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细胞分裂(cell division): 是一个细胞分裂为两个细胞的过程。分裂前的细胞称母细胞, 分裂后形成的新细胞称子细胞。通常包括细胞核分裂和细胞质分裂两步。在核分裂过程中母细胞把遗传物质传给子细胞。

细胞增殖调控

MPF的发现及其作用

成熟促进因子(maturation promoting factor, MPF): 又称为细胞有丝分裂促进因子。成熟促进因子是一种在G2期形成, 能促进M期启动的调控因子。有两个亚基组成, 一种是细胞周期蛋白, 另一个是周期蛋白依赖性的蛋白激酶, 其中周期蛋白为调节亚基。MPF是控制细胞周期, 促进成熟的因子。细胞周期成熟促进因子(MPF)=周期蛋白(cyclin)+周期蛋白依赖性激酶(CDK)

早熟染色体凝缩(PCC)

染色体早熟凝集(premature chromosome condensation,PCC): PCC是指与M期细胞融合的间期细胞发生了形态各异的染色体凝缩的现象。

不同时期的间期细胞与M期细胞融合, 产生的PCC的形态各不相同:

  1. G1期PCC为细单线状;
  2. S期PCC为粉末状;
  3. G2期PCC为双线染色体状。

细胞有丝分裂促进因子(MPF)

M期细胞可以诱导PCC, 说明在M期细胞中可能存在一种诱导染色体凝缩的因子, 称为细胞有丝分裂促进因子(或卵细胞成熟促进因子, 又称M期促进因子)。MPF能够促进细胞由G2期进入M期,其本质是一种蛋白激酶。

$P34^{Cdc2}$ 激酶的发现及其与MPF的关系

发现

  1. Cdc2: cdc基因调控酵母细胞分裂和细胞周期, cdc2是第一个被分离出来的cdc基因, cdc2基因突变导致细胞停留在G2/M期交界处。
  2. $P34^{Cdc2}$: p34cdc2是cdc2基因的表达产物, 具有蛋白激酶活性, 在裂殖酵母细胞周期调控过程中, 促进G2/M期转换。
  3. Cdc28: cdc是指芽殖酵母中的一个关键性的cdc基因, cdc28基因突变, 芽殖酵母细胞或者停留在G1/S期交界处, 或者停留在G2/M期交界处, 其基因产物p34cdc28也是一种蛋白激酶, 调节G2/M期和G1/S期转换。

关系

MPF包括Cdc2蛋白(p34 cdc2)和周期蛋白B, p34 cdc2为催化亚基, 周期蛋白为调节亚基, 二者结合后, 表现出蛋白激酶活性。

周期蛋白

周期蛋白(cyclin): 一类参与细胞周期调控且其浓度呈周期性变化的蛋白。随着细胞周期阶段的不同, 有时浓度高大几千倍, 有时有降为零。周期蛋白作为一种调节亚基, 与周期蛋白依赖性的蛋白激酶结合并将之激活。

分类

  1. G1期蛋白
  2. M期蛋白

特点

  1. 存在时间
    • G1期周期蛋白在细胞周期中存在的时间相对较短, M期周期蛋白在细胞周期中则相对稳定。
  2. 结构
    1. 周期蛋白框(cyclin box): 周期蛋白均含有的一段保守的氨基酸序列, 约100氨基酸残基, 称为周期蛋白框。其功能是介导周期蛋白和周期依赖性蛋白激酶(CDK激酶)结合, 不同的周期蛋白框识别不同的CDK, 组成不同的cyclin-CDK复合体, 表现出不同的CDK活性。
    2. 破坏框(destruction box): M期周期蛋白分子近N端含有一段由9个氨基酸残基组成的特殊序列, 称为破坏框。参与由泛素依赖性周期蛋白A和B的降解。
    3. G1期周期蛋白分子不含破坏框, 但C端含有PEST序列, 与该类蛋白的更新有关。
  3. 与CDK结合特点
    • 不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时期不同，并与不同的 CDK 结合，调节不同的CDK活性。

cyclin在细胞周期中的变化

在哺乳动物细胞中:

  1. cyclinA在G1期的早期即开始表达并逐渐积累, 到达G1/S期交界处, 其含量达到最大值并且一直维持到G2/M期。
  2. cyclinB则从G1期晚期开始表达并逐渐积累, 到G2期后期阶段达到最大值并一直维持到M期的中期阶段, 然后迅速降解。
  3. 作为G1期周期蛋白的cyclinD在细胞周期中持续表达。
  4. cyclinE则在M期的晚期和G1期的早期开始表达并逐渐积累, 到达G1期晚期, 其含量达到最大值, 然后逐渐下降, 到达G2期的晚期, 其含量降到最低值。

