細胞周期調控ppt課件

《細胞周期調控ppt課件》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《細胞周期調控ppt課件（61頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

細胞周期調控 cell cycle regulation,1,細胞增殖周期，簡稱細胞周期(cell cycle)，是指連續(xù)分裂的細胞從上一次有絲分裂結束開始到下一次有絲分裂結束為止所經(jīng)歷的整個序列過程。這個過程所需要的時間稱為細胞周期時間。,2,細胞周期,3,細胞周期周而復始地進行著，這種周期性的重復過程受到嚴格地控制，使得不同的細胞周期事件在空間和時間上相互協(xié)調。,4,內(nèi)容提要,研究背景 細胞周期的檢驗點 細胞周期蛋白 CDK及其調控 生長因子、癌基因和抑癌基因 細胞周期與腫瘤,5,一、研究背景 1.MPF的發(fā)現(xiàn)及其作用 1960年，Masui和Markert研究爪蟾卵母細胞，提出了成熟卵母細胞中存在一種促成熟因子（maturation promoting factor，MPF）。 Rao和Johnson(1970、1972、1974) 以Hela細胞為材料，發(fā)現(xiàn)M期細胞具有某種促進間期細胞進行分裂的因子，即促細胞分裂因子(mitosis- promoting factor ，MPF)。,6,2.cdc基因 Leland Hartwell、 Paul Nurse分別以不同的酵母為實驗材料，發(fā)現(xiàn)了許多與細胞分裂有關的基因(cell division cycle gene，CDC)。如芽殖酵母的cdc28、裂殖酵母cdc2基因。 進一步研究發(fā)現(xiàn)：P34cdc2與P34cdc28是同源物，二者本身并不具有激酶活性，只有當其與有關蛋白結合后，其激酶活性才能夠表現(xiàn)出來。例如：P34cdc2必須與另一種蛋白P56cdc13結合后才具有激酶活性。,7,3.cyclin 1983年Timothy Hunt首次發(fā)現(xiàn)海膽卵受精后，在其卵裂過程中兩種蛋白質的含量隨細胞周期劇烈振蕩，在每一輪間期開始合成，G2/M時達到高峰，M結束后突然消失，在下一個周期中又重復這一消長現(xiàn)象，故命名為周期素或周期蛋白(cyclin)。隨后cyclin很快被分離和克隆出來，證明其廣泛存在于從酵母到人類等各種真核生物中，而且在功能上存在互補性。,8,4. MPF P34cdc2Cyclin ？ 1988年M. J. Lohka 純化了爪蟾的MPF，經(jīng)鑒定由34KD和45KD兩種蛋白組成，二者結合可使多種蛋白質磷酸化。 1990 Paul Nurse進一步的實驗證明P34實際上是P34cdc2的同源物，P45是cyclinB的同源物，而且，對于P34cdc2的活性而言，cyclin是必需的。從而將細胞周期三個領域的研究聯(lián)系在一起。,9,“for their discoveries of key regulators of the cell cycle“,Leland Hartwell,Timothy Hunt,Paul Nurse,10,二、細胞周期的檢驗點 1989年，Hartwell通過構建酵母細胞突變模型證實了細胞周期檢驗點（check point）的存在，并首次提出檢驗點的概念。細胞周期的運行，是在一系列檢驗點的嚴格檢控下進行的，它保證前一個事件完成之后，才啟動下一個事件，檢查點是細胞的錯誤監(jiān)測機制。,11,G1/S檢驗點：在酵母中稱start點，在哺乳動物中稱R點(restriction point)，控制細胞由靜止狀態(tài)的G1進入DNA合成期，相關的事件包括：DNA是否損傷？細胞外環(huán)境是否適宜？細胞體積是否足夠大？ S期檢驗點：DNA復制是否完成？,12,G2/M檢驗點：是決定細胞一分為二的控制點，相關的事件包括： 所有DNA都正確復制了嗎？