细胞增殖及其调控

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第七章 细胞增殖及其调控
7.1 细胞增殖
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7.2 细胞周期
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7.2.1 细胞周期时相
细胞周期时相 G1期即从M期结束到S期开始前的一段间歇期;
G2期, 即DNA合成后(S期)到有丝分裂前的一个间歇期;
S期,即DNA合成期;
M期,即有丝分裂期。
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周期蛋白功能的执行
不同的周期蛋白在细胞周期内表达的时期不同，并与不同的CDK结合，调节不同的CDK激酶的活性。
周期蛋白与CDK结合的关键结构是周期蛋白框
G1期cyclin D表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，磷酸化的Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1的基因。
不同CDK激酶所要求结合的周期蛋白不同，在细胞周期中执行的调解功能也不同。
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CDK分子中有一些重要位点，通过磷酸化修饰对CDK激酶活性起重要调节作用。
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CDK激酶
1
周期蛋白依赖性蛋白激酶
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与周期蛋白结合，并以周期蛋白作为其调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性。
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细胞内存在多种因子，通过对CDK分子结构进行修饰，参与CDK激酶活性调节。
CDK
G1-CDK
Cyclin D
CDK4 、6
Cln 3
CDK1(Cdc28)
G1/S-CDK
Cyclin E
CDK2
Cln 1、2
CDK1(Cdc28)
S-CDK
Cyclin A
CDK2
Cln 5、6
CDK1(Cdc28)
M-CDK
Cyclin B
CDK1(CDK2)
Cln 1-4
CDK1(Cdc28)
（周期中细胞）
信号刺激
G1
G0
细胞周期时相
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⒈ G1期 ⑴ 合成活动： ⑵ 起始点: 最初指芽殖酵母细胞出芽的开始，事实是芽殖酵母G1期晚期的一个特定阶段，控制着新一轮细胞周期的运转。 是G1期晚期的一个基本事件，细胞只有在内在和外在因素共同作用下才能通过起始点，顺利通过G1期，进入S期并合成DNA。 cdc基因：
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研究方法：
G1期Hela细胞与S期细胞融合，结果发现G1期细胞中的DNA开始复制； S期细胞与G2期细胞融合，结果发现G2期细胞核中已经复制过的DNA没有再复制。
结论：正在进行DNA复制的细胞的细胞质中含有促进G1期细胞进行DNA复制的起始因子，而这种起始因子对于已经进行了DNA复制的G2期细胞没有作用。
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MPF的结构组成及特性
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是由两个不同的亚基组成的异质二聚体，是一种蛋白激酶:
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催化亚基：p32cdc2
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是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶
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其活性依赖于周期蛋白，故称为周期依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent protein
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kinases, CDKs);
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调节亚基：p45---周期蛋白(cyclin)。
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CDK激酶抑制物（CDKI） 细胞内存在的一些对CDK激酶活性起负性调控，即对CDK激酶起抑制作用的蛋白质，称为CDK激酶抑制物。
其他内在因素和外在因素在细胞周期调控中的作用
A
内在因素——癌基因和抑癌基因
B
外在因素——离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、pH变化等。
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细胞周期运行的调控机制
高等真核细胞，尤其是哺乳动物细胞中，类似于芽殖酵母起始点的G1期晚期的一个特定阶段。
限制点
是细胞周期研究领域中应用的术语。是细胞周期进程中的监控机制，可以鉴别细胞周期进程中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行。
检验点：
G1期检验点：
检测细胞的大小和环境状态，如果条件合适，就会激发DNA复制，使细胞周期进程向前移动。在一些真核生物中，G1期检验点是细胞周期的主要控制点，它决定细胞能否分裂。
本章重点
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结论： M 期细胞中一定有一种能促使染色体凝集的因子，称为细胞促分裂因子。
M期细胞与处于细胞周期其他阶段的细胞融合，结果发现与M期细胞融合的其他间期细胞均发生了形态各异的染色体凝集，称为染色体超前凝集（PCC）。
G1期细胞与M期细胞融合
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S期细胞与M期细胞融合
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G2期细胞与M期细胞融合
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保罗·纳西的贡献是发现了CDK。
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蒂莫西·亨特的贡献是发现了调节CDK的功能物质周期蛋白.
