第七章细胞周期与肿瘤 08113 ppt课件

第七章 细胞周期与肿瘤 (Cell cycle and cancer) 1 n 细胞周期 (cell cycle) 是细胞生命活动的基本过 程 , 指从细胞分裂结束开始 , 到下一次细胞分裂 结束为止的过程。 n DNA 合成和细胞分裂是细胞周期两个主要事件 。 n 在这一过程中 , 细胞的遗传物质 (DNA)经过复制 平均分配到两个子细胞中。 2 细胞周期时相 n 间期 Interphase: G1, S, G2 n 有丝分裂期 Mitosis: n 前期 prophase n 中期 metaphase n 后期 anaphase n 末期 telophase 3 4 细胞有丝分裂过程 5 n 目前从流行病学、病因学、遗传学多方面对肿 瘤进行了深入研究，认识到肿瘤是多因素作用 、多基因异常、多阶段演进所形成的。 n 但是肿瘤的恶性增生从生物学角度看，主要表 现在两个方面：一是肿瘤细胞的永生化（凋亡 障碍）；二是肿瘤细胞的增殖失控，这两方面 均已成为肿瘤发生发展研究的热点。 6 n 肿瘤是一类 细胞周期调控机制破坏 的疾病 , 对细 胞周期调控机制和肿瘤细胞周期调控机制改变 的重大发现 , 对认识肿瘤发生和演进、临床诊断 与治疗有十分重要的意义。 n 这一认识驱动着科学家们在 20世纪最后 20年， 围绕细胞周期进行了卓有成效和研究。 7 历史回顾 8 1665年 Robert Hooke发现细胞 , 并称之为小房 (cell) 1858年 Rudolf Virchow 建立细胞理论 1882年 观察到在细胞生长过程存在两种形式： 有丝分裂 期（染色体）和间期（染色质） 1951年 Howard和 Pelc发现细胞分裂周期（ cell divide cycle） 1971年 Yoshio Masui 发现 MPF 20世纪 70-80年代 Leland Hartwell, Paul nurse和 Tim hunt发现 CDK和 cyclin 9 n 1971年 Yoshio Masui发现，非洲爪蟾卵的有丝 分裂和减数分裂被一种物质所启动，他将这种物 质称为成熟促进因子 (Maturation Promoting Factor, MPF)。 10 n 1975年 Leland Hartwell在芽殖酵母中、 Paul Nurse在裂殖酵母中分别发现了编码酵母 MPF 的基因 -细胞分裂周期基因 (cell divide cycle, CDC), 并编以序号 (如 CDC2 、 CDC28)。 11 n 1983年， Tim Hunt发现 MPF由两个基因编码的蛋白质 共同组成： n 一个为 56KD的蛋白质，在细胞周期中呈时相性起伏， 称为细胞周期素（ cyclin） n 一个为 34KD蛋白质，具有蛋白激酶功能，因其在裂殖 酵母为 CDC2编码，芽殖酵母为 CDC28编码，故称为 p34cdc2/28, 又因为与 cyclin结合的 p34cdc2/28才有活 性，又称为细胞周期素依赖性蛋白激酶 (cyclin- dependent kinase, CDK)。 12 n One of key regulators of the cell cycle, CDK (cyclin dependent kinase), controls the cell cycle via the phosphorylation of other proteins. n Additional proteins (termed Cyclins) are formed and degraded during each cell cycle. The levels of these proteins vary up and down during the cell cycle. nThe cyclins bind to the CDK molecules and regulate the activity of CDK activity by selecting the cell proteins to be phosphorylated. n These findings led to important insights into how normal and cancer cells develop. 13 2001年， Leland Hartwell， Paul nurse和 Tim hunt因成功揭 示细胞周期分子机制而共同获得第 100届诺贝尔生理学与医学 奖。这标志着细胞周期的研究已获得全世界的认同，为细胞周 期与肿瘤的研究奠定了基础。 