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1、第十三章细胞周期及细胞分裂 李莲军博士 云南农业大学动物科技学院2003 9 2010 9 第四节细胞周期调控 细胞周期调控有两大机制 细胞周期驱动机制 时顺调控机制 细胞周期监控机制 检查点调控机制 细胞周期调控的关键点 Cyclin CDKs CDKI Checkpointofcellcycle 细胞周期调控是一个非常复杂和精细的调节过程 有大量调节蛋白参与其中 此过程的核心是一组细胞周期依赖性蛋白激酶 CDKs 而CDKs调节的关键步骤是细胞周期检查点 细胞周期调控由信号传导通路来实现 并决定细胞的分裂 分化和凋亡等过程 细胞周期调控 一 细胞周期时顺调控二 细胞周期检查点调控三 细胞周
2、期同步化 一 细胞周期时顺调控 细胞周期调控的关键物质是细胞周期蛋白 cyclin 周期蛋白依赖性蛋白激酶 cyclindependentkinase CDK 和CDK的抑制性蛋白 CDKI 不同分子的cyclin和CDK及CDKI与其他相关调控蛋白精确调控细胞周期的每一个时相 细胞通过调节cyclin的水解和Cdks的连续激活和灭活来实现周期调控 一 细胞周期蛋白 细胞周期蛋白cyclin 也称周期素 循环素 指合成和降解与细胞周期相关 并能与相应的Cdk形成复合物的一类蛋白 它们与细胞周期依赖性激酶 Cdk 形成复合物以决定激酶特异性和酶活性 脊椎动物已发现10余种 cyclinD1 cy
3、clinD2 cyclinD3 cyclinE1 cyclinE2cyclinA1 cyclinA2 cyclinA3 cyclinB1 cyclinB2 cyclinC cyclinG cyclinH cyclins均含有由100 150个氨基酸残基组成的保守区 称为周期蛋白框 cyclinbox 是介导周期蛋白与CDK结合的活性区域 此外 cyclins还可含有由降解盒 destructionbox 或PEST序列 脯 谷 丝 苏 用于决定其降解途径以调节周期蛋白的水平 按周期素表达及作用的细胞周期阶段的不同 可将其分为G1期 C D E 和M期 A B 两大类 cyclins分子结构特点
4、 周期蛋白分子结构 CyclinD家族 含有3个成员cyclinD1 cyclinD2 cyclinD3在G1期开始表达 分裂后期降解 与CDK2 CDK4 CDK6组成复合体 是启动细胞由G1期向S期转换的关键因子 CyclinE家族有cyclinE1和cyclinE2两种 其表达水平在G1 S调控点达峰值 与CDK2 CDK3结合 启动DNA复制 CyclinA家族包括cyclinA1 cyclinA2和cyclinA3在S期开始表达 G2期达高峰 M期的中期降解 与CDK2结合 启动DNA复制 CyclinB家族含有2个成员cyclinB1和cyclinB2 在G2末期开始表达 M期的中
5、期达高峰 M期的后期降解 与CDK1 CDK2结合 促进G2期向M期转换 CyclinH家族 cyclinH的表达在整个细胞周期过程中不呈周期性变化 与CDK7结合 组成CAK 激活CDK 磷酸化RNA pol 的CTD 调节基因转录 CyclinC家族与CDK8结合 组成CAK 激活CDK 细胞周期蛋白水平变化 周期蛋白依赖性激酶 cyclindependentkinase 是指与周期蛋白结合才具有酶活性的激酶类 现已发现10余种 二 周期蛋白依赖性激酶 在细胞周期中 CDK的表达量相对恒定 但以非活性的形式存在 在细胞周期特定的时间与周期素特异地结合 一种CDK能与多种cyclin结合 以
6、复合体的形式发挥作用 CDKs是一组丝氨酸 苏氨酸蛋白激酶 称为CDK1 9 CDK常以使底物磷酸化的形式起作用 其效应是多方面的 包括DNA合成的启动和终止 染色体的凝集 运动和松懈 核膜 核仁的崩解和重新形成 核纤层的降解和重新聚合 纺缍体的形成和消失等 各种CDK分子在进化上高度保守 都含有一段类似的CDK激酶结构域 其中一段PSTAIRE的序列相当保守 与周期蛋白的结合有关 另外 都有多个磷酸化位点 位点的磷酸化与激酶的活性有关 CDK催化活性的激活 CDK与周期素结合 保守苏氨酸残基磷酸化修饰 CDK催化活性的抑制 N 端氨基酸残基的抑制性磷酸化 抑制蛋白与其结合 是主要的抑制性调节
