《细胞增殖极其调控》PPT课件.ppt

第十二章细胞增殖及其调控 细胞增殖 cellproliferation 的意义 细胞周期概述 细胞分裂 细胞周期调控 细胞增殖 cellproliferation 的意义 细胞增殖 cellproliferation 是细胞生命活动的重要特征之一 是生物繁育的基础 单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加 多细胞生物由一个单细胞 受精卵 分裂发育而来 细胞增殖是多细胞生物繁殖基础 成体生物仍然需要细胞增殖 主要取代衰老死亡的细胞 维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能 机体创伤愈合 组织再生 病理组织修复等 都要依赖细胞增殖 第二节细胞分裂 有丝分裂 mitosis 胞质分裂 Cytokinesis 减数分裂 Meiosis 第三节细胞周期的调控 Cell CycleControl MPF的发现及其作用 MPF的真面目 周期蛋白 CDK激酶和CDK激酶抑制物 细胞周期运转调控制 其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用 第一节细胞周期概述 细胞周期 细胞周期中各个不同时相及其主要事件 细胞周期长短测定 细胞周期同步化 特异的细胞周期 一 有丝分裂 mitosis 前期 prophase 前中期 prometaphase 中期 metaphase 后期 anaphase 末期 telophase 二 胞质分裂 Cytokinesis 动物细胞胞质分裂 植物细胞胞质分裂 三 减数分裂 Meiosis 一 前减数分裂间期 二 减数分裂过程 三 减数分裂过程的特殊结构及其变化 一 前减数分裂间期 特点 S期持续的时间较长 复制DNA总量的99 7 99 9 其余的0 1 0 3 在减数分裂前期 阶段复制 而延迟复制的这些DNA小片段与减数分裂前期 染色体配对和基因重组有关 二 减数分裂过程 1 减数分裂 1 前期 2 中期 3 后期 4 末期 2 减数分裂 1 前期 2 中期 3 后期 4 末期 小结 三 减数分裂过程的特殊结构及其变化 1 性染色体的分离1 雌性性染色体 XX 在减数分裂过程中像常染色体一样进行正常配对 交换和分离 2 雄性性染色体 XYorXO两条性染色体的形态结构不同 基因含量不同 含同源区段的XY染色体在前期 可以进行配对 不管XY配对与否 二者在分裂中期 排列到赤道面上 随常染色体分离而相互分离 第二次减数分裂 XY和常染色体一样 两条姐妹染色单体进行分离 2 联会复合体和基因重组 联会复合体和基因重组 联会复合体是同源染色体之间在减数分裂前期联会时所形成的一种临时性结构 在同源染色体联会处沿其长轴分布 由中央成分和两侧成分共同构成 DNA拓扑酶 存在于侧成分和其周围的染色质中DNA片段多为50 550bp 末期 后期 二价体的两条同源染色体分开 分别向两极移动 同源染色体随机分向两极 染色体重组 人类染色体重组概率有223个 中期 减数分裂中期 与一般有丝分裂中期相似 每个染色体的两个着丝粒分别位于染色体的两侧 分别与从两极出发的纺锤体微管相连接 动粒与纺锤体的联系示意图 前期 减数分裂的特殊过程主要发生在前期 通常分为5个时期 细线期 leptotene 偶线期 粗线期 pachytene 双线期 diplotene 终变期 diakinesis 细线期 细线期 又称凝集期A 染色质凝集成染色体 呈细线状B 在细纤维样染色体上具有念珠状的染色粒C 染色体端粒通过接触斑与核膜相连 而染色体的其它部分以袢环状延伸到核质中 偶线期 偶线期 亦称合线期 配对期 是同源染色体配对的时期 A 配对 从端粒与核膜的接触斑处开始联会 出现联会复合体 synaptonemalcomplex SC 二价体 bivalent 四分体 tetrad B 合成约0 3 左右的DNA 称为zygDNA 粗线期 A 染色体进一步浓缩 变粗变短 并与核膜继续保持接触B 出现重组结 同源染色体的非姊妹染色单体间发生交换的时期C 合成P DNAD 合成减数分裂专有的组蛋白 并将体细胞类型的组蛋白部分或全部置换下来E 卵母细胞中 扩增rDNA 参与形成附加的核仁 双线期 A 