第三节 细胞周期的调控(Cell-Cycle Control)

1、第三节第三节 细胞周期的调控细胞周期的调控(Cell-(Cell-Cycle Control)Cycle Control)- MPF- MPF的发现及其作用的发现及其作用- p34- p34cdc2cdc2激酶的发现及其与激酶的发现及其与MPFMPF的关系的关系- - 周期蛋白周期蛋白 - - 细胞周期检验点细胞周期检验点(Cell CycleCheckpoint(Cell CycleCheckpoint) ) 细胞周期调控系统的主要作用细胞周期调控系统的主要作用 - - 在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶 和蛋白和蛋白 - - 确保每一时相事件的全部

2、完成确保每一时相事件的全部完成 - - 对外界环境因子起反应对外界环境因子起反应( (如多细胞生物对增殖如多细胞生物对增殖 信号的反应信号的反应) ) 细胞周期检验点细胞周期检验点(checkpoint)(checkpoint) 细胞周期检验点是细胞周期调控的一细胞周期检验点是细胞周期调控的一种机制种机制, ,主要是主要是确保周期每一时相事件的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细胞周期检验点及其作用 G1G1期检验点：期检验点： 芽殖酵母芽殖酵母StartStart； 动物细胞动物细胞Restriction P

3、ointRestriction Point哺乳动物细胞周期的控制哺乳动物细胞周期的控制 哺乳动物细胞周期的限制点（哺乳动物细胞周期的限制点（restriction pointrestriction point） - 哺乳动物细胞体外培养时，需要添加多肽生长因哺乳动物细胞体外培养时，需要添加多肽生长因子促进细胞的分裂；子促进细胞的分裂； - 如果缺少生长因子如果缺少生长因子, , 就会被阻止在就会被阻止在G G0 0阶段阶段, , 一旦一旦在培养基中添加了生长因子在培养基中添加了生长因子, , 这些细胞在这些细胞在14141616小时后通过细胞周期限制点；小时后通过细胞周期限制点； - 细胞一旦

4、通过了细胞一旦通过了G1G1期的某一点（限制点）期的某一点（限制点）, , 这些这些细胞就能够进入细胞就能够进入S S期并完成其后的细胞周期过程；期并完成其后的细胞周期过程； - - 由此推测由此推测, , 哺乳动物细胞周期的限制点相当于哺乳动物细胞周期的限制点相当于酵母的酵母的STARTSTART点。点。一一MPF的发现及其作用的发现及其作用(Maturation-promoting factor，Mitosis-promoting factor, M Phase-promoting factor ) MPF MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶；

5、 由由M M期期Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein kinasekinase) )形成的复合物。形成的复合物。MPF=CDK1=p34MPF=CDK1=p34cdc2cdc2+cyclinB+cyclinB 1970年年, Johnson 和和Rao将将Hela 细细胞同步化在细胞周期中的不同时期胞同步化在细胞周期中的不同时期, 然后然后将将M期期 细胞与其他间期细胞细胞与其他间期细胞(如袋鼠细胞如袋鼠细胞PtK)融合融合, 发现与发现与M期融合的间期细胞发期融合的间期细胞发生了形态各异

6、的染色体凝集生了形态各异的染色体凝集, 称为称为染色体染色体超前凝集超前凝集(premature chromosome condensation). MPF的发现的发现 人人M期细胞与袋鼠（期细胞与袋鼠（Ptk）G1、S、G2期细胞融合期细胞融合诱导诱导PCC：提示：提示M期细胞存在诱导期细胞存在诱导PCC的因子的因子(细胞细胞促分裂因子促分裂因子)； M期细胞中可能存在一种诱导染色体期细胞中可能存在一种诱导染色体凝集的因子凝集的因子, 称为称为细胞促分裂因子细胞促分裂因子(M phase-prometing factor). 1971年年, Masui和和Markert明确提出明确提出MPF

7、. 注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟卵细胞质中，含有卵母细胞成熟的因子，称做卵细胞质中，含有卵母细胞成熟的因子，称做MPF(成熟促进因子成熟促进因子) MPF 成熟促进因子成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF）,早期称为早期称为M-期促进因子期促进因子(M-phase promoting factor, MPF)，是指，是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子期细胞中存在的促进细胞分裂的因子 1988年年, Maller 实验室以非洲爪蟾卵为实验室以非洲爪蟾卵为原料原料, 分离获得了纯化的分离获得了纯化的MP

8、F, 并证明其主要并证明其主要含有含有 p32 和和p45两种蛋白两种蛋白. 具有具有蛋白激酶蛋白激酶活活性性. MPF的结构组成的结构组成 - 是由两个不同的亚基组成的异质二聚体是由两个不同的亚基组成的异质二聚体- 催化亚基催化亚基 是丝氨酸是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶苏氨酸型蛋白激酶 其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依赖性蛋白激酶赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,Cdks); - 调节亚基调节亚基：周期蛋白：周期蛋白(cyclin)。Genetic studies of S.pombe (裂殖酵母裂殖酵母

