細(xì)胞周期與腫瘤all課件

1細(xì)胞周期與腫瘤

(Cellcycleandcancer)2細(xì)胞周期(cellcycle)是細(xì)胞生命活動(dòng)的基本過程,指從細(xì)胞分裂結(jié)束開始,到下一次細(xì)胞分裂結(jié)束為止的過程。DNA合成和細(xì)胞分裂是細(xì)胞周期兩個(gè)主要事件。在這一過程中,細(xì)胞的遺傳物質(zhì)(DNA)經(jīng)過復(fù)制平均分配到兩個(gè)子細(xì)胞中。3細(xì)胞周期時(shí)相間期

Interphase:G1,S,G2有絲分裂期

Mitosis:前期prophase中期metaphase后期anaphase末期telophase5細(xì)胞有絲分裂過程6目前從流行病學(xué)、病因?qū)W、遺傳學(xué)多方面對(duì)腫瘤進(jìn)行了深入研究，認(rèn)識(shí)到腫瘤是多因素作用、多基因異常、多階段演進(jìn)所形成的。但是腫瘤的惡性增生從生物學(xué)角度看，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是腫瘤細(xì)胞的永生化（凋亡障礙）；二是腫瘤細(xì)胞的增殖失控，這兩方面均已成為腫瘤發(fā)生發(fā)展研究的熱點(diǎn)。7腫瘤是一類細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制破壞的疾病,對(duì)細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制和腫瘤細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制改變的重大發(fā)現(xiàn),對(duì)認(rèn)識(shí)腫瘤發(fā)生和演進(jìn)、臨床診斷與治療有十分重要的意義。這一認(rèn)識(shí)驅(qū)動(dòng)著科學(xué)家們在20世紀(jì)最后20年，圍繞細(xì)胞周期進(jìn)行了卓有成效和研究。8歷史回顧101971年YoshioMasui發(fā)現(xiàn)，非洲爪蟾卵的有絲分裂和減數(shù)分裂被一種物質(zhì)所啟動(dòng)，他將這種物質(zhì)稱為成熟促進(jìn)因子(MaturationPromotingFactor,MPF)。1983年，TimHunt發(fā)現(xiàn)MPF由兩個(gè)基因編碼的蛋白質(zhì)共同組成：一個(gè)為56KD的蛋白質(zhì)，在細(xì)胞周期中呈時(shí)相性起伏，稱為細(xì)胞周期素（cyclin）一個(gè)為34KD蛋白質(zhì)，具有蛋白激酶功能，因其在裂殖酵母為CDC2編碼，芽殖酵母為CDC28編碼，故稱為p34cdc2/28,又因?yàn)榕ccyclin結(jié)合的p34cdc2/28才有活性，又稱為細(xì)胞周期素依賴性蛋白激酶(cyclin-dependentkinase,CDK)。142001年，LelandHartwell，Paulnurse和Timhunt因成功揭示細(xì)胞周期分子機(jī)制而共同獲得第100屆諾貝爾生理學(xué)與醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)。這標(biāo)志著細(xì)胞周期的研究已獲得全世界的認(rèn)同，為細(xì)胞周期與腫瘤的研究奠定了基礎(chǔ)。15第一節(jié)

細(xì)胞周期機(jī)制的核心-CDK調(diào)控機(jī)制16在進(jìn)化過程中,細(xì)胞發(fā)展并建立了一系列的調(diào)控機(jī)制,以確保細(xì)胞周期嚴(yán)格有序地交替和各時(shí)相依次有序變更。與細(xì)胞周期調(diào)控有關(guān)的分子主要有3大類:細(xì)胞周期素(cyclin)細(xì)胞周期素依賴性激酶(cyclin-dependentkinase,CDK)細(xì)胞周期素依賴性激酶抑制物(cyclin-dependentkinaseinhibitor,CKI),17CDK調(diào)控機(jī)制細(xì)胞周期事件受控于精密的細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制。細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制的核心是一組(Ser/Thr)蛋白激酶，它們各自在細(xì)胞周期內(nèi)特定的時(shí)間激活，通過對(duì)相應(yīng)底物的磷酸化，驅(qū)使細(xì)胞完成細(xì)胞周期。這些蛋白激酶的細(xì)胞周期特異性或時(shí)相性激活，依賴于一類細(xì)胞周期特異性或時(shí)相性表達(dá)、累積與分解的蛋白質(zhì)。18細(xì)胞周期內(nèi)特異性、時(shí)相性表達(dá)的蛋白質(zhì)稱為細(xì)胞周期素cyclin。依賴cyclin的調(diào)控細(xì)胞周期的蛋白激酶稱為細(xì)胞周期素依賴性激酶cyclin-dependentkinase,CDK。20CDK是細(xì)胞周期調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的核心cyclin對(duì)CDK具有正性調(diào)控作用CKI對(duì)CDK具有負(fù)性調(diào)控作用CDK、cyclin和CKI共同構(gòu)成了細(xì)胞周期調(diào)控的分子基礎(chǔ)。21CDKs活性受以下幾種機(jī)制的調(diào)控：Cyclins的時(shí)相性表達(dá)與降解CDK激活性蛋白激酶(CDKActivatingKinase,CAK)

