第十三章

細胞周期的調控學生王函指導老師葉文博2010-6-11細胞周期的調控前言細胞周期的準確調控對生物的生存、繁殖、發育和遺傳均是十分重要的。簡單生物調控細胞周期主要是為了適應自然環境，以便根據環境狀況調節繁殖速度，以保證物種的繁衍。復雜生物的細胞則需面對來自自然環境和其他細胞、組織的信號，作出正確的應答，以保證組織、器官和個體的形成、生長以及創傷愈合等過程能正常進行，需要更為精細的細胞周期調控機制。細胞周期的調控

參與細胞周期調控的環境因素包括光、熱、輻射等理化因素和細胞因子、激素等生物因素。

細胞周期的調控可分為以下三個方面：1，時序調控——細胞周期的基本調控內容，控制細胞周期的各個時序有規律的推進和轉換。2，DNA復制的調控——保證DNA準確完整的復制，維持遺傳物質的穩定性。3，檢查點的調控——細胞在受損和應激等特殊情況下的調控機制。上述三個方面不是孤立的，而是協調一致的，既有交叉也有滲透。細胞周期的調控一、細胞周期的時序調控細胞周期的時序調控主要由cdc基因產物直接或間接參與調控cdc基因主要包括：周期素(cyclin)周期素依賴性蛋白激酶

(cyclin-dependentkinase，CDK)CDK調節因子CDK抑制因子（CDKinhibitoryproteinCKIS）細胞周期的調控（一）CDK的調節1971年,Masui和Markert用非洲爪蟾做實驗，發現一種能促進卵細胞分裂的成熟因子,稱為成熟促進因子（maturationpromotingfactor,MPF）。后來證實，MPF存在于所有的真核生物中，具有促進細胞由G2期向M期轉換的作用。MPF由兩個亞基組成：

MPF=

p34cdc2/CDK1+cyclinB

（催化亞單位）（調節亞單位）CDK分子在進化上高度保守，從酵母、秀麗線蟲等低等真核生物到高等生物，各種CDK分子都高度同源。，現有對細胞周期調控機制的認識大都來自對酵母等低等生物細胞周期調控的結果細胞周期的調控

CDK只有和周期素結合，并在CDK活化激酶（CAK）的催化下才表現出蛋白激酶的活性。每一種CDK在細胞周期的特定時期與相應的周期素結合，以復合體的形式發揮其生物學作用。

對細胞周期的調控CDK細胞周期的調控

不同周期蛋白的表達時期不同，與不同的CDK結合，調節不同CDK激酶的活性。

部分哺乳動物和酵母細胞周期蛋白在細胞周期中的積累及其與CDK激酶活性的關系。細胞周期的調控

G1期時MFP的激活

G1期，在生長因子的刺激下，cyclinD表達，并與CDK4、CDK6結合，使下游的蛋白質如Rb磷酸化，Rb釋放出轉錄因子E2F，促進許多基因的轉錄，如編碼cyclinE、A和CDK1的基因。細胞周期的調控

1988年M.J.Lohka純化了爪蟾的MPF，經鑒定由32KD和45KD兩種蛋白組成，二者結合可使多種蛋白質磷酸化。后來PaulNurse（1990）進一步的實驗證明P32實際上是CDC2的同源物，而P45是cyclinB的同源物，從而將細胞周期三個領域的研究聯系在一起。2001年10月8日美國人Leland

Hartwell、英國人PaulNurse、Timothy

Hunt因對細胞周期調控機理的研究而榮獲諾貝爾生理醫學獎。

細胞周期的調控（二）周期素周期素是一組隨著細胞周期的進程周期性表達的蛋白，它作為CDK的調節亞基在各種真核生物細胞周期調控中起作用。迄今在脊椎動物中發現9種周期素，有的有幾種亞型。不同的周期素有不同的表達規律，對細胞周期的調控作用也各不相同。例如：周期素D家族（D1、D2、D3）在G1期開始表達，直到分裂后期降解，是啟動細胞增殖，促進G1期向S期轉換的關鍵因子。周期素D能與CDK4、CDK6組成復合體，催化Rb磷酸化，誘導E2F/DP-1二聚體活化，促進周期素E等分子表達及向S期的轉換。細胞周期的調控周期素盒通過對各種周期素空間結構分析發現，周期素主要通過一個叫周期素盒（cyclinbox）的結構域與CDK結合。周期素盒又由5個α-螺旋組成的被稱為周期素折疊（cyclinfold）的基序組成。對周期素A/CDK2的相互作用的分析顯示，周期素盒主要與CDK上的PSTAIRE基序結合。細胞周期的調控

細胞轉錄因子（E2F）

在許多DNA合成基因和細胞生長調控基因的啟動子中均含有E2F的位點，E2F可以直接活化這些基因，啟動DNA合成使細胞進入S期。

在E2F基因活化轉錄功能區內有一段18個氨基酸的序列可與Rb結合，Rb通過與E2F功能區的結合遮蓋其功能區，抑制其活性轉錄功能，抑制DNA合成。

E1A的介入，釋放出更多的游離E2F，影響著一些與轉化表型有關的特定基因表達。

細胞周期的調控

Rb基因

Rb基因位于人類染色體13q14，其轉錄產物Rb蛋白是主要的轉錄信號連接物，在細胞周期中起制動器功能。它能與轉錄因子E2F結合并阻止相應基因轉錄表達，從而抑制細胞生長。

cyclinD是Rb調節細胞周期的基礎。cyclinD1-CDK4復合物可看做G1期Rb蛋白激酶，它能結合Rb的N末端，磷酸化Rb蛋白，使轉錄因子釋放，導致G1／S轉化。

