第三节细胞周期的调控(CellCycleControl)资料
第三章_真核细胞周期调控的分子机制
（一）P21 • • • • • • 结构特点：启动子上有P53结合位点 功能： DNA损伤时G1期停滞的关键性决定因素 在G2/M转折中起作用 参与细胞的终末分化和衰老 与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA结合，直接抑 制DNA的合成。 • 表达调节： • P53的转录激活调节 • P53-非依赖的调节：P202、STAT信号通路、癌 基因产物的负性调节（c-Myc、Set、Her2）
• 生长因子是一大类与细胞增殖有关的信号物质，
生长因子的作用机理
五、周期蛋白-激酶抑制因子 （CDK-kinase inhibitor，CKI） • CKI对细胞周期起负调控作用
• CKI分为两大家族：
※INK4 (Inhibitor of kinase 4)家族 ※CIP / KIP 家族 CIP: CDK inhibitory protein KIP: Kinase inhibitory protein
Drug-treated
细胞周期阻滞于S期
G0+G1
G0+G1
G2+M G2+M
S
S
G0+G1 G0+G1 S G2+M S
Control
G2+M
细胞周期阻滞于G2期
第二节
参与细胞周期调控的分子
一、细胞周期蛋白（cyclin）
• 种类： 目前分离出30余种
脊椎动物：A1-2、B1-3 、C D1-3、 E1-2、 F、G、H等
裂殖酵母
G0
二、细胞周期调控的主要分子机制
• 细胞周期引擎——异二聚体蛋白激酶复合体 包括二个亚单位： • 调节亚单位：细胞周期蛋白（cyclin） cyclin浓度随细胞周期不断变化 • 催化亚单位：细胞周期蛋白依赖性激酶 (cyclin-dependent kinase，CDK) - CDK单独存在时无活性，与cyclin结合才 具有激酶的活性; - cyclin不仅起激活CDK的作用，还决定了 CDK何时、何处、将何种底物磷酸化。
细胞周期的调控.pptx
一、细胞周期的时序调控
细胞周期的时序调控主要由cdc基因产物直接或间 接参与调控
cdc基因主要包括：
周期素(cyclin) 周期素依赖性蛋白激酶 (cyclin-dependent kinase，CDK) CDK调节因子 CDK抑制因子（CDK inhibitory protein CKIS）
（四）CDK抑制因子
细胞内有一组CDK抑制因子（CKI）对细胞增 殖起负调节作用，因而又称“有丝分裂抑制 剂”。 目前发现的CKI大致分为两大家族： （1）INKs： p15、p16、p18、p19 是cDK4和cDK6的特异性抑制物。 （2）CIP／ KIPs： p21、P27、p57等， 抑制各种cyclin-CDK复合物，阻止 CDK激酶的激活，或阻止活化的CDK激酶活性。
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CDK2或CDK4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，cyclin A表达，cyclinD、 cyclin E降解； S晚期、G2早期，cyclIin A、cyclin B表 达，并与cdc2结合，促进细胞进入M期。
1988年M. J. Lohka 纯化了爪蟾的MPF，经鉴定由32KD和45KD两种蛋白 组成，二者结合可使多种蛋白质磷酸化。后来Paul Nurse（1990）进一 步的实验证明P32实际上是CDC2的同源物，而P45是cyclinB的同源物，从 而将细胞周期三个领域的研究联系在一起。2001年10月8日美国人 Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机 理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖。
细胞周期(cellcycle)及调节的因素
细胞周期（cellcycle）及调节的因素细胞周期及调节的因素问题的提出细胞周期是指连续分裂的细胞从一次分裂完成开始到下一次分裂结束所经历的全过程，分为间期与分裂期两个阶段。
细胞周期是50年代细胞学上重大发现之一。
问题：试题中出现了G0时期，这是一个什么时期？是细胞周期内的吗？哪些因素会影响细胞周期？011951年霍华德等用P-磷酸盐标记了蚕豆根尖细胞，通过放射自显影研究根尖细胞D N A合成的时间间隔，观察到P的掺入不是在有丝分裂期，而是在有丝分裂前的间期中的一段时间内。
