细胞生物学：第十四章 细胞增殖调控与癌细胞

1、第十四章第十四章 细胞增殖调控与癌细胞细胞增殖调控与癌细胞CELL CYCLE CONTROL AND CANCER CELL第一节第一节 细胞增殖调控细胞增殖调控一、研究背景1970s Rao等发现与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（PCC）。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。不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子( MPF)。早熟染色体凝集（早熟染色体凝集（prematurely condensed

2、chromosome，PCC）G1SG2Hartwell 1960s, Nurse 1970s 分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因( cdc)。如：裂殖酵母cdc2、 芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；cdc2和cdc28都编码34KD的蛋白激酶，促进细胞周期进行，wee1和cdc25分别表现为抑制和促进cdc2的活性。FISSION YEAST BUDDING YEAST Cdc 25 & Wee1 mutantT. Hunt 1980s发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含

3、量随细胞周期振荡，命名为cyclin A和B，其mRNA能诱导蛙卵成熟。1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。进一步的研究发现MPF=cdc2+clyclin BLeland H. Hartwell R. Timothy (Tim) Hunt Sir Paul M. Nurse 2001年10月8日美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。二、CDKcdc2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(C

4、DK)。cdc2又称CDK1，可将特定蛋白磷酸化，如：将核纤肽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。在动物中已知7种CDK。均含PSTAIRE保守序列，与周期蛋白的结合有关。三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子CKI对细胞周期起负调控作用，分为：Ink4: 抑制cdk4cyclin D1, cdk6cyclin D1。Kip：抑制大多数CDK。其中P21cip1还能与DNA聚合酶的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。四、细胞周期蛋白cyclin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，介导与CDK结合。作用：激活和引导C

5、DK作用于不同底物。已知30余种，分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。不同类型的CDK/cyclin复合体*包括D1-3，各亚型cyclin D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。FIGURE . Activity of mammalian cyclin-CDK complexes through the course of the cell cycle in cultured G0 cells induced to divide by treatment with growth factors.G1期，在生长因子的刺激下，cyclin D表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游

6、的蛋白质如Rb磷酸化，释放转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。G1-S期，cyclinE与CDK2结合，激活DNA复制。G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1引起染色体凝缩、核膜解体等。G1 CDK activate transcription factor E2FCELL CYCLE REGULATION五、细胞周期运转调控1. G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用 CDK1激酶活性受到多种因素的综合调节。 参与的因子： 激酶类：Wee1; Mik1; CAK 磷酸酶类：Cdc25c M期CDK的激活起始于分裂期c

7、yclin的积累。 结合cyclin B的CDK1被激酶Wee1和Mik1将Thr14和Tyr15磷酸化而不具有活性，使CDK/cyclin不断积累。 CDK的激活需要Thr161的磷酸化，它是在CDK激酶(CDK activating kinase CAK)的作用下完成的。 在M期，Wee1的活性下降，磷酸酶cdc25c使CDK 的Thr14和Tyr15磷酸化去磷酸化，去除了CDK活化的障碍。CDK ACTIVATING2. M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化周期蛋白的降解：泛素化降解途径参与的因子：泛素；E1；E2；E3（后期促进复合物，APC）；26S蛋白酶体。中期当MPF活性达到最高

8、时，激活后期促进复合物（APC），通过泛素化途径降解cyclin B，完成细胞周期。分裂期周期蛋白N端具有降解盒。泛素由76个氨基酸组成，高度保守。共价结合泛素的蛋白能被蛋白酶体识别和降解，是细胞内短寿命蛋白和异常蛋白降解的普遍途径。泛素化标记是细胞内蛋白降解的重要途径。Destruction Box in CyclinsThe auxin-receptor TIR1 is a component of the SCF ubiquitin ligase complex SCFTIR1CUL1SKP1F-box TIR1 proteinF-box TIR1 auxin receptorSCF c

9、omplexSCF ubiquitin ligase complex(Named for SKP1, CUL1 and F-box proteins)以植物生长素（以植物生长素（IAAIAA）受体介导的泛素化降解为例）受体介导的泛素化降解为例Ubiquitin ligase complexes ubiquitinate target proteinsUbiquitin by RogerdoddThe F-box protein recognizes and binds to the target protein. The complex then transfers ubiquitin pro

10、teins to the target.CUL1SKP1TargetTargetUbiquitinProteolytic targets are covalently linked to ubiquitinUbiquitinUbiquitin is a small (76 aa) protein that targets proteins for proteolytic cleavage.Ubiquitin by RogerdoddTargetUbiquitinated targets are proteolyzed by the 26S proteasome26S proteasomeThe

