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1、细胞增殖、分化与凋亡的 分子基础,南通大学 沈 勤 2009.12,第十八章,第一节 细胞增殖及其调控,细胞增殖即通过自身分裂，细胞不断自我更新，实现新旧交替的过程是生物繁育的基础与细胞生长、发育、分化、再生、创伤修复、细胞凋亡及肿瘤发生密切相关。,3,一、细胞周期（cell cycle）,细胞周期：指细胞从上一次细胞分裂结束到下次细胞分裂完成所经历的整个过程,4,二、细胞周期的调控点（check point）,三个调控点：,1、G0 / G1,2、G1 / S - 限制点 （R 点）,3、G2 / M,通过R点需合成一种不稳定蛋白P105（Rb 蛋白），当它积累到一定量才能启动DNA合成。,
2、增殖 不增殖 分化或凋亡,细胞的 三种命运,细胞周期能顺利发生、发展到完成，取决于三个控制点,5,6,细胞周期控制点的控制是多因素参与的过程，是一系列 基因严格有序活化和表达的结果。,7,三、参与细胞周期调控的主要蛋白因子,CDKI能与cyclin 或 cyclin CDK复合物结合抑制其活性。,Cyclin与CDK以 复合物的形式发 挥作用,细胞周期的进程通过：,8,（一）周期蛋白 （cyclin）,是一类合成和分解都与细胞周期同步，驱动细胞周期运转的特殊动力蛋白 ; 有相似于“周期蛋白盒”的一致性共有序列的一类蛋白质。,Expression of cyclins through the c
3、ell cycle.,人类cyclin主要有五类：A、B、C、D、E，分别参与不同时期的调节,9,10,（二）周期蛋白依赖性激酶 CDK,是一类与相应的周期蛋白结合成异二聚体，通过磷酸化作用被激活，能催化特异蛋白底物的丝氨酸/苏氨酸残基磷酸化的蛋白激酶。,在cyclin-CDK二聚体（1:1）中，CDK作为催 化亚基，推动细胞周期；Cyclin作为调节 亚基，具有执行特殊决定和活化CDK的功能,11,1、CDK结构,二聚体（1:1）,Cyclin 与 CDK,300个AAs；3444kDa,哺乳动物中发现至少10种（CDK1-CDK10）,单独存在无活性,共同特征是含有全部保守的蛋白激酶区域、
4、一典型的motif,2、CDK的磷酸化调节,13,（三）周期蛋白依赖性激酶抑制因子 CDKI,细胞周期的负性调控蛋白，可以结合和钝化CDK单体或Cyclin/CDK复合物，调节细胞周期。,包括：,14,（四）视网膜母细胞瘤蛋白（RB）,双向调节作用： （1）RB非磷酸化结合E2F，阻断 G1/S转化和DNA 合成 （2）RB被磷酸化释放E2F，DNA合成启动,D-CDK4/6、E-CDK2、A-CDK2,属于cyclin-CDK 的下游靶蛋白。,催化RB磷酸化的又有：,(五) 癌基因和抑癌基因,四、细胞周期调控系统与肿瘤的关系,癌基因和抑癌基因也对细胞周期进行调控（见后述）,在细胞中， 某些抑
5、癌基因和Cyclin-CDK-CDKI共同组成了一个严密而复杂的调控细胞分裂增殖的网。网络中任何关键蛋白的表达缺陷，均可导致细胞的无序增殖，癌变。,16,第二节 细胞分化,在个体发育中，后代细胞从原始干细胞逐步演变成具有特殊形态、结构和生理功能的特定细胞类型。,Cell differentiation,定义：,干细胞：（分两类）,1、不受限的胚胎干细胞，可向任何组织细胞方向分化。,2、受限的成体干细胞，存在于已分化的组织中，但自身处于未分化状态，能够自我更新，并在需要时被启动，分化生成其所在组织的特化细 胞。维持组织更新和细胞数量稳定,（从分化发育的潜能划分）,18,一、细胞分化的特征,分化细
