分子生物学：细胞周期-研究生课件

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1、Chapter 7 Cell Cycle Section 1 Introduction 细 胞 周 期 （ cell cycle） 就 是 指 细 胞 生 长 与 分裂 的 周 期 ， 即 细 胞 在 一 次 分 裂 结 束 开 始 生 长 ，到 下 一 次 分 裂 完 成 所 经 历 的 过 程 。 1. Phases of Cell Cycle细 胞 周 期 一 般 包 含 下 列 四 个 阶 段 ： G1期 ： 从 有 丝 分 裂 完 成 到 DNA复 制 之 前 的一 段 时 期 ； S期 ： 为 DNA复 制 的 时 期 ； G2期 ： 从 DNA复 制 完 成 到 有 丝 分 裂

2、开 始 的一 段 时 期 ； M期 ： 从 细 胞 分 裂 开 始 到 结 束 的 时 期 。 Phases of Cell CycleG0 2. Characteristics of Cell Cycle Phases G1期 ： 细 胞 周 期 的 大 部 分 时 相 处 于 G1期 ， 动 物 细胞 一 般 为 612小 时 。 该 期 主 要 的 生 化 活 动是 合 成 RNA和 蛋 白 质 。 S期 ： 此 期 一 般 持 续 68小 时 ， 其 长 短 主 要 由 基因 组 的 复 杂 度 决 定 。 该 期 主 要 的 生 化 活 动是 复 制 DNA。 G2期 ： 是 最 短

3、 的 时 相 。 该 期 主 要 的 生 化 活 动 是 合成 一 些 与 有 丝 分 裂 有 关 的 蛋 白 质 。 M期 ： 该 期 很 短 ， 一 般 持 续 0.52小 时 。 该 期 生 化合 成 停 止 ， 细 胞 形 态 发 生 改 变 ， 一 个 母 细胞 分 裂 成 2个 子 代 细 胞 。 3. Checking Points of Cell Cycle真 核 细 胞 的 分 裂 增 殖 必 须 经 过 两 个 关 键 的 调 控点 ： 即 DNA合 成 开 始 时 的 G1S期 的 转 换 和 有丝 分 裂 开 始 时 的 G2M期 的 转 换 。细 胞 必 须 在 顺

4、利 经 过 这 两 个 调 控 关 键 点 之 后 ，才 可 能 完 成 细 胞 的 分 裂 增 殖 ， 即 细 胞 周 期 。除 此 之 外 ， 细 胞 由 G0G1期 的 转 换 ， 也 涉 及 另外 一 个 调 控 点 。 细 胞 周 期 中 各 关 键 点 的 转 换 ， 是 通 过 各 种 调 控因 子 相 互 作 用 ， 构 成 级 联 网 络 调 控 系 统 来 实 现的 。这 一 调 控 系 统 的 核 心 就 是 周 期 素 依 赖 的 蛋 白 激酶 （ cyclin-dependent protein kinase，CDK） 家 族 。 正 是 该 家 族 成 员 的 顺

5、序 激 活 和 对关 键 底 物 的 磷 酸 化 促 进 细 胞 周 期 的 有 序 进 程 ，启 动 并 完 成 G 1S期 和 G2M期 的 转 换 。 Section 2 Regulation of Cell Cycle 1. Growth Factors and their Receptors生 长 因 子 ， 如 EGF、 PDGF、 TGF、 FGF、NGF、 IL-2等 ， 与 相 应 的 靶 细 胞 膜 受 体 结 合 后 ，即 可 通 过 细 胞 信 号 转 导 ， 调 节 相 关 结 构 基 因 的表 达 ， 启 动 细 胞 增 殖 过 程 。 2. Structure a

6、nd Function of Cyclin周 期 素 都 是 CDK的 调 节 亚 基 ， 分 别 在 细 胞 周 期的 不 同 时 期 积 累 ， 激 活 CDK， 使 其 具 有 催 化 关键 底 物 的 磷 酸 化 修 饰 并 调 节 其 活 性 。在 高 等 真 核 细 胞 中 ， 周 期 素 至 少 分 为 A、 B、 C、D、 E、 F、 G等 几 大 类 。 周期素的家族成员 五 大 类 周 期 素 中 都 含 有 由 100 150个 氨 基 酸残 基 组 成 的 保 守 区 ， 称 为 周 期 素 盒 （ cyclin box） ， 是 与 CDK相 互 作 用 的 活 性

