细胞生物学论文

1、细胞周期调控研究进展生命科学学院2011级3班罗杰 2011090334摘要：细胞周期是指正常连续分裂的细胞从前一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂完成所经历的连续动态过程，也是多阶段、多因子参与的精确而有序的调控过程，可分为5期：即G0期(Gap1，静息期)、G1期(Gapt，DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)、M期(Mitosis，有丝分裂期)，有两个主要限制点，即G1S限制点(控制细胞从G1期进入S期，能防止受损的碱基复制，修复染色体中的突变);G2M限制点(细胞一分为二的控制点，能使细胞在进入分裂期之前修复已复制好的DNA上出现的损伤)。通过限制点后，即使刺激

2、信号被去除,细胞仍然会开始DNA复制。在哺乳动物细胞周期的运行中需有许多酶的参与，但是其中最核心的酶是由一组作为催化亚基的周期蛋白依赖激酶(CDKs)和一组作为调节亚基的周期蛋白(Cyclins)组成的杂二聚复合体 。关键词：细胞周期、CDKs、周期蛋白、调控一、细胞周期的相关物质1 CDKs根据发现的次序命名为CDK18。裂殖酵母的cdc2蛋白是第一个被发现的CDK，因此亦称为CDKl。CDKs和Cyclins二者的组合有一定的专一性和周期时期分布性。尤其Cyclins在周期中有严格时期依赖性的表达顺序，在一定的时期中达到高峰，结合相应的CDKs呈现最大的酶活性，专一性磷酸化相应的靶底物，推

3、动细胞周期运行。2 、Cyclins目前研究较多的Cyclins有CyclinA、B、D、E、H等，它们都是一个相关基因家族产生的功能类似的同源蛋白，其中CyclinD又分为Dl、D2、D3，CyclinB又分为Bl、B2。CyclinD的表达完全依赖于生长因子，故自G1早期表达后，水平持续整个周期而其它Cyclin都是后成促进的，如CyclinE的高峰在G1S限制点,进入S期即被泛素分解。CyclinA在G1晚期表达,持续到G2期末迅速被分解。CyclinB表达于G1初期，在G2M限制点达高峰，在M期末被泛素化分解去除。3、 CKI及其作用CKI根据其抑制对象的不同可分为两个大类：一类为KI

4、P，其作用是抑制大多数CDK2/Cyclin的磷酸化激酶活性；另一类为INK4，特异性抑制CDK4/CyclinD1、CDK6/CyclinD1的磷酸化激酶活性。4、KIP细胞周期抑制蛋白KIP包括p21cip1、p27kip1和p57kip2。KIP羧基末端区域不但有各不相同的功能区，还具有核定位信号。p21cip1、p27kip1通过量的方式调节细胞周期及细胞分化。p57kip2只在部分组织及细胞中表达，特别是在末端分化细胞中的高表达使细胞停滞于G1期。二、细胞周期的调控途径、机制Cyclin、CDK、CKI对细胞周期的调控主要通过pRb为主的网络途径、p53为主的途径来实现。以pRb为主

5、的网络调控机制 :pRb是从遗传性视网膜母细胞瘤中发现的一种能抑制癌基因的蛋白质，它是G1S调控点的中心成分，主要由于它能共同限制G1期的Cyclin/CDK复合物介导的磷酸化作用。以pRb为中心的网络调控方式是Cyclin/CDK复合物调控途径、CAK调控途径、CKI调控途径共同对pRb进行调节。CKI通过抑CDK或Cyclin/CDK的活性来达到抑制细胞增殖的目的。以p53为主的调控机制: p53调控机制的发现得益于Kuerbitz的研究，他用突变型p53和野生型p53做实验，当对只含有前者的细胞辐射刺激时，发现细胞并不停滞于G1期，而能进入S期，而后者被导入细胞后却停在G1期。1、磷酸化

6、对CDKs活性的调节以往认为相应的CyelinsCDKs组成的全酶，即具有活性，但目前认为它仅是一个完整的复合体，还必须在CDKs分子上ATP结合点附近的一个保守的苏氨酸被磷酸化后。才呈现充足的活性，这是由上游的CDK激活激酶(CAK，即CDK7CyclinH)催化，再经CAK激活激酶(CAKAK)将CDK7的Thr176磷酸化激活。另外,CDKs的磷酸化可被双功能激酶Weel催化CDK4/6的Tyr17、Thr14；CDK1、CDK2的Tyr15、Thrl4双重磷酸化失活,但是这种抑制性磷酸化可由cdc25族(含有A、B、C 3个成员)双功能磷酸酯酶除去磷酸化复活。Cdc25族本身亦是活化的

