1、1 第七章第七章 细胞增殖及其调控细胞增殖及其调控 27.1 7.1 细胞增殖细胞增殖 细胞分裂之前，必须进行一定的物质准备。细胞分裂之前，必须进行一定的物质准备。物质准备和细胞分裂连续不断进行的结果物质准备和细胞分裂连续不断进行的结果是细胞数量不断增加即是细胞数量不断增加即细胞增殖。细胞增殖。细胞增殖细胞增殖是细胞生命活动的重要特征，是是细胞生命活动的重要特征，是生物繁育的基础。生物繁育的基础。细胞增殖细胞增殖受到严密的调控机制所监控，必受到严密的调控机制所监控，必须遵循一定的规律。须遵循一定的规律。37.2 7.2 细胞周期细胞周期 经过物质准备之后，细胞开始进行经过物质准备之后，细胞开始
2、进行分裂，子代细胞形成之后，又将开始新分裂，子代细胞形成之后，又将开始新一轮的物质积累，准备下一轮的细胞分一轮的物质积累，准备下一轮的细胞分裂，如此周而复始，细胞数目不断增加。裂，如此周而复始，细胞数目不断增加。这种细胞物质积累与细胞分裂的循环过这种细胞物质积累与细胞分裂的循环过程称为程称为细胞周期细胞周期。连续分裂的细胞连续分裂的细胞,从一次有丝分裂结从一次有丝分裂结束后开始，经过物质累积过程，直到下束后开始，经过物质累积过程，直到下一次细胞分裂为止所经历的全过程，称一次细胞分裂为止所经历的全过程，称为为一个细胞周期。一个细胞周期。4 7.2.1 7.2.1 细胞周期时相细胞周期时相 细胞周
3、期时相细胞周期时相 G G1 1期即从期即从M M期结束到期结束到S S期开始前的一段间歇期开始前的一段间歇期期;S S期期,即即DNADNA合成期合成期;G G2 2期期,即即DNADNA合成后合成后(S(S期期)到有丝分裂前的一到有丝分裂前的一个间歇期个间歇期;M M期期,即有丝分裂期。即有丝分裂期。56标准细胞周期标准细胞周期:细胞周期时间的长短：细胞周期时间的长短：同种细胞，细胞周期时间长短相似或相同；同种细胞，细胞周期时间长短相似或相同；不同细胞种类，细胞周期时间长短差别很大；不同细胞种类，细胞周期时间长短差别很大；高等生物体的细胞周期时间长短主要差别在高等生物体的细胞周期时间长短主
4、要差别在G1G1期。期。7多细胞生物体中的多细胞生物体中的细胞类群细胞类群 周期中细胞：持续分裂细胞周期中细胞：持续分裂细胞 G G0 0期细胞：期细胞：又称静止期细胞。又称静止期细胞。是周期中细胞暂时脱离细胞周期是周期中细胞暂时脱离细胞周期,停止分停止分裂增殖裂增殖,去执行一定的生物学功能去执行一定的生物学功能,如某些免如某些免疫淋巴细胞疫淋巴细胞,肝细胞肝细胞,肾细胞等。肾细胞等。终末分化细胞：终末分化细胞：永久性失去了分裂能力的细胞。永久性失去了分裂能力的细胞。（周期中细胞）（周期中细胞）信号刺激信号刺激G1G08细胞周期时相细胞周期时相 97.2.2 7.2.2 细胞周期各时相细胞周期
5、各时相及其主要事件及其主要事件 G G1 1期期 合成活动：合成活动：起始点起始点:最初指芽殖酵母细胞出芽的开始，事实是芽殖最初指芽殖酵母细胞出芽的开始，事实是芽殖酵母酵母G G1 1期晚期的一个特定阶段，控制着新一轮期晚期的一个特定阶段，控制着新一轮细胞周期的运转。细胞周期的运转。是是G G1 1期晚期的一个基本事件，细胞只有在期晚期的一个基本事件，细胞只有在内在内在和和外在外在因素共同作用下才能通过起始点，顺利因素共同作用下才能通过起始点，顺利通过通过G G1 1期，进入期，进入S S期并合成期并合成DNADNA。cdc基因：基因：10 限制点限制点 高等真核细胞，尤其是哺乳动物细胞中，高
