细胞周期与肿瘤

细胞周期与肿瘤 目前从多方面对肿瘤进行了深入研究（流行病学、病因学、遗传），肿瘤是多因素，多步骤，多阶段的。但是肿瘤的恶性增生从生物学角度看，主要表现在两个方面：一是肿瘤细胞的不灭性，即细胞凋亡障碍；二是细胞增殖失控，程序发生紊乱，只是增殖超常加快。这两方面均已成为肿瘤发生发展研究的热点。,生命是如何生长，生存，繁衍和死亡？在每一个生命个体中都存在一个精密的程序，或生物钟。生物钟决定着细胞是否、何时生长、分裂、或死亡。这就是细胞周期调控机制，它在相关基因的控制下，依据一定的规则和节奏运行着，调控细胞的生长、分裂和死亡。在胚胎细胞，细胞周期保持快速运行，在一些成年细胞中其运行慢得多，而在神经元细胞细胞周期几乎完全不运行。在生长过程中的细胞，如果细胞周期不能运行，结果是死亡。而在成熟细胞，细胞周期不正确的运行，结果则是肿瘤的发生。,第一节 历史回顾 一、生命复制之谜的揭开 1.1858年建立细胞理论： 生命的基本形式是细胞，机体由细胞构成，细胞的生长复制形成了生物体的生长繁衍，细胞的异常或死亡导致机体的疾病或死亡 细胞生长中有两种形式： 有丝分裂期和细胞间期,1951年发现了细胞分裂周期： G1 S G2 M G0 随着成熟刺激因子（maturation promoting factor,MPF）， 细胞周期素（cyclin），细胞周期素依赖性蛋白激酶的发现使对细胞周期及与肿瘤的发生发展关系的研究有了很大进展,细胞分裂周期图,二、肿瘤发生、发展与生命复制研究的会合 通过研究发现了1.存在于正常细胞内的原癌基因发生错误转变为癌基因2.一些基因失活后正常细胞转变为癌细胞抑癌基因。经过70年代的癌基因时代，80年代的抑癌基因时代90年代的多基因时代或癌基因蛋白网络时代，提出了一系列的理论：肿瘤多步骤里论、DNA修复理论、细胞凋亡理论，进一步阐明细胞周期核心机制、细胞周期启动机制、细胞周期检测点机制,三、肿瘤与细胞周期研究的重大突破 （一）肿瘤是多步骤发生多基因突变的进行性疾病：二次打击学说，肿瘤的发生发展是一个细胞克隆进化的过程 （二）肿瘤是一类细胞周期疾病 各种基因的功效会聚到细胞周期机制形成肿瘤,细胞各时相的动态变化 、G1期 RNA在此期大量合成，导致蛋白质量明显增加。S期所需的DNA复制相关的酶系，如DNA聚合酶，G1期向S期转变相关的蛋白质如触发蛋白、钙调蛋白、细胞周期蛋白等均在此期合成。,触发蛋白是一种不稳定蛋白，它对细胞从G1期进入S期是必须的。只有当其含量积累到临界值，细胞周期才能朝DNA合成方向进行。 钙调蛋白是真核细胞内重要的钙受体，它调节细胞内钙的水平，钙调蛋白的含量，在G1晚期可达峰值，用抗钙调蛋白药物处理细胞，可延缓其从G1期到S期的进程。G1期蛋白质量的增加，可能与蛋白质合成增强有关，而另一原因则可能使其降解的减弱。,蛋白质的磷酸化作用在G1期开始增加，这将有利于G1晚期染色体结构成分的重排。非组蛋白、一些蛋白激酶在G1期也可发生磷酸化，已知大多数蛋白激酶磷酸化发生于其丝氨酸或苏氨酸、酪氨酸部位。,、S期 S期是细胞进行大量DNA复制的阶段，组蛋白及非组蛋白也在此期大量合成，最后完成染色体的复制 （）、DNA复制需要多种酶的参与 包括DNA聚合酶、DNA连接酶、胸腺嘧啶核苷酸激酶、核苷酸还原酶等。随着细胞由G1期进入S期，这些酶的含量或活性可显著增高,（）、DNA复制具有严格的时间顺序 通常，GC含量较高的DNA序列在早S期复制，晚S期复制的主要为含量高的DNA序列；就染色体而言，常染色质的复制较异染色质要早，典型的例子如人女性的细胞中，当其它染色体都被复制完以后，才开始进行纯化的X染色体复制。,（）、S期是细胞合成的主要时相 此时细胞质中可出现大量的组蛋白mRNA，新合成的组蛋白从胞质进入胞核，与复制后的DNA迅速结合，但绕成核小体，进而形成具有两条单体的染色体。除了蛋白质合成以外，在S期细胞中不断进行着组蛋白的持续磷酸化。,（）、中心粒的复制也在S期完成 原本垂直的一对中心粒发生分离，各自在其垂直方向形成一个子中心粒，由此形成的两对中心粒在以后的细胞周期进程中，将发挥微管组织中心的作用，纺锤体微管，星体微管的形成均与此相关。