對(duì)CDKThr160/161磷酸化Weel/CDC25對(duì)Thr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化CDK抑制物(CKI)對(duì)CDK的抑制23起初人們定義cyclin時(shí)，是根據(jù)其蛋白質(zhì)水平在細(xì)胞周期內(nèi)呈時(shí)相性起伏的特征。現(xiàn)在看來，正確的定義，應(yīng)根據(jù)該蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)上是否存在能與CDK催化亞單位結(jié)合、激活的特異性區(qū)域。所有的cyclin蛋白分子結(jié)構(gòu)上，都有一個(gè)由100多個(gè)氨基酸組成的相對(duì)保守的區(qū)域，人們稱為細(xì)胞周期盒。Cyclinbox的主要功能是與CDK結(jié)合并激活之，如果該區(qū)域突變，cyclin與CDK的結(jié)合能力和激活功能同時(shí)喪失。

24100aa組成cyclinboxCyclin

-COOHH2N-cyclinCDKCyclin/CDKCombine催化亞基

CDK所有Cyclin蛋白分子結(jié)構(gòu)上都有一段與CDK結(jié)合并使之激活的保守區(qū)，稱為細(xì)胞周期素盒(Cyclinbox)。26CyclinD是細(xì)胞周期運(yùn)行的起始因子,又是生長因子的感受器。處于G0期的細(xì)胞在GF和GFR的作用下,通過ras蛋白→MAPK信號(hào)傳導(dǎo)通路使cyclinD在G1早期表達(dá)增加。27CyclinE表達(dá)始于G1中期,峰值位于G1/S交界處,cyclinE的合成受E2F和Myc

共同激活,當(dāng)CyclinD與CDK4/CDK6結(jié)合后,使RB蛋白磷酸化,釋放轉(zhuǎn)錄因子E2F,誘導(dǎo)CyclinE和CDK2的表達(dá)，細(xì)胞越過G1/S轉(zhuǎn)折點(diǎn)。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入S期,cyclinE水平急劇下降,CDK2與cyclinA結(jié)合,在下一個(gè)時(shí)相發(fā)揮生物學(xué)功能。28各種cyclin含量在細(xì)胞周期呈周期性變化,與CDK結(jié)合形成復(fù)合物并激活其活性,對(duì)細(xì)胞內(nèi)特定底物進(jìn)行磷酸化后,通過泛素依賴性的蛋白酶水解途徑降解失活。30Cyclins通過泛素-蛋白酶體途徑降解人類細(xì)胞的CDK只和特定的Cyclin結(jié)合CDK4/6與CyclinD（1,2,3）結(jié)合-G1期運(yùn)行CDK2與CyclinE結(jié)合-S期啟動(dòng)CDK2與CyclinA結(jié)合-G2期啟動(dòng)和進(jìn)行CDK1與CyclinB1結(jié)合-M期啟動(dòng)和進(jìn)行32G1SG2M

prophasemetaphaseanaphasetelophaseCyclinDCDK4/6CyclinBCDK1CyclinACDK2CyclinECDK2Cyclins/CDKsinthedifferentphasesofcellcycle33CDK的Thr161/160磷酸化可促進(jìn)CDK-Cyclin的結(jié)合。對(duì)Thr160/161磷酸化的蛋白激酶是CAK。CAK的兩個(gè)重要亞單位是CDK7和CyclinH.二、CAK對(duì)CDKThr160/161磷酸化34CAKCDK的激活機(jī)制CDKThr160/161磷酸化

CDK/Cyclin

cellcycle↑35三、Weel/CDC25對(duì)CDKThr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化CDK的激活和失活還與Thr14/Tyr15的磷酸化和去磷酸化有關(guān)。Thr14/Tyr15的去磷酸化導(dǎo)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啟動(dòng)cellcycleCDK激活Cyclin與CDK結(jié)合CAK對(duì)CDKThr160/161的磷酸化CellcycleCDC25

