细胞周期与肿瘤.ppt

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1、第七章 细胞周期与肿瘤(Cell cycle and cancer),细胞周期(cell cycle)是细胞生命活动的基本过程,指从细胞分裂结束开始,到下一次细胞分裂结束为止的过程。DNA 合成和细胞分裂是细胞周期两个主要事件。在这一过程中,细胞的遗传物质(DNA)经过复制平均分配到两个子细胞中。,细胞周期时相,间期 Interphase:G1,S,G2有丝分裂期 Mitosis:前期prophase中期metaphase后期anaphase末期telophase,细胞有丝分裂过程,目前从流行病学、病因学、遗传学多方面对肿瘤进行了深入研究，认识到肿瘤是多因素作用、多基因异常、多阶段演进所形成的

2、。但是肿瘤的恶性增生从生物学角度看，主要表现在两个方面：一是肿瘤细胞的永生化（凋亡障碍）；二是肿瘤细胞的增殖失控，这两方面均已成为肿瘤发生发展研究的热点。,肿瘤是一类细胞周期调控机制破坏的疾病,对细胞周期调控机制和肿瘤细胞周期调控机制改变的重大发现,对认识肿瘤发生和演进、临床诊断与治疗有十分重要的意义。这一认识驱动着科学家们在20世纪最后20年，围绕细胞周期进行了卓有成效和研究。,历史回顾,1665年 Robert Hooke发现细胞,并称之为小房(cell)1858年 Rudolf Virchow 建立细胞理论1882年 观察到在细胞生长过程存在两种形式：有丝分裂期（染色体）和间期（染色质）

3、1951年 Howard和Pelc发现细胞分裂周期（cell divide cycle）1971年 Yoshio Masui 发现MPF20世纪70-80年代 Leland Hartwell,Paul nurse和 Tim hunt发现CDK和cyclin,1971年 Yoshio Masui发现，非洲爪蟾卵的有丝分裂和减数分裂被一种物质所启动，他将这种物质称为成熟促进因子(Maturation Promoting Factor,MPF)。,1975年Leland Hartwell在芽殖酵母中、Paul Nurse在裂殖酵母中分别发现了编码酵母MPF的基因-细胞分裂周期基因(cell divi

4、de cycle,CDC),并编以序号(如CDC2、CDC28)。,1983年，Tim Hunt发现MPF由两个基因编码的蛋白质共同组成：一个为56KD的蛋白质，在细胞周期中呈时相性起伏，称为细胞周期素（cyclin）一个为34KD蛋白质，具有蛋白激酶功能，因其在裂殖酵母为CDC2编码，芽殖酵母为CDC28编码，故称为p34cdc2/28,又因为与cyclin结合的p34cdc2/28才有活性，又称为细胞周期素依赖性蛋白激酶(cyclin-dependent kinase,CDK)。,One of key regulators of the cell cycle,CDK(cyclin depe

5、ndent kinase),controls the cell cycle via the phosphorylation of other proteins.Additional proteins(termed Cyclins)are formed and degraded during each cell cycle.The levels of these proteins vary up and down during the cell cycle.,The cyclins bind to the CDK molecules and regulate the activity of CD

6、K activity by selecting the cell proteins to be phosphorylated.These findings led to important insights into how normal and cancer cells develop.,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，为细胞周期与肿瘤的研究奠定了基础。,第一节 细胞周期机制的核心-CDK调控机制,在进化过程中,细胞发展并建立了一系

7、列的调控机制,以确保细胞周期严格有序地交替和各时相依次有序变更。与细胞周期调控有关的分子主要有3 大类:细胞周期素(cyclin)细胞周期素依赖性激酶(cyclin-dependent kinase,CDK)细胞周期素依赖性激酶抑制物(cyclin-dependent kinase inhibitor,CKI),CDK调控机制,细胞周期事件受控于精密的细胞周期调控机制。细胞周期调控机制的核心是一组(Ser/Thr)蛋白激酶，它们各自在细胞周期内特定的时间激活，通过对相应底物的磷酸化，驱使细胞完成细胞周期。这些蛋白激酶的细胞周期特异性或时相性激活，依赖于一类细胞周期特异性或时相性表达、累积与分解

