細胞生物學第十二章

1、第十二章第十二章 細胞增殖及其調(diào)控細胞增殖及其調(diào)控細胞增殖：細胞物質(zhì)積累與細胞分裂的循環(huán)過程細胞增殖：細胞物質(zhì)積累與細胞分裂的循環(huán)過程1）掌握細胞周期及其相關(guān)的概念；）掌握細胞周期及其相關(guān)的概念；2）掌握有絲分裂和減數(shù)分裂過程中）掌握有絲分裂和減數(shù)分裂過程中的主要事件；的主要事件；3）掌握）掌握MPF、周期蛋白與、周期蛋白與CDK激激酶以及在細胞周期調(diào)控中的作用機酶以及在細胞周期調(diào)控中的作用機理。理。本章重點：本章重點：第一節(jié)第一節(jié) 細胞周期概述細胞周期概述細胞周期：細胞由一次分裂結(jié)束開始，細胞周期：細胞由一次分裂結(jié)束開始，經(jīng)過物質(zhì)積累過程，直到下一次分裂經(jīng)過物質(zhì)積累過程，直到下一次分裂結(jié)束為

2、止，稱為一個細胞周期。在正結(jié)束為止，稱為一個細胞周期。在正常情況下，沿著常情況下，沿著G1 S G2 M期的期的路線運轉(zhuǎn)。路線運轉(zhuǎn)。標準的細胞周標準的細胞周期期 、時相、時相細胞周期的長細胞周期的長短取決于短取決于G1期，期，不同細胞類型不同細胞類型之間差異較大。之間差異較大。不是每種細胞都不是每種細胞都有標準的細胞周有標準的細胞周期，如早期的胚期，如早期的胚胎細胞沒有胎細胞沒有G1和和G2期。期。表表- 某些真核生物的細胞周期時間某些真核生物的細胞周期時間 細胞周期各時相的合成活動細胞周期各時相的合成活動 ： G1是細胞周期第一個間隙，主要合成是細胞周期第一個間隙，主要合成rRNA、蛋白、蛋

3、白質(zhì)、脂類和碳水化合物，它為質(zhì)、脂類和碳水化合物，它為DNA合成作準備合成作準備 (gap1)。 S是是DNA 合成時期合成時期(synthesis phase)。組蛋白。組蛋白, DNA復制所需的酶。復制所需的酶。 G2是是DNA合成后期至核分裂開始之間的第二個間合成后期至核分裂開始之間的第二個間隙隙(gap2)。大量合成。大量合成ATP、RNA、蛋白質(zhì)、蛋白質(zhì), 包括微包括微管蛋白和成熟促進因子管蛋白和成熟促進因子MPF等，為有絲分裂作準等，為有絲分裂作準備。備。 M 是細胞分裂時期是細胞分裂時期 (mitosis)。RNA合成停止合成停止, 蛋蛋白質(zhì)合成減少白質(zhì)合成減少, 以及染色體高度

4、螺旋化。以及染色體高度螺旋化。 細胞周期檢驗點細胞周期檢驗點細胞周期檢驗點是控制細胞由一個時期向下一個細胞周期檢驗點是控制細胞由一個時期向下一個時期正常運轉(zhuǎn)的關(guān)卡。主要包括：時期正常運轉(zhuǎn)的關(guān)卡。主要包括：G1/S檢驗點檢驗點: 酵母中稱酵母中稱start點，哺乳動物中稱點，哺乳動物中稱R點點(restriction point)，控制細胞由，控制細胞由G1進入進入DNA合成合成期。期。 DNA是否損傷？細胞外環(huán)境是否適宜？細胞是否損傷？細胞外環(huán)境是否適宜？細胞體積是否足夠大？體積是否足夠大？S期檢驗點：期檢驗點：DNA復制是否完成？復制是否完成？G2/M檢驗點：檢驗點：決定細胞一分為二的控制點

5、，相關(guān)的決定細胞一分為二的控制點，相關(guān)的事件包括：事件包括：DNA是否損傷？細胞體積是否足夠大？是否損傷？細胞體積是否足夠大？中中-后期檢驗點后期檢驗點：紡錘體組裝檢驗點。紡錘體組裝檢驗點。 終末分化細胞終末分化細胞：不可逆地脫離細胞周不可逆地脫離細胞周 期，喪失分裂力，但保持生理活性的細期，喪失分裂力，但保持生理活性的細 胞。胞。根據(jù)細胞分裂行為，將真核生物細根據(jù)細胞分裂行為，將真核生物細胞分為胞分為3類類：連續(xù)分裂細胞（周期中細胞）連續(xù)分裂細胞（周期中細胞）: 在細胞周期中連續(xù)運轉(zhuǎn)在細胞周期中連續(xù)運轉(zhuǎn) 休眠細胞（休眠細胞（G0期細胞）期細胞）： 暫時脫離細胞周期，不進行增殖，但可暫時脫離細

6、胞周期，不進行增殖，但可 重新進入細胞周期。重新進入細胞周期。細胞周期同步化細胞周期同步化在自然過程中發(fā)生，或經(jīng)人工選擇或在自然過程中發(fā)生，或經(jīng)人工選擇或誘導致使細胞群體中細胞處于細胞周誘導致使細胞群體中細胞處于細胞周期的同一個時相。期的同一個時相。自然同步化：自然同步化：1多核體多核體 如粘菌如粘菌2某些水生動物的受精卵某些水生動物的受精卵 如海膽卵最初的如海膽卵最初的3 3次次分裂分裂3增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠增殖抑制解除后的同步分裂：如真菌的休眠 孢子移入適宜環(huán)境，一起發(fā)芽，同步分裂。孢子移入適宜環(huán)境，一起發(fā)芽，同步分裂。人工同步化人工同步化選擇同步化：選擇同步化：用物理方