DNA是否有損傷？細胞體積是否足夠大？ 中-后期檢驗點（紡錘體組裝檢驗點）：所有染色體都排列在紡錘體上了嗎？任何一個著絲點沒有正確連接到紡錘體上，引起細胞周期中斷。,13,三、細胞周期蛋白 cyclin 的種類繁多，目前從芽殖酵母、裂殖酵母和各類動物中分離出的周期蛋白有30余種，在脊椎動物中為A1-2、B1-3 、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等。分別參與細胞周期中不同時相的調節(jié)。分為G1型、G1/S型S型和M型4類。,14,人類細胞周期蛋白線性結構示意圖 實心方框代表“cyclin box ”， 方框代表“destruction box” 圓形框代表PEST序列,15,cyclin box：各類周期蛋白均含有一段約100個氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白盒(cyclin box)，介導周期蛋白與CDK(cyclindependent kinase)結合。,Cyclin也含有降解盒（destruction box）或PEST（脯氨酸谷氨酸絲氨酸蘇氨酸）序列，它可以通過定時降解或恒定地迅速周轉來調節(jié)這些蛋白質的水平，起著CDK的調節(jié)亞基的作用。,16,G1期：細胞在生長因子的刺激下，G1期cyclin D表達，并與CDK4、CDK6結合，使下游的蛋白質如Rb磷酸化，磷酸化的Rb釋放出轉錄因子E2F，促進許多基因的轉錄。,17,Cyclin D與CDK結合使Rb釋放結合的轉錄因子E2F,18,G1/S期：cyclinE與CDK2結合，促進細胞通過G1/S限制點而進入S期。向細胞內(nèi)注射CyclinE的抗體能使細胞停滯于G1期，說明細胞進入S期需要CyclinE的參與。,S期：將CyclinA的抗體注射到細胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn) 能抑制細胞的DNA合成，推測CyclinA是DNA復 制所必需的。,19,G2/M期：cyclinA、cyclinB與CDK1結合，CDK1使底物蛋白磷酸化,如將組蛋白H1磷酸化導致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等下游細胞周期事件。,20,M期：在分裂中期當MPF活性達到最高時，通過一種未知的途徑，激活后期促進因子APC (anaphase promoting complex) ，負責將泛素連接在cyclinB上，導致cyclinB被蛋白酶體（proteasome）降解，完成一個細胞周期。,21,哺乳動物細胞周期中各時相不同cyclin的作用,22,四、CDK及其調控 CDK即細胞周期蛋白依賴性激酶 (cyclindependent kinase,CDK)，控制著細胞周期各期之間的順序轉換。CDK是一組相關聯(lián)的Ser/Thr蛋白激酶， 酵母中細胞周期的進程主要由單一的CDK（P34cdc2/ cdc28）所控制。多細胞生物中，細胞周期各期之間的轉換需要不同的CDK。,23,脊椎動物的CDK,* P35，P36的結構與細胞周期蛋白無相似性,24,1Cyclin的結合是CDK激活的第一步 CDK活性的最初調節(jié)者是cyclin亞單位。 Cyclin與相應的CDK結合后，引起CDK空間構象改變，暴露其催化亞基。各種細胞周期蛋白程序化的合成和降解保證各對應CDK適時的活化，維持細胞周期的正確時序。,25,2CDK的磷酸化與去磷酸化 以P34cdc2 (CDK1)為例，如果對P34cdc2磷酸化作用位點不同，則對該酶的活性分別產(chǎn)生正向和負向的控制。完整的P34cdc2-cyclin復合物需要磷酸化才能被激活，驅動細胞進入有絲分裂。