真核细胞周期调控与肿瘤

真核细胞周期调控与肿瘤 1 第一讲细胞周期调控与肿瘤Cellcycleregulationandtumor 真核细胞周期调控与肿瘤 2 内容介绍 第一节细胞周期概述第二节细胞周期的各元素及其相互作用第三节细胞周期调控与肿瘤 真核细胞周期调控与肿瘤 3 第一节细胞周期概述 一 细胞周期 细胞增殖周期 简称细胞周期 cellcycle 是指连续分裂的细胞从上一次有丝分裂结束开始 到下一次有丝分裂结束为止所经历的整个过程 真核细胞周期调控与肿瘤 4 G1期 DNA合成前期 从有丝分裂完成到DNA复制之前的一段时期 S期 DNA合成期 为DNA复制的时期 G2期 DNA合成后期 从DNA复制完成到有丝分裂开始的一段时期 M期 有丝分裂期 从细胞分裂开始到结束的一段时期 1 PhasesofCellCycle 真核细胞周期调控与肿瘤 5 2 CharacteristicsofCellCyclePhases G1期 细胞周期的大部分时相处于G1期 动物细胞一般为6 12小时 该期主要的生化活动是合成RNA和蛋白质 S期 此期一般持续6 8小时 其长短主要由基因组的复杂度决定 该期主要的生化活动是复制DNA 真核细胞周期调控与肿瘤 6 G2期 该期主要的生化活动是合成一些与有丝分裂有关的蛋白质 M期 该期很短 一般持续0 5 2小时 该期生化合成停止 细胞形态发生改变 一个母细胞分裂成2个子代细胞 真核细胞周期调控与肿瘤 7 3 CheckingPointsofCellCycle 真核细胞的分裂增殖必须经过两个关键的调控点 即DNA合成开始时的G1 S期的转换和有丝分裂开始时的G2 M期的转换 除此之外 细胞还有G0 G1期的转换 以及S期的检查点 真核细胞周期调控与肿瘤 8 真核细胞周期调控与肿瘤 9 4 细胞周期的特点 单向性 只能沿G1 S G2 M方向推进 阶段性 各期细胞形态和代谢特点有明显差异 细胞可因某种原因在某时相停止下来 待生长条件适合后重新活跃到下一时相 检查点 各时相交叉处存在检查点 决定细胞下一步的增殖趋向 细胞微环境 细胞周期是否顺利推进与细胞外信号和条件等密切相关 真核细胞周期调控与肿瘤 10 1 周期性细胞 连续分裂的细胞 始终处于增殖和死亡的动态平衡中 稳态更新 如表皮细胞 骨髓细胞 2 G0期细胞 休眠细胞 暂时脱离细胞周期 适当刺激可重新进入细胞周期 条件更新 如肝 肾细胞 3 终端分化细胞 不分裂细胞 不可逆的脱离细胞周期 丧失增值能力 但具有一定生理功能 如神经细胞 心肌细胞 二 机体活细胞的分类 真核细胞周期调控与肿瘤 11 真核细胞周期调控与肿瘤 12 细胞周期蛋白 素 cyclin CLN 细胞周期素依赖激酶 cyclin dependentkinase CDK 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 CDKinhibitoryprotein CKI 第二节细胞周期的元素及其相互作用 调节细胞周期的3类蛋白质 真核细胞周期调控与肿瘤 13 1 周期蛋白依赖性蛋白激酶 CDK CDK1 6 是调节细胞周期的主要蛋白质 通过使其他蛋白质磷酸化而驱动细胞周期进程 其活性受周期蛋白的正调控 受CKI的负调控 2 周期蛋白 cyclin A B C D E等 不同的周期蛋白与不同的CDK结合形成cyclin CDK复合物 可调节细胞周期的不同阶段 3 CDK抑制蛋白 CKI 与CDK结合后可抑制CDK的活性 可分为两大家族 CIP KIP p21 p27 p57等 广泛抑制多种CDK的活性 INK4家族 P15 p16 p18 p19等 特异性抑制作用 真核细胞周期调控与肿瘤 14 CDK4 cyclinD CDK2 cyclinE CDK2 cyclinA CDK1 CyclinB 真核细胞周期调控与肿瘤 15 真核细胞周期调控与肿瘤 16 真核细胞周期调控与肿瘤 17 2001年 