6、等真核细胞，尤其是哺乳动物细胞中，类似于芽殖酵母起始点的类似于芽殖酵母起始点的G G1 1期晚期的一期晚期的一个特定阶段。个特定阶段。检验点：检验点：是细胞周期研究领域中应用的术语。是细胞周期研究领域中应用的术语。是细胞周期进程中的是细胞周期进程中的监控机制监控机制，可以鉴，可以鉴别细胞周期进程中的错误，并诱导产生别细胞周期进程中的错误，并诱导产生特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步特异的抑制因子，阻止细胞周期进一步运行。运行。11 G G1 1期检验点：期检验点：检测细胞的大小和环境状态，如果检测细胞的大小和环境状态，如果条件合适，就会激发条件合适，就会激发DNADNA复制，使细胞周复制，使细
7、胞周期进程向前移动。在一些真核生物中，期进程向前移动。在一些真核生物中，G G1 1期检验点是细胞周期的主要控制点，期检验点是细胞周期的主要控制点，它决定细胞能否分裂。它决定细胞能否分裂。12 由由G G1 1期向期向S S期转换的影响因素：期转换的影响因素：外在因素：营养供给和相关的激素刺激等。外在因素：营养供给和相关的激素刺激等。内在因素：与内在因素：与cdc基因调控相关的因素。基因调控相关的因素。S S期期DNADNA合成期合成期 合成活动：合成合成活动：合成DNADNA和组蛋白并组装成核小体和组蛋白并组装成核小体结构。结构。DNADNA合成受多种细胞周期调节因素的严密调控。合成受多种细
8、胞周期调节因素的严密调控。13G G2 2期期 合成活动：合成活动：合成着丝粒蛋白、细胞周期蛋白合成着丝粒蛋白、细胞周期蛋白B B和微管和微管蛋白等大量蛋白质。蛋白等大量蛋白质。G G2 2期检验点：控制细胞周期能否顺利进入进入期检验点：控制细胞周期能否顺利进入进入M M期。期。M M期期 细胞分裂活动：细胞分裂活动：M M期检验点：检测所有的染色体是否都与纺锤体相连，期检验点：检测所有的染色体是否都与纺锤体相连，并排列在赤道板上。否则不能进行有丝分裂和胞质分并排列在赤道板上。否则不能进行有丝分裂和胞质分裂。裂。14细胞周期运转规律细胞周期运转规律 15细胞细胞周期周期调控调控的的研究研究20
9、012001年年诺贝尔诺贝尔生理学生理学/医学医学奖得主奖得主1620012001年诺贝尔生理学与医学奖年诺贝尔生理学与医学奖:利兰利兰哈特韦尔哈特韦尔发现了发现了控制细胞周期的控制细胞周期的基因基因，其中一种被称为，其中一种被称为“START”的基的基因对控制各个细胞周期的最初阶段具有因对控制各个细胞周期的最初阶段具有决定性的作用。决定性的作用。保罗保罗纳西纳西的贡献是发现了的贡献是发现了CDK。蒂莫西蒂莫西亨特亨特的贡献是发现了调节的贡献是发现了调节CDK的功能物质的功能物质周期蛋白周期蛋白.177.2.3 7.2.3 细胞周期调控细胞周期调控7.2.3.1 7.2.3.1 蛋白激酶在细胞
10、周期调控中的蛋白激酶在细胞周期调控中的作用的研究作用的研究染色体超前凝集（染色体超前凝集（PCCPCC）的发现）的发现 研究者：研究者：19701970年，年，ColoradoColorado（科罗拉多）大（科罗拉多）大学的学的 Robert JohnsonRobert Johnson 和和 Potu Rao Potu Rao 18研究方法：研究方法：G G1 1期期HelaHela细胞与细胞与S S期细胞融合，结果发现期细胞融合，结果发现G G1 1期细胞中的期细胞中的DNADNA开始复制；开始复制；S S期细胞与期细胞与G G2 2期细胞融期细胞融合，结果发现合，结果发现G G2 2期细胞
