细胞周期及其调控(讲义)PPT课件.ppt

医学分子细胞生物学 1 细胞周期及其调控CellCycle CellRegulation 2 第一节细胞周期各时项的动态变化 3 一 细胞周期概念细胞周期 cellcycle 是指细胞从上一次分裂结束开始生长 到下一次细胞分裂结束所经历的过程 又称细胞增殖周期 细胞周期时间 TC 细胞周期经历的时间 4 细胞周期 间期 分裂期 M期 DNA合成前期 G1期 G1gap1 DNA合成期 S期 Synthsisphase DNA合成后期 G2期 G2gap2 前期 中期 后期 末期 细胞周期中的细胞 细胞周期分为 G1期 S期 G2期和M期四个时期 Mitosis division 5 细胞类型 增殖特性 周期性细胞 始终保持旺盛的增殖活性 G0期细胞 一般不分裂 暂不增殖细胞 终端分化细胞 无增殖能力细胞 结构和功能高度特化 周期性细胞 终端分化细胞 6 研究方法 流式细胞术细胞同步化生化方法等等 7 一 G1期 DNA合成前期 G1早期 细胞体积增大 生物合成 形成细胞器触发蛋白 钙调蛋白增加 体积 表面积 核 质比G1晚期 H1及多种蛋白的磷酸化 为DNA合成准备 信号分子调控G0 G1晚 S期startpoint DNA合成相关酶 细胞周期运行的蛋白 8 二 S期 DNA合成期 1 DNA复制多种酶的参与 2 蛋白质合成 组蛋白 非组蛋白 组装核小体 3 中心粒的复制 并发生分离 发挥微管的组织作用 9 三 G2期 有丝分裂准备期 1 促有丝分裂因子 MPF 合成2 微管蛋白 tubulin 合成3 0 3 DNA复制4 结构功能蛋白的合成G2期checkpoint 1 是否完成DNA复制 2 是否有DNA错误复制 10 有丝分裂的主要特征是 姊妹染色单体分离 核膜 核仁破裂重建 人为的划分为四个时期 前期 中期 后期 末期 四 M期 有丝分裂期 11 细胞有丝分裂过程 12 1 有丝分裂间期 核膜 核仁 染色质 中心粒 13 1 前期 染色质凝缩 分裂极确立与纺锤体开始形成 核仁解体 核膜消失 前期 14 星体微管 由中心体向外放射 末端结合有分子马达 负责两极的分离 动粒微管 由中心体发出 连接在染色体着丝点动粒上 着丝点上具有马达蛋白 极体微管 由中心体发出 在纺锤体中部重叠 重叠部位结合有分子马达 负责将两极推开 纺锤体有三种微管结构 15 染色体的运动 16 Twocentrosomes andtheirformingradialarraysofastralmicrotubulesseparatingonthesurfaceofanearlyprophasenewtlungcellnucleus 17 2 中期染色体排列到在细胞的赤道面上 赤道板 中期 18 3 后期姐妹染色体单体分离并移向细胞两极 后期 19 后期阶段染色体的分离由微管去聚合假说解释 动粒微管不断解聚缩短 造成的拉力将染色体拉向两极 机理 微管正端插入动粒的外层 微管在此端去组装 动粒中的ATP水解 提供能量 驱动微管上的马达分子向极部移动 拉动染色体向极移动 20 4 末期从子染色体到达两极 至形成两个新细胞的时期 两个出现 核膜出现 核仁出现两个消失 染色体消失 纺锤丝消失 中间小体 21 从子染色体到达两极 至形成两个新细胞的时期 主要标志是子核的形成和胞质分裂 中间小体 22 动物细胞的胞质分裂通过胞质收缩环的收缩实现 收缩环由大量平行排列的肌动蛋白组成 用细胞松弛素处理这一时期的细胞 会出现什么现象 23 DividingMuscleMyoblast primativemusclecell SEMx8 000 24 第二节细胞周期调控的动力因素 25 一 细胞周期调控蛋白 cellcycle regulatingprotein CDK类蛋白激酶 催化亚单位细胞周期素 Cyclin 调节亚单位CDK抑制因子 CKI 抑制CDK激酶活性 M期促发因子 MPF MPF的发现 一种在G2期形成 能促进M期启动的调控因子 即促细胞成熟因子或促细胞分裂因子 