真核细胞周期调控与肿瘤

关于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第2页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第3页,共91页，2024年2月25日，星期天4G1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。细胞分裂周期4个时相DNA合成前期DNA合成期DNA合成后期有丝分裂期

MphaseG01.PhasesofCellCycle第4页,共91页，2024年2月25日，星期天52.CharacteristicsofCell

CyclePhasesG1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。第5页,共91页，2024年2月25日，星期天6G2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。第6页,共91页，2024年2月25日，星期天73.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。

第7页,共91页，2024年2月25日，星期天8第8页,共91页，2024年2月25日，星期天94.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。第9页,共91页，2024年2月25日，星期天101.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、机体活细胞的分类第10页,共91页，2024年2月25日，星期天11第11页,共91页，2024年2月25日，星期天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:第12页,共91页，2024年2月25日，星期天131.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：①CIP/KIP(p21,p27,p57等):广泛抑制多种CDK的活性。②INK4家族(P15,p16,p18,p19等):特异性抑制作用。

第13页,共91页，2024年2月25日，星期天14CDK4/cyclinD->CDK2/cyclinE->CDK2/cyclinA->CDK1/CyclinB

第14页,共91页，2024年2月25日，星期天15第15页,共91页，2024年2月25日，星期天16第16页,共91页，2024年2月25日，星期天172001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。第17页,共91页，2024年2月25日，星期天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第18页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第19页,共91页，2024年2月25日，星期天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。

G1

SG2M

D-CDK4/6E-CDK2A-CDK2B-CDK1G1期运行S期启动G2期启动和进行M期启动和进行第20页,共91页，2024年2月25日，星期天21G1SG2M

prophasemetaphaseanaphasetelophaseCyclinDCDK4/6CyclinBCDK1CyclinACDK2CyclinECDK2Cyclins/CDKsinthedifferentphasesofcellcycle第21页,共91页，2024年2月25日，星期天22TheExpressionalLevelsofCyclinsduringCellCycle第22页,共91页，2024年2月25日，星期天23Cyclins的时相性起伏DEABCyclin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。第23页,共91页，2024年2月25日，星期天24TheRelationshipofCyclinExpressionalLevelswithDNAReplication第24页,共91页，2024年2月25日，星期天25100aa组成cyclinboxCyclin

-COOHH2N-cyclinCDKCyclin/CDKCombine催化亚基

CDK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)。第25页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第26页,共91页，2024年2月25日，星期天27周期素的家族成员第27页,共91页，2024年2月25日，星期天28Cyclins通过泛素-蛋白酶体途径降解第28页,共91页，2024年2月25日，星期天292.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。cyclinCDKCyclin/CDK第29页,共91页，2024年2月25日，星期天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第30页,共91页，2024年2月25日，星期天31脊椎动物的CDKCDK结合的相应cyclin作用的细胞周期CDK1CDK2

CDK3CDK4CDK5CDK6CDK7

CyclinA,BCyclinACyclinD1,D2,D3CyclinE

CyclinD1,D2,D3P35*,CyclinD1,D2,D3CyclinD1CyclinH,P36*G2/M转换；

M早期S期；G2期G1期G1/S转换G1期G0/G1转换、G1期神经纤维的磷酸化、G1期G0/G1转换活化CDK*P35，P36的结构与细胞周期蛋白无相似性第31页,共91页，2024年2月25日，星期天32CDK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。第32页,共91页，2024年2月25日，星期天33MolecularStructureofCDK2第33页,共91页，2024年2月25日，星期天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第34页,共91页，2024年2月25日，星期天35第35页,共91页，2024年2月25日，星期天36①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第36页,共91页，2024年2月25日，星期天37CyclinA-CDK2ComplexwithATPBound第37页,共91页，2024年2月25日，星期天38②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。第38页,共91页，2024年2月25日，星期天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）

第39页,共91页，2024年2月25日，星期天40ComplexofCDK7-CyclinH-MAT1

CyclinHCDK7MAT1第40页,共91页，2024年2月25日，星期天41CAKCDK的激活机制:CDKThr160/161磷酸化

CDK/Cyclin

cellcycle↑第41页,共91页，2024年2月25日，星期天42CDK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。

