细胞增殖调控

《细胞生物学》——第十四章《细胞增殖调控》，多章的思维导图均已分享到社区，欢迎使用

细胞增殖调控

• 细胞周期调控系统包括正调控和负调控
  • MPF的发现及其作用
    • 即卵细胞促成熟因子，或有丝分裂促进因子，或M期促进因子
    • MPF的发现源于两个实验
      • 早熟染色体凝集实验----细胞促分裂因子
      • 非洲爪蟾卵细胞质注射实验----卵细胞促成熟因子
    • MPF的纯化
      • 在成熟卵母细胞中，MPF已经存在，但处于非活性状态，被称为前体MPF（preMPF），非活性态的前体MPF通过翻译后修饰，可以转化为活性态的MPF
  • p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系
    • cdc基因的发现和分离
      • 1960年，Leland Hartwell以芽殖酵母为实验材料，分离获得数十个对温度敏感的突变体，突变体在25℃条件下，可以正常分裂繁殖，而在37℃条件下，则不正常分裂繁殖，停留在G2或M期
      • 利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株（在适宜的温度下和野生型一样），分离获得几十个与细胞分裂周期有关的基因
      • Hartwell还提出检验点的概念
      • 1970年，Paul Nurse等人以裂殖酵母为实验材料
      • weel和cdc25分别表现为抑制和促进cdc2的活性。酵母中这些与细胞分裂周期调控有关的基因，被称为 cdc 基因
    • cdc基因编码的蛋白
      • cdc2是第一个被分离出来的cdc基因，它的表达产物是一种34kDa的蛋白，被称为p34cdc2，且具有蛋白激酶活性，可以使多种蛋白底物磷酸化，也称为p34cdc2激酶
      • 芽质酵母的cdc28基因是第二个被分离出来的cdc基因，其表达的产物也是一种34kDa的蛋白，称为p34cdc28，并也是一种蛋白激酶，是p34cdc2的同源物。（p34cdc2激酶后来被命名为CDK1）
    • p34cdc2与MPF中的p32是同源蛋白
      • 其本身并不具有激酶活性，只有当其与相关蛋白结合后，激酶活性才能够表现出来
  • 周期蛋白（cyclin）
    • 含量随细胞周期剧烈振荡，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个细胞周期中又重复这一表达与降解现象。故命名为周期蛋白
    • cyclin为诱导细胞进入M期所必需
    • p32实际上是Cdc2的同源物，而p45是cyclin B的同源物
    • MPF含有两个亚单位，即 Cdc2 蛋白和 cyclin B，当两者结合后，表现出蛋白激酶活性。Cdc2为其催化亚单位，cyclin B为其调节亚单位。（Cdc2就是CDK1）。总结：MPF= p32+ p45；MPF= Cdc2+ cyclin B
    • 周期蛋白的分子结构特征
      • 各种cyclin在细胞周期内表达的时期有所不同，所执行的功能也多种多样
        • 在G1期表达并只能在G1期和S期转化过程中发挥调节功能，称为G1期cyclin
        • 在间期表达和积累，到M期时才表现出调节功能，称为M期cyclin
      • 共同的结构特点
        • 均含有一段相当保守的氨基酸序列，称为周期蛋白框（cyclin box），介导周期蛋白与CDK的结合
        • M期cyclin在其近N端含有一段9个氨基酸组成的特殊序列（RXXLGXIXN, X代表任一氨基酸），称为破坏框（destruction box）。破坏框主要参与泛素介导的cyclin A和cyclin B的降解。G1期cyclin不含破坏框，但其C端含有一段特殊的PEST序列。PEST序列被认为与G1期cyclin的降解有关
    • 周期蛋白与CDK的关系
      • 不同的cyclin在细胞周期中表达的时期不同，并与之对应的CDK结合，调节相应CDK激酶的活性，促使细胞周期进行
      • 在裂殖酵母和芽殖酵母中，周期蛋白含量的消长情况与哺乳动物细胞有许多相似之处
    • CDK和CDK抑制因子
      • CDK
        • 周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependentproteinkinases）简称CDK，是细胞周期调控中的重要因素
        • CDK的共同特征
