细胞增殖和凋亡机制.ppt

第十章细胞增生和凋亡的分子机制,细胞增殖、细胞分化和细胞凋亡是任何一个多细胞生物在个体发育过程中的三项基本生命活动，相互依存，缺一不可。,Togrowornottogrow,thatisaquestion.,细胞增殖是生命的基本特征，种族繁衍、个体发育、机体修复等都离不开细胞增殖。初生婴儿有1012个细胞，成人1014个，约200种类型。成人体内每秒钟有数百万新细胞产生，以补偿衰老和死亡的细胞。,任何部位细胞进行分裂增殖，何时何部位进行细胞分化，又何时何部位该细胞凋亡，受着细胞周期的调节系统的调节，也受着个体发育不同阶段的发育调节。这些调节的基础是基因按一定的时间和空间顺序选择性地进行表达。,20世纪70年代LelandHartwell提出了“细胞周期检验点”（cellcyclecheckpoint）概念。最先找到了用于研究真核细胞周期的合适模型酵母细胞，通过研究他进一步提出了细胞分裂基因的概念，即cdc(celldivisioncycle)基因。20世纪80年代TimHunt发现周期蛋白(cyclin)。1990年，PaulNurse发现周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependentkinase，CDK）。2019年10月8日美国人LelandHartwell、英国人PaulNurse、TimothyHunt因对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖。,恶性肿瘤具有两大特征，一是细胞无休止分裂，二是恶性分化(malignantdifferentiation)。如何使肿瘤细胞停止分裂，并走向死亡(凋亡)和“改邪归正”(诱导分化)是肿瘤治疗的关键问题。,第一节生长因子信号转导活化细胞周期进程是细胞增生的分子机制,一、细胞经历细胞周期而增生,FigureA.1.CellCycle.,细胞周期的稽查点,稽查点(checkpoint)限制点（restrictionpoint）细胞周期四个稽查点：G1SSG2G2MMG1,二、有许多蛋白质参与调控细胞周期进程,Cyclin周期素或周期蛋白Cdk：cyclin-dependentkinaseCKI：,（一）周期蛋白和周期蛋白依赖性激酶复合物驱动细胞周期进展,ComplexofcyclinA(yellow)withcyclindependentkinase2.MoleculeATPishighlightedintheactivesiteoftheCDK2.,Cyclin：周期蛋白或周期素1.受生长因子的诱导表达；2.泛素介导的其蛋白质降解；3.含有周期蛋白框(cyclinbox)的一致性共有序列，是周期蛋白依赖激酶Cdk的调节亚单位。Cyclinbox：一段含有约100个氨基酸序列的区域，是介导周期蛋白与Cdk催化亚基结合的关键部位。,Cdk是组成型表达的核内丝-苏氨酸蛋白激酶。在细胞周期不同时相中，不同的cyclins的集聚与相应CDKs结合并被激活。CDK激活的底物主要有RB、转录因子、组蛋白、细胞结构蛋白等，具有促进细胞周期时相转变、启动DNA合成、运行细胞分裂、推进细胞周期运行的重要功能。,CDK1;cyclinA,cyclinBCDK2;cyclinA,cyclinECDK3CDK4;cyclinD1,cyclinD2,cyclinD3CDK5;CDK5R1,CDK5R2.CDKL5.CDK6;cyclinD1,cyclinD2,cyclinD3CDK7;cyclinHCDK8;CDK9;cyclinT1,cyclinKCDK10CDK11(CDC2L2);CDK12(CRKRS);CDK13(CDC2L5);,AlistofCDKswiththeirregulatorprotein,cyclinorother,StructureofpCDK2(ingreen)incomplexwithcyclinE1(incyan)withthe20-amino-acidsequence(residues230249)thatareinvolvedincentrosomelocalisation(MatsumotoandMaller,2019)showninred.ThePSTAIRE(C-)helixandtheactivationsegment,thetwomajorregionsofcontactbetweenpCDK2andcyclinE1,areshowninmagenta.,（二）CKI抑制Cdk及Cyclin-Cdk复合物的活性Cyclin-dependentkinaseinhibitorsCKI分两类：1.Cdk4/Cdk6抑制因子家族有P15、P16、P18、P19等。抑制CyclinD与Cdk4/Cdk6结合，及其复合物的激酶活性。2.Cip/Kip家族Cytokine-inducibleprotein/kinaseinteractingprotein有P21、P27、P57等。是细胞接受到接触抑制、DNA损伤、低氧及某些细胞因子等信号后的产物；与Cyclin-Cdk复合物结合，抑制它们的活性。,1.Cdk4/Cdk6抑制因子家族,2.Cip/Kip家族,（三）Rb蛋白与转录因子E2F-DP1的结合对G1期产生负调节作用Retinoblastomaprotein(pRborRb)Pocketproteinfamilyconsistsofthreeproteins：RB（P105RB）、P107和P130。,Rb蛋白,Rb/E2Ffamilies.ThereareonlytwomembersofE2Finfliescomparetoeightinmammals.,游离的E2F-DP1活化靶基因转录，包括：核苷酸及DNA合成酶的基因；周期蛋白D、E、A、Cdk2等；某些癌基因；E2F基因本身。,（四）使Cdk磷酸化和去磷酸化的酶也调节Cdk的活性,CDK1的调节与活化;CAK=CDK1-ActivitingKinase,（五）泛素-蛋白酶体介导蛋白质降解也起调节细胞周期的作用短命蛋白通过多泛素化途径降解，如Cyclin、P21、P27、E2F、Weel等。,参与细胞周期调控的泛素连接酶至少有两类,SCF（skp1-cullin-F-boxprotein，三个蛋白构成的复合体）负责将泛素连接到G1/S期周期蛋白（D、E）和p21、p27、E2F、Weel上；APC(anaphasepromotingcomplex)负责将泛素连接到M期周期蛋白（A、B）上。,三、调控蛋白协同作用调控细胞周期,（一）Cdk4/6和Cdk2的活化是限制点处调控的关键,（二）Cdk1活化是G2M关卡处关键调控因素CyclinB在G1后期胞浆中合成，并在胞浆-胞核间穿梭，在核内与Cdk1结合形成复合物也加入穿梭行列，此时Cdk被磷酸化，无活性。在G2-M转折，Cdc25C被活化，使Cdk1的14位和15位氨基酸残基去磷酸化，而活化CyclinB-Cdk1，后者磷酸化地物蛋白，如组蛋白1、核纤层蛋白、肌球蛋白等，使染色体致密，核膜解体，纺锤体开始形成等。,（三）APC介导的多泛素化蛋白降解是细胞离开M期进入G1期的关键调控因素,（四）DNA损伤关卡与G1及G2期停滞相关1.G2期的停滞涉及一系列的磷酸化过程Sensorproteins传感蛋白ATMATR（ATMandRad3related）Chk（checkpointkinase）Cdc25C-14-3-3核内胞浆核内的Cdk1不能被活化，停滞于G2。,2.转录因子P53能使细胞停滞在G1期和G2期,四、生长因子等细胞外因素通过信号转导调控细胞周期,（一）细胞从G0期进入细胞周期依赖多种生长因子的协同促进作用,有的组织细胞在从分裂期向S期发展时，在G1期中断，形成G0期细胞群的组织（水晶体上皮和膀胱上皮等），有的组织细胞在从S期向分裂期发展时，以G2期那样的状态中断，形成G0期细胞群的组织（耳的上皮）。但是，即使几乎完全失去分裂能力的已分化的组织细胞通常也可依靠人工培养、人工致癌等方法恢复其分裂能力。