MPF 一 细胞周期调控研究过程的重要事件 CDK cyclin dependentproteinkinases 26 二 细胞周期调控蛋白的种类 1 CDK类蛋白激酶 cyclin dependentkinase CDK与细胞周期素结合才具有激酶的活性 故称细胞周期素依赖性蛋白激酶 cyclin dependentkinase CDK 作用 CDK可将特定蛋白磷酸化 促进细胞周期运行 在动物中已知7种CDK CDK1 7 分为四类 G1 G1 S S期CDK和M期CDK 27 2 细胞周期素 cyclins 是一类随细胞周期的变化呈现周期性出现和消失的蛋白质 A B C D E等几类 亚型 20多种 表达时间不同 执行功能多种多样 特点 在细胞周期中呈周期性变化 作用 能与CDK结合 激活CDK 间接调节细胞周期运行 28 DEAB 已知30余种 在脊椎动物中为cyclinA1 2 B1 3 C D1 3 E1 2 F G H等 分为4类 G1型 G1 S型 S型 M型 G1 G1 S G2期 CyclinD E A M期 CyclinB 29 不同类型CDK Cyclin复合物 包括D1 3 各亚型cyclinD在不同细胞中的表达量不同 但具有相同的功效 30 3 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子 CDKinhibitor CKI CDKI是对CDK激酶起负性调控作用的蛋白质 已发现多种CDKIINK4家族 p16 p15 p18 p19CIP KIP家族 P21 27 57在G1期抑制多种CDK 31 CKI对细胞周期起负调控作用 分为 Ink4 P16ink4a P15ink4b P18ink4c P19ink4d 特异性抑制cdk4 cyclinD1 cdk6 cyclinD1 Kip P21cip1 P27kip1 P57kip2 抑制大多数CDK的激酶活性 P21cip1还能与DNA聚合酶 的辅助因子PCNA结合 直接抑制DNA的合成 32 M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累 结合M cyclin的CDK1被Wee1 抑制因子 将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性 使CDK cyclin不断积累 在M期 Wee1的活性下降 CDC25磷酸酶使CDK去磷酸化 去除了CDK活化的障碍 CDK的激活需要Thr161的磷酸化 它是在CDK激酶 CAK 的作用下完成的 三 M期CDK的激活 33 34 4 CDK1活性下降出M期细胞核重建 染色体解螺旋 启动收缩机制 35 进出S期调控 M期末G1CDKs活性 0G1 晚期 增殖信号 激素 生长因子 G1 cyclin转录cyclinD cdk4 cdk6G1 S转换 Start S期DNA合成启动 cyclin CDK2 S CDK 保证精确复制 pre RC 复制前复合体 prereplicationcomplex Pre RC 36 CDKactivating 活性位点 抑制位点 37 由于某些环境因素的作用细胞周期出现故障或差错 这些信号可使细胞周期停留在某些点上 称为限制点 4个主要检验点 G1 S限制点 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期限制点 DNA复制是否完成 G2 M限制点 DNA是否损伤 细胞体积是否足够大 中 后期限制点 纺锤体组装限制点 二 细胞周期限制点 checkpoint 38 FourCheckpoints 39 1 限制点在细胞周期调控中的作用细胞周期有敏感点 确保细胞周期事件有序进行 检测 修复 Checkpoint 1 DNA损伤检查点2 DNA复制检查点3 纺锤体组装检查点 40 2020 1 9 41 42 三 细胞周期中的信号系统调控温度 pH 营养 药物 感染 射线 细胞因子 