第十二章 细胞周期及其调控的分子机制

⒌P53基因 P53基因产物是一种转录因子，以四聚体形式与特 异的DNA序列结合后，对靶基因的表达进行调控。 是一种细胞生长抑制性蛋白；它抑制正常和转化细 胞的生长，使细胞停滞在G1期。但当细胞DNA损伤 时，抑制G1晚期的基因转录，以利DNA修复，对维 护基因稳定性起重要作用。若P53突变，丧失了对细 胞周期的控制作用而致使细胞发生转化或恶性变。 ⒍视网膜母细胞瘤(retinoblastoma，Rb)基因 pRb存在于整个细胞周期中，它可以在细胞周期 的多个阶段起作用。但是，在不同阶段的pRb的磷 酸化水平不同，只有非磷酸化的pRb具有抑制细胞 增殖的活性。
㈡ 生长因子与相应的受体
细胞因子与细胞表面受体结合后，可使受体发生 变构，通过跨膜信号传导激活蛋白激酶活性，可使细 胞内靶蛋白的酪氨酸发生磷酸化，进一步触发由细胞 质到细胞核的一系列信号传递反应。核内调控蛋白接 受传来的增殖信号后，才能被激活，与基因组中特定 的调控序列发生相互作用，从而可启动与细胞增殖调 控的特定基因发生转录。首先引起fos、jun、myc等 基因的表达，产生转录因子,进而激活周期素和周期素 依赖性激酶的基因表达，以调控细胞周期。 举例如下：
第十二章 细胞周期及其调控的分子机制
•第一节 细胞的增殖和周期
•第二节 细胞周期调控的分子机制
一、细胞的增殖
一般的细胞分裂是对称性分裂，即母细胞中的遗 传物质复制后平均分配给两个子代细胞，子代细胞 均与母细胞表型相同。但有些细胞分裂时为非对称 性分裂，这种不等分配的非对称分裂是随机的，与 微环境因素有关。 二、细胞周期(cell cycle) 细胞从上一次有丝分裂到下一次有丝分裂完成所 经历的过程称细胞周期(cell cycle)，可分为间期和有 丝 分 裂 期 (M 期 ) 。 间 期 又 分 G1 期 、 S 期 和 G2 期 , 即 G1→S→G2→M期。一般间期的时间较长(多数)，而 M期的时间较短(少数) (如图12-1)。
三、细胞周期时间 不同生物细胞周期时间有差异，同一系统中不同 细胞，其细胞周期时间也有很大差异。细胞周期时 间主要决定于G1期的时间。 不同生物，不同组织来源的细胞，不同体外培养 的细胞胞系及肿瘤细胞，其细胞周期时间是有差异 的，如表12-1，表12-2，表12-3，表12-4，表12-5。
第二节 细胞周期调控的分子机制
⑵P21
P21WAF1为P53的下游基因，表达产物的氨基端有 一个锌指结合功能域，羧基端有两个核定位信号区， 正常细胞中，野生型P53基因完整，P21表达恒定。 在生长因子刺激下，G1期P21表达快速增加，有大量 “自由”的P21存在，然后降低。到S期时，这种“自 由”的P21减少，而cyclin A增加，一旦细胞受电离 辐射，DNA被损伤后，由P53促进产生的P21可抑制 cyclin E/cdk2 而 造 成 G1 期 阻 滞 ； 同 时 P21 可 与 PCNA(增殖细胞核抗体)结合抑制其活化的DNA聚合 酶，从而抑制DNA复制以利DNA修复。一旦p53突 → p21失活 →PCNA失活,使cyclin A/cdk2超过P21 引起肿瘤.
