1、第十二章第十二章 細(xì)胞增殖與凋亡機(jī)制細(xì)胞增殖與凋亡機(jī)制多細(xì)胞生物的體細(xì)胞命運(yùn)有三種：經(jīng)歷細(xì)胞周期增生；分化成具有特定功能的細(xì)胞；死亡并且從生物體中消失。細(xì)胞的上述生物學(xué)過程受到嚴(yán)密調(diào)控，任何一方失控都能導(dǎo)致機(jī)體功能障礙和疾病。本章介紹細(xì)胞增生與凋亡的分子機(jī)制。細(xì)胞增生細(xì)胞增生一、細(xì)胞周期概念 細(xì)胞周期是指從親代細(xì)胞分裂結(jié)束到子代細(xì)胞分裂結(jié)束所經(jīng)歷的過程。一個(gè)細(xì)胞周期分四個(gè)時(shí)期：G1、S、G2、M期。G1SG2MG0二、細(xì)胞周期中各期的生化特點(diǎn)G1期期：從有絲分裂完成到DNA復(fù)制之前這一階段，又稱為復(fù)制前期。該期細(xì)胞內(nèi)各種RNA、蛋白質(zhì)合成增多。同時(shí)該期是各種細(xì)胞群體之間細(xì)胞周期的差異取決于此期

2、。S期期：又稱為DNA合成期或復(fù)制期。該期細(xì)胞內(nèi)遺傳物質(zhì)從二倍體到四倍體。同時(shí)組蛋白的合成也同時(shí)進(jìn)行。G2期期：指DNA合成完成到有絲分裂開始這段時(shí)間，又稱復(fù)制后期。該期DNA合成已終止，但仍然進(jìn)行著RNA和一定蛋白合成。同時(shí)線粒體DNA在此期復(fù)制。M期期：又稱為有絲分裂期。此期細(xì)胞呈球形，染色體在此期凝聚后分開，移向細(xì)胞兩端，解聚并再形成兩個(gè)完整的核，最后通過細(xì)胞質(zhì)分裂，結(jié)束M期。該期蛋白質(zhì)合成也顯著減少，細(xì)胞質(zhì)內(nèi)的多核糖體大部分解體。三、細(xì)胞周期中關(guān)卡是調(diào)控細(xì)胞周期位點(diǎn)三、細(xì)胞周期中關(guān)卡是調(diào)控細(xì)胞周期位點(diǎn)細(xì)胞周期關(guān)卡細(xì)胞周期關(guān)卡 此概念最早由Weinert和Hartwell提出，原來指酵母

3、受X線照射后引起DNA損傷，誘導(dǎo)相關(guān)基因表達(dá)并使細(xì)胞周期停滯。 目前用來指對(duì)細(xì)胞周期轉(zhuǎn)折處染色體物理完整性的監(jiān)控以及對(duì)與某些細(xì)胞周期事件起始相關(guān)的生化途徑的監(jiān)控，而這些細(xì)胞周期事件的起始依賴于另一些細(xì)胞周期事件的成功完成。G1晚期的關(guān)卡晚期的關(guān)卡：監(jiān)控G1期細(xì)胞大小及環(huán)境中是否有生長(zhǎng)因子。當(dāng)細(xì)胞生長(zhǎng)足夠大，并且成功完成DNA復(fù)制準(zhǔn)備工作，不再依賴生長(zhǎng)因子，可通過關(guān)卡。G1-S處關(guān)卡處關(guān)卡：監(jiān)控DNA是否損傷。G2-M處關(guān)卡處關(guān)卡：監(jiān)控DNA是否損傷及DNA是否正確完全復(fù)制。有絲分裂中期關(guān)卡有絲分裂中期關(guān)卡：監(jiān)控姐妹染色體是否穩(wěn)定地附著在紡錘體上。在一個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)至少存在四個(gè)關(guān)卡在一個(gè)細(xì)胞周期內(nèi)

4、至少存在四個(gè)關(guān)卡：四、參與細(xì)胞周期調(diào)控的相關(guān)蛋白四、參與細(xì)胞周期調(diào)控的相關(guān)蛋白參與細(xì)胞周期調(diào)控的相關(guān)蛋白可以分為以下幾類：1、周期蛋白（cyclin）2、周期蛋白依賴性激酶（Cdk）3、周期蛋白-周期蛋白依賴性激酶抑制因子（CKI）4、RB及E2F-DP1轉(zhuǎn)錄因子5、調(diào)節(jié)Cdk磷酸化和去磷酸化的蛋白激酶和磷酸酶6、泛素和使蛋白質(zhì)泛素化的酶細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的功能細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的功能周期蛋白周期蛋白（cyclin）：目前發(fā)現(xiàn)細(xì)胞內(nèi)周期蛋白可分為A、B、D、E等類型。它們?cè)诩?xì)胞的不同時(shí)期內(nèi)含量是可升或降的。它們?cè)诤藘?nèi)的含量主要受以下幾個(gè)因素調(diào)控：1、生長(zhǎng)因子誘導(dǎo)的基因表達(dá)；2、泛素介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解

