细胞生物学细胞周期调控

1、关于细胞生物学-细胞周期的调控第一张，PPT共五十三页，创作于2022年6月第二节 细胞周期的调控 MPF的发现及其作用 细胞周期运转的调控第二张，PPT共五十三页，创作于2022年6月一、MPF的发现及其作用1 Rao和Johnson(1970、1972、1974) 以Hela细胞为材料，发现M期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子，即促细胞分裂因子(mitosis- promoting factor ，MPF)第三张，PPT共五十三页，创作于2022年6月-使间期细胞出现类似于有丝分裂期的形态变化：染色质凝集，核被膜破裂及核仁消失，将这种现象叫做染色体超前凝集(premature chr

2、omosome condensation)。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。结果-第四张，PPT共五十三页，创作于2022年6月Meaning? M期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子，即细胞分裂促进因子(mitosis- promoting factor ，MPF)。人M期细胞与袋鼠（Ptk）G1、S、G2期细胞融合诱导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。第五张，PPT共五十三页，创作于2022年6月非洲爪蟾卵细胞发育过程分为六个阶段、和期。前四个时期为卵母细胞生成和生长阶段。其中第期时细胞核较

3、大，称为生发泡(germinal vesicle,GV)，此时细胞就停留在该时期，等待成熟。卵细胞提取物注射实验2 促成熟因子MPF （maturation promoting factor） 第六张，PPT共五十三页，创作于2022年6月1971年，Masui和Markert在体外用孕酮诱导非洲爪蟾的卵母细胞成熟第七张，PPT共五十三页，创作于2022年6月Meaning? ：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，即促成熟因子MPF （maturation promoting factor） 。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。第八张，P

4、PT共五十三页，创作于2022年6月1988年Maller实验室的 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。3 MPF的纯化第九张，PPT共五十三页，创作于2022年6月4 细胞周期基因的发现 Leland Hartwell 七十年代初，美国西雅图的华盛顿大学 Leland Hartwell， 以芽殖酵母为实验材料，利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株，分离出了几十个与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene，cdc)。他发现的一群基因，成为八十年代和九十年代人们研究细胞周期的主要对象。如芽殖

5、酵母的cdc28基因，在G2/M转换点发挥重要的功能。第十张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 也在七十年代 ，英国牛津大学的 Paul Nurse ，用另外一种酵母裂殖酵母为实验材料，同样发现了许多细胞周期调控基因，如 ：裂殖酵母cdc2 ；通过对它们的分子生物学和生物化学研究，进一步的研究发现cdc2和cdc28的都编码一个34KD的蛋白激酶。这个酶的激活和失活调控细胞周期运转，特别是G2/M期转变。但研究者很快发现， p34cdc28 或p34cdc2单独并不具有激酶活性，需要同相关蛋白结合后才具有活性（如p34cdc2和蛋白p56cdc13结合）。第十一张，PPT共五十三页，创作

6、于2022年6月Paul Nurse和美国科罗拉多大学的Maller合作证明（1990）证明P32实际上是CDC2的同源物。第十二张，PPT共五十三页，创作于2022年6月13 1983年Timothy Hunt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，在下一个周期中又重复这一消长现象，故命名为周期素或周期蛋白cyclin 。随后cyclin很快被分离和克隆出来，证明其广泛存在于从酵母到人类等各种真核生物中，而且在功能上存在互补性。5 细胞周期蛋白 (cyclin)的发现第十三张，PPT共五十三页，创作于

7、2022年6月Tim Hunt和Maller合作证明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。Paul Nurse (human-yeast genes); Tim Hunt (cyclin)第十四张，PPT共五十三页，创作于2022年6月催化亚基活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,Cdks);调节亚基：周期蛋白(cyclin)。MPF的结构组成由两个不同的亚基组成的异质二聚体:第十五张，PPT共五十三页，创作于2022年6月Leland H. Hartwell R. Timothy

8、(Tim) Hunt 2001年诺贝尔生理学与医学奖授予了美国科学家Leland Hartwell和英国科学家蒂Tim Hunt 、 Paul Nurse ，以表彰他们发现了细胞周期的关键调节机制。第十六张，PPT共五十三页，创作于2022年6月三、周期蛋白 自发现周期蛋白后，在不长的时间里有数十种周期蛋白被克隆和分离。如酵母的Cln1,Cln2,Clin3,Clb1-Clb6，在脊椎动物的A1-2、B1-3 、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等。周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合.M期G1期第十七张，PPT共五十三页，创作于2022年6月cyclin box：各类周期蛋白均含有一段约1

