第5章：有絲分裂前半段

第五章：有絲分裂的前段：染色體分隔的準(zhǔn)備

有絲分裂發(fā)生的事件前期早中期中期后期末期胞質(zhì)分裂第一節(jié)有絲分裂調(diào)控的原則一、磷酸化和蛋白酶解控制了整個

有絲分裂進(jìn)程磷酸化和蛋白酶解是控制有絲分裂事件的兩大主要調(diào)控機(jī)制。磷酸化是一種快速可逆的蛋白修飾，對于控制可逆的有絲分裂進(jìn)程十分理想，如紡錘體組裝在有絲分裂的前半段被Cdks啟動，而在有絲分裂的后半段因Cdks的失活而被逆轉(zhuǎn)。蛋白酶解對于控制無需逆轉(zhuǎn)的事件非常理想。如有絲分裂后半段周期蛋白的蛋白酶解，導(dǎo)致了Cdk1不可逆的滅活，從而阻止了有絲分裂前半段事件的再次發(fā)生。一、磷酸化和蛋白酶解控制了

整個有絲分裂進(jìn)程Cdks：磷酸化：驅(qū)動紡錘體組裝和姊妹染色單體的排列激活A(yù)PCCdc20泛素-蛋白連接酶降解安全子降解周期蛋白二、有絲分裂的兩個檢驗(yàn)點(diǎn)

一個檢驗(yàn)點(diǎn)在G2/M邊界，它控制著有絲分裂的進(jìn)入。細(xì)胞周期進(jìn)程通常在此處被有絲分裂周期蛋白-Cdk復(fù)合物的激活而啟動。第二個檢驗(yàn)點(diǎn)位于中后期轉(zhuǎn)換點(diǎn)，進(jìn)程在該處受到APCCdc20激活的驅(qū)動。二、有絲分裂的兩個檢驗(yàn)點(diǎn)如果染色體DNA受損或沒有完全復(fù)制，大部分真核生物會將細(xì)胞周期進(jìn)程阻滯在G2/M檢驗(yàn)點(diǎn)，以阻止損傷的或不完整的染色體被分配到子細(xì)胞中。通過阻止有絲分裂Cdks的激活，損傷的DNA或停止的復(fù)制叉發(fā)出抑制信號以阻斷有絲分裂的進(jìn)入。如果損傷得以修復(fù)或者復(fù)制完成的話，抑制信號便會撤銷，Cdks被激活，有絲分裂重新開始。二、有絲分裂的兩個檢驗(yàn)點(diǎn)如果姊妹染色單體沒有正確地附著于紡錘體，動粒便會發(fā)出抑制信號來阻斷APCCdc20的激活，有絲分裂進(jìn)程也可被阻斷在中后期轉(zhuǎn)換點(diǎn)，從而阻止后期及有絲分裂的退出，直到出現(xiàn)正確的紡錘體附著。第二節(jié)周期蛋白A和B控制的有絲分裂一、細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B真核細(xì)胞在進(jìn)入M期時，經(jīng)歷了劇烈的重新組織化的過程。尤其是多細(xì)胞生物，當(dāng)細(xì)胞組裝紡錘體，以及準(zhǔn)備姊妹染色單體的分離時，幾乎每個亞細(xì)胞器和大分子結(jié)構(gòu)都得以重建或有所改變。顯而易見的是，所有這些過程都依賴于一組重要的調(diào)節(jié)因子：有絲分裂周期蛋白-Cdk復(fù)合物。一、細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B多細(xì)胞真核生物中，主要由兩種周期蛋白控制有絲分裂：周期蛋白A和周期蛋白B。另外還有第三種蛋白，周期蛋白B3，在某些生物體中也能控制有絲分裂，但并不關(guān)鍵。每個周期蛋白單獨(dú)的功能還不明確，而且不同類型的蛋白，它們的相對重要性在物種中差別很大。一、細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B果蠅也有一套周期蛋白A，B和B3。它們都參與了有絲分裂的進(jìn)程，但相對重要性存在差異。周期蛋白A是最有力的有絲分裂刺激因子。周期蛋白B的能力居于中間，而周期蛋白B3的功能相對較小。對突變胚胎的嚴(yán)格檢查表明，不同的周期蛋白具有某些特定的功能。如周期蛋白A，似乎在染色體凝聚的時候特別重要，而周期蛋白B對于有絲分裂紡錘體的組裝似乎更重要些。一、細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B周期蛋白A是S期的重要調(diào)節(jié)因子，在S期早期升高，并持續(xù)上升，直到核膜崩解后蛋白被降解。周期蛋白B水平在細(xì)胞到達(dá)有絲分裂時上升，與之相聯(lián)系的Cdk活性在前期急劇增加。周期蛋白B在中期被降解。。一、細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B脊椎動物的周期蛋白A以兩種形式存在，周期蛋白A1和周期蛋白A2，每一個由單獨(dú)的基因編碼。周期蛋白A1在精子細(xì)胞和早期胚胎細(xì)胞中表達(dá)，是在蛙胚細(xì)胞中的被研究的周期蛋白A形式（其搭檔是Cdk1）。缺乏周期蛋白A1的小鼠能夠存活，但雄性不育，這是由于生精過程中第一次減數(shù)分裂存在著缺陷。一、細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B周期蛋白A2在發(fā)育早期和成體組織中表達(dá)，缺乏這一蛋白的小鼠胚胎早期致死。周期蛋白A2是通常在培養(yǎng)哺乳動物細(xì)胞中被研究的周期蛋白A形式（其搭檔是Cdk2）。由于兩類周期蛋白A亞型在細(xì)胞周期功能上沒有明顯差異，我們通常不將它們區(qū)分開來。一、細(xì)胞周期蛋白A和細(xì)胞周期蛋白B脊椎動物cycinB也以兩種形式存在----周期蛋白B1和周期蛋白B2。這兩種形式在蛙胚細(xì)胞和培養(yǎng)的哺乳動物細(xì)胞中都存在，兩者都呈現(xiàn)典型的有絲分裂表達(dá)模式，都只結(jié)合Cdk1。缺乏cylcinB2的小鼠可存活，而周期蛋白B1缺失則導(dǎo)致早期胚胎致死。這個證據(jù)以及其他一些證據(jù)表明，兩種蛋白中，周期蛋白B1更為重要。二、周期蛋白B1-Cdk1復(fù)合物的

