医学细胞生物学：细胞周期2

1、细胞周期（cell cycle）1. What is cell cycle? How many phases in a cell cycle? What will happen in each phase? 3. The basic molecules to control cell cycle.4. How many ways to modulate the activity of CDK? Cyclin degradation CDK modificationCDK inhibitors5. CDK activity in each phases.6. What is MPF? The i

2、mpact of MPF on different stage of mitosis.2. What is cell restrict point ? The cells in different status of cell cycle.8. What is cell cycle check-points? How many check-points do you know? How can the check-points control the cell cycle on the right track?9. Protooncogene and tumor supressor gene1

3、0. Cell cycle and medicineTissue regeneration Tumor and cell cycleRelative longer G1Loss control of cell cycle7. Whats kind of CDK control DNA synthesis in S phase and make the synthesis only once? And how can it make that. 11. What are the roles of MPF and APC in M phase?Cell cycleThe time period f

4、rom last end of the cell division to the end of next cell division. 关键事件： 复制S期, DNA复制 分裂M期,染色单体分开细胞周期 细胞间期：细胞生长阶段（、） 分裂期：核、质分裂（） TC TG1 + TS + TG2 + TM前期中期后期末期G1（DNA合成前期）分裂期G2（DNA合成后期） S（DNA合成期）间期S-phase(DNA synthesis）G1 phaseMphaseG2 phaseG0 stateCell division5 hours12 hours15 hours16 hour cell cyc

5、le细胞周期时间长短主要取决于G1期时间早期胚胎细胞周期哺乳动物细胞周期的时间（小时）细胞类型 TC TG1 TS TG2+M人结肠上皮细胞 25 9 14 2直肠上皮细胞 48 33 10 5胃上皮细胞 24 9 12 3骨髓细胞 18 2 12 4大鼠十二脂肠隐窝细胞 10.4 2.2 7.0 1.2内釉质上皮细胞 27.3 16.0 8.0 3.3肝细胞 47.5 28.0 16.0 3.5细胞周期分析2n4n G1G2+M限制点（restriction point，R点）： 调节细胞增殖周期开和关的“阀门”。 它接受多种环境信号的调节，控制着细胞 周期的进程，是细胞增殖与否的转折点。T

6、he cells in different status of cell cycle细胞类群：继续增殖细胞(in cell cyle)：在细胞周期中连续分裂的细胞。如：胚胎早期的细胞、造血干细胞、上皮 基底细胞，它们对机体的建立和组织的更新 起了十分重要的作用 静止期细胞（G0期细胞）(rest cells, out of cell cycle)：一般情况下不增殖，受到一定刺激后，可重新进入细胞周期，恢复增殖能力。肝、肾的实质细胞、血液中的淋巴细胞都属于这类细胞 终末分化细胞(terminated cell , no cell cycle)：某些细胞分化程度很高，完全失去增殖能力。如：人的红细

7、胞、神经元细胞和骨骼肌细胞等 G0期细胞和终端分化细胞的界限有时难以划分，有的细胞过去认为属于终末分化细胞，目前可能被认为是G0期细胞。 Events happen in different phasesG1期S期G2期M期 G1期： （DNA合成前期） 是细胞生长和DNA合成准备期，合成大量RNA和蛋白质G1早期细胞体积增大大分子物质的合成和细胞器的装配G1期限制点G0期细胞（R点）G1晚期为S期DNA合成作准备DNA复制所需酶、因子、底物细胞周期蛋白、钙调蛋白等组蛋白、非组蛋白、相关蛋白激酶CDK4,6/CyclinDCDK2/CyclinES期： （DNA合成期）DNA合成的启动DNA复

