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第九章 细胞增殖与分化的分子机制 细胞的增殖（proliferation）与分化（differentiation）是生物体整个生命活动中的两个重要事件，与生物体的生长、发育、衰老以及疾病密切相关。第一节 细胞增殖的分子基础 （一）概念: 细胞增殖（cell proliferation）：指细胞通过生长和分裂使细胞数目增加，子细胞获得和母细胞相同遗传特性的过程，是细胞生命活动的重要体现。 生物体生长包括细胞数目增多、细胞体积增大和细胞外基质的合成。细胞的增多就是细胞增殖的过程。 (二）细胞增殖的意义： 1、生命的延续、繁衍依靠细胞增殖。 低等的单细胞生物依靠细胞增殖分裂繁殖，高等生物依靠细胞减数分裂产生生殖细胞。 2、生物体生长发育依赖细胞增殖。 3、补充生命活动中衰老和死亡的细胞。 4、创伤的修复。 （三）细胞增殖的方式 无丝分裂：没有纺锤体形成，无核膜核仁的消失和重建。 减数分裂：有性生殖中生殖细胞形成过程中发生，连续两次分裂DNA只复制一次。 有丝分裂：有纺锤丝形成，细胞核先分裂再发生胞质分裂，是真核细胞的主要增殖方式。二、细胞周期 细胞周期（cell cycle）：是指细胞从上一次分裂结束开始到下一次分裂结束为止所经历的整个过程。细胞周期的划分 一个细胞周期可以分为间期（interphase）和分裂期（metaphase M期）两个大阶段。 间期可以分为G1期、S期和G2期。 细胞周期各期主要特征 G1期：从有丝分裂完成到DNA复制之前的一段时期。特点：大量RNA和蛋白质合成，蛋白质磷酸化，细胞膜转运功能加强。 G1期的后期细胞的自身监控机制可以根据内外环境是否适于细胞增殖而决定是否进入下一阶段S期。这一特定时期在酵母细胞中称为起始点，哺乳动物细胞中称为限制点（R点）。 如环境适于细胞增殖则进入S期，不适合细胞增殖则细胞可能延迟通过G1期或者进入休眠状态。进入休眠状态的细胞蛋白质合成急剧下降（仅有正常的20%），这种细胞称为G0期细胞。 经过R点后的细胞走向： 1、继续增殖细胞：环境适于增殖，进入S期继续增殖； 2、暂不增殖细胞：进入G0期，当受到一定刺激后恢复增殖能力； 3、不再增殖细胞：细胞没有增殖能力，结构和功能高度分化，停留在G1后期直至死亡。 S期：从DNA合成开始到合成结束。特点：DNA复制，组蛋白、非组蛋白合成。S期是整个细胞周期最关键的阶段。 G2期：DNA复制完到有丝分裂开始。特点:合成与M期结构和功能相关的RNA和蛋白质。 M期：分裂期，细胞分裂为两个相同子细胞，遗传物质平均分配。三、细胞周期调控的相关蛋白 细胞周期的调控有多种蛋白质因子参与，其中最主要的是 细胞周期蛋白（cyclin） 细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinase， CDK） 细胞周期蛋白激酶抑制因子（cyclin kinase inhibitor，CKI，or CDK inhibitor protein CIP） 1、细胞周期蛋白 1983年，以Hunt为代表的科学家在以海胆为对象研究细胞周期时发现。 大多数蛋白质在细胞周期中持续积累 有一类蛋白质含量随细胞周期进程变化而变化：在间期积累,分裂时降解，在下一细胞周期又重复此变化，这种蛋白就是细胞周期蛋白（cyclin）。2、细胞周期蛋白依赖性激酶CDK的发现 （1）cdc基因和CDC蛋白 1960s ，Leland Hartwell以芽殖酵母为实验材料，分离出了几十个与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene，cdc)。 Paul Nurse等人以裂殖酵母为实验材料，同样发现了许多细胞周期调控基因，其编码的CDC蛋白在G2/M转换点发挥重要的功能。 1983年Timothy Hunt发现并命名周期蛋白cyclin。 1988年M. J. Lohka 纯化了爪蟾的细胞周期蛋白,这种蛋白与细胞进入有丝分裂期相关，因此命名为MPF（mitosis-promoting factor， 促有丝分裂因子），经鉴定由32KD和45KD两种蛋白组成，二者结合可使多种蛋白质磷酸化蛋白激酶活性。 1990年，Paul Nurse进一步的实验证明P32实际上是CDC2的同源物，而P45是cyclinB的同源物，从而将细胞周期三个领域的研究联系在一起。 CDC2=CDK1 因此，高等真核细胞的细胞周期调节依赖于结构上相关的异二聚体蛋白激酶家族来完成。 