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1、2001年诺贝尔医学及生理学奖 -控制细胞周期的关键物质,制作人：刘晓 专业：动物学 年级：2010级,2001 年10 月8 日, 瑞典皇家科学院宣布本届诺贝尔生理学及医学奖授予发现“细胞周期中关键调节剂(key regulators) ”的美国L eland H. Hartwell以及英国R. T imo thy Hunt 和Pau lM. Nurse 3 位科学家, 他们共获奖金100 万美元。,一、获奖者简介,. Dr. Leland Hartwell 1939年生于美国洛杉矶 1961年在加州理工学院获得学士学位， 1964年在麻省理工学院获得博士学位， 现任职于西雅图Fred Hu
2、tchinson癌症研究中心。 利兰德.哈德威尔（美国），）因为发现了调控细胞周期的一族特异性基因而获得诺贝尔奖。其中一个名为“start”的基因在细胞周期的第一步中发挥中心作用。Hartwell还引入了“checkpoint”的概念，这对于细胞周期的理解是十分有帮助的。,Dr.Timothy Hunt 生于1943年， 1965年在剑桥大学获得博士学位， 现任职于伦敦帝国癌症研究基金会。 帝木斯. 汉特（英国）,因为发现cyclin而获奖。Cyclin是正调控CDK功能的蛋白质。他发现cyclin在每一次细胞分裂中都会周期性地降解，这种机制对于细胞周期的调控十分重要。,二、研究背景,1.“细
3、胞周期”( cell cycle)又称“细胞分裂周期”,是指细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的全过程。1882 年, Kiel大学的解剖学教授Flemming即在光学显微镜下观察到形态明显变化的动物细胞有丝分裂现象。此后,许多科学家做了大量的相关研究。但由于早期科学发展的局限性,当时的科学家们仅仅认为有丝分裂期是细胞增殖的主要活动期,因此将细胞活动分为分裂期和静止期(间期) 。他们更关注于有丝分裂时染色体的变化情况, 而对于细胞周期的分子调控机制研究甚少。,2.直到20世纪50年代初, 才开始研究细胞周期以及细胞分裂的分子调控机理。科学家用32 P标记的磷酸盐浸泡蚕豆苗,并在不同时间取
4、根尖进行放射自显影的研究,发现遗传物质DNA的复制只发生于细胞间期的一段时间,这段时间与有丝分裂期前后各存在一个时间间隙。从而科学家明确提出了细胞周期的概念,并将它依次分为G1期、S期、G2期和M期。后续的实验又进一步证明了在动植物细胞中细胞周期存在的普遍性,从而为细胞增殖的研究开创了新的方向。因此,细胞周期的揭示成为20 世纪50年代细胞生物学研究的重大发现之一。,细胞周期包括一下几个阶段：G1SG2M 在G1期，细胞逐渐长大；尺寸到达一定程度的时候进入S期，此时为DNA合成作准备 S期DNA开始合成，细胞复制遗传物质； 在G2期，细胞检查DNA复制是否完成，并合成大量蛋白质为细胞分裂作准备
5、； 在M期，染色体分离，细胞分裂为两个子细胞，子细胞获得与父代完全相同的遗传信息。 分裂完成后，子细胞进入G1期，开始下一轮细胞周期。,3. 科学家的研究还发现不同生物的细胞周期时间存在着差异,即使同一个体中的不同细胞,其细胞周期的长短也不相同。一般地, G1 期的时间变化较大,而S + G2 +M的时间变化则相对恒定。进入细胞周期的细胞是处于分裂状态的细胞,而另外一些细胞则处于不分裂的状态,这类细胞被称为休眠细胞,它们所处的时期为G0 期。细胞周期的调节,能保证细胞周期中各期按照正常顺序进行,并纠正细胞分裂过程中出现的任何错误。它的紊乱,将导致细胞增殖、分化异常,发生癌变,甚至死亡。目前研究
