肿瘤学细胞周期PPT课件.ppt

Cellcyclecontrol Cancer 肿瘤是细胞周期调控机制破坏的疾病 2001NobelPrize LelandH Hartwell1970s Checkpoint Yeastgenetics 100CDCgenesStartgene TimHunt1980sCyclinsSeaUrchins PaulM Nurse1970sCDKsyeast LelandHartwell 哈特韦尔的贡献 一是发现了一系列控制细胞周期的重要基因 二是他为了解这些基因如何合作以控制细胞分裂提供了一个逻辑框架 哈特韦尔的细胞周期生物学研究使他赢得了多项美国和国际科学奖 PaulNurse 20世纪70年代中期 纳斯使用了不同于哈特韦尔的另一种酵母作为模型生物体 纳斯在这种酵母中发现了一种在控制细胞分裂中具有关键功能的基因 这个基因能调节细胞周期的不同过程 1987年 纳斯从人体细胞中分离出了相应的基因 并命名为CDK1 细胞周期蛋白依赖激酶 纳斯的研究表明 CDK的激活作用依赖于可逆的磷酸化作用 TimHunt 亨特在20世纪80年代初发现了第一个CYCLIN 在细胞周期中这些蛋白质周期性的变化 这些CYCLIN附在CDK分子上 调节CDK活性 CYCLIN最初是在海胆中发现的 后来 亨特发现其他物种中也含有CYCLIN 并且对细胞发育也具有重要意义 有关细胞周期的原创性发现 问题 模型 现象 工具 对细胞生长的所有方面都具有巨大的影响 细胞周期控制的缺陷会导致见于肿瘤细胞中的某种染色体改变 这些发现能让我们在今后很长的时间内创造治疗癌症的新方法 细胞周期概述 细胞周期的概念 conceptofcellcycle 指从一次细胞分裂结束开始 到下一次细胞分裂结束所经历的整个过程 分为 物质积累期 间期或静止期 和细胞分裂期 Interphase G1 gap G0 quiescentstateduringwhichcellcycledoesnotproceed S replicationofDNAandassemblyofchromosomalproteinsondaughterDNAmolecules G2 gapMphase mitosis nucleardivision cytokinesis cytoplasmicdivision 细胞周期时相组成 细胞增殖是生命的基本特征 初生婴儿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 一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次 并保持这一速度 则两天即可超过地球的重量 根据增殖状况 可将高等动物的细胞分为三类 连续分裂细胞 如表皮生发层 部分骨髓细胞 休眠细胞 暂不分裂 但适当刺激下可重新进入细胞周期 称G0期细胞 如淋巴细胞 肝 肾细胞 干细胞等 不分裂细胞 不再分裂 又称终端细胞 如神经 肌肉 多形核细胞等 细胞周期长短 同种细胞间周期时间长短相似或相同 不同种类细胞间 周期长短差别很大 S G2 M的时间变化较小 细胞周期时间长短差别在G1期 M期最短 约0 5 4 5小时 部分细胞的细胞周期没有G1 G2期 细胞周期阻滞的几种结局 Mechanismsinvolvedincellcyclecontrol CheckpointregulationDifferentialcyclingeneexpressionProteindegradation ubiquitinpathway CDKactivitiesregulatedby phosphorylation bindingofcyclins 1 MPF Mphase promotingfactor Cyclin CDK 1 1MPFfound 1 2MPFcomponents Cyclin B CDK cyclindependentkinase 1970sRao等发现与M期细胞 Hela 融合的间期细胞染色体发生凝缩 称为早熟凝集染色体 PCC G1期PCC为单线状 因DNA未复制 S期PCC为粉末状 因DNA由多个部位开始复制 G2期PCC为双线染色体 说明DNA复制已完成 不同类的M期细胞也可诱导PCC产生 说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子 即成熟促进因子 MPF 1 1MPFfound G1phasefusewithMphase sphasefusewithMphase G2phasefusewithMphase Hartwell1960s Nurse1970s分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料 利用温度敏感突变株 发现许多与细胞分裂有关的基因 cdc 如 裂殖酵母cdc2 芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂 wee1突变型则提早分裂 cdc25突变型细胞体积增大而不分裂 cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶 促进细胞周期的进行 weel和cdc25分别表现为抑制和促进cdc2的活性 buddingyeast