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第十二章 细胞增殖及其调控

第十二章 细胞增殖及其调控. 细胞增殖 (cell proliferation) 是细胞生命活动的重要特征之一。各种细胞在分裂之前，必须进行一定的物质准备。不然，细胞便不能分裂。 物质准备和细胞分裂是一个相互连续的过程。这一过程即为细胞增殖。. 第一节 细胞周期概述. 一、细胞周期. 细胞周期 是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开始生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。 在这一过程中 , 细胞的遗传物质进行复制并均等地分配给两个子细胞。. 细胞周期的四个时相. ◆ 间期 (interphase): 从新细胞产生到其开始分裂前的一段时间

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第十二章 细胞增殖及其调控

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  1. 第十二章 细胞增殖及其调控

  2. 细胞增殖(cell proliferation)是细胞生命活动的重要特征之一。各种细胞在分裂之前，必须进行一定的物质准备。不然，细胞便不能分裂。物质准备和细胞分裂是一个相互连续的过程。这一过程即为细胞增殖。

  3. 第一节 细胞周期概述

  4. 一、细胞周期 细胞周期是指连续分裂的细胞从一次有丝分裂结束后开始生长到下次有丝分裂终止所经历的全过程。 在这一过程中,细胞的遗传物质进行复制并均等地分配给两个子细胞。

  5. 细胞周期的四个时相 ◆间期(interphase):从新细胞产生到其开始分裂前的一段时间 • G1期(Gap1 phase)：从M期结束到S期开始前的一段间歇期; • S期：DNA合成期(DNA synthetic phase); • G2期(Gap2 phase)：DNA合成后(S期)，到有丝分裂前的一个间歇期; ◆M期：有丝分裂期(mitosis phase)。

  6. Phases of the cell cycle

  7. 细胞周期与细胞类群 ◆cycling cell（周期中细胞、持续分裂细胞） ◆终端分化细胞——永久性失去了分裂能力 的细胞。 ◆quiescent cell（静止期细胞、G0期细胞） 又称休眠细胞。暂时脱离细胞周期、 不进行增殖，也叫静止细胞群，如某些 免疫淋巴细胞、肝、肾细胞等。

  8. 细胞周期的研究方法 细胞同步化(synchronization) ◆自然同步化 ◆人工同步化 ●选择同步法(selection synchrony) ▲有丝分裂选择法 ▲细胞沉降分离法 ●诱导同步法 ▲DNA合成阻断法 ▲分裂中期阻断法 ▲条件突变(conditional mutants)

  9. 二、 细胞周期中各个不同时相及其主要事件 ◆G1期 (Gap1 phase) ◆S 期(synthesis phase) ◆G2期(Gap2 phase) ◆ M期

  10. G1期 (Gap1 phase) 又叫合成前期，主要合成rRNA、 蛋白质、脂类和糖类，在G1期后期， DNA聚合酶的活性大大增加。

  11. S 期 (synthesis phase) DNA合成，同时还会合成组蛋白、DNA复制所需的酶。 常染色质复制在先，异染色质在后； GC含量高的DNA复制在先、AT含量高的 在后。

  12. G2期(Gap2 phase) 大量合成ATP、RNA、蛋白质， 包括微管蛋白、促成熟因子（maturation promoting factor，MPF）

  13. 细胞周期的关卡(Cell Cycle Checkpoints) 细胞周期中的三个主要关卡: ◆G1关卡(靠近G1末期) ◆G2关卡(在G2期结束点) ◆中期关卡(在中期末) 在每一个关卡，由细胞所处的状态和环境决定细胞能否通过此关卡进入下一阶段。