7、区 域 。此 外 ， 还 可 含 有 降 解 盒 （ destruction box）或 PEST序 列 （ 脯 -谷 -丝 -苏 ） ， 可 通 过 定 时 降解 或 快 速 转 换 来 调 节 周 期 素 的 水 平 。 按 周 期 素 表 达 及 作 用 的 细 胞 周 期 阶 段 的 不 同 ，可 将 其 分 为 G1期 （ D、 E） 和 M期 （ A、 B）两 大 类 。 The Expressional Levels of Cyclins during Cell Cycle The Relationship of Cyclin Expressional Levels with D

8、NA Replication 是 指 在 G1期 或 G1S期 转 换 点 发 挥 作 用 ， 并 能启 动 细 胞 周 期 ， 促 进 DNA合 成 的 周 期 素 。G1期 周 期 素 主 要 包 括 周 期 素 C、 D、 E等 ， 这 些周 期 素 通 常 在 细 胞 周 期 的 G1期 时 活 性 升 高 ， 而在 S期 以 后 则 逐 渐 降 至 较 低 的 水 平 。2.1 Cyclins during G1 Phase 周 期 素 C： 周 期 素 C的 C-端 存 在 一 个 PEST序 列 ， 其 细胞 内 的 水 平 在 G1期 中 点 达 高 峰 。 周 期 素 D：

9、周 期 素 D至 少 有 D1、 D2、 D3三 种 亚 型 。 周 期 素 D的 C-端 存 在 一 个 PEST序 列 ； N-端含 有 一 个 与 DNA肿 瘤 病 毒 转 化 蛋 白 共 同 的顺 序 Leu-X-Cys-X-Glu ， 是 周 期 素 D与p110Rb等 蛋 白 结 合 所 必 需 。 不 同 亚 型 周 期 素 D在细 胞 内 的 表 达 模 式 不同 ， 但 主 要 是 在 G1期 处 于 较 高 的 表 达 水平 。 周 期 素 E： 有 E1和 E2两 种 亚 型 ， 其 细 胞 内 的 水 平 在G1/S调 控 点 达 峰 值 。 是 指 在 G2M期 转

10、换 处 发 挥 作 用 ， 诱 导 细 胞分 裂 的 周 期 素 ， 包 括 周 期 素 A和 B两 类 。这 类 蛋 白 在 其 N - 端 含 有 一 个 降 解 盒（ destruction box） ， 在 M期 通 过 泛 素（ ubiquitin） 途 径 降 解 。2.2 Cyclins during M Phase 周 期 素 A： 包 括 三 种 亚 型 ： A1、A2和 A3。 在 细 胞 周 期 的 DNA合成 之 前 出 现 ， 并 不 断增 加 ， 与 启 动 DNA复制 有 关 ， 主 要 在 S期发 挥 作 用 。 Cyclin A 3 周 期 素 B： 周 期

11、素 B在 人 类 有 两 种 亚 型 ， B1和 B2。 周 期 素 B水 平 的 变 化 主 要 由 其 降 解 速 率 来调 控 。 周 期 素 B在 S晚 期 出 现 ， 在 细 胞 进 入 M期 之前 ， 其 水 平 呈 线 性 增 高 ， 当 达 到 一 定 阈 值时 ， 促 使 CDK激 活 ； 当 细 胞 进 入 M期 后 ，周 期 素 B降 解 速 率 增 加 ， 水 平 骤 然 下 降 ，CDK失 活 。 3. Structure and Function of CDK 人 们 对 CDK的 认 识 ， 最 初 是 通 过 研 究 培 养 细 胞和 酵 母 细 胞 而 得 到