由调节亚单位和催化亚单位组成。 调节亚单位cyclin 催化亚单位CDK（细胞周期蛋白依赖性激酶）由cdc基因编码 （2）cyclin对CDK 活性调节 CDK单独存在时没有激酶活性，当细胞周期蛋白与之结合后才发生构象改变，活性位点暴露从而激活，产生磷酸激酶活性。 Cyclin不总是与CDK结合在一起而是在细胞周期不同阶段有规律的降解使CDK周期性失活。 不同的CDK可以与多种cyclin结合。 （3）cyclin分类 目前发现的数十种，按他们与CDK结合并作用的细胞周期不同可以分为4大类： cyclinD ：在晚G1期与CDK4为主的几种激酶结合，使细胞通过G1/S期检查点，。 cyclinE ：在G1期末与CDK结合，推动细胞DNA复制，使细胞由G1期向S期过渡。 cyclinA ：在S期与CDK结合，是DNA复制起始所需。 cyclinB ：在S期末与CDK1结合，促进分裂。 （4）cyclin的降解 cyclin 的周期性降解使CDK周期性失活。 泛素化（ubiquitination）与cyclin降解密切相关。 泛素是一种高度保守的蛋白质，含76个氨基酸残基，由于广泛存在于真核细胞中故称为泛素。 多聚泛素化使靶蛋白与多个泛素分子连接，多聚泛素链成为标记使靶蛋白被蛋白酶体（一种多酶体蛋白）识别并降解。 分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关，称降解盒 （破坏盒）。 3、细胞周期蛋白抑制因子 细胞周期蛋白抑制因子又称为CDK抑制蛋白（cyclin kinase inhibitoe，CKI，or CDK inhibitory protein， CIP）是一些对CDK激酶活性起抑制作用的蛋白，主要在检查点处抑制CDK活性而阻止细胞周期进程。 CKI与促进细胞增殖的因素相互协调，共同控制细胞增殖周期的进程。 根据CIP与CDK相互作用的特异性和序列同源性，可以分为两类： Ink4(Inhibitor of cdk 4)家族：如P16（ink4a）、P15（ink4b）、P18（ink4c）、P19（ink4d），特异性抑制cdk4-cyclin D1、cdk6-cyclin D1复合物。 Kip(Kinase inhibition protein)家族：包括P21 (cyclin inhibition protein 1，CIP1 )、P27 (kinase inhibition protein 1，KIP1)、P57（KIP2）等，能抑制大多数CDK的激酶活性，P21还能直接抑制DNA的合成. 四、细胞周期的调控（一）细胞周期的3个转折点G1-S期转折点：起始点或R点；G2/M检验点：是决定细胞一分为二的控制点；M后期-胞质分裂检验点：任何一个着丝点没有正确连接到纺锤体上，都会使细胞周期中断。 CyclinCDK复合物是细胞周期中的关键转折点的分子开关。它们的产生和降解协调的控制着细胞周期的进行。 （二）细胞周期调控 1、 G1到S期转折点的控制 Cyclin D: 首先表达，与CDK结合，磷酸化活化,如条件合适，G1-CDK累积到足够水平，细胞就通过G1-S期转折点 Cyclin E: 其次表达，由G1-CDK激活，与CDK结合，磷酸化活化E2F转录因子 E2F转录因子:由G1-CDK激活，Rb蛋白被磷酸化，E2F游离活化 Cyclin A:在G1晚期表达E2F游离活化使其表达并与CDK结合，启动S期DNA的复制 。 2、G2到M期的转折 DNA合成完毕后细胞由G2期进入有丝分裂期。 、M-CDK（即MPF）促进细胞进入M期。 MPF（mitosisi-promoting factor，促有丝分裂因子），是调节所有真核细胞有丝分裂的关键因子，其实质就是cyclin B和CDK1形成的蛋白复合体。 MPF作用：诱导染色体凝集，核膜破裂，有丝分裂纺锤体组装，染色体在中期板排列。当所有染色体与纺锤体连接后，激活细胞分裂后期促进复合体（APC）。 3、APC促发中期向后期转换 APC（细胞分裂后期促进复合体）被MPF激活后灭活连接姐妹染色单体的蛋白质复合物，使姐妹染色单体分离，染色体向两极移动，细胞进入分裂后期。 4、cyclin B降解使细胞离开有丝分裂期 APC介导cyclin B 多聚泛素化，cyclin B降解，使M-CDK失活。 M-CDK失活后，与有丝分裂相关的蛋白以及CDK都去磷酸化失活，已分离的染色体解凝集，核膜重建，细胞质分离，产生两个子细胞。