第14章细胞增殖调控与癌细胞
细胞增殖与癌症关系的研究报告
细胞增殖与癌症关系的研究报告摘要：本研究旨在探讨细胞增殖与癌症之间的关系。
通过对细胞增殖的机制、癌症发展的过程以及两者之间的相互作用进行综合分析，我们发现细胞增殖在癌症的发展中起到了重要的作用。
本文以细胞增殖与癌症关系的研究为出发点，对该领域的研究现状和未来发展方向进行了探讨。
1. 引言癌症是一种严重威胁人类健康的疾病，其发病机制至今尚未完全阐明。
细胞增殖作为生物体内细胞数量增加的重要过程，对癌症的发展起到了重要的推动作用。
因此，深入研究细胞增殖与癌症之间的关系对于癌症的预防和治疗具有重要意义。
2. 细胞增殖的机制细胞增殖是指细胞数量增加的过程，主要通过细胞分裂来实现。
细胞分裂包括有丝分裂和无丝分裂两种形式。
有丝分裂是指通过有丝分裂纺锤体的形成和消失来实现染色体的准确分离，从而产生两个与母细胞基因组完全相同的子细胞。
无丝分裂则是指细胞核直接分裂，没有明显的纺锤体形成。
3. 癌症的发展过程癌症的发展是一个复杂的过程，涉及到多个细胞生物学过程的紊乱。
癌症的发展过程包括癌前病变、原位癌、浸润癌和转移癌四个阶段。
癌前病变是指正常细胞发生遗传变异和表观遗传变化，逐渐演变为癌细胞前体。
原位癌是指癌细胞仅局限于原发病灶，没有浸润到周围组织。
浸润癌是指癌细胞侵犯周围组织和器官。
转移癌是指癌细胞通过血液循环或淋巴系统迁移到其他部位。
4. 细胞增殖与癌症的关系细胞增殖在癌症的发展中起到了重要的作用。
癌细胞的异常增殖导致肿瘤的形成和扩大。
细胞增殖过程中的遗传变异和表观遗传变化是癌症发展的重要驱动力。
癌细胞通过激活增殖信号通路和抑制凋亡信号通路，促进自身的不受控制的增殖。
此外，癌细胞还可以通过改变细胞周期调控、增加血管生成和抑制免疫应答等机制来促进细胞增殖和肿瘤的发展。
5. 结论与展望细胞增殖与癌症之间存在着密切的关系。
深入研究细胞增殖的机制和癌症的发展过程，有助于揭示癌症发生发展的机制，并为癌症的预防和治疗提供新的思路和方法。
细胞学作业第十四章 细胞增殖调与癌细胞
一、简述p34^cdc2/cyclin B蛋白激酶的发现过程。
Tim Hunt 为代表的科学家以海胆卵为材料，对细胞周期调控进行了深入研究。
JR.Evans 等人于1983年报道，在海胆卵细胞中含有两种特殊蛋白，它们的含量随周期过程变化而变化，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一个周期有重复这一过程，因而它们将其命名为周期蛋白。
随后的研究证明：周期蛋白为诱导蛋白进入M期所必须。
各种生物之间的周期蛋白在功能上有着广泛的互补性。
将海胆cyclin B的mrna引入到非洲爪蟾卵非细胞系中，其翻译产物可诱导该非细胞体系进行多种细胞周期循环。
接下来的一系列实验提示周期蛋白可能参与MPF的功能调节。
二、举例说明CDK在细胞周期中是如何执行调节功能的？细胞周期调控包括正调控、负调控和信号反应。
CDK激酶是正调控因子，它是细胞沿周期运行的引擎蛋白。
以MPF为例阐述：MPF是一种使多种底物磷酸化的蛋白激酶，即CDK1激酶，由p34蛋白和周期蛋白B结合而成。
CDK1激酶活性首先依赖于周期蛋白B含量的积累。
周期蛋白B一般在G1期的晚期开始合成，通过S期，其含量不断增加，达到G2期，其含量达到最大值，CDK1激酶的活性随着周期蛋白B浓度变化而变化。
CDK1激酶的活化还受到激酶与磷酸酶的调节。
活化的CDK1激酶可使更多的CDK1激酶活化。
随着周期蛋白B 含量达到一定程度，CDK1激酶活性开始出现，到G2晚期阶段，CDK1激酶活性达到最大值并一直维持到M期的中期阶段。
活化的CDK1激酶促使分裂期细胞在分裂前期执行下列生化事件：（1）染色质开始浓缩形成有丝分裂染色体；（2）细胞骨架解聚，有丝分裂纺锤体开始组装；（3）高尔基复合体、内质网等细胞器解体，形成小的膜泡。
在有丝分裂的后期，活化的后期促进因子APC主要介导两类蛋白降解：后期抑制因子和有死分裂周期蛋白。
前者维持姐妹染色单体粘连，抑制后期启动；后者的降解意味着CDK1激酶失去活性，有死分裂即将结束，即染色体开始去凝集，核膜重建。
第十四章 细胞增殖调控与癌细胞
二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系
温度敏感株 cdc基因调控酵母细胞分裂和细胞周期（cdc2, cdc25, cdc28等) MPF催化亚单位(p32) cdc2基因突变导致细胞停留在G2/M期交界处
p34cdc2 p34cdc28
cdc28基因突变导致细胞停留在G1/S期交界处 或G2/M期交界处
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The pathogenesis of cancer metastasis
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二、癌基因与抑癌基因
癌症主要是由携带遗传信息的DNA的病理变化而引起的疾病 遗传病：生殖细胞DNA突变 癌症：体细胞DNA突变 （生殖细胞某些基因位点的突变会加大癌变的可能性） 癌基因（oncogene）：控制细胞生长和分裂的一类正常基因，其突变能引起 正常细胞发生癌变。
ATR/CHK1介导 DNA复制检验点
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六、其他因素在细胞周期调控中的作用
癌基因 抑癌基因 （p53, Rb）
细胞和机体的外在因素 离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、PH变化等
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第二节 癌细胞
