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第十二章 細(xì)胞周期及其調(diào)控的分子機(jī)制,第一節(jié) 細(xì)胞的增殖和周期 第二節(jié) 細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制,一、細(xì)胞的增殖 一般的細(xì)胞分裂是對稱性分裂，即母細(xì)胞中的遺傳物質(zhì)復(fù)制后平均分配給兩個子代細(xì)胞，子代細(xì)胞均與母細(xì)胞表型相同。但有些細(xì)胞分裂時為非對稱性分裂，這種不等分配的非對稱分裂是隨機(jī)的，與微環(huán)境因素有關(guān)。 二、細(xì)胞周期(cell cycle) 細(xì)胞從上一次有絲分裂到下一次有絲分裂完成所經(jīng)歷的過程稱細(xì)胞周期(cell cycle)，可分為間期和有絲分裂期(M期)。間期又分G1期、S期和G2期,即G1→S→G2→M期。一般間期的時間較長(多數(shù))，而M期的時間較短(少數(shù)) (如圖12-1)。,⑴間期(interphase) 是兩個細(xì)胞分裂之間的時間。 ①G1期 有絲分裂后期，又稱DNA合成前期。 ②S期即DNA合成期，也稱復(fù)制期(duplication stage)。 ③G2期 為DNA合成后期，又稱細(xì)胞分裂前期或復(fù)制后期(post duplication stage)。,⑵M期(mitosis stage) 為有絲分裂期，是細(xì)胞周期的終結(jié)期。 ①前期(prophase) 染色體形成并分裂成兩條染色單體與中心粒形成紡錘體，核仁、核膜消失，胞質(zhì)回縮 ②中期(metaphase) 姐妹染色體分布在赤道板上排成一圈 ③后期(anaphase) 染色體一分為二，紡錘體收縮，兩個姐妹染色體向兩極移動 ④末期(telophase) 染色體融合成染色質(zhì)，核仁，核膜出現(xiàn)，胞體一分為二形成兩個子細(xì)胞,三、細(xì)胞周期時間 不同生物細(xì)胞周期時間有差異，同一系統(tǒng)中不同細(xì)胞，其細(xì)胞周期時間也有很大差異。細(xì)胞周期時間主要決定于G1期的時間。 不同生物，不同組織來源的細(xì)胞，不同體外培養(yǎng)的細(xì)胞胞系及腫瘤細(xì)胞，其細(xì)胞周期時間是有差異的，如表12-1，表12-2，表12-3，表12-4，表12-5。,第二節(jié) 細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制 一、細(xì)胞周期的控制點(diǎn) 人及哺乳動物細(xì)胞中存在著三個細(xì)胞周期控制點(diǎn)，即決定G1期發(fā)生的G1控制點(diǎn)、決定S期發(fā)生的S控制點(diǎn)和決定M期發(fā)生的M控制點(diǎn)(如圖12-2)。,㈠ G1控制點(diǎn)如圖12-3。,在G1期哺乳動物細(xì)胞趨向有三種可能性：①連續(xù)分裂細(xì)胞不斷突破G1期→S期，通過G2和M期連續(xù)分裂，又稱周期性細(xì)胞②暫時不增殖細(xì)胞；又稱休眠細(xì)胞或G0期細(xì)胞，細(xì)胞暫停在G1期，不合成，不分裂③無增殖力細(xì)胞，不可逆地脫離細(xì)胞周期走向終末分化又稱終末分化細(xì)胞， 在正常情況下哺乳動物體內(nèi)的大部分細(xì)胞是處于非增殖狀態(tài)的休止期(G0期)，只在一定條件下才進(jìn)入G1期，只有通過限制點(diǎn)的細(xì)胞才能進(jìn)入S→G2→M期，R點(diǎn)是控制細(xì)胞增殖的關(guān)鍵。,㈡S控制點(diǎn) 完成G1期后，S期激活因子(S phase activator)啟動DNA復(fù)制，進(jìn)入S期的完成所有DNA復(fù)制后進(jìn)入G2期。 ㈢M控制點(diǎn) 細(xì)胞進(jìn)行有絲分裂需要M期激酶(M phase Kinase)的活化。M期激酶是由2個亞單位組成，一個是催化亞單位P34，另一個是調(diào)節(jié)亞單位，包括周期素A(cyclin A)和周期素B(cyclin B)。 