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第七章細(xì)胞增殖及其調(diào)控

27.1

細(xì)胞增殖

細(xì)胞分裂之前，必須進(jìn)行一定的物質(zhì)準(zhǔn)備。物質(zhì)準(zhǔn)備和細(xì)胞分裂的循環(huán)過(guò)程稱為細(xì)胞增殖。細(xì)胞增殖是細(xì)胞生命活動(dòng)的重要特征，是生物繁育的基礎(chǔ)。細(xì)胞增殖受到嚴(yán)密的調(diào)控機(jī)制所監(jiān)控，必須遵循一定的規(guī)律。37.2

細(xì)胞周期細(xì)胞從一次分裂結(jié)束后開(kāi)始，經(jīng)過(guò)物質(zhì)累積過(guò)程，直到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束為止所經(jīng)歷的全過(guò)程，稱為一個(gè)細(xì)胞周期。完成一個(gè)細(xì)胞周期所需的時(shí)間稱為細(xì)胞周期時(shí)間。4

7.2.1細(xì)胞周期時(shí)相

細(xì)胞周期時(shí)相

◆G1期即從M期結(jié)束到S期開(kāi)始前的一段間歇期;◆S期,即DNA合成期;◆G2期,即DNA合成后(S期)到有絲分裂前的一個(gè)間歇期;

◆M期,即有絲分裂期。5標(biāo)準(zhǔn)細(xì)胞周期:

細(xì)胞周期時(shí)間的長(zhǎng)短：同種細(xì)胞，細(xì)胞周期時(shí)間長(zhǎng)短相似或相同；不同細(xì)胞種類(lèi)，細(xì)胞周期時(shí)間長(zhǎng)短差別很大；高等生物體的細(xì)胞周期時(shí)間長(zhǎng)短主要差別在G1期。6多細(xì)胞生物體中的細(xì)胞類(lèi)群——依據(jù)細(xì)胞周期劃分◆周期中細(xì)胞：持續(xù)分裂細(xì)胞◆G0期細(xì)胞：又稱靜止期細(xì)胞。

是周期中細(xì)胞暫時(shí)脫離細(xì)胞周期,停止分裂增殖,去執(zhí)行一定的生物學(xué)功能,如某些免疫淋巴細(xì)胞,肝細(xì)胞,腎細(xì)胞等。

◆終末分化細(xì)胞：

永久性失去了分裂能力的細(xì)胞。（周期中細(xì)胞）信號(hào)刺激G1G07細(xì)胞周期時(shí)相

897.2.2細(xì)胞周期各時(shí)相

的主要事件⒈

G1期

⑴合成活動(dòng)：

⑵芽殖酵母細(xì)胞周期中的起始點(diǎn)（start）：

⑶限制點(diǎn)（R點(diǎn)）：⑷檢驗(yàn)點(diǎn)：⑸由G1期向S期轉(zhuǎn)換的影響因素：

⑹cdc基因：10⑺G1/S期檢驗(yàn)點(diǎn)：檢測(cè)DNA是否損傷？檢驗(yàn)細(xì)胞體積是否足夠大？檢驗(yàn)細(xì)胞外環(huán)境是否適宜？如果上述條件都合適，就會(huì)激發(fā)DNA復(fù)制，使細(xì)胞周期進(jìn)程向前移動(dòng)。在一些真核生物中，該檢驗(yàn)點(diǎn)是細(xì)胞周期的主要控制點(diǎn)，它決定細(xì)胞能否分裂。11⒉S期——DNA合成期合成和組裝活動(dòng)：合成DNA和組蛋白并組裝成核小體結(jié)構(gòu)。DNA復(fù)制受多種細(xì)胞周期調(diào)節(jié)因素的嚴(yán)密調(diào)控。DNA復(fù)制與細(xì)胞核結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。12◆G2期合成活動(dòng)：合成著絲粒蛋白、細(xì)胞周期蛋白B和微管蛋白等大量蛋白質(zhì)。G2/M期檢驗(yàn)點(diǎn)：控制細(xì)胞周期能否順利進(jìn)入進(jìn)入M期?！鬗期細(xì)胞分裂活動(dòng)：M期中-后期檢驗(yàn)點(diǎn)：檢測(cè)所有的染色體是否都與紡錘體相連，并排列在赤道板上。13細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律