㈢参与细胞周期调控的原癌基因及抑癌基因 ⒈激酶类 细胞癌变与蛋白质激酶类活性基因的磷酸化有关。 如src、fms、raf、erb-B基因编码的蛋白质定位在细 胞膜上，为特异性酪氨酸磷酸化酶，与导致细胞转化 和癌变有关。 ⒉ras基因 由c-ras基因编码的蛋白有类似G蛋白的作用。定位 于细胞膜内面，在接受细胞表面信号刺激后,P21与 GTP结合，形成具GTP酶活性的P21-GTP复合物，这 种复合物具有传递细胞内信号的功能，在其他生长因 子的相互作用下，可刺激细胞生长，并可导致细胞增 殖失控。
三、对细胞周期的影响：pRb和E2F
pRb蛋白主要涉及调控细胞由G1 期进入S期，其磷 酸化状态与细胞周期进程紧密相关。 在G1 期只有pRb的非磷酸化和低磷酸化状态，具有 抑制细胞增殖的作用.但在G1→S→M期过渡的过程中， pRb处于高磷酸化状态。
E2F是腺病毒E2启动子基因，每种E2F同源物(至少
⑴间期(interphase) 是两个细胞分裂之间的时间。 ①G1期 有丝分裂后期，又称DNA合成前期。 ②S期即DNA合成期，也称复制期(duplication stage)。 ③G2期 为DNA合成后期，又称细胞分裂前期或复制 后期(post duplication stage)。
⑵M期(mitosis stage) 的终结期。
⒊周期素依赖性激酶(cdk)抑制蛋白对细胞周期的调 控 周期素依赖性激酶(cdk)的抑制蛋白(CDI)是一种 具有抑制cdk功能的新蛋白，能在细胞周期的特定时 刻负调控cdk活性而控制细胞周期的进程。 ⑴P16 P16分子有四个特殊的ankyrin结构域，能抑制Hras和c-myc表达及细胞转化. 在G1-S点cdk4和cdk6结 合，使cyclin D/cdk4，cyclin D/cdk6的激酶活性失活， 从而抑制细胞周期进入S期。60%肿瘤有p16突变,突 变细胞高达83%
⑷cdk4 与cyclin D结合,其复合物能使pRb磷酸化,释 放转录因子在G1期启动表达.
⑸cdk5 可与cyclin D结合在G1期发挥作用 ⑹cdk6 cdk6与cyclin D1、D2及D3结合，使pRb磷酸化， 与cdk4功能相同,在T细胞中cdk6先被激活，在巨噬 细胞及成纤维细胞中cdk4首先被激活。
细胞是静止(G0期)还是开始增殖(进入wk.baidu.com1期)。
调控pRb(或同源物)与特定E2F-DP复合物的结合就 能在细胞周期的特定时段对特定基因转录的开放或 关闭起调节作用。pRb-E2F的复合物还可在G1期与 cyclin E/cdk2结合或在S期与cyclin A/cdk2结合，而 由E2F-1表达驱动的细胞增殖后，同时又可启动细 胞凋亡。 综上所述，细胞周期起动由G1期进入S期的过 程是一个涉及一系列细胞周期相关蛋白(周期素和 cdk)结合并接序磷酸化和一系列基因活化的复杂过 程(如图12-4)。
⒈周期素(cyclin)对细胞周期的调控
⑴G1期周期素 G1期周期素有cyclin C、D和E型， G0 期细胞受到生长因子刺激后，首先表达C、D型 周期素，再表达E型周期素，然后突破G1控制点进 入DNA合成的S期。 cyclin C的水平在G1期稍有增加。 cyclin D在G1期早期开始表达，并与cdk4(为主)结合， 使细胞由G0期进入G1期。若cyclin D受抑，则细胞 不能进入S期。 cyclin E表达，晚于cyclin D。峰值在G1-S过渡点， 使细胞由G1期进入S期。
⑶P24
P24可以与cdk2结合，但不能与cdk4结合，并具有 抗磷酸化酪氨酸的活性。与P21相似，它对细胞进入 S期具有负调控作用。 ⑷P27
P27分子在细胞中高度保守。由TGF-诱导的G1期， 通过与cyclin E/cdk2复合物结合，阻止cdk2上第160 位苏氨酸的磷酸化，从而抑制cyclin E/cdk2其复合物 的激酶活性，使细胞阻滞在G1期。
⑸P15 P15只与cdk4和cdk6结合，与P16有高度同源性， 受TGF-刺激而表达的。使细胞被阻止在G1期。
当TGF-刺激时。因P15可与P27-cyclin D/cdk4/cdk6中的激酶单独结合，使P27与更多的 cyclin E/cdk2结合，因替换而被游离的cyclin D被降 解，从而使细胞阻止在G1期。
⑵S期和M期的周期素 ①cyclin A和cyclin B
cyclin A核内的合成比cyclin B早，并接近于G1-S期 过渡点。一旦被破坏就会抑制染色体的复制。