联会的同源染色体相互排斥 开始分离 出现交叉 B 联会复合体消失补充 植物细胞双线期一般较短 许多动物卵细胞中双线期停留的时间非常长 人的卵母细胞在五个月胎儿中已达双线期 而一直到排卵都停在双线期 排卵年龄大约在12 50岁之间 鱼类 两栖类 爬行类 鸟类以及无脊椎动物的昆虫中 双线期的二阶体去凝集而形成灯刷染色体 这一时期是卵黄积累的时期 终变期 A 二价体显著变短B 由于交叉端化 故交叉数目减少 通常只有一至二个交叉 仅在端部和着丝粒处C 核仁此时开始消失 核被膜解体 减数分裂 Meiosis 减数分裂概念 减数分裂特点 减数分裂的意义 脊椎动物配子发生过程 细胞周期 cellcycle 概念 细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的一个有序过程 其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞 细胞周期时相组成 细胞周期时间 根据增殖状况 细胞分类三类 细胞周期时相组成 间期 interphase G1phase Sphase G2phase Mphase 有丝分裂期 Mitosis 胞质分裂期 Cytokinesis 细胞沿着G1 S G2 M G1周期性运转 在间期细胞体积增大 生长 在M期细胞先是核分裂 接着胞质分裂 完成一个细胞周期 细胞周期时间 不同细胞的细胞周期时间差异很大 S G2 M的时间变较小 细胞周期时间长短主要差别在G1期 有些分裂增殖的细胞缺乏G1 G2期 根据增殖状况 细胞分类三类 连续分裂细胞 cyclingcell 在细胞周期中连续运转因而又称为周期细胞 如表皮生发层细胞 部分骨髓细胞 休眠细胞 Go细胞 休眠细胞暂不分裂 但在适当的刺激下可重新进入细胞周期 称G0期细胞 如淋巴细胞 肝 肾细胞等 终末分化细胞也称不分裂细胞 指不可逆地脱离细胞周期 不再分裂的细胞 又称终端细胞 如神经 肌肉 多形核细胞等等 G0期细胞和终末分化细胞的界限有时难以划分 有的细胞过去认为属于终末分化细胞 目前可能被认为是G0期细胞 细胞周期中不同时相及其主要事件 G1期 S期 G2期 M期 G1期 与DNA合成启动相关 开始合成细胞生长所需要的多种蛋白质 RNA 碳水化合物 脂等 同时染色质去凝集 在G1期的晚期有一个特定时期 起始点 芽殖酵母 限制点或检验点 其他真核生物 G2期 DNA复制完成 在这一时期 主要是大量合成ATP RNA 蛋白质 包括微管蛋白和成熟促进因子MPF maturationpromotingfactor 等 为有丝分裂作准备 M期 M期即细胞分裂期 真核细胞的细胞分裂主要包括两种方式 即有丝分裂 mitosis 和减数分裂 meiosis 遗传物质和细胞内其他物质分配给子细胞 S期 DNA复制与组蛋白合成同步 组成核小体串珠结构S期DNA合成不同步 常染色质 先 异染色质 后 能转录的DNA 先 不能转录的DNA 后 GC含量高 先 AT含量高 后 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 细胞周期同步化 自然同步化 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 自然同步化 1 多核体如粘菌只进行核分裂 而不发生胞质分裂 形成多核体 数量众多的核处于同一细胞质中 进行同步化分裂 使细胞核达108 体积达5 6cm 疟原虫也具有类似的情况 2 某些水生动物的受精卵 某些受精卵早期卵裂 如海胆卵可以同时授精 最初的3次细胞分裂是同步的 再如大量海参卵受精后 前9次细胞分裂都是同步化进行的 3 增殖抑制解除后的同步分裂如真菌的休眠孢子移入适宜环境后 它们一起发芽 同步分裂 人工选择同步化 有丝分裂选择法 用于单层贴壁生长细胞 优点是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 根据不同时期的细胞在体积和重量上存在差别进行分离 优点是方法简单省时 效率高 成本低 缺点是对大多数种类的细胞并不适用 药物诱导法 DNA合成阻断法 G1 S TdR 胸腺嘧啶核苷 双阻断法 最终将细胞群阻断于G1 S交界处 优点 同步化效率高 几乎适合于所有体外培养的细胞体系 缺点 