第42页,共91页，2024年2月25日，星期天43CDK启动cellcycle:CDK激活Cyclin与CDK结合CAK对CDKThr160/161的磷酸化CellcycleCDC25

对CDKThr14/Tyr15去磷酸化第43页,共91页，2024年2月25日，星期天44①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第44页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第45页,共91页，2024年2月25日，星期天46RegulationofCDKActivityCAK第46页,共91页，2024年2月25日，星期天47②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。第47页,共91页，2024年2月25日，星期天48P16INK4A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。第48页,共91页，2024年2月25日，星期天49

P16CDK4cyclinD1

一

Pcdk介导的磷酸化

RbRbP

一

G1

S

DNA转录第49页,共91页，2024年2月25日，星期天50P21WAF1/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。第50页,共91页，2024年2月25日，星期天51P27KIP1：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。第51页,共91页，2024年2月25日，星期天52p27-cyclin-cdkcomplex第52页,共91页，2024年2月25日，星期天53P53：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。第53页,共91页，2024年2月25日，星期天54FunctionofP53：第54页,共91页，2024年2月25日，星期天55第55页,共91页，2024年2月25日，星期天56第56页,共91页，2024年2月25日，星期天57PRb：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。第57页,共91页，2024年2月25日，星期天58Rb在细胞周期内的磷酸化

第58页,共91页，2024年2月25日，星期天59CyclinD与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F第59页,共91页，2024年2月25日，星期天60第60页,共91页，2024年2月25日，星期天61Figure.RegulationofRbandE2FactivitiesinlateG1.InteractionofE2FswithnonphosphorylatedRbproteininitiallyinhibitsE2Factivity.Whensignalingfrommitogensissustained,theresultinginitiatethephosphorylationofRb,convertingsomeE2Ftotheactiveform,whichactivatetargetgeneswhoseproductsareessentialforSphase.第61页,共91页，2024年2月25日，星期天62Rbfunctionislinkedtoothertumorsuppressors第62页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第63页,共91页，2024年2月25日，星期天643.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。第64页,共91页，2024年2月25日，星期天653.

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。

第65页,共91页，2024年2月25日，星期天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-β）：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。第66页,共91页，2024年2月25日，星期天67第67页,共91页，2024年2月25日，星期天68PRbE2FD-CDK4/6E2F磷酸化的RbEGF,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蛋白第68页,共91页，2024年2月25日，星期天第69页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第70页,共91页，2024年2月25日，星期天P53P16

介导抑制CDK4

p21CDK4

cyclinD1

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

G1

S

DNA转录第71页,共91页，2024年2月25日，星期天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。

第72页,共91页，2024年2月25日，星期天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:复制和分裂第73页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第74页,共91页，2024年2月25日，星期天75驱动机制检查机制CKI-checkpointCDK4,6/cyclinDCDK2/cyclinECDK2/cyclinACDK1/cyclinBCyclin-CDK+细胞恶性增殖驱动力增强检查机制失灵肿瘤细胞恶性增殖的机制第75页,共91页，2024年2月25日，星期天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检查点功能障碍恶性增殖第76页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第77页,共91页，2024年2月25日，星期天78CyclinD1（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↑第78页,共91页，2024年2月25日，星期天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↑第79页,共91页，2024年2月25日，星期天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。第80页,共91页，2024年2月25日，星期天812．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过渡加速第81页,共91页，2024年2月25日，星期天82细胞增殖异常CKI的缺失与突变肿瘤细胞中常见CKI（肿瘤抑制基因）表达不足或突变。

▲【p16InK4基因失活原因】

突变或缺失、染色体易位、p16InK4高度甲基化。

【Mechanism】p16InK4基因表达↓CDK4与cyclinD结合↓细胞周期处在“易于”被启动状态

易发生细胞癌变

可能第82页,共91页，2024年2月25日，星期天83

【Mechanism】

p53基因突变P2