14細(xì)胞

周期

調(diào)控

的

研究2001年

諾貝爾生理學(xué)/醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)得主152001年10月8日,在諾貝爾獎(jiǎng)的百年慶典上,瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院宣布將該年度的諾貝爾醫(yī)學(xué)或生理學(xué)獎(jiǎng)授予了美國(guó)科學(xué)家LelandHartwell(利蘭·哈特韋爾)以及英國(guó)科學(xué)家R.Timothy(Tim)Hunt(蒂莫西·亨特)和PaulNurse(保羅·納斯)以表彰他們發(fā)現(xiàn)了細(xì)胞周期的關(guān)鍵調(diào)控分子。16利蘭·哈特韋爾發(fā)現(xiàn)了大量控制細(xì)胞周期的基因（cdc基因），其中一種被稱為“START”的基因?qū)刂聘鱾€(gè)細(xì)胞周期的最初階段具有決定性的作用。保羅·納斯的貢獻(xiàn)是在哈特韋爾的基礎(chǔ)上，通過(guò)基因與分子學(xué)方法發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)細(xì)胞周期的一種關(guān)鍵物質(zhì)CDK（細(xì)胞周期蛋白依賴激酶），CDK是通過(guò)對(duì)其他蛋白質(zhì)的化學(xué)修飾（磷酸化）來(lái)驅(qū)動(dòng)細(xì)胞周期的。蒂莫西·亨特的貢獻(xiàn)是首次發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)CDK功能的物質(zhì)CYCLIN（細(xì)胞周期蛋白）。17卡羅林斯卡醫(yī)學(xué)院評(píng)價(jià)說(shuō)，哈特韋爾、納斯和亨特3人的發(fā)現(xiàn)對(duì)研究細(xì)胞的發(fā)育有重大的影響，特別是對(duì)開(kāi)辟治療癌癥新途徑將具有極其深遠(yuǎn)的意義，因?yàn)榧?xì)胞周期控制過(guò)程中出現(xiàn)的缺陷可以導(dǎo)致癌細(xì)胞中染色體的變異。18三位諾貝爾獎(jiǎng)獲得者發(fā)現(xiàn)了調(diào)控細(xì)胞周期的分子機(jī)制。CDK分子的數(shù)量在細(xì)胞周期中是不變的，但因?yàn)橹芷谒氐恼{(diào)節(jié)作用，它們的活性要發(fā)生變化。周期素可以調(diào)節(jié)細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)的特定過(guò)程。例如，周期素E/CDK2可以控制S時(shí)相的初始化；周期素B/CDC2可以控制核膜分解和染色體凝聚。CDK和周期素一起驅(qū)動(dòng)細(xì)胞從細(xì)胞周期的一個(gè)時(shí)相向下一個(gè)時(shí)相轉(zhuǎn)換。CDK分子可以看作是一個(gè)引擎，而周期素可看成是一個(gè)變速箱，控制引擎在一個(gè)閑置狀態(tài)運(yùn)行或是驅(qū)動(dòng)細(xì)胞周期向前進(jìn)行。19一、物理法人工同步化（一）振蕩收集法（二）梯度離心法二、化學(xué)法人工同步化（一）秋水仙胺阻抑法——M期同步化（二）N2（氮?dú)猓┳钄喾ā狹期同步化（三）胸腺嘧啶核苷（TdR）雙阻斷法——S期同步化7.2.3細(xì)胞周期同步化207.2.4細(xì)胞周期調(diào)控7.2.4.1在細(xì)胞周期調(diào)控中蛋白激酶

作用的研究染色體超前凝集（PCC）的發(fā)現(xiàn)——細(xì)胞融合實(shí)驗(yàn)◆研究者：1970年，Colorado（科羅拉多）大學(xué)的RobertJohnson

和PotuRao。◆研究思路：什么控制DNA的復(fù)制和染色體的凝集？21◆研究方法：⑴S期Hela細(xì)胞與G1期細(xì)胞融合，發(fā)現(xiàn)G1期細(xì)胞中的DNA開(kāi)始復(fù)制；S期細(xì)胞與G2期細(xì)胞融合，發(fā)現(xiàn)G2期細(xì)胞核中已經(jīng)復(fù)制過(guò)的DNA沒(méi)有再?gòu)?fù)制。

結(jié)論：正在進(jìn)行DNA復(fù)制的細(xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中含有促進(jìn)G1期細(xì)胞進(jìn)行DNA復(fù)制的起始因子，而這種起始因子對(duì)于已經(jīng)進(jìn)行了DNA復(fù)制的G2期細(xì)胞沒(méi)有作用。