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 这些药物的毒性相对较大 特异的细胞周期 特异的细胞周期是指那些特殊的细胞所具有的与标准的细胞周期相比有着鲜明特点的细胞周期 爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期 酵母细胞的细胞周期 植物细胞的细胞周期 细菌的细胞周期 爪蟾早期胚胎细胞的细胞周期 细胞分裂快 无G1期 G2期非常短 S期也短 所有复制子都激活 以至认为仅含有S期和M期无需临时合成其它物质子细胞在G1 G2期并不生长 越分裂体积越小细胞周期调控因子和调节机制与一般体细胞标准的细胞周期基本是一致的 酵母细胞的细胞周期 酵母细胞的细胞周期与标准的细胞周期在时相和调控方面相似 酵母细胞周期明显特点 酵母细胞周期持续时间较短 封闭式细胞分裂 即细胞分裂时核膜不解聚 纺锤体位于细胞核内 在一定环境下 也进行有性繁殖芽殖酵母 G1期后期开始出芽纺锤体装配与S期DNA复制同时进行形成大小不等的两个子细胞裂殖酵母均等分裂细胞生长仅是细胞长度的增加 直径保持不变 裂殖酵母细胞周期 芽殖酵母细胞周期 植物细胞的细胞周期 植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细胞周期非常相似 含有G1期 S期 G2期和M期四个时期 植物细胞不含中心体 但在细胞分裂时可以正常组装纺锤体 植物细胞以形成中板的形式进行胞质分裂 细菌的细胞周期 慢生长细菌细胞周期过程与真核细胞周期过程有一定相似之处 其DNA复制之前的准备时间与G1期类似 分裂之前的准备时间与G2期类似 再加上S期和M期 细菌的细胞周期也基本具备四个时期 细菌在快速生长情况下 如何协调快速分裂和最基本的DNA复制速度之间的矛盾 在快速生长时 在一个细胞周期中每个DNA分子复制仅能完成一半 但DNA复制是在两个正在形成中的DNA分子上同时进行的 前期 prophase 前期的主要事件是 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 标志前期开始的第一个特征是染色质开始浓缩 condensation 形成有丝分裂染色体 mitoticchromosome 第二个特征是细胞骨架解聚 有丝分裂纺锤体 mitoticspindle 开始装配 Golgi体 ER等细胞器解体 形成小的膜泡 这种染色体由两条染色单体 chromatid 构成 在前期末 染色体主缢痕部位形成一种蛋白复合物称为动粒 kinetochore 间期动物细胞含一个MTOC 即中心体 在S期末 两个中心粒在各自垂直的方向复制出一个中心粒 形成两个中心体 当前期开始时 2个中心体移向细胞两极 并同时组织微管生长 由两极形成的微管通过微管结合蛋白在正极末端相连 最后形成有丝分裂纺锤体 前中期 prometaphase 核膜破裂成小的膜泡 这一过程是由核纤层蛋白中特异的Ser残基磷酸化导致核纤层解体 纺锤体微管与染色体的动粒结合 捕捉住染色体每个已复制的染色体有两个动粒 朝相反方向 保证与两极的微管结合 纺锤体微管捕捉住染色体后 形成三种类型的微管 不断运动的染色体开始移向赤道板 细胞周期也由前中期逐渐向中期运转 中期 metaphase 所有染色体排列到赤道板 MetaphasePlate 上 标志着细胞分裂已进入中期 是什么机制确保染色体正确排列在赤道板上 着丝粒微管动态平衡形成的张力 后期 anaphase 排列在赤道面上的染色体的姐妹染色单体分离产生向极运动 后期 anaphase 大致可以划分为连续的两个阶段 即后期A和后期B 后期A 动粒微管去装配变短 染色体产生两极运动 后期B 极间微管长度增加 两极之间的距离逐渐拉长 介导染色体向极运动 末期 telophase 染色单体到达两极 即进入了末期 telophase 到达两极的染色单体开始去浓缩 核膜开始重新组装 Golgi体和ER重新形成并生长 核仁也开始重新组装 RNA合成功能逐渐恢复 有丝分裂结束 动物细胞胞质分裂 胞质分裂 cytokinesis 开始于细胞分裂后期 在赤道板周围细胞表面下陷 形成环形缢缩 称为分裂沟 furrow 分裂沟的位置与纺锤体极性微管和钙离子浓度升高的变化有关 胞质分裂开始时 