 175、248、273 胰腺癌 44 273 子宫内膜癌 22 248 皮肤癌 44 248、278 甲状腺癌 13 248、273 胃癌 41 不确定 白血病 12 175、248 头颈鳞癌 37 248 宫颈癌 7 273 膀胱癌 34 280 软组织肉瘤 31 不确定

  49. ■ G2/M 交界处失察 G2/M交界处 DNA双链断裂 激活DNA损伤检查点 阻止细胞进入M期 诱导修复基因转录 完成断裂的DNA修复 ▲失去G2/M检查点的阻滞作用 染色体发生重排、丢失

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