第十四章 细胞增殖调控与癌细胞
细胞增殖是通过严格调控的细胞周期 来实现的，在细胞周期的不同阶段有一系 列检查点对该过程进行严密监控。不然， 不受约束而生成的细胞将被机体免疫系统 所清除，或者癌变，转化为癌细胞。癌细 胞不仅表现出增殖失控，同时还具有侵润 和转移的特征，最终导致个体的死亡。 第一节 细胞增殖调控 第二节 癌细胞
（一）G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用 • CDK活性受到多种因素的综合调节：①周期蛋 白与CDK结合只是激活CDK活性的先决条件： 仅周期蛋白与CDK结合，并不能使CDK激活； ②还需要其它几个步骤的修饰：cyclinBCDK1复合物（无活性）→ Wee1/mik1激酶和 CDK1活化激酶（CAK）→ cyclinB-CDK1的 Thr14、Tyr15和Thr161磷酸化（无活性前体 MPF） →cdc25C蛋白磷酸酶→ cyclinBCDK1仅剩Thr161磷酸化（有激酶活性的MPF ） （ MPF 对cdc25C 有正反馈作用） • 不同的CDK之间有一定的代偿功能；CDK对个 体和器官的发育也起着重要的调节作用。
（二）M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化
• APC活性受到多种因素的综合调节：① M期 CDK激酶和蛋白磷酸酶对APC的活性起着调节 作用；② 纺锤体组装检查点调控APC的活性， 如cdc20和Mad2（有丝分裂捕获缺陷蛋白2）分 别为APC有效的正调控因子和负调控因子，在分 裂中期之前，位于动粒上的Mad2与cdc20结合 并抑制其活性。到分裂中期，Mad2从动粒上消 失，解除对cdc20的抑制作用，促使APC活化， 导致M期周期蛋白降解，M期CDK活性丧失。
第一节 细胞增殖调控
一、MPF的发现及其作用 二、p34cdc2激酶的发现及其与MPF的关 系 三、周期蛋白 四、CDK和CDK抑制因子 五、细胞周期运转调控 六、其他因素在细胞周期调控中的作用
• MPF（maturation- /mitosis- / M-phasepromoting factor）：即（卵细胞）成熟促进 因子，或细胞有丝分裂促进因子，也称M期促 进因子，在细胞周期调控中起重要作用。 • PCC（premature chromosome condensation）： 即早熟染色体凝缩，主要是指与M期细胞融合 的间期细胞（G1、S和G2）发生的形态各异的染 色体凝缩。G1期PCC为细单线状（因DNA未复 制），S期PCC为粉末状（因DNA由多个部位开 始复制），G2期PCC为双线染色体状（说明DNA 复制已完成），这样的形态变化可能与DNA复 制状态有关。
通过PCR技术测定与CDK1类似的CDK 蛋白分子图解（图14-6）
不同类型的周期蛋白
激酶复合 体
Cyclin
脊椎动物
芽殖酵母
CDK
Cyclin
CDK
G1-CDK
Cyclin D*
CDK2、4 、6
Cln 3
CDK1(CDC28)
G1/S-CDK
Cyclin E
CDK2
Cln 1、2
CDK1(CDC28)
S-CDK
Cyclin A
CDK2
Clb 5、6
CDK1(CDC28)
G2/M-CDK
Cyclin B
CDK1(CDC2)
Clb 1-4
CDK1(CDC28)
周期蛋白-周期蛋白依赖型激酶复合物在真核生 物细胞周期调控中的作用
真核生物 周期蛋白-周期蛋白依赖型裂殖酵母 脊椎动物 植物
cyclin B在CDK1活性调节过程中的 作用（图14-7）
CDK1激酶活性综合控制示意图（图14-8）
活性MPF的正反馈
（二）M期周期蛋白与细胞分裂中期向后期转化 • 后期促进复合物（anaphase-promoting complex，APC）：20S，泛素连接酶（E3）， 通过泛素依赖性蛋白降解途径，降解M期周期蛋 白和中期向后期转换的非周期蛋白类负调控因子， 使细胞从中期向后期转换。 APC至少由15种成 分组成，分别称为APC1~APC15。APC的发现 是细胞周期研究领域中又一重大进展，表明细胞 分裂中期向后期转换也受到精密调控。 • APC的主要作用：到达分裂中期后，cyclinB/A 与CDK1分离，在APC介导下，通过泛素化依赖 途径而降解。CDK1活性消失，细胞由分裂中期 向后期转化。
• 周期蛋白框（cyclin box）：指所有周期蛋
白中都存在的约由100个残基组成的相当保守的 氨基酸序列，其功能是介导周期蛋白与CDK结 合。
三、周期蛋白
• 破坏框/降解盒（destruction box）：指M
期周期蛋白近N端含有的一段由9个氨基酸残基 组成的特殊序列（RXXLGXIGX），其功能是参 与泛素依赖性的cyclinA和B的降解。在破坏框 之后有一段约40个氨基酸残基组成的Lys（K） 富集区。 • PEST序列：指G1期周期蛋白的C端含有的一 段特殊的PEST氨基酸序列，其功能可能与G1期 周期蛋白的更新（降解）有关。
