真核细胞周期调控与肿瘤

人们对CDK的认识，最初是通过研究培养细胞 和酵母细胞而得到的。

目前已经确定的CDK有：裂殖酵母中CdC2；酿 酒酵母中的CdC28、PHO85、KIN28以及人类细 胞中CDK1～10 。
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脊椎动物的CDK
CDK CDK1 CDK2 结合的相应cyclin CyclinA,B CyclinA CyclinD1,D2,D3 CyclinE CyclinD1,D2,D3 P35*, CyclinD1,D2,D3 CyclinD1 CyclinH, P36* 作用的细胞周期 G2/M转换； M早期 S期；G2期 G1期 G1/S 转换 G1期 G0/G1转换、G1期 神经纤维的磷酸化、G1期 G0/G1转换 活化CDK
第一讲
细胞周期调控与肿瘤
Cell cycle regulation and tumor
山东大学医学院生化与分子 生物学系－任桂杰
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内容介绍:
第一节 细胞周期概述 第二节 细胞周期的各元素及其相互作用 第三节 细胞周期调控与肿瘤
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第一节
细胞周期概述
一、细胞周期
细胞增殖周期， 简称细胞周期(cell cycle)，是指连续分 裂的细胞从上一次有 丝分裂结束开始,到下 一次有丝分裂结束为 止所经历的整个过程。
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CDK4/cyclin D -> CDK2/cyclin E -> CDK2/cyclin A -> CDK1/Cyclin B
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15
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2001年，Leland Hartwell，Paul nurse和 Tim hunt因成功揭 示细胞周期分子机制而共同获得第100届诺贝尔生理学与医学 奖。这标志着细胞周期的研究已获得全世界的认同，为细胞周

在高等真核细胞中，周期素至少分为A、B、C、 D、E、F、G等几大类。
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不同的周期蛋白（cyclin A,B,C,D,E, F,G,H等）能与不同的CDK结合，可调节细 胞周期的不同阶段。
G1
D-CDK4/6 G1期运行
S
E-CDK2
G2
A-CDK2
M
B-CDK1
S期启动
G2期启 动和进行
M期启动 和进行
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2. Structure and Function of CDK
CDK是一组丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶， 需与相应的cyclin结合才能显示活性， 故CDK称为依赖cyclin的蛋白激酶。 cyclin
CDK
不同阶段有相应的cyclin/CDK。
Cyclin/CDK
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2.1 Types and Characters of CDK
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Cyclins/CDKs in the different phases of cell cycle
G2
CDK2
CDK1
Cyclin B
Cyclin A
S
M
prophase metaphase
CDK2
anaphase telophase
Cyclin E
G1
CDK4/6
Cyclin D
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The Expressional Levels of Cyclins during Cell Cycle

因此， P53 的表达可促进 P21WAF1/CIP1 的转录
表达，从而抑制CDK的蛋白激酶活性。
53
Function of P53：
DNA合成期
M phase
有丝分裂期
DNA合成后期
DNA合成前期
G0
细胞分裂周期4个时相
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2. Characteristics of Cell Cycle Phases
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。
S期：

此期一般持续6-8小时，其长短主要由基因
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第二节 细胞周期的元素及其相互作用
调节细胞周期的3类蛋白质: 细胞周期蛋白/素(cyclin，CLN)
细胞周期素依赖激酶
(cyclin-dependent kinase，CDK)
细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 （CDK inhibitory protein，CKI）
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1.周期蛋白依赖性蛋白激酶（CDK)---CDK1-6,是调节细胞周 期的主要蛋白质，通过使其他蛋白质磷酸化而驱动细胞周 期进程,其活性受周期蛋白的正调控，受CKI的负调控。 2.周期蛋白（cyclin)---A, B, C, D, E等，不同的周期蛋 白与不同的CDK结合形成cyclin-CDK复合物，可调节细胞 周期的不同阶段。 3.CDK抑制蛋白（CKI)---与CDK结合后可抑制CDK的活性，可 分为两大家族：①CIP/KIP(p21,p27,p57等):广泛抑制多 种CDK的活性。②INK4家族(P15,p16,p18,p19等):特异性 抑制作用。
Cell cycle
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2.2.2 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。
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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
（MAT1— CDK-activating kinase assembly factor 1）
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Complex of CDK7 - CyclinH-MAT1
Cyclin H MAT1
CDK7
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CDK的激活机制:
CAK
CDK Thr 160/161磷酸化
CDK/Cyclin
cell cycle↑
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2.2 Regulation of CDK Activity