7.2.3 细胞周期调控
7.2.3.1 蛋白激酶在细胞周期调控中的 作用的研究
染色体超前凝集（PCC）的发现 研究者：1970年，Colorado（科罗拉多）大学的 Robert Johnson 和 Potu Rao
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标准细胞周期: 细胞周期时间的长短： 同种细胞，细胞周期时间长短相似或相同； 不同细胞种类，细胞周期时间长短差别很大； 高等生物体的细胞周期时间长短主要差别在G1期。
多细胞生物体中的细胞类群 周期中细胞：持续分裂细胞 G0期细胞：又称静止期细胞。 是周期中细胞暂时脱离细胞周期,停止分裂增殖,去执行一定的生物学功能,如某些免疫淋巴细胞, 肝细胞,肾细胞等。 终末分化细胞： 永久性失去了分裂能力的细胞。
细胞周期运转受到细胞内外各种因素的精密调控，细胞内因是调控依据。
CDK激酶是细胞周期调控中的重要因素，是细胞周期运转的引擎分子。
不同种类的周期蛋白分别与不同的CDK蛋白结合，在细胞周期的不同时相起调节作用。
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CDK激酶通过磷酸化其底物蛋白而对细胞周期进行调控。 CDK激酶活性受到多种因素的综合调节，除周期蛋白外还有各种修饰性调控因子、CDK激酶抑制物等。 除CDK激酶及其直接的活性调节因子外，还有很多其他因素参与细胞周期调控，如各种检验点等。 各种检验点也有专门的调控机制。 上述所有因素共同组成一个极其复杂的综合性调控网络。
M期
细胞分裂活动： M期检验点：检测所有的染色体是否都与纺锤体相连，并排列在赤道板上。否则不能进行有丝分裂和胞质分裂。
细胞周期运转规律
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2001年诺贝的基因，其中一种被称为“START” 的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。
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至此确定的MPF生化组成成分
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Cdc2蛋白:蛋白激酶催化亚单位
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周期蛋白：蛋白激酶调解亚单位
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周期蛋白种类及功能的执行
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周期蛋白种类
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酵母中的周期蛋白
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高等动物的周期蛋白
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G1期周期蛋白
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M期周期蛋白
表1 不同类型的周期蛋白
激酶复合体
脊椎动物
芽殖酵母
Cyclin
CDK
Cyclin
MPF的发现
促成熟因子(maturation-promoting factor，MPF）,早期称为M-期促进因子(M-phase promoting factor, MPF)，是指M期细胞中存在的促进细胞分裂的因子。
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1971年，科学家通过试验认为，在非洲爪蟾成熟的卵细胞的细胞质中必然有一种物质，可以诱导卵母细胞成熟，并明确提出将其称为促成熟因子，即MPF。
图 Cyclin D与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F
在G1-S期， cyclinE与CDK2结合，促进细胞通过G1/S限制点而进入S期。 向细胞内注射CyclinE的抗体能使细胞停滞于G1期，说明细胞进入S期需要CyclinE的参与。 同样将CyclinA的抗体注射到细胞内，发现能抑制细胞的DNA合成，推测CyclinA是DNA复制所必需的。 在G2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、将组蛋白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。
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外在因素：营养供给和相关的激素刺激等。 内在因素：与cdc基因调控相关的因素。
由G1期向S期转换的影响因素：
合成活动：合成DNA和组蛋白并组装成核小体结构。 DNA合成受多种细胞周期调节因素的严密调控。
S期——DNA合成期
G2期
合成活动： 合成着丝粒蛋白、细胞周期蛋白B和微管蛋白等大量蛋白质。 G2期检验点：控制细胞周期能否顺利进入进入M期。
裂殖酵母细胞MPF中的p34cdc2与蛙MPF中的p32cdc2是同源物，都具有激酶活性。
1983年，Tim Hunt（美）报道，在海胆卵细胞中存在两种特殊蛋白质，即周期蛋白。
细胞周期蛋白的鉴定
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周期蛋白
其含量随细胞周期进程变化而变化，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一细胞周期又重复这一消长现象。 非洲爪蟾的MPF中的另一种主要成份是周期蛋白B。
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MPF的结构
cdc（cell division cycle）基因：
p34cdc2本身并没有激酶活性，只有当与有关蛋白结合后，其激酶活性才能表现出来。
p34cdc2 激酶及其与MPF的关系
p34cdc2是cdc2基因的表达产物，具有蛋白激酶活性。在裂殖酵母细胞周期调控过程中起关键性调节作用，促进G2/M转换。