7、法將處于細胞周期中用物理方法將處于細胞周期中同一階段的細胞從非同步的群體中分離出來。同一階段的細胞從非同步的群體中分離出來。 1）有絲分裂選擇法）有絲分裂選擇法：對數(shù)增殖期的對數(shù)增殖期的細胞細胞與培養(yǎng)皿的與培養(yǎng)皿的附著性低，振蕩脫離器壁收集培養(yǎng)。附著性低，振蕩脫離器壁收集培養(yǎng)。優(yōu)點：操作簡單，同步化程度高，細胞不受藥物傷害。優(yōu)點：操作簡單，同步化程度高，細胞不受藥物傷害。缺點：獲得的細胞數(shù)量較少（缺點：獲得的細胞數(shù)量較少（1-2%1-2%）。）。2）細胞沉降分離法：）細胞沉降分離法： 不同時期的細胞體積不同，不同時期的細胞體積不同，可離心分離?？呻x心分離。優(yōu)點：可用于任何懸浮培養(yǎng)的細胞優(yōu)點：可

8、用于任何懸浮培養(yǎng)的細胞缺點：同步化程度較低缺點：同步化程度較低 誘導同步化誘導同步化1）DNA合成阻斷法：選用合成阻斷法：選用DNA合成的抑制劑，合成的抑制劑，可逆地抑制可逆地抑制DNA合成合成, ,最終將細胞群阻斷在最終將細胞群阻斷在S S期或期或G G1 1/S/S交界處。常用交界處。常用TdR雙阻斷法：雙阻斷法：優(yōu)點：同步化程度高，適用于任何培養(yǎng)體系。優(yōu)點：同步化程度高，適用于任何培養(yǎng)體系。缺點：產(chǎn)生非均衡生長，個別細胞體積增大。缺點：產(chǎn)生非均衡生長，個別細胞體積增大。2）中期阻斷法：利用秋水仙素等破壞微）中期阻斷法：利用秋水仙素等破壞微管的藥物將細胞阻斷在中期。管的藥物將細胞阻斷在中期

9、。 優(yōu)點：無非均衡生長現(xiàn)象，優(yōu)點：無非均衡生長現(xiàn)象， 缺點：可逆性較差。缺點：可逆性較差。 利用條件依賴性突變體利用條件依賴性突變體n在正常條件下，細胞表現(xiàn)出正常功能，但在正常條件下，細胞表現(xiàn)出正常功能，但在某些條件下，功能出現(xiàn)異常，表現(xiàn)出突在某些條件下，功能出現(xiàn)異常，表現(xiàn)出突變的表型，將此類突變體稱為條件依賴性變的表型，將此類突變體稱為條件依賴性突變體（株）。突變體（株）。n條件突變體（株）在限定條件下培養(yǎng)，可條件突變體（株）在限定條件下培養(yǎng)，可獲得同步化的細胞。例如芽殖酵母，裂殖獲得同步化的細胞。例如芽殖酵母，裂殖酵母在限定溫度下，可以停留在酵母在限定溫度下，可以停留在G2/M和和G1/S

10、交界處。交界處。 （無染色體變化，不均等核分裂，不出現(xiàn)紡錘體）無染色體變化，不均等核分裂，不出現(xiàn)紡錘體）第二節(jié)第二節(jié) 細胞分裂細胞分裂細胞分裂的方式：無絲分裂細胞分裂的方式：無絲分裂amitosis 有絲分裂有絲分裂mitosis 減數(shù)分裂減數(shù)分裂meiosis有絲分裂：有紡錘體形成和染色體有絲分裂：有紡錘體形成和染色體的變化，染色體單體被平分到子細的變化，染色體單體被平分到子細胞。胞。減數(shù)分裂：染色體復制一次而細胞減數(shù)分裂：染色體復制一次而細胞連續(xù)分裂兩次，有紡錘體形成和染連續(xù)分裂兩次，有紡錘體形成和染色體的變化，子細胞染色體數(shù)為母色體的變化，子細胞染色體數(shù)為母細胞的一半。細胞的一半。有絲分

11、裂過程及其主要特征：有絲分裂過程及其主要特征：間期：間期：G1、 S、 G2 中心體中心體G1期末開始復制，期末開始復制，S期細胞含一對中心體，期細胞含一對中心體，G2開始向兩極分離，參與星體、紡錘體的形開始向兩極分離，參與星體、紡錘體的形成。成。 染色質(zhì)染色質(zhì)DNA復制復制有絲分裂過程及其主要特征：有絲分裂過程及其主要特征：M期：前期、前中期、中期、后期、未期、胞期：前期、前中期、中期、后期、未期、胞質(zhì)分裂質(zhì)分裂前期：有絲分裂開前期：有絲分裂開始，始，染色體的凝集染色體的凝集, ,分裂極的確定分裂極的確定( (動粒動粒開始裝配，紡錘體開始裝配，紡錘體開始組裝，星體出開始組裝，星體出現(xiàn)現(xiàn)),

12、核仁的消失。核仁的消失。星體星體-圍繞中心體向外輻射圍繞中心體向外輻射狀發(fā)射的微管組成的結(jié)構(gòu)。狀發(fā)射的微管組成的結(jié)構(gòu)。前中期：核膜破裂到染色體列隊排到赤道板之前中期：核膜破裂到染色體列隊排到赤道板之前的這一階段。核纖層解聚，染色體進一步縮前的這一階段。核纖層解聚，染色體進一步縮短變粗，紡錘體微管開始與動粒結(jié)合。短變粗，紡錘體微管開始與動粒結(jié)合。 中期：染色體列隊排到赤道板，中期：染色體列隊排到赤道板， 染色體最短最粗染色體最短最粗。列隊速度列隊速度0.05-1um/秒秒 后期：姊妹染色體單體分離，分別向兩極運動；后期：姊妹染色體單體分離，分別向兩極運動； 動粒微管變短，染色體向兩極運動（后動粒