對(duì)CDKThr14/Tyr15去磷酸化37

四、CKI對(duì)CDK的抑制CKI有兩大類蛋白組成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識(shí)別CDK-Cyclin復(fù)合物P16ink4a是與CDK4單體結(jié)合→阻斷CDK4與Cyclin的結(jié)合。39第二節(jié)細(xì)胞周期調(diào)控的兩大機(jī)制一．細(xì)胞周期的驅(qū)動(dòng)機(jī)制二．細(xì)胞周期的監(jiān)控機(jī)制40一．細(xì)胞周期的驅(qū)動(dòng)機(jī)制細(xì)胞周期能否啟動(dòng)進(jìn)行細(xì)胞增殖，主要的調(diào)控點(diǎn)在G1期晚期-“限制點(diǎn)”（restrictionpoint,R)，它決定細(xì)胞是否通過G1期，進(jìn)入S期.41人類細(xì)胞是否能夠通過R點(diǎn)進(jìn)入細(xì)胞周期，主要受生長因子調(diào)控。只要有相應(yīng)的生長因子，細(xì)胞就能通過了R點(diǎn),依次完成G1、S、G2、M期。如果G1期缺乏生長因子，細(xì)胞周期運(yùn)行將停止在R點(diǎn)，細(xì)胞進(jìn)入G0期。42生長因子通過多種信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑，啟動(dòng)多種基因轉(zhuǎn)錄，驅(qū)使細(xì)胞進(jìn)入細(xì)胞周期，進(jìn)行生長分裂。根據(jù)基因轉(zhuǎn)錄后mRNA出現(xiàn)的時(shí)間，這些基因可分為早期應(yīng)答基因和延遲應(yīng)答基因二類。43細(xì)胞周期的驅(qū)動(dòng)機(jī)制生長因子早期應(yīng)答基因(Jun,Fos,Myc)延遲應(yīng)答基因cyclinD-CDK4/6cyclinE-CDK2R點(diǎn)(Rb)44聯(lián)結(jié)信號(hào)傳導(dǎo)與細(xì)胞周期機(jī)制有兩條途徑：通過CyclinD-CDK4/6通過CyclinE-CDK2生長信號(hào)（GF）：通過早期應(yīng)答基因傳遞到細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制時(shí),首先是cyclinD的表達(dá)增加,與CDK4/6形成復(fù)合物，使細(xì)胞周期運(yùn)行。抑制信號(hào)（TGF-β）：促進(jìn)CKI表達(dá)增加,抑制CyclinD-CDK4/6復(fù)合物的功能，使細(xì)胞阻滯在G1期。46二．細(xì)胞周期的監(jiān)控機(jī)制細(xì)胞周期通過細(xì)胞內(nèi)固有的監(jiān)控機(jī)制-檢測點(diǎn)（checkpoint）以保證細(xì)胞復(fù)制的忠實(shí)性。檢測點(diǎn)分類DNA損傷檢測點(diǎn)時(shí)相次序檢測點(diǎn)檢測點(diǎn)功能探測→制動(dòng)→修復(fù)→決定（死亡或分化）47（一）DNA損傷檢測點(diǎn)p53pathway(主要為G1期檢測點(diǎn))Cdc25pathway(主要為G2期檢測點(diǎn))DNA損傷p53蛋白表達(dá)，積累p21CIP1抑制cyclinE-CDK2細(xì)胞不能進(jìn)入S期,G1-S期阻滯p53pathwayGADD45抑制CyclinB-CDK1G2-M期阻滯DNA損傷信號(hào)激活DNA損傷感應(yīng)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期阻滯Cdc25pathway50DNA損傷檢測點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)途徑是一個(gè)高度保守的信號(hào)感應(yīng)過程，整個(gè)途徑大致可以分為損傷感應(yīng)、信號(hào)傳遞及信號(hào)效應(yīng)3個(gè)組成部分。其中，3-磷脂酰肌醇激酶家族類成員ATM(ataxia-telangiectasiamutated)和ATR(ataxia-telangiectasiaandRad3-related)是重要的DNA損傷感應(yīng)激酶，其活性增加構(gòu)成整個(gè)途徑活化的第一步。它們通過激活下游的效應(yīng)激酶Chk2/Chk1（checkpointkinase）,通過協(xié)同作用許多其他調(diào)控細(xì)胞周期、DNA復(fù)制、DNA損傷修復(fù)及細(xì)胞凋亡等過程的蛋白質(zhì)因子來實(shí)現(xiàn)細(xì)胞對(duì)DNA損傷的高度協(xié)調(diào)反應(yīng)。51（二）時(shí)相次序檢測點(diǎn)時(shí)相次序檢測點(diǎn)主要起保護(hù)DNA復(fù)制和染色體分配的輪流完成的作用。包括兩個(gè)調(diào)控過程S期啟動(dòng)的調(diào)控有絲分裂后期調(diào)控521.S期啟動(dòng)（DNA復(fù)制）的調(diào)控第一步Pre-RC組裝第二步S期CDK/DDK的激活，激活后的S期CDK又抑制Pre-RC的再組裝。時(shí)相調(diào)控過程的兩步制約53S期啟動(dòng)的調(diào)控