因此，所有的分化细胞都是G0期，G0期只不过是细胞周期中G1期或G2期的无限延长，而不是细胞周期中G1期或G2期的中断和脱离。,（二）G1期的细胞也需要生长因子促进细胞周期的进程,第二节细胞凋亡是一种程序化细胞死亡,Apoptosis,在多细胞生物中，细胞数量的生物稳态是通过细胞增殖和细胞死亡之间的平衡来维持。细胞残废分为两大类：1、由各种突发的，意外的事件所致的细胞死亡(病理性死亡)，形态学上表现为细胞坏死(necrosis)。2、程序性细胞死亡，形态学上表现为细胞凋亡(apoptosis)。,一、细胞凋亡机制涉及胱天蛋白酶的级联活化,（一）凋亡是多细胞生物发育及成体中维持体内平衡的一种正常事件Apoptosisistheprocessofprogrammedcelldeath(PCD)thatmayoccurinmulticellularorganisms.,例如蝌蚪尾的消失脊椎动物的神经系统的发育发育过程中手和足的成形过程,细胞凋亡与细胞坏死的区别,坏死凋亡,1.性质,2.诱导因素,强烈刺激，随机发生,较弱刺激，非随机发生,3.生化特点,4.形态变化,6.DNA电泳,5.炎症反应,7.凋亡小体,8.基因调控,被动过程，无新蛋白合成，不耗能,主动过程，有新蛋白合成，耗能,细胞结构全面溶解、破坏、细胞肿胀,胞膜及细胞器相对完整细胞皱缩，核固缩,弥散性降解，电泳呈均一DNA片状,DNA片段化(180-200bp)，电泳呈“梯”状条带,溶酶体破裂，局部炎症反应,溶酶体相对完整，局部无炎症反应,有,病理性，非特异性,生理性或病理性，特异性,无,有,无,确保胚胎发生、器官发育，调节细胞群体,维持内环境稳定,发挥积极的防御功能,凋亡的生理意义,凋亡的病理意义,器官功能障碍,凋亡的意义,恶性肿瘤发生,（二）凋亡途径是由诱导产生的胱天蛋白酶级联反应,1.凋亡途径最早在线虫中阐明早在20世纪60年代初期，科学家最先从线虫开始探索“程序性细胞死亡”的奥秘。,麻省理工学院的RobertHorvitz领导的研究小组采用体细胞突变的方法发现共有14个基因在C.elegans细胞凋亡中起作用,TheNobelPrizeinPhysiologyorMedicine2019,fortheirdiscoveriesconcerninggeneticregulationoforgandevelopmentandprogrammedcelldeath,SydneyBrenner,H.RobertHorvitz,JohnE.Sulston,TheMolecularSciencesInstituteBerkeley,CA,USA,MassachusettsInstituteofTechnology(MIT)Cambridge,MA,USA,TheWellcomeTrustSangerInstituteCambridge,UnitedKingdom,Duringdevelopment,1090cellsaregenerated,butprecisely131ofthesecellsareeliminatedbyprogrammedcelldeath.Thisresultsinanadultnematode(thehermaphrodite),composedof959somaticcells.,2.哺乳动物细胞凋亡途径与线虫相似但更为复杂1993年Yuan从哺乳类细胞中发现第1个Ced-3同源分子，叫白细胞介素-1转换酶（Interleukin-1ConvertingEnzyme，ICE），Pro-ICE含404个氨基酸，分子量45KD。在一定形式下可自身催化产生20KD和10KD二个片段，聚合形成（p20）2(p10)2杂四聚体，为活化的ICE。到2009年底为止在人类共发现有12个Ced-3同源分子，分别定名为Caspase1-12。,Caspase活性位点是半胱氨酸，裂解靶蛋白位点是天冬氨酸残基后的肽键，因此称为CysteineAsparticAcicSpecificProtease，即Caspase。Ced4的哺乳类同源物直到2019年，才被证明是Apaf-1（即一种细胞凋亡蛋白酶活化因子a