13、微管變短，染色體向兩極運動（后 期期A）；極性微管變長，兩極距離變長）；極性微管變長，兩極距離變長 （后期（后期B）。）。染色體運動速度染色體運動速度1-2um/分分后期后期A： 染色單體分離染色單體分離 后期后期B：兩極延伸：兩極延伸星體微管星體微管 動粒微管動粒微管 極性微管極性微管馬達蛋白與微管系統(tǒng)共同協(xié)作，推動染色體分離馬達蛋白與微管系統(tǒng)共同協(xié)作，推動染色體分離 未期：染色單體到達兩極，開始去濃縮；未期：染色單體到達兩極，開始去濃縮；動粒微動粒微 管消失，極性微管繼續(xù)加長；核膜重新組管消失，極性微管繼續(xù)加長；核膜重新組 裝，核仁出現(xiàn)。裝，核仁出現(xiàn)。胞質(zhì)分裂：起始于后胞質(zhì)分裂：起始于后期

14、，完成于末期。期，完成于末期。動物細胞在赤道板動物細胞在赤道板處形成分裂溝，分處形成分裂溝，分裂溝收縮。裂溝收縮。 胞質(zhì)分裂：植胞質(zhì)分裂：植物細胞在赤道物細胞在赤道面上形成中央面上形成中央板，以此為基板，以此為基礎(chǔ)形成細胞壁。礎(chǔ)形成細胞壁。第三節(jié)第三節(jié) 細胞的減數(shù)分裂細胞的減數(shù)分裂減數(shù)分裂是在有性生殖細胞（配減數(shù)分裂是在有性生殖細胞（配子）形成過程中發(fā)生的染色體數(shù)子）形成過程中發(fā)生的染色體數(shù)目減半的一種特殊的有絲分裂方目減半的一種特殊的有絲分裂方式。式。一次一次DNADNA復制，兩次分裂，第一次復制，兩次分裂，第一次是減數(shù)分裂，第二次是等數(shù)分裂。是減數(shù)分裂，第二次是等數(shù)分裂。染色體組數(shù)目減半染

15、色體組數(shù)目減半 發(fā)生遺傳重組發(fā)生遺傳重組減數(shù)分裂的主要特點：減數(shù)分裂的主要特點：MEIOSIS特點：特點：1.同源染色體要發(fā)生交換同源染色體要發(fā)生交換重組。重組。2.同源染色體組要發(fā)生隨同源染色體組要發(fā)生隨機組合。機組合。減數(shù)分裂期減數(shù)分裂期I的各個時期：的各個時期：前期前期I 細線期細線期 偶線期偶線期 粗線期粗線期 雙線期雙線期 終變期終變期 中期中期I后期后期I末期末期I減數(shù)分裂前間期：減數(shù)分裂前間期：S期長，期長，DNA復制不完全。復制不完全。主要事件是完成同源染色體的配對，在此主要事件是完成同源染色體的配對，在此過程中要發(fā)生配對同源染色體間的交換重過程中要發(fā)生配對同源染色體間的交換重

16、組。組。細線期（細線期（凝集期）凝集期）：染：染色體呈細線狀；染色色體呈細線狀；染色單體連接緊密，具有單體連接緊密，具有念珠狀的染色粒；染念珠狀的染色粒；染色體的端粒同核膜相色體的端粒同核膜相連。連。偶線期：同源染色體配偶線期：同源染色體配對，聯(lián)會，二價體對，聯(lián)會，二價體（bivalent） 、四分體、四分體（tetrad），聯(lián)會復合），聯(lián)會復合體；合成剩余體；合成剩余DNA。( Zyg-DNA, 0.3%)。聯(lián)會復合體聯(lián)會復合體 synaptonemal complex ，SC SC是偶線期兩條同源染色是偶線期兩條同源染色體配對形成的復合結(jié)構(gòu)。體配對形成的復合結(jié)構(gòu)。蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)和DNA片段

17、是片段是SC的的主要組成成分。主要組成成分。側(cè)成分側(cè)成分中央成分中央成分粗線期：同源染色體的粗線期：同源染色體的非姊妹染色單體間發(fā)生非姊妹染色單體間發(fā)生基因交換重組，染色體基因交換重組，染色體縮短變粗，合成部分縮短變粗，合成部分p-DNA，合成專用組蛋白，合成專用組蛋白并置換。并置換。雙線期：重組結(jié)束，同源雙線期：重組結(jié)束，同源染色體相互排斥、開始分染色體相互排斥、開始分離，交叉開始端化，但仍離，交叉開始端化，但仍有聯(lián)系，不同程度解凝聚，有聯(lián)系，不同程度解凝聚，基因轉(zhuǎn)錄活躍，聯(lián)會復合基因轉(zhuǎn)錄活躍，聯(lián)會復合體消失。體消失。重重組組結(jié)結(jié)染色體重組染色體重組-交換與交叉交換與交叉在同源染色體聯(lián)會期間

