肿瘤学细胞周期

Cellcyclecontrol&Cancer5/9/20241肿瘤学细胞周期肿瘤是细胞周期调控机制破坏的疾病。5/9/20242肿瘤学细胞周期2001NobelPrizeLelandH.Hartwell1970s“Checkpoint”Yeastgenetics~100CDCgenesStartgeneTimHunt1980sCyclinsSeaUrchinsPaulM.Nurse1970sCDKsyeast5/9/20243肿瘤学细胞周期LelandHartwell哈特韦尔的贡献，一是发现了一系列控制细胞周期的重要基因；二是他为了解这些基因如何合作以控制细胞分裂提供了一个逻辑框架。哈特韦尔的细胞周期生物学研究使他赢得了多项美国和国际科学奖。5/9/20244肿瘤学细胞周期PaulNurse20世纪70年代中期，纳斯使用了不同于哈特韦尔的另一种酵母作为模型生物体，纳斯在这种酵母中发现了一种在控制细胞分裂中具有关键功能的基因，这个基因能调节细胞周期的不同过程。1987年，纳斯从人体细胞中分离出了相应的基因，并命名为CDK1（细胞周期蛋白依赖激酶）。纳斯的研究表明，CDK的激活作用依赖于可逆的磷酸化作用。5/9/20245肿瘤学细胞周期TimHunt亨特在20世纪80年代初发现了第一个CYCLIN，在细胞周期中这些蛋白质周期性的变化。这些CYCLIN附在CDK分子上，调节CDK活性。CYCLIN最初是在海胆中发现的，后来，亨特发现其他物种中也含有CYCLIN，并且对细胞发育也具有重要意义。5/9/20246肿瘤学细胞周期有关细胞周期的原创性发现（问题，模型，现象，工具）对细胞生长的所有方面都具有巨大的影响。细胞周期控制的缺陷会导致见于肿瘤细胞中的某种染色体改变。这些发现能让我们在今后很长的时间内创造治疗癌症的新方法。5/9/20247肿瘤学细胞周期细胞周期概述◆细胞周期的概念（conceptofcellcycle）：指从一次细胞分裂结束开始，到下一次细胞分裂结束所经历的整个过程。分为：物质积累期（间期或静止期）和细胞分裂期。5/9/20248肿瘤学细胞周期5/9/20249肿瘤学细胞周期5/9/202410肿瘤学细胞周期Interphase:

–G1:gap –(G0:quiescentstateduringwhichcellcycledoesnotproceed) –S:replicationofDNAandassemblyofchromosomalproteinsondaughterDNAmolecules –G2:gapMphase:mitosis(nucleardivision)cytokinesis(cytoplasmicdivision)◆细胞周期时相组成：5/9/202411肿瘤学细胞周期细胞增殖是生命的基本特征初生婴儿1012个细胞，成人1014个，约200种类型。成人体内每秒钟有数百万新细胞产生，以补偿衰老和死亡的细胞。一个大肠杆菌若按20分钟分裂一次，并保持这一速度，则两天即可超过地球的重量。5/9/202412肿瘤学细胞周期根据增殖状况，可将高等动物的细胞分为三类：①连续分裂细胞，如表皮生发层、部分骨髓细胞。②休眠细胞，暂不分裂，但适当刺激下可重新进入细胞周期，称G0期细胞，如淋巴细胞、肝、肾细胞，干细胞等。③不分裂细胞，不再分裂，又称终端细胞，如神经、肌肉、多形核细胞等。5/9/202413肿瘤学细胞周期

◆细胞周期长短同种细胞间周期时间长短相似或相同；不同种类细胞间，周期长短差别很大。

S+G2+M的时间变化较小，细胞周期时间长短差别在G1期，M期最短,约0.5～4.5小时。部分细胞的细胞周期没有G1、G2期。5/9/202414肿瘤学细胞周期5/9/202415肿瘤学细胞周期5/9/202416肿瘤学细胞周期5/9/202417肿瘤学细胞周期5/9/202418肿瘤学细胞周期细胞周期阻滞的几种结局5/9/202419肿瘤学细胞周期Mechanismsinvolvedincellcyclecontrol:CheckpointregulationDifferentialcyclingeneexpressionProteindegradation(ubiquitinpathway)CDKactivitiesregulatedby –phosphorylation –bindingofcyclins5/9/202420肿瘤学细胞周期1.MPF(Mphase–promotingfactor),Cyclin,CDK

1.1MPFfound1.2MPFcomponentsCyclin(B)CDK(cyclindependentkinase)5/9/202421肿瘤学细胞周期1970sRao等发现与M期细胞(Hela)融合的间期细胞染色体发生凝缩，称为早熟凝集染色体（PCC）。G1期PCC为单线状，因DNA未复制。S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。G2期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。不同类的M期细胞也可诱导PCC产生，说明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的因子，即成熟促进因子(MPF)。1.1MPFfound5/9/202422肿瘤学细胞周期G1phasefusewithMphase5/9/202423肿瘤学细胞周期s

phasefusewithMphase5/9/202424肿瘤学细胞周期G2phasefusewithMphase5/9/202425肿瘤学细胞周期Hartwell

