细胞增殖调控PPT课件.ppt

第一节细胞增殖调控 一 MPF的发现及其作用二 p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系三 周期蛋白四 CDK和CDK抑制因子五 细胞周期运转调控六 其他因素在细胞周期调控中的作用 1 一 MPF的发现及其作用 MPF maturation mitosis M phase promotingfactor 即 卵细胞 成熟促进因子 或细胞有丝分裂促进因子 也称M期促进因子 在细胞周期调控中起重要作用 PCC prematurechromosomecondensation 即早熟染色体凝缩 主要是指与M期细胞融合的间期细胞 G1 S和G2 发生的形态各异的染色体凝缩 G1期PCC为细单线状 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为双线染色体状 说明DNA复制已完成 这样的形态变化可能与DNA复制状态有关 2 一 MPF的发现及其作用 M期细胞中可能存在细胞有丝分裂促进因子 M期细胞可以诱导PCC 暗示在M期细胞中可能存在一种诱导染色体凝缩的因子 称为细胞有丝分裂促进因子 MPF 3 M期细胞与G1 A S B 和G2 C 期细胞融合诱导早熟染色体凝缩 PCC 图14 1 4 成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子的存在 两位科学家分离出第 期等待成熟的非洲爪蟾卵母细胞 并用孕酮进行体外刺激 诱导卵母细胞成熟 然后进行细胞质移植实验 他们发现 在成熟的卵细胞的细胞质中必然有一种物质可以诱导卵母细胞成熟 即成熟促进因子 MPF 后来还证明 在成熟卵细胞中 MPF已经存在 只需通过翻译后修饰即可转化为活性状态的MPF 1998年分离获得了MPF 1998年 科学家们以非洲爪蟾卵为材料 分离获得了微克级的纯化MPF 并证明其主要含有p32和p45两种蛋白 并且是一种蛋白激酶 5 非洲爪蟾卵细胞成熟过程 受精和第一次卵裂示意图 图14 2 6 成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子 MPF 的存在 图14 3 7 二 p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 已知 非洲爪蟾卵 MPF p32 p45 MPF是激酶裂殖酵母 cdc2 基因 p34cdc2 蛋白 p34cdc2激酶 调控G2 M转换 p34cdc2 p56cdc13 cdc即细胞分裂周期之缩写 芽殖酵母 cdc28 基因 p34cdc28 蛋白 p34cdc28激酶 调控G1 S和G2 M转换 p34cdc28 p34cdc2 同源物 p34cdc2 p32 同源物 海胆卵 含量随细胞周期进程变化而变化的蛋白质即周期蛋白 cyclin cyclinB是MPF的另一种主要成分 cyclinB p56cdc13 同源物 结论 MPF 催化亚基单位 CDK 调节亚单位 Cyclin CDK为周期蛋白 cyclin 依赖性蛋白激酶 8 三 周期蛋白 周期蛋白 cyclin 指含量随细胞周期进程变化而周期性变化的蛋白质 一般在细胞间期内积累 在细胞分裂期内消失 在下一个细胞周期中又重复这一消长现象 周期蛋白有多种 酵母中的周期蛋白有Cln1 3 Clb1 6 哺乳动物细胞中的周期蛋白A1 2 B1 3 C D1 3 E1 2 F G H L1 2 T1 2等 周期蛋白框 cyclinbox 指所有周期蛋白中都存在的约由100个残基组成的相当保守的氨基酸序列 其功能是介导周期蛋白与CDK结合 9 三 周期蛋白 破坏框 降解盒 destructionbox 指M期周期蛋白近N端含有的一段由9个氨基酸残基组成的特殊序列 RXXLGXIGX 其功能是参与泛素依赖性的cyclinA和B的降解 在破坏框之后有一段约40个氨基酸残基组成的Lys K 富集区 PEST序列 指G1期周期蛋白的C端含有的一段特殊的PEST氨基酸序列 其功能可能与G1期周期蛋白的更新 降解 有关 不同的Cyclin CDK复合体表现不同的CDK活性 不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时相不同 并通过不同的周期蛋白框与不同的CDK结合 组成不同的cyclin CDK复合体 表现出不同的CDK活性 10 周期蛋白含量随细胞周期的变化 11 部分周期蛋白分子结构特征 图14 4 12 细胞周期蛋白的降解盒与降解途径 13 部分哺乳动物 A 和酵母细胞 B牙殖和C裂殖 周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK活性的关系 图14 5 14 四 CDK和CDK抑制因子 周期蛋白依赖性蛋白激酶 cyclin dependentkinase CDK 由周期蛋白结合并活化的调控细胞周期进程的蛋白激酶 CDK通过磷酸化其底物而对细胞周期进行调控 CDK有多种 在人体中发现并命名的CDK包括CDK1 Cdc2 CDK13 不同的CDK在细胞周期中起调节作用的时期不同 某些CDK与cyclin的配对关系及执行的功能的时期 