《细胞周期调控》PPT课件.pptVIP

第十二章细胞增殖及其调控 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 第一节细胞周期概述 一 什么是细胞周期 细胞周期指由细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束所经历的过程 所需的时间叫细胞周期时间 其间细胞遗传物质和其他内含物分配给子细胞 可分为四个阶段 图13 1 G1期 gap1 指从有丝分裂完成到期DNA复制之前的间隙时间 S期 synthesisphase 指DNA复制的时期 只有在这一时期H3 TDR才能掺入新合成的DNA中 G2期 gap2 指DNA复制完成到有丝分裂开始之前的一段时间 M期又称D期 mitosisordivision 细胞分裂开始到结束 细胞周期可划分为四个阶段 细胞周期时间 不同细胞的细胞周期时间差异很大 S G2 M的时间变化较小 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 从增殖的角度来看 可将高等动物的细胞分为三类 连续分裂细胞 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 休眠细胞暂不分裂 这类细胞可长期停留在G1早期而不越过R点 处于增殖静止状态 它们合成具有特殊功能的RNA和蛋白质 使细胞的结构和功能发生分化 但这类细胞并未丧失增殖能力 在一定条件下可以恢复其增殖状态 但需要经过较长的恢复时间 称G0期细胞 如淋巴细胞 肝 肾细胞等 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 二 细胞周期时间的测定 标记有丝分裂百分率法 percentagelabeledmitoses PLM 是一种常用的测定细胞周期时间的方法 其原理是对测定细胞进行脉冲标记 定时取材 利用放射自显影技术显示标记细胞 通过统计标记有丝分裂细胞百分数的办法来测定细胞周期 有关名词 TG1 G1期的持续时间TG2 G2期的持续时间TS S期的持续时间TM M期的持续时间TC 一个细胞周期的持续时间PLM 标记的有丝分裂细胞所占的比例TDR 胸腺嘧啶核苷 是DNA的特异前体 能被S期细胞摄入 而掺进DNA中 通常使用的是3H或者14C标记的TDR 测定原理 图13 2 待测细胞经3H TDR标记后 所有S期细胞均被标记 S期细胞经G2期才进入M期 所以一段时间内PLM 0 开始出现标记M期细胞时 表示处于S期最后阶段的细胞 已渡过G2期 所以从PLM 0到出现PLM的时间间隔为TG2 S期细胞逐渐进入M期 PLM上升 到达到最高点的时候说明来自处于S最后阶段的细胞 已完成M 进入G1期 所以从开始出现M到PLM达到最高点 100 的时间间隔就是TM 当PLM开始下降时 表明处于S期最初阶段的细胞也已进入M期 所以出现PLM到PLM又开始下降的一段时间等于TS 从PLM出现到下一次PLM出现的时间间隔就等于TC 根据TC TG1 TS TG2 TM即可求出的TG1长度 细胞周期各阶段的时间与PLM的关系 流式细胞仪测定法 FlowCytometry DNA的含量随细胞周期 G1 S G2 M 的各个时期呈现出周期性的变化 G1期 是细胞RNA和蛋白质的合成期 即DNA合成前期 此时细胞核内DNA含量保持二倍体 进入S期后 DNA开始合成 即DNA合成期 细胞核内DNA的含量介于二倍体至四倍体之间 细胞进入G2期 即细胞分裂前期 DNA含量为四倍体 直到进入M期 即细胞分裂期 细胞分成两个子细胞 M期结束进入下一个细胞周期 G1期 DNA的含量为二倍体S期 DNA的含量为二倍体至四倍体混合G2 M期 DNA的含量为四倍体 三 细胞同步化 细胞同步化 synchronization 是指在自然过程中发生或经人为处理造成的细胞周期同步化 前者称自然同步化 后者称为人工同步化 一 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 二 人工同步化 1 选择同步化 1 有丝分裂选择法 使单层培养的细胞处于对数增殖期 此时分裂活跃 MI高 有丝分裂细胞变圆隆起 与培养皿的附着性低 此时轻轻振荡 M期细胞脱离器壁 悬浮于培养液中 收集培养液 再加入新鲜培养液 依法继续收集 则可获得一定数量的中期细胞 其优点是 操作简单 同步化程度高 细胞不受药物伤害 缺点是获得的细胞数量较少 分裂细胞约占1 2 2 细胞沉降分离法 不同时期的细胞体积不同 而细胞在给定离心场中沉降的速度与其半径的平方成正比 因此可用离心的方法分离 其优点是可用于任何悬浮培养的细胞 省时 效率高 成本低 缺点是同步化程度较低 2 诱导同步化 1 DNA合成阻断法 选用DNA合成的抑制剂 可逆地抑制DNA合成 