LelandHartwell Paulnurse和Timhunt因成功揭示细胞周期分子机制而共同获得第100届诺贝尔生理学与医学奖 这标志着细胞周期的研究已获得全世界的认同 为细胞周期与肿瘤的研究奠定了基础 真核细胞周期调控与肿瘤 18 Cyclin CLN 又称周期素 是一组结构相似 并能结合和调节细胞周期蛋白依赖激酶 cyclin dependentkinase CDK 活性的蛋白质 1 StructureandFunctionofCyclin 真核细胞周期调控与肿瘤 19 周期素都是CDK的调节亚基 分别在细胞周期的不同时期积累 激活CDK 使其具有催化关键底物磷酸化的作用并调节底物活性 在高等真核细胞中 周期素至少分为A B C D E F G等几大类 真核细胞周期调控与肿瘤 20 不同的周期蛋白 cyclinA B C D E F G H等 能与不同的CDK结合 可调节细胞周期的不同阶段 G1SG2M D CDK4 6 E CDK2 A CDK2 B CDK1 G1期运行 S期启动 G2期启动和进行 M期启动和进行 真核细胞周期调控与肿瘤 21 G1 S G2 M prophase metaphase anaphase telophase CyclinD CDK4 6 CyclinB CDK1 CyclinA CDK2 CyclinE CDK2 Cyclins CDKsinthedifferentphasesofcellcycle 真核细胞周期调控与肿瘤 22 TheExpressionalLevelsofCyclinsduringCellCycle 真核细胞周期调控与肿瘤 23 Cyclins的时相性起伏 D E A B Cyclin的功能调控主要依靠其蛋白质水平的细胞周期特异性起伏 真核细胞周期调控与肿瘤 24 TheRelationshipofCyclinExpressionalLevelswithDNAReplication 真核细胞周期调控与肿瘤 25 所有Cyclin蛋白分子上都有一段与CDK结合并使之激活的保守区 称为细胞周期素盒 Cyclinbox 真核细胞周期调控与肿瘤 26 此外 周期蛋白还含有降解盒 destructionbox 或PEST序列 脯 谷 丝 苏 可通过定时降解或快速转换来调节周期素的水平 真核细胞周期调控与肿瘤 27 周期素的家族成员 真核细胞周期调控与肿瘤 28 Cyclins通过泛素 蛋白酶体途径降解 真核细胞周期调控与肿瘤 29 2 StructureandFunctionofCDK CDK是一组丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 需与相应的cyclin结合才能显示活性 故CDK称为依赖cyclin的蛋白激酶 不同阶段有相应的cyclin CDK 真核细胞周期调控与肿瘤 30 人们对CDK的认识 最初是通过研究培养细胞和酵母细胞而得到的 目前已经确定的CDK有 裂殖酵母中CdC2 酿酒酵母中的CdC28 PHO85 KIN28以及人类细胞中CDK1 10 2 1TypesandCharactersofCDK 真核细胞周期调控与肿瘤 31 脊椎动物的CDK P35 P36的结构与细胞周期蛋白无相似性 真核细胞周期调控与肿瘤 32 CDK的分子量一般为35 40kD 不同CDK的氨基酸组成有40 以上的同源性 CDK催化亚基的活性中心约由300个氨基酸残基组成 当处于单体或非磷酸化状态时 CDK没有催化活性 真核细胞周期调控与肿瘤 33 MolecularStructureofCDK2 真核细胞周期调控与肿瘤 34 在激活因素中 目前认为CDK与周期素的结合以及保守的苏氨酸残基 Thr161 的磷酸化是较为重要的两种调节因素 而在抑制因素中 CDK的N 端氨基酸残基的抑制性磷酸化 Thr14和Tyr15 以及抑制蛋白 CKI 的结合是主要的调节因素 2 2RegulationofCDKActivity 