新版细胞增殖分化凋亡课件

第 十 八 章 细胞增殖、分化与凋亡 的分子基础 生物化学与分子生物学 黄诒森 张光毅 主编 1 第一节 细胞增殖及其调控 细胞增殖即通过自身分裂，细胞不断自我更新 ，实现新旧交替的过程 是生物繁育的基础 与细胞生长、发育、分化、再生、创伤修复、 细胞凋亡及肿瘤发生密切相关。 2 一、细胞周期（cell cycle） 细胞周期：指细胞从上一次细胞分裂结束到下 次细胞分裂完成所经历的整个过程 可分裂细胞 终末细胞 生长因子 静息态 3 Checkpoint - a critical control point in the cell cycle where stop and go-ahead signals can regulate the cell cycle Three Major checkpoints are found in the G1, G2, and M phases of the cell cycle 二、细胞周期的调控点（check point） 4 R点（G1/S） G0/G1 G2/M 增殖 不增殖 分化 凋亡 5 The G1 checkpoint - the Restriction Point The G1 checkpoint ensures that the cell is large enough to divide, and that enough nutrients are available to support the resulting daughter cells. -If a cell receives a go-ahead signal at the G1 checkpoint, it will usually continue with the cell cycle -If the cell does not receive the go-ahead signal, it will exit the cell cycle and switch to a non- dividing state called G0 Actually, most cells in the human body are in the G0 phase The G2 checkpoint ensures that DNA replication in S phase has been completed successfully. 6 三、参与细胞周期调控的主要蛋白因子 细胞周期的 控制系统 细胞周期蛋白（cyclin） 细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK） CDK抑制物（CDKI） 7 （一）周期蛋白 是一类合成和分解都与细胞周期同步，驱动 细胞周期运转的特殊动力蛋白，能组成周期蛋白 依赖性激酶的调节亚单位。 Expression of cyclins through the cell cycle. 8 R点（G1/S） 有几十种周期蛋 白，分11种亚型 人类主要有5类： A、B、C、D、E 9 （二）周期蛋白依赖性激酶 一类与相应的周期蛋白结合成异二聚体，通 过磷酸化作用被激活的蛋白激酶，能催化特异蛋 白底物的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化。 在二聚体中，CDK作为催化亚基，推动细胞 周期；Cyclin作为调节亚基，执行特殊决定和 活化CDK的功能 CDK在细胞周期中含量稳定；Cyclin的含量 随细胞周期不断变化 10 A molecular model of how the CDK switches (blue) are turned on by CYCLIN proteins (magenta, right) and turned off by CKI proteins (not shown). 1、CDK结构 11 2、CDK的磷酸化调节: 磷酸化激 活 CDK在细胞中水 平相对稳定 有无活性和有活 性两种状态 12 （三）周期蛋白依赖性激酶抑制因子 细胞周期的负性调控蛋白，可以结合和钝化 CDK单体或Cyclin/CDK复合物，调节细胞周期。 INK4家族：P15、P16、P18 、P19 CIP/KIP家族：P21、P27、P57 13 （四）视网膜母细胞瘤蛋白（RB） RB非磷酸化结合E2F， 阻断G1/S转化和DNA 合成 RB被磷酸化释放E2F， DNA合成启动 Cyclin/CDK复合物 14 第二节 细胞分化 在个体发育中 ，后代细胞从原始 干细胞逐步演变成 具有特殊形态、结 构和生理功能的特 定细胞类型。 