5、；3、蛋白質(zhì)在核與胞質(zhì)間的運(yùn)輸；在周期蛋白結(jié)構(gòu)中都有保守的100多個(gè)氨基酸殘基的周期蛋白盒，該部位是與周期蛋白依賴性激酶（Cdk）結(jié)合部位。該蛋白是細(xì)胞內(nèi)組成型表達(dá)的核內(nèi)絲-蘇氨酸蛋白激酶。單獨(dú)存在無活性，與相應(yīng)的周期蛋白結(jié)合形成復(fù)合物，才能具有活性，磷酸化相應(yīng)底物蛋白質(zhì)如：RB蛋白、轉(zhuǎn)錄因子、組蛋白、細(xì)胞結(jié)構(gòu)蛋白等，通過它們的活性，調(diào)控細(xì)胞周期進(jìn)程。 同時(shí)，Cdk本身還受蛋白激酶和磷酸酶的催化。周期蛋白與Cdk形成的復(fù)合物還受Cdk抑制物（CKI）的抑制。周期蛋白依賴性激酶周期蛋白依賴性激酶：Cyclin D1、2、3E、AB、ACdk4/6Cdk2Cdk1調(diào)控G1進(jìn)程G1-S轉(zhuǎn)折，S進(jìn)程G

6、2-M轉(zhuǎn)折Cdk抑制物(CKI)CKI有兩類1、 Cdk4和Cdk6抑制因子家族，該家族包括P15、P16、P18和P19蛋白。它們主要特異認(rèn)別和結(jié)合Cdk4和Cdk6，抑制周期蛋白D與Cdk4和Cdk6結(jié)合，并且能和周期蛋白D- Cdk4/6復(fù)合物結(jié)合，抑制其對(duì)底物蛋白的磷酸化。2、細(xì)胞因子誘導(dǎo)的蛋白/激酶相互作用蛋白（Cip/Kip）家族，包括P21、P27和P57蛋白，是細(xì)胞接收到接觸抑制、DNA損傷、低氧及一些細(xì)胞因子等信號(hào)后的產(chǎn)物，主要功能是和周期蛋白- Cdk復(fù)合物結(jié)合，抑制其活性，但也有一定正調(diào)節(jié)作用。RB蛋白與轉(zhuǎn)錄因子E2F-DP1的結(jié)合對(duì)G1期進(jìn)展產(chǎn)生負(fù)調(diào)節(jié)RB家族目前發(fā)現(xiàn)三

7、個(gè)成員，RB（P105）、P107和P130。它們的分子中有一口袋結(jié)構(gòu)，故稱口袋蛋白。RB蛋白可以和多種蛋白如轉(zhuǎn)錄因子E2F-DP1、RNA聚合酶等結(jié)合，調(diào)控它們活性。Pi-RB- E2F-DP1G1早期D- Cdk4/6Pi-RB- E2F-DP1PiE- Cdk2Pi-RB +E2F-DP1PiPi+相關(guān)靶基因表達(dá)G1中期G1晚期使Cdk磷酸化和去磷酸化的酶（蛋白激酶和磷酸酶）也調(diào)節(jié)Cdk活性Cdk1Cdk1-T101PiG1CAKSWeel、Myt1Cdk1-T101PiT14PiY15PiG2Cdc25Cdk1-T101PiMG2-M關(guān)卡有活性無活性無活性無活性泛素-蛋白酶體介導(dǎo)蛋白質(zhì)

8、降解也調(diào)節(jié)細(xì)胞周期通過泛素-蛋白酶體介導(dǎo)的蛋白質(zhì)降解途徑的蛋白質(zhì)主要是一些短命的蛋白質(zhì)，如周期蛋白、P21、P27、E2F等，通過泛素和這些蛋白質(zhì)中的賴氨酸殘基結(jié)合后，泛素在也可以通過泛素自身第48位賴氨酸殘基在聯(lián)結(jié)泛素，形成多泛素化蛋白，并被運(yùn)送到蛋白酶體中降解。五、調(diào)控蛋白協(xié)同作用調(diào)控細(xì)胞周期五、調(diào)控蛋白協(xié)同作用調(diào)控細(xì)胞周期（一）、（一）、 Cdk4/6和和Cdk2的活化是限制點(diǎn)處調(diào)控的關(guān)鍵因素的活化是限制點(diǎn)處調(diào)控的關(guān)鍵因素Pi-RB- E2F-DP1G1早期D- Cdk4/6Pi-RB- E2F-DP1PiE- Cdk2Pi-RB +E2F-DP1PiPi+G1中期G1晚期相關(guān)靶基因表達(dá)

