细胞增殖的分子调控

• 细胞周期中各关键点的转换，是通过各种调控因子 相互作用，构成级联网络调控系统来实现的。
• 这一调控系统的核心是周期素依赖的蛋白激酶 （cyclin-dependent protein kinase，CDK）家族。该 家族成员的顺序激活和对关键底物的磷酸化促进细 胞周期的有序进程。
G1-CDK 使RB蛋白磷酸化而释放 转录因子E2F,促进G1期细胞跨越 限制点，向S期发生转化。
② 磷酸化修饰的激活作用： • CDK的激活还必须依赖于其保守的苏氨酸残基的
磷酸化，如在人CDK1（p34cdc2）的Thr161和CDK2的 Thr160的磷酸化，就与这两个酶的激活相关。
• 催化CDK1和CDK2磷酸化的酶是CAK，该酶是一种寡 聚体，其催化亚基为CDK7，调节亚基为周期素H， 另需一组装蛋白因子MAT1以稳定结构。
结构特点：3个主要功能域
➢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
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
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ： 抑制性磷酸化位点； cyclin结合位点； ATP结合位点 Ⅵb: 催化部位 Ⅶ: ATP结合位点 Ⅷ: T-loop；活性磷 酸化位点 Ⅸ: 自身磷酸化位点
G0
1. Phases of Cell Cycle
2. Characteristics of Cell Cycle Phases
① G1期： 细胞周期的大部分时相处于G1期，动物细胞一般为6~12小时。该
期主要的生化活动是合成RNA和蛋白质…… ② S期：
此期一般持续6~8小时，其长短主要由基因组的复杂度决定。该 期主要的生化活动是复制DNA。
• 生长因子，如EGF、PDGF、TGF、FGF、NGF、IL-2等， 与相应的靶细胞膜受体结合后，即可通过细胞信号转 导，调节相关结构基因的表达，启动细胞增殖过程。
PDGF：一种较强的促有丝分裂的因子，能刺激细胞进入增殖过 程。大多数二倍体细胞的增殖需要PDGF。 PDGFR：分子量约180kD，跨膜糖蛋白。受体具有TPK活性。靶 蛋白有磷脂酶Cγ等
细胞周期蛋白(Cyclin) ：Cdk的正调节因子
Cdk抑制蛋白(Cyclin-dependent kinase inhibitors, CKIs)：Cdk的负调节因子
❖细胞周期蛋白（Cyclins）：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。 结构特点
➢细胞周期蛋白盒(Cyclin box): 与Cdk结合，激活Cdk 的蛋白激酶活性
➢降解盒(Destruction box): 在Cyclin的自身降解中发挥 或PEST序列（脯-谷-丝-苏） 重要作用
调控机理
➢Cyclin与Cdk形成异二聚体：催化亚基为Cdk， 调节亚基为Cyclin。
The Expressional Levels of Cyclins duBiblioteka Baiduing Cell Cycle
• MAP激酶激酶激酶(MAPKKK)，如Raf-1激酶。 • MAP激酶激酶(MAPKK)，如MEK1/2。 • MAPK，如ERK1/2。
MAPKKK MAPKK MAPK
MAPK途径：
2.细胞周期调控的关键分子
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
细胞增殖的意义
◆单细胞生物细胞增殖导致生物个体数量的增加。 ◆多细胞生物由一个单细胞(受精卵)分裂发育而来， 细胞
增殖是多细胞生物繁殖基础。 ◆成体生物仍然需要细胞增殖，主要取代衰老死亡的细胞，
维持个体细胞数量的相对平衡和机体的正常功能。
◆机体创伤愈合、组织再生、病理组织修复等，都要依赖 细胞增殖。
EGFR介导的信号转导过程
EGF：53个aa残基， 分子量6kD，分布 于人的尿液、血液 和乳汁。
细胞增生
