细胞分化机制

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G1期(Gap 1 phase) 从有丝分裂完
成到DNA合成之前的间隙,与DNA合成 启动相关;
-DNA合成准备所需要的RNA、蛋白质、 脂类、糖类等 ; -蛋白质的磷酸化 ; -染色体解凝集 。
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S期(Sythesis phase)DNA合成期
-DNA合成(复制) ; - 组蛋白、非组蛋白等 ; -染色体蛋白的合成。
(1)概述
CLN-CDK复合物的活性受抑制蛋白的调节,此类蛋白
称为CDK抑制蛋白(CDI)或者周期蛋白激酶抑制蛋白
(CKI);
CKI与检验点的控制(如DNA合成),以及对分裂素和
抗分裂素的应答有关;
在衰老和静止的细胞中有高水平的表达,且与细胞周期
的进入和退出有关;
CDI在体内与其催化亚单位周期蛋白或者CDK复合物结
(CDK7)和一个周期蛋白(CLNH);
CDK 和CLNH间的相互作用需要Thr170磷酸化。
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C 植物中的CAK
来源于拟南芥的同源物CAK1At :不能磷酸化拟
南芥的RNA聚合酶II大亚基的羧基末端结构域 CTD,但可以磷酸化人的CDK2;
来源于水稻的CAK(OsR2):可以磷酸化人的
促进细胞从G1期转换到S期;
APC(anaphase-promoting complex)途
径:主要通过水解分裂期周期蛋白致使
CDC2失活使细胞由分裂中期进入分裂后
期,并由此退出分裂期。
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(2) 特点
CLNA,CLNB水解由于依赖于遍在蛋白调节,
在蛋白质的N末端具有破坏框; 如:将烟草的A型和B型周期蛋白的N端结构域与 CAT基因融合,转化烟草BY2细胞并表达,融合
第四章 细胞的分化机制
一、细胞周期及其调节
二、细胞分化
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一. 细胞周期及调节
(一)细胞周期概述 (二)周期蛋白 (三) 依赖于周期蛋白的激酶 (四)CLN-CDK复合物 (五)CLN-CDK复合物在细胞周期中的 作用 (六)植物细胞周期的特点
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(一)细胞周期概述
1 细胞周期的研究背景 2 细胞周期时相
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G0 期 细胞处于不分裂状态
A 具有和G1期相同的DNA含量; B 生理生化状态有差异,细胞小,物质代谢 具有降解趋势;
C G0期的转换是一个可逆过程。
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(2)植物细胞周期
植物细胞的细胞周期与动物细胞的标准细
胞周期非常相似,含有G1期、S期、G2期和 M期四个时期;
2 植物中依赖于周期蛋白的激酶 一类氨基酸序列与芽殖酵母Cdc2同源,具有保 守的PSTAIRE结构域,此基序含有保守性很强 的16个氨基酸残基,是周期蛋白与之相互作用的 基序。其中一些可能是植物特有的,命名为 CDK-a; 一类含有趋异的PSTAIRE,如PPTAIRE,命名 为CDK-b,可分为两个亚族, CDK-b1和 CDKb2; CDK-b类的mRNA和蛋白质产物仅仅出现在S期 和M期,这种调节方式在其他真核生物中还未有 发现; 一些可能是不依赖周期蛋白的CDC2类似序列。
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1980s Timothy Hunt发现海胆的卵裂过程中
两种蛋白质的含量随细胞周期振荡,命名 为周期蛋白(Cyclin A和B)。后来发现各 类动物来源的细胞周期蛋白mRNA 均能诱 导蛙卵的成熟; 1988 年Lohka 将非洲爪蟾的MPF 纯化,经 鉴定MPF 由32KD 和45KD 两种蛋白组 成,是一种丝氨酸/ 苏氨酸激酶; 进一步的研究发现MPF=CDC2+Cyclin B
特异的磷酸酶使之脱磷酸,将使细胞通过
G2/M点进入M期;
通过一种周期蛋白的降解机制,导致染色
体去凝聚。
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2 CLN-CDK复合物的磷酸化
(1)Thr161磷酸化
A 磷酸化原因