见表14 1 CDK激酶结构域 各种CDK的CDK激酶结构域保守程度有所不同 但其中有一小段序列则相当保守 即PSTAIRE序列 与周期蛋白结合有关 15 四 CDK和CDK抑制因子 CDK的活性受磷酸化修饰调节 细胞内存在多种因子 对CDK分子结构进行磷酸化修饰 从而调节CDK的活性 CDK抑制蛋白 CDKinhibitor CKI 指对CDK起负调控作用的蛋白质 包括Cip Kip家族和INK家族 Cip Kip家族 包括p21 p27和p57等 其中p21主要对G1期CDK CDK2 4和CDK6 起抑制作用p21还与DNA聚合酶 的辅助因子增殖细胞核抗原 PCNA 结合 抑制DNA的复制 INK家族 包括p16 p15 p18和p19等 其中p16主要抑制CDK4和CDK6活性 16 通过PCR技术测定与CDK1类似的CDK蛋白分子图解 图14 6 17 18 不同类型的周期蛋白 19 周期蛋白 周期蛋白依赖型激酶复合物在真核生物细胞周期调控中的作用 20 Cyclin的周期性变化 21 植物细胞周期控制的图示 22 p21抑制作用的机理 23 五 细胞周期运转调控 细胞周期调控系统 cellcyclecontrolsystem 是指调节细胞周期运行的蛋白质网络系统 CDK因对细胞周期运行起着核心调控作用而被称为周期引擎分子 不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结合 构成不同的MPF 不同的MPF在细胞周期的不同时期表现活性 因而对细胞周期的不同时期进行调节 MPF又被称作细胞周期引擎 一 G2 M期转化与CDK1的关键性调控作用 二 M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化 三 G1 S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK 四 S G2 M期转换与DNA复制检查点 24 一 G2 M期转化与CDK1的关键性调控作用 CDK1活性依赖于cyclinB含量的积累 cyclinB 或cyclinA 的含量达到一定值并与CDK1结合 同时在其它一些因素的调节下 逐渐表现出最高激酶活性 G2 M期转换和M期启动 CDK1催化底物蛋白磷酸化 CDK1通过使某些底物蛋白磷酸化 改变其下游的某些靶蛋白的结构和启动其功能 实现其调控细胞周期的作用 CDK1选择底物中某个特定序列中的某个Ser Thr残基磷酸化 CDK1可以使多种底物蛋白磷酸化 见表14 2 25 一 G2 M期转化与CDK1的关键性调控作用 CDK活性受到多种因素的综合调节 周期蛋白与CDK结合只是激活CDK活性的先决条件 仅周期蛋白与CDK结合 并不能使CDK激活 还需要其它几个步骤的修饰 cyclinB CDK1复合物 无活性 Wee1 mik1激酶和CDK1活化激酶 CAK cyclinB CDK1的Thr14 Tyr15和Thr161磷酸化 无活性前体MPF cdc25C蛋白磷酸酶 cyclinB CDK1仅剩Thr161磷酸化 有激酶活性的MPF MPF对cdc25C有正反馈作用 不同的CDK之间有一定的代偿功能 CDK对个体和器官的发育也起着重要的调节作用 26 cyclinB在CDK1活性调节过程中的作用 图14 7 27 28 2020 1 7 29 CDK1激酶活性综合控制示意图 图14 8 30 活性MPF的正反馈 31 二 M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化 后期促进复合物 anaphase promotingcomplex APC 20S 泛素连接酶 E3 通过泛素依赖性蛋白降解途径 降解M期周期蛋白和中期向后期转换的非周期蛋白类负调控因子 使细胞从中期向后期转换 APC至少由15种成分组成 分别称为APC1 APC15 APC的发现是细胞周期研究领域中又一重大进展 表明细胞分裂中期向后期转换也受到精密调控 APC的主要作用 到达分裂中期后 cyclinB A与CDK1分离 在APC介导下 通过泛素化依赖途径而降解 CDK1活性消失 细胞由分裂中期向后期转化 32 二 M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化 APC活性受到多种因素的综合调节 M期CDK激酶和蛋白磷酸酶对APC的活性起着调节作用 纺锤体组装检查点调控APC的活性 如cdc20和Mad2 有丝分裂捕获缺陷蛋白2 分别为APC有效的正调控因子和负调控因子 在分裂中期之前 位于动粒上的Mad2与cdc20结合并抑制其活性 到分裂中期 Mad2从动粒上消失 解除对cdc20的抑制作用 促使APC活化 导致M期周期蛋白降解 M期CDK活性丧失 33 后期促进复合物 APC 作为有丝分裂的终结者 34 马达蛋白和微管系统共同协作导致染色体分离 35 CyclinB的降解途径 36 三 G1 S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK 细胞由G1期向S期 G1 S期 转化主要受G1期周期蛋白依赖性CDK cyclinD CDK4 6 