第3章：细胞周期调控系统

破坏了酶的催化功能。
三、CKI对G1期Cdk活性的抑制
• Cip/Kip蛋白还有助于激活G1激酶Cdk4和Cdk6 • 周期蛋白D和Cdk4或Cdk6在没有其他蛋白的情况下结合并不 紧密。Cip/Kip蛋白能通过与这两个亚单位作用而增强它们之 间的结合。
三、CKI对G1期Cdk活性的抑制
• INK4家族仅仅只是Cdk4和
碍了Cdk的活化。
• Thr14和Tyr15位于激酶的ATP结合位点的顶端，它们的磷 酸化可能通过干扰ATP磷酸根的方向而抑制Cdk活性。这
些抑制性磷酸化位点的去磷酸化对cyclin-Cdks的激活至关
重要，是开关样激活的关键开关位点。
例一：G2/M Cdk1开关样的激活
• 蛋白激酶Wee1：负责Tyr15的磷酸化 • 蛋白激酶Myt1：催化Thr14和Tyr15的磷酸化 • 抑制性位点的去磷酸化由Cdc25家族的磷酸酶来执行。
• 在G1期的晚期通过起始点时表达，约300个成员。包括G1/S细
胞周期蛋白、S期细胞周期蛋白，以及编码染色体复制和其他S
期事件所必需酶的基因。 • G2/M期转换和有丝分裂时表达，约120种，包括了编码M期细
胞周期蛋白的基因。
• 有丝分裂后半段和G1期表达，大约含110种基因，包括编码 Cdk抑制因子的基因。
例一：G2/M Cdk1开关样的激活
• 抑制性位点的去磷酸化由
Cdc25磷酸酶家族执行，
Cdc25家族在脊椎动物中 有三个成员（Cdc25A、
Cdc25B、Cdc25C）。
• 两种酶都受到它们有丝分裂底物M期cyclin-Cdk复合物的调节：由M-Cdk导 致的磷酸化抑制Wee1而激活Cdc25。因此，在有丝分裂开始阶段，M-Cdk 激活了它自身的激活因子，抑制了自身的抑制因子，形成了正反馈环来产生 开关样的Cdk激活。
和失活。因此，细胞周期事件通常是以“全或无”的方式进
行，以使细胞避免一些事件的部分激活造成的伤害。
• 第二，不同周期蛋白-Cdk开关的相互调节作用确保它们之间
的有序与协调。
细胞周期调控系统的特性：
• 第三，细胞周期调控系统极为强大：每个周期蛋白-Cdk开关 的激活与失活都能通过多种机制进行调控，使得系统在即使
– 细胞周期蛋白基因表达的改变
– 蛋白酶解 • 三个检验点；四类细胞周期蛋白:G1,G1/S,S,M
• G1/S细胞周期蛋白：在G1期的晚期升高，在S期早期下降 ：
启动DNA复制，中心体复制 • S细胞周期蛋白：在S期升高。负责DNA复制，一次 • M细胞周期蛋白：S-G2-M。负责有丝分裂纺锤体的装配，姊 妹染色单体在纺锤体上的排列 • G1细胞周期蛋白：浓度并不发生震荡变化，而是随着细胞的 生长和细胞外生长调节信号出的存在，在整个细胞周期中的
三、CKI对G1期Cdk活性的抑制
动物细胞的CKIs可分类为两大结构家族，对Cdk的抑制的机
制不同。
• Cip/Kip家族成员：包括Dacapo和p27，结合周期蛋白和 Cdk复合物。他们的基本功能是通过抑制G1/S-和S-Cdks 来阻断细胞周期进程，但他们也能通过激活G1-Cdks来促 进细胞周期的进入，
三、 CKI对G1期Cdk活性的抑制
尽管CKI的蛋白氨基酸序列的相似性很小，它们却拥有一些 共同的重要功能特性。 • 第一，CKI主要是S-和M-Cdk复合物的重要抑制因子，在 细胞中高水平表达以确保在G1期中不存在任何S-或MCdk活性。 • 第二，CKI不能抑制G1/S-Cdks，因此，它们不能阻断这 些激酶在起始检查点的激活。 • 最后，这些抑制因子最后要被Cdks磷酸化后降解。在G1 期的晚期，上升的G1/S-Cdk活性能降解这些抑制因子— —以允许S-Cdk在S期开始阶段被激活。
Cln 1、 2 CDK1(CDC28) Clb 5、 6 CDK1(CDC28) CDK1(CDC28)
CDK1(CDC2) Clb 1-4
一、细胞周期蛋白依赖激酶的特性
• Cdk功能在进化中高度保守。如果把酵母的Cdk1基因替换为
人的Cdk1，酵母细胞依然能正常增殖。
• Cdks能磷酸化几百种不同的蛋白质。Cdk蛋白识别的特定序 列的丝氨酸或苏氨酸残基。 • Cdks典型的磷酸化序列是[S/T*]PX[K/R]，其中S/T*是指磷酸 化的丝氨酸或苏氨酸，X代表任意氨基酸，K/R代表碱性氨基
第三章：细胞周期调控系统
• 细胞周期调控系统：
– Cyclin:调节亚基 – Cdk (cyclin dependent kinase)：催化亚基
多种控制细胞周期调控系统活化的方式
1. 2. 3. 4. 5. 6.