单体的CDK只有很低和没有蛋白激酶活性,主要由于 ATP的结合方向和C末端部分(T环或L12); CDK与CLN结合,CDK构象发生变化,允许ATP以正确 的方向结合,同时T环位移,离开催化区域的活性位
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B G2/M期检验点: 另一重要的检验点,决定细胞是否进入分 裂期,检验DNA是否损伤?细胞体积是否 足够大? C S期检验点:DNA复制是否完成? D 中-后期检验点:纺锤体组装检验点。
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(二)周期蛋白
1 周期蛋白概述 2 植物周期蛋白研究
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1.周期蛋白
稻种鉴定出类似哺乳动物C型周期蛋白
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(三) 依赖于周期蛋白的激酶
1 研究概况 MPF=CDC2+Clyclin B ,CDC2与细胞周期蛋白 结合才具有激酶的活性,故名细胞周期蛋白依赖 性激酶(cyclin-dependent kinase,CDK)。 CDC2又被称为CDK1,可将特定蛋白磷酸化, 促进细胞周期运行,是G2/M期转换的调节因 子; – 如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消 失; – 将H1磷酸化导致染色体的凝缩等。 在动物中已知7种CDK,均含有一段相似的激酶 结构域,这一区域有一段保守序列(PSTAIRE), 与周期蛋白的结合有关。 32/25
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(四) CLN-CDK复合物
1 概述 2 CLN-CDK复合物的磷酸化
3 CLN-CDK复合物的脱磷酸化
4 CDK抑制蛋白 5 蛋白水解调节CLN-CDK复合物活性
百度文库
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1 概述
G1期,CLN与CDK结合,该复合物具有激
酶活性,促进细胞进入S期;
不同类型的CLN合成过程中,当受到一种
所有真核生物的细胞周期至少存在两个检
验点。
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A G1/S检验点: DNA是否损伤?细胞外环境是否适宜? 细胞体积是否足够大? 在酵母中称start点,在哺乳动物中称R点 (restriction point); 植物、动物、酵母 的细胞周期启动点或限 制点R,定位在G1期,由它控制细胞进入S 期。
-Wee1显示能够磷酸化CDC2 的Tyr15的功能,但 没有磷酸化CDC2的Thr14的能力; -Mytl基因编码一膜结合蛋白激酶,能够磷酸化 CDC2的Thr14和Tyr15两个残基。
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玉米中一种Wee1的同源物可以抑制CDK
的活性,显示在植物有丝分裂中CDK的 Tyr15的磷酸化是一个重要的控制因素, 说明植物中也存在通过Wee1激酶磷酸化 CDK的机制,并为植物中调节CDK的磷酸 化状态提供重要证据。
CDK2,也可以磷酸化RNA聚合酶CTD。
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(2)CDK的残基Thr14和Try15磷酸化 A 功能 CDK残基磷酸化可使激酶功能丧失, 可能是由于阻止了ATP的结合(Thr14) 或阻止了构象的改变(Try15);
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B 调控 动物中由Wee1基因和Mytl基因的产物来完成;