一、癌细胞的基本特征
动物体内因细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细胞（tumor cell）； 具有转移能力的肿瘤细胞称为恶性肿瘤（malignancy）； 源于上皮组织的恶性肿瘤称为癌 （目前已成为恶性肿瘤细胞的通称）。
抑癌基因或其编码的蛋白质的主要功能可概括为3类： ① 偶联细胞周期与DNA损伤 ② 与细胞凋亡有关 ③ 与细胞黏着有关
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原癌基因- 显性突变
抑癌基因- 隐性突变
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控制细胞生长和增殖，并与肿瘤发生相关的7类蛋白
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细胞信号调控网络及肿瘤发生相关的主要调控因子
第14章+细胞增殖调控与癌细胞
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六、细胞周期运转调控
1. G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用 2. M期周期蛋白与分裂中期向后期转化 3. G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性Cdk激酶 4. S/G2期转化与DNA复制检验点
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1. G2/M期转化与CDK1激酶的关键性调控作用
• CDK1激酶即MPF，由p34cdc2蛋白和周期 蛋白B结合而成。p34cdc2蛋白在细胞周期中 的含量相对稳定，而周期蛋白B一般在G1 期的晚期开始合成，S期含量不断增加， 到G2期含量达到最大。因此，CDK1激酶 活性在G2期晚期达到最大并一直维持到M 期的中期阶段。
Cyclin B-Cdk1 (Cdc2)
G1 Substrates
S Substrates
G2/M Substrates
Growth and Morphogenesis
DNA Replication
Mitosis 26
五、Cdk激酶抑制因子
• 哺乳动物Cdk抑制因子 (Cdk inhibibitors, CKIs) ，包括Cip/Kip家族和INK4家族。
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三、细胞周期蛋白(cyclin)
1983年Evans等报道在海胆卵细胞中存在一种特 殊蛋白质，这种蛋白含量随细胞周期进程变化 而变化，将这种蛋白称为周期蛋白(cyclin)。
已从多种生物体发现细胞周期蛋白，如酵母的 Cln1、Cln2、Cln3、Clb1~Clb6，高等动物的周 期蛋白A1、A2、B1、B2、B3、C、D1、D2、 D3、E1、E2、F、G、H、L1蛋白在细胞周期 调控中的作用
在DNA出现损伤时，P53 作为转录激活因子诱导 P21基因的表达，P21蛋白 能够同CDK-周期蛋白复合 物结合并将细胞阻止在G1 期或G2期。同时，P21蛋 白与增殖细胞核抗原
植物生理学第十四章 细胞增殖及其调控
第二节 癌细胞
癌细胞的基本特征 癌基因与抑癌基因 肿瘤干细胞
动物体内因分裂调节失控而无限增殖的细胞称为肿瘤细 胞。
具有转移能力的肿瘤称为恶性肿瘤；上皮组织的恶性肿 瘤称为癌。
癌细胞与正常分化细胞明显不同的一点： 正常分化细胞：细胞类型各异，但都具有相同的基因组； 癌细胞：细胞类型相近，但基因组却发生不同形式的改变。
肿瘤的发生频率会高吗？
第一、绝大数基因突变位点不会致癌 第二、单一基因的突变不会发生癌症，多个基因突变逐 渐形成癌细胞的特征
癌症会遗传吗？
生殖细胞中原癌基因或肿瘤抑制因子发生致 癌突变——癌变发生所需要的基因突变数积 累时间减少，家族成员更易患癌症
白血病：血细胞恶性增生——少数基因发生 突变，便可导致癌症发生，患病年龄较早
Dr. Folkman’s War: endostatin（内皮他丁）
研究细胞增殖调控的意义
G1
S
G2
Cytokinesis
M
基于细胞周期的癌症治疗药物研发进展
本章小结
促成熟因子（MPF）=p34cdc2（周期蛋白依赖性激酶） +clyclin B （周期蛋白）
周期蛋白：不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时间不同 ，与不同的CDK结合调节其活性
植物生理学第十四章 细胞增殖及其 调控
重点：MPF的组成及作用；细胞周期运 转调控；癌细胞的基本特征；癌基因与 抑癌基因；肿瘤干细胞
难点：细胞周期运转调控
第一节 细胞增殖调控
MPF（mitosis promoting factor）发现及其作用 p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 周期蛋白 CDK激酶（cyclin-dependent kinase）和CDK抑制因子 细胞周期运转调控
第十四章 细胞增殖调控与癌细胞-yan
• • • the 32(34) kDa protein and the Cdc2 Cell, 54, 433-439 , 1988
非洲爪蟾：MPF : 裂殖酵母：P34cdc28 芽殖酵母 P34cdc2
P32+P45
+P56cdc13
CDK1
海胆卵：cyclinA cyclinB
MPF主要 成分
SCF底物特异性的识别是由F-box 蛋白来决定的
SCF通过降解不同时期不同底物从而在 整个细胞周期中都发挥作用
确保每一周期DNA只复制一次的机制
