细胞周期的调控南通大学基础医学院陈莉

细胞周期的调控 南通大学基础医学院陈莉

细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的。细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传均是十分重要的。简单生物调控细胞周期主要是为了适应自然环境，以便根据环境状况调节繁殖速度，以保证物种的繁衍。复杂生物的细胞则需面对来自自然环境和其他细胞、组织的信号，作出正确的应答，以保证组织、器官和个体的形成、生长以及创伤愈合等过程能正常进行，需要更为精细的细胞周期调控机制。

第一节细胞周期的基本概念 细胞周期的基本任务是保证S期的DNA复制和M期有同等的染色体分布到两个子细胞中去。在DNA合成期(S期)和有丝分裂期(M期)之间，M期和下一个S期之间，分别存在着两个间期(Gap，G)，S期之前是第一间期(G1期)，S期和M期之间为第二间期(G2期)。细胞生长、分裂时，依次经过G1、S、G2、M期而一分为二，周而复始，故称为细胞分裂周期(cell division cycle)。

当细胞中DNA损伤时，激活凋亡基因，使进入增殖周期的细胞停留在G1→S期，容许细胞修复DNA 避免突变。如果损伤严重时，细胞则走向凋亡。

第二节细胞周期调控中的重要元素 细胞周期素依赖激酶 (cyclin-dependent kinase，CDK) 细胞周期素(cyclin) 细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CDK inhibitory protein CKIS）

一、细胞周期蛋白（cyclin） 1953年霍华德等人首先提出细胞分化是通过细胞周期完成的理论； 1983年，Evans等首次在海洋无脊椎动物中发现一组蛋白质呈周期性出现，并调节细胞的生长，其被确定为细胞周期蛋白。 1988年科学家们发现细胞周期调节蛋白能与细胞分化周期编码蛋白结合并激活相应的蛋白激酶，从而促进细胞分裂。

至少发现有11种不同的cyclin，分别为A、B1、B2、C、D1、D2、D3、E、F、G和H。其中8种主要的cyclin己被分离。根据cyclin调控细胞周期时相的不同，可分为G1期和M期两大类。至少发现有11种不同的cyclin，分别为A、B1、B2、C、D1、D2、D3、E、F、G和H。其中8种主要的cyclin己被分离。根据cyclin调控细胞周期时相的不同，可分为G1期和M期两大类。

（一） G1期胞周期蛋白（ G1—cyclin） 作用在G1期或G1/S交界期，启动细胞周期和促进DNA合成的cyclin，G1期是增殖细胞唯一能接受从外界传入的增殖或抑制增殖信号的时期。 1 cyclin D： cyclin D1 ，cyclinD2 ，cyclin D3 2 cyclin C 3 cyclin E：cyclin E 1，cyclin E 2

1、cyclin D cyclin D首先在酵母菌中被发现，它能激活CDK6，驱动细胞通过START。它有3个亚型，包括D1、D2、D3，具组织特异性。cyclin D1与cyclin D2功能相似，都在酵母子细胞中起作用，cyclin D3在酵母母细胞中起作用。

在细胞周期的调节中cyclinDl是一个比其它cyclins更加敏感的指标。在细胞周期的调节中cyclinDl是一个比其它cyclins更加敏感的指标。 cyclin D1的编码基因位于11q13上，全长约15kb，与其他周期素相比最小，主要是因为其N末端缺少一个“降解盒”片段,该蛋白半衰期很短，不足25min。在有生长因子的情况下，cyclin D1在细胞周期中首先被合成，并于G1中期合成达到高峰， cyclln D1的功能主要是促进细胞增殖，是G1期细胞增殖信号的关键蛋白质，被视为癌基因，其过度表达可致细胞增殖失控而恶性化。

cyclinD2的编码基因位于12p13，称为CCND2，在正常的二倍体细胞及Rb阳性肿瘤细胞中cyclin D2的表达呈波动状态，其峰值在G1晚期。给G1期细胞微量注射cyclinD2抗体，可使表达cyclin D2的淋巴细胞停滞在G1期，说明cyclin D2是细胞从G1期向S期转移所必须的。

cyclin D3的编码基因位于染色体6p21，称为CCND3。 正常和恶性组织中未见cyclinD3基因异常及其蛋白的过度表达。目前认为cyclinD3似乎不直接反映恶性度，而是肿瘤发展到晚期的结果。

2、cyclin C cyclin C与所有cyclin的同源性最低，主要在果蝇及人类细胞中发现，它与其他G1-cyclin不同的是其mRNA和蛋白质水平在G1早期达最高，可能在G1早期发挥作用。