而不影响其他时期细胞的运转 最终可将细胞群阻断在S期或G S交界处 5 氟脱氧尿嘧啶 羟基脲 阿糖胞苷 氨甲蝶呤 高浓度ADR GDR和TDR 均可抑制DNA合成使细胞同步化 其中高浓度TDR对S期细胞的毒性较小 因此常用TDR双阻断法诱导细胞同步化 在细胞处于对数生长期的培养基中加入过量TDR S期细胞被抑制 其它细胞继续运转 最后停在G1 S交界处 移去TDR 洗涤细胞并加入新鲜培养液 细胞又开始分裂 当释放时间大于TS时 所有细胞均脱离S期 再次加入过量TDR 细胞继续运转至G1 S交界处 被过量TDR抑制而停止 优点是同步化程度高 适用于任何培养体系 可将几乎所有的细胞同步化 缺点是产生非均衡生长 个别细胞体积增大 2 中期阻断法 利用破坏微管的药物将细胞阻断在中期 常用的药物有秋水仙素和秋水仙酰胺 后者毒性较少 优点是无非均衡生长现象 缺点是可逆性较差 3 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 四 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 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 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 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 关于细胞分裂 MTbehaviorduringformationofthemetaphaseplate Initially MTfromoppositepolesaredifferentinlength Experimentaldemonstrationoftheimportanceofmecha nicaltensioninmetaphasecheckpointcontrol 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 第二节细胞周期调控 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 一 研究背景 Rao和Johnson 1970 1972 1974 将Hela细胞同步于不同阶段 然后与M期细胞混合 在灭活仙台病毒介导下 诱导细胞融合 发现与M期细胞融合的间期细胞产生了形态各异的早熟凝集染色体 prematurelycondensedchromosome PCC 这种现象叫做早熟染色体凝集 prematurechromosomecondensation 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 不同形态的PCC 不仅同类M期细胞可以诱导PCC 不同类的M期细胞也可以诱导PCC产生 如人和蟾蜍的细胞融合时同样有这种效果 这就意味着M期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子 即成熟促进因子 maturationpromotingfactor MPF 早在1960s YoshioMasui发现成熟蛙卵的提取物能促进未成熟卵的胚胞破裂 GerminalVesicleBreakdown GVBD 后来Sunkara将不同时期Hela细胞的提取液注射到蛙卵母细胞中 发现G1和S期的抽取物不能诱导GVBD 而G2和M期的则具有促进胚胞破裂的功能 它将这种诱导物质称为有丝分裂因子 MF 后来在CHO细胞 酵母和粘菌中也提取出相同性质的MF 这类物质被统称为MPF 处于第六期的爪蟾卵母细胞 RD前期I 具GV Masui和Markert用孕酮诱导卵母细胞成熟 并用成熟卵母细胞的细胞质注射到卵母细胞 发现可以促进卵母细胞成熟 继续用该卵母细胞细胞质诱导新的卵母细胞 仍然可以促进卵母细胞成熟 因而他们推测成熟卵母细胞中必然有一种物质可以诱导卵母细胞成熟 即MPF 1960sHartwell以芽殖酵母 图13 16 为实验材料 利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株 在适宜的温度下和野生型一样 分离出了几十个与细胞分裂有关的基因 celldivisioncyclegene CDC 如芽殖酵母的cdc28基因 在G2 M转换点发挥重要的功能 Hartwell还通过研究酵母菌细胞对放射线的感受性 提出了checkpoint 细胞周期检验点 的概念 意指当DNA受到损伤时 细胞周期会停下来 芽殖酵母细胞周期 1970sPaulNurse等人以裂殖酵母 图13 17 为实验材料 同样发现了许多细胞周期调控基因 如 裂殖酵母cdc2 cdc25的突变型在限制的温度下无法分裂 wee1突变型则提早分裂 