细胞周期调控异常

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1、细胞周期调控异常医学院 病理生理教研室 刘 进 军一、细胞周期的基本概念细细胞增殖周期通常简简称细细胞周期(cell cycle)，是指细细胞从上一次细细胞分裂结结束到本次 分裂终终了的过过程或间间隔时间时间 。根据细细胞周期不 同时时相的特点，可将细细胞周期顺顺序分为为4个连连 续阶续阶 段，即G1期（gap phase l)、S期(synthesis phase)、G2期（gap phase 2)及M期(mitotic phase)。细胞周期的特点有：l单单向性 即细细胞只能沿G1SG2M方向推 进进而不能逆行l阶阶段性 在4个连续连续 的时时相中，细细胞的形态态与 代谢谢特点有较较明显显

2、的差异，细细胞可因某种原 因在某时时相停滞(arrest)下来，待生长长条件好 转转后，细细胞可重新活跃跃起来过过渡到下一时时相 。 lG1期G1期是指从上一次有丝丝分裂完成到本次DNA复制 之前的过过程，持续时间续时间 一般为为6l2h。在G1期有 mRNA和蛋白的合成，G1期细细胞的主要任务务是积积累能 量和原料，为为DNA的复制作准备备，故又称DNA合成前 期。lS期S期即DNA合成期，持续时间续时间 一般为为68h。S期 末DNA含量增加1倍，细细胞由二倍体变为变为 四倍体。S期 DNA的复制极其准确，每一段DNA只复制一次，从而 可保证证分裂后子细细胞的遗传遗传 物质质平均分配。S期

3、DNA 复制的起始存在“开启”和“关闭闭”机制(“on-of”switch)。 DNA合成前设设“检查检查 点”(check point)。lG2期G2期是指从DNA复制完成到有丝丝分裂开始的时间时间 区间间， 持续时间续时间 一般为为34h。只有完成了所有DNA复制后，细细胞 才进进入G2期，故G2期又称DNA合成后期或丝丝裂前期。在G2 期RNA和蛋白质质合成活跃跃，有丝丝分裂所需的蛋白质质、微管 蛋白是在G2期合成的。此外，还进还进 行线线粒体的复制。lM期M期即有丝丝分裂期，细细胞进进行分裂，一般持续时间为续时间为 lh 。M期是很复杂杂的过过程，根据光镜镜所见见，可顺顺序分成6个阶阶

4、 段，即前期(Prophase)、前中期(early metaphase)、中期 (metaphase)、后期(anaphase)、末期(telophase)和胞质质分裂 期(cytokinesis)。除M期外，其他各期都有生物大分子合成。前一期进进行 的生物合成为过为过 渡到下一期做好准备备。G0期G0是指分裂后相对稳对稳 定的一段时时期，也称 静止期(resting or quiescent phase)。所谓谓G0期不 包括在细细胞周期之内。细细胞在适宜刺激下能被 触发发从静止状态进态进 人增殖周期，G1期细细胞在一 定条件下也可退入G0期。近年来的研究表明，G0期细细胞并不“静止“ ，

5、而是进进行着极为为复杂杂的生化反应应。 细胞周期的4个阶段及其与G0期的 关系早期胚胎细胞的细胞周期早期胚胎细胞周期主要指受精卵在卵裂过程中的 细胞周期。由于卵细胞在成熟过程中已经积累了大量的物质 基础，基本可以满足早期胚胎发育的需要，因此早 期胚胎细胞周期的G1和G2期非常短，以致认为其仅 含有S期和M期。非洲爪蟾受精卵前12个细胞周期共需8h，而其 体细胞的细胞周期持续时间约24h。G1SG2MSM非洲爪蟾体细胞周期和早期胚胎细胞周期 比较二、细胞周期的驱动力量cyclin 和 CDK的磷酸化和去磷酸化细细胞周期的程序控制主要通过过各种细细胞周期蛋 白(cyclin)和依赖细赖细 胞周期蛋