大量肌动蛋白和肌球蛋白在中体处组装成微丝并相互组成微丝束 环绕细胞 称为收缩环 contractilering 收缩环收缩 收缩环处细胞膜融合并形成两个子细胞 植物细胞胞质分裂 与动物细胞胞质分裂不同的是 植物细胞胞质分裂是因为在细胞内形成新的细胞膜和细胞壁而将细胞分开 减数分裂概念与过程 概念 减数分裂是细胞仅进行一次DNA复制 随后进行两次分裂 染色体数目减半的一种特殊的有丝分裂 过程 减数分裂的意义 确保世代间遗传的稳定性 增加变异机会 确保生物的多样性 增强生物适应环境变化的能力 减数分裂是生物有性生殖的基础 是生物遗传 生物进化和生物多样性的重要基础保证 减数分裂特点 遗传物质只复制一次 细胞连续分裂两次 导致染色体数目减半 S期持续时间较长 同源染色体在减数分裂期I MeiosisI 配对联会 形成联会复合体 SynaptonemalComplex SC 同源染色体间遗传物质重组 产生新的基因组合 减数分裂同源染色体配对排列在中期板上 第一次分列时 同源染色体分开 减数分裂前S期与有丝分裂前S期长度比较 前期I分为细线期 偶线期 粗线期 双线期 终变期等五个阶段 形成联会复合体 SynaptonemalComplex SC 同源染色体间遗传物质重组 产生新的基因组合 在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶和蛋白 然后自身失活 正调控 确保每一时相事件的全部完成 负调控 对外界环境因子起反应 如多细胞生物对增殖信号的反应 细胞周期调控系统的主要作用 细胞周期检验点 checkpoint 细胞周期检验点 checkpoint 细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制 主要是确保周期每一时相事件的有序 全部完成并与外界环境因素相联系 细胞周期检验点及其作用G1期检验点 酵母 Start 动物细胞 RestrictionPoint 四 CDK激酶和CDK激酶抑制物 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 cyclin dependentkinase CDK Cdc2又被称为CDK1 可将特定蛋白磷酸化 促进细胞周期运行 因此 CDK激酶和其调节因子又被称作细胞周期引擎 如将核纤层蛋白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 目前已发现并命名的CDK激酶包括CDK1 CDK2 CDK12等 不同的CDK激酶所要求结合的周期蛋白不同 在细胞中执行的调节功能也不同 各种CDK分子均含有一段相似的激酶结构域 这一区域有一段保守序列 即PSTAIRE 脯丝苏丙异亮精苯丙 与周期蛋白的结合有关 CDK抑制物 CDKinhibitor CKI CDK抑制物 CDKinhibitor CKI 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制物对细胞周期起负调控作用 目前发现的CKI分为两大家族 Ink4 Inhibitorofcdk4 如P16ink4a P15ink4b P18ink4c P19ink4d 特异性抑制cdk4 cyclinD1 cdk6 cyclinD1复合物 Kip Kinaseinhibitionprotein 包括P21cip1 cyclininhibitionprotein1 P27kip1 kinaseinhibitionprotein1 P57kip2等 能抑制大多数CDK的激酶活性 P21cip1还能与DNA聚合酶 的辅助因子PCNA proliferatingcellnuclearantigen 结合 直接抑制DNA的合成 通过PCR技术测定与Cdc2 CDK1 类似的CDK蛋白分子图解 某些CDK与周期蛋白的配对关系及执行功能的时期 三 细胞周期蛋白 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 cyclinbox 介导周期蛋白与CDK结合 M期周期蛋白N端有破坏框 M周期蛋白在遍在蛋白介导下降解促使细胞退出有丝分裂 G1期周期蛋白 C端含PEST序列 富含哺氨酸 P 谷氨酸 E 丝氨酸 S 和苏氨酸 