医学细胞生物学细胞周期及其调控细胞周期本科课件

1、医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 1 亲代 细胞 细胞周期细胞周期 间期间期 有丝分裂期（有丝分裂期（M期）期） 有丝分裂有丝分裂 子代 细胞 子代 细胞 有丝分裂有丝分裂 子代 细胞 子代 细胞 第二节第二节 细胞周期及其调控细胞周期及其调控 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 2 一、细胞周期的基本概念一、细胞周期的基本概念 亲代 细胞 细胞周期 间期间期 有丝分裂期（有丝分裂期（M期）期） 有丝分裂有丝分裂 子代 细胞 子代 细胞 有丝分裂有丝分裂 子代 细胞 子代 细胞 细胞周期细胞周期(cell cycle) 连续分裂的细胞从上一次有丝分裂结束开始到下一 次有丝

2、分裂完成所经历的全过程。在这一过程中，细胞 通过一系列的生化事件复制细胞的组分，然后将细胞一 分为二，这种周期性的复制和分裂过程称为细胞周期。 包括间期和有丝分裂期。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 3 细胞周期细胞周期 间期间期 DNA复制准备期复制准备期 (G1期期) 合成期合成期( (S 期期) ) 有丝分裂准备期有丝分裂准备期 (G2期期) 有丝分裂期有丝分裂期( (M期期) ) G0 期期 8h 11h 4h 1h 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 4 G0 期期：就是静止期，有些细胞从G1期中 退出细胞周期，不进行DNA的复制和细 胞分裂,当受到一定的刺激

3、后，即可进入 细胞周期，开始进行分裂。 根据细胞增殖能力的不同，将细胞分为三类：根据细胞增殖能力的不同，将细胞分为三类： 周期性细胞周期性细胞 G0期细胞期细胞 终末分化细胞终末分化细胞 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 5 二、细胞周期各时相的动态与生物大分子的合成二、细胞周期各时相的动态与生物大分子的合成 细胞进行活跃的细胞进行活跃的RNA和蛋白质的合成和蛋白质的合成, ,细胞体积增大细胞体积增大, , RNARNA聚合酶活性升高聚合酶活性升高。 G1期向S期转换所需蛋白（触发蛋白、钙调蛋白、细胞周期蛋白等）； S期DNA复制起始和延长所需要的酶（解螺旋酶、DNA聚合酶）。 多

4、种蛋白质的磷酸化多种蛋白质的磷酸化 组蛋白、非组蛋白及某些蛋白激酶 细胞膜对物质的转运功能增强细胞膜对物质的转运功能增强 (一一) G1期是期是DNA复制准备期 G1期细胞对外界变化非常敏感，如温度、营养期细胞对外界变化非常敏感，如温度、营养 物质、生长因子、离子浓度、物质、生长因子、离子浓度、pH值、药物等。值、药物等。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 6 R点点( (restriction point)： 是哺乳动物细胞周期中控制细胞从G1期进入S 期的一个调节点，具有调节细胞增殖周期开关的阀 门，称R点。 G1期的细胞做好了生化准备之后，期的细胞做好了生化准备之后， 能否直

5、接进入能否直接进入S期呢？期呢？ 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 7 ( (二二) ) S 期（合成期）期（合成期） DNA复制合成复制合成 GC含量较高的DNA序列早复制、AT含量较高的 DNA序列晚复制；常染色质先复制、异染色质后复制。 蛋白质的合成蛋白质的合成 组蛋白、非组蛋白和染色质凝集蛋白的合成；同时 组蛋白的持续磷酸化仍在进行。 中心粒的复制完成中心粒的复制完成 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 8 新中心粒的形成新中心粒的形成 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 9 (三三) G2期期 (有丝分裂准备期) 合成大量的RNA、ATP及细胞进入有丝

6、分裂期 所需要的结构与功能相关的蛋白，为细胞进入 M期作准备。 成熟促进因子成熟促进因子(maturation promoting factor,MPF) 是一种在是一种在G2期形成期形成的、能促进的、能促进M期启动的期启动的 调控因子。包括调控因子。包括CyclinB和和Cdk1 。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 10 MPF的活性单位的活性单位 MPF的调节单位的调节单位 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 11 S期复制的中心粒，在G2期 成熟，并移向细胞两极。 G2晚期到M期之前，中心粒 周围形成晕（中心粒周围物质）。 (四四) M 期期 染色质凝集、核膜崩解

7、、姐妹染色 单体分离、核膜重建等。 RNA合成抑制、除非组蛋白 外，其他蛋白合成显著降低。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 12 为什么细胞能够严格的按照顺序从 间期前期中期后期末期？ 答：细胞内存在着细胞周期调控系统。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 13 三、细胞周期的调控三、细胞周期的调控 细细 胞胞 周周 期期 调调 控控 系系 统统 （一）细胞周期调控系统的核心 cyclin Cdk CKI 促进Cdk调节因子降解的酶复合物 （二）细胞周期检测点 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 14 （一）细胞周期调控系统的核心（一）细胞周期调控系统的核心

