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1、细胞生物学,细胞周期与周期调控,第一节 细胞周期(cell cycle)一、定义：连续分裂细胞从上一次分裂结束到下一次分裂完成所经历的全过程。,细胞增殖周期,后期,分裂间期,有丝分裂期(M期),DNA合成前期(Gap1,G1),DNA synthesis(S期),DNA合成后期(Gap2,G2),前期,中期,末期,G1期子细胞,分裂间期(interphase): G1S G2 有丝分裂期(mitosis) M,细胞周期(cell cycle),细胞周期时间(Tc)：TG1+TS + TG2 + TM大约1232h,小鼠消化道上皮干细胞的周期时间,周期性细胞（cycling cell）G0细胞终
2、末分化细胞,根据不同细胞在细胞周期中的细胞分裂行为差异分类：,G0期(静止期细胞)：暂时脱离细胞周期，停止分裂，执行一定的生物学功能，在适当刺激下重新进入细胞周期的细胞。如某些免疫淋巴细胞, 肝、肾等器官的实质细胞等。,二、细胞周期各时相及主要事件,1、G1期(DNA合成前期),rRNA、mRNA、tRNA、核糖体合成结构蛋白、酶蛋白合成、糖类、脂类合成细胞体积增大，膜转运能力增强,G1期晚期合成DNA复制所需各种酶类：,DNA聚合酶，解旋酶等细胞周期蛋白触发蛋白，钙调蛋白,二、细胞周期各时相及主要事件,2、S期（DNA synthesis）,二、细胞周期各时相及主要事件,3、G2期 (DNA
3、合成后期)染色体凝集相关蛋白，微管蛋白成熟促进因子、RNA、蛋白质的合成，为M期作准备。0.3DNA 复制完成细胞内DNA含量由2n增至4n,二、细胞周期各时相及主要事件,4、M期,亲本细胞分裂成 2个相等的子细胞RNA合成抑制蛋白质合成降低,细胞周期各时相及主要事件,一、 细胞周期调控系统的组成 细胞周期调控系统的蛋白质 细胞周期检查点（checkpoint）,第二节 细胞周期的调控,（一）细胞周期调控系统的蛋白质 1.细胞周期蛋白（cyclin） 2.细胞周期蛋白依赖激酶 (Cyclin-dependent kinase, Cdk） 3.Cdk 抑制因子（Cdk inhibitor, CK
4、I） 4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物 (SCF和APC酶复合体),调控核心,1. 细胞周期蛋白(Cyclin)一类随细胞周期时相变化周期性合成和降解的蛋白质。不同种类的周期蛋白表达的时间不同，与Cdk结合，调节CDK的激酶活性，推动细胞周期前进。Cyclin分类：脊椎动物：A1-2、B1-3、C、D1-3、E1-2、F、G、H、L1-2、T1-2等。分为G1型、G1/S型、S型和M型4类酵母：cln1、cln2、cln3、clb16,cyclin结构特点：1.周期蛋白框（cyclin box）： 一段约100个氨基酸的保守序列，介导与Cdk 结合成 复合物，参与细胞周期调解。2. G1期
5、周期蛋白含有PEST序列： C 端一段与cyclin降解有关的序列 3. S、M期周期蛋白含有破坏框,CyclinA、CyclinB的破坏框序列,泛素化途径降解,Cyclin的功能:细胞周期不同时期表达不同的周期蛋白，与不同的CDK结合，调节其激酶的活性。,G1期蛋白： Cyclin C、D、 EG1/S期蛋白：Cyclin D、E S期蛋白： Cyclin A、B G2/M期蛋白：Cyclin B M期蛋白： Cyclin B,Cyclin D 家族： cyclin D1、 cyclin D2、 cyclin D3 在G1期开始表达， M后期降解 G1期向S期转换的 关键因子 与CDK4、C
6、DK6组 成复合体,Cyclin E 家族： 在G1 S期高水平表达 与CDK2、CDK3结合 启动DNA复制,Cyclin A 家族： 在S期开始表达， G2期达高峰 与CDK2结合 促进DNA复制,Cyclin B 家族： 含有2个成员 cyclin B1、 cyclin B2 G2末期开始表达 与CDK1、CDK2结合 M后期降解 促进G2期向M期转换,Cyclin C 家族： 与CDK8结合，组成CAK 激活CDKCyclin H 家族： 与CDK7结合，组成CAK 激活CDK、磷酸化RNA-pol的CTD，调节基因转录,Cyclin的周期性表达,2.细胞周期蛋白依赖性激酶 (Cycl