CDK和CDK抑制因子

周期蛋白依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase, CDK): 主要在细胞周期中期调控作用的蛋白激酶, 由于受周期蛋白的激活而得名。它可以与周期蛋白结合, 并以周期蛋白作为调节亚单位, 表现出蛋白激酶活性。

周期蛋白依赖性蛋白激酶特点:

  1. 各种CDK分子均含有一段类似的CDK激活结构域;
  2. 不同的CDK所结合的周期蛋白不同, 在细胞周期中执行的调节功能也不相同;
  3. 细胞内存在多种因子, 对CDK分子结构进行修饰, 参与CDK活性的调节。CDK抑制因子(cyclin-dependent kinase inhibitor, CKI): 指细胞内存在的一些对CDK活性起负调控的蛋白质。CKI可以分类两大家族: Ink4和Kip。

CDK抑制因子分类:

  1. Cip/Kip家族, 主要包括p21Cip/WAF1、p27Kip1和p57Kip2, 其中p21主要对G1期CDK(CDK2、CDK3、CDK4和CDK6)起抑制作用, 还可以与PCNA直接结合, 可以直接抑制DNA复制。
  2. INK4家族, 主要包括p16、p15、p18和p19等, p16主要抑制CDK4和CDK6活性。

细胞周期转运调控

G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用

  1. CDK1的组成
    1. CDK1蛋白: 即MPF或p34cdc2激酶;
    2. M期周期蛋白: cyclin B或cyclin A。
  2. CDK1的作用
    • 使底物如组蛋白H1, 核纤层蛋白A、B、C, 核仁蛋白, No38, p60c-Src, C-abl等蛋白磷酸化, 改变其下游的某些靶蛋白的结构和启动其功能, 实现其调控细胞周期的作用。
  3. CDK1活性的调节
    1. CDK1活性首先依赖于cyclin B含量的积累, cyclin B在G1期的晚期开始合成, G2期含量达到最大值;
    2. CDK1与cyclin结合后, wee1/mik1激酶和CDK活化激酶催化CDK的Thr14、Tyr15和Thr161磷酸化, 此时的CDK不表现激酶活性;
    3. 蛋白磷酸水解酶Cdc25C催化CDK1的Thr14和Tyr15去磷酸化, 表现出激酶活性。

M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转换

  1. 后期促进复合物(anaphase-promoting complex, APC): 一种在细胞周期的分裂间期表达, 到达M期后才表现活性的蛋白质复合物, 可以调节M期周期蛋白泛素化依赖降解途径, 以及其他一些与细胞周期调控有关的非周期蛋白类蛋白质的降解。
  2. APC作用: 细胞周期运转到分裂中期后, 在APC的作用下, M期cyclin A和B通过泛素化依赖途径被蛋白酶体迅速降解, CDK1活性丧失, 被CDK1磷酸化的靶蛋白去磷酸化, 细胞周期便从M期中期向后期转化。
  3. APC活性的调节
    1. APC可以被活化的M期CDK所激活, 然后被蛋白磷酸水解酶作用而失活。
    2. Cdc20是APC有效的正调节因子, 位于染色体动粒上, 为姐妹染色单体分离所必需。
    3. APC活性受到纺锤体组装检验点的调控。动粒的Mad2与Cdc20结合, 抑制Cdc20活性;纺锤体组装完成后, Mad2消失, 解除对Cdc20的抑制, 促使APC活化, 细胞则由中期向后期转化。

G1/S期转化与G1期周期蛋白依赖性CDK

  1. G1期向S期转化主要受G1期周期蛋白依赖性CDK所控制。
  2. 主要的G1周期蛋白-CDK:
    • cyclin D-CDK4和cyclin D-CDK6
      1. cyclin D为细胞G1/S期转化所必需;
      2. CDK4/6的底物Rb蛋白是转录因子E2F的抑制因子, 是G1/S期转化的负调控因子, 在G1期的晚期阶段通过磷酸化而失活。
    • cyclin E-CDK2
      1. 主要出现在G1期晚期到S期的早期阶段, 为S期启动所必需;
      2. cyclin E-CDK2与类Rb蛋白p107和E2F结合形成复合物, CDK2催化p107磷酸化, 使其不能抑制E2F, E2F促进有关基因的转录, 促使细胞周期由G1期向S期转化;
      3. 生长抑制因子TGF-β可以有效地抑制cyclin E-CDK2活性, 进而将细胞阻止在G1期。
    • c．cyclin A-CDK2
      1. cyclin A的合成开始于G1/S期转化时期;
      2. 进入S期后, cyclin A-CDK2激酶成为该时期主要的CDK;
      3. cyclin A-CDK2与DNA复制有关, 位于DNA复制中心。
  3. G1期周期蛋白降解途径
    • 到达S期的一定阶段, G1期周期蛋白通过SCF泛素化途径降解, 同时需要G1期CDK活性的参与。
  4. DNA复制起始调控的其他因素
    1. DNA复制起始点的识别;
    2. Cdc6和Cdc45是DNA复制所必需的调控因子;
    3. DNA复制执照因子Mcm蛋白控制细胞在一个细胞周期中DNA只能复制一次。