9、相關(guān)靶基因的表達(dá)使細(xì)胞做好DNA復(fù)制準(zhǔn)備，細(xì)胞通過G1-S關(guān)卡，DNA復(fù)制起始，進(jìn)入S期。（二）、（二）、 Cdk1活化是活化是G2/M關(guān)卡處關(guān)鍵調(diào)控因素關(guān)卡處關(guān)鍵調(diào)控因素Cdk1Cdk1-T101PiG1CAKSWeel、Myt1Cdk1-T101PiT14PiY15PiG2Cdc25MG2-M關(guān)卡Cdk1-T101Pi周期蛋白B在G1后期合成，進(jìn)入核內(nèi)與Cdk1結(jié)合成復(fù)合物，但Cdk1此時(shí)被強(qiáng)磷酸化，無活性。在G2-M關(guān)卡，Cdc25c磷酸酶被活化，使的Cdk1去磷酸化形成有活性的B-Cdk1-T101Pi復(fù)合物，從而磷酸化底物蛋白，如組蛋白1、核纖層蛋白、肌球蛋白等，為染色體分離做好準(zhǔn)備

10、，細(xì)胞通過關(guān)卡。CyclinB（三）、三）、APC介導(dǎo)的多泛素化蛋白降解是細(xì)胞離開介導(dǎo)的多泛素化蛋白降解是細(xì)胞離開M期進(jìn)入期進(jìn)入 G1期的關(guān)鍵因素期的關(guān)鍵因素M期的周期蛋白A/B-Cdk1作用的底物之一是APC蛋白。APC蛋白磷酸化后才有活性。它能在有絲分裂間染色體分離組裝完成后，結(jié)合在紡錘體處的APC蛋白被活化，最終導(dǎo)致連接姐妹染色體的蛋白質(zhì)降解，細(xì)胞通過有絲分裂中期關(guān)卡?？蛇M(jìn)入G1。（四）、（四）、DNA損傷關(guān)卡與損傷關(guān)卡與G1、G2期停滯相關(guān)期停滯相關(guān)1、G2期細(xì)胞內(nèi)DNA受損或DNA復(fù)制不完全時(shí)，細(xì)胞停滯于G2期。當(dāng)DNA復(fù)制不完全或DNA受損激活至少六種傳感器蛋白并結(jié)合到受損DNA活

11、化ATM/ATR磷酸化關(guān)卡激酶2/1磷酸化Cdc25c磷酸化Cdc25c能結(jié)合14-3-3蛋白并出細(xì)胞核進(jìn)入胞質(zhì)缺乏Cdc25c去磷酸化的Cdk1無活性，不能通過G2-M關(guān)卡2、轉(zhuǎn)錄因子P53能使細(xì)胞停滯在G1和G2期DNA損傷活化E-Cdk2P53蛋白磷酸化磷酸化P53蛋白不能被它的抑制蛋白HDM2結(jié)合和降解激活P21基因轉(zhuǎn)錄P21蛋白是Cdk的抑制物，因此細(xì)胞停滯于G1和G2+促進(jìn)14-3-3基因表達(dá)，促進(jìn)Cdc25c停留在胞質(zhì)，Cdk1無活性，不能通過G2-M關(guān)卡六、生長(zhǎng)因子等細(xì)胞外因素通過六、生長(zhǎng)因子等細(xì)胞外因素通過 信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控細(xì)胞周期信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)調(diào)控細(xì)胞周期細(xì)胞周期調(diào)控受細(xì)胞外的生長(zhǎng)因