7、in-dependent kinase，Cdk)一类必须与Cyclin结合才具有激酶活性的蛋白激酶；磷酸化细胞周期相关蛋白质（Ser/Thr) ；在整个细胞周期中表达量较为恒定；不同的cdk结合特定的cyclin。按其发现先后顺序分Cdk18。,Cdk通过激酶结构域与Cyclin结合,不同cyclinCdk复合物启动细胞周期的不同步骤,CDK激活的结构基础人体细胞的Cdk的三种状态：非活性状态：活性位点与T-环蛋白（T-loop）结合,不结合cyclin.部分激活状态: 与cyclin结合, T-loop移出活性中心。完全激活状态: Cdk的两个氨基酸位点的磷酸化,Cdk存在二个磷酸化位点：活
8、性的Thr161，抑制性的Tyr15（酵母）/Thr14（脊椎动物）位点。,Cdks激酶活性受cyclin及磷酸化双重作用调节,Thr161的磷酸化由CAK催化。 Tyr15 的磷酸化由Weel激酶催化，由磷酸酶cdc25去磷酸化。 Thr14的磷酸化由myt激酶催化，由磷酸酶cdc25去磷酸化。,Cdk活化激酶（Cdk activating kinase,CAK） 组成：cyclinH Cdk7 p36 作用：使Cdk 上Thr161磷酸化（活性磷酸化） Wee1激酶：使Cdk 上Tyr15磷酸化（抑制性磷酸化）,Cyclin-Cdk是细胞周期运转的驱动力,3. CDK抑制因子 (cycli
9、n dependent kinase inhibitor, CKI) 细胞增殖的负性调节因子，抑癌基因的编码产物。两大家族： INK4 ( Inhibitor of CDK4) KIP ( kinase inhibition protein) /CIP,1. CIP/KIP家族： p21、p27、 p57蛋白主要抑制G1期CDK(Cdk2/4)，直接抑 制 DNA复制或抑制G1S 。2. INK4家族： p16、p15、 p18蛋白主要抑制Cdk4/6 活性，阻止G1S。,结合cyclin-Cdk复合物，改变Cdk活性位点空间位置；结合Cdk分子ATP位点，阻止ATP与Cdk结合,INK4：
10、p16INK4a 、p15INK4b 、 p18INK4c 、p19INK4d 特异性抑制CDK4- cyclin D1、 CDK6- cyclin D1复合物的活性 p15 、p16 受TGF的调控 恶性肿瘤常有p15 、p16 的缺失或突变,KIP： p21CIP1 、p27KIP1 、 p57KIP2 能抑制大多数CDK的激酶活性 p21在整个细胞周期中起作用 DNA发生损伤时，p21表达水平增高， 与cyclinE-Cdk2结合，抑制细胞从 G1转向S期,Cdk抑制物蛋白（p21）使细胞周期阻滞,与cyclinE-Cdk2形成三元复合物,4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物,Cdk调节
11、因子,CyclinCKI,Cyclin合成，积累，结合Cdk,周期事件完成,Cyclin降解,CKI降解,Cdk激酶表现活性,4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物,SCF和APC介导Cdk调节蛋白的降解途径是：泛素化SCF的活性在细胞周期中是不变的，可识别被磷酸化的CDKI上某个特定的氨基酸序列。APC的活性启动是由于其复合物中加入了活化亚基cdc20，APC催化泛素连接到Cyclin破坏框附近的赖氨酸上。,SCF(Skp1-Cull-F-box protein)APC(anaphase-promoting complex),酶复合物,泛素（ubiquitin）：76 个氨基酸组成 ， 高度保
12、守蛋白。多聚泛素链作为标志，可介导蛋白质被蛋白水解酶降解。,多聚泛素链,激酶,泛素,E1,E2,+,Cdk抑制蛋白（CKI）,活化的SCF,SCF催化泛素在磷酸化CDKI上聚合介导其降解,CKI被蛋白酶体水解(26s proteasome),CKI的降解,E2,+,泛素,E1,活化的APC,活化亚基（Cdc20）,无活性的APC,Cdk,M-Cyclin,多聚泛素链,M-cyclin 被蛋白酶体降解,多聚泛素链,APC催化泛素在Cyclin上聚合介导其水解,Cyclin的降解,CDK的活性调节多因素综合调节 正调控: cyclin，CAK，磷酸酶 负调控: 激酶, CDKI,转录后调节,细胞周
