第十章-细胞周期及其调控(研究生)

Cyclin -CDKs
பைடு நூலகம்APC
细胞周期调控概述
SCF
系 统 核 心 成 分 及 关 键 调 控 分 子
周期调控系统的核心成分 及关键调控分子
细胞周期蛋白依赖性激酶 (cyclin-dependent kinase, Cdk) 泛素连接酶： ①APC/C
(anaphase-promoting complex, or cyclosome) (skp1-cullin-F-box protein)
（可以有多个位点，但主要是如下三个）
如果控制系统检测到细胞内外有不利的因素，将阻止细胞周期的进程，等待问题的解决。
细胞周期控制系统
细胞内外环境变化
调控系统核心
细胞周期进程
细胞周期蛋白(cyclin)依赖性激酶 (CDKs)的活性有周期性的变化， 从而构成调控系统的关键成分； 而细胞周期中三个关键的不可逆 过渡，依靠APC和SCF参与的泛 素-蛋白酶系统的蛋白降解作用。
在哺乳动物和
Gap phase 2
人等高等动物，细 胞周期可首先分为 分裂期（mitotic phase) 和分裂间期 （interphase)。根 据DNA合成的情况， 间期进一步划分为 G1期、S期、G2期
Gap phase 1
DNA Synthesis
A typical mammalian cell has a cell cycle time of 24 hours, with 12 hr G1, 6-8 hr S, 3-4 hr G2, and 1 hr M
②SCF
周期调控系统的核心成分
细胞周期蛋白依赖性激酶
（cyclin-dependent kinases, Cdks)
1、与周期蛋白结合调控Cdk活性 2、 通过激活 161位附近苏 氨酸的磷酸化 调控Cdk活性。
4、Cdk激酶抑制物的负性调节
3、第14位苏氨酸和第15位 酪氨酸的抑制性磷酸化
Cdk活性的调节
Cdk的活性还受到另外因素的调节 （如、磷酸化和去磷酸化）
cyclin浓度的累积调节Cdk的活性
细胞周期蛋白框： aa组成保守，由 100个左右aa残基 组成。介导周期蛋 白与周期蛋白依赖 性激酶形成复合物。 破坏框: 由9个aa 残基构成，介导 cyclinA、B的快 速降解。 PEST序列：介导 cyclin发生降解。
有丝分裂准备阶段

细胞质内蛋白质，如微管蛋白等大 量合成； 成熟促进因子大量合成； 中心粒逐步分开，并开始向细胞的 两极移动。
细胞周期概述
各期主要特点
各期主要特点
G1期 S期 G2期 M期
有丝分裂阶段

细胞核分裂； 细胞质分裂； 蛋白质合成显著降低； 细胞形态变化 ( 变圆 ——“ 站立 ” ) 。
《细胞生物学》研究生课程 第九章
细胞周期及其调控
朱龙坤
福建医科大学基础医学院细胞生物学与医学遗传学系
教学内容
细胞周期概述
G1期 S期 G2期 M期
细胞周期调控
调控系统概述 调控系统的核心 关键调控分子 各期调控实例 检测点调控 调控异常与肿瘤
细胞周期概述
指连续进行分裂的细胞从上一次分裂 结束开始到下一次分裂结束为止所经 历的全过程，称为细胞周期(cell cycle)

DNA复制； 染色质蛋白(如组蛋白、非组蛋白) 大量合成，与新合成的 DNA 同步 进行染色质组装； 多种复制酶和因子的含量、活性显 著增加； 组蛋白如H1组蛋白持续磷酸化； (动物细胞内)中心粒复制。
DNA复制阶段