9、00个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白盒(cyclin box)，介导周期蛋白与CDK(cyclindependent kinase)结合。 Cyclin也含有降解盒（destruction box）或PEST（脯氨酸谷氨酸丝氨酸苏氨酸）序列，它可以通过定时降解或恒定地迅速周转来调节这些蛋白质的水平，起着CDK的调节亚基的作用。第十八张，PPT共五十三页，创作于2022年6月已知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4类：G1型、G1/S型、S型、M型。不同类型的CDK/cyclin复合体第十九张，PPT共五十三页，创作于2022年6月不同周期

10、蛋白的表达时期不同，与不同的CDK结合，调节不同CDK激酶的活性。 部分哺乳动物和酵母细胞周期蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK激酶活性的关系。第二十张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 周期蛋白依赖性激酶(cyclin dependent kinase)是指与周期蛋白结合才具有酶活性的激酶类。现已发现10余种。 在细胞周期中，CDK的表达量相对恒定，但以非活性的形式存在，在细胞周期特定的时间与周期蛋白特异地结合，一种CDK能与多种cyclin结合，以复合体的形式发挥作用。 四、CDK激酶和CDK激酶抑制物第二十一张，PPT共五十三页，创作于2022年6月CDKs是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白

11、激酶，称为CDK19。第二十二张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 各种CDK分子在进化上高度保守，都含有一段类似的CDK激酶结构域，其中一段PSTAIRE的序列相当保守，与周期蛋白的结合有关。另外，都有多个磷酸化位点，位点的磷酸化与激酶的活性有关。第二十三张，PPT共五十三页，创作于2022年6月这类蛋白激酶常以磷酸化的形式直接作用于细胞周期，包括DNA合成的启动和终止，核膜、核仁的崩解和重新形成，核纤层的降解和重新聚合，纺缍体的形成和消失等。它们可根据作用的时期不同分为G1、G1/S、S期CDK，及M期CDK。第二十四张，PPT共五十三页，创作于2022年6月第二十五张，PPT共五十

12、三页，创作于2022年6月时 相 蛋白激酶 周期蛋白 G2M Cdk1 周期蛋白A，B G1S Cdk2 周期蛋白E S Cdk2 周期蛋白A ? Cdk3 ? G1 Cdk4 周期蛋白D1，D2，D3 G1 Cdk5 周期蛋白D1，D2，D3 G1 Cdk6 周期蛋白D1，D2，D3 哺乳动物细胞周期蛋白与周期蛋白依赖性蛋白激酶第二十六张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 CDK催化活性的激活： CDK与周期蛋白结合 保守苏氨酸残基磷酸化修饰 CDK催化活性的抑制： N-端氨基酸残基的抑制性磷酸化 抑制蛋白与其结合(是主要的抑制性调节) CDK的催化活性受到激活因素与抑制因素两方面的调

13、节。CDK的调节物包括：cyclin、CKI、CDK调节分子、CAK和磷酸酶等。CDK的活性调节第二十七张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 细胞中还具有细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CDKinhibitor，CDKI）对细胞周期起负调控作用，目前发现的CDKI分为两大家族： Ink4(Inhibitor of cdk 4)，如:P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，能专一性的与CDK4和CDK6结合，并阻止其与周期蛋白的结合反应，从而特异地抑制CDK4-cyclin D1、CDK6-cyclin D1复合物的活性，使细胞停留于G1期。 细胞周期蛋白依

14、赖性激酶抑制因子第二十八张，PPT共五十三页，创作于2022年6月P27Cdk inhibitor proteins(CKIs)P27能与几乎所有的cyclin-CDK复合物结合，抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留于G1期。其作用机制是抑制cyclin H-CDK7等CAK的活性。 CIP/Kip(Kinase inhibition protein)：包括P21cip/waf1 (cyclin inhibition protein 1)、P27kip1(kinase inhibition protein 1)、P57kip2等，能抑制大多数CDK的激酶活性，第二十九张，PPT共五十三页，创作于20

15、22年6月二、细胞周期运转调控 CDK激酶对细胞周期起着核心性的调控作用。不同种类的周期蛋白和不同种类的CDK结合,构成不同的CDK激酶。不同的CDK激酶在细胞周期的不同时期表现出活性,因而对细胞周期的不同时期进行调节。 第三十张，PPT共五十三页，创作于2022年6月Cdk associates successively with different cyclins to trigger the different events of the cycle.Cdk activity is usually terminated by cyclin degradation.酵母细胞周期的调控第三十

