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1、第一节 细胞周期概述,“细胞周期”（cell cycle）又称“细胞分裂周期”，是指一个细胞经生长、分裂形成两个细胞所经历的全过程，即细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的全过程。,1. G1期（gap 1 phase）,2. S期（synthesis phase）,3. G2期（gap 2 phase）,4. M期（mitosis phase）,5. G0期,Interphase (Long) G1: Cell growth S: DNA replication G2: Cell growth,M-phase= mitosis (Short) Chromosome segregation
2、 Cytokinesis,Leland H. Hartwell,R. Timothy (Tim) Hunt,Sir Paul M. Nurse,2001年10月8日美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学奖。,第二节 细胞周期调控的关键分子,细胞周期调控的核心蛋白：,2.细胞周期蛋白(Cyclin) ：Cdk的正调节因子,1.周期蛋白依赖性蛋白激酶(Cyclin-dependent kinases,Cdks)：细胞周期调节的中心环节,3. Cdk抑制蛋白(Cyclin-dependent kinase
3、 inhibitors, CKIs)：Cdk的负调节因子,一、细胞周期蛋白（Cyclins）,细胞周期蛋白（Cyclins）是一类伴随细胞周期的不同阶段表达、累积和降解的蛋白质因子。,细胞周期蛋白盒(Cyclin box): 与Cdk结合，激活Cdk的蛋白激酶活性 毁灭盒(Destruction box): 在Cyclin的自身降解中发挥重要作用,1、结构特点,2、调控机理,Cyclin与Cdk形成二聚复合体：催化亚基为Cdk，调节亚基为Cyclin。,Destruction Box in Cyclins,不同类型的CDK/cyclin复合体,Cyclin D包括D1-3，各亚型cyclin
4、D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。,3、分类：A-H,细胞周期中不同类型cyclin的表达变化,二、周期蛋白依赖性蛋白激酶,周期蛋白依赖性蛋白激酶(Cdks)是一类Ser/Thr蛋白激酶，在细胞周期的调节中起关键作用。人体细胞内主要有Cdk1/Cdc2、Cdk26、Cdk7/CAK和Cdk8等。,活性中心：ATP结合部位；催化部位 调节亚基Cyclin的结合部位：正调节 P13suc1的结合部位：负调节，阻止细胞进/退M期,1、结构特点：3个主要功能域,2、没有酶量的调节：在整个细胞周期中，某一Cdk的含量恒定，其活化Cdk与非活化Cdk的总量不变。,CdK的结构,、： 抑制性磷酸
5、化位点；cyclin结合位点；ATP结合位点 b: 催化部位 : ATP结合位点 : T-loop；活性磷酸化位点 : 自身磷酸化位点,Cyclin A,Cdk2,CDK activating,3、组成、结构调节：活化与非活化Cdk的比例,正性调节：人Cdk与特定的Cyclin 结合才有活性；也只有Cyclin降解才能使Cdk最终失活。 负性调节：CKI与Cdk结合后阻止Cdk磷酸化。 共价调节：抑制性位点磷酸化失活(Wee1激酶)；去磷酸化复活(Cdc25磷酸酶)。 协调调节：人Cdc2的Thr 160/161和Thr 14/Tyr 15磷酸化，可促进Cdk-Cyclin结合。 这种磷酸化又
6、依赖Cyclin，Cyclin与Cdk的结合可导致Cdk T环的移开，暴露出其中的Thr 160/161位点 。,MPF activity controlled by: 1) cyclin B levels 2) phosphorylation of cdk1,Multiple levels of regulation provide input for “checkpoint control”,M-phase promoting factor = MPF =cdk1/cyclinB,CDK激酶(CDK activating kinase，CAK)：磷酸化Thr161 Wee1激酶：磷酸化Ty
7、r15/Thr14,依赖Cyclin的蛋白激酶（Cdc/Cdk）,三、Cdk抑制蛋白(CKIs),Cdk抑制蛋白是Cdk的负调节因子，拮抗Cyclin的作用，阻止细胞经过检验点 。,（1）CIP/KIP(Kinase inhibition protein)家族：广泛抑制Cdk1-, Cdk2-, Cdk4/6-Cyclin复合物。因其N端和C端分别具有不同的结构和功能，故又称双重特异家族。包括p21、p27和p57,1、CKI两大家族,（2） INK4(Inhibitor of cdk4)家族：特异性抑制Cdk4/6-D Cyclins，因其结构中含有数个具强烈疏水性的锚蛋白（ankyrin）
8、重复序列，故又称锚蛋白家族，包括p15、p16、p18和p19。,p21,p21是第一个被发现的CKI基因(1993年)，其抑制作用最广泛，对细胞周期各期的Cdks均有明显的抑制作用。由于其表达蛋白质分子量为21 kD，而且最初认为它与野生型p53的生物活性有关，故命名为p21WAF-1(Wild-type p53 Activated Fragment-1)；后又发现p21与细胞老化等多种因素有关，故又称p21SDL1/Cip-1/CAP20/PIC1等。,第一个被发现的CKI基因 p21定位于6p21 抑制作用最广泛 表达蛋白质分子量为21 kD,p21的功能,可能作用于细胞周期的多个环节。
9、 P21可与Cyclin、Cdk和增殖细胞核抗原(PCNA)组成四聚体。其N端结构域与Cyclin-Cdk结合，抑制Cyclin-Cdk磷酸化Rb蛋白，阻止细胞进入S期。 当细胞在S期发生DNA损伤时，p21的C末端结构域与PCNA直接结合，抑制DNA聚合酶活性，阻止损伤DNA长链的复制。但p21不能抑制DNA复制起始复合物的形成和DNA缺口的修补，所以，DNA的修复不会被抑制。 p21基因的启动子区域含有p53蛋白的结合位点。,p16,p16又称MTS1基因（Multiple tumor suppressor 1），其编码蛋白质的分子量约为16 kD，主要抑制Cdk4的活性，故命名为p16I
10、NK4A。,p16基因定位于9p21-22 其编码序列由3个外显子组成 有、两个转录本。 表达蛋白质分子量为16 kD N端含有一个与细胞周期蛋白盒N端同源的序列；还含有4个锚蛋白重复序列。 可抑制Cdk4或Cdk6的活性，使其不能对Rb磷酸化。,Cyclins-Cdks-CKIs的相互作用关系,p21 and p27 inhibit assembly and activity of cdk4,6-cyclin D and cdk2-cyclin E by CAK. They also inhibit cycle progression independent of RB activity.