細(xì)胞核轉(zhuǎn)位哺乳動物細(xì)胞中，兩種形式的周期蛋白B定位不同。在整個G2期和有絲分裂期，周期蛋白B2與高爾基器的膜相結(jié)合。周期蛋白B1在G2期位于細(xì)胞質(zhì)內(nèi)。在早前期，當(dāng)周期蛋白B1-Cdk1復(fù)合物首次被激活時，其仍然停留在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，并且主要集中在位于細(xì)胞核外正開始分離的復(fù)制過的中心體處。在前期的末段，大部分活性復(fù)合物陡然轉(zhuǎn)運(yùn)到細(xì)胞核內(nèi)，參與促進(jìn)核膜崩解。很快，核膜破裂，周期蛋白B1-Cdk1分散于整個細(xì)胞中。三、周期蛋白A和B驅(qū)動不同的

有絲分裂事件有絲分裂中最早的核內(nèi)事件——特別是染色體凝聚——可能由周期蛋白A-Cdk啟動，因?yàn)檫@些復(fù)合物與周期蛋白B-Cdk1不同，它們在前期的早段就具有活性，且完全分布在細(xì)胞核內(nèi)。也有證據(jù)表明，在注射周期蛋白A-Cdk2蛋白抑制劑的人類細(xì)胞中，染色體凝聚可以被阻斷——甚至反轉(zhuǎn)。周期蛋白A-Cdk復(fù)合物也能促進(jìn)周期蛋白B-Cdk復(fù)合物的激活。CDC25三、周期蛋白A和B驅(qū)動不同的

有絲分裂事件周期蛋白B-Cdk1能促進(jìn)一些主要的有絲分裂事件，這些事件在前期稍晚（中心體分離）以及之后(核膜崩解和紡錘體組裝)發(fā)生。周期蛋白B-Cdk1也能促進(jìn)染色體凝聚的完成。與周期蛋白A-Cdk2效果不同的是，周期蛋白B-Cdk1一旦開始運(yùn)作，其作用不可逆轉(zhuǎn)。這種情況部分是由于周期蛋白B-Cdk1激活具有全或無的不可逆性。第三節(jié)Wee1和Cdc25對Cdks的調(diào)控一、周期蛋白B-Cdk1在M期早期被

去磷酸化而快速激活多種Wee1相關(guān)激酶與Cdc25相關(guān)磷酸酶控制了動物細(xì)胞中Cdk1活性一、周期蛋白B-Cdk1在M期早期被

去磷酸化而快速激活脊椎動物細(xì)胞含有三種Cdc25，稱為Cdc25A，Cdc25B，Cdc25C。所有這些酶均能在有絲分裂中激活周期蛋白B-Cdk1，但不清楚是否每一個酶都是必需的。將Cdc25B和Cdc25C基因進(jìn)行雙缺失，對小鼠細(xì)胞沒有明顯的影響，證明單個Cdc25A的激活（伴隨Myt1和Wee1的抑制）足以允許正常進(jìn)入有絲分裂。盡管如此，Cdk1調(diào)控的強(qiáng)度可能依賴于三種Cdc25異構(gòu)體的存在。一、周期蛋白B-Cdk1在M期早期被