保证一个细胞周期中DNA只复制一次的机制:

DNA复制执照因子学说(DNA replication-licensing factor theory): 在细胞的胞质内存在一种执照因子, 对细胞核染色质DNA复制发行”执照”(licensing), 即主要成分为Mcm蛋白的一种物质。在M期, 细胞核膜破裂, 胞质中的执照因子与染色质接触并与之结合, 使后者获得DNA复制所必需的”执照”。细胞通过G1期后进入S期, DNA开始复制。随DNA复制过程的进行, “执照”信号不断减弱直到消失。到达G2期, 细胞核不再含有”执照”信号, DNA复制结束并不再起始。只有等到下一个M期, 染色质再次与胞质中的执照因子接触, 重新获得”执照”, 细胞核才能开始新一轮的DNA复制。

S/G2/M期转换与DNA复制检验点

  1. DNA复制检验点类型
    • S期内部检验点: 在S期内发生DNA损伤如DNA双链发生断裂时, S期内部检验点被激活, 从而抑制复制起始点的启动, 使DNA复制速度减慢, S期延长, 同时激活DNA修复和复制叉的恢复等机制。

      实现S期内部检验点的两条信号通路来实现, 一条通路是通过染色体结构维持蛋白SMC1的磷酸化, 从而实现S期的延长, 另一条通路是通过ATM/AT R介导的Cdc25A磷酸酶过磷酸化而降解, 从而抑制cyclin E/A-CDK2活性。

    • DNA复制检验点: 是指由于停滞的复制叉导致的S期的延长的机制, 主要是由ATR/CHK1激活来介导的;

      ATR/CHK1介导Cdc25A降解进而抑制cyclin E/A-CDK2的通路, 减缓整体DNA复制的效率。

  2. 作用效果
    • S期内部检验点和DNA复制检验点能够将细胞停滞在S期和G2/M期。

其他因素在细胞周期调控中的作用

细胞内在基因

  • 癌基因异常表达可导致细胞转化、增殖失控, 甚至细胞癌变;
  • 抑癌基因表达产物对细胞增殖起负调节作用, 如p53、Rb基因等。

外在因素

  1. 常见种类: 离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、pH变化等。
  2. 影响
    1. 造成DNA损伤, 修复期间通过下游调控因子抑制激酶活性, 影响细胞周期运转;
    2. 直接参与调控DNA代谢, 影响细胞周期变化;
    3. 影响酶类和其他调节因素的变化, 改变细胞周期进程。

癌细胞

癌细胞的基本特征

肿瘤细胞分类

  1. 肿瘤细胞(tumor cell): 肿瘤细胞是指动物体内因细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。
  2. 恶性肿瘤(malignancy): 恶性肿瘤是指具有转移能力的肿瘤。源于上皮组织的恶性肿瘤称为癌。
  3. 良性肿瘤(benign tumor): 良性肿瘤是指分裂缓慢, 具有结缔组织包膜而不扩散的肿瘤。

癌细胞的主要特征

  1. 细胞生长与分裂失去控制: 在正常机体中细胞或生长与分裂, 或处于静息状态, 执行其特定的生理功能(如肝细胞和神经细胞)。癌细胞失去控制, 成为”不死”的永生细胞, 核质比例增大, 分裂速度加快, 结果破坏了正常组织的结构与功能;
  2. 具有浸润性和扩散性;
  3. 细胞间相互作用改变: 癌细胞冲破了细胞识别作用的束缚, 转移过程中会产生水解酶类,异常表达某些膜蛋白, 以便与别处细胞黏着和继续增殖。并借此逃避免疫系统的监视, 防止天然杀伤细胞等的识别和攻击。
  4. 表达谱改变或蛋白质活性改变;
  5. 体外培养的恶性转化细胞的特征: 具有无限增殖的潜能, 贴壁性下降, 有些可进行悬浮式培养;
  6. 失去运动和分裂的接触抑制, 在软琼脂培养基中可形成细胞克隆。