8、制主要事件在复制单位内同时进行，由数个至上百个复制起始点组成蛋白质合成活跃合成与DNA复制相关的酶：如：胸苷激酶、胸苷酸合成酶、DNA聚合酶等合成周期蛋白等组蛋白与染色体合成关联、同步中心粒复制DNA复制与组蛋白合成同步S期的复制（黑色银颗粒）G2期：有丝分裂准备期成熟促进因子（MPFmaturation promoting factor）由Cyclin B与CDK1组成凝集素等微管蛋白的合成中心体生长、分离M期：（有丝分裂期） 使染色体等分到两个子细胞中去的过程The regulation and control of cell cycleMPF MPF = cyclinB+cdk1How

9、many ways to modulate the activity of CDK? The components of cell cycle regulation systemcyclinCDK(cyclin dependent kinase)CDK inhibitorsThe nature of cell cycle is a kind of relay of CDK activityCDK1用科学的术语：细胞周期是CDK活性交替的结果用文学的说法：细胞周期是CDK活性“潮起潮落”的结果用通俗的说法：细胞周期是不同的CDK进行的接力传递cyclin-dependent kinase, Cd

10、k特点:含有Cdk激酶结构域，通过与细胞周期蛋白结合并被激活,丝/苏氨酸磷酸化激酶.(The consensus sequence for the phosphorylation site in the amino acid sequence of a CDK substrate is S/T*PXK/R, where S/T* is the phosphorylated serine or threonine, P is proline, X is any amino acid, K is lysine, and R is arginine. )是细胞周期调控的催化亚单位作用于细胞周期事件的

11、靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应，促进细胞周期的不断运行自身可被磷酸化. 成员：Cdk19（最重要的6，4, 2, 1）Different types of CDK in cell cyleCdc :cell division cyle gene. Cdc2=CDK2CDK1MPFCDK activationCdk 活化激酶（Cdk activating kinase, CAK） Thr161Thr 14, tyr 15cyclin特点:细胞周期中含量周期性变化结合并调控Cdk活性周期性变化调节亚单位存在周期蛋白框（cyclin box）100AAs, cyclin/cdk associati

12、on and activation.cyclinA or B ,in N-terminal there are 9 AAs specific sequence for degradation, C to H has PEST for degradation.家族成员：高等真核细胞为A-H, T（重要的A，B，D， E)不同成员表达时间不同，执行功能不同 Cyclin-CDKCDK1Cyclin-CdK Complexes at Different Stages of the CycleModified from Figure 17-3, from: Molecular Cell Biology

13、 by Lodish etal. 2000Regulation of CDK by Cyclin Degradation Modified from Figure 16-4, Page 516 from: Essential Cell Biology by Alberts et al. 1997, Garland Publishing Inc. New York, NYCdk inhibitorWee1等蛋白激酶(间接的）CDK抑制因子（CDK inhibitor,CKI）CKI是对CDK激酶起负性调控作用的蛋白质直接结合CDK或cyclin-CDK复合物抑制CDK激酶活性、延迟或阻断细胞周期

14、运行，将细胞阻止在不同的检测点，主要作用于G1和S期哺乳动物包括CIP/KIP家族和INK4家族，在DNA受损后，细胞将停留于G1 Checkpoint ，待DNA修复或者凋亡. 这些抑制剂都是抑癌基因。CIP/KIP家族: p21、p27、p57 INK4家族: p16 、p15、p18、p19Mechanisms for inhibitor inhibition 细胞周期调控蛋白E2F targets genes that encode proteins involved in DNA replication (for example DNA polymerase, thymidine k

15、inase, dihydrofolate reductase and cdc6), and chromosomal replication (replication origin-binding protein HsOrc1 and MCM5). 一般地，INK4，作用在限制点（R)之前。Cip/kip作用在R之后。但P21的作用比较广泛。Cdk活性抑制因子Cdc2=cdk1促进Cdk调节因子降解的酶复合物SCF和APC/C都是泛素连接酶E3，它们分别在细胞周期不同的时期被激活，而实现对细胞周期的不同时期进行调节。SCF activation and degradation of CDK in