8、1. 细胞周期蛋白细胞周期蛋白 (Cyclin) Cyclin: 是一类普遍存在于真核细胞中，随细胞周是一类普遍存在于真核细胞中，随细胞周 期的变化呈周期性的合成和降解的蛋白质。期的变化呈周期性的合成和降解的蛋白质。 可分为：可分为：A、B、C、D、E等几大类，在细胞周期等几大类，在细胞周期 的不同阶段相继表达。的不同阶段相继表达。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 15 G1期：期：cyclinC、D、E，促进促进G1/S转变转变 （G1期周期蛋白期周期蛋白） G1期期 向向 S 期转变：期转变：cyclinA（S期周期蛋白期周期蛋白） S期：期：cyclinB开始表达开始表达

9、G2/M：cyclinB表达达到高峰（表达达到高峰（M期周期蛋白期周期蛋白） M期末：期末： cyclinB降解降解 Cyclin 需与需与Cdk结合参与细胞周期活动的调节。 周期蛋白框周期蛋白框（cyclin box）：）：在细胞周期蛋白中在细胞周期蛋白中 都存在一个由都存在一个由100100个左右的氨基酸组成的保守个左右的氨基酸组成的保守 序列，该序列介导周期蛋白与序列，该序列介导周期蛋白与Cdk结合。结合。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 16 2. .细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶细胞周期蛋白依赖性蛋白激酶 (Cyclin-dependent kinase, Cdk) 1 C

10、dk: 是细胞周期调控系统的核心成分之一，是一类必是细胞周期调控系统的核心成分之一，是一类必 需与需与cyclin结合才具有活性的激酶。结合才具有活性的激酶。Cdk家族蛋白家族蛋白 中都存在一个中都存在一个Cdk结构域结构域和和可被磷酸化的氨基酸可被磷酸化的氨基酸 残基残基。 Cdk结构域结构域 与相应的细胞周期蛋白结合，发挥激酶的活性。 可被磷酸化的氨基酸残基可被磷酸化的氨基酸残基 通过磷酸化和去磷酸化调节其活性。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 17 第三步第三步 第二步第二步 第一步第一步 Cdk 14-Thr 15-Tyr 161-Thr myt 激酶激酶 Wee 1激酶

11、激酶 cyclin CAK(cdk活化激酶活化激酶) cdc25磷酸酶磷酸酶 Cdk的活化机制的活化机制 P P 14-Thr 15-Tyr 161-Thr Cdk cyclin P P 14-Thr 15-Tyr 161-Thr Cdk cyclin P 161-Thr P 15-Tyr 14-Thr P cyclin 161-Thr P 15-Tyr 14-Thr Cdk 第一步第一步 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 18 M-cdk的活化机制 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 19 哺乳动物的CKI包括两个家族： （1）CIP/KIP (Kinase inhib

12、ition protein)家族：家族：p21、p27、p57 （2） INK4(Inhibitor of cdk 4)家族：家族： p15、p16、 p18、p19 3. Cdk抑制物抑制物(CKI) CKI对对Cdk的抑制机制：的抑制机制： 通过与cyclin-cdk复合物结合，形成三元 复合物，改变Cdk的活性位点的空间位置， 使其失活。 CKI对对cdk的抑制作用主要在G1期和S期。 CKI cyclin CDK 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 20 4. .促进促进Cdk调节因子降解的酶复合物调节因子降解的酶复合物 SCF：对：对CKI进行降解进行降解 APC：对：对c

13、yclin进行降解进行降解 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 21 （二）细胞周期检查点（二）细胞周期检查点 （1 1）未复制）未复制DNA检测点检测点 （2 2）纺锤体组装检测点纺锤体组装检测点 （3 3）染色体分离检测点）染色体分离检测点 （4 4）DNA损伤检查点损伤检查点 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 22 （三）细胞周期的胞内调控（三）细胞周期的胞内调控 （2 2） 复制前复合体复制前复合体（Pre-RC） （1） S期期cyclin-Cdk复合物复合物 主要是主要是cyclinA-cdk复合物。复合物。 启动DNA复制； 1. S期期DNA复制的调控机制

14、复制的调控机制 保证DNA在一个细胞周期只复制一次。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 23 (1) 始终与复制起始点DNA结 合。其他调节蛋白都是通过与 ORC结合发挥作用。 (2) 在G1早期瞬间高表达，是与 ORC特异性结合的调控蛋白。 (3) Mcm蛋白复合体是在cdc6 存在的条件下与ORC结合。 被SCF降解 G1早期形成Pre-RC Mcm解离，并被磷酸化， 从核移向胞质。 ORC被磷酸化，不能结合调节蛋白。 S期中，S-cdk保持高浓度。 G2和M早期，S-cdk保持高浓度。 在M期， M-cdk表达，继续发挥对底物的磷酸化。 M期结束，细胞内所有cdk活性消失。P