14 第一节 细胞周期机制的核心 - CDK调控机制 15 n 在进化过程中 , 细胞发展并建立了一系列的调控 机制 , 以确保细胞周期严格有序地交替和各时相 依次有序变更。 n 与细胞周期调控有关的分子主要有 3 大类 : n 细胞周期素 (cyclin) n 细胞周期素依赖性激酶 (cyclin-dependent kinase ,CDK) n 细胞周期素依赖性激酶抑制物 (cyclin- dependent kinase inhibitor ,CKI) , 16 CDK调控机制 n 细胞周期事件受控于精密的细胞周期调控机制。 n 细胞周期调控机制的核心是一组 (Ser/Thr)蛋白激酶，它 们各自在细胞周期内特定的时间激活，通过对相应底物的 磷酸化，驱使细胞完成细胞周期。 n 这些蛋白激酶的细胞周期特异性或时相性激活，依赖于一 类细胞周期特异性或时相性表达、累积与分解的蛋白质。 17 n 细胞周期内特异性、时相性表达的蛋白质称为细 胞周期素 cyclin。 n 依赖 cyclin的调控细胞周期的蛋白激酶称为细胞 周期素依赖性激酶 cyclin-dependent kinase, CDK。 18 CDKs 在整个细胞周期中的含量是平稳的 , 但在 细胞周期不同时相中 , 不同的 cyclins 的集聚与 相应 CDKs 结合并被激活。 CDK 激活的底物主要有 PRB、 E2F、 P107等 , 具有促进细胞周期时相转变、启动 DNA 合成、 运行细胞分裂、推进细胞周期运行的重要功能。 人类细胞主要的 CDK有 : CDK1(CDC2), CDK2 , CDK4, CDK6。 19 n CDK 是细胞周期调控网络的核心 n cyclin 对 CDK 具有正性调控作用 n CKI 对 CDK 具有负性调控作用 n CDK、 cyclin和 CKI共同构成了细胞周期调 控的分子基础。 20 n CDKs活性受以下几种机制的调控： n Cyclins的时相性表达与降解 n CDK激活性蛋白激酶 (CDK Activating Kinase, CAK) 对 CDK Thr 160/161磷酸化 n Weel/CDC25对 Thr14/Tyr15磷酸化和去磷酸 化 n CDK抑制物 (CKI)对 CDK的抑制 21 一、 Cyclins的时相性表达与降解 Cyclins 的表达具有典型的周期性和时相特异性 细胞内外各种信号传导途径激活转录因子 , 转录 因子与靶基因的作用通过影响 cyclins 的细胞水 平作用于相应的 CDK, 对细胞周期进行调控。 22 n 起初人们定义 cyclin时，是根据其蛋白质水平在细胞周 期内呈时相性起伏的特征。现在看来，正确的定义，应 根据该蛋白质结构上是否存在能与 CDK催化亚单位结合 、激活的特异性区域。 n 所有的 cyclin蛋白分子结构上，都有一个由 100多个氨基 酸组成的相对保守的区域，人们称为细胞周期盒。 Cyclin box的主要功能是与 CDK结合并激活之，如果该 区域突变， cyclin与 CDK的结合能力和激活功能同时丧 失。 23 100aa组成 cyclin box Cyclin -COOHH2N- cyclin CDK Cyclin/CDK Combine 催化亚基 CDK 所有 Cyclin蛋白分子结构上都有一段与 CDK结合并使之 激活的保守区，称为细胞周期素盒 (Cyclin box)。 24 n 人类细胞主要的 Cyclin有 : n Cyclin B1 n Cyclin A n Cyclin E n Cyclin D1, D2和 D3 25 CyclinD 是细胞周期运行的起始因子 , 又是生长 因子的感受器。处于 G0 期的细胞在 GF和 GFR 的作用下 , 通过 ras蛋白 MAPK信号传导通路 使 cyclinD 在 G1 早期表达增加。 26 CyclinE表达始于 G1 中期 , 峰值位于 G1/ S 交界 处 , cyclinE 的合成受 E2F 和 Myc 共同激活 ,当 CyclinD 与 CDK4/ CDK6 结合后 , 使 RB 蛋白磷 酸化 , 释放转录因子 E2F, 诱导 CyclinE 和 CDK2 的表达，细胞越过 G1/ S 转折点。 当细胞进入 S 期 , cyclinE 水平急剧下降 , CDK2 与 cyclin A 结合 ,在下一个时相发挥生物学功能 。 27 各种 cyclin 含量在细胞周期呈周期性变化 , 与 CDK 结合形成复合物并激活其活性 , 对细胞内 特定底物进行磷酸化后 , 通过泛素依赖性的蛋 白酶水解途径降解失活。 28 Cyclins的时相性起伏 D E A B Cyclin的功能调控主要依靠其蛋白质水平的细胞周 期特异性起伏。 