细胞周期与肿瘤all课件

1细胞周期与肿瘤

(Cellcycleandcancer)2细胞周期(cellcycle)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。DNA合成和细胞分裂是细胞周期两个主要事件。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。3细胞周期时相间期

Interphase:G1,S,G2有丝分裂期

Mitosis:前期prophase中期metaphase后期anaphase末期telophase5细胞有丝分裂过程6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。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。7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。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。8历史回顾101971年YoshioMasui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(MaturationPromotingFactor,MPF)。1983年，TimHunt发现MPF由两个基因编码的蛋白质共同组成：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）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-dependentkinase,CDK)。142001年，LelandHartwell，Paulnurse和Timhunt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。15第一节

细胞周期机制的核心-CDK调控机制16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。与细胞周期调控有关的分子主要有3大类:细胞周期素(cyclin)细胞周期素依赖性激酶(cyclin-dependentkinase,CDK)细胞周期素依赖性激酶抑制物(cyclin-dependentkinaseinhibitor,CKI),17CDK调控机制细胞周期事件受控于精密的细胞周期调控机制。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。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。18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。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-dependentkinase,CDK。20CDK是细胞周期调控网络的核心cyclin对CDK具有正性调控作用CKI对CDK具有负性调控作用CDK、cyclin和CKI共同构成了细胞周期调控的分子基础。21CDKs活性受以下几种机制的调控：Cyclins的时相性表达与降解CDK激活性蛋白激酶(CDKActivatingKinase,CAK)

对CDKThr160/161磷酸化Weel/CDC25对Thr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化CDK抑制物(CKI)对CDK的抑制23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。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。Cyclinbox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。

24100aa组成cyclinboxCyclin

-COOHH2N-cyclinCDKCyclin/CDKCombine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(Cyclinbox)。26CyclinD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。27CyclinE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cyclinA结合,在下一个时相发挥生物学功能。28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。30Cyclins通过泛素-蛋白酶体途径降解人类细胞的CDK只和特定的Cyclin结合CDK4/6与CyclinD（1,2,3）结合-G1期运行CDK2与CyclinE结合-S期启动CDK2与CyclinA结合-G2期启动和进行CDK1与CyclinB1结合-M期启动和进行32G1SG2M

prophasemetaphaseanaphasetelophaseCyclinDCDK4/6CyclinBCDK1CyclinACDK2CyclinECDK2Cyclins/CDKsinthedifferentphasesofcellcycle33CDK的Thr161/160磷酸化可促进CDK-Cyclin的结合。对Thr160/161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CDKThr160/161磷酸化34CAKCDK的激活机制CDKThr160/161磷酸化

CDK/Cyclin

cellcycle↑35三、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。

CDK启动cellcycleCDK激活Cyclin与CDK结合CAK对CDKThr160/161的磷酸化CellcycleCDC25

对CDKThr14/Tyr15去磷酸化37

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。38大部分CKI识别CDK-Cyclin复合物P16ink4a是与CDK4单体结合→阻断CDK4与Cyclin的结合。39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40一．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”（restrictionpoint,R)，它决定细胞是否通过G1期，进入S期.41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。42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。43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-CDK4/6cyclinE-CDK2R点(Rb)44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-β）：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。46二．细胞周期的监控机制细胞周期通过细胞内固有的监控机制-检测点（checkpoint）以保证细胞复制的忠实性。检测点分类DNA损伤检测点时相次序检测点检测点功能探测→制动→修复→决定（死亡或分化）47（一）DNA损伤检测点p53pathway(主要为G1期检测点)Cdc25pathway(主要为G2期检测点)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p53pathwayGADD45抑制CyclinB-CDK1G2-M期阻滞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Cdc25pathway50DNA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-telangiectasiamutated)和ATR(ataxia-telangiectasiaandRad3-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（checkpointkinase）,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。51（二）时相次序检测点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。包括两个调控过程S期启动的调控有丝分裂后期调控521.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53S期启动的调控

CDK2+CyclinEORC↓CDC6p→Pre-RC组装→DNA复制启动McM↑

DDK+Dbf4G1期晚G1期S期Pre-RC:复制前复合物（pre-replicationcomplex,Pre-Rc）ORC:起始点识别复合物（OriginRecognitionComplex）DDK:Dbf4依赖性蛋白激酶（Dbf4-DependentKinase）54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-initiationcomplex，Pre-IC)，Pre-IC进而触发DNA复制的启动。552.有丝分裂后期调控：第一步CDK1激活→姐妹染色体排列于两极的纺锤体之间；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56细胞周期调控机制小结细胞周期由一系列瀑布式的CDKs激活所驱动CDKs的激活受控于四大机制(cyclin,CAK,Weel/CDC25,CKIs)CDKs激活执行细胞周期的两大生物学功能:复制和分裂57第三节细胞周期的界面机制58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。59一．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。60这一过程包括：传感器→制动→修复→决定发现DNA损伤的传感器(Sensor)受损细胞的制动或扣留(Arrest)DNA修复(Repair)决定(Decision)继续分裂或凋亡61在人类执行传感器任务的是ATM和p53基因。细胞G1/S期阻滞主要通过p21，G2/M期阻滞主要通过GADD45。DNA修复机制主要有错配修复和切除修复。62二、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。63三．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。64第四节肿瘤