T 的残基序列 称之为PEST序列 与蛋白质的降解有关 图作用 激活CDK 引导CDK作用于不同底物 不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时期不同 并与不同的CDK结合 调节不同的的CDK激酶活性 已知30余种 在高等真核生物中 cyclin家族成员根据其序列的相似及生理功能被分为不同类型 迄今已被鉴定出的有cyclinA B C D E F G H等 酵母细胞的G1期周期蛋白有CLN1 CLN2 CLN3等 分为4类 G1型 G1 S型 S型 M型 有丝分裂周期蛋白聚遍在蛋白化作用 部分周期蛋白结构特征 除Cln3外 均为人的周期蛋白分子 部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK激酶活性的关系 二 MPF的真面目 p34cdc2激酶的发现 周期蛋白 cyclin 的发现 MPF的真面目MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶 MPF是由cdc基因编码的周期蛋白依赖性激酶 cyclin dependentkinase CDK 和周期蛋白形成的复合物 MPF p34cdc2 cyclinB MitoticCyclin Cdk复合物的活化与功能 一 MPF的发现及其作用 MPF Maturation promotingfactor 促成熟因子 Mitosis promotingfactor 促细胞分裂因子 细胞融合与PCC Prematurechromosomalcondense 1970sRao和Johnson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 prematurelycondensedchromosome PCC 早熟染色体凝集的特点 爪蟾卵子成熟过程 MPF的发现 早熟染色体凝集的特点 PCC在细胞融合后30 40分钟即可诱导产生 其诱导速度和频率与有丝分裂和间期细胞的比例有密切关系 PCC的形态学依赖于细胞融合时间期细胞在细胞周期中的位置 诱导PCC无种属屏障 如HeLa细胞可诱导其他哺乳类细胞 鱼 非洲爪蟾 昆虫等 甚至诱导植物细胞产生PCC 并且也可诱导分化细胞产生PCC p34cdc2激酶的发现 1960sLelandHartwell 1970sPaulNurse以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料 利用温度敏感突变株 发现许多与细胞分裂有关的基因 celldivisioncyclegene cdc 如 Hartwell等发现芽殖酵母cdc28温度敏感突变株在非适宜温度下 使大部分细胞阻断G1 S 小部分被阻断在G2 M P Nurse用裂殖酵母进行了类似的研究 发现cdc2基因 表达蛋白p34cdc2 具有双重功能 即可使细胞周期阻断于G1 S 同时对G2 M期的转换也是关键因子 cdc2和cdc28序列有69 的同源性 都编码一种约34kDa的丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 p34 它们的功能可以互换 进一步研究发现 不管是p34cdc2或p34cdc28 其本身并不具有激酶活性 只有当其与有关蛋白质结合后 其激酶活性才能够表现出来 周期蛋白 cyclin 的发现 80年代初 TimHunt为代表的科学家 在海胆胚胎发育早期卵裂蛋白中 发现一类分子量约45 60kDa的蛋白质水平随细胞周期而剧烈振荡 因此将其命名为周期蛋白 cyclin 根据它们序列上的细微差别分为cyclinA和cyclinB 进一步研究发现 周期蛋白为诱导细胞进入M期所必需 后来发现各类动物来源的细胞周期蛋白的mRNA 其翻译产物均能诱导蛙卵的成熟 MPF的真面目 1988年Lohka最终将非洲爪蟾卵的MPF纯化 由1000ml的卵母细胞中纯化得到微克级的蛋白MPF由32kD和45kDa二种蛋白组成 其中32kD为丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 PaulNurse 1990 进一步的实验证明 当用抗p34cdc2保守区的抗体以免疫印迹检测纯化的MPF时 