定义:周期蛋白(cyclin,CLN)指 含有周期蛋白框(cyclin box)的一组
蛋白。
特点:在细胞周期中呈周期性变化。
含有一段约100个氨基酸的保守序 列,称为周期蛋白框,介导周期蛋白 与CDK 结合。
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2 植物周期蛋白研究
(1)研究方法:
起初通过注射植物周期蛋白的RNA使蛙卵
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2 细胞周期时相
(1)细胞周期时相的划分 1951年, Howard 和 Pelc 最先进行真核细 胞周期时相的划分,采用同位素32P标记蚕 豆根尖细胞,研究有丝分裂过程,证明 DNA合成只能在分裂间期的特定阶段进 行,从而将细胞周期分为 4个时期
◆ G1期 ◆ S 期 ◆ G2期 ◆ M 期
合,抑制该复合物的活性和它对底物的活性;
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(2)类型
动物细胞存在两个CDI家族:INK和CIP; 拟南芥中至少含有4个CKI基因,目前已分
离了其中的CKI1,并进行了分析。
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5蛋白水解调节CLN- CDK复合物的活性 (1)调控途径
CDC34途径:主要是水解CDK抑制蛋白以
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G2期(Gap 2 phase) 从DNA复制完
成到有丝分裂开始的第二个间期
-DNA复制完成; -在G2期合成一定数量的蛋白质和RNA分 子(微管蛋白,成熟促进因子 )。
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M期(Mitosis phase) 从有丝分裂
开始到结束;
-DNA、RNA、蛋白质合成停止; -细胞发生一系列形态变化、结构建成; -将加倍的DNA平均分配到两个子细胞 中。
蛋白的稳定性表型为一种依赖细胞周期的波动方
式。如果破坏框发生突变,则融合蛋白的这种依
赖细胞周期的蛋白水解方式就消失了;
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D型周期蛋白不具有破坏框,因而不通过
这种途径降解; -D型周期蛋白含有PEST序列,在此区域富 含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸,这 种结构是许多蛋白质快速降解的信号。
母细胞成熟或者胚泡破裂来证实植物中存 在动物细胞周期蛋白同源物;
根据酵母突变体的功能互补实验证实植物
有丝分裂周期蛋白具有如周期蛋白框和破
坏框类的保守结构。
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(2)研究进展
植物周期蛋白分为九组,即A1、A2、
A3、B1、B2、D1、 D2、 D3、D4
拟南芥拥有15种周期蛋白,在拟南芥和水
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细胞周期调控研究过程的重要事件: MPF的发现 ; P34cdc2激酶的发现 ; 周期蛋白的研究 ; CDK激酶 。
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2001年10月8日美国人Leland Hartwell 、英
国人 Timothy Hunt、 Paul Nurse 因对细胞 周期调控机理的研究而获诺贝尔生理医学 奖。
融合的间期细胞染色体发生凝缩,称为早 熟凝集染色体(prematurely condensed chromosome,PCC)。
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不同类型的M期细胞可诱导PCC产生,说
明M期细胞具有促进间期细胞进行分裂的 因子,即成熟促进因子 (maturation promoting factor,MPF); 1960s Leland Hartwell,1970s Paul Nurse 裂 殖酵母为实验材料,利用温度敏感突变 株,发现许多与细胞分裂有关基因(cell division cycle gene, CDC);
植物细胞不含中心体,但在细胞分裂时可
以正常组装纺锤体;
植物细胞以形成中板的形式进行胞质分
裂。
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(3)细胞周期时相的特点
不同细胞的细胞周期时相差异很大; S+G2+M 的时间变化教小,细胞周期
时间长短主要差别在G1期;
有些分裂增殖的细胞缺乏G1、G2期。
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(4)细胞周期长短测定

点;

CDK需要161位的苏氨酸磷酸化,形成复合物后,构象 的变化使161位残基更容易磷酸化; CDK磷酸化有助于T环发生位移,有利于底物结合。
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B CDK激活激酶(CDK-activating kinase,CAK)
CAK执行161位苏氨酸的磷酸化;
CAK是多蛋白复合体,至少包括一个CDK
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3 CLN-CDK复合物的脱磷酸化
(1) CDC25(A,B,C)

调控CDC2的Tyr15和Thr14脱磷酸,是一种负 调节机制;
(2)调控时期

CDC25A在S期被磷酸化激活; CDC25B在G2/M期的边界激活; CDC25C在分裂期被激活。
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4 CDK抑制蛋白的作用
脉冲标记 DNA 复制和细胞分裂指数观
察测定;
流式细胞测定法(Flow Cytometry);
缩时摄像技术。
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3 细胞周期的重要检验点
细胞周期的运转非常有序,每一时相的转
换受到高度的调控;
细胞在培养条件不适合时,不同步的分裂
细胞将停留在几个特定的点上,这些点时 细胞对一些重要步骤是否完成的检验点 (check point);
3 细胞周期的重要检验点
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1 细胞周期的研究背景
(1)定义
指细胞分裂一次所需要的时间,也是指前一次细
胞分裂结束到下一次分裂终了所经历的过程;概 念是在 Virchow 于 1855年在发现细胞分裂的基 础上提出的 “细胞来自细胞” 发展而来的;
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(2)发展进程
1970s Rao和Johnson发现与M期细胞(Hela)
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