16、hibitor proteinAPC/C activation and degradation of cyclin proteinAPC(Anaphase- promoting complex) 有丝分裂后期促进复合物，是促进Cdk失活的主要机制识别并泛素化cyclin必须有Cdc20参与方可激活APC/cdc20 复合体APC的活性存在于M期的中期到G1向S期过渡的这段时间。需要被MPF磷酸化才能跟cdc20 结合。 S期的DNA复制M期的进出与有丝分裂事件的触发G1期的调控DNA损伤与p53蛋白对细胞周期进程的阻抑作用The related mechanisms for cell cycl

17、e regulation in each phases 1. S期的DNA复制SCdK（CyclinA-Cdk2）：该蛋白复合体控制DNA准确复制通过控制DNA复制的启动以防止重复复制。Whats kind of CDK control DNA synthesis in S phase only once? And how can it make that. S期的DNA复制真核细胞复制起始点上结合有起始识别复合体（Origin recognition complex, ORC）。调节因子Cdc6结合在ORC上，在ATP供能下，促进Mcm复合体和其他一些蛋白结合到ORC上，形成前复制复合体（p

18、re-replicative complex，pre-RC）； Mcm：微小染色体维持蛋白，6个亚单位构成,具DNA解旋酶（helicase）活性。S-CDK触发pre-ORC的启动，同时将Cdc6磷酸化，使其脱离ORC，被SCF参与的泛素化途径降解。ORC 被S-CDK 磷酸化，而磷酸化的ORC不再形成pre-replicative-complex.细胞进入G1期后，因ORC去磷酸化，后进入S期才能进行pre-replicative-complex 重装。2. M期的进出与有丝分裂事件的触发M期的进入有丝分裂事件的触发M期的退出细胞融合技术显示PCC早熟染色体凝集超前凝集染色体（premat

19、ure condensed chromosome, PCC） M-Cdk周期性变化 M-Cdk是一种使多种底物蛋白磷酸化 的蛋白激酶；组成： M-CdkCdk1-CyclinB (32K + 45K) 调节亚单位细胞周期蛋白B Cdk1 具有Ser/Thr激酶活性功能：启动细胞从G2期进入M期的相关事件M-Cdk激活机制Cdc2=CDK1M-Cdk激活机制（正反馈机制）Polo激酶（2）有丝分裂事件的触发早期事件包括：纺锤体装配染色质凝集核仁消失核膜崩解动粒微管与染色体动粒连接胞质骨架重排细胞器（ER、Golgi complex等）的再组装(CDK1)晚期事件：APC在后期染色体分离中的作用纺

20、锤体附着检查点的作用（3）M期的退出相应蛋白的去磷酸化，导致纺锤体去装配染色体去凝集核膜、核仁重建胞质骨架重建3. G1期的调控Cdk的作用有丝分裂后M期Cdk活性被抑制的机制是：M- Cdk被CKI的抑制M- Cyclin 基因转录水平下降Cyclin B is degraded by APC /cdc20M- Cdk被CKI的抑制G1 期 CDK活性变化Cyclin D/CDK4,6 的活性及所产生的结果可使得细胞周期顺利经过限制点（R)Cyclin E/CDK2 的活化可为S期做必要的准备。P21，P27产生DNA复制相关的酶等Rb蛋白的“刹车”作用DNA damage and cell

21、 cycle regulation2.细胞周期检查点（cell cycle checkpoint）The inspection system for making sure the DNA, the chromosome number, and the cell cycle is carried out properly. Including DNA damaging checkpoint, DNA duplicationCheckpoint, spindle assembly checkpoint, chromosomes separation checkpoint 细胞周期检测点根据不同时