12、子等外在因素的作用，如：細(xì)胞生長(zhǎng)環(huán)境中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)和氧氣供應(yīng)量、各種生長(zhǎng)因子及細(xì)胞因子等。這些外在因素通過細(xì)胞膜上的信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)對(duì)細(xì)胞周期調(diào)控蛋白的基因表達(dá)或生物活性進(jìn)行調(diào)控，從而間接調(diào)控細(xì)胞周期。本節(jié)重點(diǎn)談生長(zhǎng)因子對(duì)細(xì)胞周期的調(diào)控。（一）、細(xì)胞從G0進(jìn)入細(xì)胞周期依賴多種生長(zhǎng)因子的協(xié)同作用G1細(xì)胞G0細(xì)胞環(huán)境中信號(hào)分子缺乏；環(huán)境中生長(zhǎng)因子不足；體外培養(yǎng)的原代細(xì)胞分裂一定次數(shù)后除分化細(xì)胞和衰老細(xì)胞外，其它G0期細(xì)胞可經(jīng)過三個(gè)階段，第一階段：獲得資格 需要血小板源生長(zhǎng)因子第二階段：進(jìn)入 需要血小板源生長(zhǎng)因子、表皮生長(zhǎng)因子、和胰島素第三階段：進(jìn)展 胰島素樣生長(zhǎng)因子1在多種生長(zhǎng)因子協(xié)同作用下，通過各種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)

13、途徑最終活化周期蛋-Cdk，從而使細(xì)胞進(jìn)入G1期。（二）、G1期的細(xì)胞也需要生長(zhǎng)因子促進(jìn)細(xì)胞周期進(jìn)程特定生長(zhǎng)因子（EGF、IGF）Ras-Raf-MAPK途徑活化P21、P27基因表達(dá)促進(jìn)G1期合成的周期蛋白D與Cdk4/6結(jié)合并轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核內(nèi)磷酸化RB而釋放E2F-DP1促進(jìn)周期蛋白E和Cdk2的表達(dá)+最終使細(xì)胞通過G1期限制點(diǎn)ERK途徑+第二節(jié)第二節(jié) 細(xì)胞凋亡機(jī)制細(xì)胞凋亡機(jī)制一、細(xì)胞凋亡（一、細(xì)胞凋亡（apoptosis）的概念）的概念 細(xì)胞凋亡是機(jī)體細(xì)胞在正常生理或病理細(xì)胞凋亡是機(jī)體細(xì)胞在正常生理或病理狀態(tài)下發(fā)生的一種自發(fā)的程序化死亡過程。狀態(tài)下發(fā)生的一種自發(fā)的程序化死亡過程。 細(xì)胞凋亡

14、并不完全等同于程序性細(xì)胞死亡。細(xì)胞凋亡并不完全等同于程序性細(xì)胞死亡。程序性細(xì)胞死亡的范疇大于細(xì)胞凋亡。程序性細(xì)胞死亡的范疇大于細(xì)胞凋亡。二、細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)變化二、細(xì)胞凋亡的形態(tài)學(xué)變化 細(xì)胞縮小而喪失與周圍細(xì)胞接觸，染色質(zhì)細(xì)胞縮小而喪失與周圍細(xì)胞接觸，染色質(zhì)固縮在核膜附近，細(xì)胞骨架崩解，核膜消失，固縮在核膜附近，細(xì)胞骨架崩解，核膜消失，DNA斷裂成片段，細(xì)胞膜起泡，最終細(xì)胞解體斷裂成片段，細(xì)胞膜起泡，最終細(xì)胞解體成許多由細(xì)胞膜包裹的凋亡小體，并被周圍健成許多由細(xì)胞膜包裹的凋亡小體，并被周圍健康細(xì)胞或吞噬細(xì)胞吞噬?？导?xì)胞或吞噬細(xì)胞吞噬。 細(xì)胞壞死最主要形態(tài)區(qū)別是細(xì)胞腫脹、破細(xì)胞壞死最主要形態(tài)區(qū)別

15、是細(xì)胞腫脹、破裂、內(nèi)容物外流并導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。裂、內(nèi)容物外流并導(dǎo)致炎癥反應(yīng)。正常機(jī)體內(nèi)細(xì)胞凋亡發(fā)生的情況正常機(jī)體內(nèi)細(xì)胞凋亡發(fā)生的情況（一）、在正常生理狀態(tài)下：（一）、在正常生理狀態(tài)下：1、胚胎發(fā)育期身體形狀塑造；、胚胎發(fā)育期身體形狀塑造；2、胚胎期中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育；、胚胎期中樞神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育；3、胸腺細(xì)胞的凋亡；、胸腺細(xì)胞的凋亡；4、月經(jīng)周期中子宮內(nèi)膜脫落及哺乳期后乳腺萎縮；、月經(jīng)周期中子宮內(nèi)膜脫落及哺乳期后乳腺萎縮；5、成體中細(xì)胞凋亡、成體中細(xì)胞凋亡（二）、病理狀態(tài)下細(xì)胞凋亡（二）、病理狀態(tài)下細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡機(jī)制細(xì)胞凋亡機(jī)制一、美麗線蟲凋亡機(jī)制模型一、美麗線蟲凋亡機(jī)制模型Egl-1Ced9Ced