11、核中已经复制过的期细胞核中已经复制过的DNADNA没有没有再复制。再复制。结论：正在进行结论：正在进行DNADNA复制的细胞的细胞质中含复制的细胞的细胞质中含有促进有促进G G1 1期细胞进行期细胞进行DNADNA复制的起始因子，而这种复制的起始因子，而这种起始因子对于已经进行了起始因子对于已经进行了DNADNA复制的复制的G G2 2期细胞没有期细胞没有作用。作用。19 M M期细胞与处于细胞周期其他阶段的细期细胞与处于细胞周期其他阶段的细胞融合，结果发现与胞融合，结果发现与M M期细胞融合的其他期细胞融合的其他间期细胞均发生了形态各异的染色体凝间期细胞均发生了形态各异的染色体凝集，集，称为
12、染色体超前凝集（称为染色体超前凝集（PCCPCC）。）。结论：结论：M M 期细胞中一定有一种能促期细胞中一定有一种能促使染色体凝集的因子，称为细胞促分裂使染色体凝集的因子，称为细胞促分裂因子。因子。20G G1 1期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合21S S期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合22G G2 2期细胞与期细胞与M M期细胞融合期细胞融合23MPFMPF的发现的发现 促成熟因子促成熟因子(maturation-promoting(maturation-promoting factorfactor，MPFMPF）,早期称为早期称为M-M-期促进因子期促进因子(M-(M
13、-phase promoting factor,MPF)phase promoting factor,MPF)，是指是指M M期期细胞中存在的促进细胞分裂的因子。细胞中存在的促进细胞分裂的因子。19711971年，科学家通过试验认为，在非洲爪年，科学家通过试验认为，在非洲爪蟾成熟的卵细胞的细胞质中必然有一种物蟾成熟的卵细胞的细胞质中必然有一种物质，可以诱导卵母细胞成熟，并明确提出质，可以诱导卵母细胞成熟，并明确提出将其称为促成熟因子，即将其称为促成熟因子，即MPFMPF。24MPFMPF的结构组成及特性的结构组成及特性是由两个不同的亚基组成的异质二聚体，是一种是由两个不同的亚基组成的异质二聚体
14、，是一种蛋白激酶蛋白激酶:催化亚基：催化亚基：p32p32cdc2cdc2 是丝氨酸是丝氨酸/苏氨酸型蛋白激酶苏氨酸型蛋白激酶 其活性依赖于周期蛋白，故称为周期依赖其活性依赖于周期蛋白，故称为周期依赖性蛋白激酶性蛋白激酶(cyclin-dependent protein(cyclin-dependent protein kinases,CDKs);kinases,CDKs);调节亚基：调节亚基：p45-p45-周期蛋白周期蛋白(cyclin)(cyclin)。25MPFMPF的的结结构构26 p34p34cdc2 cdc2 激酶及其与激酶及其与MPFMPF的关系的关系cdccdc（cell d
15、ivision cyclecell division cycle）基因：）基因：p34p34cdc2cdc2是是cdccdc2 2基因的表达产物，具有蛋基因的表达产物，具有蛋白激酶活性。在裂殖酵母细胞周期调控白激酶活性。在裂殖酵母细胞周期调控过程中起关键性调节作用，促进过程中起关键性调节作用，促进G2/MG2/M转转换。换。p34p34cdc2cdc2本身并没有激酶活性，只有当与本身并没有激酶活性，只有当与有关蛋白结合后，其激酶活性才能表现有关蛋白结合后，其激酶活性才能表现出来。出来。裂殖酵母细胞裂殖酵母细胞MPFMPF中的中的p34p34cdc2cdc2与蛙与蛙MPFMPF中中的的p32p3