真核细胞周期调控与肿瘤 35 真核细胞周期调控与肿瘤 36 周期素的激活作用 周期素中的 周期素盒 结构域直接和CDK结合 并与CDK的激活相关 周期素的结合与激活作用主要通过周期素在细胞周期中的浓度波动来调控 2 2 1ActivationofCDK 真核细胞周期调控与肿瘤 37 CyclinA CDK2ComplexwithATPBound 真核细胞周期调控与肿瘤 38 磷酸化修饰的激活作用 CDK的激活还必须依赖于其保守的苏氨酸残基的磷酸化 如在人CDK1 p34cdc2 的Thr161和CDK2的Thr160的磷酸化 就与这两个酶的激活相关 真核细胞周期调控与肿瘤 39 催化CDK1和CDK2磷酸化的酶是CAK 催化亚基为CDK7CAK调节亚基为周期素H组装蛋白因子MAT1 MAT1 CDK activatingkinaseassemblyfactor1 真核细胞周期调控与肿瘤 40 ComplexofCDK7 CyclinH MAT1 真核细胞周期调控与肿瘤 41 CAK CDK的激活机制 CDKThr160 161磷酸化CDK Cyclin cellcycle 真核细胞周期调控与肿瘤 42 CDK的激活和失活还与Thr14 Tyr15的磷酸化和去磷酸化有关 Thr14 Tyr15的去磷酸化导致CDK的激活 使其去磷酸化的磷酸酶是CDC25 真核细胞周期调控与肿瘤 43 CDK启动cellcycle CDK激活 Cyclin与CDK结合 CAK对CDKThr160 161的磷酸化 真核细胞周期调控与肿瘤 44 磷酸化修饰的抑制作用 在人的CDK1和CDK2中 Thr14和Tyr15残基的磷酸化可抑制CDK的催化活性 其原因在于上述残基的侧链位于该酶活性中心ATP结合部位的顶端 2 2 2InhibitionofCDK 真核细胞周期调控与肿瘤 45 催化Thr14和Tyr15磷酸化的是两种不同的蛋白激酶 使Thr14磷酸化的为蛋白激酶Myt1 使Tyr15磷酸化的是蛋白激酶Wee1 Mik1 催化Thr14和Tyr15脱磷酸化的是蛋白磷酸酶CDC25 因此 蛋白激酶Wee1和Myt1及蛋白磷酸酶CDC25的相对活性 决定CDK1和CDK2的活性高低 真核细胞周期调控与肿瘤 46 RegulationofCDKActivity CAK 真核细胞周期调控与肿瘤 47 抑制蛋白的作用 抑制蛋白 即周期素依赖性蛋白激酶抑制子 CKI 大部分CKI都是抑癌基因的编码产物 在哺乳动物细胞中 目前已经确定的CKI主要有 P15和P16 P19 P21 P27 P53和PRb 可分别抑制各型CDK的活性 真核细胞周期调控与肿瘤 48 P16INK4A和P15INK4B 是分别由抑癌基因INK4A MTS1和INK4B MTS2编码合成的蛋白质 能专一性的与CDK4和CDK6结合 并阻止其与周期素的结合反应 从而抑制其蛋白激酶活性 使细胞停留于G1期 真核细胞周期调控与肿瘤 49 P16CDK4cyclinD1一Pcdk介导的磷酸化RbRbP一G1SDNA转录 真核细胞周期调控与肿瘤 50 P21WAF1 CIP1 是由抑癌基因WAF1 CIP1编码合成的蛋白质 几乎能与所有的周期素 CDK复合物结合 抑制其蛋白激酶活性 使细胞停留在G1期 真核细胞周期调控与肿瘤 51 P27KIP1 是由抑癌基因KIP1编码合成的蛋白质 也能与几乎所有的周期素 CDK复合物结合 抑制其蛋白激酶活性 使细胞停留于G1期 真核细胞周期调控与肿瘤 52 p27 cyclin cdkcomplex 真核细胞周期调控与肿瘤 53 P53 由抑癌基因p53编码合成的蛋白质 是WAF1 CIP1基因 P21 的转录激活因子 因此 P53的表达可促进P21WAF1 CIP1的转录表达 从而抑制CDK的蛋白激酶活性 真核细胞周期调控与肿瘤 54 FunctionofP53 真核细胞周期调控与肿瘤 55 真核细胞周期调控与肿瘤 56 