而cdc25和wee1都发生突变的个体却会正常地分裂 图13 18 进一步的研究发现cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶 促进细胞周期的进行 而weel和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性 这也解释了为何cdc25和wee1双重突变的个体可以恢复野生型的表型 Cdc25表达不足 细胞长得过长而不分裂 Wee1表达不足 细胞很小就开始分裂了 1983年TimothyHunt首次发现海胆卵受精后 在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈振荡 在每一轮间期开始合成 G2 M时达到高峰 M结束后突然消失 下轮间期又重新合成 故命名为周期蛋白 cyclin 后来在青蛙 爪蟾 海胆 果蝇和酵母中均发现类似的情况 各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟 用海洋无脊椎动物和两栖类的卵为实验材料进行这类实验 好处在于卵的量比较大 而且在胚胎发育的早期 细胞分裂是同步化的 MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶 由M期Cyclin Cdk Cyclin dependentproteinkinase 形成的复合物 MPF p34cdc2蛋白激酶 cyclinB周期蛋白 MPF的作用 促进染色体凝集 H1组蛋白磷酸化 H3组蛋白磷酸化 核纤层磷酸化 核被膜装配 细胞相关的酶与蛋白质磷酸化 1988年M J Lohka纯化了爪蟾的MPF 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 图13 19 后来PaulNurse 1990 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 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 图13 20 2001年诺贝尔生理医学奖获得者 二 CDK CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性 称为细胞周期蛋白依赖性激酶 cyclin dependentkinase CDK 因此CDC2又被称为CDK1 激活的CDK1可将靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应 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等 这些效应的最终结果是细胞周期的不断运行 因此 CDK激酶和其调节因子又被称作细胞周期引擎 目前发现的CDK在动物中有7种 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 与周期蛋白的结合有关 三 CKI 细胞中还具有细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子 CDKinhibitor CKI 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 四 Cyclin 周期蛋白不仅仅起激活CDK的作用 还决定了CDK何时 何处 将何种底物磷酸化 从而推动细胞周期的前进 目前从芽殖酵母 裂殖酵母和各类动物中分离出的周期蛋白有30余种 在脊椎动物中为A1 2 B1 3 C D1 3 E1 2 F G H等 分为G1型 G1 S型S型和M型4类 见表13 1 各类周期蛋白均含有一段约100个氨基酸的保守序列 称为周期蛋白框 介导周期蛋白与CDK结合 表13 1不同类型的周期蛋白 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 细胞在生长因子的刺激下 G1期cyclinD表达 并与CDK4 CDK6结合 使下游的蛋白质如Rb磷酸化 磷酸化的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 图13 22CyclinD与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F 在G1 S期 cyclinE与CDK2结合 促进细胞通过G1 S限制点而进入S期 向细胞内注射CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期 说明细胞进入S期需要CyclinE的参与 同样将CyclinA的抗体注射到细胞内 发现能抑制细胞的DNA合成 推测CyclinA是DNA复制所必需的 