只有形成P34-cyclin A或P34-cyclin B二聚體時，產(chǎn)生激酶活性，使細(xì)胞進(jìn)入M期。M后期M期激酶失活，經(jīng)前期、中期、后期、末期后分裂成兩個子細(xì)胞，結(jié)束M期。,,二、細(xì)胞周期調(diào)控的分子機(jī)制 ㈠周期素和周期素依賴性激酶 細(xì)胞質(zhì)中有兩種調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的有絲分裂促進(jìn)因子(mitosis promoting factor MPF)。一種是周期素(cyclin)，另一種是P34蛋白激酶，此激酶的活性依賴于同周期素結(jié)合，故又稱為周期素依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent Kinase, cdk)。,,⒈周期素(cyclin)對細(xì)胞周期的調(diào)控 ⑴G1期周期素 G1期周期素有cyclin C、D和E型，G0期細(xì)胞受到生長因子刺激后，首先表達(dá)C、D型周期素，再表達(dá)E型周期素，然后突破G1控制點(diǎn)進(jìn)入DNA合成的S期。 cyclin C的水平在G1期稍有增加。 cyclin D在G1期早期開始表達(dá)，并與cdk4(為主)結(jié)合，使細(xì)胞由G0期進(jìn)入G1期。若cyclin D受抑，則細(xì)胞不能進(jìn)入S期。 cyclin E表達(dá)，晚于cyclin D。峰值在G1-S過渡點(diǎn)，使細(xì)胞由G1期進(jìn)入S期。,⑵S期和M期的周期素 ①cyclin A和cyclin B cyclin A核內(nèi)的合成比cyclin B早，并接近于G1-S期過渡點(diǎn)。一旦被破壞就會抑制染色體的復(fù)制。 ②cyclin H cyclin H與cdk相關(guān)激酶MO15結(jié)合，形成復(fù)合物可增強(qiáng)cdk2-cyclinA激酶活性。,⒉周期素依賴性蛋白激酶(cdk)對細(xì)胞周期的調(diào)控 ⑴cdk1 即P34cdc2，可與人cyclin B結(jié)合形成復(fù)合物，通過催化方式可使細(xì)胞進(jìn)入和走出M期。 ⑵cdk2 在G1后期和S期由cdk2基因編碼的P33cdk2與cyclin E,cyclin A結(jié)合形成復(fù)合物后，又可與pRb相關(guān)轉(zhuǎn)錄因子結(jié)合形成復(fù)合物,參與G1和S期基因表達(dá)調(diào)控. ⑶cdk3 與周期素結(jié)合后,參與G1期調(diào)控,若突變可使G1期阻止。,⑷cdk4 與cyclin D結(jié)合,其復(fù)合物能使pRb磷酸化,釋放轉(zhuǎn)錄因子在G1期啟動表達(dá). ⑸cdk5 可與cyclin D結(jié)合在G1期發(fā)揮作用 ⑹cdk6 cdk6與cyclin D1、D2及D3結(jié)合，使pRb磷酸化，與cdk4功能相同,在T細(xì)胞中cdk6先被激活，在巨噬細(xì)胞及成纖維細(xì)胞中cdk4首先被激活。,⒊周期素依賴性激酶(cdk)抑制蛋白對細(xì)胞周期的調(diào)控 周期素依賴性激酶(cdk)的抑制蛋白(CDI)是一種具有抑制cdk功能的新蛋白，能在細(xì)胞周期的特定時刻負(fù)調(diào)控cdk活性而控制細(xì)胞周期的進(jìn)程。 ⑴P16 P16分子有四個特殊的ankyrin結(jié)構(gòu)域，能抑制H-ras和c-myc表達(dá)及細(xì)胞轉(zhuǎn)化. 在G1-S點(diǎn)cdk4和cdk6結(jié)合，使cyclin D/cdk4，cyclin D/cdk6的激酶活性失活，從而抑制細(xì)胞周期進(jìn)入S期。60%腫瘤有p16突變,突變細(xì)胞高達(dá)83%,⑵P21 P21WAF1為P53的下游基因，表達(dá)產(chǎn)物的氨基端有一個鋅指結(jié)合功能域，羧基端有兩個核定位信號區(qū)，正常細(xì)胞中，野生型P53基因完整，P21表達(dá)恒定。