真核细胞周期调控与肿瘤 57 PRb 是由Rb抑癌基因编码合成的蛋白质 有低磷酸化型和高磷酸型两种型式 低磷酸化型的PRb可与转录因子E2F形成复合体 抑制其转录激活作用 阻止细胞分裂 而高磷酸化型的PRb则不能与E2F形成复合体 催化PRb由低磷酸化型转变为高磷酸化型的蛋白激酶就是各型CDK 真核细胞周期调控与肿瘤 58 Rb在细胞周期内的磷酸化 真核细胞周期调控与肿瘤 59 CyclinD与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F 真核细胞周期调控与肿瘤 60 真核细胞周期调控与肿瘤 61 Figure RegulationofRbandE2FactivitiesinlateG1 InteractionofE2FswithnonphosphorylatedRbproteininitiallyinhibitsE2Factivity Whensignalingfrommitogensissustained theresultinginitiatethephosphorylationofRb convertingsomeE2Ftotheactiveform whichactivatetargetgeneswhoseproductsareessentialforSphase 真核细胞周期调控与肿瘤 62 Rbfunctionislinkedtoothertumorsuppressors 真核细胞周期调控与肿瘤 63 小结Rb的生理作用 Rb基因是视网膜母细胞瘤的致病基因 位于13q14 Rb蛋白 p105两种形式 磷酸化Rb和非磷酸化Rb 活性形式 Rb蛋白的作用 1 非磷酸化Rb与转录因子E2F结合 抑制其活性 使细胞停留在G1期 E2F是很强的转录因子 可促进许多参与S期的酶和蛋白质如DNA聚合酶 胸苷激酶 二氢叶酸还原酶等的表达 增强DNA的复制 促进细胞通过G1 S控制点 2 Rb磷酸化磷酸化的Rb释放E2F促进DNA的合成细胞分裂增殖 真核细胞周期调控与肿瘤 64 3 病毒癌蛋白 SV40大T抗原 腺病毒EIA和人乳头瘤病毒E7等 和Rb结合 释放E2F 从而促进细胞的分裂增殖和转化 4 Rb基因的突变失活 点突变 缺失或GC岛的高甲基化等 使之失去结合E2F和抑制细胞增殖的能力 5 生长因子如EGF PDGF和癌基因c myc等都可促进cyclinD1的表达和D1 CDK4 6的形成 从而促进细胞的分裂增殖 6 CDK抑制蛋白P16是抑癌基因P16可竞争性地与CDK4 6结合 抑制CDK4 6的活性 从而抑制细胞从G1 S过渡 使细胞停留在G1期 真核细胞周期调控与肿瘤 65 3 细胞周期调控中各元素间的相互作用细胞周期的调控可分为外源和内源性调控 外源性调控主要是细胞因子以及其它外界刺激引起 内源性调控主要是通过Cyclin CDK CKI的网络调控来实现 真核细胞周期调控与肿瘤 66 生长信号 GF 通过早期应答基因传递到细胞周期调控机制时 首先是cyclinD的表达增加 与CDK4 6形成复合物 使细胞周期运行 抑制信号 TGF 促进CKI表达增加 抑制CyclinD CDK4 6复合物的功能 使细胞阻滞在G1期 真核细胞周期调控与肿瘤 67 真核细胞周期调控与肿瘤 68 P Rb E2F D CDK4 6 E2F 磷酸化的Rb EGF PDGF c myc等 Cyclin D 病毒癌蛋白与Rb结合 参与S期DNA合成的蛋白质基因的表达 细胞的过度增殖和癌变 Rb基因的突变 P16 突变的Rb蛋白 真核细胞周期调控与肿瘤 70 各种细胞周期蛋白随特定细胞时相而出现 G1早期 cyclinD表达并与CDK4或CDK6结合 成为始动细胞周期的启动子 G1晚期 进入S早期后cyclinE表达 并与CDK2结合 推动细胞进入S期 进入S期后 cyclinA表达 cyclinA和CDK2相结合可以调节S期进入G2期 S晚期 G2早期 cyclIinA