11、 proteasome breaks down target proteins and recycles ubiquitin.Target26S蛋白酶体是大型的蛋白酶，可将泛素化的蛋白质分解成短肽。Breast Epithelial Tumor Cell第二节第二节 癌细胞癌细胞肿瘤是细胞在基因水平上失去对生长的调控，导致异常增生。良性肿瘤：生长缓慢，边界明显。恶性肿瘤：即癌症，生长快、具有迁移性。肿瘤由实质和间质构成，实质是肿瘤细胞，间质由结缔组织和血管组成。 I I 癌细胞的主要特征metastatic lung tumor in liver一、癌细胞的形态特征核质比显著高于正常细胞，可达

12、1:1；出现巨核、双核或多核，染色体呈非整倍体；线粒体多型性、肿胀、增生；细胞骨架紊乱；细胞表面特征改变，产生肿瘤相关抗原。 二、生理特征细胞周期失控；迁移性；接触抑制丧失，可悬浮培养；定着依赖性丧失；去分化现象；对生长因子需要量降低；代谢旺盛；线粒体功能障碍；可移植性。IIII 肿瘤形成的内因恶性肿瘤的形成涉及多个基因的改变。一、原癌基因(oncogene)是促进细胞增殖的基因，进化上高度保守。原癌基因的结构或调控区发生变异，产物活性增强或增多时，使细胞过度增殖，形成肿瘤。1. 生长因子2. 生长因子受体3. 信号转导组分4. 细胞周期蛋白5. 细胞凋亡调节蛋白6. 转录因子7. DNA修复

13、蛋白原癌基因的类型二、抑癌基因抑癌基因：抑制增殖和迁移；促进分化。基因的产物主要包括：转录调节因子：如Rb、p53；负调控转录因子：如WT；周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI），如p21； ras GTP酶活化蛋白：如NF-1；DNA修复因子：如BRCA1、BRCA2；磷脂酶：如PTEN；细胞粘附分子：如DCC。抑癌基因的类型三、原癌基因的激活基因本身或其调控区发生变异，导致基因的过表达，或产物蛋白活性增强，使细胞过度增殖，形成肿瘤。主要类型：点突变、基因扩增、基因重排、病毒插入。1. 点突变：ras基因家族，如膀胱癌中的c-Ha-ras基因仅有一个核苷酸的变异。2. 基因扩增：存在于某些造血

14、系统恶性肿瘤中，如前髓细胞性白血病中，c-myc扩增832倍。Myc基因扩增形成双微体（黄色）的核型 Myc基因扩增形成均染区（黄色）的核型 3. DNA重排：染色体的易位，使原癌基因处于活跃转录基因强启动子的下游，将产生过度表达，如Burkitt淋巴瘤。4. 插入激活：某些不含v-onc的弱转化逆转录病毒，具有冗长末端重复序列(LTR)，含有启动子、增强子，插入基因组后引起下游基因过表达。Pathway leading to cancerIIIIII 肿瘤形成的外因致癌物分为：化学、生物和物理三类。根据在致癌过程中的作用，又可分为；启动剂：能DNA变异。促进剂：本身不诱发肿瘤，但有促进作用。

15、如糖精、苯巴比妥。完全致癌物：兼具启动和促进两种作用。一、化学致癌物亚硝胺类，引起消化系统肿瘤；多环芳香烃类，如苯并芘。芳香胺类，乙萘胺、诱发泌尿系统的癌症；烷化剂类，芥子气、环磷酰胺；氨基偶氮类，奶油黄，可引起肝癌；碱基类似物，如5-溴尿嘧啶、5-氟尿嘧啶；氯乙烯，与塑料工人的肝血管肉瘤有关。元素，如铬、镍、砷。化学致癌物的作用机理：可与 DNA、RNA、蛋白质等生物大分子中的亲核基团发生作用，引起碱基颠换、缺失，DNA交联、断裂，染色体畸变等。引起细胞中胞嘧啶的甲基化水平降低。二、生物性致癌因素（一）肿瘤病毒逆转录病毒，如：HTLV、ATLV、HIV、RSV；乙型肝炎病毒（HBV）：原发性肝癌。 人乳头瘤状病毒（HPV）：生殖道肿瘤。EpsteinBars病毒（EBV）；与儿童的 Bu