Fissionyeast Cdc25 Wee1mutant T Hunt1980s发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡 命名为cyclinA和B 其mRNA能诱导蛙卵成熟 1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化 经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成 是一种丝氨酸 苏氨酸激酶 进一步的研究发现MPF cdc2 cyclinB Thecoremechanismofcellcycleregulation CDKs Cyclins CKIs CAK Wee1 CDC25 Degradation 1 2细胞周期素 cyclin 特点 在细胞周期中呈周期性变化 含有一段约100个氨基酸的保守序列 称为周期蛋白框 介导与CDK结合 作用 激活和引导CDK作用于不同底物 已知30余种 分为4类 G1型 G1 S型 S型 M型 A2 Destroybox Cyclinbox B1 PEST G1cyclinrenewal C DifferentCyclinexpressedindifferentcellcyclephaseBindwithDifferentCDK regulateCDKkinaseactivity G1期 在生长因子的刺激下 cyclinD表达 并与CDK4 CDK6结合 使下游的蛋白质如Rb磷酸化 释放转录因子E2F 促进许多基因的转录 如编码cyclinE A CDK1和DHFR的基因 G1 S期 cyclinE与CDK2结合 激活DNA复制 G2 M期 cyclinA cyclinB与CDK1结合 CDK1引起染色体凝缩 核膜解体等 ExperimentalDemonstrationthatCyclinDisRequiredforPassageThroughtheRestrictionPointintheMammalianCell Overexpression GeneAmplification 乳腺癌 胃癌 食道癌Chromosomereverse甲状旁腺腺癌ChromosomerearrangementB淋巴细胞白血病Genemutation T286 CyclinD 1 3CDK Cyclindependkinase cdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性 故名细胞周期蛋白依赖性激酶 CDK cdc2又称CDK1 可将特定蛋白磷酸化 如 将核纤肽磷酸化导致核纤层解体 核膜消失 将H1磷酸化导致染色体的凝缩等 在动物中已知7种CDK 均含PSTAIRE保守序列 与周期蛋白的结合有关 1 4CDKinhibitoryproteins CKI 对细胞周期起负调控作用 分为 Ink4 抑制cdk4 cyclinD1 cdk6 cyclinD1 Kip 抑制大多数CDK 其中P21cip1还能与DNA聚合酶 的辅助因子PCNA结合 直接抑制DNA的合成 CDKsOver expressionofCDK4andCDK6CKILowerexpressionormutation p16 Kip cip P21ciplCyclins CDKsPCNACellCyclevelocityinhibitionofDNAreplication 2CHECKPOINT 组成 感受器 信号传导通路 效应器 主要检验点 G1 S检验点 DNA是否损伤 细胞外环境是否适宜 细胞体积是否足够大 在酵母中称start点 在哺乳动物中称R点 restrictionpoint S期检验点 DNA复制是否完成 G2 M检验点 DNA是否损伤 细胞体积是否足够大 中 后期检验点 纺锤体组装检验点 Fourcheckpoints 2 1TheG1 SCheckpoint EnvironmentalGrowthfactors fromothercells egPDGFDensitydependentinhibitionInternalDNAdamage G1cyclinD D1 D2 D3 E AG1CDK CDK2 4 6cyclinD CDK4 6cyclinE A CDK2cyclinD D1 D2 D3 iskeyfactorforG1 ScyclinEiskeyfactorforstartups phaseG1phasecyclindegradationbyUbiquitinthroughPEST Rb基因的异常主要表现为等位基因缺失和基因突变 除了视网膜母细胞瘤和骨肉瘤外 在许多种肿瘤中也检测到Rb基因的突变 包括肺癌 40 膀胱癌 30 前列腺癌 20 以及乳腺癌 宫颈癌和某些类型的白血病 2 2S G2 M DNAreplicationcheckpointIfDNAdidnotcompletereplication s phasecouldnotchangeintoG2ThisG2checkpointsensesunreplicatedDNA whichgeneratesasignalthatleadstocellcyclearrest CDC25activityislowbutWeelactivityishigh MPFinactivate