在G1期ORC（复制 起始点识别复合物）结 合起始复制点，Cdc6和 Cdt1被募集到ORC上， 在ATP供能下，促进6个 亚单位构成的Mcm复合 体和其他一些蛋白结合 到ORC上，形成前复制 复合体（pre-RC）， DNA复制获得执照。 Mcm 实际上就是 DNA解旋酶。随着DNA 的复制， Mcm逐渐减少， 复制结束消失。 Mcm存在于细胞质 中，只有在M期细胞核 膜破裂时才有机会和染 色质结合。
（二）M期周期蛋白与分裂中期向分裂后期转化
① M期周期蛋白A和B在分裂中期与CDK1分离，在激活APC （Anaphase Promoting Complex）的介导下，通过泛素依赖性途径降解)。 ② CDK1激酶活性消失，细胞由中期向后期转化，完成一个细胞周期。
。
APC至少由15种成分组成，分别为APC1-APC15。在人体和酵 母中都分别鉴定出13种. APC 正调控因子： Cdc20/Fizzy和Cdh1/Fzy; 负调控因子：Emi1、 Emi2、Mad2、BubR1等。 Cdc20 和Mad2蛋白位于动粒上，在微管与动粒结合以前，不 能从动粒上释放。 • 当微管正确结合到动粒上时,可能改变着丝粒相关蛋白的构象,从 而影响BubR1 等的活性,使Mad2 与Cdc20脱离动粒,这时APC才有活 性，启动细胞向后期转换.
第十四章细胞增殖调控与癌细胞
第十四章细胞增殖调控与癌细胞细胞周期的有序运转第十四章细胞增殖调控与癌细胞第一节细胞增殖调控Clock Theory Domino Theory一、MPF的发现及其作用研究背景1970s Rao和Johnson发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体(prematurelycondensed chromosome，PCC)。
–G1期PCC为单线状，因DNA未复制。
–S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。
–G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。
甚至不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF)。
G期细胞与M期细胞融合S期细胞与M期细胞融合1G 2期细胞与M期细胞融合PCC成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF ）,早期称为M-期促进因子(M-phase promoting factor, MPF)，是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子MPF的发现及组成卵细胞提取物注射实验把M 期细胞的细胞质注射到卵细胞，发现可以促进卵细胞成熟分裂，继续用该卵细胞细胞质诱导新的卵细胞，仍然可以促进卵细胞成熟分裂。
因而他们推测M 期细胞中必然有一种物质可以诱导卵细胞成熟分裂，即促细胞成熟因子（maturation promoting factor, MPF ）。
1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 以芽殖酵母和裂殖酵母为实验材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene, CDC)。
如：–裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；–wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；–cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。
第十四章 细胞增殖调控与癌细胞
结果 找到cdc基因，如cdc28,表达蛋白为 34kDa,称为p34cdc28
结论 第二个被分离出来的cdc基因； 突变后细胞停留在G1/S或G2/M期 。
cdc2: 第一个被分离出来的cdc基因，表达蛋白为p34cdc2 特点：突变后裂殖酵母细胞停留在G2/M期
cdc28: 第二个被分离出来的cdc基因，表达蛋白为p34cdc28 特点：突变后芽殖酵母细胞停留在G1/S或G2/M期
结论
在成熟的卵母细胞中，必定有一种物质，能诱导卵 母细胞成熟，这种物质称为成熟促进因子（MPF）
卵细胞细 胞质移植 实验
成熟卵母细胞中 的物质能诱导卵 母细胞成熟
实验三 时间 研究者 步骤
1988 Maller et al
以2和p45两种蛋白。p32和p45结合后， 表现出蛋白激酶活性，能使多种蛋白质底物磷酸化
1、CDK
通过Pdc2同类基因，不同物种的cdc2基因编 码的蛋白质都含有一段相似序列，并且都能和周期蛋白结合， 将其作为调节亚基，进而表现出激酶活性。它们被统称为周 期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase)，简称 CDK。
A： G1期DNA未复制，超前染色体为单线性； B：S期DNA正在复制，超前染色体为点状，很多复制起始点；
C：G2期DNA复制完毕，超前染色体为双线性。
实验二 时间
研究者
1971 Masui和Markert
步骤
用解剖的方法分离非洲爪蟾第IV期卵母细胞， 孕酮诱导成熟后进行细胞质移植实验
结果
孕酮诱导成熟的卵母细胞的细胞质 能诱导其他卵母细胞的成熟
已经发现CDK1-CDK13等CDK激酶。
（1）与不同类型的周期蛋白相结合的CDK
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Amphibian oocytes and early embryos of frogs
(引自翟中和等，2011)