29 Cyclins通过泛素 -蛋白酶体途径降解 30 n 人类细胞的 CDK只和特定的 Cyclin结合 n CDK4/6与 Cyclin D（ 1, 2, 3）结合 - G1期运行 n CDK2与 Cyclin E结合 - S期启动 n CDK2与 Cyclin A结合 - G2期启动和进行 n CDK1与 Cyclin B1结合 - M期启动和进行 31 G1 S G2 M prophase metaphase anaphase telophase Cyclin D CDK4/6 Cyclin B CDK1 Cyclin A CDK2 Cyclin E CDK2 Cyclins/CDKs in the different phases of cell cycle 32 CDK的 Thr 161/ 160磷酸化可促进 CDK-Cyclin 的结合。 对 Thr 160/161磷酸化的蛋白激酶是 CAK。 CAK的两个重要亚单位是 CDK7和 CyclinH. 二、 CAK对 CDK Thr 160/161磷酸化 33 CAK CDK的激活机制 CDK Thr 160/161磷酸化 CDK/Cyclin cell cycle 34 三、 Weel/CDC25对 CDKThr14/Tyr15 磷酸化和去磷酸化 CDK的激活和失活还与 Thr14 /Tyr15 的磷酸化 和去磷酸化有关。 Thr14/Tyr15的去磷酸化导致 CDK的激活 使 CDK上 Thr14/Tyr15磷酸化的蛋白激酶是 weel, 使其去磷酸化的磷酸酶是 CDC25。 35 CDK启动 cell cycle CDK激活 Cyclin与 CDK结合 CAK对 CDK Thr 160/161的磷酸化 Cell cycle CDC25 对 CDKThr14/Tyr15去磷酸化 36 四、 CKI对 CDK的抑制 CKI有两大类蛋白组成 Ink4家族： P16INK4a、 P15INK4b、 P18INK4c和 P19INK4d，抑制 CDK4、 CDK6。 Cip/Kip家族： p21Cipl、 P27Kip1和 P57Kip1， 抑制 CDK2、 CDK4、 CDK6等。 37 大部分 CKI识别 CDK- Cyclin复合物 P16 ink4a是与 CDK4单 体结合 阻断 CDK4与 Cyclin的结合。 38 第二节 细胞周期调控的两大机制 一细胞周期的驱动机制 二细胞周期的监控机制 39 一细胞周期的驱动机制 细胞周期能否启动进行细胞增殖，主要的 调控 点 在 G1期晚期 -“限制点 ”（ restriction point, R)，它决定细胞是否通过 G1期，进入 S期 . 40 人类细胞是否能够通过 R点 进入细胞周期，主 要受生长因子调控。 只要有相应的生长因子，细胞就能通过了 R点 , 依次完成 G1、 S、 G2、 M期。 如果 G1期缺乏生长因子，细胞周期运行将停止 在 R点 ，细胞进入 G0期。 41 生长因子通过多种信号转导途径，启动多种基 因转录，驱使细胞进入细胞周期，进行生长分 裂。 根据基因转录后 mRNA出现的时间，这些基因 可分为早期应答基因和延迟应答基因二类。 42 细胞周期的驱动机制 生长因子 早期应答基因 (Jun,Fos,Myc) 延迟应答基因 cyclinD-CDK4/6 cyclinE-CDK2 R点 (Rb) 43 联结信号传导与细胞周期机制 有两条途径： 通过 CyclinD-CDK4/6 通过 CyclinE-CDK2 44 生长信号（ GF） ： 通过早期应答基因传递到 细胞周期调控机制时 , 首先是 cyclinD的表达 增加 ,与 CDK4/6形成复合物，使细胞周期运行 。 抑制信号（ TGF-） ：促进 CKI表达增加 , 抑 制 CyclinD -CDK4/6复合物的功能，使细胞阻 滞在 G1期。 45 二细胞周期的监控机制 n 细胞周期通过细胞内固有的监控机制 - 检测点（ check point）以保证细胞复制的忠实性。 n 检测点分类 n DNA损伤检测点 n 时相次序检测点 n 检测点功能 n 探测 制动 修复 决定（死亡或分化） 46 （一） DNA损伤检测点 n p53 pathway (主要为 G1期检测点 ) n Cdc25 pathway (主要为 G2期检测点 ) 47 DNA损伤 p53蛋白表达，积累 p21CIP1 抑制 cyclinE-CDK2 细胞不能进入 S 期 , G1-S 期阻滞 p53 pathway GADD45 抑制 CyclinB - CDK1 G2-M期阻滞 48 DNA损伤信号 激活 DNA损伤感应激酶 hATM/hATR 激活 chk1激酶 CDC25上 ser216磷酸化， CDC25失活 CDK1失活（ Thr14不能去磷酸化） G2期阻滞 Cdc25 pathway 49 DNA损伤检测点信号转导途径是一个高度保守的信号 感应过程，整个途径大致可以分为损伤感应、信号传 递及信号效应 3个组成部分。 