去磷酸化而快速激活在有絲分裂之前和過程中，脊椎動物的三種Cdc25異構(gòu)體呈現(xiàn)出不同的活性模式，這提示它們在Cdk1激活方面具有特定的功能。Cdc25B激活較早，因而可能參與了Cdk1激活的起始。Cdc25B的水平和活性在晚S期和G2期上升，前期達(dá)到頂峰，前中期開始下降。前期細(xì)胞中，有部分Cdc25B定位在細(xì)胞質(zhì)，可與周期蛋白B-Cdk1復(fù)合物共定位，此時復(fù)合物首次被激活。一、周期蛋白B-Cdk1在M期早期被

去磷酸化而快速激活Cdc25A和Cdc25C在G2期是相對無活性，它們可在前期被陡然激活。因此這些磷酸酶對于Cdk1活性在有絲分裂前半段的急劇增加是非常重要的。Cdc25A和Cdc25C所處的位置都與周期蛋白B1-Cdk1十分接近：Cdec25A：主要定位在細(xì)胞核內(nèi)，還有小部分定位在細(xì)胞質(zhì)。Cdc25C：與周期蛋白B1-Cdk1一樣，在早前期駐留在細(xì)胞質(zhì)內(nèi)，而在前期的末段轉(zhuǎn)移入核。第四節(jié)有絲分裂期周期蛋白B-Cdk1的開關(guān)樣激活一、有絲分裂Cdk1的激活包括了

多個正反饋環(huán)正反饋環(huán)：有絲分裂Cdk1激活的核心二、周期蛋白B-Cdk1的活化與

Cdc25B和周期蛋白A-Cdk磷酸酶Cdc25B僅有Cdc25B單獨(dú)就有足夠的活性來驅(qū)動比小量Cdk1更多的激活，可以使Cdc25A和Cdc25C激活或Myt1和Wee1抑制。這可以進(jìn)一步促進(jìn)Cdk1的去磷酸化，最終形成正反饋并將系統(tǒng)轉(zhuǎn)換到Cdk1活化的狀態(tài)。然而，Cdc25B并不是唯一的觸發(fā)機(jī)制，因?yàn)樾∈蠹?xì)胞沒有它也可正常分裂。 二、周期蛋白B-Cdk1的活化與

Cdc25B和周期蛋白A-Cdk周期蛋白A-Cdk復(fù)合物：G2期末段細(xì)胞中周期蛋白A-Cdk活性能輔助磷酸化Cdc25A，Cdc25C，Myt1或Wee1，因此幫助啟動激活周期蛋白B-Cdk1的正反饋環(huán)。人類細(xì)胞中周期蛋白A-Cdk2的抑制延遲了周期蛋白B-Cdk1的激活二、周期蛋白B-Cdk1的活化與

Cdc25B和周期蛋白A-Cdk超敏感現(xiàn)象的抑制：反饋環(huán)可被一些小的、無規(guī)則波動的外界輸入信號而偶然激發(fā)。存在過濾機(jī)制，來確保反饋環(huán)只有在合適的時候才開始啟動。還了解尚少。一個推測的可能性是過濾主要是通過在系統(tǒng)中的多個點(diǎn)使用多位點(diǎn)的磷酸化來實(shí)現(xiàn)。如Cdc25C的完全激活，只有當(dāng)被Cdks和Plk在多個位點(diǎn)被完全磷酸化時才可能發(fā)生。因此，當(dāng)Cdk或Plk活性產(chǎn)生小的，無規(guī)則的波動而引起低水平的Cdc25C磷酸化時，Cdc25C激活不會發(fā)生。有可能的是，基底水平的磷酸酶活性也可去除這些磷酸化，以減少這些低水平的磷酸化。第五節(jié)有絲分裂調(diào)節(jié)因子的亞細(xì)胞定位一、周期蛋白B1-Cdk1受到其

亞細(xì)胞定位變化的調(diào)節(jié)細(xì)胞周期控制的一個核心概念——也適用于一般意義上的細(xì)胞功能調(diào)節(jié)——是調(diào)控蛋白的功能不僅受到它們內(nèi)在活性變化的控制，也受到細(xì)胞內(nèi)定位變化的調(diào)節(jié)。周期蛋白B1-Cdk1進(jìn)入細(xì)胞核內(nèi)：在前期的末段瞬間進(jìn)入，大部分。周期蛋白B1-Cdk1停留在細(xì)胞質(zhì)：少部分，促進(jìn)其他有絲分裂的過程，如中心體的分開和高爾基體的重構(gòu)。一、周期蛋白B1-Cdk1受到其