18、，同源染色體要在同源染色體聯(lián)會期間，同源染色體要 發(fā)生斷裂和重接，在此過程中發(fā)生同源發(fā)生斷裂和重接，在此過程中發(fā)生同源 染色體間的交換，在顯微鏡下可見到交染色體間的交換，在顯微鏡下可見到交 叉（叉（chiasmachiasma）。）。交叉交叉( (crossover)crossover)是交換的結(jié)果。是交換的結(jié)果。同源染色體的交換與交叉同源染色體的交換與交叉終變期：二價體顯著變短。由于交叉端化過程終變期：二價體顯著變短。由于交叉端化過程的進一步發(fā)展，故交叉數(shù)目減少，同源染色體的進一步發(fā)展，故交叉數(shù)目減少，同源染色體僅在端部連接。核仁開始消失，核被膜解體。僅在端部連接。核仁開始消失，核被膜解體。

19、減數(shù)分裂的前期減數(shù)分裂的前期I細線期細線期偶線期偶線期粗線期粗線期雙線期雙線期終變期終變期中期中期減數(shù)分裂期減數(shù)分裂期II中期中期II后期后期II末期末期II前期前期II描述各時相的重要描述各時相的重要事件事件有絲分裂是一次細胞周期有絲分裂是一次細胞周期, , DNADNA復制一次復制一次, , 分裂一次分裂一次, ,染染色體由色體由2 2n2n;n2n; 減數(shù)分裂是兩次細胞周期減數(shù)分裂是兩次細胞周期, ,DNADNA復制一次復制一次, ,細胞分裂兩次細胞分裂兩次, , 染色體由染色體由2 2n1n;n1n;有絲分裂中有絲分裂中, ,每個染色體是獨立活動每個染色體是獨立活動; ; 減數(shù)分裂減數(shù)

20、分裂, ,染色體要配對、聯(lián)會、交換和交叉。染色體要配對、聯(lián)會、交換和交叉。有絲分裂之前有絲分裂之前, ,經(jīng)經(jīng)DNADNA合成合成, ,進入進入G G2 2期期, ,才進行有絲分裂才進行有絲分裂; ;減數(shù)分裂之前減數(shù)分裂之前, ,DNADNA合成時間很長合成時間很長(99.7%(99.7%合成合成,0.3%,0.3%未合成未合成),),一旦合成一旦合成, ,即進入減數(shù)分裂期即進入減數(shù)分裂期, ,G G2 2期長短變化大期長短變化大; ;有絲分裂時間短有絲分裂時間短,1-2,1-2小時小時; ;減數(shù)分裂時間長減數(shù)分裂時間長,20,20多小時多小時, ,至幾年。至幾年。減數(shù)分裂與有絲分裂的比較減數(shù)分

21、裂與有絲分裂的比較共同點共同點: : 都是通過紡錘體同染色體的相互作用進行細胞都是通過紡錘體同染色體的相互作用進行細胞分裂。分裂。不同點：不同點：有絲分裂是體細胞的分裂方式，減數(shù)分裂主要有絲分裂是體細胞的分裂方式，減數(shù)分裂主要是產(chǎn)生配子的過程是產(chǎn)生配子的過程; ;減數(shù)分裂的生物學意義減數(shù)分裂的生物學意義保證了染色體數(shù)目在世代交替中的恒定保證了染色體數(shù)目在世代交替中的恒定, ,從而從而保證了物種相對的穩(wěn)定性。保證了物種相對的穩(wěn)定性。染色體間分離時的重組染色體間分離時的重組, ,提供了遺傳的多樣性提供了遺傳的多樣性; ;同源染色體配對時交換重組同源染色體配對時交換重組, ,提高了基因內(nèi)、提高了基因

22、內(nèi)、基因間重組的頻率基因間重組的頻率, ,加快了進化的速度加快了進化的速度。細胞周期調(diào)控中的一些關(guān)鍵問題：細胞周期調(diào)控中的一些關(guān)鍵問題：n細胞如何準確地復制遺傳物質(zhì)及傳給子細胞如何準確地復制遺傳物質(zhì)及傳給子細胞的？細胞的？n調(diào)節(jié)細胞周期的關(guān)鍵調(diào)控因子是什么？調(diào)節(jié)細胞周期的關(guān)鍵調(diào)控因子是什么？n細胞周期是如何調(diào)控的？細胞周期是如何調(diào)控的？第四節(jié)第四節(jié) 細胞周期調(diào)控細胞周期調(diào)控20012001年諾年諾貝爾貝爾生理生理學學/ /醫(yī)醫(yī)學獎學獎得主得主利蘭利蘭哈特韋爾哈特韋爾(美)保羅保羅納西納西（英）蒂莫西蒂莫西亨特亨特（英）控制細胞周期的基因，控制細胞周期的基因，其中一種被稱為其中一種被稱為“STA

23、RT” 的基因?qū)Φ幕驅(qū)刂聘鱾€細胞周期的控制各個細胞周期的最初階段具有決定性最初階段具有決定性的作用。的作用。發(fā)現(xiàn)了發(fā)現(xiàn)了CDK（周（周期蛋白依賴性激期蛋白依賴性激酶）。酶）。發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)發(fā)現(xiàn)了調(diào)節(jié)CDK的功能物質(zhì)的功能物質(zhì)CYCLIN.以人細胞系以人細胞系HeLaHeLa和非洲爪蟾為研究代表和非洲爪蟾為研究代表 MPFMPF，促成熟因子，促成熟因子，p32+p45p32+p45以裂殖酵母、芽殖酵母為研究代表裂殖酵母、芽殖酵母為研究代表-CDCCDC（cell division cyclecell division cycle）細胞分裂基因，）細胞分裂基因，p p3434cdc2 p p343

