细胞周期控制系统的组成成分

细胞周期控制系统的组成成分

很多年以来,虽然细胞生物学家看了DNA合成的模拟过程,例如,有丝分裂和胞与分裂,但是不知道控制著这些分裂过程背后的原理..细胞周期控制系统就像一个在细胞裹的黑箱般不清楚.细胞生物学家甚至究竟细胞有一个独立的控制系统还是DNA合成过程,有丝分裂和胞质分裂不知道为什麽自我控制都不清楚.一个主要的突破发生在1980年代的后期,这突破在于鉴定控制控制系统的主要蛋白质.随著这个突破.人们发现这些蛋白质有别于参与DNA複制,染色体分离等等的过程

的蛋白质

我们首先考虑细胞控制系统运作的基本原理.之后我们讨论系统的蛋白质成分和这些蛋白质如何激活细胞周期的不同时期.

细胞周期控制系统引发细胞周期的主要过程

细胞周期控制系统就像一个自动洗衣机的控制系统般运作.洗衣机透过一连串的步骤运作:进水,搅拌,清洗,冲洗和洗干.这些重要的步骤与细胞周期的重要步骤十分相似—DNA複制,有丝分裂等等.在这两个系统中,一个中央控制器有序地引发每一个步骤.(图17-13)

图17-13

这是有关细胞周期的控制.细胞周期的主要步骤,例如DNA複制,有丝分裂和胞质分裂是由细胞周期控制系统引发.透过与洗衣机的比拟,细胞周期控制系统是...(more...)

一个人如何可能设计出一个控制系统透过细胞周期的活动(对于洗衣机,或者是一个清洗周期?)来安全地引导细胞?原则上,一个人可以想像出最简单的控制系统应该有以下的特徵:

一个可以在特定时间启动每一件事件的时钟或计时器,因此提供固定时间用来完成每一件事情.

一个以正确的顺序启动事件的机理;例如,细胞必须在DNA複制之后进入有丝分裂.

一个可以确保每一个事件在一个周期只被引发一次的机理.

一个完全地和不可逆地引发事件的二项开关(启动/关闭).如果没有这开关,这很明显将会造成极严重的后果,例如,如果染色体压缩或核膜分解被引发但不完全.

鲁棒性:备份机理,从而确保细胞周期能正确地进行,甚至当部分系统不能正常运作的时候.

适应性:系统的行为可以被改变,从而适合特定的细胞种类或环境. 我们应在这一章看到细胞控制系统有所有这些特徵,之后我现在就开始了解涉及的分子水平的机理.

细胞控制系统可以在特定的检验点抑制细胞周期

透过扩展与洗衣机的比拟,我们可以说明一个可调节的细胞控制系统的重要性.简单胚胎细胞周期的控制系统就像简单洗衣机的控制器,是根据一个时钟.这个时钟不受它调控的事件所影响和会完成整个一系列的事件,甚至当某些事件还未完成的时候.相比之下,大部分的细胞周期的控制系统(和精密的洗衣机）对由正在控制的过程传送过来的信息有反应性.例如,感应器探测DNA合成是否完成(对洗衣机而言,就是探测洗衣槽是否充满了水)和如果有过程因不正常的运作而不能完成,感应器就会传送信息至控制系统,从而延迟进入下一时期.这些延迟提供时间来修复和防止细胞因过早进入下一个时期出现的严重后果.

大部分细胞在细胞周期都有数个点,那些点被称为检验点.这些检查测可以阻止细胞周期在未完成前一个事件前进入一个时期(图17-14).例如,当DNA複制未完成和如果染色体未正确地依附著纺锤体,染色体分离在有丝分裂时被延后时.控制系统将防止细胞进入有丝分裂.

图17-14

这是关于在细胞周期控制系统的检验点.有关完成细胞周期中的事件的信息和从环境来的信号会导致控制系统在特定的检验点阻止细胞周期.最显著的检验点是...(more..)

如果染色体中的DNA被幅射或化学物质损坏,控制系统将透过抑制机理来延迟进入G1和G2期.在DNA被损坏的检验点的延迟提供时间在细胞周期抑制物被释放和细胞周期恢复后进行DNA修复.

在另一方面,检验点都十分重要.这些检验点可以被其他细胞的信号调控.这些信号可以抑制或加快细胞增殖—倾向透过G1的检验点调控细胞周期的进程.当中的机理将会在稍后讨论.

检查点通常通过-胞内信号

检查点机制(如那些刚刚描述往往采取行动逮捕细胞周期通过消极的胞内信号,而不是通过移除通常刺激细胞循环发展的积极信号。下面的参数说明为什么会这样。

考虑,例如,检查站,监控附件的染色体有丝分裂纺锤体。如果一个细胞进行到后期,开始其染色体分类成不同的子细胞在所有染色体都适当地连接之前,一个女儿收到一个不完整的染色体组,而另一个女儿收到一个盈余。细胞因此需要能够检测附件最后一个独立的染色体纺锤体的微管。与许多染色体在细胞,如果每个染色体发送一个积极信号到细胞循环控制系统一旦附加,附件的最后染色体很难探测到,因为它将暗示只有一小部分的总强度的变化“走”的信号。另一方面,如果每个独立的染色体发送一个消极信号抑制通过细胞周期进步,附

件的最后染色体容易检查出来的,因为它会导致一些“停止”的信号

没有变化。类似的争论意味着未被复制 DNA抑制有丝分裂的开始,创建一个停止信号,直到完成DNA复制。

最令人信服的证据,检查点操作通过消极的信号来自于研究细胞的检

查点是灭活突变或化学治疗。在这些细胞中, 细胞周期继续进步即使DNA复制或主轴装配是不完整的,表明检查站一般不细胞循环发展的

必要条件。检查点是最好视为辅助制动系统,增加了细胞循环控制系

统提供一个更复杂的形式的监管。

尽管大多数检查点并不是必不可少的正常细胞循环发展在理想条件下,细胞的数量与检查点缺陷往往积累突变由于偶尔的故障在DNA复制,DNA修复,或者纺锤体组装。这些突变可以促进癌症的发展,当我

们讨论之后,在23章。

至:

细胞循环控制系统是基于周期性激活蛋白激酶

细胞循环控制系统的核心是一个蛋白激酶家族被称为细胞周期蛋白

依赖性激酶(Cdks)。这些激酶的活性上升和下降随着细胞的发展周期。振荡直接导致周期性变化的胞内蛋白磷酸化启动或调节细胞周期DNA 复制的重大事件,有丝分裂和胞质分裂。Cdk增加活动在有丝分裂的

开始,例如,导致增加蛋白质的磷酸化控制染色体缩合,核膜破裂,纺

锤体组装。