CDK2+CyclinEORC↓CDC6p→Pre-RC組裝→DNA復(fù)制啟動(dòng)McM↑

DDK+Dbf4G1期晚G1期S期Pre-RC:復(fù)制前復(fù)合物（pre-replicationcomplex,Pre-Rc）ORC:起始點(diǎn)識(shí)別復(fù)合物（OriginRecognitionComplex）DDK:Dbf4依賴性蛋白激酶（Dbf4-DependentKinase）54真核生物中，為保證遺傳物質(zhì)精確傳遞到子代，一個(gè)細(xì)胞周期中DNA只能復(fù)制一次。DNA獲得復(fù)制的能力是通過各種相關(guān)調(diào)控蛋白與DNA復(fù)制起始點(diǎn)順序性結(jié)合而實(shí)現(xiàn)的，主要包括ORCs、Cdc6、Cdt1和MCM2-7等。G1/S交界處，Pre-RC在至少兩種激酶(CDK和Cdc7/Dbf4)作用下形成起始前復(fù)合體(Pre-initiationcomplex，Pre-IC)，Pre-IC進(jìn)而觸發(fā)DNA復(fù)制的啟動(dòng)。552.有絲分裂后期調(diào)控：第一步CDK1激活→姐妹染色體排列于兩極的紡錘體之間；第二步APC激活→姐妹染色體分離和M期Cyclin降解時(shí)相調(diào)控過程的兩步制約56細(xì)胞周期調(diào)控機(jī)制小結(jié)細(xì)胞周期由一系列瀑布式的CDKs激活所驅(qū)動(dòng)CDKs的激活受控于四大機(jī)制(cyclin,CAK,Weel/CDC25,CKIs)CDKs激活執(zhí)行細(xì)胞周期的兩大生物學(xué)功能:復(fù)制和分裂57第三節(jié)細(xì)胞周期的界面機(jī)制58當(dāng)靜止期細(xì)胞將正負(fù)生長信號(hào)整合后，啟動(dòng)進(jìn)入細(xì)胞周期，經(jīng)過各種檢測點(diǎn)，將面臨三種主要?dú)w宿：分裂、分化和死亡，說明細(xì)胞周期與信號(hào)傳導(dǎo)、基因轉(zhuǎn)錄、DNA修復(fù)、細(xì)胞凋亡、細(xì)胞分化等多種生命活動(dòng)的界面之間，存在密切的聯(lián)系。59一．細(xì)胞周期與DNA修復(fù)所有的真核細(xì)胞中都存在一整套高度保守的完整的精密機(jī)制，承擔(dān)著DNA損傷、錯(cuò)誤地發(fā)現(xiàn)，并將其信號(hào)傳遞給相應(yīng)的機(jī)制，去阻滯細(xì)胞周期的運(yùn)行，并同時(shí)進(jìn)行DNA損傷的修復(fù)。然后視修復(fù)情況，決定繼續(xù)分裂或死亡，執(zhí)行一系列細(xì)胞的重要生命活動(dòng)。60這一過程包括：傳感器→制動(dòng)→修復(fù)→決定發(fā)現(xiàn)DNA損傷的傳感器(Sensor)受損細(xì)胞的制動(dòng)或扣留(Arrest)DNA修復(fù)(Repair)決定(Decision)繼續(xù)分裂或凋亡61在人類執(zhí)行傳感器任務(wù)的是ATM和p53基因。細(xì)胞G1/S期阻滯主要通過p21，G2/M期阻滯主要通過GADD45。DNA修復(fù)機(jī)制主要有錯(cuò)配修復(fù)和切除修復(fù)。62二、細(xì)胞周期與細(xì)胞凋亡細(xì)胞凋亡表現(xiàn)為細(xì)胞周期特異性，即不同因素誘導(dǎo)的細(xì)胞凋亡發(fā)生在細(xì)胞周期不同的時(shí)相。這類細(xì)胞凋亡的發(fā)生，往往是細(xì)胞先被阻滯在細(xì)胞周期的某一時(shí)相，然后發(fā)生細(xì)胞凋亡。許多化療藥物正是通過這類細(xì)胞周期特異性細(xì)胞凋亡，達(dá)到治療腫瘤的目的。63三．細(xì)胞周期與細(xì)胞分化細(xì)胞周期機(jī)制也調(diào)控著細(xì)胞分化。P21CKI參與角化細(xì)胞的分化Rb磷酸化能釋放出其“扣留”的轉(zhuǎn)錄因子E2F,驅(qū)動(dòng)細(xì)胞周期的進(jìn)行，去磷酸化時(shí)參與細(xì)胞的分化，如在MyoD的參與下，促使肌母細(xì)胞分化。64第四節(jié)腫瘤