6、白的蛋白激酶(cyclin dependent kinase，CDK)有序地磷酸化和去磷酸化 ，从而控制cyclin-CDK复合物的活性来实现实现 的。在各阶阶段还还可以分别处别处 理来自细细胞内外的各种 信息并作出相应应的应应答。组组成这这一自动动程控机器的 成分还还有细细胞周期蛋白依赖赖性蛋白激酶抑制因子 (cyclin dependent kinase inhibitor，CDI)、磷脂酶和 遍在蛋白/泛素(ubiquitin)。 cyclincyclin，目前一般译为译为 周期蛋白或周期素，因其在细细 胞间间期连续连续 合成不断积积累而活性出现现周期性变变化而得名 ，cyclin是一组

7、结组结 构类类似、能结结合并调节调节 CDK的蛋白质质 ，统统称为为cyclin家族，目前知道的有8种成员员，即cyclinA 、B、C、DH。每一种cyclin有若干亚亚型，如D型包括 Dl、D2和D3。周期蛋白在细细胞周期的不同时时相程序性合 成与释释放。它们们作为为调节亚调节亚 基，需与不同的催化亚亚 基(CDK)结结合形成复合物(cyclin-CDK)，从而通过对过对 功 能蛋白的磷酸化修饰饰，控制细细胞周期的进进行。 1. cyclin A 用微注射法将cyclin A注射给给非洲蟾蜍 (Xenopus)卵母细细胞可以促进进后者成熟。人cyclin A 在S期与CDK2结结合参与调调

8、控DNA复制;与cdc2结结合 参与G2/M过过渡。2. cyclin B 人cyclinB基因于1989年由Hunter等克隆 成功。cyclinB-cdc2复合物是成熟促进进因子 MPF(maturation-promoting factor)或称M期促进进因 子(M phase-promoting factor)的重要组组成部分。3. cyclin C cyclin C主要在G1/S起作用。它的催化底 物及其本身的功能还还不完全清楚。cyclin C的基因可 能是p53蛋白的靶标标。4. cyclin D 有D1、D2、D3三种，其表达在某些细细胞有 相对组织对组织 特异性。cyclin

9、 D的特点为产为产 生快、衰变变快(半衰期不足 30min)，是细细胞外生长长信号的“探测测器”。只要生长长 因子存在，D型cyclin就维维持中等程度的表达，而在 G1/S交界处处达高峰。一旦生长长因子(如CSF-l)去除， D型cyclin就立刻消失，不管细细胞处处在何期。D型 cyclin的表达始于G0/ G1交界处处，其活性直到G1中期 才显显示出来，对对G1/S转换转换 起重要作用。p27丝裂原刺激G0G1SG2MG1SG2MG0DEAB图2. 细胞受丝裂原刺激后合成cyclin的时序和相对浓度cyclinD通过过与不同的蛋白结结合可表现现出截然不 同的生理作用，它的结结合物有CDK

10、2、CDK4、 CDK5、增殖细细胞核抗原(PCNA)及p2l等。应用显微注射，注入cyclinD抗体以阻断其功能 的研究中发现：当G0期细胞在生长因子接触后10 12小时阻断cyclinD功能，细胞不能进入S期，但生 长因子接触后1416小时注入则不影响细胞进入S 期。提示cyclinD是细胞通过“限制点”所必需的。5. cyclinE l991年克隆出人cyclinE的基因。cyclinE在 G1晚期到S早期与CDK2结结合成复合物而参与G1/S转转 换换。6. cyclinF与cyclinG cyclinF和cyclinG的氨基酸组组成与 cyclin A部分类类似。其功能尚不清楚。cy

11、clin G是已 知的唯一受到p53调调控的细细胞周期蛋白。7. cyclinH 哺乳动动物细细胞的cyclinH是CDK活化激酶 (CDK-activatjngkinase，CAK)的调节亚调节亚 基，帮助 CAK催化p34的第161位苏苏氨酸残基发发生磷酸化。8. 增殖细细胞核抗原 增殖细细胞核抗原(PCNA)也是一种 周期蛋白，但它不与CDK结结合，而是作为为DNA聚合 酶的附属蛋白，促进进DNA聚合酶延伸DNA。它在S 期浓浓度最高，可作为为S期标标志物。CDK家族CDK是一组丝组丝 氨酸-苏苏氨酸蛋白激酶，目前发发 现现有9种成员员，有不同程度的同源性，故称CDK家 族，各成员员命名