24、4cdc28以海膽卵為研究代表以海膽卵為研究代表-Cyclin A、B、C、D， 細胞周期蛋白細胞周期蛋白細胞周期調(diào)控因子的發(fā)現(xiàn)和研究：細胞周期調(diào)控因子的發(fā)現(xiàn)和研究： 細胞融合實驗細胞融合實驗研究者：研究者：1970年，年，Colorado 大學的大學的Potu Rao 和和 Robert Johnson 研究方法：研究方法：使用使用HeLaHeLa細胞系的融合細胞系的融合早熟染色體凝集早熟染色體凝集(premature chromosome condensation,PCC ）或稱）或稱染色體超前凝集。染色體超前凝集。一、一、MPF的發(fā)現(xiàn)及其作用的發(fā)現(xiàn)及其作用G G1 1期細胞與期細胞與M

25、M期細胞融合期細胞融合G1期期PCC為單線狀，因為單線狀，因DNA未復制。未復制。S S期細胞與期細胞與M M期細胞融合期細胞融合S期期PCC為粉末狀，因為粉末狀，因DNA由多個部位開始復制。由多個部位開始復制。G G2 2期細胞與期細胞與M M期細胞融合期細胞融合G2期期PCC為雙線染色體，為雙線染色體，說明說明DNA復制已完成復制已完成MPF的發(fā)現(xiàn)的發(fā)現(xiàn) 成熟促進因子成熟促進因子(maturation promoting factor，MPF）,早期稱為早期稱為M-期促進因子期促進因子(M-phase promoting factor, MPF)，是指，是指M期期細胞中存在的促進細胞分裂的

26、因子。細胞中存在的促進細胞分裂的因子。 非洲爪蟾和無脊椎動物的卵母細胞及早非洲爪蟾和無脊椎動物的卵母細胞及早期的胚細胞也證實期的胚細胞也證實MPF的存在的存在卵細卵細胞提胞提取物取物注射注射實驗實驗1X21988年年MallerMaller實驗室的實驗室的Lohka 將非洲將非洲爪蟾爪蟾卵卵的的MPF純化，經(jīng)鑒定由純化，經(jīng)鑒定由32KD和和45KD兩種蛋白組成兩種蛋白組成( (p p3232和和p p4545) )，二者結(jié)，二者結(jié)合表現(xiàn)出蛋白質(zhì)激酶活性，可使多種蛋合表現(xiàn)出蛋白質(zhì)激酶活性，可使多種蛋白質(zhì)磷酸化。由此證明白質(zhì)磷酸化。由此證明MPF是一種蛋白是一種蛋白激酶。激酶。1960s Lela

27、nd Hartwell以芽殖酵母以芽殖酵母, ,1970s Paul Nurse等人以裂殖酵母為實驗等人以裂殖酵母為實驗材料，利用溫度敏感突變株，發(fā)現(xiàn)許多與細材料，利用溫度敏感突變株，發(fā)現(xiàn)許多與細胞分裂有關(guān)的基因胞分裂有關(guān)的基因(cell division cycle gene，cdccdc) 。二、二、P34P34cdc2cdc2激酶的發(fā)現(xiàn)與激酶的發(fā)現(xiàn)與MPFMPF的關(guān)系：的關(guān)系：cdc2和和cdc28分別是裂殖和芽殖酵母細胞周期中重分別是裂殖和芽殖酵母細胞周期中重要的調(diào)控基因，都編碼一個要的調(diào)控基因，都編碼一個34KD的蛋白激酶，即的蛋白激酶，即p34cdc2和和p34cdc28，它們互為

28、同源物。，它們互為同源物。 突變型在限定的溫度下無法分裂，停止在突變型在限定的溫度下無法分裂，停止在G G2 2/M/M交交界處界處或或G1/S交界處。交界處。-兩者與相關(guān)蛋白結(jié)合，如兩者與相關(guān)蛋白結(jié)合，如p56cdc13 ，才具有激酶活，才具有激酶活性（性（ MPF中的中的p45 ？ p56cdc13 ）- p34cdc2特異抗體能夠識別特異抗體能夠識別MPF中的中的p32，并且，并且p34cdc2多肽片段增強多肽片段增強MPF 活性，證實活性，證實p34cdc2是是p32的同源物。的同源物。三、細胞周期蛋白的鑒定三、細胞周期蛋白的鑒定1983年年Timothy Hunt首次發(fā)現(xiàn)海膽卵受精后

29、，在其卵首次發(fā)現(xiàn)海膽卵受精后，在其卵裂過程中兩種蛋白質(zhì)的含量隨細胞周期劇烈變化，裂過程中兩種蛋白質(zhì)的含量隨細胞周期劇烈變化，故命名為周期蛋白故命名為周期蛋白(cyclin)。后發(fā)現(xiàn)各類動物來源的。后發(fā)現(xiàn)各類動物來源的周期蛋白周期蛋白mRNA均能誘導蛙卵的成熟。均能誘導蛙卵的成熟。實驗方法實驗方法獲得同步化的受精的海膽卵細胞獲得同步化的受精的海膽卵細胞在有放射性氨基酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)在有放射性氨基酸的培養(yǎng)液中培養(yǎng)每每1010分鐘取一次樣分離純化蛋白質(zhì)進行分析分鐘取一次樣分離純化蛋白質(zhì)進行分析實驗結(jié)果實驗結(jié)果周期蛋白的積累和降解周期蛋白的積累和降解在細胞周期中周期蛋白和在細胞周期中周期蛋白和MPF的