  14. Cell Cycle Checkpoints

  15. G1关卡(START或限制点): ◆G1关卡（在酵母中称START，而在哺乳动物中称限制点或commitment point），主要是监测细胞的大小和营养状态； ◆G1关卡是细胞周期的主要控制点，它决定着细胞能否分裂。

  16. G2关卡 ◆G2关卡负责检查细胞的大小、细胞所 处的状态以及细胞DNA是否复制完成。◆G2关卡能检查到尚未完成复制的DNA， 并发出信号抑制细胞周期进行。 ◆直到 DNA复制完成，G2关卡的抑制作 用才解除，细胞才能进入M期。

  17. 中期关卡 主要负责监测染色体是否都与纺锤体 相连，并已经排列在赤道板上；同时监测 MPF是否失活，否则不能进入有丝分裂和胞质分裂。

  18. 第三节 细胞周期的调控 为了确保细胞周期这一生命增殖过程有条不紊地进行，细胞内发展了一系列调控机制，对这一过程进行严格的监控。

  19. 一、MPF的发现及其作用 • 1970s Rao和Johnson发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色质发生凝缩，此种现象称为早熟染色体凝集 (prematurely condensed chromosome，PCC)。 • G1期PCC为单线状，因DNA未复制。 • S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。 • G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。

  20. G1期细胞与M期细胞融合

  21. S期细胞与M期细胞融合

  22. G2期细胞与M期细胞融合

  23. 甚至不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturation promoting factor， MPF)。

  24. 卵细胞提取物注射实验

  25. 1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。

  26. 二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 • 1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene, cdc)。 • 裂殖酵母cdc2、 芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂； • cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶(p34cdc2 )，促进细胞周期的进行。 • p34cdc2和p34cdc28本身并不具有激酶活性，须与有关蛋白结合才能表现出激酶活性。

  27. p34cdc2与MPF的关系 James Maller 实验室和Paul Nurse实验室合作证明MPF中的p32可以被p34cdc2特异抗体所识别，并且p34cdc2多肽片段可以加速MPF活性，表明两者为同源物。

  28. 三、周期蛋白 • 1980s Timothy Hunt发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为周期蛋白(cyclin A和B)。后来发现各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。 • 进一步的研究发现MPF=cdc2+clyclin B

  29. MPF的结构组成 ◆是由两个不同的亚基组成的异质二聚体: ●催化亚基 ▲是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶 ▲其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,Cdks); ●调节亚基：周期蛋白(cyclin)。

  30. MPF的结构

  31. 2001年10月8日美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。 Leland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse

  32. 细胞周期蛋白cyclin • 特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。 • 作用：激活CDK，引导CDK作用于不同底物。 • 已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3 、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等。 • 分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。

  33. 不同类型的CDK/cyclin复合体 *包括D1-3，各亚型cyclin D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。

  34. 周期蛋白分子结构的共性和特性 • 共性：都含有周期蛋白框介导周期蛋白与CDK结合。 • 特性 • M期周期蛋白分子的近N端含有破坏框（由9个氨基酸组成），参与由泛素介导的周期蛋白A和B的降解。 • G1期周期蛋白分子中不含破坏框，但其C端含有一段特殊的PEST序列，可能与G1期周期蛋白的更新有关。

  35. 五、细胞周期运转调控 • G1期，在生长因子的刺激下，cyclin D表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。 • G1-S期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞进入S期。CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期。 • 在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体。

  36. cell cycle regulation

  37. 在中期当MPF活性达到最高时，激活后期促进因子APC，将泛素连接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶体(proteasome)降解，完成一个细胞周期。在中期当MPF活性达到最高时，激活后期促进因子APC，将泛素连接在cyclinB上，cyclinB被蛋白酶体(proteasome)降解，完成一个细胞周期。 • 分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒(destruction box)。 • 泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解，这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径。 • 26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。

  38. Destruction Box in Cyclins

  39. M期CDK的激活 • M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累。 • 结合cyclin B的CDK1被Wee1将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累。 • 在M期，Wee1的活性下降，CDC25使CDK去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。 • CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDK activating kinase CAK)的作用下完成的。

  40. CDK activating

  41. 作业 一、名词解释 1.细胞增殖 2.细胞周期 3.MPF 4.周期蛋白 5.CDK激酶 二、简答题 1.简述标准细胞周期中各个时期发生的主要事件 2.细胞周期中有哪些主要检验点，各起何作用？

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