          • 均含有一段相似的激酶结构域（PSTAIRE）
          • 都可以和周期蛋白结合，并受其调节而表现激酶活性
      • CDK抑制因子
        • 除cyclin和一些修饰性调控因子对CDK激酶活性进行调控之外，细胞内还存在一些对CDK激酶活性起负性调控的蛋白质，称为CDK激酶抑制物（CKI）
  • 细胞周期运转调控
    • 细胞周期的有序运行是通过相关基因的严格监视和调控来保证的
    • 细胞周期控制系统像一个顺时针的控制臂，当到达外圈的特殊点时触发基础的过程
    • CDK激酶对细胞周期起着核心性调控作用。不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结合，构成不同的CDK激酶复合体，在不同细胞时期表现出活性，进而调控细胞周期的进行，实现细胞周期的运转
    • G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用
      • CDKl蛋白在细胞周期中的含量相对稳定，而cyclin B的含量则呈现周期性变化
      • CDKl激酶活性和cyclin B含量的关系
        • cyclin B一般在G1期的晚期开始合成，通过S期，其含量不断增加，到达G2期，其含量达到最大值。随cyclin B含量达到一定程度，CDK1激酶活性开始出现；
        • 到G2期晚期阶段，CDKl活性达到最大值并一直维持到M期的中期阶段
      • cyclin A也可以与CDKl结合成复合体，表现出CDKl激酶活性
      • CDK1激酶的功能：使底物蛋白磷酸化，改变下游蛋白的结构和启动其功能
      • CDK1的活性受多种因素综合调控，cyclin是先决条件
      • 细胞周期进程需要CDK1上关键的氨基酸残基磷酸化和去磷酸化
    • 中期向后期转换
      • M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转换：APC是中后期转换的关键成分
      • 中期向后期转换又叫纺锤体装配检验点
      • 细胞周期运转到分裂中期后，M期cyclin A和cyclin B迅速降解，CDKl激酶活性丧失，上述被CDKl激酶磷酸化的靶蛋白质去磷酸化，细胞周期从M期中期向后期转化。cyclinA和cyclinB的降解是通过泛素化途径来实现的
      • 中后期转换
        • 在有丝分裂中期后，cyclin与CDK分离，在APC的作用下，M期的cyclinA和cyclinB通过其破坏框结合泛素链，经泛素化途径降解
        • APC是中后期转换的关键成分。APC是后期促进复合物
        • APC活性变化是探明细胞周期由分裂中期向分裂后期转化的关键问题之一
      • APC各个成分在分裂间期表达，但到达M期后才表现出活性。实验还发现M期CDK激酶可以激话APC，活化的APC则可以被磷酸酶作用而失活
      • Cdc20为APC有效的正调控因子，Cdc20主要位于染色体动粒上，为姊妹染色单体分离所必需
      • APC活性亦受到纺锤体装配检验点检控。锤体装配不完全，或动粒没有与微管全部结合，则APC不能被激活
      • 在纺锤体装配检控过程中，Mad2蛋白起着重要作用。纺锤体装配不完全，动粒不能被动粒微管捕捉，Mad2则不能从动粒上消失。相对于Cdc20而言，Mad2是APC的负调控因子
      • 当纺锤体装配完成以后，动粒全部被动粒微管捕捉，同时姐妹染色体动粒两端联结的动粒微管的牵拉压力达到平衡，Mad2即从动粒上消失，对Cdc20的抑制作用被解除，促使Cdc20结合活化APC，从而降解M期周期蛋白，使M期CDK激酶活性丧失，推动细胞由中期向后期转化
    • G1/S期转换
      • 暂时停留在G1期不分裂的细胞叫做G0期细胞
      • G1/S期转换与G1期CDK激酶
      • 细胞由G1期向S期转化主要受G1期周期蛋白依赖性CDK激酶所控制。在哺乳动物细胞中，G1期周期蛋白主要包括cyclin D、E，或许还有A。发挥作用的CDK激酶主要包括CDK2、CDK4和CDK6等
        • cyclin D主要与CDK4和CDK6结合并调节后者的活性，而cyclin E则与CDK2结合
        • cyclin A常常被归为M期周期蛋白，但cyclin A也可以与CDK2结合而使后者表现激酶活性，提示周期蛋白A可能参与调控G1／S期转化过程