12、 的 。目 前 已 经 确 定 的 CDK有 ： 裂 殖 酵 母 中 CdC2；酿 酒 酵 母 中 的 CdC28、 PHO85、 KIN28以 及 人类 细 胞 中 CDK 1 10 。3.1 Types and Characters of CDK CDK Family in Human CDK的 分 子 量 一 般 为 35 40kD， 不 同 CDK的氨 基 酸 组 成 有 40%以 上 的 同 源 性 。典 型 的 CDK催 化 亚 基 的 活 性 中 心 约 由 300个 氨基 酸 残 基 组 成 ， 当 处 于 单 体 或 非 磷 酸 化 状 态 时 ，CDK没 有 催 化 活 性

13、 。 Molecular Structure of CDK2 CDK的 催 化 活 性 受 到 激 活 因 素 与 抑 制 因 素 两方 面 的 调 节 。在 激 活 因 素 中 ， 目 前 认 为 CDK与 周 期 素 的 结合 以 及 保 守 的 苏 氨 酸 残 基 的 磷 酸 化 是 较 为 重要 的 两 种 调 节 因 素 ；而 在 抑 制 因 素 中 ， CDK的 N-端 氨 基 酸 残 基 的抑 制 性 磷 酸 化 以 及 抑 制 蛋 白 的 结 合 是 主 要 的调 节 因 素 。3.2 Regulation of CDK Activity 周 期 素 的 激 活 作 用 ： 周

14、 期 素 中 的 “ 周 期 素 盒 ” 结 构 域 直 接 和CDK的 结 合 ， 并 与 CDK的 激 活 相 关 ， 周期 素 是 CDK的 正 性 调 节 剂 。 周 期 素 的 这 两 种 功 能 是 密 切 相 关 的 ， 而 这种 结 合 与 激 活 作 用 主 要 通 过 周 期 素 在 细 胞周 期 中 的 浓 度 波 动 来 调 控 。3.2.1 Activation of CDK CyclinA-CDK2 Complex with ATP Bound 磷 酸 化 修 饰 的 激 活 作 用 ： CDK的 激 活 还 必 须 依 赖 于 其 保 守 的 苏 氨 酸残 基 的

15、 磷 酸 化 ， 如 在 人 CDK1（ p34cdc2） 的Thr161和 CDK2的 Thr160的 磷 酸 化 ， 就 与 这两 个 酶 的 激 活 相 关 。 催 化 CDK1和 CDK2磷 酸 化 的 酶 是 CAK， 该酶 是 一 种 寡 聚 体 ， 其 催 化 亚 基 为 CDK7， 调节 亚 基 为 周 期 素 H， 另 需 一 组 装 蛋 白 因 子MAT1以 稳 定 结 构 。MAT1CDK-activating kinase assembly factor 1 Complex of CDK7 CyclinH-MAT1 Cyclin H CDK 7MAT1 磷 酸 化 修

16、饰 的 抑 制 作 用 ： 在 人 的 CDK1和 CDK2中 ， Thr14和 Tyr15残基 的 磷 酸 化 可 抑 制 CDK的 催 化 活 性 。 其 原 因 在 于 上 述 残 基 的 侧 链 位 于 该 酶 活 性中 心 ATP结 合 部 位 的 顶 端 ， 因 而 对 激 酶 的磷 酸 化 作 用 产 生 了 阻 碍 。3.2.2 Inhibition of CDK 催 化 Thr14和 Tyr15磷 酸 化 的 是 两 种 不 同 的 蛋 白激 酶 ， 使 Thr14磷 酸 化 的 为 蛋 白 激 酶 Myt1 ，使 Tyr15磷 酸 化 的 是 蛋 白 激 酶 Wee1/Mi

17、k1 。催 化 Thr14和 Tyr15脱 磷 酸 化 的 是 蛋 白 磷 酸 酶CDC25。因 此 ， 蛋 白 激 酶 Wee1和 Myt1及 蛋 白 磷 酸 酶CDC25的 相 对 活 性 ， 决 定 CDK1和 CDK2的 活性 高 低 。 Regulation of CDK ActivityCAK 抑 制 蛋 白 的 作 用 ： 近 年 来 ， 已 分 离 并 鉴 定 了 若 干 能 够 与 周 期素 -CDK复 合 物 特 异 性 结 合 并 抑 制 其 活 性的 蛋 白 因 子 ， 这 些 蛋 白 因 子 被 称 为 周 期 素依 赖 性 蛋 白 激 酶 抑 制 蛋 白 （ CKI