激素 生长因子 一 生长因子是与细胞增殖有关的信号物质 已知多数能促进细胞增殖 又称有丝分裂原 mitogen PDGF EGF IL TGF FGFNGF等 对G0细胞进入S期有调节作用 43 生长因子 受体信号传递与转换转录因子 调控蛋白转录 基因的表达细胞增殖 作用方式 旁分泌 44 细胞外信号EGF PDGF等 具TPK活性的受体 Ras GTP 细胞膜 二聚化 跨膜受体型TPK 45 信号通路 ras cAMP 磷脂酰肌醇途径 如通过ras途径 激活MAPK MAPK进入细胞核内 激活c myc myc作为转录因子促进cyclinD SCF E2F等G1 S有关的基因表达 细胞进入G1期 生长因子的作用方式 46 Ras蛋白 介导的MAPK信号转导途径是具有酪氨酸激酶活性的大多数生长因子及其受体传递信息的主要通路 是细胞周期正常运行的信号指令系统之一 主要由Ras蛋白 Ras转换因子 如Raf 1 丝裂原活化蛋白激酶 MAPK 等部分组成 与丝氨酸和苏氨酸残基的磷酸化有关 47 二 抑素 chalone 和细胞周期 具有严格的组织特异性和细胞周期阶段特异性 是一种由细胞自身产生 分泌的 对细胞增殖起抑制作用的糖蛋白 与膜上的受体结合 引起信号转换及在胞内传递 影响细胞周期相关的蛋白的表达 作用于G1期的抑素可阻止细胞进入S期 称S因子 作用于G2期的抑素可阻止细胞进入M期 称M因子 48 p53 P21及Gadd45在G1阻滞中的作用P53有多种下游效应分子 如MDM2 P21WAFl Gadd45 Bax IGFBP3 Fas等 MDM2通过与P53蛋白氨基末端结合来阻止P53蛋白转录激活 形成一个 负反馈环 MDM2的正常功能是限制GI期阻滞的时间 使DNA损伤修复后的细胞重新进入细胞周期 49 Gadd45和P21WAFl是参与辐射所致细胞G1期阻滞的重要分子 P53 P21wAF1通路是通过CDK 周期蛋白活性抑制 Rb脱磷酸化而发挥作用的 Gadd growtharrestandDNAdamage 是一些生长抑制和DNA损伤诱导的基因 Gadd45是其中一员 也是野生型P53诱导G1期阻滞的一条通路 50 参与的相关蛋白及其作用 1 p21WAF1 CIP1p21基因定位于第六号染色体短臂上 6p21 2 P21蛋白定位于细胞核中 属CKI分子 CDK抑制分子 能广泛抑制各种周期蛋白 CDK复合物 野生型P53蛋白作为转录因子可诱导p21WAF1 CIP1基因的表达 抑制CDK2和CDK4对pRB蛋白的磷酸化失活 进而导致G1 G1 S和S期延迟 使DNA损伤有时间得以修复 51 2 ATM基因AT 毛细血管扩张性共济失调症 ATM基因是AT唯一致病基因 对AT纯合子突变细胞的研究表明 这类突变细胞缺乏细胞周期检查点调控对辐射损伤的正常反应 缺乏辐射诱导P53蛋白增加 p21wAFl和Gadd45转录和翻译水平增强的动态变化 表明ATM很可能是DNA损伤反应途径中p53的上游分子 52 ATM ataxiatelangiectasia mutatedgene 最早发现于毛细血管扩张性共济失调症患者 人类中大约有1 的人是ATM缺失的杂合子 表现出对电离辐射敏感和易患癌症 ATM编码蛋白激酶 与损伤DNA结合 信号通路有两条 激活Chk1 checkpointkinase 使cdc25的Ser216磷酸化失去活性 抑制M CDK的活性 中断细胞周期 激活Chk2 使P53被磷酸化而激活 然后P53作为转录因子 导致P21的表达 P21抑制G1 S期CDK的活性 中断细胞周期 53 54 3 P16INK4aP16INK4a基因位于人类染色体9p21区 编码由148个氨基酸组成的分子量为16kD蛋白质 P16INK4a与周期蛋白D1竞争性结合G1期激酶CDK4 CDK6 抑制其对pRB的磷酸化作用 使游离的E2F 1与未磷酸化的PRB结合 依赖于E2F 1转录的基因不能转录 P16INK4a间接抑制包括DNA合成在内的多种生化反应 使细胞周期正常运行 55 