16、一张，PPT共五十三页，创作于2022年6月哺乳动物细胞周期的调控 哺乳动物的细胞周期受一个小型Cdks家族的调节。在哺乳动物细胞周期中起作用的Cdks, Cdk1、Cdk2 、Cdk3等。哺乳动物细胞中也能表达多种周期蛋白:周期蛋白A 、B、D和E。第三十二张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 细胞在生长因子的刺激下，G1期cyclin D表达，并与CDK4、CDK6结合（一）细胞周期的启动G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK激酶细胞由G1向S期转化受G1期周期蛋白依赖性激酶所控制： G1期激酶：CDK4、CDK6 G1期周期蛋白：cyclin D, E。cyclin D 的合成

17、对细胞生长因子有强烈的依赖性第三十三张，PPT共五十三页，创作于2022年6月第三十四张，PPT共五十三页，创作于2022年6月Rb是G1/S期转化的负性调控因子,在G1晚期通过磷酸化而失活 Rb蛋白磷酸化与之结合的转录因子（E2F）释放S期所需的基因转录的阻断被解除细胞进入S期；使P-Rb被磷酸化而失活，释放出转录因子E2F， E2F进入细胞核内，使促进G1期转入S期所需的调控基因开始转录。当细胞进入S期后，cyclin D被磷酸化后泛素化途径降解。第三十五张，PPT共五十三页，创作于2022年6月第三十六张，PPT共五十三页，创作于2022年6月周期蛋白E与CDK2结合，使之激活,使与RB

18、 类似的蛋白质底物p107 磷酸化而解除其对E2F的抑制作用，促进细胞通过G1/S限制点而进入S期。周期蛋白E在G1晚期表达,进入S期后降解.第三十七张，PPT共五十三页，创作于2022年6月第三十八张，PPT共五十三页，创作于2022年6月周期蛋白在CDK1激酶活性调节中的作用（二） G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用 在G2-M期，cyclin B在细胞周期G2的中晚期逐渐积累，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化(如组蛋白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)，使得细胞进入M期。第三十九张，PPT共五十三页，创

19、作于2022年6月CDK1激酶的激活促进细胞进入分裂期 在S期, Weel1活性高， 可以促进Thr14和Tyr15的磷酸化，Cdc25活性低。 在期Cdc25活性增强，促进Thr14和Tyr15的去磷酸化CAK=CDK1-Activiting Kinase第四十张，PPT共五十三页，创作于2022年6月细胞中CDK1激酶的活性受到多种因素的调控第四十一张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 CDK1激酶催化不同的底物（主要是磷酸化丝氨酸和苏氨酸），参与细胞的多种功能。第四十二张，PPT共五十三页，创作于2022年6月cyclinB/A与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H

20、1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第四十三张，PPT共五十三页，创作于2022年6月（三） M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化 细胞周期运转到中期后，M期周期蛋白A和B降解，CDK1激酶活性丧失，蛋白去磷酸化，由中期向后期转化。 Cycling A和Cyclin B都是经依赖APC泛素化途径所降解。第四十四张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 M期周期蛋白N端有破坏框。在中期当MPF活性达到最高时，通过一种未知的途径，激活泛素酶复合物，将泛素连接在M期周期蛋白上，导致其被蛋白酶体降解.第四十五张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 泛素(Ubiqu

21、itin)是由76个氨基酸组成的一种小蛋白，高度保守，普遍存在于真核细胞，故名泛素。其主要功能是标记需要降解掉的蛋白质，使其被水解。 蛋白质的泛素化主要发生在赖氨酸残基的侧链，且通常是多泛素化。结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别进而被降解，泛素相当于蛋白质被降解的标签。 26S蛋白酶体(proteasome)是一个由70 多个亚基组成的大型复合分子，分子量接近2,000 KD，可识别泛素化的蛋白质，并将其降解成短肽。 泛素-蛋白酶体途径第四十六张，PPT共五十三页，创作于2022年6月 需要被蛋白酶体降解的蛋白质会先被连接上泛素作为标记，这一过程是一个三酶级联反应。 泛素活化酶E1(ubiqui

22、tin activating enzyme) 泛素结合酶E2 (ubiquitin conjugating enzyme) 泛素连接酶E3 (ubiquitin-protein ligase)，也称底物识别因子 (substrate recognition factor)。蛋白分子泛素化 由于蛋白酶体识别泛素化的蛋白并将其降解是一个非特异性的进程，因此，E3在整个蛋白质的降解过程中发挥了至关重要的作用，决定了反应的特异性。第四十七张，PPT共五十三页，创作于2022年6月1.泛素的羧基端通过与泛素激活酶(E1) 的半胱氨酸残基形成硫酯键而激活。2.泛素从E1转移到泛素结合酶(E2) 的半胱氨酸残基。3.E2和泛素连接酶(E3)一起将泛素转移到底物蛋白的赖氨酸残基, 在那里进行泛素的聚合化,最后作为蛋白酶体的降解底物