3、cyclin E cyclin E在cyclin D之后出现，于G1／S转化过程中表达，人类cyclin E基因定位于染色体19q12-q13。cyclin E中1／3段为高度保守区，称为周期蛋白盒，此为CDKs结合所必须。在G1晚期发挥正调控细胞周期的作用。cyclin E蛋白的C端存在PEST序列(一个富含脯氨酸（P）、谷氨酸（E）、天冬氨酸（S）、丝氨酸和苏氨酸（T）残基的PEST序列，在蛋白质转化和降解中起作用)。 cyclin E基因及其产物的表达在细胞周期的G1中期上升，至G1晚期或S早期达高峰，然后经与“PEST”序列有关的蛋白水解或与S期激酶相关蛋白-2 ( S-phase kinase-associated protein SKP2）泛素路径降解而迅速下降。缺乏SKP2的细胞表现cyclin E蛋白降解不足并不断积累。

（二）M期细胞周期蛋白（ M-cyclin） 在G2／M交界期诱导细胞分裂的cyclin。 1、cyclin A cyclin A在cyclin E之后很快表达。cyclin A是G1期向S期转移的限速因素，也可促进细胞从G2期向M期的转化。它由CCNA基因编码。 2、cyclin B cyclin B是有丝分裂蛋白激酶的一个亚单位，能促进G2期向M期的过渡。哺乳动物cyclin B在S晚期合成。 cyclin A、cyclin B在M期通过泛素途径降解，这是细胞脱离有丝分裂所必须。

cyclin A与cyclin B之间存在多种差异 （1）周期积累方式不同，cyclin A含量在S期及G2期初最高，cyclin B在G2期末含量最高；（2）结合的催化亚基不同，cyclin A与p33cdc2结合，cyclin B与p34cdc2结合；（3）功能不同，cyclin A在S期发挥作用，与DNA的复制完成有关，cyclin B在G2／M交界期发挥作用，诱发细胞分裂；（4）对细胞分裂的影响不同，cyclin B持续升高可使细胞停滞于分裂期，而cyclin A的持续升高并不影响细胞分裂的完成。

二、细胞周期素依赖激酶 (cyclin-dependent kinase，CDK) CDK是一类重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，包括CDK1—7种。CDK的主要生物学作用是启动DNA的复制和诱发细胞的有丝分裂，以复合物形式出现。催化亚基 CDK 复合物调节亚基 cyclin。 ATP的结合部位该酶的活性部位 CDK有三个重要的功能区调节亚基的结合部位 P13sucl的结合部位（P13sucl能抑制激酶的活性，阻止细胞进入或退出M期）

三、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂 （CDK inhibitory protein CKIS） CKIS是CDK抑制蛋白，通过竞争性地抑制cyclin或cyclin—CDK复合物，导致cyclin生物学功能丧失；对细胞生长起负调控作用。 G1期CKIS有2个蛋白家族：（一）INKs： p15、p16、p18、p19 是cDK4和cDK6的特异性抑制物。（二）CIP／KIPs： p21、P27、p57等，抑制各种cyclin-CDK复合物，阻止CDK激酶的激活，或阻止活化的CDK激酶活性。

1、P16 p16INK4位于染色体9p21，又称多肿瘤抑制基因(multiple tumor suppressor MTSI )，是CDK4的特异性抑制物，可与cyclin D竞争与CDK4或CDK6的结合，抑制CDK4对细胞生长分裂的正向作用，参与抑制细胞周期G1／S的转化。p16在缺乏功能性Rb的细胞中水平上升，提示Rb可能抑制p16的表达，同时Rb刺激cyclin D的表达。 2、p15INKB p15INKB位于9号染色体紧邻p16的区域，它与p16一样属抑癌基因。

P16 CDK4 cyclinD1 一 P cdk介导的磷酸化 Rb Rb P 一 G1S DNA转录

3、P27 P27可能是最直接地影响G1/S期限制位点的调控。广泛抑制cyclin—CDK复合物。正常情况下P27在G0／G1时表达增高，进入S期后表达下降。其基因定位于染色体12p13.1及12p13.2处,人的p27cDNA全长594bp，编码198个氨基酸，是高度保守的蛋白分子，在人、鼠、貂中p27的氨基酸主序列有90%同源性，其C末端均含有一个双枝核定位信号。其N末端介导抑制CDK，约12-87氨基酸主序列与p21同源。P27与p21在N端序列上有42％相同，但是P27介导抑制CDK的区域与p21不尽相同。

p27还参与对细胞分化的调控： 同p21一样它可诱导未成熟细胞进行分化； p27也可诱导肿瘤细胞分化（如外源性p27可诱导原巨核细胞白血病细胞分化）； p27不能诱导成熟正常细胞的衰老。