7、CyclinsCDKs的磷酸化靶底物，并被磷酸化后更增强其磷酸酯酶活性，故cdc25与CyclinsCDKs之间形成一个正反馈环，快速促使CyclinsCDKs活性达到生理性高峰。但是，cdc25族不同成员与不同Cyc-linsCDKs之间有一定特异性，如cdc25a表达峰值在G1一G2期，故可激活CyclinDCDK4.6和CyclinA、ECDK2而分别激活核内、外的CyclinBCDK1。特别是cdc25 c与极体样激酶(PLK)共同参与，形成由CyclinBCDKl一PLKcdc25 cCyclinBCDK，组成的，只存在于细胞分裂期的正反馈环。研究表明cdc25经PLK磷酸化激活必须

8、在多肽脯氨酰基顺反同分异构酶(Pinl)催化下生成反型同分异构体后活性稳定。持续激活CDKl活性。2、CDKs抑制剂的调控作用CDKs抑制剂(CKIs)在哺乳类细胞中普遍存在有7种，可分为2大类：CDK4抑制剂(INK4):该类蛋白质的氨基末端具有与CyclinD1的周期蛋白盒编码区同源的区域及由4个回钩状重叠组成的二级结构，因此能与CyclinD1竞争性结合CDK4CDK6，抑制其对pRb的磷酸化作用，使游离的E2F_1与未磷酸化的pRb结合，从而使依赖于E2F-1转录的基因不能转录，因此间接地抑制包括DNA合成在内的多种生化反应，抑制细胞周期进展。周期蛋白周期蛋白激酶抑制蛋白(CIPKIP

9、): p27主要通过与CDK或CyclinCDK复合物亚单位的结合，使CAK不能与CDK直接发生作用，从而阻断了CAK诱导CDK。Thr172和CDK2 Thr160的磷酸化过程，使CDK处于非活性状态。如高表达结合CyclinECDK2则阻止周期于G1期。p21不同区域对应于不同的靶位，其N端结合并抑制CyclinCDK，而C段则结合并抑制PCNA，从而抑制DNA复制。p57则只在部分组织和细胞中表达，尤其是在终末分化细胞中高表达，它能抑制多种CyclinCDK的活性，使细胞停滞于G1期。3、CyclinDCDK与CKI蛋白Cyclin DCDK与INK4蛋白:细胞周期蛋白-激酶抑制因子(C

10、KI)分为INK家族和CIPKIP家族两类。INK家族包括p15(INK4b)，p16(INK4a)，p18(INK4c)和p19(INK4d)，能识别CDK4和CDK6。其中p16具有明显的肿瘤抑制作用。p16基因也称肿瘤抑制基因(CDKN2基因)(又名MTSl，COK4I)，是G1S检测点的另一个重要的相关基因，定位于人染色体9p21。所编码的P16蛋白为cyclin DCDK激酶的抑制因子，是一个重要的细胞周期调节物。真核细胞周期的进行由一系列CDKs调节，cyclin DCDK4，6主要调控G1期的进展。细胞生长的正常调节需要CDK的活化物细胞周期蛋白与抑制物如P16蛋白的共同存在，以

11、保持平衡。P16蛋白通过与cyclin D竞争，特异性地与CDK4，6催化亚基结合，从而负性调节酶复合物的形成及cyclin D的催化活性，使RB蛋白不能被磷酸化，保持活性状态。这样，就形成了一个由cyclinD1-CDK4-P16系统构成的反馈环路。去掉P16蛋白对cyclin DCDK4的抑制作用，将使细胞异常增生，导致肿瘤的发生。细胞周期的G1期需要cyclin DCDK4，6对pRb的磷酸化，而cyclin DCDK4，6的活性能被CDK抑制剂p16(INK4a)特异地抑制，但对于CDK6一cyclinD3复合物却不同。研究表明，在胚胎干细胞(Es细胞)中，CDK6是cyclin D3

12、的主要接触伙伴并表现出强大的pRb激酶活性而使细胞增殖，但CDK抑制剂p16不能抑制CDK6一cyclin D3复合物的活性。Cyclin DCDK与CIPKIP蛋白 :CIPKIP是CKIs的第二个家族。这一家族的蛋白都有一个N端的CDK抑制性功能域。已发现CIPKIP对cyclin DCDK4，6起正性调节作用，但对cyclin ECDK2起负性调节作用，CIPKIP蛋白的减少可促进cyclin ECDK2复合物的活性，使E2F释放而促进细胞进入s期。CIPKIP通过指导cyclin DCDK复合物的核内合成并提高其稳定性而对其发挥正性调控作用。Cheng等观察到，在敲除p21和p27的小