在生長因子刺激下，G1期P21表達(dá)快速增加，有大量“自由”的P21存在，然后降低。到S期時，這種“自由”的P21減少，而cyclin A增加，一旦細(xì)胞受?電離輻射，DNA被損傷后，由P53促進(jìn)產(chǎn)生的P21可抑制cyclin E/cdk2而造成G1期阻滯；同時P21可與PCNA(增殖細(xì)胞核抗體)結(jié)合抑制其活化的DNA聚合酶?，從而抑制DNA復(fù)制以利DNA修復(fù)。一旦p53突→ p21失活 →PCNA失活,使cyclin A/cdk2超過P21引起腫瘤.,⑶P24 P24可以與cdk2結(jié)合，但不能與cdk4結(jié)合，并具有抗磷酸化酪氨酸的活性。與P21相似，它對細(xì)胞進(jìn)入S期具有負(fù)調(diào)控作用。 ⑷P27 P27分子在細(xì)胞中高度保守。由TGF-?誘導(dǎo)的G1期，通過與cyclin E/cdk2復(fù)合物結(jié)合，阻止cdk2上第160位蘇氨酸的磷酸化，從而抑制cyclin E/cdk2其復(fù)合物的激酶活性，使細(xì)胞阻滯在G1期。,⑸P15 P15只與cdk4和cdk6結(jié)合，與P16有高度同源性，受TGF-?刺激而表達(dá)的。使細(xì)胞被阻止在G1期。 當(dāng)TGF-?刺激時。因P15可與P27-cyclin D/cdk4/cdk6中的激酶單獨(dú)結(jié)合，使P27與更多的cyclin E/cdk2結(jié)合，因替換而被游離的cyclin D被降解，從而使細(xì)胞阻止在G1期。,㈡ 生長因子與相應(yīng)的受體 細(xì)胞因子與細(xì)胞表面受體結(jié)合后，可使受體發(fā)生變構(gòu)，通過跨膜信號傳導(dǎo)激活蛋白激酶活性，可使細(xì)胞內(nèi)靶蛋白的酪氨酸發(fā)生磷酸化，進(jìn)一步觸發(fā)由細(xì)胞質(zhì)到細(xì)胞核的一系列信號傳遞反應(yīng)。核內(nèi)調(diào)控蛋白接受傳來的增殖信號后，才能被激活，與基因組中特定的調(diào)控序列發(fā)生相互作用，從而可啟動與細(xì)胞增殖調(diào)控的特定基因發(fā)生轉(zhuǎn)錄。首先引起fos、jun、myc等基因的表達(dá)，產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄因子,進(jìn)而激活周期素和周期素依賴性激酶的基因表達(dá)，以調(diào)控細(xì)胞周期。 舉例如下：,① 表皮生長因子( EGF)能促進(jìn)各種組織細(xì)胞的分裂和增殖。 ② 血小板衍化生長因子PDGF)來源于血小板，能刺激靜止細(xì)胞離開G0期進(jìn)入生長周期。 ③ 轉(zhuǎn)化生長因子( TGF)有TGF?和TGF?兩大類，TGF?在結(jié)構(gòu),生物學(xué)特性上與EGF非常相似,能與EGFR結(jié)合，活化蛋白激酶，發(fā)揮調(diào)節(jié)作用。 TGF-?的轉(zhuǎn)化活性需EGF或TGF-?的協(xié)同。能抑制細(xì)胞增殖，對細(xì)胞生長起負(fù)調(diào)節(jié)作用。 ④ 抑素(chalone)是與生長因子作用相反，對細(xì)胞生長起抑制作用.,㈢參與細(xì)胞周期調(diào)控的原癌基因及抑癌基因 ⒈激酶類 細(xì)胞癌變與蛋白質(zhì)激酶類活性基因的磷酸化有關(guān)。如src、fms、raf、erb-B基因編碼的蛋白質(zhì)定位在細(xì)胞膜上，為特異性酪氨酸磷酸化酶，與導(dǎo)致細(xì)胞轉(zhuǎn)化和癌變有關(guān)。 ⒉ras基因 由c-ras基因編碼的蛋白有類似G蛋白的作用。定位于細(xì)胞膜內(nèi)面，在接受細(xì)胞表面信號刺激后,P21與GTP結(jié)合，形成具GTP酶活性的P21-GTP復(fù)合物，這種復(fù)合物具有傳遞細(xì)胞內(nèi)信號的功能，在其他生長因子的相互作用下，可刺激細(xì)胞生長，并可導(dǎo)致細(xì)胞增殖失控。