cyclinB表达 并与cdc2结合 促进细胞进入M期 P53P16介导抑制CDK4p21CDK4cyclinD1抑制CDK4活化CDK4Pcdk介导的磷酸化RbRbPE2F无活性复合物E2F启动DNA转录G1SDNA转录 真核细胞周期调控与肿瘤 72 CDK活性状态是以磷酸化形式存在的 CAK可诱导CDK磷酸化 Thr161 而p27通过与CDK亚单位的结合 使CAK不能与CDK直接发生作用 非活化的CDK不能使Rb蛋白磷酸化 使细胞停留在G1期 对细胞周期进行负调控 P27还可阻止Rb蛋白磷酸化 其过度表达能抑制细胞进入G1期 真核细胞周期调控与肿瘤 73 小结 细胞周期由一系列瀑布式的CDKs激活所驱动CDKs的激活受控于四大机制 cyclin CAK Weel CDC25 CKIs CDKs激活执行细胞周期的两大生物学功能 复制和分裂 真核细胞周期调控与肿瘤 74 第三节细胞周期调控与肿瘤 科学家在研究中逐渐发现 几乎所有癌基因 抑癌基因的生物学效应 最终都会聚到细胞周期机制上 许多癌基因 肿瘤抑制基因直接参与细胞周期的调控 或者本身就是细胞周期调控复合体的主要成分 这些基因变异的结果 导致了细胞周期的失控 直接诱发肿瘤 真核细胞周期调控与肿瘤 75 驱动机制 检查机制 CKI 肿瘤细胞恶性增殖的机制 真核细胞周期调控与肿瘤 76 肿瘤细胞恶性增殖的机制 Cyclin的过表达 CDK的增多 CKI表达不足和突变 检查点功能障碍 细胞增殖过度与肿瘤 G1 S检查点功能障碍 P53突变 G2 M检查点功能障碍 真核细胞周期调控与肿瘤 77 一 肿瘤细胞周期失控的分子基础1 细胞周期蛋白异常 G1cyclin基因突变 重排 使这些cyclin异常表达 从而使细胞通过G1期 进入S期 细胞即自发增殖 出现转化特征 许多人类肿瘤中 均发现有cyclinD1基因的扩增 真核细胞周期调控与肿瘤 78 CyclinD1 原癌基因Bcl 1 过表达原因 基因扩增 CyclinD1过表达的主要机制 乳腺癌 胃癌 食道癌存在CyclinD1基因扩增过度 染色体倒位 Chromosomeinversion CyclinD1基因倒位于甲状旁腺启动子控制下CyclinD1蛋白合成 甲状旁腺腺癌 染色体易位 Chromosometranslocation Bcl 1t 11 14 q13 q32 易位CyclinD1受Ig重链基因增强子影响CyclinD1表达 真核细胞周期调控与肿瘤 79 CyclinD过表达致肿瘤机制 CyclinD过表达 生长因子CDKs瀑布效应 细胞增殖过度易发生细胞癌变 基因突变CyclinD1T286突变CyclinD1泛素化受阻CyclinD1 真核细胞周期调控与肿瘤 80 B型肝炎病毒 hepatitisBvirus HVB 感染人体后成为导致肝癌的因素之一 有研究发现 HVB基因组整合入cyclinA基因的一个内含子中 产生异常 过量表达的转录物 和正常的cyclinA相比 它缺少N端的 destructionbox 逃脱了对它的降解 大量异常的cyclinA刺激细胞增殖 真核细胞周期调控与肿瘤 81 2 CDK和CKI基因的突变研究中发现肿瘤细胞CDK的水平一般较高 而CKI基因常见纯合性缺失突变 细胞内缺少CKI 或CKI抑制CDK功能的丧失 CDK表达异常主要见于CDK4 CDK6过表达 CDK4 cyclinD结合 CDK4 cyclinD pRbpRb磷酸化 细胞增殖过度E2F G1 S过渡加速 真核细胞周期调控与肿瘤 82 真核细胞周期调控与肿瘤 83 Mechanism p53基因突变P21cip1转录 DNA受损细胞增殖 P21含量减少 DeficientexpressionofKip Cip P21cipl功能cyclins CDKs活性 细胞周期速度 增殖细胞核抗原 PCNA 阻滞DNA复制 真核细胞周期调控与肿瘤 84 3 癌基因和抑癌基因突变不少癌细胞中发现Rb或