Cell differentiation 15 一、细胞分化的特征 分化细胞表型发生差异 分化细胞的遗传表型保持稳定 分化细胞的基因差别表达 分化细胞的去向在形态差异前已确定 分化细胞的生理状态随分化程度而变 分化细胞存在去分化和转分化 分化细胞的细胞核仍保持全能性 16 二、基因差别表达是细胞分化的基础 组织专一性基因的转录 造血系统细胞分化的等级调节模式 不同转录因子组合对细胞分化的调节 17 第三节 细胞凋亡 在一定条件下由细胞内特定基因操纵、调控细 胞的死亡，称程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD），又称细胞凋亡（apoptosis）。 一、凋亡的概念 18 二、凋亡的生理意义 维持组织内细胞数的恒定 在发育和分化中起作用 在免疫系统的发育、平衡 和自身活化中起作用 清除受损伤的细胞 19 三、凋亡的主要途径 细胞内途径：应激信号、DNA损伤和缺陷引发 细胞外途径：外部信号活化跨膜受体 20 （一）天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶家族 （Caspase） Caspase在天冬氨酸(Asp)部位被切断后从酶原转换成活性蛋白酶 四聚体 21 A cascade of caspase *22 （二）Bcl-2蛋白家族 Bcl-2蛋白家族是一组关键的凋亡蛋白，有20多个 成员。 23 Regulation of apoptosis by the Bcl-2 family. * 24 （三）线粒体凋亡途径 细胞色素释放引起的凋亡 25 （四）死亡受体介导的凋亡 “死亡受体”属肿瘤坏死 因子（tumor necrosis factor, TNF）受体超家 族，细胞外信号分子与之 结合，可引起细胞死亡。 26 1. Fas/CD95信号通路 同源三聚体FasL Fas/CD95受体 连接蛋白FADD Pro-caspase3 死亡诱导信号复合物 （DISC）： 27 2. TNF信号通路 * 28 细胞凋亡的两条通路 29 第四节 癌基因和抑癌基因 正调节信号：促进细胞生长和增殖，阻止发生终末 分化。（调控失常表现为肿瘤细胞的恶性生长，大 多数癌基因（oncogene）起此作用） 负调节信号：抑制增殖，促进分化、成熟和衰老， 最后凋亡。（抑癌基因anti-oncogene）在这方面发 挥作用）。 30 细胞 增殖 分化 ？ 肿瘤发生 癌基因 抑癌基因 失衡 细胞生长、分化和凋亡发生紊乱所导致的 无节制的恶性增殖 31 一、癌基因 细胞癌基因 癌基因活化 突变 正常细胞肿瘤细胞 去分化病毒 转化 普遍存在于正常细胞内调控细胞增殖和分化的 重要看家 基因称为细胞癌基因（cellular-oncogene, c -onc）或原癌基因（proto-oncogene, pro-onc）。 32 正常情况下，这些基因处于静止或低表达，对维 持细胞正常功能具有重要作用； 当受到致癌因素作用被“活化”并发生异常时，导 致正常细胞恶性转化癌变。如src、ras、myc。 三大类致癌因素： 一、化学因素（化学致癌剂） 二、生物因素（致癌病毒） 三、物理因素（放射线） 33 病毒癌基因：存在于病毒基因组中，体内使敏感宿 主产生肿瘤或体外导致培养细胞转化的基因。 根据病毒核酸组成分为DNA病毒和RNA病毒（即逆 转录病毒） 。 （一）病毒癌基因 ？ 病毒 肿瘤 34 1911年Rous首先发现含鸡肉瘤病毒的无细胞 滤液注射到健康鸡体内可诱发白血病。 命名为鸡Rous肉瘤病毒（RSV) RSV是逆转录病毒 35 1. 非急性转化性逆转录病毒 反转录病毒即RNA 病毒，含有编码依赖RNA的 DNA聚合酶（反转录酶）基因。 LTRgagpolenvsrcLTR 长末端 重复序列 正常的 病毒基因 癌基因 调节和 启动转录 产生病毒 核心蛋白 产生逆转录 酶和整合酶 产生病毒 外膜蛋白 产生酪氨酸 激酶 鸡肉瘤病毒（RSV）基因组结构图 保证病毒在宿主细胞的繁殖 36 病毒感染宿主后在 宿主细胞内先以病毒为模 板，在逆转录酶催化下合成单链，然后再复制为 双链DNA前病毒。 前病毒：整合到细胞DNA中，两端带有LTR 的病毒DNA中间体。 前病毒可在宿主细胞代代传递下去，也可转 录、表达，组成新的病毒再感染其他宿主。 37 （病毒）RNA (逆转录酶） RNA DNA DNA（前病毒） V-onc RNA病毒与宿主细胞基因组整合过程 38 2. 急性转化性逆转录病毒 整合于宿主的DNA前病毒通过重排或重组，捕 获宿主的特定序列，使原来的野生型病毒变成携带 恶性转化基因（外加基因）的病毒。 39 RNA病毒如何捕捉细胞癌基因？ 前病毒DNA LTR LTR gagpolenv 细胞基因 组DNA pol gagenv LTRLTR 前病毒DNA LTRLTR gagpolenv 病毒RNA + 整合 转录、剪切 包装成病毒颗粒 c-onc c-onc 40 二、细胞癌基因 病毒癌基因从宿主细胞基因组中捕获的一段核苷 酸序列，该序列在真核细胞的复本被称为细胞癌基因 （cellular oncogene,c-onc ）。 