接触抑制(contact inhibition): 细胞培养过程中出现的一种现象。在培养开始后, 分散的细胞悬液在培养瓶中不久就会贴附在瓶壁上, 原来呈圆形的细胞一经贴壁就会变成多种形态, 随即细胞开始分裂, 形成致密的单层细胞。当细胞分裂、生长到表面相互接触时, 就会停止增殖, 维持相互接触的单层细胞状态直至衰老, 即所谓的接触抑制现象。

癌基因与抑癌基因

癌症: 是指主要由携带遗传信息的DNA的病理变化而引起的疾病。癌症是体细胞DNA突变, 遗传病是生殖细胞DNA突变。

癌基因(oncogene): 是位于人体和动物体细胞以及致癌病毒体内的能引起细胞恶性转化的核酸片段, 可以分为病毒癌基因和细胞癌基因两类。细胞癌基因被激活后可使细胞癌变, 而病毒癌基因随着病毒进入细胞后可使宿主细胞癌变。

癌基因分类:

  1. 病毒癌基因(v-onc): 指反转录病毒的基因组里带有可使受病毒感染的宿主细胞发生癌变的基因。
  2. 细胞癌基因(c-onc): 又称原癌基因(proto-oncogene), 是指在正常细胞基因组中对细胞正常生命活动起主要调控作用的基因, 在发生突变或被异常激活后变成具有致癌能力的癌基因。转化基因(transforming gene): 已活化的癌基因或是从癌细胞里分离出来的癌基因, 可将体外培养的哺乳类细胞, 转化成为具有癌变特征的癌细胞, 因此称为转化基因。

抑癌基因(tumor suppressor genes): 又称肿瘤抑制基因, 是指编码正常细胞增殖过程中的负调控因子的基因, 其表达产物具有在细胞周期的检验点上阻止周期进程, 或促进细胞凋亡, 或既抑制细胞周期调节, 又促进细胞凋亡的作用。抑癌基因突变, 则丧失其细胞增殖的负调控作用, 导致细胞周期失控而过度增殖。常见的有p53、Rb和ras等基因。

抑癌基因或其编码蛋白的主要功能:

  1. 偶联细胞周期与DNA损伤;
  2. DNA损伤未被修复, 细胞将起始凋亡程序, 解除可能对机体造成的危险;
  3. 与细胞黏着有关的某些蛋白质可以防止肿瘤细胞的扩散, 阻止接触抑制的丧失并抑制转移。

P53与DNA损伤

抑癌基因P53作用机制与细胞DNA损伤: p53是一种转录因子, DNA的损伤导致p53的水平上升, 激活DNA的修复系统, 并启动下游基因的转录, 如p21Cip;p21与各种cyclin-CDK复合物结合, 抑制其活性, 使细胞周期阻滞, 等待DNA完成修复。若DNA严重损伤, p53将诱导凋亡因子的表达, 使细胞进入程序化死亡。

肿瘤发生是基因突变逐渐累积的结果

  1. 癌症的发生一般不是单一基因的突变, 而是至少在一个细胞中发生5~6个基因突变。
  2. 与肿瘤发生相关的某一原癌基因的突变, 并非马上形成癌, 而是继续生长直至细胞群体中新的偶发突变的产生。
  3. 抑癌基因有两个拷贝, 其中一个拷贝正常, 可保证正常的调控作用, 两个拷贝都丢失或失活, 才能引起细胞增殖的失控;而原癌基因的两个拷贝中只要一个基因发生突变, 便可能起到与癌基因类似的作用。

肿瘤干细胞

肿瘤干细胞(cancer stem cell): 是指一群存在于某些肿瘤组织中的干细胞样细胞, 具有无限增殖、转移和抗化学毒物损伤的能力。肿瘤干细胞具有高致瘤性。

肿瘤干细胞与正常干细胞的比较:

  1. 相同点
    1. 具有自我更新和几乎无限增殖的能力;
    2. 使用一些共同的信号转导通路, 如Wnt、Notch和Shh信号通路及相关的信号分子。
  2. 不同点: 干细胞的增殖严格受控, 肿瘤干细胞增殖失控, 失去正常分化能力。

肿瘤干细胞与一般肿瘤细胞的比较:

  1. 致瘤性高: 将很少量的肿瘤干细胞注入实验动物体内, 即可形成肿瘤。
  2. 耐药性强: 多数肿瘤干细胞的细胞膜上表达ATP结合盒(ABC)家族膜转运蛋白, 可运输并外排包括代谢产物、药物、毒性物质、内源性脂质、多肽、核苷酸及固醇类等多种物质, 使之对许多化疗药物产生耐药性。

考点补充

名词补充

chapter13