18、） 。 大 部 分 CKI都 是 抑 癌 基 因 的 编 码 产 物 。 在 哺 乳 动 物 细 胞 中 ， 目 前 已 经 确 定 的 CKI主要 有 ： P21WAF1/CIP1、 P27KIP1、 P16INK4和P15INK4B， 可 分 别 抑 制 各 型 CDK的 活 性 。 P21WAF1/CIP1： 是 由 抑 癌 基 因 WAF1/CIP1编 码 合 成 的 蛋 白质 ， 几 乎 能 与 所 有 的 周 期 素 -CDK复 合 物结 合 ， 抑 制 其 蛋 白 激 酶 活 性 ， 使 细 胞 停 留在 G1期 。 P27KIP1： 是 由 抑 癌 基 因 KIP1编 码 合

19、成 的 蛋 白 质 ， 也能 与 几 乎 所 有 的 周 期 素 -CDK复 合 物 结 合 ，抑 制 其 蛋 白 激 酶 活 性 ， 使 细 胞 停 留 于 G1期 。 p27-cyclin-cdk complex P16INK4A和 P15INK4B： 是 分 别 由 抑 癌 基 因 INK4A/MTS1和 INK4B/ MTS2编 码 合 成 的 蛋 白 质 ， 能 专 一 性 的 与CDK4和 CDK6结 合 ， 并 阻 止 其 与 周 期 素 的结 合 反 应 ， 从 而 抑 制 其 蛋 白 激 酶 活 性 ， 使细 胞 停 留 于 G1期 。 P53： 由 抑 癌 基 因 p53编

20、 码 合 成 的 蛋 白 质 ， 是WAF1/CIP1基 因 的 转 录 激 活 因 子 。 因 此 ， P53的 表 达 可 促 进 P21WAF1/CIP1的 转录 表 达 ， 从 而 抑 制 CDK的 蛋 白 激 酶 活 性 。 Function of P53 PRb： 是 由 Rb抑 癌 基 因 编 码 合 成 的 蛋 白 质 ， 有 低磷 酸 化 型 和 高 磷 酸 型 两 种 型 式 。 低 磷 酸 化 型 的 PRb可 与 转 录 因 子 E2F形 成 复合 体 ， 抑 制 其 转 录 激 活 作 用 ， 阻 止 细 胞 分裂 ； 而 高 磷 酸 化 型 的 PRb则 不 能 与

21、 E2F形 成复 合 体 。 催 化 PRb由 低 磷 酸 化 型 转 变 为 高 磷 酸 化 型的 蛋 白 激 酶 就 是 各 型 CDK。 Rb function is linked to other tumor suppressors 细胞周期的调控机制 Smad3/4 Mothers against decapentaplegic homolog 3/4ATM Serine-protein kinase ATMATR Serine-protein kinase ATR SKP2 S-phase kinase-associated protein 2SCF Skip1-cullin/cd

22、c53-F-box proteinGSK3 Glycogen synthase kinase 3HDAC Histone deacetylaseDP-1 Transcription factor Dp-1 Chapter 8 Cell Apoptosis Section 1 Introduction 细 胞 死 亡 也 是 一 种 重 要 的 生 命 过 程 。 目 前 ，经 “ 细 胞 死 亡 命 名 委 员 会 (NCCD)” 确 认 的 细胞 死 亡 类 型 至 少 有 10余 种 。其 中 ， 由 NCCD明 确 鉴 定 的 细 胞 死 亡 类 型 包 括 ：细 胞 坏 死 (cell