7、 CDK的催化活性受到激活因素与抑制因素两方面的调节 CDK的调节物包括 cyclin CKI CDK调节分子 CAK和磷酸酶等 三 CDKs激活激酶 CAK CDKactivatingkinase 有2种 cyclinH CDK7及cyclinC CDK8 CDKs的激活需要与特异性亚基cyclins结合 并被cyclinH CDK7 MAT1三元复合物 CAK 磷酸化 CDK7 cylinH MAT1也是转录因子 H TF H 的亚基组成部分 磷酸化RNA聚合酶 RNAP 大亚基的C 末端结构域 CTD p27能阻止cyclinH CDK7的催化作用 CDKI分为两大家族 INK4 Inh
8、ibitorofCDK4 CIP KIP Kinaseinhibitionprotein 四 CDK抑制因子 CDK抑制因子 CDKinhibitor CDKI或CDI CKI 是一类细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂 主要对细胞周期起负性调控作用 大部分都是抑癌基因的编码产物 以多肽的分子量大小来命名 1 Ink4 InhibitorofCdk4 P16ink4a P15ink4b P18ink4c P19ink4d等 能专一性的与CDK4和CDK6结合 并阻止其与周期素的结合反应 从而特异地抑制CDK4 cyclinD1 CDK6 cyclinD1复合物的活性 使细胞停留于G1期 p15 p16受
9、TGF 的调控 p18 p19的表达受p53的调控 2 CIP KIP Kinaseinhibitionprotein P21cip waf1 cyclininhibitionprotein1 P27kip1 kinaseinhibitionprotein1 P57kip2等 含一相似的60个氨基酸抑制区 能抑制所有G1和S期CDK的激酶活性 P57是CDK2的抑制剂 P21cip waf1除抑制CDK的激酶活性外 还能与DNA聚合酶 的辅助因子PCNA proliferatingcellnuclearantigen 结合 直接抑制DNA的合成 P53可促进P21cip waf1的表达 因P5
10、3是WAF1 CIP1基因的转录激活因子 P27能与几乎所有的cyclin CDK复合物结合 抑制其蛋白激酶活性 使细胞停留于G1期 其作用机制是抑制cyclinH CDK7等CAK的活性 p27的表达受TGF 的调控 还受cAMP的调节 theG1Cdkcomplexes G1 S phaseCdkcomplexes theS phaseCdkcomplexes themitoticCdkcomplexes 5 APC anaphasepromotingcomplex 五 细胞周期调控复合物 Cyclin CDK复合物及其相关蛋白 细胞周期调控复合物 六 细胞周期运转 细胞周期运转依赖于调控
11、复合物活性的周期性变化 细胞在生长因子的刺激下 G1期cyclinD表达 并与CDK4 CDK6结合 使PRb被磷酸化而失活 释放出转录因子E2F E2F进入细胞核内 使促进G1期转入S期所需的调控基因开始转录 当细胞进入S期后 cyclinD被磷酸化后由SCF泛素化途径降解 1 细胞周期的启动 PRb是由Rb抑癌基因编码合成的蛋白质 有低磷酸化型和高磷酸型两种型式 低磷酸化型的PRb可与转录因子E2F形成复合体 抑制其转录激活作用 阻止细胞分裂 而高磷酸化型的PRb则不能与E2F形成复合体 催化Rb由低磷酸化型转变为高磷酸化型的蛋白激酶就是各型CDK 在G1 S期 cyclinE在G1期到S