22、期：G1，S, G2，纺锤体形成 检测点根据不同性质：DNA损伤，DNA复制，纺锤形成，cs 分离S CheckpointCheck for DNA replicationDifferent definition of each check pointDNA 损伤检测点DNA损伤与检查点抑制性磷酸化Mdm2 P21在不同时期跟抑制不同的CDK/cyclin 复合物在R前：抑制cdk4/cycD在R后：抑制cdk2/cycE在S期：抑制cdk2/cycA G1未复制DNA检测点ATRChk1 Cdc25 cyclinA/B-CDK1进入M期Mad2APC-cdc20Securin 多泛素化，降解

23、姊妹染色体分离，细胞进入后期纺锤体组装检测点The spindle checkpoint(mammalian cell in late prometaphase labeled with anibodies against the spindle checkpoint protein Mad2 and tubulin). Mad2The spindle-attachment checkpoint: Anaphase is delayed until all chromosoms are positioned at the metaphase plate已发现Mad2与Cdc20结合，抑制APC

24、的激活;只有当Mad2分子从所有的染色体上失去后，APC才能被激活，后期才能开始. 染色体分离检测点APC-Cdh1cyclinB 多泛素化，降解末期Cdc 14细胞周期的胞外调控因素温度、pH、营养、药物、感染、射线生长因子通过与细胞膜上特异受体结合，调节细胞周期的多肽类物质。 PDGF、EGF、IL、TGF、FGF 、NGF 激素:蛋白类激素: R在细胞膜上 固醇类激素: R在细胞质中抑素：chalone.cAMP与cGMP 细胞周期与医学细胞周期与组织再生细胞周期与肿瘤细胞周期与组织再生生理性再生与补偿性再生细胞周期与肿瘤 肿瘤细胞：动物体内细胞分裂调节失控而无限增殖的细胞。关于肿瘤细胞

25、的两个概念细胞周期调控异常导致肿瘤发生的主要机制 肿瘤细胞丧失接触抑制现象密度依赖性抑制般情况下，正常细胞在体外培养瓶中贴壁生长，增殖的细胞达到一定密度，汇合成单层以后即停止分裂。肿瘤细胞失去接触抑制。肿瘤细胞周期调控出现诸多异常TGF-Enhance P16 表达TGF- R or SMAD mutantCyclin D1, p16, Rb 发生异常导致肿瘤。P53 异常导致的肿瘤Mdm2， a E3 ligase 使得P53被降解。恶性肉瘤细胞中，P53表达正常，被过表达的Mdm2修饰降解，失去了对细胞周期的调控作用。关于肿瘤细胞的两个概念原癌基因（protooncogene）：是在正常细

26、胞基因组中，控制细胞生长和分裂的正常基因，该基因一旦发生突变，可使细胞转化为异常增殖状态，引起正常细胞癌变，故在突变前称作原癌基因，突变后成为癌基因（oncogenes） 。 如: Src、Myc、Fos、Ras、JunerbB2(HER2),抑癌基因（tumor suppressor gene）:是正常细胞增殖过程中的负调控因子，其产物可以抑制细胞的生长和分裂，当基因发生变异或丢失，解除了对细胞增殖的抑制作用，导致细胞周期失控而过度增殖。 如: P53、Rb、P21、P16、P27转录因子转录抑制因子CDK抑制剂细胞周期调控蛋白细胞周期调控异常导致肿瘤发生的主要机制生长因子来源的癌基因生长因子受体来源的癌基因胞内信号传递系统来源的癌基因细胞核内转录因子来源的癌基因细胞周期基因来源的癌基因细胞周期是肿瘤化疗的理论基础细胞周期是抗肿瘤药物分类的主要依据细胞周期非特异性药物细胞毒素和抗生素类药物细胞周期特异性药物代谢类和植物类药物细胞周期理论指导联合化疗方案的制定细胞周期的理论为研制抗肿瘤药物提供新靶点细胞周期理论推动了肿瘤基因治疗的进展嘌呤霉素(puromycin),亚胺环己酮(CHX) 小结：细胞周期是从上一次细胞分裂结束到下一次细胞分裂结束的过程包括G1,S,G2