,、G2期 为细胞分裂准备期，细胞中合成一些与M期结构功能相关的蛋白质，与核膜破裂，染色体凝集相关的成熟促进因子在此期合成。 微管蛋白G期合成达高峰，为M期纺锤体微管的形成提供了丰富的来源。 已经复制的中心粒在G2期逐渐长大，并开始向细胞两极分离。,、M期 为细胞有丝分裂期。在此期细胞中，染色体凝集后发生姊妹染色单体的分离，核膜核仁破裂后再重建，胞质中有纺锤体收缩环出现，随着两个子核的形成，胞质也一分为二，由此完成细胞分裂。,细胞分裂周期及主要调控机制,第二节 细胞周期机制的核心CDK调控机制 一、CDK调控中心 细胞周期机制的核心，是一组蛋白激酶，它们各自在细胞周期内特定的时间激活，通过对相应的底物磷酸化，驱使细胞完成细胞周期。这些蛋白激酶的细胞周期特异性或时相性激活，依赖于一类细胞周期特异性或时相性表达、累及与分解的蛋白质，称为细胞周期素，而前者被称为细胞周期依赖性蛋白激酶。这一核心调控机制来源于科学家对酵母、非洲爪蟾卵、果蝇和人类细胞的研究，由于其亿万年进化后仍被高度保守下来。,1.Wee1/CDC25（Wee1基因）： 真核生物的基因，编码酪氨酸蛋白激酶，通过对P34CDC进行磷酸化而抑制细胞分裂周期。 2.CDC gene（细胞周期基因）： 酿酒酵母中编码NEF因子的基因，能激活酵母RAS蛋白以及Ha-Ras蛋白。NEF因子是一种病毒调节蛋白。,3.人类主要的CDK有种：CDK1-7 4.人类主要的cyclin有类种： cyclinA, cyclin-B(B1:B2), cyclinC, cyclinD(D1,D2,D3), cyclin-E, cyclin-F, cyclin-G, cyclin-H. 细胞周期素与CDKs结合后，CDKs才具有活性，它们两者的结合使细胞周期有序进行。具体结合方式如下：,（） CDK2、 CDK4与cyclin-E结合，而CDK、 CDK、 CDK、 CDK与cyclin结合是G1期运行的必备条件。 （） CDK与cyclin-E结合是S期启动的必要条件。 （） CDK与cyclin-A的结合是G2期启动和进行的必要条件。 （） CDC2(CDC1)与cyclin-B1的结合是M期事件启动和进行的必要条件,二、细胞周期素（cyclins）是调控CDK活性的主要成分 起初人们定义cyclin时，是根据其蛋白质水平在细胞周期内呈时相性起伏的特征。现在看来，正确的定义，应根据该蛋白质结构上是否存在能与CDK催化亚单位结合、激活的特异性区域。所有的cyclin蛋白分子结构上，都有一个由多个氨基酸组成的相对保守的区域，人们称为细胞周期盒。Cyclin box的主要功能是与cyclin结合并激活之，如果该区域突变，cyclin与CDK的结合能力和激活功能同时丧失。,Cyclin的功能调控主要依靠其蛋白水平的细胞周期特异性起伏。Cyclin蛋白质水平的细胞周期时相性起伏与它们的m RNA起伏也有密切关系，但机制不清楚。,Cyclin蛋白质还含有特别的区间，能将相应的CDK引到特定的底物或亚细胞部位，因此，cyclin蛋白质除了激活相应的CDK外，还有加强CDK对特定的物的作用。这一功能可能是因为cyclin与特定的物质之间的正反应所致。,三、Thr160/161磷酸化： CDK的激活，除了必须与相应的 cyclin结合外，还需要在其保守的苏氨酸残基上进行磷酸化。在人类细胞的CDC2，这一关键性的磷酸化是在位的苏氨酸残基（Thr16），CDK2则在位的苏氨酸残基（Thr16） CDK7与cyclinH结合后，不仅可以使CDC2 和CDK2磷酸化，还能使较远的的CDK家族成员CDK4磷酸化。所以一种CAK能使细胞周期调控中心的所有重要的CDK-cyclin底物磷酸化而激活。这种CAK导致的某一种CDK-cyclin底物磷酸化，与cyclin的时相性起伏相平行。,四、Thr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化。 