1960s,Nurse1970s分别以芽殖酵母和裂殖酵母为材料，利用温度敏感突变株，发现许多与细胞分裂有关的基因(cdc)。如：裂殖酵母cdc2、芽殖酵母cdc28突变型在限制温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，cdc25突变型细胞体积增大而不分裂；cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶，促进细胞周期的进行，weel和cdc25分别表现为抑制和促进cdc2的活性。5/9/202426肿瘤学细胞周期buddingyeast

5/9/202427肿瘤学细胞周期Fissionyeast

5/9/202428肿瘤学细胞周期Cdc25&Wee1mutant5/9/202429肿瘤学细胞周期T.Hunt1980s发现海胆的卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期振荡，命名为cyclinA和B，其mRNA能诱导蛙卵成熟。5/9/202430肿瘤学细胞周期1988年Lohka将非洲爪蟾的MPF纯化。经鉴定MPF由32KD和45KD两种蛋白组成，是一种丝氨酸/苏氨酸激酶。进一步的研究发现MPF=cdc2+cyclinB5/9/202431肿瘤学细胞周期ThecoremechanismofcellcycleregulationCDKsCyclinsCKIsCAKWee1/CDC25Degradation5/9/202432肿瘤学细胞周期1.2细胞周期素(cyclin)特点：在细胞周期中呈周期性变化。含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导与CDK结合。作用：激活和引导CDK作用于不同底物。已知30余种，分为4类：G1型、G1/S型、S型、M型。5/9/202433肿瘤学细胞周期A2DestroyboxCyclinboxB1PEST,G1cyclinrenewalCDifferentCyclinexpressedindifferentcellcyclephaseBindwithDifferentCDK,regulateCDKkinaseactivity5/9/202434肿瘤学细胞周期G1期，在生长因子的刺激下，cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，释放转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A、CDK1和DHFR的基因。G1-S期，cyclinE与CDK2结合，激活DNA复制。G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1引起染色体凝缩、核膜解体等。5/9/202435肿瘤学细胞周期5/9/202436肿瘤学细胞周期ExperimentalDemonstrationthatCyclinDisRequiredforPassageThroughtheRestrictionPointintheMammalianCell5/9/202437肿瘤学细胞周期

Overexpression

（GeneAmplification）

乳腺癌、胃癌、食道癌

Chromosomereverse

甲状旁腺腺癌

Chromosomerearrangement

B淋巴细胞白血病

Genemutation(T286)

CyclinD5/9/202438肿瘤学细胞周期1.3CDK：Cyclindependkinase

cdc2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，故名细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)。cdc2又称CDK1，可将特定蛋白磷酸化，如：将核纤肽磷酸化导致核纤层解体、核膜消失；将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。在动物中已知7种CDK。均含PSTAIRE保守序列，与周期蛋白的结合有关。5/9/202439肿瘤学细胞周期1.4CDKinhibitoryproteins(CKI)

对细胞周期起负调控作用，分为：①Ink4:抑制cdk4·cyclinD1,cdk6·cyclinD1。②Kip：抑制大多数CDK。其中P21cip1还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。5/9/202440肿瘤学细胞周期5/9/202441肿瘤学细胞周期CDKs

Over-expressionofCDK4andCDK6CKI

Lowerexpressionormutation(p16,Kip/cip)P21cipl

Cyclins/CDKsPCNACellCyclevelocityinhibitionofDNAreplication5/9/202442肿瘤学细胞周期2CHECKPOINT组成：感受器、信号传导通路、效应器。主要检验点：G1/S检验点：DNA是否损伤？细胞外环境是否适宜？细胞体积是否足够大？在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restrictionpoint)。S期检验点：DNA复制是否完成？G2/M检验点：DNA是否损伤？细胞体积是否足够大？中-后期检验点：纺锤体组装检验点。5/9/202443肿瘤学细胞周期Fourcheckpoints5/9/202444肿瘤学细胞周期2.1TheG1/SCheckpointEnvironmentalGrowthfactors-(fromothercells),egPDGFDensitydependentinhibitionInternalDNAdamage5/9/202445肿瘤学细胞周期G1cyclinD(D1,D2,D3),E,AG1CDK,CDK2,4,6cyclinD+CDK4,6cyclinE,A+CDK2cyclinD(D1,D2,D3)iskeyfactorforG1/ScyclinEiskeyfactorforstartups-phaseG1phasecyclindegradationbyUbiquitinthroughPEST5/9/202446肿瘤学细胞周期5/9/202447肿瘤学细胞周期5/9/202448肿瘤学细胞周期5/9/202449肿瘤学细胞周期Rb基因的异常主要表现为等位基因缺失和基因突变。除了视网膜母细胞瘤和骨肉瘤外，在许多种肿瘤中也检测到Rb基因的突变，包括肺癌（40%）,膀胱癌（30%），前列腺癌（20%）以及乳腺癌，宫颈癌和某些类型的白血病。