细胞周期概述
各期主要特点
各期主要特点
G1期 S期 G2期 M期
Cdk活 细胞周期蛋白 性的调 磷酸化状态 控因素 激酶活性抑制物
激酶抑制物P27与cyclin和Cdk结合，使Cdk的激活位点扭 曲移位，并插入到ATP结合位点，进一部抑制酶活性
抑制蛋白对细胞周期的调控
Cdk活 细胞周期蛋白 性的调 磷酸化状态 控因素 激酶活性抑制物
?
试述：
调控Cdk活性的主要因素
Cdk活 细胞周期蛋白 性的调 磷酸化状态 控因素 激酶活性抑制物
Cdk的激活实际上是多重磷酸化的结果
活性位点的磷酸化和抑制性位点已磷酸化的去磷酸化
Cdk活 细胞周期蛋白 性的调 磷酸化状态 控因素 激酶活性抑制物
2、 通过激活 161位附近苏 氨酸的磷酸化 调控Cdk活性。
3、第14位苏氨酸和第15位 酪氨酸的抑制性磷酸化
细胞周期蛋白的结构
不同时相的 Cyclin-Cdks 复合物
不同的cyclin-Cdk复合物 触发细胞周期的不同时相
Cyclin E+Cdk2
Cyclin A+Cdk2
Cyclin B/A+Cdk1
Cdk活 细胞周期蛋白 性的调 磷酸化状态 控因素 激酶活性抑制物
Cdk的激活
无活性的Cdk分子中含有一弯曲的T环结构，将Cdk的袋状催化活性部位入口封 闭，阻止了蛋白底物对活性位点的附着；Cdk与cyclin结合使T环结构移位、 缩回，Cdk底物附着位点由此转向其袋状催化活性部位分布，Cdk具有了部分 活性；Cdk的完全激活还需要T环上的特定位点发生磷酸化。
细胞周期调控的基本原理 有序事件的 时程控制器
大多数真核细胞，细胞调控 系统在三个主要的时程位点 来调控细胞周期的运行： 1、Start（酵母）or Restriction位点(哺乳动 物）：位于G1期晚期，决 定进入细胞周期到S期，开 始染色体复制； 2、G2/M位点：触发有丝分 裂的早期事件导致分裂中期 染色体在纺锤体中的排列； 3、中期到后期的转换：启 动姐妹染色体的分离，直致 最终完成有丝分裂和胞质分 裂。
正常细胞vs癌细胞的周期时间
细胞种类 食管上皮 胃上皮 结肠上皮 骨髓细胞 细胞周期时间(tc) 144 66 24～48 24～40 细胞种类 食管癌 胃癌 结肠癌 急性白血病 细胞周期时间(tc)
250.8 80.0 22～125 48～96
细胞周期中各期主要动态围绕 DNA 复制 或细胞分裂展开
根据细胞周期中细 胞分裂的行为差异 可把细胞分为三类：
①连续分裂细胞，如表皮 生发层、骨髓干细胞。
②休眠细胞： 暂不分裂，适当刺激下 重新进入细胞周期，称G0 期细胞，如淋巴细胞、肝、 肾细胞
③不分裂细胞，又称终端细胞，不再分裂， 如神经、肌肉细胞等。
哺乳动物细胞的细胞周期时间
细胞类型 小鼠 小肠隐窝上皮 十二指肠上皮 结肠上皮细胞 皮肤上皮细胞 乳腺上皮细胞 大鼠 十二指肠隐窝细胞 内釉质上皮细胞 淋巴细胞 干细胞 精原细胞 人 结肠上皮细胞 直肠上皮细胞 胃上皮细胞 骨髓细胞 25.0 48.0 24.0 18..0 9.0 33.0 9.0 2.0 14.0 10.0 12.0 12.0 2.0 5.0 3.0 4.0 10.4 27.3 12.0 47.5 60.0 2.2 16.0 3.0 28.0 18.0 7.0 8.0 8.0 16.0 24.5 1.2 3.3 1.0 3.5 15.5+2.0 13.2 10.3 19.0 101.0 64.0 4.6 1.3 9.0 87.0 37.7 6.9 7.5 8.0 11.8 21.7 1.0+0.7 1.5 2.0 2.18 3+1.6 Tc TG1 Ts TG2＋M
★ 泛素对细胞周期的调节通过两种途径： (1)
APC途径：
水 解 周期 蛋 白 A/B-cyclin （参 与 S 、 G2 、 M 期）；降解 securin，促进中期/后期转换。 (2) SCF途径：介导对S期 Cdk抑制物的降解，从而激活S-Cdk和DNA复制。
E1：泛素活化酶； E2：泛素结合酶； E3：泛素连接酶。 Ub：泛素(遍在蛋白) E2和E3以功能复合体 起作用。
周期调控系统的核心成分 及关键调控分子
细胞周期蛋白依赖性激酶 (cyclin-dependent kinase, Cdk) 泛素连接酶： ①APC/C，后期促进因子
(anaphase-promoting complex, or cyclosome) (skp1-cullin-F-box protein)
泛素分子
4个β片层和1个α螺旋， 三个半转角
普遍存在于真核细胞的一种由76个氨基酸 组成的高保守的小分子蛋白质，介导蛋白质降解。 泛素分子对待降解目标蛋白的标记是一个多酶催 化的级联反应过程；与蛋白酶体(proteasome)结 合，降解泛素化的靶蛋白泛素通过共价键与其它 蛋白质结合。此时，泛素羧基端的甘氨酸(Gly76) 与蛋白质（或下一个泛素分子）之赖氨酸的ε-氨 基共价连接，形成异肽键，由ATP供能。由于一个 泛素分子自身有7个赖氨酸残基 (K6,K11,K27,K29,K33,K48和K63),一旦有泛素分 子连接到靶蛋白上，下一个泛素分子的羧基端又 可以连接到前一个泛素分子的赖氨酸(Lys48),某 些情况下，可以是lys63、lys29。 位点不同，作 用不同。K48、K29参与蛋白降解；而其它如K63参 与非蛋白降解功能。
细胞周期 G1期 S期 G2期 M期
DNA复制准备时期