16、4Ced3底物蛋白降解，底物蛋白降解，包括包括:細(xì)胞調(diào)細(xì)胞調(diào)節(jié)、細(xì)胞信號(hào)節(jié)、細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、轉(zhuǎn)導(dǎo)、DNA修復(fù)、組織平修復(fù)、組織平衡、細(xì)胞存活衡、細(xì)胞存活等環(huán)節(jié)中重要等環(huán)節(jié)中重要的蛋白，的蛋白， 出出現(xiàn)凋亡?，F(xiàn)凋亡。抑制抑制活化底物蛋底物蛋白水解白水解二、哺乳動(dòng)物細(xì)胞凋亡機(jī)制二、哺乳動(dòng)物細(xì)胞凋亡機(jī)制Egl-1Ced9Ced4Ced3底物蛋白降底物蛋白降解解,出現(xiàn)凋亡出現(xiàn)凋亡抑制抑制活化胱天蛋白酶家族胱天蛋白酶家族（caspase）凋亡蛋白酶活化凋亡蛋白酶活化因子因子1（Apaf1）Bcl-2家族家族胱天蛋白酶家族（胱天蛋白酶家族（caspase） 胱天蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的胱天

17、蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的半半胱氨酸殘基胱氨酸殘基，能水解底物蛋白中特異部位的，能水解底物蛋白中特異部位的天冬氨酸殘基天冬氨酸殘基羧羧基側(cè)肽鍵?；鶄?cè)肽鍵。 該家族在哺乳動(dòng)物中至少有該家族在哺乳動(dòng)物中至少有14種，此類蛋白通常有酶前種，此類蛋白通常有酶前體和激活的酶兩種類型。體和激活的酶兩種類型。 Caspases酶原包含三個(gè)結(jié)構(gòu)域：酶原包含三個(gè)結(jié)構(gòu)域：NH2末端結(jié)構(gòu)域末端結(jié)構(gòu)域（Prodomain）、約）、約20KD的大亞基和約的大亞基和約10KD的小亞基。的小亞基。酶原的激活需要在大小亞基和酶原的激活需要在大小亞基和N末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)進(jìn)行切割，形末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)進(jìn)行切割，形成具有兩個(gè)

18、獨(dú)立活性位點(diǎn)的四聚體，這就是被激活的酶。成具有兩個(gè)獨(dú)立活性位點(diǎn)的四聚體，這就是被激活的酶。 胱天蛋白酶家族（胱天蛋白酶家族（caspase） 胱天蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的胱天蛋白酶的名稱來自該酶的活性中心有催化作用的半半胱氨酸殘基胱氨酸殘基，能水解底物蛋白中特異部位的，能水解底物蛋白中特異部位的天冬氨酸殘基天冬氨酸殘基羧羧基側(cè)肽鍵?；鶄?cè)肽鍵。 該家族在哺乳動(dòng)物中至少有該家族在哺乳動(dòng)物中至少有14種，此類蛋白通常有酶前種，此類蛋白通常有酶前體和激活的酶兩種類型。體和激活的酶兩種類型。 Caspases酶原包含三個(gè)結(jié)構(gòu)域：酶原包含三個(gè)結(jié)構(gòu)域：NH2末端結(jié)構(gòu)域末端結(jié)構(gòu)域（Prodo

19、main）、約）、約20KD的大亞基和約的大亞基和約10KD的小亞基。的小亞基。酶原的激活需要在大小亞基和酶原的激活需要在大小亞基和N末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)進(jìn)行切割，形末端結(jié)構(gòu)域內(nèi)進(jìn)行切割，形成具有兩個(gè)獨(dú)立活性位點(diǎn)的四聚體，這就是被激活的酶。成具有兩個(gè)獨(dú)立活性位點(diǎn)的四聚體，這就是被激活的酶。 Bcl-2家族家族bcl-2是B細(xì)胞淋巴瘤/白血病基因的縮寫，最初從小鼠B淋巴瘤中分離得到。哺乳動(dòng)物細(xì)胞中目前發(fā)現(xiàn)有15種成員。它們都是約為180個(gè)氨基酸殘基的蛋白質(zhì)，分子中都有能介導(dǎo)成員之間相互作用、并與其功能相關(guān)的BH區(qū)（ Bcl-2 homology region）。 BH區(qū)有4種。根據(jù)其成員的功能、 BH區(qū)種類和數(shù)量可分為三類：第一類成員有抗凋亡功能，分子中含BH1-4區(qū)域；第二類成員是促凋亡成員，分子中缺乏BH4區(qū)域；第三類成員也是促凋亡成員