30、波動的波動 P45(MPF) -周期蛋白周期蛋白B- p56cdc13(酵母酵母)MPFMPF的結(jié)構(gòu)組成的結(jié)構(gòu)組成 Paul Nurse（1990）是是一種蛋白質(zhì)激酶，一種蛋白質(zhì)激酶，由兩個不同的由兩個不同的蛋白質(zhì)（蛋白質(zhì)（亞基）亞基）組成的異質(zhì)二聚體，組成的異質(zhì)二聚體，可使多種蛋白質(zhì)磷酸化可使多種蛋白質(zhì)磷酸化: :催化亞基催化亞基:p32, cdc2蛋白蛋白p34是是p32的同源物的同源物是絲氨酸是絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶蘇氨酸蛋白激酶其活性有賴于周期蛋白，是周期依賴性蛋白激酶其活性有賴于周期蛋白，是周期依賴性蛋白激酶(cyclin-dependent protein kinases,CDK)

31、;調(diào)節(jié)亞基：調(diào)節(jié)亞基：p45,周期蛋白周期蛋白(cyclinB)是是p45 的同源物的同源物。MPFMPF的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)組組成成周期蛋白依賴性激酶周期蛋白依賴性激酶CDK周期蛋白周期蛋白MPF=Cdc2+CyclinB周期蛋白分子結(jié)構(gòu)的特點和類型周期蛋白分子結(jié)構(gòu)的特點和類型特點：在細胞周期中呈周期性變化。特點：在細胞周期中呈周期性變化。均含有一段約均含有一段約100個氨基酸的保守序列，稱為個氨基酸的保守序列，稱為周期蛋白框周期蛋白框，介導，介導周期蛋白與周期蛋白與CDK結(jié)合，形成周期蛋白結(jié)合，形成周期蛋白- -CDK復合體復合體。作用作用：激活激活CDK，引導，引導CDK作用于不同的底物。作用于

32、不同的底物。類型：類型：G1期周期蛋白期周期蛋白： G1表達，表達， 在在G1、 S和和G1/S轉(zhuǎn)化過轉(zhuǎn)化過程中起調(diào)節(jié)作用；程中起調(diào)節(jié)作用；C C端含一段特殊的端含一段特殊的PESTPEST序列。序列。M期周期蛋白期周期蛋白：間期表達積累，在間期表達積累，在M M期表現(xiàn)出調(diào)節(jié)期表現(xiàn)出調(diào)節(jié)功能；功能；近近N端含端含9個氨基酸組成的破壞框，參與泛個氨基酸組成的破壞框，參與泛素介導的降解作用。素介導的降解作用。P426 圖圖12-34細胞周期蛋白分子結(jié)構(gòu)特征細胞周期蛋白分子結(jié)構(gòu)特征N端端9個氨基酸序列，即：個氨基酸序列，即：N端破壞框端破壞框(destruction box)周期蛋白框周期蛋白框C端

33、端PEST序列序列 100個氨基酸的保守序列個氨基酸的保守序列 不同周期蛋白的表不同周期蛋白的表達時期不同，與不同達時期不同，與不同的的CDK結(jié)合，調(diào)節(jié)結(jié)合，調(diào)節(jié)不同不同CDK激酶的活激酶的活性。性。 圖圖12-35 部分哺乳部分哺乳動物和酵母細胞周期動物和酵母細胞周期蛋白在細胞周期中的蛋白在細胞周期中的積累及其與積累及其與CDK激激酶活性的關(guān)系。酶活性的關(guān)系。四、四、CDK激酶和激酶和CDK激酶抑制物激酶抑制物Cdc2又被稱為又被稱為CDK1，可將特定蛋白磷酸化，促，可將特定蛋白磷酸化，促進細胞周期運行，被稱作進細胞周期運行，被稱作細胞周期引擎細胞周期引擎。- -將核纖層蛋白磷酸化導致核纖層

34、解體、核膜消失，將核纖層蛋白磷酸化導致核纖層解體、核膜消失，- -將將H1磷酸化導致染色體的凝縮磷酸化導致染色體的凝縮CDK是是細胞周期蛋白依賴性激酶細胞周期蛋白依賴性激酶(cyclin-dependent kinase)，與，與細胞周期蛋白結(jié)合才具有細胞周期蛋白結(jié)合才具有激酶的活性。激酶的活性?，F(xiàn)有的現(xiàn)有的CDK共同點：共同點：均含有一段相似的激酶均含有一段相似的激酶結(jié)構(gòu)域，這一區(qū)域有一段保守序列，即結(jié)構(gòu)域，這一區(qū)域有一段保守序列，即PSTAIRE，（激酶活性區(qū)域）（激酶活性區(qū)域）與周期蛋白的結(jié)合有關(guān)。與周期蛋白的結(jié)合有關(guān)。1、CDK與與cdc2類似的類似的CDK蛋白分子圖解蛋白分子圖解13

35、表表12-2 12-2 某些某些CDK與周期蛋白的配對關(guān)與周期蛋白的配對關(guān)系及執(zhí)行的功能系及執(zhí)行的功能CDK種類種類 可能結(jié)合的周期蛋白可能結(jié)合的周期蛋白 執(zhí)行功能的可能時期執(zhí)行功能的可能時期CDK1（p34cdc2） A,B1,B2,B3 G2/MCDK2 A,D1,D2,D3,E G1/S,SCDK3 G1/SCDK4 D1,D2,D3 G1/SCDK5 D1,D3CDK6 D1,D2,D3 G1/SCDK7 HCDK8 CCDK122、CDKICDK inhibitor( CDKI): 細胞周期蛋白依賴性激酶細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子抑制因子, ,對細胞周期起負調(diào)控作用對細胞周期起負

36、調(diào)控作用. .目前發(fā)現(xiàn)的目前發(fā)現(xiàn)的CDKI分為兩大家族分為兩大家族: :Ink4(Inhibitor of CDK4): : p16ink4a、p15ink4b、p18ink4c、p19ink4d，特異性抑制，特異性抑制CDKCDK4cyclin D1、CDKCDK6cyclin D1復合物。復合物。CIP/Kip(Kinase inhibition protein)：p21cip1 (cyclin inhibition protein 1)、p27kip1、p57kip2等，抑制大多數(shù)等，抑制大多數(shù)CDK的激酶活性的激酶活性. .p21cip1抑制抑制CDK和和pCNAp21cip1主要對主