cyclinE CDK2和cyclinA CDK2 cyclinD CDK4 6为细胞G1 S期转化所必需 cyclinD包括D1 D2和D3 它们的表达有细胞和组织特异性 cyclinD CDK4 6的底物主要是Rb蛋白 retinoblastomaprotein 即成视网膜细胞瘤蛋白 Rb蛋白是E2F的抑制因子 E2F是促进与G1 S期转化和DNA复制有关的基因转录的转录因子 Rb蛋白在G1 S期转化中起负调控 刹车 作用 在G1期的晚期通过磷酸化而失活 37 三 G1 S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK cyclinE CDK2为S期启动所必需 cyclinE CDK2的主要作用是去除p107 类Rb蛋白 对E2F的抑制作用 促进G1 S期转化 cyclinE CDK2是TGF 的主要靶酶 TGF 可以有效地抑制cyclinE CDK2活性 进而将细胞阻止在G1期 cyclinE在肿瘤细胞中的含量比正常细胞中要高得多 在细胞中 提高cyclinE的表达 该细胞则快速进入S期 对生长因子的依赖性降低 cyclinA CDK2也可以作用于p107 类Rb蛋白 除此之外 cyclinA合成虽始于G1 S期转化时期 但cyclinA CDK2却是S期主要的CDK 38 CyclinD与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F 39 p53和Rb在细胞周期调节中的作用 40 G1期周期蛋白是到达S期的一定阶段通过SCF泛素化途径降解的 同时需要G1期CDK的参与 SCF Skp cullin F boxprotein 间期初级活化因子 是一种具有泛素连接酶 E3 功能的多亚基的蛋白复合物 Skp1 Cul1和Rbx1 可以被Skp2 Trcp或Fbw7三种F box蛋白分别活化 而且SCF的底物特异性的识别是由F box蛋白来决定的 SCF通过降解细胞周期的不同时期的不同的底物从而在整个细胞周期中都发挥作用 但主要在细胞间期G1 S和G2期发挥作用 如降解 G1期周期蛋白 cyclinA D1和E PEST序列对降解起促进作用 CKI p21 p27和p57 DNA复制调控因子 ORC1和Cdt1 和 其它 cdc25a Wee1和Emi1 APC主要在M期和G1期早期发挥作用 APC的2个负责底物识别的因子是cdc20和Cdh1 APC催化的底物见图14 9 41 间期初级活化因子 SCF 和后期促进复合物 APC 在细胞周期中的活动 42 APC和SCF在细胞周期中的活性及其底物 图14 9 43 SCF泛素化依赖蛋白质降解途径 图14 10 44 其它对DNA复制起始活动进行综合调控的因素 DNA复制的起始并不仅仅是在G1期末的起始点 限制点 处才决定的 早在G1期开始时 许多与DNA复制有关的物质即已表达并与染色质结合 开始了DNA复制的起始调控 ORC 复制起始点识别复合物 ORC识别DNA复制起始点并与之结合 这是DNA复制起始所必需的 cdc6和cdc45也是DNA复制所必需的调控因子 cdc6在G1期早期与染色质结合 到S期早期从染色质上解离下来 cdc45约在G1期晚期才与染色质结合 CDK6对cdc45于染色质的结合起促进作用 45 DNA复制执照 licensing 因子 Mcm蛋白 minichromosomemantenanceprotein 在M期 胞质中的执照因子Mcm蛋白 DNA解旋酶 与染色质接触并与之结合 使染色质获得DNA复制所必需的 执照 但随着DNA复制进程 执照 信号会不断减弱直到消失 只有等到下一个M期重新获得 执照 才能开始新一轮的DNA复制 DNA复制起始调控是近十年细胞周期调控研究中的又一大进展 46 ORC cdc6 cdc45 CDK和Mcm与染色质的结合及其在DNA复制起始调控中的作用 图14 11 47 ORC cdc6 cdc45 CDK和Mcm与染色质的结合及其在DNA复制起始调控中的作用 图14 11 48 四 S G2 M期转换与DNA复制检验点 检查点 checkpoint 细胞周期的调控点 检验细胞从一个周期时相进入下一个时相的条件是否适合 除CDK及其直接的活性调节因子外 还有不少其他因素参与细胞周期调控过程 如各种检查点等 各种检查点也有专门的调控机制 49 四 S G2 M期转换与DNA复制检验点 DNA复制检查点主要包括2种 S期内部检查点 intra Sphasecheckpoint 指在S期内发生DNA损伤 如双链断裂 时 S期内部检查点被激活 从而抑制复制起始点的启动使DNA复制速度减慢 S期延长 同时激活DNA修复和复制叉的恢复等机制 DNA复制检查点 DNAreplicationcheckpoint 指由于停滞的复制叉导致的S期的延长 这2种检查点能够将细胞停滞在S期和G2 M期 当DNA复制叉阻断引发单链DNA时 ATR CHK1通路被激活 当DNA双链断裂时 ATM CHK2通路被激活 ATR ATM是DNA损伤信号感受因子 也是与PI 3 K同源的激酶 激活下游信号通路 CHK即检查点激酶 50 四个主要的检验点 51 S G2 M期转化与DNA复制检查点 图14 12 52 D