6、胞表型发生差异分化细胞的表型保持稳定分化细胞的基因差别表达分化细胞的去向在形态差异前已确定分化细胞的生理状态随分化程度而变分化细胞存在去分化和转分化分化细胞的细胞核仍保持全能性,19,二、基因差异表达是细胞分化的基础,基因连锁激活组织专一性基因的转录造血系统细胞分化的等级调节模式不同转录因子组合对细胞分化的调节,细胞分化转录调节方式举例：,20,第三节 细胞凋亡,在一定条件下由细胞内特定基因操纵、调控细胞的死亡，称程序性细胞死亡（programmed cell death, PCD），又称细胞凋亡（apoptosis）。,凋亡是细胞本身和外界环境因素综合作用的结果PCD是功能上的概念，细胞生理
7、性死亡Apoptosis是形态学概念，强调凋亡小体形成和形态学病理变化过程，凋亡是不同于坏死（necrosis） 的另一种细胞死亡形式,一、凋亡的概念,22,二、凋亡的生理意义,维持组织内细胞数的恒定在发育和分化中起作用在免疫系统的发育、平衡 和自身活化中起作用清除受损伤的细胞,23,三、凋亡的主要途径,细胞内途径：应激信号、DNA损伤和缺陷引发,通 过线粒体释放凋亡蛋白控制凋亡。,细胞外途径：外部信号蛋白活化TNF类跨膜受体控制,两条途径活化：,24,（一）天冬氨酸特异性半胱氨酸蛋白酶家族（Caspase）,Caspase在天冬氨酸(Asp)部位被切断后从酶原转换成活性蛋白酶,以自身Cys
8、残基为亲核剂，切割底物上Asp位点C侧,作用方式：,细胞凋亡的核心分子，在凋亡中扮演重要作用。,N端结构域,大亚基,小亚基,按功能分两类：,1、起始酶：Caspase9、10,2、效应子：Caspase3、6、7,26,（二）Bcl-2蛋白家族,Bcl-2蛋白家族是一组关键的凋亡蛋白，有20多个成员。不参与细胞周期的调控，而具有调控凋亡作用。,两大类：,抗凋亡功能,促凋亡功能,27,Regulation of apoptosis by the Bcl-2 family.,与Bcl-2结合成异 聚体抗凋亡,自身结合成同源 二聚体促凋亡,28,（三）线粒体凋亡途径,细胞色素释放引起的凋亡,是通过细
9、胞内因素激活内在通道（线粒体内凋亡蛋白表达）。,29,A cascade of caspase,多蛋白复合体 （凋亡体）,30,（四）死亡受体介导的凋亡,“死亡受体”属肿瘤坏死因子（tumor necrosis factor, TNF）受体超家族，细胞外信号分子与之结合，可引起细胞死亡。,死亡结构域：Death Domain (DD ) （结构特点） TNFR家族成员：FAS(CD95), TNF-R1, DR4, DR5,通过死亡受体传递信号产生多种生物学效应：,促凋亡、抗凋亡、抗炎、促炎,31,1. Fas/CD95信号通路,死亡诱导信号复合物（DISC）：,通过促使线粒体释放细胞色素C及
10、相 关凋亡蛋白放大作用，加速凋亡。,32,2. TNF信号通路,细胞凋亡的两条通路,34,细胞凋亡的两条通路,35,第四节 癌基因和抑癌基因,正调节信号：促进细胞生长和增殖，阻止发生终末分化。（调控失常表现为肿瘤细胞的恶性生长，大多数癌基因（oncogene）起此作用）,负调节信号：抑制增殖，促进分化、成熟和衰老，最后凋亡。（抑癌基因（anti-oncogene）在这方面发挥作用）。,相互制约、维持平衡,调节细胞细胞生长、分化的基因主要有两类：,36,细胞,增殖,分化,？,肿瘤发生,癌基因,抑癌基因,失衡,细胞生长、分化和凋亡发生紊乱所导致的 无节制的恶性增殖 肿瘤 （多基因病）,37,一、癌
11、基因,是普遍存在于正常细胞内调控细胞增殖和分化的重要看家 基因，受到各种因素影响被“活化”而失控时，导致细胞恶性转化，称为细胞癌基因（cellular-oncogene, c-onc）或原癌基因（proto-oncogene, pro-onc）。,38,正常情况下，这些基因处于静止或低表达，对维持细胞正常功能具有重要作用；当受到致癌因素作用被“活化”并发生异常时，导致正常细胞恶性转化癌变。如src、ras、myc。,三大类致癌因素：一、化学因素（化学致癌剂）二、生物因素（致癌病毒）三、物理因素（放射线）,癌基因概念产生的历史背景,1910年Peyton Rous 发现了致癌病毒Rous肉瘤病毒