四、CDK和CDK抑制因子
• CDK的活性受磷酸化修饰调节：细胞内存在多 种因子，对CDK分子结构进行磷酸化修饰，从 而调节CDK的活性。 • CDK抑制蛋白（CDK inhibitor, CKI）：指对 CDK起负调控作用的蛋白质，包括Cip/Kip家族 和INK家族。① Cip/Kip家族：包括p21、p27和 p57等，其中p21主要对G1期CDK（CDK2~4和 CDK6）起抑制作用 p21还与DNA聚合酶δ 的辅 助因子增殖细胞核抗原（PCNA）结合，抑制DNA 的复制；② INK家族：包括p16、p15、p18和 p19等，其中p16主要抑制CDK4和CDK6活性。
• 不同的Cyclin-CDK复合体表现不同的CDK 活性：不同的周期蛋白在细胞周期中表达的时
相不同，并通过不同的周期蛋白框与不同的 CDK结合，组成不同的cyclin-CDK复合体，表 现出不同的CDK活性。
周期蛋白含量随细胞周期的变化
部分周期蛋白分子结构特征（图14-4）
细胞周期蛋白的降解盒与降解途径
部分哺乳动物（A）和酵母细胞（B牙殖和C裂殖）周期 蛋白在细胞周期中的积累及其与CDK活性的关系（图14-5）
四、CDK和CDK抑制因子
• 周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinase, CDK）：由周期蛋白结合并活化的调控 细胞周期进程的蛋白激酶。 CDK通过磷酸化其 底物而对细胞周期进行调控。 • CDK有多种：在人体中发现并命名的CDK包括 CDK1（Cdc2）~CDK13。不同的CDK在细胞 周期中起调节作用的时期不同。 • 某些CDK与cyclin的配对关系及执行的功能的时 期：见表14-1。 • CDK激酶结构域：各种CDK的CDK激酶结构域 保守程度有所不同，但其中有一小段序列则相当 保守，即PSTAIRE序列，与周期蛋白结合有关。
一、MPF的发现及其作用
一、MPF的发现及其作用
• M期细胞中可能存在细胞有丝分裂促进因子：
M期细胞可以诱导PCC，暗示在M期细胞中可 能存在一种诱导染色体凝缩的因子，称为细 胞有丝分裂促进因子（MPF）。
M期细胞与G1（A）、S（B）和G2（C）期细胞融合诱 导早熟染色体凝缩（PCC）（图14-1）
（四）S/G2/M期转换与DNA复制检查点
（一）G2/M期转化与CDK1的关键性调控作用 • CDK1活性依赖于cyclinB含量的积累： cyclinB（或cyclinA）的含量达到一定值并与 CDK1结合，同时在其它一些因素的调节下， 逐渐表现出最高激酶活性（G2/M期转换和M期 启动）。
• CDK1催化底物蛋白磷酸化：CDK1通过使某些 底物蛋白磷酸化，改变其下游的某些靶蛋白的 结构和启动其功能，实现其调控细胞周期的作 用。CDK1选择底物中某个特定序列中的某个 Ser/Thr残基磷酸化。CDK1可以使多种底物蛋 白磷酸化（见表14-2）。
• 成熟卵细胞细胞质移植发现成熟促进因子的存 在：两位科学家分离出第Ⅳ期等待成熟的非洲 爪蟾卵母细胞，并用孕酮进行体外刺激，诱导 卵母细胞成熟，然后进行细胞质移植实验，他 们发现，在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，即成熟促进因 子（MPF）；后来还证明，在成熟卵细胞中， MPF已经存在，只需通过翻译后修饰即可转化 为活性状态的MPF。 • 1998年分离获得了MPF：1998年，科学家们 以非洲爪蟾卵为材料，分离获得了微克级的纯 化MPF，并证明其主要含有p32和p45两种蛋 白，并且是一种蛋白激酶。
Cln3- CDC28
G1-S
Cln1/2- CDC28
S
Clb5/6- CDC28
G2-M
Clb1-4 -CDC28
Cig1- CDC2
Cig2- CDC2
Cig2- CDC2
Cdc13- CDC2
CycD- CDK4/6 CycD- CDKA
CycE- CDK2 CycA- CDKA
CycA- CDK2 CycA- CDKA
后期促进复合物（ APC ）作为有丝分裂的 终结者
马达蛋白和微管系统共同协作导致染色体分离
Cyclin B的降解途径
• 细胞由G1期向S期（G1/S期）转化主要受G1期周 期蛋白依赖性CDK：cyclinD-CDK4/6、 cyclinE- CDK2和cyclinA-CDK2。 • cyclinD-CDK4/6为细胞G1/S期转化所必需： cyclinD包括D1、D2和D3，它们的表达有细胞 和组织特异性；cyclinD-CDK4/6的底物主要是 Rb蛋白（retinoblastoma protein）即成视网膜 细胞瘤蛋白，Rb蛋白是E2F的抑制因子，E2F是 促进与G1/S期转化和DNA复制有关的基因转录 的转录因子，Rb蛋白在G1/S期转化中起负调控 （“刹车”）作用，在G1期的晚期通过磷酸化 而失活。
CycA/B- CDK1 CycA/B- CDKA