,⒊生長因子類蛋白 如c-sis癌基因編碼的P28 sis產(chǎn)物以自分泌方式作用于PDGF受體，使細(xì)胞增殖，有許多癌基因的基因產(chǎn)物均可以自分泌方式來刺激細(xì)胞生長。 ⒋c-myc c-myc基因?qū)儆谠缙诜磻?yīng)基因，在特異性生長信號刺激時，可使細(xì)胞進(jìn)入增殖周期，c-myc的表達(dá)增加。不僅可促使G0→G1期的過渡，而且在整個細(xì)胞周期中都有表達(dá)，與細(xì)胞周期后階段和細(xì)胞凋亡有關(guān)。,⒌P53基因 P53基因產(chǎn)物是一種轉(zhuǎn)錄因子，以四聚體形式與特異的DNA序列結(jié)合后，對靶基因的表達(dá)進(jìn)行調(diào)控。是一種細(xì)胞生長抑制性蛋白；它抑制正常和轉(zhuǎn)化細(xì)胞的生長，使細(xì)胞停滯在G1期。但當(dāng)細(xì)胞DNA損傷時，抑制G1晚期的基因轉(zhuǎn)錄，以利DNA修復(fù)，對維護(hù)基因穩(wěn)定性起重要作用。若P53突變，喪失了對細(xì)胞周期的控制作用而致使細(xì)胞發(fā)生轉(zhuǎn)化或惡性變。 ⒍視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤(retinoblastoma，Rb)基因 pRb存在于整個細(xì)胞周期中，它可以在細(xì)胞周期的多個階段起作用。但是，在不同階段的pRb的磷酸化水平不同，只有非磷酸化的pRb具有抑制細(xì)胞增殖的活性。,三、對細(xì)胞周期的影響：pRb和E2F pRb蛋白主要涉及調(diào)控細(xì)胞由G1期進(jìn)入S期，其磷酸化狀態(tài)與細(xì)胞周期進(jìn)程緊密相關(guān)。 在G1期只有pRb的非磷酸化和低磷酸化狀態(tài)，具有抑制細(xì)胞增殖的作用.但在G1→S→M期過渡的過程中，pRb處于高磷酸化狀態(tài)。,E2F是腺病毒E2啟動子基因，每種E2F同源物(至少有5種，E2F1~E2F5)在核內(nèi)可與其他核蛋白(如DP-1或DP-2)結(jié)合成異二聚體，可與pRb或其同源物(P130或P107)發(fā)生特異結(jié)合，pRb與E2F的結(jié)合可使E2F由轉(zhuǎn)錄活化因子轉(zhuǎn)變成轉(zhuǎn)錄抑制因子。而E2F的過高表達(dá)反過來又可克服低磷酸化pRb對G1期的阻滯，細(xì)胞進(jìn)入S期，可打破細(xì)胞周期阻滯，二者間的平衡決定了細(xì)胞是靜止(G0期)還是開始增殖(進(jìn)入G1期)。,調(diào)控pRb(或同源物)與特定E2F-DP復(fù)合物的結(jié)合就能在細(xì)胞周期的特定時段對特定基因轉(zhuǎn)錄的開放或關(guān)閉起調(diào)節(jié)作用。pRb-E2F的復(fù)合物還可在G1期與cyclin E/cdk2結(jié)合或在S期與cyclin A/cdk2結(jié)合，而由E2F-1表達(dá)驅(qū)動的細(xì)胞增殖后，同時又可啟動細(xì)胞凋亡。 綜上所述，細(xì)胞周期起動由G1期進(jìn)入S期的過程是一個涉及一系列細(xì)胞周期相關(guān)蛋白(周期素和cdk)結(jié)合并接序磷酸化和一系列基因活化的復(fù)雜過程(如圖12-4)。,四、細(xì)胞周期的調(diào)控異常和惡性腫瘤 細(xì)胞周期素和cdk等細(xì)胞周期相關(guān)蛋白過表達(dá)或缺陷，特別是那些決定細(xì)胞由G1進(jìn)入S期的蛋白若表達(dá)異常，使細(xì)胞周期進(jìn)程超越或突破細(xì)胞周期的控制點(diǎn)，細(xì)胞不能正常發(fā)生細(xì)胞周期阻滯以及細(xì)胞自發(fā)產(chǎn)生的細(xì)胞凋亡、衰老或分化，從而造成細(xì)胞惡性增生，形成惡性腫瘤。 P53、Rb等抑癌基因的突變或缺失，與許多惡性腫瘤的發(fā)生、進(jìn)展和不良預(yù)后相關(guān)，如某些生長因子及其受體的高表達(dá)與癌基因異常激活有關(guān)，特別是一些與信號傳導(dǎo)有關(guān)的蛋白酶的異?；罨?，以抑制細(xì)胞凋亡基因的異常表達(dá)，均與細(xì)胞的惡性變相關(guān)。,