其中， 3-磷脂酰肌醇激酶家族类成员 ATM(ataxia- telangiectasia mutated)和 ATR(ataxia- telangiectasia and Rad3-related)是重要的 DNA损伤 感应激酶，其活性增加构成整个途径活化的第一步。 它们通过激活下游的效应激酶 Chk2/Chk1（ checkpoint kinase ） , 通过协同作用许多其他调控细 胞周期、 DNA复制、 DNA损伤修复及细胞凋亡等过程 的蛋白质因子来实现细胞对 DNA损伤的高度协调反应 。 50 （二）时相次序检测点 n 时相次序检测点主要起保护 DNA复制和染色 体分配的轮流完成的作用。 n 包括两个调控过程 n S期启动的调控 n 有丝分裂后期调控 51 1. S期启动（ DNA复制）的调控 第一步 Pre-RC组装 第二步 S期 CDK/DDK的激活，激活后的 S期 CDK又抑制 Pre-RC的再组装。 时相调控过程的两步制约 52 S期启动的调控 CDK2+CyclinE ORC CDC6p Pre-RC组装 DNA复制启动 McM DDK+ Dbf4 G1期 晚 G1期 S期 Pre-RC:复制前复合物（ pre-replication complex,Pre-Rc） ORC: 起始点识别复合物（ Origin Recognition Complex） DDK:Dbf4依赖性蛋白激酶（ Dbf4-Dependent Kinase） 53 真核生物中，为保证遗传物质精确传递到子代，一个细 胞周期中 DNA 只能复制一次。 DNA 获得复制的能力是通过各种相关调控蛋白与 DNA 复制起始点顺序性结合而实现的，主要包括 ORCs、 Cdc6、 Cdt1 和 MCM2-7 等。 G1/S 交界处， Pre-RC 在至少两种激酶 (CDK 和 Cdc7/Dbf4)作用下形成起始前复合体 ( Pre-initiation complex， Pre-IC)， Pre-IC 进而触发 DNA 复制的启动 。 54 n 2. 有丝分裂后期调控： n 第一步 CDK1激活 姐妹染色体排列于两 极的纺锤体之间； n 第二步 APC激活 姐妹染色体分离和 M期 Cyclin降解 时相调控过程的两步制约 55 细胞周期调控机制小结 n 细胞周期由一系列瀑布式的 CDKs激活所驱动 n CDKs的激活受控于 四大机制 (cyclin, CAK, Weel/CDC25, CKIs) n CDKs激活执行细胞周期的两大生物学功能 : 复 制和分裂 56 第三节 细胞周期的界面机制 57 当静止期细胞将正负生长信号整合后，启动进 入细胞周期，经过各种检测点，将面临三种主 要归宿：分裂、分化和死亡，说明细胞周期与 信号传导、基因转录、 DNA修复、细胞凋亡 、细胞分化 等多种生命活动的界面之间，存在 密切的联系。 58 一细胞周期与 DNA修复 所有的真核细胞中都存在一整套高度保守的完 整的精密机制，承担着 DNA损伤、错误地发现 ，并将其信号传递给相应的机制，去阻滞细胞 周期的运行，并同时进行 DNA损伤的修复。然 后视修复情况，决定继续分裂或死亡，执行一 系列细胞的重要生命活动。 59 n 这一过程包括：传感器 制动 修复 决定 n 发现 DNA损伤的传感器 (Sensor) n 受损细胞的制动或扣留 (Arrest ) n DNA修复 (Repair) n 决定 (Decision) 继续分裂或凋亡 60 n 在人类执行传感器任务的是 ATM和 p53基因。 n 细胞 G1/S期阻滞主要通过 p21， G2/M期阻滞 主要通过 GADD45。 n DNA修复机制主要有错配修复和切除修复。 61 二、细胞周期与细胞凋亡 细胞凋亡表现为细胞周期特异性，即不同因素 诱导的细胞凋亡发生在细胞周期不同的时相。 这类细胞凋亡的发生，往往是细胞先被 阻滞在 细胞周期的某一时相 ，然后发生细胞凋亡。 许多化疗药物正是通过这类细胞周期特异性细 胞凋亡，达到治疗肿瘤的目的。 62 三细胞周期与细胞分化 细胞周期机制也调控着细胞分化。 P21CKI参与角化细胞的分化 Rb磷酸化能释放出其 “扣留 ”的转录因子 E2F, 驱动细胞周期的进行，去磷酸化时参与细胞的 分化，如在 MyoD的参与下，促使肌母细胞分 化。 63 第四节 肿瘤