,26,P34cdc2的Thr14和Tyr15的磷酸化引起P34cdc2-cyclin復合物的失活，Weel是催化Tyr15磷酸化的激酶，另有一個是Thr14磷酸化的激酶；催化Thr14及Tyr15 脫磷酸化的蛋白磷酸酶為雙特異性磷酸酶Cdc25蛋白。,27,P34cdc2的Thr161的磷酸化是酶的活性所必需的。CDKs活化激酶CAK（CDKs activiting kinase）應答Thr161的磷酸化，這是另一種蛋白激酶CDK7-Cyclin H復合物。當磷酸酶-1將此位點的磷酸水解，P34cdc2又失去激酶活性。,28,3CDK抑制劑的作用 除了磷酸化去磷酸化可以調節(jié)MPF活性外，另有一類CDK抑制因子（CDC kinase inhibitor,CKI）可與CDK結合抑制其活性。,29,（1）Ink4(Inhibitor of cdk 4) 如P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，專一地與CDK4、CDK6結合，阻止CDK和cyclinD的結合。使細胞周期不能從G1期的調控點進入到下一個時相。,30,（2）Cip/Kip 包括P21cip1 (cyclin inhibition protein 1)、P27kip1(kinase inhibition protein 1)、P57kip2等，能與多種cyclin - CDK復合物包括cyclinECDK2、cyclinDCDK6、cyclinDCDK4結合，抑制cyclin - CDK復合物的蛋白激酶活性，使一些細胞增殖所需要的蛋白質磷酸化受阻，細胞停留在G1期。,31,此外P21cip1還可與DNA聚合酶亞單位PCNA (proliferating cell nuclear antigen, PCNA )相互作用， 抑制DNA復制，但不影響DNA修復。,32,CDK1的激活需要Thr14和Tyr15去磷酸化和Tyr161的磷酸化,33,五、生長因子、癌基因和抑癌基因 1生長因子 生長因子是促細胞周期運行的重要因子。RTK-Ras-MAPK信號傳遞途徑是細胞外的信號傳遞到細胞核內(nèi)最基本的途徑。,34,2癌基因 原癌基因被激活，其編碼蛋白大量表達，這些蛋白對細胞周期具有促進作用。,35,癌基因的主要類型及其表達產(chǎn)物,36,3抑癌基因 抑癌基因可抑制細胞周期于靜止期，并使DNA復制不完全或損傷的細胞不能進入分裂期，避免細胞的癌變。,37,（1）P53 一般情況下，細胞中很少有P53蛋白。DNA損傷會引起P53蛋白濃度和活性的提高。P53蛋白可同P21基因調節(jié)區(qū)結合，激活P21基因轉錄。使細胞停滯在G1期的調控點處不能進入S期。這樣，即可有足夠的時間修復DNA。,38,39,P53蛋白可促進GADD45基因（growth arrest and DNA damage inducible gene）表達生成GADD45蛋白，后者與CDK及PCNA形成的復合物，參與DNA損傷的修復。 當DNA損傷不能修復時，p53基因的過量表達導致P34cdc2的過早激活，結果使核膜破裂，引起細胞凋亡。,40,（2）Rb Rb基因位于人染色體13q14，由27個外顯子構成，分布在總長180-200kb以上的DNA片段上。Rb基因轉錄的mRNA大小為4.7 kb，編碼一個分子量為105kD的蛋白質，由928個氨基酸殘基構成，定位于細胞核內(nèi)，是多種cyclin-CDK的底物，具有多個被磷酸化的位點。,41,Rb有高、低磷酸化兩種狀態(tài)。低磷酸化的Rb蛋白可與一些轉錄因子如E2F結合，抑制這些轉錄因子的活性，阻止細胞的生長。而高磷酸化狀態(tài)則失去這種功能，使E2F游離，進入核內(nèi)，發(fā)揮轉錄活性，促進細胞周期進行。,42,Rb在細胞周期內(nèi)的磷酸化,43,六、細胞周期與腫瘤,腫瘤細胞最顯著的特點是生長失控和幼稚化（即不分化）。,44,（一）腫瘤細胞周期失控的分子基礎 1細胞周期蛋白異常,G1cyclin基因突變、重排，使這些cyclin異常表達，從而使細胞通過G1期，進入S期，細胞即自發(fā)增殖，出現(xiàn)轉化特征。