23、 necrosis)、 细 胞 凋 亡 (cell apoptosis)和 细 胞 自 噬 (cell autophage)。 1. Concept of Cell Apoptosis细 胞 凋 亡 （ cell apoptosis） 是 指 细 胞 自 杀 机制 被 活 化 而 引 发 的 一 种 以 细 胞 固 缩 为 主 要 形 态学 改 变 的 程 序 性 细 胞 死 亡 。细 胞 凋 亡 的 发 生 受 凋 亡 相 关 基 因 的 调 控 。凋 亡 细 胞 的 形 态 学 改 变 主 要 发 生 在 细 胞 核 。 凋亡 时 ， 由 于 细 胞 膜 保 持 完 整 ， 无 内 容 物

24、 溢 出 ，故 一 般 不 会 引 起 炎 症 反 应 。 2. Morphologic and Biochemical Characters of Cell Apoptosis凋 亡 细 胞 出 现 特 征 性 的 形 态 学 改 变 ： 染 色 质 密 集 ， 呈 边 缘 化 ； 核 固 缩 ； DNA链 断 裂 ； 出 现 凋 亡 小 体 。 2.1 Morphologic Characters Processing of Cell Death Comparison of Necrotic with Apoptotic Cellsnormal cell apoptotic cellnec

25、rotic cell Apoptotic Cell and Macrophage 凋 亡 细 胞 的 典 型 生 化改 变 是 将 其 基 因 组DNA进 行 琼 脂 糖 凝 胶电 泳 时 ， DNA片 段 表现 为 间 隔 180200bp的 阶 梯 状 条 带 。2.2 Biochemical Characters 3. Physiological Significances of Cell Apoptosis细 胞 凋 亡 是 多 细 胞 生 物 生 命 活 动 过 程 中 的 重 要内 容 。细 胞 凋 亡 贯 穿 于 动 物 全 部 生 命 周 期 中 ， 是 保 证个 体 发 育

26、成 熟 所 必 需 的 过 程 。 Section 2 Genes and Their Proteins Related to Apoptosis 1. Ced Gene FamilyCed基 因 家 族 是 线 虫 的 细 胞 凋 亡 相 关 基 因 ， 包括 Ced-3、 Ced-4、 Ced-9等 。其 中 ， Ced-3基 因 编 码 产 物 与 人 半 胱 氨 酸 蛋 白酶 （ 如 ICE） 同 源 ， Ced-4基 因 编 码 产 物 与 人Apaf-1蛋 白 同 源 ， Ced-9的 编 码 产 物 与 人 的bcl-2有 同 源 性 。 Ced基 因 家 族 的 表 达 产 物

27、 中 ， Ced-3和 Ced-4能 促 进 细 胞 凋 亡 ； 而 Ced-9能 与 Ced-3和 Ced-4形 成 复 合 物 并 抑 制 其 活 性 ， 从 而 抑 制 细 胞 凋亡 。 Regulation of Ced Proteins for Cell Apoptosis 2. rpr Generpr基 因 是 果 蝇 的 凋 亡 相 关 基 因 ， 该 基 因 编 码一 种 与 Fas的 DD结 构 域 同 源 的 小 分 子 多 肽 ， 以Fas介 导 凋 亡 类 似 的 方 式 激 活 ICE/Ced-3样 蛋白 酶 ， 促 进 细 胞 凋 亡 。 3. bcl-2 Gene

28、 Superfamilybcl-2基 因 定 位 于 人 第 18号 染 色 体 上 ， 与 线 虫 的ced-9基 因 同 源 ， 能 编 码 26kD的 Bcl-2和 22kD的 Bcl-2两 种 蛋 白 。bcl-2基 因 为 凋 亡 抑 制 基 因 ， 其 表 达 产 物 是 膜 整合 蛋 白 。 Bcl-2（ Bcl-XL） 蛋 白 具 有 下 列 抗 凋 亡 作 用 ： 能 抑 制 线 粒 体 PT孔 （ 通 透 性 转 变 孔 ） 开 放 ，减 少 Cyt c和 凋 亡 诱 导 因 子 （ AIF） 的 释 放 ； 能 结 合 和 灭 活 Apaf-1， 阻 断 其 对 casp