9、)酵母的细胞周期基因突变酵母的细胞周期基因突变- 温度敏感突变型温度敏感突变型, 可分成两类可分成两类- cdc突变突变 这类突变在非允许的温度下培养这类突变在非允许的温度下培养, 形成特别长的细胞形成特别长的细胞;- wee突变突变 这种突变长得特别小而不能分裂。这种突变长得特别小而不能分裂。裂殖酵母的裂殖酵母的MPF - 对突变体的研究发现对突变体的研究发现,没有没有Cdc2的活性的活性,细细胞不能进入有丝分裂胞不能进入有丝分裂 - 序列分析表明该基因编码一个相对分子质序列分析表明该基因编码一个相对分子质量为量为34kDa的蛋白的蛋白, 该蛋白又称为该蛋白又称为p34cdc2 蛋白蛋白；

10、- 研究发现酵母研究发现酵母Cdc2蛋白是一种蛋白激酶蛋白是一种蛋白激酶, 调节调节G2/M的转换的转换 芽殖酵母的芽殖酵母的Cdc28蛋白蛋白- Studies showed that S. cerevisiae cdc28 and S. pombe cdc2 are functionally homologous genes - 在在G2/M期转换中起重要作用期转换中起重要作用- 分子量也是分子量也是34KD, 称称p34cdc28- P34cdc28也是一种蛋白激酶也是一种蛋白激酶- 本身无激酶活性本身无激酶活性, 必须与有关蛋白结合后才必须与有关蛋白结合后才有激酶活性有激酶活性三三 周

11、期蛋白周期蛋白(cyclin(cyclin) ) - - 在细胞周期中呈周期性变化。在细胞周期中呈周期性变化。 - - 含有一段约含有一段约100100个氨基酸的保守序列，称为周期个氨基酸的保守序列，称为周期 蛋白框（蛋白框（cyclincyclin box box），介导周期蛋白与），介导周期蛋白与CDKCDK结合结合 - - 激活激活CDK，引导，引导CDK作用于不同底物作用于不同底物 - - 已知已知30余种，在脊椎动物中为余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3 、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等等 - - cyclin在细胞周期的不同时期表达，从而激活不同在细胞周期的不同时期表达

12、，从而激活不同 时期的时期的CDK激酶活性，表现为不同的调节功能激酶活性，表现为不同的调节功能 cyclin在细胞周期的不同时期表达在细胞周期的不同时期表达: G1期期cyclin：cyclinD G1/S期期cyclin：cyclinE S期期cyclin： cyclinA M期期cyclin：cyclinB（也包括（也包括cyclinA） M期期cyclin在在N端含有一段由端含有一段由9个个aa残基组成的残基组成的特殊序列，称为破坏框特殊序列，称为破坏框（destruction box），和泛），和泛素介导的素介导的cylinA、B的降解有关。的降解有关。G1期期cyclin在在C端端由

13、由PEST序列序列。有丝分裂的退出：周期蛋白有丝分裂的退出：周期蛋白B的降解的降解 - 细胞周期蛋白基因的细胞周期蛋白基因的cDNA分析分析 - N端破坏框端破坏框(destruction box) 真核生物细胞周期调控的一般模型真核生物细胞周期调控的一般模型 三类周期蛋白三类周期蛋白-CDK复合物复合物-G1期周期蛋白期周期蛋白-CDK复合物复合物 -S期周期蛋白期周期蛋白-CDK复合物复合物 -有丝分裂周期蛋白有丝分裂周期蛋白-CDK复合物复合物 三个关键的过渡三个关键的过渡 -G1期期S期期 -中期中期后期后期 -后期后期末期及胞质分裂期过渡末期及胞质分裂期过渡 Cyclin-CdkCy

14、clin-Cdk复合物的多样性复合物的多样性 Cyclin-CdkCyclin-Cdk-调控细胞周期的引擎：不同的调控细胞周期的引擎：不同的周期蛋白与不同的周期蛋白与不同的CDKCDK结合，构成不同的结合，构成不同的Cyclin-Cyclin-CdkCdk；不同的；不同的Cyclin-CdkCyclin-Cdk在不同的时相表现活性，在不同的时相表现活性，影响不同的下游事件。影响不同的下游事件。CDK激酶抑制物Cip/Kip 家族: p21Cip/WAF1, p27Kip1, p57Kip2 p21: 抑制G1期的CDK激酶（CDK2,3,4,6） 与PCNA结合,抑制DNA的复制 INK4家族：p16,p15,p18,p19 p16: 抑制 CDK4, CDK6激酶活性其他内在和外在因素在细胞周期调控中其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用的作用 癌基因 抑癌基因 P53、Rb细胞周期检验点细胞周期检验点 主要检验点包括主要检验点包括:G1/S检验点检验点:在酵母中称在酵母中称start点，在哺乳动物中点，在哺乳动物中称称R点点(restriction point)，控制细胞由静止状态，控制细胞由静止状态的的G1进入进入DNA合成期，相关的事件包括：合成期，相关的事件包括：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否是否损伤？细胞外环境是否适宜