許多人類腫瘤中，均發(fā)現(xiàn)有cyclin D1基因的擴增。,45,B型肝炎病毒（hepatitis B virus ,HVB）感染人體后成為導致肝癌的因素之一，有研究發(fā)現(xiàn)，HVB基因組整合入cyclinA基因的一個內(nèi)含子中，產(chǎn)生異常、過量表達的轉錄物。和正常的cyclinA相比，它缺少N端的“destruction box”，逃脫了對它的降解，大量異常的cyclinA刺激細胞增殖。,46,2CDK和CKI基因的突變 研究中發(fā)現(xiàn)腫瘤細胞CDK的水平一般較高，而CKI基因常見純合性缺失突變，細胞內(nèi)缺少CKI，或CKI抑制CDK功能的喪失。,47,3抑癌基因突變 不少癌細胞中發(fā)現(xiàn)Rb或P53基因發(fā)生了突變，使Rb失去了阻斷mRNA轉錄，P53失去了使細胞休止在G1后期的功能，造成細胞周期失控。,48,（二）細胞周期與腫瘤的基因治療 1抑制G1期cyclins的過度表達 G1期cyclins反義核酸，在體外和裸鼠體內(nèi)都可抑制肺癌的增殖。反義DNA可以與基因結合而阻止基因的轉錄，反義的RNA可與mRNA結合，而抑制其翻譯，都可以達到抑制腫瘤細胞增殖的目的。 RNA干擾(RNA interference ，RNAi )是將雙鏈RNA導入細胞內(nèi)引起特異基因的mRNA降解的一種細胞反應過程。屬于轉錄后基因沉默的一種。,49,2促使腫瘤細胞表達正常的CKIs 有報道用正常的P16、P21、P27基因與腺病毒載體重組，將重組的腺病毒導入腫瘤細胞，重組的腺病毒在腫瘤細胞內(nèi)表達有功能的P16、P21和P27蛋白，抑制CDKs的活性，使腫瘤細胞停止在G0G1，抑制腫瘤細胞增殖。,50,3抑制E2F的活性 把對E2F有高度親和性的雙鏈DNA片段導入細胞，該DNA能夠結合游離狀態(tài)的E2F生成一種復合物，復合物中的E2F不再與有關基因的啟動子結合，從而阻斷這些基因的表達，抑制細胞增生。,51,思考題,名詞： cyclin box、R點 問答： 1.簡述細胞周期各時相cyclin的種類及作用。 2.簡述細胞周期的主要檢驗點（check point）及功能。,52,非洲爪蟾卵細胞發(fā)育過程分為六個階段、和期。前四個時期為卵母細胞生成和生長階段。其中第期時細胞核較大，稱為生發(fā)泡(germinal vesicle,GV)，此時細胞就停留在該時期，等待成熟。,53,實驗表明：成熟卵細胞的細胞質中必然有一種物質，可以誘導卵母細胞成熟，稱之為促成熟因子（maturation promoting factor，MPF）。,54,G1期PCC為單線狀，因DNA未復制。 S期PCC為粉末狀，因DNA由多個部位開始復制。 G2期PCC為雙線染色體，說明DNA復制已完成。,與M期細胞融合的間期細胞產(chǎn)生了形態(tài)各異的早熟凝集染色體(prematurely condensed chromosome，PCC)，這種現(xiàn)象叫做早熟染色體凝集(premature chromosome condensation),55,人M期細胞與袋鼠（Ptk）G1、S、G2期細胞融合誘導PCC,不僅同類M期細胞可以誘導PCC，不同類的M期細胞也可以誘導PCC產(chǎn)生。,56,芽殖酵母及其細胞周期,L.Hartwell在芽殖酵母中發(fā)現(xiàn)cdc28基因的表達產(chǎn)物是一種相對分子量為34KD的蛋白，被稱為P34cdc28，它是一種蛋白激酶，在G2/M轉換過程中起中心調節(jié)作用。,57,裂殖酵母及其細胞周期,P.Nurse在裂殖酵母中發(fā)現(xiàn)cdc2基因的表達產(chǎn)物也是一種相對分子量為34KD的蛋白，被稱為P34cdc2,進一步研究發(fā)現(xiàn)，P34cdc2具有激酶活性，可使多種蛋白底物磷酸化，在裂殖酵母周期調控中起關鍵性調節(jié)作用。,58,59,60,61,