37、要對G1期期CDK激酶起抑制作用，激酶起抑制作用，還能與還能與DNA聚合酶聚合酶的輔助因子的輔助因子pCNA（proliferating cell nuclear antigen）結(jié)合，直接抑制結(jié)合，直接抑制DNA的合成。的合成。G1，S期期五、細胞周期運轉(zhuǎn)調(diào)控五、細胞周期運轉(zhuǎn)調(diào)控1、G1/S 期轉(zhuǎn)化與調(diào)控期轉(zhuǎn)化與調(diào)控- G1周期蛋白：周期蛋白：Cyclin D 、E 或或A-CDK激酶：激酶： CDK4，6，2- G1- CDK復合體：復合體： Cyclic D- CDK4，6 (D1-3, G1/S 期轉(zhuǎn)化必需期轉(zhuǎn)化必需) Cyclic E- CDK 2 （S期啟動必需）期啟動必需） Cy

38、clic A - CDK 2 （與（與DNA復制有關(guān)）復制有關(guān)） -降解作用：泛素化降解途徑，降解作用：泛素化降解途徑，PEST序列序列 G1期，在生長因子的刺激下，期，在生長因子的刺激下，cyclin D表達，并與表達，并與CDK4、CDK6結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如結(jié)合，使下游的蛋白質(zhì)如Rb磷酸化，磷酸化，Rb釋放出轉(zhuǎn)錄因釋放出轉(zhuǎn)錄因子子E2F，促進許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼，促進許多基因的轉(zhuǎn)錄，如編碼cyclinE、A和和CDK1的基因。的基因。（RbRb：成視網(wǎng)膜細胞瘤蛋白，：成視網(wǎng)膜細胞瘤蛋白，E2FE2F：轉(zhuǎn)錄因子）：轉(zhuǎn)錄因子） Cyclin D與與CDK結(jié)合使結(jié)合使Rb釋放結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子

39、釋放結(jié)合的轉(zhuǎn)錄因子E2F在在G1-S期，期， cyclinE與與CDK2結(jié)合，促進細胞進入結(jié)合，促進細胞進入S期。期。CyclinE的抗體能使細胞停滯于的抗體能使細胞停滯于G1期。期。2、 G2-M期轉(zhuǎn)化與調(diào)控期轉(zhuǎn)化與調(diào)控 在在G2-M期，期，cyclinB （或（或 cyclinA）與與CDK1結(jié)合，結(jié)合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如使底物蛋白磷酸化、如將組蛋白將組蛋白H1磷酸化導致染色體凝縮，核纖磷酸化導致染色體凝縮，核纖層蛋白磷酸化使核膜解體。層蛋白磷酸化使核膜解體。作用底物作用底物 見見 430頁的表頁的表12-3M期期CDK1的激活的激活M期期CDK1的激活依賴于分裂期的激活依賴于分

40、裂期cyclin的積累。的積累。結(jié)合結(jié)合cyclinB的的CDK1被被Wee1/mik1激酶將激酶將CDK的的Thr14和和Tyr15磷酸化磷酸化, ,被被CAK激酶激酶(CDK activating kinase)將將Thr161的磷酸化的磷酸化, ,不具有活性，使不具有活性，使CDK-cyclin不斷積累。不斷積累。在在M期，期，Wee1/ mik1的活性下降，的活性下降，Cdc25c使使CDK1的的Thr14和和Tyr15去磷酸化，去除了去磷酸化，去除了CDK活化活化的障礙。的障礙。P431 圖圖12-38CDK1CDK1CDK1周期蛋白周期蛋白B/A周期蛋白周期蛋白B/A周期蛋白周期蛋

41、白B/A周期蛋白周期蛋白B/AThr14 PTyr15PThr161 PThr14Tyr15Thr161 PThr14Tyr15Thr161無激酶活性無激酶活性無激酶活性無激酶活性有激酶活性有激酶活性APC+Wee1/Mik1CAKCdc25c圖圖12-38 CDK1激酶活性綜合調(diào)控示意圖激酶活性綜合調(diào)控示意圖CDK1的激活需要的激活需要Thr14和和Tyr15去磷酸去磷酸化和化和Tyr161的磷酸化的磷酸化細胞周期運轉(zhuǎn)到分裂中期后，細胞周期運轉(zhuǎn)到分裂中期后，M期周期蛋白通過期周期蛋白通過泛泛素途徑迅速降解。在中期當素途徑迅速降解。在中期當CDK活性達到最高時，活性達到最高時，激活后期促進因子

42、激活后期促進因子APC，將，將泛素泛素連接在連接在cyclinB上，上，導致導致cyclinB被被蛋白酶體蛋白酶體（proteasome）降解，）降解，完成一個細胞周期。完成一個細胞周期。3、分裂中期向分裂后期轉(zhuǎn)化中的分裂中期向分裂后期轉(zhuǎn)化中的M期周期蛋白期周期蛋白APC: anaphase promoting complex泛素是由泛素是由76個氨基酸組成的高度保守的小分子多肽，個氨基酸組成的高度保守的小分子多肽，普遍存在于真核細胞，故名泛素。共價結(jié)合泛素的普遍存在于真核細胞，故名泛素。共價結(jié)合泛素的蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識別和降解，這是細胞內(nèi)短壽蛋白質(zhì)能被蛋白酶體識別和降解，這是細胞內(nèi)短壽命蛋