细胞癌基因是一类普遍存在于正常细胞内调控细 胞增殖和分化的重要的看家基因。 在正常细胞中以非激活形式存在，不会自发诱导 癌症，故又称为原癌基因(proto-oncogene)。 原癌基因是细胞基因组的正常成分，是一类编码关键性调 控蛋白的正常细胞基因，参与细胞生长、增殖、分化各环节 的调控。 细胞癌基因原癌基因 41 原癌基因只有激活后可引起细细胞生长长分化失控 ，导导致细细胞癌变变。 42 （五）原癌基因的激活机制 43 原癌基因只有在某些情况下，被异常激活，才 会具有致癌性 44 （1）调节序列的插入（启动子和增强子）： 逆转录病毒感染细胞后，病毒基因所携带的长 末端重复序列（含较强 的启动子和增强子）插入细 胞基因附近或内部，可以启动下游临近基因的转录 和影响附近结构基因的转录水平。 常见的激活机制 45 （2）基因突变： 原癌基因在射线或化学致癌剂作用下，发生单 个碱基的替换，改变表达蛋白的氨基酸组成，造成 蛋白质结构的变异。 46 （3）基因重排： 通过基因易位或重排，使原来无活性的原癌基 因移至某些强的启动基因或增强子附近而被活化， 原癌基因表达增强，导致肿瘤发生。 47 （4）基因扩增 在染色体的某一部位出现 均染色区或双微体 ，原癌基因以此方式在原来的染色体上复制成多个 拷贝，编码过量的癌蛋白。 (5) 基因偶联 指某些癌基因在特定条件下，可因其他原癌基 因的首先激活而贯序激活，从而协同完成癌变过程 。 (6) 基因抑制消除 DNA上具有顺式作用元件控制基因表达，甲基 化增加双螺旋结构的稳定、抑制启动和转录等。 48 （一）基本概念 抑癌基因（anti-oncogene）是指抑制细胞过度生 长并有潜在抑制细胞恶性转化作用的基因。 这类基因的 失活导致细胞癌变。 二、抑癌基因 49 常见的 抑癌基因有10余种： Rb, p53, DCC, NF-1, WT, FAP, erb A等 50 （二）抑癌基因举例 对抑癌基因作用机制了解较充分的为 P53 和Rb。 1、p53基因 p53基因是与人类肿瘤相关性最高的基因， 至少涉及所有肿瘤的一半以上。 野生型P53基因是抑癌基因，而突变型P53基 因起癌基因的作用。 51 2、 Rb基因 是第一个被克隆和测序的抑癌基因。 发现于儿童的视网膜母细胞瘤 52 Rb基因的作用机制： 去（低）磷酸化型的p105Rb可与促进细进细 胞分裂的 转录转录 因子E2F结结合形成复合物，从而阻止E2F对对某些 基因启动转录动转录 ，其中包括了一些在细细胞增殖过过程中起 主要作用的基因，如c-myc基因等。 高磷酸化型的p105Rb则则可促使其与E2F转录转录 因子 分离，从而使其呈现现活性，细细胞即由G1期进进入S期。 去磷酸化（活性 形式）抑制细胞 增殖 53 1. 诱导细胞终末分化 2. 诱导细胞程序性死亡 3. 维持基因稳定 4. 调节细胞生长（负性） （三）抑癌基因的失活与肿瘤发生的关系 1.抑癌基因的功能 * 54 Rb基因丧失功能或先天性缺失，视网膜细 胞异常增生，形成视网膜母细胞瘤。 2.抑癌基因失活与肿瘤的关系 55 野生型P53基因在维持细胞 生长、抑制细胞恶性增殖中起重 要作用。 P53基因发生突变后，因空 间结构的变化影响其转录活化功 能，从而丧失野生型P53抑制肿 瘤，而具备癌基因的功能。 56 第五节 生长因子 （一）概 念 生长因子（growth factor）是指活细胞产生 的，通过靶细胞上特异受体传递信息，调节细胞 生长与增殖的多肽。 特点： 活细胞产生的微量活性物质 通过特异的受体介导 双向作用：促进因子和抑制因子 一、生长因子 57 Growth factor Source Function EGF 颌颌下腺 促表皮和上皮细细胞生长长 EPO 肾肾、肝 调节红细调节红细 胞发发育 IGF3 血清 促进进硫酸盐盐参入软软骨组织组织 促进软进软 骨细细胞的分裂，对对多种 组织细组织细 胞起胰岛岛素样样作用 NGF 颌颌下腺 营营养交感及某些感觉觉神经经元 PDGF 血小板 促进间质细进间质细 胞及胶质细质细 胞生长长 TGF 肿肿瘤细细胞 类类似于NGF 转转化细细胞 TGF 肾肾、血小板 对对某些细细胞呈促进进与抑制双向作用 部分常见的生长因子 58 内分泌（endocrine） 旁分泌（paracrine） 自分泌（autocrine） （二）生长因子分泌机制的特殊性 由多种细胞分泌 靶细胞谱很广 运送方式多样 59 （三）作用的多功能性 （四）作用的协同性 * * 60 二、生长因子受体 61 生长因子作用机制示意图 受体定位于细胞表面 受体定位于胞液 三、生长因子及其受体的作用机制 62 四、与癌基因的关系 癌基因产物： 与生长因子同源 与生长因子受体同源 具酪氨酸蛋白激酶活性 是生长因子信号通路中某一成分的类似物 癌基因的表达受生长因子刺激而激活 生长因子主要对正常细胞的增殖和分化起作用，在 细胞发生癌变过程中和细胞癌变均有直接关系。 63 细胞的恶性转化实质上是以某种方式 干扰和破坏了生长因子的正常信号