11、p16 inhibits both assembly and activity of cdk4,6-cyclin D.,一、细胞周期的驱动,1、 G1期：在生长因子诱导下，Cyclin D首先被合成，于G1中期达到峰值，并与Cdk4、Cdk6结合形成Cyclin D-Cdk4或Cyclin D-Cdk6复合物(又称G1-CdkC)，激活Cdk4或Cdk6的蛋白激酶活性，使Rb蛋白磷酸化。磷酸化的Rb蛋白与结合的E2F(无活性)分离，释放出有活性的E2F，E2F作为转录因子激活与DNA复制相关基因的表达，使细胞进入S期。,第三节 细胞周期的调节,positive feedback loop,Rb
12、 phosphorylation maintained until Cyclin B destruction,细胞周期的驱动,2、S期：Cyclin D降解，Cyclin E和A积累，先后与Cdk2结合为Cyclin E-Cdk2复合物(又称G1/S-CdkC)及Cyclin A-Cdk2复合物(又称S-CdkC)，维持DNA复制。,3、G2期：Cyclin E降解，Cyclin B积累，并与Cdc2(Cdk1)结合，形成促成熟因子(maturation-promoting factor，MPF)复合体，即M-CdkC。细胞中的蛋白激酶将Cdc2的Tyr15和Thr14磷酸化，形成无活性的前M
13、PF (pre-MPF)。未磷酸化的活性MPF能激活磷酸酶Cdc25，将Cdc2的Tyr15和Thr14去磷酸化，从而激活更多的MPF(Cdc2的自催化过程)，促使染色体浓缩，微管蛋白磷酸化，细胞骨架的重新组合，推动细胞分裂。,4、M期：Cyclin B和泛素(ubiquitin)被磷酸化。在特定酶的作用下，磷酸化的Cyclin B泛素化，然后由依赖泛素的蛋白水解酶催化降解，结果使Cdc2失去调节单位而失活，细胞回到G1期。促后期复合物(APC)对M-Cyclin及分裂期其他调控因子的泛素化和蛋白水解起重要作用。,Protein degradation is important in mito
14、sis,细胞周期驱动的核心成分是Cdks。Cyclin-Cdk复合物活性的调控决定着细胞周期的进程。,二、Cyclin-Cdk复合物的调节,结构调节：Cdk亚基的磷酸化、CKIs的结合。 数量调节：Cdk调控因子的转录调控； Cyclins的水解,主要机制：泛素依赖的蛋白质水解 限速步骤：泛素连接酶催化的泛素转移反应。 关键酶： SCF(Skp1-Cdc53/cullin-F-box protein complex)和APC (Anaphase-promoting complex，促后期复合物)，泛素化并降解细胞周期调控蛋白。,The Regulation of APC in Cell Cyc
15、le,第三节 细胞周期的调节,基因调节：Cdk的时相性激活是细胞周期调控机制的核心，其主要依赖于Cyclin的细胞周期特异性或时相性表达、累积和降解。 生长因子及其受体调节 抑素调节：细胞自身产生的终止增殖的信号分子 cAMP和cGMP调节：含量随细胞周期呈周期性变化 激素调节：生长激素、雌激素等可刺激细胞生长 Ca2+和钙调素调节：高Ca2+水平直接或间接激活蛋白激酶从而调节细胞增殖活动,G1期的启动是细胞周期的关键: G1/S限制点,生长因子 (Growth factor),G1,S,G2,M,抑素 (Chalone),G1,S,G2,M,三、细胞周期检测点与细胞周期监控,细胞周期检测点(
16、check point)：保证细胞周期中DNA复制和染色体分配的检测机制。细胞一旦通过了检测点，就可以完成细胞周期。这是一类负反馈调节机制。,细胞周期监控：当细胞周期进程中出现异常事件，如DNA损伤或DNA复制受阻时，检测点调节机制被激活，及时地中断细胞周期的运行。待细胞修复或排除故障后，细胞周期才能恢复运转。,Checkpoints in Eukaryotic Cell Cycle,细胞周期检测点分类,1、细胞周期检测点分类,（1）DNA损伤检测点(DNA damage checkpoint)：负责检测DNA有无损伤、合成有无错误。 G1晚期检测点(G1/S转换点)：关键性检测点。控制从G1期进入S期，决定细胞是进入细胞周期，或暂时滞留在G1期，或退出周期。在哺乳类动物细胞中，G1检测点称为R点或限制点(restriction point)，酵母中为启动点(start)。 G2期检测点(G2/M转换点)：保证细胞DNA复制的完整。,（2）DNA复制检测点(DNA replication checkpoint)：负责DNA复制的进度,（3）纺锤体组装检测点(sp