• Raf蛋白 具有丝／苏氨酸蛋白激酶活性.又称MAPKKK激活 有丝分裂原激活蛋白激酶（MAPK)系统。
• MAPK系统 是一组酶兼底物的蛋白分子，通常由三种蛋白 激酶的级联反应构成，种类较多，包括：
第一个发现了周期素 (cyclin)，一类蛋白质，是 CDK的调控分子。亨特在研
运用遗传学和分子生物学方 法首次鉴定、克隆出细胞周期 的关键调控子之CDK分子（周
期调控的第一步中起着关键 究中发现，周期素在每次细
期素依赖性激酶）。他还发现
作用。哈特韦尔还引入了
胞分裂过程中均发生周期性
CDK在进化中高度保守，它可
P300
Fast2
Smad4Smad2-P
P15、P21
核膜
Fast2
TGF-α作用与EGF类似
TGF-β具有刺激细胞增殖和抑制细胞增殖的双重性：
①能刺激体外培养的成纤维细胞的增殖
②降低cyclinE的表达，抑制cyclinE与CDK2形成复合 物；通过p27与CDK结合，抑制CDK的活性→Rb蛋 白磷酸化受阻，细胞停留在G1期；诱导P15基因表达， 增强抑制细胞增殖的效果。
后期促进复合体（anaphase promoting complex or cyclosome，APC/C）
通过Cdc20（APCCdc20 ）或Cdh1 （APCCdh1 ）介导 作用于M期cyclin。APC/C将泛素转移到位于cyclin降解盒 C-端的赖氨酸残基，进一步泛素化形成多泛素链—降解。 如：有丝分裂期后期cyclin B的降解。
M-CDK
Cyclin B CDK1(CDC2) Clb 1-4 CDK1(CDC28)
• Cyclin D包括D1-3，各亚型cyclin D在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效。
细胞周期中不同类型cyclin的表达变化
• 周期蛋白依赖性蛋白激酶（Cdks）：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、Cdk2~6、Cdk7/CAK和Cdk8等。
细胞增殖的分子调控
中山医学院生物化学教研室 陶莎
Section 1 Introduction
1. Introduction *细胞周期（cell cycle）就是指细胞生长与分裂的周 期，即细胞在一次分裂结束开始生长，到下一次分 裂完成所经历的过程。
*细胞增殖（cell proliferation）是细胞生命活动的 重要特征之一，是生物繁育的基础。
Cyclin A
Cdk2
• CDK的分子量一般为35～40kD，不同CDK的氨基酸组成有40%以上的同源性。 • 典型的CDK催化亚基的活性中心约由300个氨基酸残基组成，当处于单体或
非磷酸化状态时，CDK没有催化活性。
Regulation of CDK Activity
• CDK的催化活性受到激活因素与抑制因素两方面的调节。 • 在激活因素中，目前认为CDK与周期蛋白的结合以及保 守的苏氨酸残基的磷酸化是较为重要的两种调节因素； • 而在抑制因素中，CDK的N-端氨基酸残基的抑制性磷酸 化以及抑制蛋白的结合是主要的调节因素。
③ G2期： 是最短的时相。该期主要的生化活动是合成一些与有丝分裂有关
的蛋白质。
④ M期： 该期很短，一般持续0.5~2小时。该期生化合成停止，细胞形态发
生改变，一个母细胞分裂成2个子代细胞。
细胞增殖过程中两个最重要的事件： 细胞内成分的复制 细胞的分裂
细胞必须确保DNA在没有损伤或损伤得到恢复的 情况下被复制；一个细胞周期染色体只能被复制一次， 复制的染色体要在正确的时间分离并被分配到两个子 代细胞中。
Destruction Box in Cyclins
❖细胞周期蛋白（Cyclins）的适时降解
细胞周期蛋白合成后可被泛素修饰。 两个泛素-蛋白连接酶介导了多泛素化的过程：
SCF（由Skp1、Cullin和F-box三种蛋白的首字母组成） 通过降解G1-S期 cyclin E控制G1-S期 的转换。