CDC2的激活过程是Thr160/161磷酸化和Thr14/Tyr15磷酸化过程，CDC2激活后去激活大蛋白激酶或抑制磷酸酶使Weel灭活最终是细胞进入有丝分裂 五、细胞周期依赖性蛋白激酶抑制物：（CKI） CKI主要有两大家族，一类是 p21(CIP1/WAF1/CAP20/SDI1)和p27(KIP1),它们主要与CDK2、 CDK4的抑制有关；另一类是p16INK4和 p15INK4B，主要与CDK4 、CDK6的抑制密切相关。,作用机制：未完全清楚，大多数CKI是通过直接与Thr160/161磷酸化后的CDK-cyclin复合物密切结合，直接抑制其蛋白激酶活性。 现较为肯定的是p21，其调控水平在基因转录的层面，当DNA损伤和细胞衰老时，具有转录因子作用的p53增高，抑制其蛋白激酶活性，阻滞细胞周期的进行。,第三节 细胞周期的两大机制 细胞周期得以进行的核心机制是在一系列cyclin时相起伏的调控下，相应的CDK依次激活，驱使细胞通过G1,S,G2期，达到M期，细胞一分为二，实现忠于亲代的细胞复制。这一过程的顺利完成取决于是否启动和能否忠于运行，达到忠实复制，是细胞周期调控的两大生物学机制。,一、细胞周期的启动机制 细胞周期能否启动进行细胞增殖，主要的调控点在G1期，它决定细胞是否通过G1期进入S期。这一调控点首先在芽殖酵母的研究中被认识，人们称其为“起始点”（START）。一旦细胞通过start,它们势必进入S期，完成整个细胞分裂周期。因此start有时酵母细胞周期的“决定点”。,在人体细胞增殖中，在G1期存在相似的调控机制。在G1期较晚时，也有一个决定点，称为“限制点”（restriction point），与酵母的START功能类似，不同的是，人类细胞是否通过“限制点”，进入细胞周期，主要受与细胞增殖有关的细胞外生长因子的调控，而不是营养素。只要有相应的生长因子存在，细胞就能通过R点进入S期，完成整个细胞周期。回到G0/1期。相反，如果细胞在G1期就缺乏相应的生长因子，细胞周期的运行将停止在R点，此时细胞进入“安静状态，称之为G0期。,连接信号转导与细胞周期有两条途径，一是cyclinD/CDK4，二是cyclinE/CDK2。二者都是G1期进行的限速步骤，即cyclinD或cyclinE的过度表达，均能缩短G1期时间或加速G1期进行,二、细胞周期的监控机制 （一） DNA损伤检测点 抑癌基因p53在人类细胞周期G1期检测点起着关键性作用。还存在G2期检测点。 （二） 时相次序监测点 有MPF(有丝分裂促进因子)，可以诱导所有细胞周期时相的细胞核发生染色体凝集。 SPF(S期促进因子)，只能诱发G1期细胞进入S期而不能使G2期细胞进入M期。,第四节 细胞周期的界面机制 一、 细胞周期与DNA修复 所有的真核细胞中都高度保守者这一整套完整的精密机制，承担着DNA损伤、错误地发现，并将其信号传递给相应的机制，去阻滞细胞周期的运行，并同时进行DNA损伤的修复。然后视修复情况，细胞基因的突变。决定继续分裂或死亡，执行一系列细胞的重要生命活动。,DNA修复方式 切除修复 错配修复 : 将局部一段错配的寡核苷酸链切除，重新合成之,碱基切除修复 核苷酸切除修复,全基因组切除修复 转录切除修复,二、 细胞周期与细胞凋亡 细胞凋亡存在有细胞周期特异性，不同因素诱导的细胞凋亡发生在细胞周期不同的时相 三、 细胞周期与细胞分化 细胞周期不仅与细胞增殖、细胞凋亡有关，还调控着细胞分化,第五节 肿瘤细胞周期机制的破坏 一、 细胞周期检控机制的破坏 细胞周期中检测DNA损伤的检测点至少有两处，一处在G1-S过渡期，另一处在G2-M过渡期。控制进入S期的检测点，防止DNA受损细胞进入S期的DNA复制。控制进入M期的检测点，防止受损的DNA和未完成复制的DNA进入有丝分裂。,这些DNA损伤检测点的主要机制有二：一是p53依赖性机制，另一是p53非依赖性机制每一个完整的检测点应由四部分组成，即发现或传感器（detect或sensor）、制动或拘留（stop or arrest）、修复（repair）、决定（decision,divide or death）。理论上说监测点的任何一部分出了问题，都会导致功能的异常，结果是遗传不稳定，基因受损的细胞存活和复制或细胞遗传物质的改变，如此细胞多步骤进化，最终成为失控性生长的肿瘤细胞。 肿瘤的发生发展过程中，