发现间期内有一个D N A合成期（S期），P只在这时才掺入到D N A；S 期和分裂期（M期）之间有一个间隙无P掺入，称为G2期，在M期和S期之间有另一个间隙称为G1期，G1期也不能合成D N A。
首先证明间期是细胞周期中极为重要的一个阶段，发生着许多与细胞分裂有关的特殊生化事件。
这一发现被以后学者们用H—胸腺嘧啶核苷进行的类似研究所证实。
细胞分裂间期是动物体细胞有丝分裂过程中的一个重要阶段，这是一个新的细胞周期的开始，这个时期为细胞分裂准备了条件，细胞内部正在发生很复杂的变化。
近年来，利用放射性同位素标记自显影技术证明，间期细胞的最大特点是完成D N A分子的复制和有关蛋白质的合成。
因此，间期是整个细胞有丝分裂周期中极为关键的准备阶段。
细胞分裂间期分为三阶段。
细胞从上一次分裂结束后到下一次分裂开始的一段时间成为分裂间期。
分裂间期以细胞内部D N A合成为依据，又可分为：G1期－D N A合成前期：该期是从上一次细胞周期完成后开始的，刚形成的两个子细胞，其体积较原有的细胞小。
该期特点是物质代谢活跃，迅速合成R N A和蛋白质，细胞体积显著增大。
这一期的主要意义在于为下阶段S期的D N A 复制作好物质和能量的准备。
细胞进入G1期后，并不是毫无例外地都进入下一期继续增殖，在此时可能会出现三种不同前景的细胞：①增殖细胞：这种细胞能及时从G1期进入S期，并保持旺盛的分裂能力。
细胞周期的调控
2. INK4家族 p16，p15，p18
p19
与肿瘤发生有关，每个 成员都被称为某些肿瘤 的抑制基因。
p27蛋白
可结合抑制周期蛋 白E，D，A， B/CDK复合物，不 抑制PCNA。 对维持细胞静止态 必需。
3.2细胞周期与心血管疾病
周期蛋白，周期蛋白依赖性激酶抑制因子在血管 和心脏组织损伤，炎症和损伤修复中发挥重要作用。 心血管中的组织重塑是促增殖和抗增殖分子的调 节平衡过程，这种平衡的打破会导致心血管病变。
3.3细胞周期与衰老性疾病
一、阿尔茨海默症（AD） AD作为老年痴呆症中最 常见的一种，是一种神经退行 性疾病，大脑的神经元丢失是 最基本的病理改变，以严重的 记忆减退和认知障碍为主要临 床表现。
包括：G1 期、S期、G2期、 M期
2 细胞周期调控
2.1细胞增殖和分裂所需驱动蛋白
（以参与细胞周期的次序）
周期蛋白（cyclin） D型 E型 A型 B型 T型
H型
周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent
kinase ，CDK）
包括CDK2-9，均为Ser，Thr激酶
1.周期蛋白D
Structure of Dynactin P27 Subunit
p57 蛋白
对周期蛋白D2/CDK6亲和力 弱。可与p21结合。是后者功 能上调。同时也可为抑癌因 子。
p21蛋白
Structure of the C-terminal region of p21(WAF1/CIP1) complexed with human PCNA.
E2K复合物激活
2.2.2 G2/M期调控
细胞周期的调控机制
细胞周期的调控机制细胞是构成生物体的基本单位，细胞周期是指细胞从一个时期（细胞分裂前期）到下一个时期（细胞分裂后期）的整个过程。
细胞周期的调控机制涉及到细胞生长、分裂和再生等重要生物学过程，对于维持生物体正常发育和细胞功能保持至关重要。
细胞周期的调控主要包括两个阶段，即有丝分裂和无丝分裂。
在有丝分裂中，细胞经历分裂前期、分裂期和分裂后期三个阶段；而在无丝分裂中，细胞直接进行分裂。
细胞周期调控主要通过一系列的分子、细胞信号通路以及内外环境的调控来实现。
首先，细胞周期的调控是通过细胞周期蛋白依赖激酶（CDK）和周期蛋白（Cyclin）的调控实现的。
CDK是一类酶，其活性依赖于与之结合的Cyclin。
在不同阶段，不同类型的Cyclin与CDK结合形成复合物，进而激活或抑制特定的底物，从而驱动细胞周期的进行。
其次，细胞周期的调控还受到细胞内的一些信号通路的调节。
例如，细胞周期的进程可以受到细胞外环境的生长因子和细胞因子的刺激。
这些外界因子能够通过细胞膜上的受体激活下游信号通路，进而影响细胞周期的进行。
此外，细胞周期的调控也与细胞内外环境的营养供应、能量状态以及DNA损伤有关。
例如，当细胞内的营养供应不足时，细胞周期可能会暂停，以维持细胞的生存状态。
而当细胞遭受到严重的DNA损伤时，细胞可以通过诱导细胞周期的停滞或细胞凋亡来防止DNA损伤的遗传。