13、鼠中，其纤维原细胞(MEF)cyclin D1D2-CDK4复合物的组装减弱，即使增加cyclin D1也不能恢复复合物的形成，cyclin D停留在细胞浆中不能进入胞核发挥作用，未组装的cyclin D的半衰期也由从25 min显著下降到10 min。而这两个缺陷都能由再引入p21和p27得到解决。p21首先与cyclin Dl结合，然后与CDK4接触以稳定此复合物，但不引起抑制，它可使cyclin Dcdk4复合物增加，且以三重复合物的形式稳定此复合物。而Tapan等却发现，在敲除p21和p27的小鼠中，如果提高其MEF的cyclin D丰度，也能够增加cyclin DCDk复合物的丰度，

14、并证明cyclin DCDK4复合物的组装并不需要p27和p21，含有p27和p21的cyclin DCDK4复合物没有活性。Cyclin DCDK4复合物与p27和p21结合后虽更稳定，但p27和p21在使cyclin DCDK4复合物积聚的同时也抑制了该复合物的活性。4、 Cyclin D与疾病Cyclin D与肿瘤:在已知的细胞周期蛋白中，与肿瘤关系最密切的是cyclin D。Hinds等于1994年证实了cyclin D1基因有致癌作用。应用免疫组织化学检测细胞周期蛋白D1，可发现cyclin D1在多种肿瘤组织中均有过度表达，其中包括乳腺癌、食管癌、原发性肝癌等。在大多数癌症发生中常

15、见pRbcyclin Dp16(INK4)通路的失调，提示抑制cyclin DCDK的活性也许是一种治疗癌症的有价值的方法。Fry等研究发现，CDK4-cyclin D1抑制剂可抑制DNA合成而引起G1期阻滞，还能阻断肿瘤细胞的pRb蛋白磷酸化，从而抑制细胞增殖，起到抗肿瘤作用。一般认为，癌变的重要原因是细胞周期失控，造成具有促增殖活性的CDK过度表达，产生细胞增殖失控而导致癌变。D型cyclin(D1，D2，D3)是细胞循环的核心成分，cyclin D的致癌作用主要表现在协同CDK对Rb蛋白磷酸化。为证明cyclin D1在人鼻咽癌(NPC)细胞系中的表达和作用，Zhao等采用Western

16、 blot技术分析cyclin D1的表达，并用免疫印迹分析NPC细胞，发现存在cyclin D1，2，3的表达，且发现cyclin D1的过表达可导致G1S控制点的失调，而抑制cyclin D1的表达可抑制细胞进人s期的进程。这表明cyclin D1可调节鼻咽癌细胞系G1期的进程，在鼻咽癌中起着重要作用。Cyclin D与心肌肥大 :D型蛋白是一种重要的心肌肥大调节因子。心肌肥大由许多刺激因素引起，且能导致心肌病和心衰。心肌肥大主要表现为心肌数目的增加，它由许多信号通路调节，而细胞周期蛋白D在其中起着关键作用。在正常的心肌细胞中，D型蛋白呈低水平表达。在心肌肥大生长期间，D型蛋白水平和相应的

17、激酶的活性均相应上调。Cyclin D可激活CDK46促进细胞周期的进程，这对于心衰和心肌肥大也是一个很好的治疗靶点。5、 细胞周期调控的影响因素细胞周期蛋白: Cyclins周期性产生和降解维持着细胞周期正常运行。研究表明泛素蛋白酶体系（泛素激活酶和泛素连接酶）对那些调控细胞周期的蛋白质程序性降解具有重要作用。泛素连接酶靶底物高度专一性，使其种类很多且多为复合体。细胞因子:生长因子是一种细胞因子，如果它对G1早期阶段细胞没有作用，那么该时期细胞产生的Cyclin、CDK会被降解，同时抑制其它蛋白质的合成，从而进入一个静息的状态，即G0期；如果他作用于G0期的细胞，就会使处于静息期的细胞重新恢