8、的蛋白质。,细胞周期内特异性、时相性表达的蛋白质称为细胞周期素cyclin。依赖cyclin的调控细胞周期的蛋白激酶称为细胞周期素依赖性激酶 cyclin-dependent kinase,CDK。,CDKs 在整个细胞周期中的含量是平稳的,但在细胞周期不同时相中,不同的cyclins 的集聚与相应CDKs 结合并被激活。CDK 激活的底物主要有PRB、E2F、P107等,具有促进细胞周期时相转变、启动DNA 合成、运行细胞分裂、推进细胞周期运行的重要功能。人类细胞主要的CDK有:CDK1(CDC2),CDK2,CDK4,CDK6。,CDK 是细胞周期调控网络的核心cyclin 对CDK 具有

9、正性调控作用CKI 对CDK 具有负性调控作用CDK、cyclin和CKI共同构成了细胞周期调控的分子基础。,CDKs活性受以下几种机制的调控：Cyclins的时相性表达与降解CDK激活性蛋白激酶(CDK Activating Kinase,CAK)对CDK Thr 160/161磷酸化Weel/CDC25对Thr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化CDK抑制物(CKI)对CDK的抑制,一、Cyclins的时相性表达与降解,Cyclins 的表达具有典型的周期性和时相特异性细胞内外各种信号传导途径激活转录因子,转录因子与靶基因的作用通过影响cyclins 的细胞水平作用于相应的CDK,对细胞周期进

10、行调控。,起初人们定义cyclin时，是根据其蛋白质水平在细胞周期内呈时相性起伏的特征。现在看来，正确的定义，应根据该蛋白质结构上是否存在能与CDK催化亚单位结合、激活的特异性区域。所有的cyclin蛋白分子结构上，都有一个由100多个氨基酸组成的相对保守的区域，人们称为细胞周期盒。Cyclin box的主要功能是与CDK结合并激活之，如果该区域突变，cyclin与CDK的结合能力和激活功能同时丧失。,所有Cyclin蛋白分子结构上都有一段与CDK结合并使之激活的保守区，称为细胞周期素盒(Cyclin box)。,人类细胞主要的Cyclin有:Cyclin B1Cyclin ACyclin E

11、Cyclin D1,D2和 D3,CyclinD 是细胞周期运行的起始因子,又是生长因子的感受器。处于G0 期的细胞在GF和GFR的作用下,通过ras蛋白MAPK信号传导通路使cyclinD 在G1 早期表达增加。,CyclinE表达始于G1 中期,峰值位于G1/S 交界处,cyclinE 的合成受E2F 和Myc 共同激活,当CyclinD 与CDK4/CDK6 结合后,使RB 蛋白磷酸化,释放转录因子E2F,诱导CyclinE 和CDK2 的表达，细胞越过G1/S 转折点。当细胞进入S 期,cyclinE 水平急剧下降,CDK2 与cyclin A 结合,在下一个时相发挥生物学功能。,各种

12、cyclin 含量在细胞周期呈周期性变化,与CDK 结合形成复合物并激活其活性,对细胞内特定底物进行磷酸化后,通过泛素依赖性的蛋白酶水解途径降解失活。,Cyclins的时相性起伏,D,E,A,B,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。,Cyclins通过泛素-蛋白酶体途径降解,人类细胞的CDK只和特定的Cyclin结合CDK4/6与Cyclin D（1,2,3）结合-G1期运行CDK2与Cyclin E结合-S期启动CDK2与Cyclin A结合-G2期启动和进行CDK1与Cyclin B1结合-M期启动和进行,G1,S,G2,M,prophase,metaphase

13、,anaphase,telophase,Cyclin D,CDK4/6,Cyclin B,CDK1,Cyclin A,CDK2,Cyclin E,CDK2,Cyclins/CDKs in the different phases of cell cycle,CDK的Thr 161/160磷酸化可促进CDK-Cyclin的结合。对Thr 160/161磷酸化的蛋白激酶是CAK。CAK的两个重要亚单位是CDK7和CyclinH.,二、CAK对CDK Thr 160/161磷酸化,CAK,CDK的激活机制,CDK Thr 160/161磷酸化 CDK/Cyclin,cell cycle,三、Weel

14、/CDC25对CDKThr14/Tyr15磷酸化和去磷酸化,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CDK上Thr14/Tyr15磷酸化的蛋白激酶是weel,使其去磷酸化的磷酸酶是CDC25。,CDK启动cell cycle,CDK激活,Cyclin与CDK结合,CAK对CDK Thr 160/161的磷酸化,四、CKI对CDK的抑制,CKI有两大类蛋白组成Ink4家族：P16INK4a、P15INK4b、P18INK4c和P19INK4d，抑制CDK4、CDK6。Cip/Kip家族：p21Cipl、P27Ki