可以识别此32kD P32 蛋白 因此 P32蛋白实际上是p34cdc2的同源物 在海星纯化的MPF中也含有可被此抗体识别的cdc2产物 对MPF45kD蛋白的测序发现 它就是过去在海胆 海星 海蛤等海洋生物中发现的一类蛋白质 即周期蛋白 2001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 MPF家族 在高等真核生物中 cyclin家族成员根据其序列的相似及生理功能被分为不同类型 迄今已被鉴定出的有cyclinA B C D E F G H等 酵母细胞的G1期周期蛋白有CLN1 CLN2 CLN3等30多种 Cdk家族成员有Cdk1 Cdc2 Cdk2 Cdk3 Cdk4 Cdk5 Cdk6 Cdk7等 每种Cdk结合不同类型的cyclin 协调配合 调节细胞从G1 S G2 M和退出有丝分裂的各个进程 现将它们及一些主要的调控分子称为细胞周期的引擎 engine 分子 MitoticCyclin Cdk复合物的活化与功能 活化 随Cyclin浓度变化而变化 激酶与磷酸酶的调节 活化的MPF可使更多的MPF活化 功能 启动细胞从G2期进入M期的相关事件 六 其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用 1 内在因素 癌基因和抑癌基因 均是细胞生命活动所必需的基因 表达产物对细胞增殖和分化起着重要的调控作用 癌基因非正常表达可导致细胞转化 增殖过程异常 甚至癌变 现已分离了100多种癌基因 表达产物多属于蛋白激酶 多肽类生长因子 膜表面生长因子受体和激素受体 信号转导器 转录因子 类固醇和甲状腺激素受体 核蛋白等 它们在细胞周期调控过程中各自起着不同的作用 抑癌基因表达产物对细胞增殖起负调控作用 如p53 Rb等 2 外界因素 离子辐射 化学物质 病毒感染 温度变化 pH变化等外界因素 五 细胞周期运转调控制 CDK激酶对细胞周期起核心性的调控作用 不同的cyclin结合不同的CDK 构成不同的CDK激酶 不同的CDK激酶在细胞周期不同时期表现出活性 对细胞周期进行不同的调节 Cyclin Cdk复合物的多样性 G1 S调控点的调控相关蛋白 DNA复制起始的调控相关蛋白 有丝分裂的调控相关蛋白 G2 M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用 M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化 G1 S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK激酶 DNA复制延搁检验点参与调控S G2 M期转化 细胞周期调控模型总结 四 DNA复制延搁检验点参与调控S G2 M期转化 DNA复制结束 细胞周期由S期转化到G2期 并准备进行细胞分裂 当DNA复制尚未完成时 M期CDK激酶的活性不能够表现出来 Wee1可以促使CDK1的Thr14和Tyr15磷酸化 从而抑制CDK1激酶活性 若在S期中加入过量的Cdc25c 即使DNA复制尚未完成 也可以促使由S期向G2和M期转化 主要是Wee1和Cdc25c参与了DNA复制延搁检验点的调控过程 三 G1 S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK激酶 在哺乳动物中 G1期周期蛋白主要包括周期蛋白D E 与G1期周期蛋白接合的CDK激酶主要包括CDK2 CDK4和CDK6等G1 S期转化的调控 S期的调控 S期的调控 DNA的复制是由起始复制点开始 即起始于自主复制序列 在整过细胞周期中 结合有起始识别复合体 ORC 其作用就象一个停泊点 供其它调节因子停靠 CDC6是其中之一调节因子 在G1期CDC6含量瞬间提高 CDC6结合在ORC上 在ATP供能下 促进6个亚单位构成的MCM复合体和其他一些蛋白结合到ORC上 形成前复制复合体 pre RC MCM实际上就是DNA解旋酶 S CDK触发pre RC的启动 同时阻止了DNA再次进行复制 因为S CDK将CDC6磷酸化 使其脱离ORC 磷酸化的CDC6随后被SCF参与的泛素化途径降解 S CDK还可以将某些MCM磷酸化 