43、白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。命蛋白和一些異常蛋白降解的普遍途徑。26S蛋白酶體蛋白酶體是一是一個大型的蛋白酶，個大型的蛋白酶，由一個筒狀的由一個筒狀的20S的催化核心和一個的催化核心和一個稱為稱為PA700的調(diào)節(jié)的調(diào)節(jié)部分組成，部分組成，可將泛可將泛素化的蛋白質(zhì)分解素化的蛋白質(zhì)分解成短肽而成短肽而降解。降解。 周期蛋白的周期蛋白的泛素化泛素化降解途徑降解途徑多聚泛素化作用多聚泛素化作用(polyubiquitination)泛素泛素激活酶激活酶(ubiquitin-activating enzyme, E1) 泛素泛素結(jié)結(jié)合酶合酶(ubiquitin-conjugating enzyme,

44、 E2) 泛素泛素連接酶連接酶(ubiquitin ligase, E3) 促后期復合物（后期促進因子）促后期復合物（后期促進因子） (anaphase-promoting complex, APC) 蛋白酶體的降解作用蛋白酶體的降解作用Polyubiquitination多聚泛素化作用多聚泛素化作用通過調(diào)節(jié)通過調(diào)節(jié)APCAPC活性來調(diào)控周期蛋白活性來調(diào)控周期蛋白B B的降解和的降解和有絲分裂的退出：有絲分裂的退出：當當MPF(CDK)MPF(CDK)的活性在有絲分裂中期達到最高峰時的活性在有絲分裂中期達到最高峰時, , 它將它將APCAPC磷酸化并將其激活；磷酸化并將其激活；形成多聚泛素化的

45、周期蛋白形成多聚泛素化的周期蛋白B, B, 引起周期蛋白引起周期蛋白B B的降解；的降解；由于周期蛋白由于周期蛋白B B是是MPFMPF的一個必需亞基的一個必需亞基, , 它的降解勢必導它的降解勢必導致致MPFMPF(CDK)(CDK)的逐漸失活；的逐漸失活；在在G G1 1期的后期期的后期,APC,APC完全失活完全失活, ,使得周期蛋白使得周期蛋白B B的濃度升高的濃度升高, ,同時提高同時提高MPFMPF的活性的活性, , 以便進入下一個有絲分裂期。以便進入下一個有絲分裂期。中期中期后期后階段后期后階段末期末期間期間期前期前期多聚泛素鏈多聚泛素鏈周期細胞中周期細胞中M期周期蛋白水平的調(diào)節(jié)

46、期周期蛋白水平的調(diào)節(jié)真核生物細胞周期調(diào)控的關(guān)鍵時期：真核生物細胞周期調(diào)控的關(guān)鍵時期：三個關(guān)鍵的過渡：三個關(guān)鍵的過渡：G G1 1期期SS期：期：Cyclic D- CDK4，6， Cyclic E- CDK 2， Cyclic A - CDK 2G2 M期：期： cyclinB （A）- CDK1中期中期后期及胞質(zhì)分裂期過渡：后期及胞質(zhì)分裂期過渡： cyclinB的降解的降解兩類周期蛋白兩類周期蛋白-CDK-CDK復合物復合物: :G G1 1期周期蛋白期周期蛋白-CDK-CDK復合物復合物M M期周期蛋白期周期蛋白-CDK-CDK復合物復合物真核生物細胞周期調(diào)控模型真核生物細胞周期調(diào)控模型

47、圖圖12-11 真核生物細胞周期調(diào)控模型真核生物細胞周期調(diào)控模型 在復制期始點裝在復制期始點裝配配DNA復制復合復制復合物物激活激活G G1 1cyclincyclin- -CDKCDK復合物復合物S-cyclinS-cyclin- -CDKCDK復合物被復合物被抑制抑制G1后期激活后期激活S-cyclinS-cyclin- -CDKCDK復合物復合物S期期CDK復復合物激活復合物激活復制復合物制復合物七、生長因子對細胞增殖的影響七、生長因子對細胞增殖的影響單細胞生物的增值取決于營養(yǎng)，多細胞生物細胞的增值與單細胞生物的增值取決于營養(yǎng)，多細胞生物細胞的增值與細胞通信有關(guān)。細胞通信有關(guān)。生長因子：

48、是一類與細胞增殖有關(guān)的信號物質(zhì)，已知幾十生長因子：是一類與細胞增殖有關(guān)的信號物質(zhì)，已知幾十種，多數(shù)能促進細胞增殖，又稱有絲分裂原（種，多數(shù)能促進細胞增殖，又稱有絲分裂原（mitogen），），如如EGF、NGF。作用方式：主要通過旁分泌作用于鄰近細胞。作用方式：主要通過旁分泌作用于鄰近細胞。信號通路主要有：信號通路主要有：ras途徑，途徑，cAMP途徑和磷脂酰肌醇途徑。途徑和磷脂酰肌醇途徑。如通過如通過ras途徑，激活途徑，激活MAPK，MAPK進入細胞核內(nèi)，激進入細胞核內(nèi)，激活活c-myc，myc作為轉(zhuǎn)錄因子促進作為轉(zhuǎn)錄因子促進cyclin D、SCF、E2F等等G1-S有關(guān)的許多基因表達，細胞進入有關(guān)的許多基因表達，細胞進入G1期。期。圖13-29 生長因子的作用機理有絲分裂的生物學意義 核內(nèi)每個染色體準確地復制，有規(guī)則而均核內(nèi)每個染色體準確地復制，有規(guī)則而均勻地分配到兩個子細胞的核中，使兩個子細勻地分配到兩個子細胞的核中，使兩個子細胞與母細