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1、第十三章 细胞周期的调控,前言,细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的。 简单生物调控细胞周期主要是为了适应自然环境，以便根据环境状况调节繁殖速度，以保证物种的繁衍。 复杂生物的细胞则需面对来自自然环境和其他细胞、组织的信号，作出正确的应答，以保证组织、器官和个体的形成、生长以及创伤愈合等过程能正常进行，需要更为精细的细胞周期调控机制。,参与细胞周期调控的环境因素包括光、热、辐射等理化因素和细胞因子、激素等生物因素。,细胞周期的调控可分为以下三个方面： 1，时序调控细胞周期的基本调控内容，控制细胞周期的各个时序有规律的推进和转换。 2，DNA复制的调控保证DNA准确完整
2、的复制，维持遗传物质的稳定性。 3，检查点的调控细胞在受损和应激等特殊情况下的调控机制。 上述三个方面不是孤立的，而是协调一致的，既有交叉也有渗透。,一、细胞周期的时序调控,细胞周期的时序调控主要由cdc基因产物直接或间接参与调控 cdc基因主要包括： 周期素(cyclin) 周期素依赖性蛋白激酶 (cyclin-dependent kinase，CDK) CDK调节因子 CDK抑制因子（CDK inhibitory protein CKIS）,（一）CDK的调节,1971年,Masui和Markert用非洲爪蟾做实验，发现一种能促进卵细胞分裂的成熟因子,称为成熟促进因子（maturation
3、 promoting factor,MPF）。后来证实，MPF 存在于所有的真核生物中，具有促进细胞由G2期向M期转换的作用。 MPF由两个亚基组成： MPF = p34cdc2 /CDK1 + cyclinB,（催化亚单位）,（调节亚单位）,CDK分子在进化上高度保守，从酵母、秀丽线虫等低等真核生物到高等生物，各种CDK分子都高度同源。，现有对细胞周期调控机制的认识大都来自对酵母等低等生物细胞周期调控的结果,CDK只有和周期素结合，并在CDK活化激酶（CAK）的催化下才表现出蛋白激酶的活性。每一种CDK在细胞周期的特定时期与相应的周期素结合，以复合体的形式发挥其生物学作用。,对细胞周期的调控
4、,CDK,不同周期蛋白的表达时期不同，与不同的CDK结合，调节不同CDK激酶的活性。 部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK激酶活性的关系。,G1期时MFP的激活,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。,1988年M. J. Lohka 纯化了爪蟾的MPF，经鉴定由32KD和45KD两种蛋白组成，二者结合可使多种蛋白质磷酸化。后来Paul Nurse（1990）进一步的实验证明P32实际上是CDC2的同源物，而P45是
5、cyclinB的同源物，从而将细胞周期三个领域的研究联系在一起。2001年10月8日美国人LelandHartwell、英国人Paul Nurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖。,（二）周期素,周期素是一组随着细胞周期的进程周期性表达的蛋白，它作为CDK的调节亚基在各种真核生物细胞周期调控中起作用。 迄今在脊椎动物中发现9种周期素，有的有几种亚型。不同的周期素有不同的表达规律，对细胞周期的调控作用也各不相同。 例如：周期素D家族（D1、D2、D3）在G1期开始表达，直到分裂后期降解，是启动细胞增殖，促进G1期向S期转换的关键因子。周期素D能与CDK4、
6、CDK6组成复合体，催化Rb磷酸化，诱导E2F/DP-1二聚体活化，促进周期素E等分子表达及向S期的转换。,周期素盒,通过对各种周期素空间结构分析发现，周期素主要通过一个叫周期素盒（cyclin box） 的结构域与CDK结合。周期素盒又由5个-螺旋组成的被称为周期素折叠（cyclin fold）的基序组成。 对周期素A/CDK2的相互作用的分析显示，周期素盒主要与CDK上的PSTAIRE基序结合。,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
7、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。 cyclin D是Rb调节细胞周期的基础。cyclin D1-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G1S转化。,E2F-1功能调节机制,（三）CAK和磷酸酶,CAK是CDK