6、热点：一、研究细胞是怎样启动和完成有关细胞增殖的生物学事件；二、研究细胞如何保证这些事件精确地按次序进行。这样就给科学家们带来了新的疑问:细胞周期的具体调节机制是什么? 调控因子是什么？,三、研究工作及成果,1、酵母细胞周期基因的发现 2、高等生物中细胞分裂周期基因的发现 3、首个细胞周期蛋白的发现 4、细胞周期调控的分子机制,1、酵母细胞周期基因的发现,自20世纪60年代末起, Leland H. Hartwell就开始运用遗传学方法,借助单细胞生物芽殖酵母，,以其为模型进行了一系列的研究。通过改变温度的方法方法在这些突变株中先后分离出上百个调控细胞周期的基因,它们的突变导致了细胞周期的异常
7、。因此,这些基因被命名为细胞分裂周期基因( cdc genes) 。在这些cdc基因中，最重要的是被命名为“启动”基因( start gene)的cdc 28基因,而其在G1 期中发挥作用的时间点被称为“启动点”(在高等真核生物中称为R点或限制点) 。当酵母细胞在早G1 期储存了足够的营养物质及能量,并满足了细胞体积生长到特定大小等一系列条件时, cdc 28基因将启动以促进细胞不可逆地通过“启动点”进入晚G1 期,并定向地进行DNA复制和有丝分裂。Hartwell发现,在“启动点”之前的早G1 期细胞可能因为营养物质不足等原因离开细胞周期进入G0 期,但在相同的情况下,“启动点”之后的晚G1
8、 期细胞则有不少可以进入S期进行DNA复制。后来的研究表明, cdc 28基因还可促进细胞从G2 期进入M期。,2、高等生物中细胞分裂周期基因的发现,PaulM. Nurse也是通过遗传学方法对细胞周期的调控进行研究的。在20世纪70年代中期,他在裂殖酵母的细胞中发现并分离出一个与细胞周期调控有关的基因cdc2,该基因编码一种分子量为34kD 的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,其作用于细胞周期中的“启动点”和G2 /M控制点。当细胞具备了足够的生长因子信号时,该蛋白激酶中保守的苏氨酸和酪氨酸残基将被磷酸化,蛋白激酶被激活,促使细胞由早G1 期不可逆地通过R点进入晚G1 期,并定向进入S期进行DNA复制
9、;或由G2 期进入M期,开始进行有丝分裂;而丧失cdc2功能的突变株在细胞分裂周期中则不能通过“启动点”和G2 /M控制点。,Nurse还发现了4个基因可以影响cdc2基因的功能。 其中,wee1基因的产物具有丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶活性,可以通过对cdc2的磷酸化而抑制其活性 而cdc25和nim1基因能通过去磷酸化使cdc2 恢复其活性。 第4个基因suc1则可以与cdc2 结合,抑制激酶活性,阻止细胞进入或退出M期。 后来的研究发现,芽殖酵母的cdc28基因与裂殖酵母的cdc2基因具有较高的同源性,它们在结构和功能上类似,并编码相似的蛋白质。这表明在这两种酵母中,细胞周期的调节机制是保守的
10、。1987年, Nurse 通过基因工程的方法,从人的cDNA文库中分离出了人的cdc2基因,该基因编码的产物也是一个约34kD的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶,其结构中有63%的氨基酸残基与酵母cdc2编码的蛋白激酶一致。 后来,这类基因编码的蛋白质被统称为“周期蛋白依赖性蛋白激酶”( cyciln2dependent kinase,Cdk),3、首个细胞周期蛋白的发现,在20世纪80年代初, R Timothy Hunt与其同事利用35 S放射性标记的甲硫氨酸研究海洋无脊椎动物卵裂时细胞内蛋白质的变化情况。他们发现在海胆受精卵卵裂的过程中,一类在未受精的卵中几乎没有出现过的蛋白质开始合成。而且这类
11、蛋白质的含量在细胞周期中呈现周期性变化:在细胞周期自G0 期进入G1 期时开始合成, G2 /M时达到高峰,M期结束后突然下降,下一轮细胞周期时其又重新合成、积累、再下降。如此反复地进行周期性的合成与降解。他们把这类蛋白质称为“细胞周期蛋白(Cyclin) ” Hunt在其它物种中也发现了Cyclin的存在,再次证明了细胞周期的分子调控机制在进化过程中是保守的.,4、细胞周期调控的分子机制 细胞周期的精确调节依赖于细胞周期驱动、调控和细胞周期监控检测机制。而三位科学家的重大发现促使了细胞周期调控分子机制的阐明。在多细胞真核生物中,参与细胞周期调控的核心蛋白分子主要分为3大类,分别是:Cdk、C
12、yclin及“细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子”(Cdk inhibitor, CKI) 。其中, Cdk是细胞周期调节的中心环节,Cyclin是Cdk的正调节因子, CKI是Cdk的抑制因子。,(一)细胞周期的驱动和调控机制 作为“细胞周期发动机”, Cdk在细胞周期的调节中起关键作用。各种Cdk在细胞周期的各个特定时间被激活,通过磷酸化底物,驱使细胞完成细胞周期。这就是细胞周期的驱动机制。如在关键的G1 期的启动中,Cdk起着核心的作用。当细胞受到生长因子的刺激,从G0 期进入早G1 期,并在Cdk2Cyclin复合物的作用下,通过R点,生成有活性的E2F, E2F作为转录激活因子促进DNA
13、复制相关基因的表达,使细胞进入S期. Cdk只有通过与特定的Cyclin形成二聚复合物才能发挥作用。在结构上,所有的Cyclin分子均有一个相对保守区域,称为细胞周期蛋白盒(Cyclin box) ,其主要功能是与Cdk结合而改变Cdk的蛋白质构象,激活Cdk的蛋白激酶活性,具有激酶活性的Cdk使周期蛋白特定的氨基酸残基磷酸化,使后者的三维构象发生变化,从而引起一系列的链式反应,调控细胞周期进程。,(二)细胞周期的监控机制“检测点”机制 在20世纪80年代末, Hartwell为细胞周期调控机制的阐明做出了另一个重大的贡献。他研究了酵母细胞对放射性的敏感程度,在此基础上提出了检测点( chec
14、kpoint) ”的概念。他认为细胞周期是高度有组织和精确的时序调控过程,它严格地沿着G1 SG2 M的顺序循环运转,为保证这一过程的正常进行,细胞形成一套检验细胞周期中DNA合成和染色体分配的机制,即“细胞周期检测点”。到目前为止,科学家将所发现的细胞周期检测点分为三种: 第一种即是DNA损伤检测点,它包括两个关键性检测点: G1 /S转换点和G2 /M转换点。G1 /S转换点在酵母中称start点,在哺乳动物中称R点,控制细胞由静止状态的G1 进入DNA合成期; G2 /M转换点则是决定细胞一分为二的控制点,它保证DNA复制的完整。 第二种检测点是DNA复制检测点,其在S期中负责DNA复制
15、的进度。第三种为纺锤体组装检测点,其在分裂期起作用,检测纺锤体有无组装、染色体是否正确排列并与纺锤体连接,以及染色体是否正确分配等。这些检测机制保证了DNA在分子水平上的精确复制及在细胞水平上的精确分离。检测点对细胞周期进程进行严格的监督, 使DNA复制和有丝分裂准确无误地进行,保证遗传的稳定性,四、研究发现的意义,Leland H. Hartwell、R Timothy Hunt和PaulM.Nurse三位科学家的重大贡献促进了人们对细胞周期调控分子机制的了解,使人们可以借助对有丝分裂细胞周期的分子调控机制,去了解减数分裂、细胞分化等过程的分子机制,并为细胞生长、组织器官发育、肿瘤发生机制等多个科学领域的研究奠定了坚实的基础 我们期待在不久的将来,细胞周期的调控机制能被人们完整地揭示、理解,以期更深刻地认识生命活动的本质,更好地探索胚胎有序发育、成熟、组织再生与衰老、机体健康与疾病、肿瘤的发生发展,并为肿瘤的治疗提供新的思路。,五、个人总结 1.在方法学上，他们首先考虑的是如何最有效地解决科学问题、取得研究突破，所以均采用了离“应用”似乎相距甚远却利于解决问题的低等生物作为研究材料。如芽殖酵母、裂殖酵母。 2.学术研究应避免“急功近利”,