4 pRBpRB的去磷酸化在M及s期由蛋白磷酸酶1催化进行 在周期蛋白 CDK复合物与蛋白磷酸酶1的协同作用下 pRB的磷酸化 去磷酸化之间的动态平衡有效控制着G1限制点的 开启和关闭 从而保证细胞周期的有序运行及细胞的正常增殖 56 生长因子与相应受体结合 通过信号传递促进cyclin基因表达 cyclin与相应的CDK结合为激酶复合物对pRb进行磷酸化 磷酸化的pRb释放其结合并抑制的蛋白 主要是转录因子E2F以及具激酶活性的CAB 1蛋白等 游离的E2F进入核内 与多种具特殊序列的基因启动子区结合 如c myc b myb cdc2 二氢叶酸还原酶 TK及E2F 1基因等 促进这些基因的表达 这些基因的产物促进细胞通过G1 S调控点 CKI通过抑制cyclin CDK激酶活性 使pRb不能磷酸化 pRb仍与E2F结合 E2F则不能进入核内发挥转录作用 使细胞停滞于G1期 G1 S调控点以pRb为中心构成一个复杂网络的共同模式 57 58 细胞周期长短测定 脉冲标记DNA复制和细胞分裂指数观察测定法 流式细胞仪测定法 FlowCytometry 缩时摄像技术 可以得到准确的细胞周期时间及分裂间期和分裂期的准确时间 59 细胞周期同步化1 人工选择同步化 药物诱导法 条件依赖性突变株在细胞周期同步化中的应用 将与细胞周期调控有关的条件依赖性突变株转移到限定条件下培养 所有细胞便被同步化在细胞周期中某一特定时期 60 人工选择同步化2有丝分裂选择法 用于单层贴壁生长细胞 优点 细胞未经任何药物处理 细胞同步化效率高 缺点 是分离的细胞数量少 密度梯度离心法 根据不同时期细胞在体积和重量上存在差别进行分离 优点 方法简单省时 效率高 成本低 缺点 对大多数种类的细胞并不适用 61 药物诱导法 DNA合成阻断法 G1 S TdR双阻断法 将细胞群阻断于G1 S交界处 优点 同步化效率高 适合所有体外培养细胞体系 缺点 是诱导过程可造成细胞非均衡生长 分裂中期阻断法通过抑制微管聚合来抑制细胞分裂器的形成 将细胞阻断在细胞分裂中期 优点 是操作简便 效率高 缺点 是这些药物的毒性相对较大 62 第三节DNA受损阻止细胞周期的分子学说 63 一 DNA损伤的后果 信号传导异常 长期效应 老化 肿瘤 疾病 DNA修复机制 短期效应 异常增生和代谢 生理功能紊乱 细胞死亡 细胞增殖减少 基因表达异常 基因组不稳定 64 哺乳类动物的细胞周期检查点控制机制 65 66 67 二 细胞衰老的理论 一 基因转录或翻译差错 代谢废物积累 二 ROS引发脂质 蛋白质和核酸分子氧化性损伤 三 端粒钟学说 telomereclocktheory 四 衰老基因与抗衰老基因1 衰老基因人类 载脂蛋白E 4基因 淀粉样蛋白基因p16 p53p21RB基因2 抗衰老基因WRNbcl 2 68 CDK22 cyclinA B和c fos表达下降 不能是Rb磷酸化 E2F与Rb结合 从而不能发挥转录作用 细胞不能进入S期 细胞进入S期 生长因子 69 二 细胞衰老的生化变化DNA复制 转录 修复能力端粒长度DNA甲基化DNA chromosome损伤2 mRNA与核糖体结合能力蛋白质合成能力3 蛋白质分子损伤 功能酶活性 70 第四节细胞周期与疾病 71 一 癌与细胞周期癌基因 oncogene 能促使细胞无限增殖 癌变的DNA序列 分若干基因家族 已发现近百种癌基因 抑癌基因 suppression oncogene 存在于正常细胞中 能抑制细胞恶性增殖的基因 72 1 细胞周期驱动机制失控 Cyclins的过表达 Overexpressionofcyclins 肿瘤的发生与cyclin D E 过量表达有关 CyclinD1 Bcl 1 过表达原因 原癌基因 乳腺癌 胃癌 食道癌存在CyclinD1基因扩增过度 基因突变 CyclinD1T286突变CyclinD1泛素化受阻CyclinD1 73 染色体倒位 Chromosomeinversion CyclinD1基因倒位于甲状旁腺启动子控制 CyclinD