各期主要特点
活跃的RNA转录和蛋白质合成； 组蛋白、非组蛋白及细胞周期蛋白 等的化学修饰(磷酸化)显著； 细胞对物质转运作用加强，细胞持 续生长，体积变大； 染色质开始去凝集化。


细胞周期概述
各期主要特点
各期主要特点
G1期 S期 G2期 M期
蛋白酶体
靶蛋白的泛素化及降解
泛素蛋白酶系统
APC-cdh1作为泛素连接酶介导周期蛋白 M-cyclin(cyclin B/A)的降解
(cdh1)
在泛素活化酶 (E1)的作用下泛素 (ubiquitin)被活化， 进而被转移到泛素 结合酶(E2)上， APC/C作为一种泛 素连接酶，在有丝 分裂期，因与活化 的Cdh1亚单位的 结合而被激活，它 能特异性识别Mcyclin和其它靶蛋 白，在E1和E2的 帮助下，催化多个 泛素分子相连于靶 蛋白，构成一条多 聚泛素链，最后经 蛋白酶体识别后被 降解。
②SCF
泛素介导的蛋白质水解 及对细胞周期的调控
★泛素（ubiquitin），是一种由76个氨基酸组成的高保守
蛋白质，介导蛋白质降解。泛素分子对待降解目标蛋白的 标记是一个多酶催化的级联反应过程。通过其48位赖氨酸 与靶蛋白结合形成泛素化蛋白（死亡标签）；与蛋白酶体 (proteasome)结合，降解泛素化的靶蛋白；
显微镜下： 真核细胞在细胞分裂周期中所发生的重要事件
有丝分裂连续的动态变化过程可被人为分为6个时期
1、前期：染色质凝缩；分裂极确立与纺锤体开始形成。
2、前中期：核膜崩裂；染色体的动粒与纺锤丝微管相连并开始向赤道运动。
3、中期：高度凝聚的染色体排列于赤道板；染色体两侧的动粒均朝纺锤体两极。
4、后期：两姐妹染色单体发生分离，动粒微管缩短和纺锤极的极向移动使子代染色体移向细胞两极。
5、末期：染色体移动到两极；核膜等核结构重新形成，核分裂完成；即将参与胞质分裂的 收缩环开始形成。
6、胞质分裂期：在由肌动蛋白和肌球蛋白纤维组成的收缩环的作用下胞质发生分裂。
?
细胞周期包括哪几个时期？ 各期的主要特点是什么？
细胞周期调控
调控系统概述 调控系统的核心 关键调控分子 各期调控实例 检测点调控
M-cyclin蛋白降解对细胞周期正常退出进入G1期非常重要
蛋白酶体抑制剂MG132 Cdk1抑制剂flavopiridol
冲洗
在蛋白酶体抑制剂存在下细胞停滞在有丝分裂状态，当加入Cdk1抑制剂时， 细胞完成有丝分裂并启动胞质分裂；但当在这时把Cdk1抑制剂冲洗掉，由于 cyclinB仍然存在(正常下会被蛋白酶体降解),细胞重返有丝分裂，回到中期。
Cdk活 细胞周期蛋白 性的调 磷酸化状态 控因素 激酶活性抑制物
细胞周期蛋白（cyclin)
是指随细胞周期的变化呈周期性的 出现与消失，控制细胞周期运行的一组 蛋白质。
Cdk的激 酶活性需要 在Cyclin及 磷酸化双重 作用下才能 被激活 Cdk为一类必须与 cyclin结合才具有激酶 活性的蛋白激酶，通过 磷酸化多种与细胞周期 相关的蛋白，Cdk可在 细胞周期调控中起关键 作用。在细胞周期各阶 段，不同的Cdk通过结 合特定的蛋白质，继而 使相应的蛋白质磷酸化， 由此引发或控制细胞周 期的一些主要事件。