G2checkpoint G2checkpointpreventstheinitiationofmitosisuntilDNAreplicationiscompleted OnlytheinhibitionofG2progressionrelieved allowingthecelltoinitiatemitosisanddistributethecompletelyreplicatedchromosomestodaughtercells 2 3M phaseregulation MPFactivateMphasecheckpoint MPF theG2Checkpoint MPF pushescellpastG2checkpoint Cdc2ActivatesCdc25andInhibitsWee1 PositiveFeedbackLoopAlittleCdc2goesalongway Thr161 Tyr14 15 ThismeansCdc25Mustalsoberegulated Tyr15Inhibitory AddedbyWee1RemovedbyCdc25 Thr160Activating CDKaddsafterCyclinbinding MPFinducesmultiplenuclearandcytoplasmicchangesattheonsetofMphase bothbyactivatingotherproteinkinasesandbyphosphorylatingproteinssuchascondensinsandthenuclearlamins SoMPFgetsusintomitosis howdowegetout Onecanimaginemanypossibilities ActivateWeekinaseandturnoffMPFInactivateCdc25phosphataseActivateaphosphatasethatundoestheworkofCDKSynthesizeaninhibitorofMPF aCKIItturnsoutallthesepossibilitiesarewrong ThesolutionliesinthebehaviorofCYCLIN CyclinDestructionDrivesMitoticExit APCandM regulation APC AnaphasePromotingComplexM phasetoanaphasedependonrigidregulationAPC1 8APCregulateCyclinBandotherproteinUbiquitinationSpindleassemblycheckpointcontrolAPCactivity AnaphasePromotingComplex theMCheckpoint Mad2 Cdc20 2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙 切哈诺沃 阿夫拉姆 赫什科和美国科学家欧文 罗斯 以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解 其实他们的成果就是发现了一种蛋白质 死亡 的重要机理 死亡之吻 Proteindegradation Neednotenergy onlyneedenzyme Needenergy certaintime certainpositioncertaindirectionproteindegradation 一种被称为泛素的多肽在需要能量的蛋白质降解过程中扮演着重要角色 这种多肽由76个氨基酸组成 它最初是从小牛的胰脏中分离出来的 它就像标签一样 被贴上标签的蛋白质就会被运送到细胞内的 垃圾处理厂 在那里被降解 Ubiquitin Proteinsareusuallytaggedforselectivedestructioninproteolyticcomplexescalledproteasomesbycovalentattachmentofubiquitin asmall compact highlyconservedprotein Polyubiquitinationofmitoticcyclins FortuitousDiscoveryofCyclinBUbiquitination IPof35S LabeledCyclinB NormalExposure OverExposure CyclinB CyclinB UbLadder 原来细胞中存在着E1 E2和E3三种酶 它们各有分工 E1负责激活泛素分子 泛素分子被激活后就被运送到E2上 E2负责把泛素分子绑在需要降解的蛋白质上 但E2并不认识指定的蛋白质 这就需要E3帮助 E3具有辨认指定蛋白质的功能 当E2携带着泛素分子在E3的指引下接近指定蛋白质时 E2就把泛素分子绑在指定蛋白质上 这一过程不断重复 指定蛋白质上就被绑了一批泛素分子 HighEnergyThioesterBond canbetransferredfromE1toE2 E3 orsubstrate UbiquitinisTransferredviaThioesterBonds UbiquitinationofProteinSubstrates