此外，细胞周期的调控还与一些重要的细胞周期抑制因子和分子通道有关。
细胞周期抑制因子包括细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂（CDKI）和抑癌基因P53。
这些抑制因子能够抑制CDK的活性，从而阻止细胞周期的进行或诱导细胞凋亡。
细胞周期的调控机制对于生物体的正常发育和细胞功能的维持至关重要。
一旦细胞周期的调控发生异常，可能导致细胞的过度增殖或失控性分裂，进而引发肿瘤或其他疾病的发生。
因此，对细胞周期调控机制的深入研究对于疾病的预防和治疗具有重要意义。
总结起来，细胞周期的调控机制是一个复杂而精细的过程，涉及到多个分子、细胞信号通路以及内外环境的调控。
生命科学中的细胞周期调控
生命科学中的细胞周期调控细胞是构成生物体的基本单位，定期地进行细胞周期，维持生命的正常运转，而细胞周期又被细胞周期调控所控制。
细胞周期调控是生命科学中的一个重要领域，其研究成果对生物学、医学、生物工程学等多个方面产生了深远的影响和贡献。
一、细胞周期调控的主要内容细胞周期可分为两个阶段，即有丝分裂期（M期）和间期（包括G1期、S期和G2期），其中G1期是整个细胞周期的关键阶段。
细胞周期调控主要包括两个方面：一是内部调控，即靠细胞自身调节细胞周期的进程；二是外部调控，即靠外界环境因素影响细胞的生理活动，从而调控细胞周期。
内部调控的主要机制有周期蛋白激酶（CDK）和细胞周期蛋白（Cyclin）等；外部调控的主要机制包括细胞生长因子、DNA破损检测和细胞凋亡等。
二、细胞周期调控的重要性1. 疾病防治在癌症发病机制中，细胞周期调控的异常是其发病的重要原因之一。
例如，当细胞周期蛋白（Cyclin）异常表达时，便会导致细胞进程异常加速，从而抑制或破坏正常的细胞周期调控。
因此，对细胞周期调控的深入研究能够为癌症等疾病的防治提供基础和理论支持。
2. 生物工程细胞周期调控对于生物工程也有着非常重要的意义。
在基因工程和生物制药领域中，细胞周期调控被广泛应用于选择适合的宿主细胞系统，控制目标基因的表达水平和优化生产工艺等。
例如，目前生物制药中以大肠杆菌作为表达载体已经成为了一种广泛应用的模式，而E. coli细菌中细胞周期调控的正常运转对于表达工程中的发酵条件、生产效率和产品质量都有着至关重要的作用。
三、细胞周期调控的研究方法随着科学技术的不断进步和发展，现代生命科学中的细胞周期调控研究方法也越来越多样化和精细化。
其中部分常见的研究方法包括：1. 细胞培养技术细胞培养技术可以模拟正常组织内的生长环境，为生命科学的研究提供平台。
此外，在细胞周期调控的研究中，细胞培养技术也可以用于观察选择的基因、蛋白的表达、细胞进程的变化等过程。
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cyclin在细胞周期的不同时期表达:
－G1期cyclin：cyclinD
－G1/S期cyclin：cyclinE
－S期cyclin： cyclinA
－M期cyclin：cyclinB（也包括cyclinA）
M期cyclin在N端含有一段由9个aa残基组成的 特殊序列，称为破坏框（destruction box），和泛 素介导的cylinA、B的降解有关。G1期cyclin在C端 由PEST序列。
- 在G2/M期转换中起重要作用 - 分子量也是34KD, 称p34cdc28 - P34cdc28也是一种蛋白激酶 - 本身无激酶活性, 必须与有关蛋白结合后才
有激酶活性Байду номын сангаас
三 周期蛋白(cyclin) - 在细胞周期中呈周期性变化。 - 含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期 蛋白框（cyclin box），介导周期蛋白与CDK结合 - 激活CDK，引导CDK作用于不同底物 - 已知30余种，在脊椎动物中为A1-2、B1-3 、C、 D1-3、E1-2、F、G、H等 - cyclin在细胞周期的不同时期表达，从而激活不同 时期的CDK激酶活性，表现为不同的调节功能
- 序列分析表明该基因编码一个相对分子质 量为34kDa的蛋白, 该蛋白又称为p34cdc2 蛋白；
- 研究发现酵母Cdc2蛋白是一种蛋白激酶, 调节G2/M的转换
芽殖酵母的Cdc28蛋白
- Studies showed that S. cerevisiae cdc28 and S. pombe cdc2 are functionally homologous genes
有丝分裂的退出：周期蛋白B的降解