12、 1970年Temin等发现了RNA病毒感染的关键物质逆转录酶 1970年Martin等发现了病毒癌基因(src) 1971年Duesberg等揭示了Rous肉瘤病毒基因组,40,病毒癌基因：存在于病毒基因组中，体内使敏感宿主产生肿瘤或体外导致培养细胞转化的基因。根据病毒核酸组成分为DNA病毒和RNA病毒（即逆转录病毒） 。,（一）病毒癌基因,41,1911年Rous首先发现含鸡肉瘤病毒的无细胞滤液注射到健康鸡体内可诱发白血病。命名为鸡Rous肉瘤病毒（RSV)逆转录病毒建立经典“病毒致癌学说”,43,1. 非急性转化性逆转录病毒,根据逆转录病毒致病性分为：急性和非急性（慢性）转化性逆转录病毒
13、,结构特点：,含两套相同RNA基因组,3个重要基因： 5-gag-pol-env-3,gag：编码核心蛋白,snv：编码病毒外壳蛋白,pol：编码逆转录酶,整合到宿主细胞DNA中，5-和3-端形成“长末端重复序列”（ LTR）,前病毒,44,病毒感染宿主后在 宿主细胞内先以病毒为模板，在逆转录酶催化下合成单链，然后再复制为双链DNA-前病毒。前病毒整合到宿主细胞DNA中，两端带有LTR的病毒DNA中间体。前病毒可在宿主细胞代代传递下去，也可转录、表达，组成新的病毒再感染其他宿主。非急性逆转录病毒可在人体中长期潜伏：510年。,45,（病毒）RNA,(逆转录酶）,RNA,DNA,DNA（前病毒）
14、,V-onc,RNA病毒与宿主细胞基因组整合过程,46,2. 急性转化性逆转录病毒,整合于宿主的DNA前病毒通过重排或重组，捕获宿主的特定序列，使原来的野生型病毒变成携带恶性转化基因（外加基因）的病毒。,外加基因在易感细胞中诱导和/或维持恶性转化，称病毒癌基因。含外加基因的病毒在短期内引起易感宿主动物发生实体瘤或白血病，称急性逆转录病毒。,47,RNA病毒如何捕捉细胞癌基因？,前病毒DNA,细胞基因组DNA,前病毒DNA,病毒RNA,+,整合,转录、剪切,包装成病毒颗粒,c-onc,c-onc,病毒癌基因与细胞癌基因比较,1. v-onc通常丢失c-onc两端的某些序列2. v-onc没有内含
15、子3. v-onc外显子与同源的c-onc也有微小差别4. v-onc出现碱基取代或缺失较c-onc常见,49,二、细胞癌基因,病毒癌基因从宿主细胞基因组中捕获的一段核苷酸序列，该序列在真核细胞的复本被称为细胞癌基因（cellular oncogene,c-onc ）。细胞癌基因是一类普遍存在于正常细胞内调控细胞增殖和分化的重要的看家基因。在正常细胞中以非激活形式存在，不会自发诱导癌症，故又称为原癌基因(proto-oncogene)。,原癌基因是细胞基因组的正常成分，是一类编码关键性调控蛋白的正常细胞基因，参与细胞生长、增殖、分化各环节的调控。,细胞癌基因原癌基因,50,细胞癌基因进化上的高
16、度保守提示这类基因为生命活动所必需。,细胞癌基因的蛋白产物是通过影响细胞生长分化中的控制系统而起作用的。,细胞癌基因必须通过其表达产物蛋白质来表现其生物学作用。,细胞癌基因广泛分布于从单细胞酵母、无脊椎动物到脊椎动物乃至人类的正常细胞中，即各种生物细胞在同一种原癌基因中的核苷酸序列十分相似，具有很大的同源性。（如ras）,51,原癌基因只有激活后可引起细胞生长分化失控，导致细胞癌变。,52,已发现的细胞癌基因超过100种，根据这些基因表达蛋白产物的功能可将细胞癌基因分为几大类：,三、 原癌基因的分类,1、细胞外生长因子类,2、跨膜的生长因子受体,3、细胞内信号转导体（蛋白激酶）,5、核内蛋白质,4、GTP结合蛋白,癌基因家族,癌基因家族 表达产物 1. scr家族 膜结合的酪氨酸蛋白激酶 2. ras家族 与膜结合的GTP结合蛋白 3. myc家族 DNA结合蛋白（转录因子） 4. sis家族 生长因子类 5. myb家族 转录因子,