8、活化激酶，最早在动物身上发现，由周期素H/CDK7组成。周期素H/CDK7复合体的形成还需要另外一个辅助因子MAT1参与。周期素H/CDK7- MAT1复合体能催化CDK1,CDK2,CDK4磷酸化。 Cdc2与周期素结合后，在周期素H/CDK7- MAT1复合体的催化下，T161位点发生磷酸化，但此时由于WEEL和MIK1激酶的存在，Thr14、Try15位点的磷酸化使Cdc2仍处于失活状态。只有在Cdc25酪氨酸磷酸酶催化下，Try15去磷酸化，Cdc2才完全活化，促进细胞由G2向M期转换。,（四）CDK抑制因子,细胞内有一组CDK抑制因子（CKI）对细胞增殖起负调节作用，因而又称“有丝分
9、裂抑制剂”。 目前发现的CKI大致分为两大家族： （1）INKs： p15、p16、p18、p19 是cDK4和cDK6的特异性抑制物。 （2）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。,P16,p16INK4位于染色体9p21，又称多肿瘤抑制基因(multiple tumor suppressor MTSI )，是CDK4的特异性抑制物，可与cyclin D竞争与CDK4或CDK6的结合，抑制CDK4对细胞生长分裂的正向作用，参与抑制细胞周期G1S的转化。p16在缺乏功能性Rb的细胞中水平上升，提示R
10、b可能抑制p16的表达，同时Rb刺激cyclin D的表达。,P16 CDK4 cyclinD1 一 P cdk介导的磷酸化 Rb Rb P 一 G1 S DNA转录,（五）CDK和周期素调节蛋白,CDK和周期素的调节蛋白是一组调节CDK次序性活化与失活，参与或介导周期素降解的分子，包括CDC6、CDC45、CDC37. CDC6功能是协助复制前复合体的形成CDC45有助于DNA的延伸 CDC37的功能是协助周期素D1-CDK4复合体的形成，并能与热休克蛋白90形成稳定的复合物,在细胞周期的调控过程中，周期素、CDK抑制剂和其他调控分子都需要适时表达和活化，及时降解，才能保证细胞周期的正常运转
11、。泛素-蛋白酶复合体介导的蛋白水解途径在细胞周期调控分子及其他信号分子的活性调控中扮演及其重要的角色。,细胞周期调控中各元素间的相互作用,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CyclinCDKCDI的网络调控来实现。,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，cyclin A表达，cyclinD、cyclin E降解； S晚期、G2早期，cyclIin A
12、、cyclin B表达，并与cdc2结合，促进细胞进入M期。,二、细胞周期检测点的调控,细胞在长期的进化过程中发展出了一套保证细胞周期中DNA 复制和染色体分配质量的检查机制, 通常被称为细胞周期检测点(check point)又称为限制点(restriction point) 。这是一类负反馈调节机制。当细胞周期进程中出现异常事件, 如DNA 损伤或DNA 复制受阻,这类调节机制就被激活, 及时地中断细胞周期的运行, 待细胞修复或排除了故障后,细胞周期才能恢复运转。保证了在细胞周期中上一期事件完成以后才开始下一期的事件。,细胞周期检测点：G1-S 期检测点、S 期检测点、 G2 期检测点、M
13、 期检测点。 检测点的组成：发现或传感(detect或sensor)、 制动或扣留(stop或arrest)、 修复(repair)、 继续分裂或死亡。 检测点功能缺陷会导致基因突变和染色体结构异常细胞增殖,导致肿瘤发生 。,检测点的任何一部分出了问题，如发现不了DNA损伤(如ATM突变)、不能使细胞周期停下来(如p53突变)、DNA修复错误(如MLHlPSM突变)、决定错误(如BCL2突变)等都会导致遗传的不稳定性、(基因)受损细胞的存活和复制或细胞遗传物质的改变(adaptation)。,细胞周期检测点的作用,细胞周期检测点(checkpoints)构成了DNA修复的完整元件。 检测点通过延缓细胞周期的进展，为DNA复制前的修复、基因组的复制、有丝分裂及基因组的分离提供更多的时间。 检测点功能的丢失或减弱可能通过降低DNA复制效率来增加和诱导基因突变和染色体畸变。在某些遗传性癌症和细胞转化早期中，已经观察到检测点调控的缺失，后者可能导致遗传失稳态，促使向新生物转化。,