Cdks与Cyclins的结合 磷酸化与去磷酸化 蛋白质降解 基因表达调控 CKI的结合 空间分布
二、细胞周期蛋白的结构
• 细胞周期蛋白氨基末端区域的长度尤其不一样，包括了细 胞周期蛋白特异的调控和靶向结构域。 • S细胞周期蛋白和M细胞周期蛋白的氨基末端区域含有短 的降解盒基序，能在有丝分裂期靶向蛋白酶解。
第三节 细胞周期调控系统的活性的调节
细胞周期调控系统的活性受到多种因素的调节
一、与cyclin的结合是Cdk活化的基本条件
• INK4家族成员：是绝对的抑制因子，它们能特异性地针对
Cdk4和Cdk6的单体，通过减少细胞周期蛋白的结合亲和 力来起作用。
三、CKI对G1期Cdk活性的抑制
• Cip/Kip蛋白与周期蛋白-Cdk复合物的两个亚单位都结合 • p27的细胞周期蛋白结合部分与周期蛋白 A的疏水斑作用。 • p27的Cdk结合区域与激酶亚单位广泛地相互作用。 • 这些相互作用完全扭曲和部分拆散了在激酶活性位点上方 的氨基端突出结构，也直接阻碍了ATP的结合位点，完全
例2：G1期Cdk的活性调控方式
• G1是细胞周期中承前启后的重要时期，一方面细胞要 清除上一个周期的各类调节因子的残存，为下一次 DNA复制做好准备； 另一方面，为了维持细胞体积的恒定，细胞生长的调 节机制必须让细胞在这个时期大量合成细胞内容物， 争取在下次分裂前细胞的体积能够加倍。 当增大细胞的体积到一定的阈值时，就传递某种信号 给细胞周期调控系统，不可逆地启动下一个新细胞周 期的进程。
• 使得Cdk2构象发生变化， 最明显的变化发生在T环 （T-loop）处，Cyclin的 结合也使L12小螺旋转化 为β链， 使后面的T环发
生重构，不再堵塞蛋白底
物的结合位点，而是在缝 隙入口处几乎平坦排列。
一、与cyclin的结合是Cdk活化的基本条件
底物的靶向性： 1. Cdks：T-环与底物的 SPXK的保守序列作用。 2. 细胞周期蛋白：疏水斑 与底物上的RXL基序作
浓度逐渐增加。负责新细胞周期的设定。
一：细胞周期蛋白分四类
二、细胞周期蛋白的结构
• 不同的一级结构： 约100个氨基酸的细胞周期蛋白盒，与 Cdk的结合和激活必需。 • 相似的三级结构，称为细胞周期蛋白折叠，包括一个由两 个紧密的结构域构成的核心。每个结构域包含五个alpha 螺旋。
• 第一个五个螺旋簇对应于保守的细胞周 期蛋白盒。第二个五个螺旋簇与第一个 螺旋簇相同，尽管序列相似性有限。
二、细胞周期蛋白依赖激酶的结构
PASTAIRE螺旋 (也叫α1
螺旋)与细胞周期蛋白直
接作用，结合时向内移 动，引起与ATP磷酸根 作用的残基重新定向。
第二节 细胞周期蛋白Cyclin
一：细胞周期蛋白分四类
• 细胞周期蛋白在细胞周期过程中表现出剧烈的浓度变化， 以帮助产生Cdk活性的震荡变化，这是形成细胞周期调控 系统的基础。
的苏氨酸的磷酸化。
一、细胞周期蛋白依赖激酶的特性
• 动物细胞包括至少九种Cdks，其中只有四种（Cdk1,2,4,6） 直接参与了细胞周期调控
脊椎动物 激酶复合体 Cyclin G1-CDK G1/S-CDK S-CDK M-CDK Cyclin D* Cyclin E Cyclin A Cyclin B CDK CDK4 、6 CDK2 CDK2 Cyclin Cln 3 CDK CDK1(CDC28) 芽殖酵母
二、磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤
1. 磷酸化使T环变平，移向
cyclinA，使Cdk和cyclin的 相互作用更加稳定。
2. Thr160的磷酸化使THale Waihona Puke Baidu能够
有效地与含有SPXK保守序 列的蛋白底物作用。
二、 磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤
(2) Cdk的抑制磷酸化 • 由于Cdks的活化性磷酸化不受去磷酸化的调控，两种抑 制磷酸化就在调节Cdk活性中起着重要作用：一个是保守 的酪氨酸残基（人Cdks 的Tyr15），这存在于所有的 Cdks中。附近的苏氨酸残基（Thr14）的磷酸化进一步阻
部分组分出现问题的情况下，依然运转良好。
• 最后，系统具有可适应性，在各种细胞内和细胞外的调节因
子的作用下，主要调控开关的时间点可以能作出相应的调整。
第一节 细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶
一、细胞周期蛋白依赖激酶的特性
• 细胞周期蛋白依赖激酶（Cdks）属于丝氨酸／苏氨酸蛋 白激酶家族，其成员都是小分子量蛋白质(～34-40kDa) • 所有的Cdks都有一个共同的特征，即它们酶活性的激活 需要结合细胞周期蛋白调节亚单位。 • 大部分情况，Cdks的完全激活还需要靠近激酶活性位点
用
3. Cks1：磷酸根结合袋 的存在能使其靶向那些
含有多个磷酸化位点的
靶蛋白。
一、与cyclin的结合是Cdk活化的基本条件
• 决定Cdk的底物特异性。位于cyclin表面称为疏水斑的区 域，与含有互补疏水序列称为RXL（或Cy）的基序的底物 以中度亲和力结合。
• cyclin结合的也可以将Cdk带到其底物所在的空间部位。
6的抑制因子，优先结合于 Cdk单体 • 这些抑制因子能在细胞周 期蛋白结合位点的相反一 侧结合Cdk的两个突出，破 坏了ATP的结合与定向。 • INK4蛋白也将激酶上部的
突出扭曲，使之不适合与
细胞周期蛋白的结合
四、cyclin的水平震荡由基因表达调控
• 远祖真核细胞的细胞周期可能只由一个cyclin-Cdk振荡器
有些cyclin包含有序列信息，能够靶向自身和它们的Cdk 同伴到特定的亚细胞部位。
二、 磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤
(1) 活化磷酸化：不去磷酸化
(2) 抑制磷酸化：去磷酸化
二、 磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤
(1) Cdk的活化磷酸化:
• Cdk活化激酶（CAK）催化、发生在邻近激酶活性位点的 苏氨酸残基发生磷酸化。
所有M-Cdk的激活，触发了G2/M检验点的转换。
M期：蛋白质降解
1. 破坏S期和M期细胞周期蛋白——使所有主要Cdks在有丝分裂
后半段失活。 2. 破坏姐妹染色单体结合在一起的蛋白——染色体分离。
细胞周期调控系统的特性：
• 第一，细胞周期调控系统包括反馈环和其他调节的相互作用，
使大部分周期蛋白-Cdk复合物产生不可逆的，开关样的激活
•
•
例2：G1期Cdk的活性调控方式
G1期Cdk活性的抑制机制。
1. 增加细胞周期蛋白的降解 2. Cdk抑制蛋白对Cdk活性的抑制作用 3. 减少细胞周期蛋白基因表达
酸赖氨酸（K）或精氨酸（R）。
二、细胞周期蛋白依赖激酶的结构
小的氨基端小叶 大的羧基端小叶 一个大的可弯曲的环—T-环 或激活环—从羧基端小叶伸 出，可阻止蛋白底物结合到
活性位点缝隙入口处。
未激活状态下，Cdk活性位 点的很多重要氨基酸侧链定 位不正确，使得ATP的磷酸 根定向不利于激酶反应。
T-loop
7.
细胞内外信号的协调
G1期：转录
• 细胞外（如有丝分裂原）和细胞内的信号（如细
胞生长监控系统）可启动G1/S-和S-细胞周期蛋白 基因的表达，最终可以激活G1/S-Cdks，新的细 胞周期因此开始。
G2期：磷酸化与去磷酸化
• Cdk亚单位的抑制型磷酸化处于无活性的磷酸状态。 当有丝分裂开始时，这些磷酸化的突然去除导致了
操纵，但现代的真核生物拥有多个不同的cyclin-Cdk复合
物，它们以固定的顺序被激活和失活。这种顺序的形成取 决于不同cyclin的基因转录在不同细胞周期阶段顺序激活。
• 芽殖酵母大约800个基因或裂殖酵母蛋白编码基因的约
15%，在细胞周期中显示出明显的表达变化
四、cyclin的水平震荡由基因表达调控