亞細(xì)胞定位變化的調(diào)節(jié)與大部分蛋白一樣，周期蛋白B1-Cdk1的核質(zhì)比率受到蛋白核輸入與核輸出相對比例的控制。在有絲分裂前，周期蛋白B1-Cdk1輸入的比率很低而輸出比率較高，因而產(chǎn)生凈的細(xì)胞質(zhì)定位。然而在前期的末段，輸入比率增加而輸出比率降低，使周期蛋白B1-Cdk1在細(xì)胞核內(nèi)聚集。Cdk1和Plk磷酸化周期蛋白B1和Cdc25C。這就遮蔽了兩個蛋白上的核輸出信號，減少了它們核輸出的比率一、周期蛋白B1-Cdk1受到其

亞細(xì)胞定位變化的調(diào)節(jié)輸出受到稱為核輸出信號的短序列的引導(dǎo)，該序列主要定位在周期蛋白B1的氨基端區(qū)域，該序列能與攜帶周期蛋白B1-Cdk1出核的轉(zhuǎn)運(yùn)子蛋白Crm1結(jié)合。有絲分裂的早期，核內(nèi)輸出信號上的Ser113被磷酸化，從而阻斷了與Crm1的結(jié)合，減少了輸出比率。二、Cdc25C定位受到磷酸化的調(diào)節(jié)Cdc25C的定位依賴于核輸入與輸出的相對比率。Cdc25C由不同的機(jī)制進(jìn)行輸入和輸出，但兩者都受到磷酸化的調(diào)節(jié)。與很多能在核質(zhì)穿梭的蛋白一樣，Cdc25C含有能與核輸入運(yùn)載體作用的核定位信號，以及能與Crm1輸出因子作用的核輸出信號，這些信號定位在蛋白氨基端區(qū)域的不同部位。Cdc25C在靠近核定位信號的Ser216（人）或Ser287（非洲爪蟾）被磷酸化，為稱為14-3-3的小磷酸化絲氨酸結(jié)合蛋白提供了結(jié)合位點(diǎn)，這就遮蔽了核定位信號，因而減少了Cdc25c的核輸入（不影響核輸出信號）二、Cdc25C定位受到磷酸化的調(diào)節(jié)對作用于Ser216/287的激酶和磷酸酶的了解還比較少。磷酸化這一位點(diǎn)的兩個激酶，Chk1和Chk2，在DNA損傷后激活。它們對Ser216/287的磷酸化可能為DNA損傷而抑制有絲分裂的進(jìn)入提供了理論基礎(chǔ)。Cdc25C的核輸出信號位于靠近有絲分裂期啟動Cdc25C激活的多個磷酸化位點(diǎn)處。這一區(qū)域的磷酸化——可能受Plk和Cdk1作用——不僅刺激了Cdc25C活性，也遮蔽了核輸出信號，從而減少了核輸出比率。Plk因此似乎也能同時促進(jìn)Cdc25C及其靶標(biāo)周期蛋白B1-Cdk1在細(xì)胞核內(nèi)積累和激活。第七節(jié)Polo和Aurora蛋白激酶家族一、Plks有助于控制紡錘體的組裝

及有絲分裂的退出很多其他蛋白激酶在有絲分裂起始時被激活并有助于控制一系列早期有絲分裂事件。這些有絲分裂激酶中最重要的是polo-like激酶，PlkauroraA和auroraB的蛋白激酶。一、Plks有助于控制紡錘體的組裝

及有絲分裂的退出Plk的氨基端含有與其他激酶相似的蛋白激酶催化結(jié)構(gòu)域，Plk的羧基端則含有成為polo盒結(jié)構(gòu)域，它們能將激酶靶向到特定底物及亞細(xì)胞位置。polo盒結(jié)構(gòu)域?qū)τ谠诘鞍滋囟ㄐ蛄械慕z氨酸或蘇氨酸位點(diǎn)發(fā)生磷酸化的蛋白質(zhì)具有著高度的親和力。一、Plks有助于控制紡錘體的組裝