12、期的早期与CDK2结合 启动DNA的复制 促进细胞通过G1 S限制点而进入S期 细胞进入S期后 cyclinE由依赖SCF的泛素化途径降解 在S期 cyclinA与CDK2结合 维持S期DNA合成 cyclinA是在S期和G2期稳定存在的cyclin 2 细胞周期由G2期过渡到M期 在G2 M期 cyclinB在细胞周期G2的中晚期逐渐积累 cyclinA cyclinB与CDK1结合 CDK1使底物蛋白磷酸化 如组蛋白H1磷酸化导致染色体凝缩 核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件 使得细胞进入M期 不同类型的M期细胞中分别提取出了能够促进细胞分裂的因子 统称为M期促进因子或成熟促进因
13、子 M phasepromotingfactor maturationpromotingfactor MPF 即themitoticCdkcomplexes MPF由细胞周期蛋白cyclinA B和周期蛋白依赖激酶Cdk1 p34cdc2 组成 M期促进因子 MPF MPF活性在细胞分裂中呈周期性改变 当细胞处于间期时 检测不到MPF活性 处于分裂期时MPF具有活性 MPF以无活性的前体形式存在 其活化依赖于Cdc25磷酸酶的出现 Cyclinlevelsfluctuate CDKlevelsareconstant 在中期当MPF活性达到最高时 通过某种途径激活APC 一类泛素连接酶E3 将泛
14、素连接在cyclin上 导致cyclin被蛋白酶体识别和降解 从而完成细胞分裂 完成一个细胞周期 3 细胞周期M期的过渡 细胞通过M期需要cyclinA和cyclinB的降解 若cyclinA不被降解则会引起细胞周期停止在M期的中期 如果cyclinB的降解受到抑制 将会使细胞周期停滞在M期后期 CyclinA和CyclinB都是经依赖APC泛素化途径所降解 细胞周期中CyclinB的合成与降解 七 泛素介导cyclins降解与细胞周期 cyclins的泛素化途径可分为两类 依赖SCF Skp1 Cullin F boxprotein 的泛素化途径 依赖APC C Anaphasepromot
15、ingcomplex 的泛素化途径 cdc celldivisioncycle 基因 是指那些表达水平随细胞周期性变化或者表达产物直接参与细胞周期调控的基因 泛素 Ubiquitin 是由76个氨基酸组成的一种小蛋白 高度保守 普遍存在于真核细胞 故名泛素 其主要功能是标记需要降解掉的蛋白质 使其被水解 蛋白质的泛素化主要发生在赖氨酸残基的侧链 且通常是多泛素化 结合泛素的蛋白质能被蛋白酶体识别进而被降解 泛素相当于蛋白质被降解的标签 26S蛋白酶体 proteasome 是一个由70多个亚基组成的大型复合分子 分子量接近2 000KD 可识别泛素化的蛋白质 并将其降解成短肽 1泛素 蛋白酶体
16、途径 需要被蛋白酶体降解的蛋白质会先被连接上泛素作为标记 这一过程是一个三酶级联反应 泛素活化酶E1 ubiquitinactivatingenzyme 泛素结合酶E2 ubiquitinconjugatingenzyme 泛素连接酶E3 ubiquitin proteinligase 也称底物识别因子 substraterecognitionfactor 蛋白分子泛素化 由于蛋白酶体识别泛素化的蛋白并将其降解是一个非特异性的进程 因此 E3在整个蛋白质的降解过程中发挥了至关重要的作用 决定了反应的特异性 首先泛素激活酶E1水解ATP获取能量 通过其活性中心的Cys残基与泛素分子的C端形成高能硫酯键而激活泛素 形成E1 泛素复合体 然后E1 泛素复合体将活化的泛素递交给泛素结合酶E2 最后由泛素连接酶E3家族中的一员 随底物的不同而异 识别需要被泛素化的靶蛋白 募集底物和E2 并介导泛素从E2转移到靶蛋白上 蛋白分子泛素化反应 当第一个泛素分子被连上后 后续泛素分子连于前一泛素分子的赖氨酸残基 逐渐形成一条多聚泛素链 至少4个泛素分子 泛素化反应包含一个E1 少数几个E2和众多E3 参