p27表达水平受多种因素调控，如有丝分裂原、抗增殖信号因子、细胞因子、癌基因子及接触抑制等。p27表达水平受多种因素调控，如有丝分裂原、抗增殖信号因子、细胞因子、癌基因子及接触抑制等。 TGF-β和接触抑制能共同调控转录p27和p15，其负调节信息的共同通路是抑制CDK和G1—cyclin功能，发挥CKI抑制作用。 TGF-β对p27表达的影响是双相的，在大多数细胞中，TGF-β可诱导p27的表达，但是在正常垂体前部和垂体瘤细胞中，TGF-β可下调p27mRNA及蛋白的表达。 PDGF、EGF等也可下调p27的表达。 p27对细胞周期的调控主要依赖于其蛋白表达水平，而非基因突变。p27的表达下降或缺失会引起基因组不稳定，甚至导致肿瘤发生。

4、p21 p21基因位于染色体6p21．2，第17-71氨基酸含有cyclin结合抑制区。p21可能阻碍细胞进入S期；能抑制SAPK(stress-activated protein kinase)，参与细胞应激状态时的信号转导级联系统的调节。

第三节细胞周期调控中各元素间的相互作用 细胞周期的调控可分为外源和内源性调控, 外源性调控主要是细胞因子以及其它外界刺激引起；内源性调控主要是通过Cyclin—CDK—CDI的网络调控来实现。

各种细胞周期蛋白随特定细胞时相而出现。 G1早期，cyclinD表达并与CDK2或CDK4结合，成为始动细胞周期的启动子； G1晚期、进入S早期后cyclinE表达，并与CDK2结合，推动细胞进入S期；进入S期后，cyclin A表达，cyclinD、cyclin E降解； S晚期、G2早期，cyclIin A、cyclin B表达，并与cdc2结合，促进细胞进入M期。

cyclin A 和CDK2相结合可以调节S期进入G2期； cyclin Bl—2可与CDKl结合并在G2／M转化期间活性达到最高峰；与cyclin C匹配的CDK及其酶解底物尚不清楚； cyclinH与cyclinC有较高的同源序列，可以和CDK7装配成全酶对细胞周期各阶段行使调节作用。

细胞转录因子（E2F ） 在许多DNA合成基因和细胞生长调控基因的启动子中均含有E2F的位点，E2F可以直接活化这些基因，启动DNA合成使细胞进入S期。在E2F基因活化转录功能区内有一段18个氨基酸的序列可与Rb结合，Rb通过与E2F功能区的结合遮盖其功能区，抑制其活性转录功能，抑制DNA合成。 E1A的介入，释放出更多的游离E2F，影响着一些与转化表型有关的特定基因表达。

Rb基因 Rb基因位于人类染色体13q14，其转录产物Rb蛋白是主要的转录信号连接物，在细胞周期中起制动器功能。它能与转录因子E2F结合并阻止相应基因转录表达，从而抑制细胞生长。 cyclin D是Rb调节细胞周期的基础。cyclin D1-CDK4复合物可看做G1期Rb蛋白激酶，它能结合Rb的N末端，磷酸化Rb蛋白，使转录因子释放，导致G1／S转化。

图 8 E2F-1功能调节机制

cyclin D1与Rb的功能是相互依赖的 低磷酸化的Rb还可刺激cyclin D1的转录，使其合成增加，并活化再导致Rb磷酸化，这样形成负反馈环以调节cyclin D1的表达。 CyclinE-CDK2的作用是通过正反馈以促进Rb磷酸化和E2F的释放。

P21和p27抑制cyclin-CDK复合物的负性调节作用 P21结合并抑制多种cyclin-CDK复合物，负性调节CDK功能，实验证明，正常细胞多数cyclin-CDK复合物都与p21结合，而多数转化细胞中则不结合。 P21是P53作用的靶点，p21启动子含有P53结合位点。G1期DNA损伤可激活p53，诱导P21转录，导致cyclin D-CDK4和cyclin E-CDK2抑制，从而阻止细胞进入S期，使损伤DNA得到修复。 p21在p53介导的DNA损伤所致的G1期停滞中起重要作用。

P53 P16 介导抑制CDK4 p21 CDK4 cyclinD1 抑制CDK4 活化CDK4 P cdk介导的磷酸化 Rb Rb P E2F 无活性复合物 E2F启动 DNA转录 G1S DNA转录

CDK活性状态是以磷酸化形式存在的。 CAK（CDK激活酶）可诱导CDK磷酸化，而p27通过与CDK亚单位的结合，使CAK不能与CDK直接发生作用。非活化的CDK不能使Rb蛋白磷酸化，使细胞停留在G1期，对细胞周期进行负调控。 P27还可阻止Rb蛋白磷酸化，其过度表达能抑制细胞进入G1期。 p27在调节细胞进入和退出M期中起重要作用，抗丝裂原环境中细胞生长停滞与p27—CDK2复合物的量相关。