22⑵M期Hela細(xì)胞與處于細(xì)胞周期其他階段的間期細(xì)胞融合，發(fā)現(xiàn)與M期細(xì)胞融合的間期細(xì)胞均發(fā)生了形態(tài)各異的染色體凝集現(xiàn)象，稱為染色體超前凝集（PCC）。

結(jié)論：M期細(xì)胞中一定有一種能促使染色體凝集的因子，稱為細(xì)胞促成熟因子。23G1期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合——單線狀24S期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合——粉末狀25G2期細(xì)胞與M期細(xì)胞融合——雙線狀26MPF的發(fā)現(xiàn)

◆促成熟因子(maturation-promotingfactor，MPF）,早期稱為M-期促進(jìn)因子(M-phasepromotingfactor,MPF)，是指M期細(xì)胞中存在的促進(jìn)細(xì)胞分裂的因子?！粞芯空撸?971年，Masui和Markert,明確提出MPF的概念。◆研究思路：能否從細(xì)胞質(zhì)中提取某些物質(zhì)注入其他細(xì)胞使之分裂。27◆實(shí)驗(yàn)材料：非洲爪蟾卵母細(xì)胞◆實(shí)驗(yàn)結(jié)果：成熟卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)能誘導(dǎo)卵母細(xì)胞成熟分裂形成成熟的卵細(xì)胞?！敉普摚涸诜侵拮赋墒炻鸭?xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中必然有一種物質(zhì)，可以誘導(dǎo)卵母細(xì)胞成熟，稱其為促成熟因子，即MPF。28MPF的活性測(cè)定實(shí)驗(yàn)◆實(shí)驗(yàn)材料：非洲爪蟾卵母細(xì)胞◆實(shí)驗(yàn)方法：（1）卵母細(xì)胞+蛋白質(zhì)合成抑制劑+孕酮激素；（2）卵母細(xì)胞+蛋白質(zhì)合成抑制劑+成熟卵細(xì)胞細(xì)胞質(zhì)?！魧?shí)驗(yàn)結(jié)果：實(shí)驗(yàn)（1）卵母細(xì)胞不能成熟；實(shí)驗(yàn)（2）卵母細(xì)胞成熟?！敉普摚涸诔墒炻鸭?xì)胞的細(xì)胞質(zhì)中MPF已經(jīng)存在。29MPF的結(jié)構(gòu)組成及特性◆1988年，Maller實(shí)驗(yàn)室，Lohka等人；◆非洲爪蟾卵為實(shí)驗(yàn)材料，分離純化得到MPF；◆研究證明是由兩個(gè)不同的亞基組成的異二聚體蛋白，是一種蛋白激酶:●催化亞基：p32cdc2●調(diào)節(jié)亞基：p45---周期蛋白(cyclin)。30MPF的結(jié)構(gòu)31p34cdc2、

p34cdc28及其與蛙卵中MPF的關(guān)系◆cdc（celldivisioncycle）基因：◆cdc2基因是裂殖酵母細(xì)胞中最重要的基因，其突變會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞周期停留在G2/M交界處?！魀34cdc2是cdc2基因的表達(dá)產(chǎn)物，具有蛋白激酶活性。在裂殖酵母細(xì)胞周期調(diào)控過(guò)程中起關(guān)鍵性調(diào)節(jié)作用，促進(jìn)G2/M轉(zhuǎn)換。32◆cdc28基因是芽殖酵母細(xì)胞中最重要的基因，其突變會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞周期停留在G1/S交界處，或停留在G2/M交界處。◆p34cdc28是cdc28基因的表達(dá)產(chǎn)物，也具有蛋白激酶活性。在芽殖酵母細(xì)胞周期由G2/M轉(zhuǎn)換過(guò)程中起關(guān)鍵性調(diào)節(jié)作用，同時(shí)對(duì)G1/S的轉(zhuǎn)換也是必需的。◆酵母細(xì)胞中的p34cdc2和p34cdc28與蛙卵中MPF的p32cdc2是同源物。三者本身均不具有激酶活性，只有當(dāng)與有關(guān)蛋白結(jié)合后，其激酶活性才能表現(xiàn)出來(lái)。33細(xì)胞周期蛋白的發(fā)現(xiàn)與鑒定◆1983年，TimHunt（美）報(bào)道，在海膽卵細(xì)胞中存在兩種特殊蛋白質(zhì)，其含量隨細(xì)胞周期進(jìn)程變化而變化，一般在細(xì)胞間期內(nèi)積累，在細(xì)胞分裂期內(nèi)消失，在下一細(xì)胞周期又重復(fù)這一消長(zhǎng)現(xiàn)象，因而將其命名為周期蛋白?！糁芷诘鞍讖V泛存在于各種真核細(xì)胞中?！羰钦T導(dǎo)細(xì)胞進(jìn)入M期所必需的?！舴侵拮窶PF中的另一種主要成分是周期蛋白B，即p45。◆周期蛋白B與酵母的p56cdc13是同源物。34周期蛋白種類(lèi)及功能的執(zhí)行◆周期蛋白種類(lèi)●酵母中的周期蛋白