使其被输出细胞核 其它一些CDK也参与阻止pre RC的再次形成 从而保证了DNA的复制仅有一次 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 Rb释放出转录因子E2F 促进许多基因的转录 如编码cyclinE A和CDK1的基因的转录 二 M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化 细胞周期运转到分裂中期后 M期周期蛋白A和B将迅速降解 CDK1激酶活性丧失 被CDK1激酶磷酸化的蛋白质去磷酸化 细胞周期便从M期向后期转化 周期蛋白的降解 在中期当MPF活性达到最高时 通过一种未知的途径 可能是MPF 激活后期促进因子 AnaphasePromotingComplex APC APC介导泛素 Ubiquitin 途径 将泛素连接在cyclinB上 导致cyclinB被蛋白酶体 proteasome 降解 APC主要介导两类蛋白降解 AnaphaseInhibitors 分裂后期抑制物 和MitoticCyclin 前者维持姐妹染色单体粘连 抑制后期启动 后者的降解意味着有丝分裂即将结束 即染色体开始去凝集 核膜重建 APC活性受正负两类调控因子的调节周期细胞M Cyclin的调控 APC活性受正负两类调控因子的调节 正调控因子 Cdc20 Fizzy Cdh1 Fzy等 负调控因子 Emi1 Emi2 Mad2 BubR1等Cdc20是正调控因子 位于染色体动粒上 为姐妹染色单体分离所必需 APC活性也受到纺锤体组装检验点的检控 或所有动粒不能被动粒微管捕捉 则APC不能被激活 Mad2在纺锤体组装检控过程中起重要作用 Cdc20和Mad2蛋白位于动粒上 在染色体结合有丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放 由于Mad2与Cdc20结合而抑制APC的活性 所以只有所有染色体都与纺锤体结合后 APC才有活性 才启动细胞向后期转换 泛素依赖性途径 泛素由76个氨基酸组成 高度保守 普遍存在于真核细胞 故名泛素 共价结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别和降解 这是细胞内短寿命蛋白和一些异常蛋白降解的普遍途径 泛素相当于蛋白质被摧毁的标签 26S蛋白酶体是一个大型的蛋白酶 可将泛素化的蛋白质分解成短肽 一 G2 M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用 CDK1激酶活性首先依赖于周期蛋白B含量的积累 周期蛋白B的含量达到一定值并与CDK蛋白结合 同时在其他因素的调节下 逐渐表现出最大酶活性 周期蛋白A也可以与CDK1结合成复合体 表现出CDK1激酶活性 CDK1激酶活性受多种因素的综合调节 仅周期蛋白与CDK结合并不能使CDK1激活 还需其他修饰才能表现出活性 CDK1通过使某些蛋白质磷酸化 改变其下游某的某些蛋白质结构和启动其功能 实现其对细胞周期的调节 CDK蛋白本身不具有蛋白激酶活性 周期蛋白B A含量积累到一定值时 二者互相结合成复合体 但不表现出激酶活性 在Wee1 Mik1和CAK激酶的催化下 CDKThr14 Tyr15和Thr161磷酸化 形成高度磷酸化的周期蛋白CDK复合物 但仍不具备激酶活性 在磷酸酶Cdc25c的催化下 Thr14和Tyr15去磷酸化 CDK激酶活性得以表现 Thr161位点保持磷酸化状态是CDK1激酶活性表现所必需 分裂后期过后 周期蛋白与CDK分离 在APC的作用下循泛素化路径降解 以虚线表示的周期蛋白为降解中的周期蛋白 CDK1激酶活性首先依赖于周期蛋白B含量的积累 周期蛋白BB的含量达到一定值并与CDK蛋白结合 同时在其他因素的调节下 逐渐表现出最大酶活性 Cyclin Cdk复合物的多样性 G1SG2 MCyclin CdkCyclin CdkCyclin CdkBuddingYeastCLN1 2 3 CDC28CLB5 3 4 CDC28CLB1 2 3 4 CDC28FissionYeastCIG1 CDC2CIG2 CDC2CIG13 CDC2HigherEukaryotesCyclinD1 2 3 CDK4 6CyclinA