15、re-RC重新组装。 S-Cdk S期期 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 24 （三）细胞周期的胞内调控（三）细胞周期的胞内调控 （2 2） 复制前复合体复制前复合体（Pre-RC） （1） S期期cyclin-Cdk复合物复合物 主要是主要是cyclinA-cdk复合物。复合物。 启动DNA复制； 1. S期期DNA复制的调控机制复制的调控机制 保证DNA在一个细胞周期只复制一次。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 25 2. G2/M 期的转换期的转换 （2）未复制）未复制DNA检查点检查点 （1）G2晚期形成的晚期形成的MPF cyclinB 达到高峰达到高峰

16、CyclinB-Cdk1增多增多 （非活化状态）（非活化状态） G2晚期，晚期， cdc25激活激活 CyclinB-cdk1 （活化状态）活化状态） 未复制完成未复制完成 的的DNA 未复制未复制DNA检查点检查点 MPF活化活化 能否进入能否进入M期期？ 激酶激酶 cdc25 pi 无活性无活性 cdc25 活性活性 M期期 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 26 3. M期的调控作用期的调控作用 （1 1）MPF 发挥作用发挥作用 MPF 磷酸化磷酸化APC 后期后期 释放分离酶释放分离酶 分解分解cyclin B 末期末期 肌球蛋白肌球蛋白 去磷酸化去磷酸化 相应蛋白相应蛋

17、白 去磷酸化去磷酸化 胞质收缩胞质收缩 形成子核形成子核 组蛋白组蛋白H1 、染色质凝集蛋白、染色质凝集蛋白、 核纤层蛋白、微管结合蛋白核纤层蛋白、微管结合蛋白 前期前期 中期中期 能否进入后期能否进入后期？ 纺锤体组装检查点纺锤体组装检查点 磷酸化相应磷酸化相应 （2 2）MPF 失活失活 MPF失活失活 蛋白蛋白 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 27 M-Cdk 的作用底物 M 期激酶的 作用时间 结果 作用底物 H1 组蛋白 M 期,S 期 M 期染色体浓缩 核纤层蛋白 M 期早期 核膜破裂 核仁蛋白 M 期早期 阻止核糖体合成 肌球蛋白 M 期 抑制胞质分裂 医学细胞生物

18、学细胞周期及其调控 细胞周期本科 28 APCAPC诱导的水解作用触发姐妹染色单体分离诱导的水解作用触发姐妹染色单体分离 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 29 M-CdkM-Cdk 使使 核核 纤纤 层层 蛋蛋 白白 磷磷 酸酸 化化 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 30 4. .G1期的调控期的调控 （1） MPF活性的持续抑制活性的持续抑制 Hct 1-APC复合物继续降解复合物继续降解M期期cyclinB CKI增加增加 M-cyclinB转录水平下降转录水平下降 （2）合成的）合成的G1期期cyclin-cdk复合物复合物 Cyclin-C、D、E与与cdk

19、4/6复合物复合物； （3）合成的）合成的S期期cyclin-cdk复合物及其抑制蛋白复合物及其抑制蛋白 何时进入何时进入S期期？ 磷酸化抑制蛋白磷酸化抑制蛋白 R点点 S期期cyclin-Cdk 活性恢复活性恢复 进入进入S期期 G1晚期晚期 G1-cdk 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 31 Rb蛋白是视网膜母细胞瘤蛋白，通过结合E2F来调节细胞 周期。 Rb蛋白 G1-cdk (G1期) 磷酸化 Rb蛋白蛋白 失活 Rb蛋白的蛋白的“刹车刹车” 作用作用 Cyclin E G1期S期 Cyclin E 磷酸化 E2F E2F G1期S期 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞

20、周期本科 32 5. DNA损伤检测点损伤检测点 辐射和一些化学物质可以使辐射和一些化学物质可以使DNA受损。机体受损。机体DNA损损 伤检查点可以阻止受损伤检查点可以阻止受损DNA进入细胞周期。进入细胞周期。 G2期期：DNA损伤信号损伤信号 cdc25 磷酸化 磷酸化cdc25 （失活） 去磷 酸化 Thy15-pi Thy15 M-cdk失活M期期 G1期期：DNADNA损伤信号通过损伤信号通过p53p53蛋白蛋白的阻碍作用，阻止细胞进的阻碍作用，阻止细胞进 入入S S期期。 医学细胞生物学细胞周期及其调控 细胞周期本科 33 G1期中期中DNA损伤与损伤与p53活化作用活化作用 活化的活化的p53结合到结合到