細胞周期的調控

細胞周期的調控E2F-1功能調節機制細胞周期的調控（三）CAK和磷酸酶CAK是CDK活化激酶，最早在動物身上發現，由周期素H/CDK7組成。周期素H/CDK7復合體的形成還需要另外一個輔助因子MAT1參與。周期素H/CDK7-MAT1復合體能催化CDK1,CDK2,CDK4磷酸化。Cdc2與周期素結合后，在周期素H/CDK7-MAT1復合體的催化下，T161位點發生磷酸化，但此時由于WEEL和MIK1激酶的存在，Thr14、Try15位點的磷酸化使Cdc2仍處于失活狀態。只有在Cdc25酪氨酸磷酸酶催化下，Try15去磷酸化，Cdc2才完全活化，促進細胞由G2向M期轉換。細胞周期的調控（四）CDK抑制因子細胞內有一組CDK抑制因子（CKI）對細胞增殖起負調節作用，因而又稱“有絲分裂抑制劑”。目前發現的CKI大致分為兩大家族：（1）INKs：p15、p16、p18、p19

是cDK4和cDK6的特異性抑制物。（2）CIP／KIPs：p21、P27、p57等，抑制各種cyclin-CDK復合物，阻止CDK激酶的激活，或阻止活化的CDK激酶活性。細胞周期的調控P16

p16INK4位于染色體9p21，又稱多腫瘤抑制基因(multipletumorsuppressorMTSI)，是CDK4的特異性抑制物，可與cyclinD競爭與CDK4或CDK6的結合，抑制CDK4對細胞生長分裂的正向作用，參與抑制細胞周期G1／S的轉化。p16在缺乏功能性Rb的細胞中水平上升，提示Rb可能抑制p16的表達，同時Rb刺激cyclinD的表達。

細胞周期的調控

P16

CDK4

cyclinD1

一

Pcdk介導的磷酸化

RbRbP

一

G1

S

DNA轉錄細胞周期的調控細胞周期的調控（五）CDK和周期素調節蛋白CDK和周期素的調節蛋白是一組調節CDK次序性活化與失活，參與或介導周期素降解的分子，包括CDC6、CDC45、CDC37.CDC6功能是協助復制前復合體的形成CDC45有助于DNA的延伸CDC37的功能是協助周期素D1-CDK4復合體的形成，并能與熱休克蛋白90形成穩定的復合物細胞周期的調控

在細胞周期的調控過程中，周期素、CDK抑制劑和其他調控分子都需要適時表達和活化，及時降解，才能保證細胞周期的正常運轉。泛素-蛋白酶復合體介導的蛋白水解途徑在細胞周期調控分子及其他信號分子的活性調控中扮演及其重要的角色。細胞周期的調控

細胞周期調控中各元素間的相互作用

細胞周期的調控可分為外源和內源性調控,外源性調控主要是細胞因子以及其它外界刺激引起；內源性調控主要是通過Cyclin—CDK—CDI的網絡調控來實現。細胞周期的調控各種細胞周期蛋白隨特定細胞時相而出現

G1早期，cyclinD表達并與CDK2或CDK4結合，成為始動細胞周期的啟動子；

G1晚期、進入S早期后cyclinE表達，并與CDK2結合，推動細胞進入S期；進入S期后，cyclinA表達，cyclinD、cyclinE降解；

S晚期、G2早期，cyclIinA、cyclinB表達，并與cdc2結合，促進細胞進入M期。細胞周期的調控

二、細胞周期檢測點的調控

細胞在長期的進化過程中發展出了一套保證細胞周期中DNA復制和染色體分配質量的檢查機制,通常被稱為細胞周期檢測點(checkpoint)又稱為限制點(restrictionpoint)。這是一類負反饋調節機制。當細胞周期進程中出現異常事件,如DNA損傷或DNA復制受阻,這類調節機制就被激活,及時地中斷細胞周期的運行,待細胞修復或排除了故障后,細胞周期才能恢復運轉。保證了在細胞周期中上一期事件完成以后才開始下一期的事件。

細胞周期的調控

細胞周期檢測點：G1-S期檢測點、S期檢測點、

G2期檢測點、M期檢測點。檢測點的組成：發現或傳感(detect或sensor)、制動或扣留(stop或arrest)、修復(repair)、繼續分裂或死亡。檢測點功能缺陷會導致基因突變和染色體結構異常細胞增殖,導致腫瘤發生

。細胞周期的調控檢測點的任何一部分出了問題，如發現不了DNA損傷(如ATM突變)、不能使細胞周期停下來(如p53突變)、DNA修復錯誤(如MLHl／PSM突變)、決定錯誤(如BCL—2突變)等都會導致遺傳的不穩定性、(基因)受損細胞的