16、2cdc2cdc2是同源物，都具有激酶活性。是同源物，都具有激酶活性。27细胞周期蛋白的鉴定细胞周期蛋白的鉴定19831983年，年，Tim HuntTim Hunt（美）报道，在海胆卵细（美）报道，在海胆卵细胞中存在两种特殊蛋白质，即周期蛋白。胞中存在两种特殊蛋白质，即周期蛋白。周期蛋白周期蛋白 其含量随细胞周期进程变化而变化，一般其含量随细胞周期进程变化而变化，一般在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在细胞间期内积累，在细胞分裂期内消失，在下一细胞周期又重复这一消长现象。在下一细胞周期又重复这一消长现象。非洲爪蟾的非洲爪蟾的MPFMPF中的另一种主要成份是周期中的另一种主要成份是周期蛋白
17、蛋白B B。28至此确定的至此确定的MPFMPF生化组成成分生化组成成分 Cdc2Cdc2蛋白蛋白:蛋白激酶催化亚单位蛋白激酶催化亚单位 周期蛋白：蛋白激酶调解亚单位周期蛋白：蛋白激酶调解亚单位周期蛋白种类及功能的执行周期蛋白种类及功能的执行周期蛋白种类周期蛋白种类 酵母中的周期蛋白酵母中的周期蛋白 高等动物的周期蛋白高等动物的周期蛋白 G1期周期蛋白期周期蛋白 M期周期蛋白期周期蛋白29 表1 不同类型的周期蛋白 激酶复合体脊椎动物芽殖酵母Cyclin CDK CyclinCDK G1-CDK Cyclin DCDK4、6 Cln 3 CDK1(Cdc28)G1/S-CDK Cyclin E
18、 CDK2Cln 1、2CDK1(Cdc28)S-CDK Cyclin ACDK2Cln 5、6CDK1(Cdc28)M-CDK Cyclin B CDK1(CDK2)Cln 1-4 CDK1(Cdc28)30周期蛋白功能的执行周期蛋白功能的执行 不同的周期蛋白在细胞周期内表达的不同的周期蛋白在细胞周期内表达的时期不同，并与不同的时期不同，并与不同的CDK结合，调节结合，调节不同的不同的CDK激酶的活性。激酶的活性。周期蛋白与周期蛋白与CDK结合的关键结构是结合的关键结构是周周期蛋白框期蛋白框 31 G1G1期期cyclin Dcyclin D表达，并与表达，并与CDK4CDK4、CDK6CD
19、K6结合，使结合，使下游的蛋白质如下游的蛋白质如RbRb磷酸化，磷酸化的磷酸化，磷酸化的RbRb释放出释放出转录因子转录因子E2FE2F，促进许多基因的转录，如编码，促进许多基因的转录，如编码cyclinEcyclinE、A A和和CDK1CDK1的基因。的基因。图 Cyclin D与CDK结合使Rb释放结合的转录因子E2F 32 在在G1-SG1-S期，期，cyclinEcyclinE与与CDK2CDK2结合，促进细胞通过结合，促进细胞通过G1/SG1/S限制点而进入限制点而进入S S期。期。向细胞内注射向细胞内注射CyclinECyclinE的抗体能使细胞停滞于的抗体能使细胞停滞于G1G1
20、期，说期，说明细胞进入明细胞进入S S期需要期需要CyclinECyclinE的参与。的参与。同样将同样将CyclinACyclinA的抗体注射到细胞内，发现能抑制细胞的抗体注射到细胞内，发现能抑制细胞的的DNADNA合成，推测合成，推测CyclinACyclinA是是DNADNA复制所必需的。复制所必需的。在在G2-MG2-M期，期，cyclinAcyclinA、cyclinBcyclinB与与CDK1CDK1结合，结合，CDK1CDK1使底使底物蛋白磷酸化、将组蛋白物蛋白磷酸化、将组蛋白H1H1磷酸化导致染色体凝缩，磷酸化导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件。核纤层