3. Checking Points of Cell Cycle • G1-S期检查点：又称G1限制点（R点），决定细胞是 否增殖。细胞在该检查点对各类生长因子、促有丝 分裂原以及DNA损伤等复杂的细胞内、外信号进行 整合和传递，根据检查结果决定细胞是否进行分裂、 发生凋亡或进入G0期。 • S期检查点：可阻止DNA受损的细胞进行DNA合成。 主要是检测DNA是否发生损伤、损伤的DNA分子是否 得到修复，从而避免异常的DNA得以复制传代。
• G2期检查点：阻止受损细胞进入有丝分裂。是控制 细胞进入M期的检查点，可防止细胞携带着受损的 DNA和未完成复制的DNA进入有丝分裂。 • M期检查点：阻止受损细胞进行分裂，又称纺锤体 组装检查点。监控姊妹染色体是否已稳定地附着在 纺锤体上，若未通过检查，细胞被阻止继续进行分 裂。
直到前一过程依赖的物质条件满足后下一过 程才能被激活。
Cyclin-CDK对细胞周期G1、G1/S进行调控
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。
Leland Hartwell
Tim Hunt
Paul Nurse
因发现了一类细胞周期调 控基因而获此殊荣。这些基 因中有一个被命名为“起始 （start）”，它在细胞周
“检测点
的降解，后来证明这是细胞
使其他蛋白质磷酸化，从而使
（checkpoint）”
周期调控的一种普遍性的重
细胞沿着细胞周期不断地进行
概念，对理解细胞周期如何 要机制。
分裂。
运行和运转颇有帮助。
三位学者对细胞周期研究的主要贡献
Section 2 Regulation of Cell Cycle
1. Growth Factors and their Receptors
Activation of CDK
① 周期素的激活作用： • 周期素中的“周期素盒”结构域直接和CDK
结合，并与CDK的激活相关，周期素是CDK的 正性调节剂。 • 周期素的这两种功能是密切相关的，而这种 结合与激活作用主要通过周期素在细胞周期 中的浓度波动来调控。
CyclinA-CDK2 Complex with ATP Bound
分类：A-H
不同类型的CDK/cyclin复合体
激酶复合体
脊椎动物
Cyclin
CDK
G1-CDK
Cyclin D* CDK4 、6
G1/S-CDK Cyclin E CDK2
S-CDK
Cyclin A CDK2
芽殖酵母 Cyclin CDK Cln 3 CDK1(CDC28) Cln 1、2 CDK1(CDC28) Clb 5、6 CDK1(CDC28)
Complex of CDK7 –CyclinH-MAT1
Cyclin H
MAT1
CDK7
Inhibition of CDK
① 磷酸化修饰的抑制作用：
• 在人的CDK1和CDK2中，Thr14和Tyr15残基的磷酸化可抑制 CDK的催化活性。
• 其原因在于上述残基的侧链位于该酶活性中心ATP结合 部位的顶端，因而对激酶的磷酸化作用产生了阻碍。
Fig. 受体酪氨酸激酶（RTKs）的6个亚族
受体酪氨酸激酶
PDGF
PLCγ
PKC 对基因的早期活化和晚期活化
Betalycn Endoglin
Ⅱ
TGF-β途径
（TGF-β）2
细胞膜
GS
Ⅰ
ⅡⅠ
Smad2 SARA
Smad2-P （—）Smad6,7
Smad4
胞浆
Smad4Smad2-P
P300
• 催化Thr14和Tyr15磷酸化的是两种不同的蛋白激酶， 使Thr14磷酸化的为蛋白激酶Myt1 ，使Tyr15磷酸化 的是蛋白激酶Wee1/Mik1 。 • 催化Thr14和Tyr15脱磷酸化的是蛋白磷酸酶CDC25。 • 因此，蛋白激酶Wee1和Myt1及蛋白磷酸酶CDC25 的相对活性，决定CDK1和CDK2的活性高低。
APC/C可被M期CDK磷酸化激活，活化的APC/C使cyclin B 泛素化修饰并被降解。由于cyclin B是CDK1的调节亚基，其 降解使CDK1失活。
APC/C在G1期的活性一直很高，以确保S期和M期cyclin 被彻底清除，保证有丝分裂的完成。
APC/C在G1晚期失活，允许cyclin B和CDK1水平同时升高， 使细胞准备进入下一个有丝分裂周期。