29、ase-9活 化 ； 能 特 异 地 结 合 Cyt c， 阻 止 其 诱 导 细 胞 凋 亡 。 现 已 发 现 至 少 存 在 29个 bcl-2基 因 的 同 源 物 ，它 们 在 线 粒 体 介 导 的 凋 亡 途 径 中 起 调 控 作 用 。 Bcl-2蛋 白 家 族 成 员 都 含 有 14个 Bcl-2同 源 结构 域 （ BH14） ， 并 且 通 常 有 一 个 羧 基 端 跨 膜结 构 域 （ transmembrane region， TM） 。 一 般 说 来 ， BH4是 抗 凋 亡 蛋 白 所 特 有 的 结 构 域 ，BH3则 是 与 促 进 凋 亡 有 关 的

30、 结 构 域 。因 此 ， 根 据 结 构 不 同 ， bcl-2家 族 成 员 中 ， 有些 具 有 抗 凋 亡 活 性 ， 有 些 则 具 有 促 凋 亡 活 性 。 根 据 功 能 和 结 构 可 将 Bcl-2家 族 分 为 两 大 类 ： 抗 凋 亡 的 （ anti-apoptotic） ： 如 Bcl-2、Bcl-xL、 Bcl-w、 Mcl-1等 。 促 凋 亡 的 （ pro-apoptotic） ： 包 括 多 结 构域 的 （ 如 Bax、 Bak、 Bok） 和 只 有 BH3结构 域 的 （ 如 Bad、 Bid、 Bim、 Bik等 ） 两 种亚 类 。 Molec

31、ular Structure of Bcl-2 Protein Family Bcl-2 蛋白家族成员 Bcl-2蛋 白 主 要 定 位 于 线 粒 体 外 膜 ， 可 与 促 凋 亡蛋 白 形 成 复 合 体 ， 抑 制 其 作 用 ， 因 而 具 有 拮 抗促 凋 亡 蛋 白 的 功 能 。而 大 多 数 Bcl-2家 族 的 促 凋 亡 蛋 白 则 主 要 定 位 于细 胞 浆 ， 一 旦 细 胞 受 到 凋 亡 因 子 的 诱 导 ， 即 可向 线 粒 体 膜 转 位 。 这 些 促 凋 亡 蛋 白 通 过 寡 聚 化 ， 在 线 粒 体 外 膜 形成 跨 膜 通 道 ； 或 者 开

32、启 线 粒 体 的 通 透 性 转 变孔 （ permeability transition pore， PT） ，促 使 线 粒 体 内 的 凋 亡 因 子 （ cyt c） 释 放 ， 激 活蛋 白 水 解 酶 caspase， 引 发 细 胞 凋 亡 。 Anti-apoptosis and Pro-apoptosis Effects of Bcl-2 Related Proteins 4. Caspase Gene Superfamily哺 乳 动 物 中 存 在 的 白 介 素 -1-转 化 酶 （ ICE）是 细 胞 凋 亡 蛋 白 酶 ， 与 线 虫 的 Ced-3同 源 ， 都

33、属 于 胱 -天 蛋 白 酶 家 族 （ cysteine aspartate-specific protease， caspase） 。这 些 蛋 白 酶 是 引 起 细 胞 凋 亡 的 关 键 酶 ， 一 旦 被信 号 途 径 激 活 ， 能 将 细 胞 内 的 蛋 白 质 降 解 ， 使细 胞 不 可 逆 的 走 向 死 亡 。 Active site: CysteineCleavage site: Asparatic acid Cysteine Asparatic acid specific proteaseAsp-Xxx天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶 在 人 类 细 胞 中 已

34、发 现 13个 ICE同 源 物 ， 分 为 2个 亚 家 族 ： ICE亚 家 族 包 括 caspase-1、 4、 5、11、 12、 13等 ， 主 要 参 与 炎 症 反 应 ； CED-3亚 家 族 包 括 caspase-2、 3、 6、7、 8、 9、 10等 ， 主 要 参 与 细 胞 凋 亡 。 Types of ICE Related Proteins 目 前 已 经 鉴 定 的 caspase的 水 解 底 物 包 括 ：多 聚 （ ADP-核 糖 ） 聚 合 酶 （ PARP） ；纤 层 蛋 白 （ lamins） ；caspase依 赖 的 DNA酶 抑 制 蛋 白