21、蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件。33CDKCDK激酶激酶 周期蛋白依赖性蛋白激酶周期蛋白依赖性蛋白激酶 与周期蛋白结合，并以周期蛋白作为其与周期蛋白结合，并以周期蛋白作为其调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性。调节亚单位，进而表现出蛋白激酶活性。不同不同CDKCDK激酶所要求结合的周期蛋白不同，激酶所要求结合的周期蛋白不同，在细胞周期中执行的调解功能也不同。在细胞周期中执行的调解功能也不同。CDKCDK分子中有一些重要位点，通过磷酸化分子中有一些重要位点，通过磷酸化修饰对修饰对CDKCDK激酶活性起重要调节作用。激酶活性起重要调节作用。细胞内存在多种因子，通过对细胞内存在多种因子，通过对
22、CDKCDK分子结分子结构进行修饰，参与构进行修饰，参与CDKCDK激酶活性调节。激酶活性调节。34CDKCDK激酶抑制物（激酶抑制物（CDKICDKI）细胞内存在的一些对细胞内存在的一些对CDKCDK激酶活性起负性激酶活性起负性调控，即对调控，即对CDKCDK激酶起抑制作用的蛋白质，激酶起抑制作用的蛋白质，称为称为CDKCDK激酶抑制物。激酶抑制物。35其他内在因素和外在因素在细胞周期调其他内在因素和外在因素在细胞周期调控中的作用控中的作用1.1.内在因素内在因素癌基因和抑癌基因癌基因和抑癌基因2.2.外在因素外在因素离子辐射、化学物质作用、病离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、毒感
23、染、温度变化、pHpH变化等。变化等。36细胞周期运行的调控机制细胞周期运行的调控机制 细胞周期运转受到细胞内外各种因素的精密细胞周期运转受到细胞内外各种因素的精密调控，细胞内因是调控依据。调控，细胞内因是调控依据。CDKCDK激酶是细胞周期调控中的重要因素，是细激酶是细胞周期调控中的重要因素，是细胞周期运转的引擎分子。胞周期运转的引擎分子。各种不同的各种不同的CDKCDK激酶都至少含有两个亚单位，激酶都至少含有两个亚单位，即周期蛋白和即周期蛋白和CDKCDK蛋白。周期蛋白是调节亚单蛋白。周期蛋白是调节亚单位，位，CDKCDK蛋白是催化亚单位。蛋白是催化亚单位。不同种类的周期蛋白分别与不同的不
24、同种类的周期蛋白分别与不同的CDKCDK蛋白结蛋白结合，在细胞周期的不同时相起调节作用。合，在细胞周期的不同时相起调节作用。37 CDKCDK激酶通过磷酸化其底物蛋白而对细胞周期激酶通过磷酸化其底物蛋白而对细胞周期进行调控。进行调控。CDKCDK激酶活性受到多种因素的综合调节，除周激酶活性受到多种因素的综合调节，除周期蛋白外还有各种修饰性调控因子、期蛋白外还有各种修饰性调控因子、CDKCDK激酶激酶抑制物等。抑制物等。除除CDKCDK激酶及其直接的活性调节因子外，还有激酶及其直接的活性调节因子外，还有很多其他因素参与细胞周期调控，如各种检验很多其他因素参与细胞周期调控，如各种检验点等。点等。各种检验点也有专门的调控机制。各种检验点也有专门的调控机制。上述所有因素共同组成一个极其复杂的综合性上述所有因素共同组成一个极其复杂的综合性调控网络。调控网络。3839本章重点本章重点1、解释并区别下列名词：细胞周期、标准细胞周期、G0细胞、MPF、PCC、周期蛋白、CDK激酶、检验点2、细胞周期中各个不同时相及其主要事件？3、细胞周期中有哪些检验点，各起何种作用？4、细胞周期的运行调控机制？