      • cyclin D-CDK4/6的磷酸化底物是Rb，Rb是E2F（转录因子）的抑制因子，在哺乳动物G1细胞中起“刹车”作用，因此Rb是G1／S期转化的负性调节因子，在Gl期的晚期阶段通过磷酸化而失活
      • cyclin E也是哺乳动物细胞中G1期表达的周期蛋白
        • cyclin E在G1期的晚期开始合成，并一直持续到细胞进入S期。当细胞进入S期后，周期蛋白E很快即被降解
        • cyclin E与CDK2结合成复合物，呈现CDK2激酶活性。因而，周期蛋白E-CDK2激酶活性峰值时间为G1期晚期到S期的早期阶段
        • cyclin E-CDK2与p107（类Rb 蛋白）以及E2F形成复合体。CDK2激酶催化pl07磷酸化，使pl07失去抑制作用；E2F的作用被显现出来，促进有关基因转录，促使细胞周期由G1期向S期转化； cyclin E-CDK2直接参与了中心体复制的起始调控
      • cyclin A也可以与CDK2结合
        • cyclin A的合成开始于G1／S转化期
        • 进入S期，cyclin A-CDK2成为该时期主要的CDK激酶；在S期，cyclin A-CDK2复合物位于DNA复制中心，与DNA复制有关
        • cyclin A-CDK2激酶也可以与pl07和E2F结合成复合物，进而影响后者的功能
      • 进入S期，G1期cyclin通过SCF泛素化途径降解
        • 与M期cyclin的降解有所不同，G1期cyclin不含有破坏框序列，含有PEST序列，G1期cyclin的降解需要G1期CDK激酶活性的参与以及特殊的SCF
          • SCF：①具有泛素连接酶E3的功能；②由3个亚基组成：Skp1，Cull，Rbx1；③被3种F-box蛋白激活：Skp2，Fbw7，β-Trcp
    • S期DNA复制
      • 细胞周期以DNA复制期为核心，DNA复制的起始标志着细胞周期的启动
      • DNA复制起始点的识别是DNA复制调控中的重要事件之一，这个位点被称为DNA复制起始点（Origin of DNA replication），复制起始点也就是自主复制序列（ARS），散布在染色体上，从酵母细胞到高等哺乳类细胞，均存在一种称为复制起始点识别复合体（origin recognition complex, ORC）的蛋白质
      • DNA复制执照因子学说：在细胞的胞质内存在一种执照因子，对细胞核染色质DNA复制发行“执照”M期，细胞核膜破裂，胞质中的执照因子与染色质接触并与之结合，使后者获得DNA复制所必需的执照。细胞通过G1期后进入S期，DNA开始复制。随DNA复制过程的进行，“执照”信号不断减弱直到消失。到达G2期，细胞核不再含有执照信号。只有等到下一个M期，染色质再次与胞质中的执照因子接触，重新获得执照，细胞核才能开始新一轮的DNA复制。Mcm蛋白是DNA复制执照因子的主要成分，本质是DNA解旋酶
      • DNA复制起始点的装配：在G1期cdc6含量瞬间提高，结合在ORC上，ATP供能，Mcm复合体和其他一些蛋白结合到ORC上，形成前复制复合体
    • S/G2/M期转换与DNA复制检验点
      • DNA复制未完成或DNA复制出现问题，细胞周期不能向下一个阶段转换。在细胞增殖过程中，DNA受到损伤的变化是细胞不能承受的，所以DNA复制进程的监控是细胞周期调控的基本机制
      • S期内部检验点
        • 染色体结构维持蛋白SMC1的磷酸化，实现S期延长
        • ATM/ATR介导的cdc25磷酸酶降解，从而抑制cyclin E/A-CDK2活性。cyclin E/A-CDK2被抑制后，阻止仍未起始复制的复制起始点招募cdc45募集，以此抑制复制起始点起始复制。cdc45是DNA解旋酶Mcm的关键激活因子
      • DNA复制检验点
        • 停滞复制叉导致S期延长，主要由ATR/CHK1激活来介导的。ATR/CHK1介导的cdc25A降解进而抑制cyclin E/A-CDK2活性
      • ATM/ATR是与PI-3-K同源的激酶，也是DNA损伤信号感受因子
      • CHK2/CHK1是哺乳类细胞中DNA损伤信号感受因子的底物，又是下游效应分子的激酶
• 3个关键点
  • G1期晚期的检验点
  • G2/M期转换期的检验点
  • M期检验点
• 细胞周期调控系统的作用就是调控细胞周期有序运转，有二层含义：1. 启动细胞周期从一个时相进入下一个时相；2. 接受周期时相事件的生化反馈信息，从而调节周期运转，比如DNA未完全复制，当细胞接受这一反馈信息，细胞就不能从间期进入M期