35、 （ ICAD） ；小 核 蛋 白 体 蛋 白 （ HnRNP proteins） 等 20多 种 。 The Substrates of Caspases 多 聚 （ ADP-核 糖 ） 聚 合 酶 （ PARP） 是 一 种 与DNA损 伤 修 复 、 基 因 完 整 性 监 护 有 关 的 聚 合 酶 ，其 作 用 是 将 NAD+分 子 中 的 ADP转 移 到 与 DNA修 复 相 关 的 酶 分 子 上 ， 提 高 其 催 化 效 率 。当 细 胞 凋 亡 启 动 时 ， PARP被 caspase剪 切 ， 导致 受 PARP负 调 控 的 核 酸 内 切 酶 活 性 增 高 ，

36、 进 而裂 解 核 小 体 之 间 的 DNA， 引 发 细 胞 凋 亡 。 纤 层 蛋 白 （ lamins） 属 于 中 间 纤 维 丝 蛋 白 家 族 ，参 与 构 成 支 撑 核 内 膜 的 网 架 结 构 ， 同 时 对 染 色质 的 定 向 和 组 织 起 作 用 。小 核 糖 体 蛋 白 （ HnRNP proteins） 则 参 与 构成 小 核 蛋 白 体 ， 与 hnRNA的 成 熟 加 工 有 关 。 5. Apaf-1 GeneApaf-1基 因 表 达 的 Apaf-1蛋 白 为 凋 亡 酶 激 活 因子 -1（ apoptotic protease activati

37、ng factor-1） ， 与 线 虫 的 Ced-4蛋 白 同 源 ， 在 线 粒 体 介 导的 凋 亡 途 径 中 起 重 要 作 用 。 Apaf-1含 有 3个 不 同 的 结 构 域 ： CARD（ caspase recruitment domain）结 构 域 ， 能 召 集 caspase-9； Ced-4 同 源 结 构 域 ， 能 结 合 ATP/dATP； C端 结 构 域 ， 含 有 色 氨 酸 /天 冬 氨 酸 重 复 序列 ， 当 细 胞 色 素 c结 合 到 这 一 区 域 后 ， 能引 起 Apaf-1多 聚 化 而 激 活 。 Apaf-1具 有 激 活 c

38、aspase-3的 作 用 ， 而 这 一 过程 又 需 要 细 胞 色 素 c（ Apaf-2） 和 caspase-9（ Apaf-3） 参 与 。Apaf-1-细 胞 色 素 c复 合 体 与 ATP/dATP结 合 后 ，Apaf-1就 可 以 通 过 其 CARD结 构 域 召 集caspase-9， 形 成 凋 亡 体 （ apoptosome） ，激 活 caspase-3， 启 动 caspase级 联 反 应 。 凋亡体的形成 凋亡体与caspase 级联反应 Fas基 因 ， 定 位 于 人 第 10号 染 色 体 上 ， 其 编 码 产物 为 45kD的 跨 膜 受 体

39、， 属 于 TNF受 体 家 族 。Fas受 体 （ 又 称 APO-1或 CD95） 的 分 子 结 构 可分 为 三 个 区 ， 即 具 有 三 个 富 含 半 胱 氨 酸 的 胞 外 区 、跨 膜 区 和 具 有 死 亡 结 构 域 （ Death domain， DD） 的 胞 内 区 。 6. Fas and FasL Genes Fas的 胞 内 区 DD结 构 域 可 与 接 头 蛋 白 FADD （ Fas associated death domain protein）偶 联 ， 然 后 再 通 过 FADD的 死 亡 效 应 结 构 域（ death effecter do

40、main， DED） 与 Pro-caspase-8偶 联 ， 从 而 将 胞 外 的 凋 亡 信 号 传 递到 细 胞 内 。 Fas 的分子结构 DD death domain DED death effector domainFADD Fas associated death domain Fas与 其 配 体 （ FasL） 的 相 互 作 用 ， 是 引 发 细胞 凋 亡 的 主 要 途 径 之 一 。Fas与 其 抗 体 或 FasL结 合 后 ， 可 迅 速 激 活caspase级 联 反 应 ， 裂 解 DNA， 诱 发 细 胞 凋 亡 。 FasL基 因 定 位 于 人 第