13、期的调控,（一）细胞周期调控系统的蛋白质组成 1.细胞周期蛋白（cyclin） 2.细胞周期蛋白依赖激酶 (Cyclin-dependent kinase, Cdk） 3.Cdk 抑制因子（Cdk inhibitor, CDKI） 4.促进Cdk调节因子降解的酶复合物,调控核心,SCFAPC,小结,（二）细胞周期检测点（checkpoint）,Checkpoint：保证细胞周期正常运转的监控系统，检测细胞周期正常事件及出现的故障。,start点或R点 DNA复制检测点 纺锤体组装检测点DNA损伤检测点染色体分离检测点,1. start点或R点 2. DNA复制检测点 3.纺锤体组装检测点,DN
14、A损伤检测点有两个，一个存在于G1晚期，另 一个在G2晚期。G1期检测点通过抑制G1/S和S-Cdk的活化来阻止 细胞进入S期G2期检测点通过使Cdc25磷酸化，抑制M-Cdk的 活化，阻止细胞进入有丝分裂期。,4.DNA损伤检测点,DNA损伤与p53活化在G1期调控中的作用,第四节 细胞周期事件的胞内调控机制,1. G1期中cyclin-Cdk复合物的作用2. S期中cyclin-Cdk复合物的作用3. M期中cyclin-Cdk复合物的作用,1. G1期中cyclin-Cdk复合物的作用,磷酸化转录因子,（CKI）,Rb 蛋白： G 1 /S期转化的负性调节因子，控制G1期进展，使细胞 停
15、留在G1期。 生长因子刺激G 1 期cyclinD表达 cyclinD与CDK4、CDK6结合，使Rb磷酸化 磷酸化的Rb释放出转录因子E2F E2F促进cyclinE、A基因的转录，促使G 1 期向S期转化 cyclinE/CDK2、cyclinA/CDK2启动DNA和中心体的复制 到达S期一定时期，G 1 期cyclin通过泛素化途径降解,生长因子信号激活G1期CDK/cyclin的激酶活性,(1) CyclinA的合成始于G1S期转化，进入S期后，CyclinA-Cdk2成为主要的Cyclin-Cdk复合物 。(2) 在S期CyclinA-Cdk2复合 物位于DNA复制中心。 Cycli
16、nA-Cdk2不仅起始DNA的复制，而且防止DNA的再次复制。,2. S期中cyclin-Cdk复合物的作用,3.M期的进出与有丝分裂事件的触发,G2期向M期的转换 有丝分裂事件的触发 M期的退出,成熟促进因子(maturation promoting factor, MPF )的发现(1970,Johnson和Rao),M期细胞和间期细胞融合，出现早熟染色体凝集（PCC）,G1期细胞,融合,M期,（1）G2期向M期的转换,G1期PCC为单线状,融合,S期细胞,S期PCC为粉末状,融合,G2期细胞,G2期PCC为双线染色体状,成熟促进因子(MPF )1988，(Maller实验室, Lohka
17、等),(p45蛋白)CyclinB（调节亚单位）,Cdk1,（催化亚单位）,MPF,CAK,weel,cdc25,M-Cdk的活化促使G2/M期的转换,(2)有丝分裂事件的触发,(3)M期的退出 CyclinB的降解、Cyclin与Cdk分离； Cdk1的第14 Thr ，15 Tyr二个位点的氨 基酸残基磷酸化； 使MPF失活，促进细胞从M期向G1期转化,单细胞生物 营养多细胞生物 生长因子信号信号通路：ras途径，cAMP途径、磷脂酰肌醇途径。如通过ras途径，激活MAPK，MAPK进入细胞核内， 激活c-myc，进而促进cyclin D、SCF、E2F等G1-S有关的基因表达，细胞进入G1期。,细胞周期的胞外调控因素,生长因子的调节血小板衍生生长因子(PDGF)表皮生长因子(EGF)成纤维细胞生长因子转化生长因子(TGF)促红细胞生成素胰岛素样生长因子生长因子无种属特异性，而有组织特异性不同种类的细胞具有不同的生长因子受体多种生长因子共同调节细胞增殖,生长因子主要作用,生长因子主要作用G1期和S期,思考题：1.细胞周期的概念2.泛素的概念3.细胞周期各时相生物化学变化4.细胞周期调控因素5.MPF的活化及作用,