15、p1和P57Kip1，抑制CDK2、CDK4、CDK6等。,大部分CKI识别CDK-Cyclin复合物P16 ink4a是与CDK4单体结合阻断CDK4与Cyclin的结合。,第二节 细胞周期调控的两大机制,一细胞周期的驱动机制二细胞周期的监控机制,一细胞周期的驱动机制,细胞周期能否启动进行细胞增殖，主要的调控点在G1期晚期-“限制点”（restriction point,R)，它决定细胞是否通过G1期，进入S期.,人类细胞是否能够通过R点进入细胞周期，主要受生长因子调控。只要有相应的生长因子，细胞就能通过了R点,依次完成G1、S、G2、M期。如果G1期缺乏生长因子，细胞周期运行将停止在R点，

16、细胞进入G0期。,生长因子通过多种信号转导途径，启动多种基因转录，驱使细胞进入细胞周期，进行生长分裂。根据基因转录后mRNA出现的时间，这些基因可分为早期应答基因和延迟应答基因二类。,细胞周期的驱动机制,生长因子,早期应答基因(Jun,Fos,Myc),延迟应答基因cyclinD-CDK4/6cyclinE-CDK2,R点(Rb),联结信号传导与细胞周期机制有两条途径：通过CyclinD-CDK4/6通过CyclinE-CDK2,生长信号（GF）：通过早期应答基因传递到细胞周期调控机制时,首先是cyclinD的表达增加,与CDK4/6形成复合物，使细胞周期运行。抑制信号（TGF-）：促进CKI

17、表达增加,抑制CyclinD-CDK4/6复合物的功能，使细胞阻滞在G1期。,二细胞周期的监控机制,细胞周期通过细胞内固有的监控机制-检测点（check point）以保证细胞复制的忠实性。检测点分类DNA损伤检测点时相次序检测点检测点功能探测制动修复决定（死亡或分化）,（一）DNA损伤检测点,p53 pathway(主要为G1期检测点)Cdc25 pathway(主要为G2期检测点),DNA损伤,p53蛋白表达，积累,p21CIP1,抑制cyclinE-CDK2,细胞不能进入S 期,G1-S 期阻滞,p53 pathway,GADD45,抑制CyclinB-CDK1,G2-M期阻滞,DNA损

18、伤信号,激活DNA损伤感应激酶 hATM/hATR,激活chk1激酶,CDC25上ser216磷酸化，CDC25失活,CDK1失活（Thr14不能去磷酸化）,G2期阻滞,Cdc25 pathway,DNA损伤检测点信号转导途径是一个高度保守的信号感应过程，整个途径大致可以分为损伤感应、信号传递及信号效应3个组成部分。其中，3-磷脂酰肌醇激酶家族类成员ATM(ataxia-telangiectasia mutated)和ATR(ataxia-telangiectasia and Rad3-related)是重要的DNA损伤感应激酶，其活性增加构成整个途径活化的第一步。它们通过激活下游的效应激酶C

19、hk2/Chk1（checkpoint kinase）,通过协同作用许多其他调控细胞周期、DNA复制、DNA损伤修复及细胞凋亡等过程的蛋白质因子来实现细胞对DNA损伤的高度协调反应。,（二）时相次序检测点,时相次序检测点主要起保护DNA复制和染色体分配的轮流完成的作用。包括两个调控过程S期启动的调控有丝分裂后期调控,1.S期启动（DNA复制）的调控第一步Pre-RC组装第二步S期CDK/DDK的激活，激活后的S期CDK又抑制Pre-RC的再组装。,时相调控过程的两步制约,S期启动的调控,CDK2+CyclinEORC CDC6p Pre-RC组装DNA复制启动McM DDK+Dbf4,G1期,

20、晚G1期,S期,Pre-RC:复制前复合物（pre-replication complex,Pre-Rc）ORC:起始点识别复合物（Origin Recognition Complex）DDK:Dbf4依赖性蛋白激酶（Dbf4-Dependent Kinase）,真核生物中，为保证遗传物质精确传递到子代，一个细胞周期中 DNA 只能复制一次。DNA 获得复制的能力是通过各种相关调控蛋白与DNA 复制起始点顺序性结合而实现的，主要包括ORCs、Cdc6、Cdt1 和MCM2-7 等。G1/S 交界处，Pre-RC 在至少两种激酶(CDK 和Cdc7/Dbf4)作用下形成起始前复合体(Pre-in