及有絲分裂的退出Plk在有絲分裂早期被激活：基因表達(dá)增加。特定激活位點(diǎn)被磷酸化

Plks也含有將自身靶向到泛素-蛋白連接酶APCCdh1的序列基序，可使自身在有絲分裂后半段及G1期發(fā)生時被蛋白酶解。一、Plks有助于控制紡錘體的組裝

及有絲分裂的退出Plks在M期前半段和后半段都有著極廣泛的功能，尤其在紡錘體組裝和胞質(zhì)分裂過程中。Plk對于中心體分開和兩極紡錘體的構(gòu)建是必需的。突變果蠅或裂殖酵母的Plk基因，將抗Plk的抗體注射入人或蛙胚胎，可以產(chǎn)生單極或異常的紡錘體。Plk在有絲分裂前半段定位于中心體處，在該位點(diǎn)可進(jìn)一步支持其功能發(fā)揮。一、Plks有助于控制紡錘體的組裝

及有絲分裂的退出在有絲分裂后半段，有絲分裂Cdk1的失活需要有Plk發(fā)揮功能。Plk助于控制胞質(zhì)分裂。脊椎動物細(xì)胞中，Plk在有絲分裂后半段定位于紡錘體中區(qū)，缺乏Plk功能的細(xì)胞不能完成胞質(zhì)分裂。二、aurora激酶與紡錘體功能和

姊妹染色單體分離所有的aurora激酶含有一個相關(guān)的蛋白激酶催化結(jié)構(gòu)域，以及大小和序列不同的氨基端突出。與Plks一樣，這些蛋白的非催化區(qū)域用來調(diào)節(jié)它們的定位與活性。auroraA（綠色）和auroraB（紅色）：整個有絲分裂期間，auroraA位于中心體處。AuroraB在前期和中期使動粒著色，而在末期定位于紡錘體的中間帶上。二、aurora激酶與紡錘體功能和

姊妹染色單體分離auroraA位于中心體及紡錘體上有助于控制兩極紡錘體組裝及穩(wěn)定。果蠅或線蟲中auroraA的突變或抑制脊椎動物細(xì)胞中auroraA的功能，都能產(chǎn)生不穩(wěn)定的有時為單極的紡錘體。AuroraB有助于控制姊妹染色單體的結(jié)構(gòu)及分離：auroraB蛋白在早期有絲分裂時存在于壓縮的染色體臂上，然后在中期中主要集中于著絲粒和動粒。二、aurora激酶與紡錘體功能和

姊妹染色單體分離auroraB至少有兩個功能：第一，它負(fù)責(zé)促進(jìn)染色體壓縮和解散，第二，它有助于控制動粒附著于紡錘體。AuroraB可能也參與胞質(zhì)分裂的調(diào)節(jié)。在姊妹染色單體分離后，auroraB停留在紡錘體的中區(qū)，然后在胞質(zhì)分裂期間位于分裂細(xì)胞的頸部。AuroraB的一些突變或其它缺陷通常會導(dǎo)致胞質(zhì)分裂的失敗。與Plk類似，aurora激酶在有絲分裂時被激活。auroraA和B的表達(dá)水平與酶活性在有絲分裂時上升，兩者都在多個位點(diǎn)被磷酸化，盡管目前對這些位點(diǎn)磷酸化的功能和負(fù)責(zé)磷酸化這些位點(diǎn)的激酶了解很少。與Cdk1的活性關(guān)系：G2：Cdk1---Plk1---CdK1(正反饋)后末期：APCcdc20---Cdk1---APCcdh1---Plk1、Aurora第八節(jié)有絲分裂的準(zhǔn)備：姊妹染色單體的黏合一、姊妹染色單體黏合的建立在M期開始前很長一段時間，細(xì)胞啟動兩個過程為有絲分裂作出準(zhǔn)備：姊妹染色單體黏合的建立中心體或紡錘體極體的復(fù)制如果姊妹染色單體在S期復(fù)制完成后立即分開而使細(xì)胞面臨的混亂狀態(tài)：在這些情況下，兩條姊妹染色單體分別與相對的紡錘體極的可靠附著很難得到保證——而這是姊妹染色單體精確分離的先決條件。一、姊妹染色單體黏合的建立至少有兩種機(jī)制參與姊妹染色單體的黏合：首先是DNA聯(lián)鎖(DNAcatenation):這是復(fù)制的DNA分子廣泛的相互纏繞，這在DNA合成中兩個臨近的復(fù)制叉相遇時才發(fā)生。到中期時，拓?fù)洚悩?gòu)酶II去除大部分這種聯(lián)鎖，因此這個時刻它只對黏合起很小的作用。一、姊妹染色單體黏合的建立第二種黏合機(jī)制依賴于稱為黏合素（Cohesin）的蛋白復(fù)合物:當(dāng)DNA合成時，該蛋白將復(fù)制的DNA分子連結(jié)在一起。這些復(fù)合物