18、复到细胞周期。 细胞内信使:cAMP和cGMP是多种激素的细胞内的第二信使。cAMP对细胞的增殖具有负调控作用，因为只要细胞内cAMP含量下降，细胞内DNA的合成及分裂就会受到促进；如果细胞内cAMP含量上升，情况则相反。三、细胞周期的质控：细胞周期检查点到目前为止，DNA 损伤检查点和纺锤体组装检查点机制已被部分阐明。已知DNA 损伤后，激活了相应的检查点机制，使细胞周期进程延缓或停滞，目的是修复损伤的DNA。细胞周期检查点主要在4 个时期发挥作用：(1)G1/S 期检查点，在酵母中称Start 点，在哺乳动物中称Restriction point；(2)S 期检查点；(3)G2/M 期检查

19、点；(4)中/ 后期检查点，又称纺锤体组装检查点。在G1/S 检查点，DNA 损伤引起p53 依赖的周期阻滞。正常细胞内p53 的水平通常很低，DNA损伤刺激引起p53 的表达和活性迅速升高。p53 可引起多种基因转录，如p21、Mdm2 和Bax。如前所述，p2 1 是一种细胞周期抑制蛋白，通过抑制CDKs 导致细胞周期阻滞，阻止损伤DNA 的复制。Mdm2的作用是通过负反馈环调节p53蛋白水平，它可以结合并抑制p53 的转录活性，有利于其通过泛素依赖的蛋白水解途径降解。其他蛋白，如p 1 9（ARF)蛋白，由ARF-INK4 所编码，可与Mdm2 结合，阻止Mdm2 介导的p53 蛋白水解

20、作用；但细胞严重受损，损伤的DNA 无法修复时，p53 通过激活某些基因的转录，如Bax、Fas 和参与氧化应激反应的相关基因，诱导细胞凋亡。有些蛋白激酶可以识别DNA损伤，如ATM和ATR，DNA 损伤后它们能够磷酸化p53，进而引起p21 表达升高，至少在G1/S 检查点延缓了细胞周期的进程。DNA-PK 是一种与ATM和ATR有关的双链DNA 断裂修复酶，但是否在G1/S 检查点中发挥作用目前仍不清楚。S期DNA损伤的检查点机制尚不明确，但研究表明，DNA链复制的起始和延长过程都可以受到抑制，也有研究显示，S期阻滞需要ATM介导的NBS1的磷酸化作用。当DNA 损伤出现在G2 期时，引起

21、细胞周期阻滞，此作用可以不依赖于p53 蛋白。细胞可以通过抑制CDK1 的脱磷酸化作用，使其处于抑制状态；或者通过将CDK1-cyclinB1 复合物滞留在胞浆中，使其不能进入细胞核发挥作用，故阻止细胞进入有丝分裂期。Chk1和Chk2对于上述作用的实现至关重要。Chk1/2 是DNA 损伤后，以ATM 依赖的方式被激活的，可磷酸化Cdc25，使Cdc25 的自身活性被抑制，加速了它与14-3-3 蛋白的结合，复合物定位于胞浆中，所以阻止了CDK1-cyclinB复合物的激活和有丝分裂的进行。除了CDKs 的磷酸化抑制作用外，p53 也可以在G2/M检查点的调节中发挥作用。DNA 损伤后，p5

22、3 表达增强，引起p21和14-3-3表达上调，周期素B与14-3-3结合增强，周期素进入核内受阻。另外，p53通过诱导表达Gadd45 周期阻滞和DNA 损伤诱导因子，加速CDK1-cyclinB1 复合物分解。纺锤体组装检查点的作用是监测纺锤体形成过程中染色体不正确的组合，在有丝分裂中期引发周期阻滞，以阻止有丝分裂后期启动、胞质分裂和DNA 再复制，此现象最初是在出芽酵母中发现的。几种哺乳动物纺锤体检查点相关蛋白最近也被广为研究，如Mad 和Bub 蛋白在微管黏附作用缺陷时被激活，抑制有丝分裂后期启动复合物，阻止有丝分裂中后期的周期进展。进一步研究认为，胞质分裂是细胞分裂最后一步，可认为存

23、在检查点机制，称为胞质分裂检查点或收缩环检查点，主要控制向中央延伸的肌动蛋白环以及隔膜的形成和完整性，故可延缓细胞核分裂。在细胞动力学结构紊乱时，此检查点使细胞成为含2个G2期核周期阻滞的细胞，该现象在酵母和高等真核细胞系统均存在。参考文献（1）Tapan K，Bagui TK，Mohapatra S，et a1P27Kipl and p21Cipl are not required for the formation of active D eyclinedk4 complexesJMof Cell Binl，2003，23(20)：7285-7290（2）Fry DW，Bedford DC，Harvey PH，et