细胞周期调控
第四节:细胞周期调控
佚名
一、研究背景
Rao和Johnson(1970、1972、1974)将Hela细胞同步于不同阶段,然后与M期细胞混合,在灭活仙台病毒介导下,诱导细胞融合,发现与M期细胞融合的间期细胞产生了形态各异的早熟凝集染色体(prematurely condensed chromosome,PCC),这种现象叫做早熟染色体凝集(premature chromosome condensation)。
G1期PCC为单线状,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,说明DNA复制已完成。
图13-15 不同形态的PCC
不仅同类M期细胞可以诱导PCC,不同类的M期细胞也可以诱导PCC产生,如人和蟾蜍的细胞融合时同样有这种效果,这就意味着M期细胞具有某种促进间期细胞进行分裂的因子,即成熟促进因子(maturation promoting factor,MPF)。
早在1960s,Yoshio Masui发现成熟蛙卵的提取物能促进未成熟卵的胚胞破裂
(Germinal Vesicle Breakdown,GVBD),后来Sunkara将不同时期Hela细胞的提取液注射到蛙卵母细胞中,发现G1和S期的抽取物不能诱导GVBD,而G2和M期的则具有促进胚胞破裂的功能,它将这种诱导物质称为有丝分裂因子(MF)。后来在CHO细胞,酵母和粘菌中也提取出相同性质的MF。这类物质被统称为MPF。
1960s Leland Hartwell以芽殖酵母(图13-16)为实验材料,利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株(在适宜的温度下和野生型一样),分离出了几十个与细胞分裂有关的基因(cell division cycle gene,CDC)。如芽殖酵母的cdc28基因,在G2/M转换点发挥重要的功能。Hartwell还通过研究酵母菌细胞对放射线的感受性,提出了checkpoint(细胞周期检验点)的概念,意指当DNA受到损伤时,细胞周期会停下来。
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图13-16 裂殖酵母细胞周期
1970s Paul Nurse等人以裂殖酵母(图13-17)为实验材料,同样发现了许多细胞周期调控基因,如:裂殖酵母cdc2、cdc25的突变型和在限制的温度下无法分裂;wee1突变型则提早分裂,而cdc25和wee1都发生突变的个体却会正常地分裂(图13-18)。进一步的研究发现cdc2和cdc28都编码一个34KD的蛋白激酶,促进细胞周期的进行。而weel和cdc25分别表现为抑制和促进CDC2的活性。这也解释了为何cdc25和wee1双重突变的个体可以恢复野生型的表型。
图13-17 芽殖酵母细胞周期
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图13-18 Cdc25表达不足,细胞长得过长而不分裂;Wee1表达不足,细胞很小就开始分
裂了
1983年Timothy Hunt首次发现海胆卵受精后,在其卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈振荡,在每一轮间期开始合成,G2/M时达到高峰,M结束后突然消失,下轮间期又重新合成,故命名为周期蛋白(cyclin)。后来在青蛙、爪蟾、海胆、果蝇和酵母中均发现类似的情况,各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。用海洋无脊椎动物和两栖类的卵为实验材料进行这类实验,好处在于卵的量比较大,而且在胚胎发育的早期,细胞分裂是同步化的。
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图13-19 MPF=CDC2+Cyclin B
1988年M. J. Lohka 纯化了爪蟾的MPF,经鉴定由32KD和45KD两种蛋白组成,二者结合可使多种蛋白质磷酸化(图13-19)。后来Paul Nurse(1990)进一步的实验证明P32实际上是CDC2的同源物,而P45是cyclinB的同源物,从而将细胞周期三个领域的研究联系在一起。2001年10月8日美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机理的研究而荣获诺贝尔生理医学奖(图13-20)。
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图13-20 2001年诺贝尔生理医学奖获得者(图片来自http://www.nobel.se/)
二、CDK
CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性,称为细胞周期蛋白依赖性激酶
(cyclin-dependent kinase,CDK),因此CDC2又被称为CDK1,激活的CDK1可将靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应,如将核纤层蛋白磷酸化导致核纤层解体、核膜消失,将H1磷酸化导致染色体的凝缩等等。这些效应的最终结果是细胞周期的不断运行。因此,CDK激酶和其调节因子又被称作细胞周期引擎。
目前发现的CDK在动物中有7种。各种CDK分子均含有一段相似的激酶结构域,这一区域有一段保守序列,即PSTAIRE,与周期蛋白的结合有关。
三、CKI
细胞中还具有细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子(CDK inhibitor,CKI)对细胞周期起负调控作用,目前发现的CKI分为两大家族:
①Ink4(Inhibitor of cdk 4),如P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d,特异性抑制cdk4·cyclin D1、cdk6·cyclin D1复合物。
②Kip(Kinase inhibition protein):包括P21cip1 (cyclin inhibition protein 1)、
P27kip1(kinase inhibition protein 1)、P57kip2等,能抑制大多数CDK的激酶活性,P21cip1还能与DNA聚合酶δ的辅助因子PCNA(proliferating cell nuclear antigen)结合,直接抑制DNA的合成(图13-21)。
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细胞周期调控(图文并茂)
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