12、为为CDK1，2，39。CDK含催化亚亚 基，但需要cyclin提供调节亚调节亚 基才有活性。通常以 cyclin-CDK复合物形式出现现。 CDK的上游尚有CDK 活化激酶(CDK-activating kinase，CAK)。CDK也能 与CDI结结合，而抑制细细胞周期。此外，CDK自身的 磷酸化状态态与其活性也密切相关，如CDK中的苏苏氨 酸(T)残基和酪氨酸(Y)残基磷酸化，可使CDK激活 ，而活化的Thr残基发发生去磷酸化则则使CDK失活。 1. CDK1 CDK1又称cdc2。研究酵母的细细胞周期调调控 时时找到了许许多对对温度极敏感的突变变株。温度的变变化 ，可使细细胞周期停止进

13、进行。分离出可阻断细细胞周期 的基因，命名为为cdc(cell division cycle gene)。后来在 哺乳动动物(包括人)细细胞中也找到了一些控制细细胞周 期的基因，这这些基因在进进化上高度保守，如酵母的 cdc2与人的cdc28结结构类类似，编码产编码产 物是相对对分子 质质量为为34000的蛋白质质，一般表示为为p34cdc2/cdc28。p34蛋白与CDKl的激酶功能区完全一样样，所以 认为认为 cdc2编码编码 蛋白就是CDKl。p34是一种丝丝/苏苏氨 酸蛋白激酶，在不同时时相与不同的蛋白结结合，表现现 出不同的功能。p34对对G1/S转换转换 和G2/M转换转换 都是必

14、 需的。p34与cyclin B结结合成的复合物是成熟促进进因 子(MPF)的重要组组分，对驱动细对驱动细 胞进进入M期至关重 要。1991年冷泉港(Cold Spring Harbor)实验实验 室发发 起的一次细细胞周期研讨讨会上决定把cdc2命名为为CDK 家族的第一号，即CDKl。2. CDK2 1991年克隆出非洲蟾蜍和人的CDK2基因。 CDK2活性于G1晚期开始升高，在S期和M期达高峰， CDK2对对G1/S转换转换 是必需的。CDK2的晶体结结构已阐阐明 。3. CDK3 CDK3对对G1期的驱进驱进 有推动动作用。其相应应的 调节亚调节亚 基尚末鉴鉴定。4. CDK4 CDK

15、4主要与D型cyclin结结合。Dl-CDK4复合 物在G1/S交界处处含量升高，而在S期下降。CDK4与 CDKl、CDK2、CDK3及CDK5均不同，它不能使组组 蛋白H1磷酸化。 5. CDK5 在分裂后的神经经元有CDK5，其基因虽虽已克 隆成功，但其功能尚不明确。 6. CDK6 CDK6与D型cyclin结结合。主要表达于淋巴细细 胞。名称与之结合的细 胞周期素 CDK1 CDK2 CDK3 CDK4 CDK5 CDK6 CDK7 CDK8cyclin B cyclin A,D,E 未知 cyclin D cyclin D cyclin D cyclin D cyclin D表1

16、细细胞周期素及与之对应对应 的CDKs细细胞周期蛋白依赖赖性激酶抑制因子 (cyclin dependent kinase inhibitor， CDI)CDI是CDK的抑制物，通过过与CDK非共价结结合 而抑制CDK活性的，是与cyclin-CDK作用相对对抗的 重要机制之一，参与细细胞周期检查检查 机制。哺乳动动物 细细胞的CDI主要包括Ink4、Kip及GADD45等。Ink4(inhibitor of CDK4的缩缩写)是一族CDK4的 特异性抑制蛋白，只特异性抑制CDK4、 CDK6。第 一个被鉴鉴定的成员为员为 p16，其他成员员有pl5、p18及 pl9。Kip即kinase inhibition protein的缩缩写，包括p2l 、p27及p57。 l. pl6 p16基因又称为为多肿肿瘤抑制基因l(multiple tumor suppressor l，MTSl), 在S期达高峰。p16蛋白与 cyclinD竞竞争