在激活因素中，目前认为CDK 与周期素的结合
以及保守的苏氨酸残基 (Thr161)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 (Thr14 和 Tyr15) 以及抑制蛋白 (CKI) 的结合是主要的调节因素。
期与肿瘤的研究奠定了基础。
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1. Structure and Function of Cyclin
Cyclin (CLN)又称周期素，是一组结构 相似,并能结合和调节细胞周期蛋白依赖 激酶(cyclin-dependent kinase, CDK)活 性的蛋白质。
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周期素都是CDK的调节亚基，分别在细胞周期的 不同时期积累，激活CDK，使其具有催化关键底 物磷酸化的作用并调节底物活性。
MTS2 编码合成的蛋白质，能专一性的与
CDK4和CDK6结合，并阻止其与周期素的结 合反应，从而抑制其蛋白激酶活性，使细 胞停留于G1期。
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P16 CDK4
一
P cdk介导的磷酸化
cyclinD1
Rb 一 G1 DNA转录
Rb
P
S
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P21WAF1/CIP1：

是由抑癌基因WAF1/CIP1编码合成的蛋白质， 几乎能与所有的周期素-CDK复合物结合，抑制 其蛋白激酶活性，使细胞停留在G1期。
控点：即DNA合成开始时的G1→S期的转换和
有丝分裂开始时的G2→M期的转换。

除此之外，细胞还有G0→G1期的转换，以及
S期的检查点。
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4. 细胞周期的特点:
单向性：只能沿G1、S、G2、M方向推进。 阶段性：各期细胞形态和代谢特点有明显差异，细 胞可因某种原因在某时相停止下来，待生长条件适 合后重新活跃到下一时相。 检查点：各时相交叉处存在检查点，决定细胞下一 步的增殖趋向。 细胞微环境：细胞周期是否顺利推进与细胞外信号 和条件等密切相关。
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CDK的激活和失活还与 Thr14 /Tyr15 的磷酸 化和去磷酸化有关。

Thr14/Tyr15的去磷酸化导致CDK的激活,使其
去磷酸化的磷酸酶是CDC25。
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CDK启动cell cycle:
CDC25 对CDKThr14/Tyr15去磷酸化
Cyclin与CDK结合 CDK激活
CAK对CDK Thr 160/161的磷酸化
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二、机体活细胞的分类
1.周期性细胞：连续分裂的细胞；始终处于增殖和 死亡的动态平衡中（稳态更新），如表皮细胞、 骨髓细胞。 2.G0期细胞：休眠细胞；暂时脱离细胞周期，适当 刺激可重新进入细胞周期（条件更新）。如肝、 肾细胞。 3.终端分化细胞：不分裂细胞；不可逆的脱离细胞 周期，丧失增值能力，但具有一定生理功能。如 神经细胞、心肌细胞。
组的复杂度决定。该期主要的生化活动是
复制DNA。
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G2期：

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。
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。
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3. Checking Points of Cell Cycle

真核细胞的分裂增殖必须经过两个关键的调
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。

45
Regulation of CDK Activity
CAK
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② 抑制蛋白的作用：

抑制蛋白，即周期素依赖性蛋白激酶抑制子
（CKI），大部分CKI都是抑癌基因的编码产物。

在哺乳动物细胞中，目前已经确定的CKI主要有： P15和P16、 P19、P21、P27、P53和PRb，可分 别抑制各型CDK的活性。
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P16INK4A和P15INK4B：

是分别由抑癌基因 INK4A/MTS1 和 INK4B/
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。
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催化CDK1和CDK2磷酸化的酶是CAK， 催化亚基为CDK7 CAK 调节亚基为周期素H 组装蛋白因子MAT1
H2N-
-COOH
Combine
cyclin
CDK
催化亚基
CDK
Cyclin/CDK
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此外，周期蛋白还含有降解盒 （destruction box）或PEST序列（脯-谷
-丝-苏），可通过定时降解或快速转换来
调节周期素的水平。
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周 期 素 的 家 族 成 员
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Cyclins通过泛素-蛋白酶体途径降解
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Cyclin的功能调控主要依靠其蛋白质水平的
细胞周期特异性起伏。
D
E
A
B
Cyclins的时相性起伏
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The Relationship of Cyclin Expressional
Levels with DNA Replication
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所有Cyclin蛋白分子上都有一段与CDK结合并使之激活 的保守区，称为细胞周期素盒(Cyclin box)。 100aa组成cyclin box Cyclin
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1. Phases of Cell Cycle
G1期：（DNA合成前期） 从有丝分裂完成到DNA复 制之前的一段时期； S期：（DNA合成期） 为DNA复制的时期； G2期：（DNA合成后期） 从DNA复制完成到有丝分 裂开始的一段时期； M期：（有丝分裂期） 从细胞分裂开始到结束 的一段时期。
CDK3 CDK4 CDK5 CDK6 CDK7
* P35，P36的结构与细胞周期蛋白无相似性
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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。

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。
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Molecular Structure of CDK2
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2.2.1 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。

周期素的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。
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CyclinA-CDK2 Complex with ATP Bound
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50
P27KIP1：

是由抑癌基因KIP1编码合成的蛋白质，也能 与几乎所有的周期素-CDK复合物结合，抑制 其蛋白激酶活性，使细胞停留于G1期。
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p27-cyclin-cdk complex
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P53：

由 抑 癌 基 因 p53 编 码 合 成 的 蛋 白 质 ， 是
WAF1/CIP1基因（P21）的转录激活因子。