Masui and Markert’s experiments (J. Exp. Zool. 1971, 177: 142)
What’s the role of hormone? Trigger protein synthesis
By cyclin
mitosis
mitosis
Cyclin concentration
interphase
interphase
By phosphatase and Kinase
Cell-cycle control system: cyclically activated protein kinases
2. MPF: transition from G2 to M
Maturation-promoting factor / Mitosis-promoting factor
(引自翟中和等，2011)
1978, MPF activity undergoes dramatic fluctuations in cleaving eggs that correlate with changes in the cell cycle
Mitosis
Mitosis
Mitosis
MPF activity
Cdc2
MPF has protein kinase activity
cyclin
M phase Cyclin-Cdk (MPF) (Cyclin-dependent protein kinase)
cyclin-dependent kinase (Cdk)
MPF的发现
• HeLa细胞融合：有丝分裂促进因子
(1) Discovery Does the cytoplasm of cells contain regulatory factors that affect cell cycle activities?
(引自翟中和等，2011)
M phase HeLa cell with a rat kangaroo PtK2 cell, 1974, Humangenetik
cdc2-
Cdc2 encodes a protein kinase with 34kD whose activity is required for cells to enter M phase.(p34cdc2)
Hartwell found cdc28
• What is the relationship between cyclins or cdc2 and MPF? MPF purification: 1988 (Xenopus egg) MPF=32kD+45kD Cyclin B Cdc2
Interphase Interphase High Low
➢Tim Hunt found cyclin in 1983: sea urchin eggs
When the gel was developed on Friday 23 July 1982, I found that the strongest band early on suddenly got very much weaker at about the time when the eggs were about to divide in two. This was a stunning, startling discovery.“
35S-Met: Fertilized eggs
16 min 60 min 85 min 120 min
Samples after fertilized
Cyclin: in sea urchin eggs that is destroyed at each cleavage division.
Cell, 1983, 33:389-396
➢Nurse found cdc2
• In the mid-1970s as a postdoc studying the fission yeast S. pombe.
• Divide before they had reached full size: Mutants – wee:
Wee1，wee2
Regulation of cell proliferation
and cancer cells
细胞增殖调控与癌细胞
Section 1 Regulation of Cell Proliferation
1. Cell-cycle control system
and Checkpoints
Cell-cycle control system safely guides the cell through the events of the cell cycle
In most eucaryotic cells, the cell-cycle control system triggers cell-cycle progression at three major regulatory transitions, or checkpoints
(From the World of the Cell, 2000)
• 非洲爪蟾卵细胞提取物注射：MPF概念提 出
• 酵母温度敏感突变株：cdc基因，p34cdc2， Cdc28
• 海胆卵细胞：Cyclin的发现 •thMe P20F0生1 N化o成be分l P：rizCedfoc2r P和hyCsiyocloligny or Medicine
(2) Activation of MPF
• The wee2 gene was later
（University of Oxford）
renamed cell division cycle 2
(CDC2 is identical in function to
CDC28 from budding yeast 1982).
cdc2D
Normal