五、细胞生长因子 生长因子（growth factor）：是一类由细胞分泌的、类似于激素的信号分子，多数为肽类（含蛋白质）物质，具有调节细胞生长与分化的作用。 生长因子与细胞生长、分化、免疫、肿瘤、创伤愈合等多种生理及病理状态有关。 真核细胞G1早期受到生长因子的刺激后才能进入细胞周期，否则cyclin和CDK降解，细胞进入静止状态。生长因子作用于G0期细胞可以使之进入细胞周期。 （一）生长因子的发现 （二）生长因子的来源和作用方式 1、生长因子的来源 生长因子可以来源于多种组织作用于多种不同的靶细胞。 2、生长因子的作用方式 生长因子有旁分泌、自分泌、内分泌等作用方式。 旁分泌：作用于临近细胞； 自分泌：作用于自身； 内分泌：分泌入血液，通过血液循环作用于远处细胞。 3、生长因子的生物学效应 主要表现在促进细胞生长、分化、促进个体发育等方面，如NGF、EGF。 有些生长因子具有双重调节作用如HGF。 负调节作用：抑制细胞生长，如抑素（chalone）、肿瘤坏死因子（TNF）、 TGFb 、干扰素。 （三）主要的肽类生长因子家族 人们根据生长因子的序列同源性将生长因子归为不同的家族。 常见的肽类生长因子家族包括：神经生长因子家族 (NGF)、表皮生长因子家族 (EGF)、转化生长因子b家族 (TGFb)、胰岛素样生长因子家族 (IGF)和抑素。 （四）生长因子受体 生长因子受体主要位于细胞膜也有少数位于细胞核，是一类能与生长因子结合的跨膜蛋白，大多数具有酪氨酸蛋白激酶的功能，少数为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶受体。 生长因子受体的种类 （1）酪氨酸蛋白激酶受体 EGF受体、FGF受体、PDGF受体、HGF受体（Met） VEGF受体、胰岛素受体 （2）丝氨酸和苏氨酸蛋白激酶受体 TGFbI型受体和II型受体、骨形成蛋白受体 （五）生长因子在医学研究中的应用 1、在肿瘤诊断和治疗中的应用 干扰肿瘤细胞自分泌生长因子抑制其生长； 利用双向生长因子和抑素抑制肿瘤细胞生长； EGF抑制某些乳腺癌细胞生长，高浓度HGF抑制肝癌细胞生长。 以某些生长因子作为肿瘤诊断的指标；IGF2作为肝癌诊断的指标。 2、NGF治疗神经系统疾病 治疗神经损伤：外周神经损伤、糖尿病神经损伤，坐骨神经损伤； 治疗神经退行性疾病：老年痴呆（阿尔茨海默病）、癫痫等 3、生长因子在促进创伤愈合、组织再生中的作用 治疗大面积烧伤、创伤、溃疡促进组织修复，减少瘢痕形成。 现有EGF霜、EGF眼药水、EGF胃溃疡药的开发。第二节 细胞分化的分子机制 细胞分化（cell differentiation）：指胚胎细胞获得不同形态、结构和功能特征的过程。一、细胞分化的特点 （一）细胞分化受到一系列信号分子的调控 （二）细胞分化的稳定性 通常情况下细胞一旦分化为稳定细胞，就很难由分化状态逆转为未分化细胞。如神经元细胞、骨骼肌细胞、红细胞。 （三）细胞分化的可逆性 在一定条件下，具有增生能力的组织中，已经分化的细胞可以逆转，并回复到胚性的状态（可分化状态），这种现象称为去分化（dedifferentiation）。 细胞分化的稳定性是普遍的，可逆性是有条件的： 去分化只发生在有增生能力的组织； 细胞核必须处于利于去分化的环境中； 去分化必须具有相应的遗传物质基础（细胞核）。 （四）细胞分化的普遍性 细胞分化是一种普遍的生命现象，整个个体的生长中都有细胞分化，其中以胚胎期为主。二、胚胎干细胞分化的全能性 干细胞（stem cell）：是具有自我更新、高度增殖和多向分化潜能的细胞群体，即这些细胞可以通过细胞分裂维持自身细胞群的大小，同时又可以进一步分化成为各种不同的组织细胞，从而构成机体各种复杂的组织器官。 干细胞可分为全能干细胞、多能干细胞和专能干细胞。 干细胞的特点 ：终生保持未分化或低分化特征；在机体的中的数目、位置相对恒定；具有自我更新能力；能无限制的分裂增殖；具有多向分化潜能 胚胎干细胞(Emdryouc stemcell，ES)：当受精卵分裂发育时，内层细胞团的细胞在体外经过培养即成为胚胎干细胞。胚胎干细胞是一种全能干细胞，它具有发育的全能性，能分化成人体的所有组织和器官。 全能性（totipotency）受精卵或者胚胎干细胞能分化形成生物个体内全部的不同类型细胞的能力称为全能性。 多能性（pluripotency）：多能干细胞能分化为体内大多数细胞类型的能力。造血干细胞细胞和间充质干细胞就属于多能干细胞。 单能性（unipotent）：只能分化为一种终末细胞的能力。精原干细胞只能分化为精子。 间充质干细胞(MSC) ： 为中胚层发育的早期细