21、itiation complex，Pre-IC)，Pre-IC 进而触发DNA 复制的启动。,2.有丝分裂后期调控：第一步CDK1激活姐妹染色体排列于两极的纺锤体之间；第二步APC激活姐妹染色体分离和M期Cyclin降解,时相调控过程的两步制约,细胞周期调控机制小结,细胞周期由一系列瀑布式的CDKs激活所驱动CDKs的激活受控于四大机制(cyclin,CAK,Weel/CDC25,CKIs)CDKs激活执行细胞周期的两大生物学功能:复制和分裂,第三节 细胞周期的界面机制,当静止期细胞将正负生长信号整合后，启动进入细胞周期，经过各种检测点，将面临三种主要归宿：分裂、分化和死亡，说明细胞周期与信号

22、传导、基因转录、DNA修复、细胞凋亡、细胞分化等多种生命活动的界面之间，存在密切的联系。,一细胞周期与DNA修复,所有的真核细胞中都存在一整套高度保守的完整的精密机制，承担着DNA损伤、错误地发现，并将其信号传递给相应的机制，去阻滞细胞周期的运行，并同时进行DNA损伤的修复。然后视修复情况，决定继续分裂或死亡，执行一系列细胞的重要生命活动。,这一过程包括：传感器制动修复决定发现DNA损伤的传感器(Sensor)受损细胞的制动或扣留(Arrest)DNA修复(Repair)决定(Decision)继续分裂或凋亡,在人类执行传感器任务的是ATM和p53基因。细胞G1/S期阻滞主要通过p21，G2/

23、M期阻滞主要通过GADD45。DNA修复机制主要有错配修复和切除修复。,二、细胞周期与细胞凋亡,细胞凋亡表现为细胞周期特异性，即不同因素诱导的细胞凋亡发生在细胞周期不同的时相。这类细胞凋亡的发生，往往是细胞先被阻滞在细胞周期的某一时相，然后发生细胞凋亡。许多化疗药物正是通过这类细胞周期特异性细胞凋亡，达到治疗肿瘤的目的。,三细胞周期与细胞分化,细胞周期机制也调控着细胞分化。P21CKI参与角化细胞的分化Rb磷酸化能释放出其“扣留”的转录因子E2F,驱动细胞周期的进行，去磷酸化时参与细胞的分化，如在MyoD的参与下，促使肌母细胞分化。,第四节 肿瘤细胞周期机制的破坏,肿瘤细胞周期机制的破坏可表现

24、在三个层面监控机制破坏驱动机制破坏界面机制破坏,一细胞周期监控机制的破坏,细胞周期的监控机制-检测点(check point)是细胞基因组完整性的重要保证。在细胞周期的DNA复制和染色体分离过程中受到检测点的精密控制，这些监控机制的破坏，将导致遗传的不稳定性。,一细胞周期监控机制的破坏,细胞周期中检测DNA损伤的检测点至少有两处：G1-S过渡期，为控制进入S期的检测点，防止DNA受损细胞进入S期的DNA复制。G2-M过渡期，为控制进入M期的检测点，防止受损的DNA和未完成复制的DNA进入有丝分裂。检测点的主要机制有p53依赖性机制和p53非依赖性机制。,每一完整检测点的四部分中的任何一部分出了

25、问题，都将造成细胞遗传的不稳定性，如不能发现DNA损伤(ATM基因突变)细胞周期不能阻滞(p53突变)DNA修复错误(MLH1突变)决定错误(如Bcl-2突变),DNA监控机制的破坏将导致染色体重排基因缺失扩增易位纺锤体监控机制的破坏导致有丝分裂过程中染色体不能分开子代细胞中染色体丢失或增加（异倍体）,二细胞周期驱动机制的破坏,细胞周期检测点功能的减弱，导致突变基因的累积和正常细胞的进化，只有当这些累积的突变基因破坏了细胞周期驱动机制，细胞才能进入失控性生长。,二细胞周期驱动机制的破坏,人们把细胞周期驱动机制比作一辆汽车或引擎，驱使其运行的因素好比“油门”；制动器运行的机制犹如“刹车”。持续地踏住“油门”或“刹车”失灵，终将失控。这正是致变因素导致基因突变，检测点基因突变，突变基因累积，驱动机制失控的必然结果。,第五节 问题与展望,人类细胞周期调控机制的进一步阐明细胞周期调控机制与肿瘤发生、发展以及诊断和治疗的研究,