在G2 M期 cyclinA cyclinB与CDK1结合 CDK1使底物蛋白磷酸化 如将组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩 核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件 图13 23Cyclin的周期性变化 在中期当MPF活性达到最高时 通过一种未知的途径 激活后期促进因子APC 将泛素连接在cyclinB上 导致cyclinB被蛋白酶体 proteasome 降解 完成一个细胞周期 图13 24 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 图13 24CyclinB的降解途径 分裂期周期蛋白N端有一段序列与其降解有关 称降解盒 destructionbox 图13 25 当MPF活性达到最高时 通过泛素连接酶催化泛素与cyclin结合 cyclin随之被26S蛋白酶体水解 G1周期蛋白也通过类似的途径降解 但其N端没有降解盒 C端有一段PEST序列与其降解有关 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 图13 25细胞周期蛋白的降解盒与降解途径 在蛋白质的泛素化过程中 图13 25 E1 ubiquitin activatingenzyme 泛素激活酶 水解ATP获取能量 通过其活性位置的半胱氨酸残基与泛素的羧基末端形成高能硫酯键而激活泛素 然后E1将泛素交给E2 ubiquitin conjugatingenzyme 泛素结合酶 最后在E3 ubiquitin ligase 泛素连接酶 的作用下将泛素转移到靶蛋白上 参与细胞周期调控的泛素连接酶至少有两类 其中SCF skp1 cullin F boxprotein 三个蛋白构成的复合体 负责将泛素连接到G1 S期周期蛋白和某些CKI上 APC anaphasepromotingcomplex 负责将泛素连接到M期周期蛋白上 五 DNA复制当且仅当一次 P408 DNA的复制是由起始复制点 originsofreplication 开始的 起始复制点也就是上一章提到的自主复制序列 散布在染色体上 在整过细胞周期中 起始复制点上结合有起始识别复合体 Originrecognitioncomplex ORC 其作用就象一个停泊点 供其它调节因子停靠 CDC6是其中的一个调节因子 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 replicativecomplex pre RC MCM实际上就是DNA解旋酶 helicase 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的复制当且仅当一次 图13 26 微小染色体维持蛋白 Minichromosomemaintenanceproteins Mcm 六 M期CDK的激活 M期CDK的激活起始于分裂期cyclin的积累 有丝分裂周期中 cyclin的积累是因为在G2 M期M cyclin基因转录的增强 随着M cyclin的积累 结合周期蛋白的M CDK CDK1 增加 但是没有活性 这是因为Wee1激酶将CDK1的Thr14和Tyr15磷酸化的缘故 这种机制保证了CDK cyclin能够不断积累 然后在需要的时候突然释放 在M期 一方面Wee1的活性下降 另一方面CDC25使CDK去磷酸化 去除了CDK活化的障碍 CDC25可被两种激酶激活 一是polo激酶 另一个是M CDK本身 激活的M CDK还可以抑制它的抑制因子Wee1的活性 形成一个反馈环 因此不难想象只要有少量的CDK被CDC25或polo激活 立即就会有大量的CDK被活化 CDK的激活还需要Thr161的磷酸化 它是在CDK激酶 CDKactivatingkinaseCAK 的作用下完成的 CDK1的调节与活化 CAK CDK1 ActivitingKinase Tyr15Inhibitory AddedbyWee1RemovedbyCdc25 Thr160Activating CDKaddsafterCyclinbinding 七 细胞周期检验点 细胞要分裂 必须正确复制DNA和达到一定的体积 在获得足够物质支持分裂以前 细胞不可能进行分裂 细胞周期的运行 是在一系列称为检验点 checkpoint 的严格检控下进行的 当DNA发生损伤 复制不完全或纺锤体形成不正常 周期将被阻断 细胞周期检验点由感受异常事件的感受器 信号传导通路和效应器构成 主要检验点包括 图13 28 G1 S检验点 在酵母中称start点 在哺乳动物中称R点 restrictionpoint 控制细胞由静止状态的G1进入DNA合成期 相关的事件包括 DNA