- 细胞周期蛋白基因的cDNA分析 - N端破坏框(destruction box)
真核生物细胞周期调控的一般模型
三类周期蛋白-CDK复合物 -G1期周期蛋白-CDK复合物 -S期周期蛋白-CDK复合物 -有丝分裂周期蛋白-CDK复合物 三个关键的过渡 -G1期→S期 -中期→后期 -后期→末期及胞质分裂期过渡
- 对外界环境因子起反应(如多细胞生物对增殖 信号的反应)
细胞周期检验点(checkpoint)
细胞周期检验点是细胞周期调控的一种 机制,主要是确保周期每一时相事件的有 序、全部完成并与外界环境因素相联系 细胞周期检验点及其作用
G1期检验点： 芽殖酵母—Start； 动物细胞—Restriction Point
MPF是一种使多种底物蛋白磷酸化的蛋白激酶； 由 M 期 Cyclin-Cdk(Cyclin-dependent protein
kinase)形成的复合物。MPF=CDK1=p34cdc2+cyclinB
MPF的发现
1970年, Johnson 和Rao将Hela 细 胞同步化在细胞周期中的不同时期, 然后 将M期 细胞与其他间期细胞(如袋鼠细胞 PtK)融合, 发现与M期融合的间期细胞发 生了形态各异的染色体凝集, 称为染色体 超前凝集(premature chromosome
1988年, Maller 实验室以非洲爪蟾卵为 原料, 分离获得了纯化的MPF, 并证明其主要 含有 p32 和p45两种蛋白. 具有蛋白激酶活 性.
MPF的结构组成
- 是由两个不同的亚基组成的异质二聚体 - 催化亚基
是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶 其活性有赖于周期蛋白，故蛋白称为周期依 赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,Cdks); - 调节亚基：周期蛋白(cyclin)。
condensation).
人M期细胞与袋鼠（Ptk）G1、S、G2期细胞融合 诱导PCC：提示M期细胞存在诱导PCC的因子(细胞
促分裂因子)；
M期细胞中可能存在一种诱导染色体 凝集的因子, 称为细胞促分裂因子(M phaseprometing factor).
1971年, Masui和Markert明确提出MPF.
第三节 细胞周期的调控(Cell-Cycle Control)
- MPF的发现及其作用 - p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关系 - 周期蛋白 - 细胞周期检验点(Cell CycleCheckpoint)
细胞周期调控系统的主要作用
- 在适当时候激活细胞周期各个时相的相关酶 和蛋白
- 确保每一时相事件的全部完成
哺乳动物细胞周期的控制
哺乳动物细胞周期的限制点（restriction point） - 哺乳动物细胞体外培养时，需要添加多肽生长因
子促进细胞的分裂； - 如培果养缺基少中生添长加因了子生,长就因会子被, 阻这些止在细胞G0在阶1段4,～一1旦6小在
时后通过细胞周期限制点； - 细胞一旦通过了G1期的某一点（限制点）, 这些
Cyclin-Cdk复合物的多样性
Cyclin-Cdk---调控细胞周期的引擎：不同的 周期蛋白与不同的CDK结合，构成不同的CyclinCdk；不同的Cyclin-Cdk在不同的时相表现活性， 影响不同的下游事件。
注射实验表明：孕酮诱导卵母细胞成熟；成熟
卵细胞质中，含有卵母细胞成熟的因子，称做 MPF(成熟促进因子)
MPF
成熟促进因子(maturation promoting factor，MPF）,早期称为M-期促进因子(Mphase promoting factor, MPF)，是指M期 细胞中存在的促进细胞分裂的因子
Genetic studies of S.pombe (裂殖酵母)
酵母的细胞周期基因突变 - 温度敏感突变型, 可分成两类 - cdc突变 这类突变在非允许的温度下培养,
形成特别长的细胞; - wee突变 这种突变长得特别小而不能分裂。
裂殖酵母的MPF
- 对突变体的研究发现,没有Cdc2的活性,细 胞不能进入有丝分裂
细胞就能够进入S期并完成其后的细胞周期过程； - 由此推测, 哺乳动物细胞周期的限制点相当于酵母
的START点。
一 MPF的发现及其作用 (Maturation-promoting factor，Mitosispromoting factor, M Phase-promoting factor )