细胞周期阶段cyclin-CDK复合物抑制因子 P16 P21 P27 G1cyclinD1-CDK4－－－ G2/ScyclinE-CDK2－ + － S cyclinA-CDK2－ + － G2/Mcyclin-CDK2－ + －

第四节细胞周期检测点的调控 细胞在长期的进化过程中发展出了一套保证细胞周期中DNA 复制和染色体分配质量的检查机制, 通常被称为细胞周期检测点(check point)又称为限制点(restriction point) 。这是一类负反馈调节机制。当细胞周期进程中出现异常事件, 如DNA 损伤或DNA 复制受阻,这类调节机制就被激活, 及时地中断细胞周期的运行, 待细胞修复或排除了故障后,细胞周期才能恢复运转。保证了在细胞周期中上一期事件完成以后才开始下一期的事件。

细胞周期检测点：G1-S 期检测点、S 期检测点、 G2 期检测点、M 期检测点。检测点的组成：发现或传感(detect或sensor)、制动或扣留(stop或arrest)、修复(repair)、继续分裂或死亡。检测点功能缺陷会导致基因突变和染色体结构异常细胞增殖,导致肿瘤发生。

检测点的任何一部分出了问题，如发现不了DNA损伤(如ATM突变)、不能使细胞周期停下来(如p53突变)、DNA修复错误(如MLHl／PSM突变)、决定错误(如BCL—2突变)等都会导致遗传的不稳定性、(基因)受损细胞的存活和复制或细胞遗传物质的改编(adaptation)。检测点的任何一部分出了问题，如发现不了DNA损伤(如ATM突变)、不能使细胞周期停下来(如p53突变)、DNA修复错误(如MLHl／PSM突变)、决定错误(如BCL—2突变)等都会导致遗传的不稳定性、(基因)受损细胞的存活和复制或细胞遗传物质的改编(adaptation)。

细胞周期检测点的作用 细胞周期检测点(checkpoints)构成了DNA修复的完整元件。检测点通过延缓细胞周期的进展，为DNA复制前的修复、基因组的复制、有丝分裂及基因组的分离提供更多的时间。检测点功能的丢失或减弱可能通过降低DNA复制效率来增加和诱导基因突变和染色体畸变。在某些遗传性癌症和细胞转化早期中，已经观察到检测点调控的缺失，后者可能导致遗传失稳态，促使向新生物转化。

一、G1-S期检测点 G1-S期检测点是最重要的检测点。细胞在该检测点对各类生长因子、分裂原以及DNA 损伤等复杂的细胞内外信号进行整合和传递,决定细胞是否进行分裂、发生凋亡或是进入G0 期。细胞顺利完成其周期需经过若干检测点，其中最重要的控制点是G1晚期的START，START调节失灵，将导致细胞越过正常的程序限制进入s期，并允许细胞复制未修复的突变DNA，从而积累形成肿瘤表型的基因改变。 G1-S 期检测点缺陷导致肿瘤的原因主要是p53 缺失和cyclinD1上调。

失去调控的癌细胞倾向于保留在细胞周期中持续循环；一旦细胞通过G1晚期限制点，将对胞外生长调控信号产生不应期而代之以自律性程序，并带着这些信息进入有丝分裂。对限制点调控的研究是搞清癌细胞是怎样和为何持续进入循环的关键所在。失去调控的癌细胞倾向于保留在细胞周期中持续循环；一旦细胞通过G1晚期限制点，将对胞外生长调控信号产生不应期而代之以自律性程序，并带着这些信息进入有丝分裂。对限制点调控的研究是搞清癌细胞是怎样和为何持续进入循环的关键所在。

二、S 期检测点 控制进入S期的检测点(Gl期检测点)可防止DNA受损的细胞进入S期。三、G2 期检测点控制进入M期的检测点(G2期检测点)可防止受损的DNA和未完成复制的DNA进入有丝分裂。p53 是DNA 损伤诱导G2 期阻滞的关键机制,因此p53 缺失导致的G2 期检测点缺陷与许多肿瘤的发生有关。

四、M 期检测点 M 期检测点又叫纺锤体组装检测点。主要是阻止细胞分裂、阻止细胞两极形成纺锤体、阻止染色体附着到纺锤体上。

细胞周期检测点功能的减弱，会导致突变基因的累积和遗传的不稳定性，但只有当累积的突变基因破坏了细胞周期驱动机制时，细胞才能进入失控性生长。细胞周期检测点功能的减弱，会导致突变基因的累积和遗传的不稳定性，但只有当累积的突变基因破坏了细胞周期驱动机制时，细胞才能进入失控性生长。

细胞周期的调控 南通大学基础医学院 陈 莉