CDK2CyclinB CDC2CyclinE1 2 CDK2 G1Substrates SSubstrates G2 MSubstrates GrowthandMorphogenesis DNAReplication Mitosis 哺乳动物细胞周期调控的模式图 芽殖酵母细胞周期中Cdc28 周期蛋白复合物的作用 G1 S调控点的调控相关蛋白 1 周期蛋白 cyclin cyclinD E A 2 周期蛋白依赖激酶 cyclin dependentkinase Cdk Cdk2 Cdk4 Cdk6 Cdk7 3 周期蛋白抑制蛋白 cyclin dependentkinaseinhibitor CKI p16 p15 p18 p19 Ink4家族 p21 p27 p57 Cip Kip家族 4 抑癌基因表达蛋白 pRb和p53 DNA复制起始的调控相关蛋白 1 前复制复合物 pre replicationcomplex pre RC 结合在复制起点上 组成该复合物的蛋白有ORC originrecognitioncomplex Cdc6 芽殖酵母中 或Cdc18 裂殖酵母中 和MCM蛋白家族 2 周期蛋白 cyclinA B D E H 3 周期蛋白依赖激酶 Cdk1 Cdc2 Cdk2 Cdk4 Cdk6 Cdk7 3 周期蛋白抑制蛋白 CKI p16 p15 p18 p19 Ink4家族 p21 p27 p57 Kip家族 有丝分裂的调控相关蛋白 1 周期蛋白 cyclinA B H 2 周期蛋白依赖激酶 Cdk Cdk1 Cdk7 3 周期蛋白抑制蛋白 CKI p21 p27 Cip Kip家族 4 抑癌基因表达蛋白 p53 APC介导选择性降解的靶蛋白与Ubiquitin结合 通过泛素依赖性途径降解 APC主要介导两类蛋白降解 AnaphaseInhibitors和MitoticCyclin 前者维持姐妹染色单体粘连 抑制后期启动 后者的降解意味着有丝分裂即将结束 即染色体开始去凝集 核膜重建 Cdc20和Mad2蛋白位于动粒上 在染色体结合有丝分裂纺锤体前将不能从动粒上释放 由于Mad2与Cdc20结合而抑制APC的活性 所以只有所有染色体都与纺锤体结合后 APC才有活性 才启动细胞向后期转换 六 细胞周期运转的阻遏 细胞周期运转的负调控 细胞至少可通过两种不同机制阻遏细胞周期的运转 Cdk抑制蛋白 CDI 阻止Cyclin Cdk复合物的装配或活性 周期调控系统组分停止合成 CDI包括CIP KIP家族和INK4家族 其作用是抑制Cyclin Cdk复合物的装配或活性 而将细胞阻止在不同的检验点 如DNA受损后 细胞将停留于G1Checkpoint让DNA修复或者凋亡 周期调控系统组分停止合成 如G0细胞 大部分Cyclin和Cdk都消失 这在多细胞生物尤其明显 某些真核生物的细胞周期时间 DNA和组蛋白合成的协同性实验ExperimentaldemonstrationofthecoordinatedSynthesisofDNAandhitones 纺锤体微管包括 着丝点微管 kinetochoremt 由中心体发出 连接在着丝点上 负责将染色体牵引到纺锤体上 着丝点上具有马达蛋白 星体微管 astralmt 由中心体向外放射出 末端结合有分子马达 负责两极的分离 同时确定纺锤体纵轴的方向 极体微管 polarmt或overlapmt 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 MTbehaviorduringformationofthemetaphaseplate Initially MTfromoppositepolesaredifferentinlength Experimentaldemonstrationoftheimportanceofmecha nicaltensioninmetaphasecheckpointcontrol a ElectronmicrographofSCofhumanpachytenebivalent K kinetochore arrow recombinationnodules b SchematicdiagramofSC c ElectronmicrographofSCaftertreatment