②cyclin H cyclin H与cdk相关激酶MO15结合，形成复合物可 增强cdk2-cyclinA激酶活性。
⒉周期素依赖性蛋白激酶(cdk)对细胞周期的调控
二、细胞周期调控的分子机制
㈠周期素和周期素依赖性激酶
细胞质中有两种调节细胞周期的有丝分裂促进 因子(mitosis promoting factor MPF)。一种是周期 素(cyclin)，另一种是P34蛋白激酶，此激酶的活性 依赖于同周期素结合，故又称为周期素依赖性蛋 白激酶(cyclin-dependent Kinase, cdk)。
一、细胞周期的控制点 人及哺乳动物细胞中存在着三个细胞周期控制点，即决定 G1期发生的G1控制点、决定S期发生的S控制点和决定M期发 生的M控制点(如图12-2)。
㈠ G1控制点如图12-3。
在G1 期哺乳动物细胞趋向有三种可能性：①连 续分裂细胞不断突破G1期→S期，通过G2和M期连 续分裂，又称周期性细胞②暂时不增殖细胞；又称 休眠细胞或G0期细胞，细胞暂停在G1期，不合成， 不分裂③无增殖力细胞，不可逆地脱离细胞周期走 向终末分化又称终末分化细胞， 在正常情况下哺乳动物体内的大部分细胞是处 于非增殖状态的休止期(G0 期)，只在一定条件下才 进 入 G1 期 ， 只 有 通 过 限 制 点 的 细 胞 才 能 进 入 S→G2→M期，R点是控制细胞增殖的关键。
⑴cdk1 即P34cdc2，可与人cyclin B结合形成复合物，通 过催化方式可使细胞进入和走出M期。 ⑵cdk2 在 G1 后 期 和 S 期 由 cdk2 基 因 编 码 的 P33cdk2 与 cyclin E,cyclin A结合形成复合物后，又可与pRb 相关转录因子结合形成复合物,参与G1和S期基因 表达调控. ⑶cdk3 与周期素结合后,参与G1期调控,若突变可使G1 期阻止。
为有丝分裂期，是细胞周期
①前期(prophase) 染色体形成并分裂成两条染 色单体与中心粒形成纺锤体，核仁、核膜消失，胞 质回缩 ②中期(metaphase) 排成一圈 姐妹染色体分布在赤道板上
③后期(anaphase) 染色体一分为二，纺锤体收缩， 两个姐妹染色体向两极移动 ④末期(telophase) 染色体融合成染色质，核仁，核 膜出现，胞体一分为二形成两个子细胞
有5种，E2F1~E2F5)在核内可与其他核蛋白(如DP-1或
DP-2)结合成异二聚体，可与pRb或其同源物(P130或
P107)发生特异结合，pRb与E2F的结合可使E2F由转
录活化因子转变成转录抑制因子。而E2F的过高表达
反过来又可克服低磷酸化pRb对G1期的阻滞，细胞进
入S期，可打破细胞周期阻滞，二者间的平衡决定了
① 表皮生长因子( EGF)能促进各种组织细胞的分裂 和增殖。
② 血小板衍化生长因子PDGF)来源于血小板，能刺 激静止细胞离开G0期进入生长周期。 ③ 转化生长因子( TGF)有TGF和TGF两大类， TGF在结构,生物学特性上与EGF非常相似,能与 EGFR结合，活化蛋白激酶，发挥调节作用。 TGF-的转化活性需EGF或TGF-的协同。能抑制 细胞增殖，对细胞生长起负调节作用。 ④ 抑素(chalone)是与生长因子作用相反，对细胞生 长起抑制作用.
⒊生长因子类蛋白 如c-sis癌基因编码的P28 sis产物以自分泌方式作 用于PDGF受体，使细胞增殖，有许多癌基因的基因 产物均可以自分泌方式来刺激细胞生长。 ⒋c-myc c-myc基因属于早期反应基因，在特异性生长信 号刺激时，可使细胞进入增殖周期，c-myc的表达增 加。不仅可促使G0→G1 期的过渡，而且在整个细胞 周期中都有表达，与细胞周期后阶段和细胞凋亡有 关。
㈡S控制点
完成G1期后，S期激活因子(S phase activator)启动 DNA复制，进入S期的完成所有DNA复制后进入G2 期。 ㈢M控制点 细胞进行有丝分裂需要M期激酶(M phase Kinase) 的活化。M期激酶是由2个亚单位组成，一个是催化 亚 单 位 P34 ， 另 一 个 是 调 节 亚 单 位 ， 包 括 周 期 素 A(cyclin A)和周期素B(cyclin B)。 只有形成P34-cyclin A或P34-cyclin B二聚体时，产 生激酶活性，使细胞进入M期。M后期M期激酶失活， 经前期、中期、后期、末期后分裂成两个子细胞， 结束M期。