5/9/202450肿瘤学细胞周期5/9/202451肿瘤学细胞周期5/9/202452肿瘤学细胞周期2.2S/G2/MDNAreplicationcheckpointIfDNAdidnotcompletereplication,s-phasecouldnotchangeintoG2ThisG2checkpointsensesunreplicatedDNA,whichgeneratesasignalthatleadstocellcyclearrest.CDC25activityislowbutWeelactivityishigh 5/9/202453肿瘤学细胞周期MPFinactivate5/9/202454肿瘤学细胞周期◆G2checkpoint:

●G2checkpointpreventstheinitiationofmitosisuntilDNAreplicationiscompleted●OnlytheinhibitionofG2progressionrelieved,allowingthecelltoinitiatemitosisanddistributethecompletelyreplicatedchromosomestodaughtercells.5/9/202455肿瘤学细胞周期5/9/202456肿瘤学细胞周期5/9/202457肿瘤学细胞周期2.3M-phaseregulationMPFactivateMphasecheckpoint5/9/202458肿瘤学细胞周期MPF&theG2CheckpointMPF-pushescellpastG2checkpoint5/9/202459肿瘤学细胞周期Cdc2ActivatesCdc25andInhibitsWee1:

PositiveFeedbackLoopAlittleCdc2goesalongway…Thr161Tyr14,15ThismeansCdc25Mustalsoberegulated…5/9/202460肿瘤学细胞周期Tyr15Inhibitory:AddedbyWee1RemovedbyCdc25Thr160Activating:CDKaddsafterCyclinbinding5/9/202461肿瘤学细胞周期MPFinducesmultiplenuclearandcytoplasmicchangesattheonsetofMphase,bothbyactivatingotherproteinkinasesandbyphosphorylatingproteinssuchascondensinsandthenuclearlamins.5/9/202462肿瘤学细胞周期SoMPFgetsusintomitosis,howdowegetout?Onecanimaginemanypossibilities:

ActivateWeekinaseandturnoffMPFInactivateCdc25phosphataseActivateaphosphatasethatundoestheworkofCDKSynthesizeaninhibitorofMPF,aCKIItturnsoutallthesepossibilitiesarewrong.ThesolutionliesinthebehaviorofCYCLIN5/9/202463肿瘤学细胞周期CyclinDestructionDrivesMitoticExit5/9/202464肿瘤学细胞周期APCandM-regulationAPC:AnaphasePromotingComplexM-phasetoanaphasedependonrigidregulationAPC1-8APCregulateCyclinBandotherproteinUbiquitinationSpindleassemblycheckpointcontrolAPCactivity5/9/202465肿瘤学细胞周期AnaphasePromotingComplex&theMCheckpointMad2Cdc205/9/202466肿瘤学细胞周期2004年诺贝尔化学奖授予以色列科学家阿龙·切哈诺沃、阿夫拉姆·赫什科和美国科学家欧文·罗斯，以表彰他们发现了泛素调节的蛋白质降解。其实他们的成果就是发现了一种蛋白质“死亡”的重要机理。死亡之吻5/9/202467肿瘤学细胞周期Proteindegradation

Neednotenergy,onlyneedenzymeNeedenergy,certaintime,certainposition

certaindirectionproteindegradation5/9/202468肿瘤学细胞周期一种被称为泛素的多肽在需要能量的蛋白质降解过程中扮演着重要角色。这种多肽由76个氨基酸组成，它最初是从小牛的胰脏中分离出来的。它就像标签一样，被贴上标签的蛋白质就会被运送到细胞内的“垃圾处理厂”，在那里被降解。5/9/202469肿瘤学细胞周期Ubiquitin:Proteinsareusuallytaggedforselectivedestructioninproteolyticcomplexescalledproteasomesbycovalentattachmentofubiquitin,asmall,compact,highlyconservedprotein.

5/9/202470肿瘤学细胞周期5/9/202471肿瘤学细胞周期Polyubiquitinationofmitoticcyclins5/9/202472肿瘤学细胞周期FortuitousDiscoveryofCyclinBUbiquitinationIPof35S-LabeledCyclinB:NormalExposureOverExposureCyclinBCyclinB-UbLadder5/9/202473肿瘤学细胞周期原来细胞中存在着E1、E2和E3三种酶，它们各有分工。E1负责激活泛素分子。泛素分子被激活后就被运送到E2上，E2负责把泛素分子绑在需要降解的蛋白质上。但E2并不认识指定的蛋白质，这就需要E3帮助。E3具有辨认指定蛋白质的功能。当E2携带着泛素分子在E3的指引下接近指定蛋白质时，E2就把泛素分子绑在指定蛋白质上。这一过程不断重复，指定蛋白质上就被绑了一批泛素分子。5/9/202474肿瘤学细胞周期HighEnergyThioesterBond,canbetransferredfromE1toE2,E3,orsubstrateUbiquitinisTransferredviaThioesterBonds5/9/202475