●高等動(dòng)物的周期蛋白●G1期周期蛋白●M期周期蛋白35表1不同類(lèi)型的周期蛋白激酶復(fù)合體脊椎動(dòng)物芽殖酵母CyclinCDKCyclinCDKG1-CDKCyclinDCDK4、6Cln3CDK1(Cdc28)G1/S-CDKCyclinECDK2Cln1、2CDK1(Cdc28)S-CDKCyclinACDK2Cln5、6CDK1(Cdc28)M-CDKCyclinBCDK1(CDK2)Cln1-4CDK1(Cdc28)36周期蛋白分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

◆周期蛋白共同的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：●氨基酸序列保守的周期蛋白框

——周期蛋白與CDK結(jié)合的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

◆

M期周期蛋白的分子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：●破壞框及賴氨酸富集區(qū)◆

G1期周期蛋白的PEST序列：37◆周期蛋白功能的執(zhí)行

●不同的周期蛋白在細(xì)胞周期內(nèi)表達(dá)的時(shí)期不同，并與不同的CDK結(jié)合，調(diào)節(jié)不同的CDK激酶的活性。

38G1期cyclinD表達(dá)，并與CDK4、CDK6結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，磷酸化的Rb釋放出轉(zhuǎn)錄因子E2F，促進(jìn)許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。

圖CyclinD與CDK結(jié)合使Rb釋放結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子E2F39在G1-S期，cyclinE與CDK2結(jié)合，促進(jìn)細(xì)胞通過(guò)G1/S限制點(diǎn)而進(jìn)入S期。向細(xì)胞內(nèi)注射CyclinE的抗體能使細(xì)胞停滯于G1期，說(shuō)明細(xì)胞進(jìn)入S期需要CyclinE的參與。同樣將CyclinA的抗體注射到細(xì)胞內(nèi)，發(fā)現(xiàn)能抑制細(xì)胞的DNA合成，推測(cè)CyclinA是DNA復(fù)制所必需的。在G2-M期，cyclinA、cyclinB與CDK1結(jié)合，CDK1使底物蛋白磷酸化、將組蛋白H1磷酸化導(dǎo)致染色體凝縮、使核纖層蛋白磷酸化使核膜解體等下游細(xì)胞周期事件。

40CDK激酶及其活性調(diào)節(jié)◆周期蛋白依賴性蛋白激酶，簡(jiǎn)稱CDK?！舸祟?lèi)激酶都含有一段類(lèi)似的氨基酸序列——PSTAIRE序列?！襞c周期蛋白結(jié)合，并以周期蛋白作為其調(diào)節(jié)亞單位，進(jìn)而表現(xiàn)出蛋白激酶活性?！舨煌珻DK激酶所要求結(jié)合的周期蛋白不同，在細(xì)胞周期中執(zhí)行的調(diào)解功能也不同。

41◆CDK分子中有一些重要位點(diǎn)，通過(guò)磷酸化修飾對(duì)CDK激酶活性起重要調(diào)節(jié)作用。◆細(xì)胞內(nèi)存在多種因子，通過(guò)對(duì)CDK分子結(jié)構(gòu)進(jìn)行修飾，參與CDK激酶活性調(diào)節(jié)?！?/p>

CDK激酶抑制物（CDKI）●細(xì)胞內(nèi)存在的一些對(duì)CDK激酶活性起負(fù)性調(diào)控，即對(duì)CDK激酶起抑制作用的蛋白質(zhì)，稱為CDK激酶抑制物。42細(xì)胞周期運(yùn)行的調(diào)控機(jī)制細(xì)胞周期運(yùn)轉(zhuǎn)受到細(xì)胞內(nèi)外各種因素的精密調(diào)控，細(xì)胞