41、1号 染 色 体 上 ， 主 要 在 活化 的 淋 巴 细 胞 表 面 表 达 ， 产 生 凋 亡 信 号 ； 也 可在 T细 胞 激 活 过 程 中 被 诱 导 表 达 。Fas与 FasL的 协 同 表 达 ， 对 胸 腺 中 T淋 巴 细 胞的 发 育 、 分 化 与 凋 亡 以 及 细 胞 毒 活 性 起 调 节 作用 。 7. IAP Gene Superfamily细 胞 凋 亡 抑 制 因 子 （ inhibitor of apoptosis，IAP） 超 家 族 的 成 员 较 多 ， 如 c-IAP1， c-IAP2，XIAP， NIAP 和 Survivin等 ， 新 的

42、成 员 仍 在 不断 被 发 现 。IAP家 族 成 员 有 一 个 共 同 的 特 征 ， 含 有 一 个 或 多个 70个 氨 基 酸 的 重 复 序 列 （ BIR） ， 类 似 于 zinc指 状 的 结 构 。 c-IAP1、 c-IAP2和 XIAP还 含 有环 指 状 结 构 域 （ RING） 。 Molecular Structure of Human Cellular IAPs BIR功 能 域 和 之 间 的 连 接 区 域 介 导 对 caspase的 抑 制 作 用 ， 而 环 指 状 结 构 域 （ RING） 则 具有 泛 素 化 蛋 白 连 接 酶 的 作 用

43、， 介 导 caspase-3和 -7的 泛 素 化 降 解 作 用 。 p53基 因 定 位 于 人 的 第 17号 染 色 体 上 ， 是 一 种多 功 能 基 因 ， 其 表 达 产 物 P53能 在 G1期 监 视DNA的 完 整 性 。 如 有 损 伤 ， 则 抑 制 细 胞 增 殖 ，直 到 DNA修 复 完 成 ； 如 受 损 DNA不 能 修 复 ，则 诱 导 细 胞 进 入 凋 亡 程 序 。8. p53 Gene P53作 为 一 种 转 录 因 子 ， 是 Bax的 正 调 节 因 子 ，Bcl-2的 负 调 节 因 子 。当 细 胞 受 到 射 线 照 射 后 ， P5

44、3可 迅 速 上 调 Bax的 表 达 ， 从 而 促 进 细 胞 凋 亡 。 c-myc基 因 也 是 一 种 多 功 能 基 因 ， 定 位 于 人 第 8号 染 色 体 ， 编 码 分 子 量 为 62kD的 蛋 白 质 。c-Myc蛋 白 位 于 细 胞 核 内 ， 具 有 转 录 因 子 活 性 ，一 方 面 能 激 活 控 制 细 胞 增 殖 的 基 因 ， 另 一 方 面也 能 激 活 促 进 细 胞 凋 亡 的 基 因 表 达 ， 故 具 有 促进 细 胞 增 殖 和 凋 亡 的 双 重 效 应 。9. c-Myc Gene c-Myc与 Bcl-2之 间 存 在 协 同 作

45、用 。Bcl-2能 抑 制 c-Myc所 致 细 胞 凋 亡 ， 但 不 影 响其 促 有 丝 分 裂 作 用 ， 即 当 生 长 因 子 存 在 、Bcl-2表 达 时 ， c-Myc促 进 细 胞 增 殖 ， 反 之 则细 胞 凋 亡 。 c-Myc蛋 白 的 作 用 机 理 与 另 一 种 转 录 因 子 Max形 成 异 源 二 聚 体 有 关 。 此 复 合 物 可 与 特 定 的DNA序 列 相 结 合 ， 发 挥 调 节 基 因 表 达 的 作 用 。已 知 这 两 种 转 录 因 子 可 形 成 Myc-Max和 Max-Max两 种 不 同 的 二 聚 体 ， 但 它 们 都

46、 能 与 同 一DNA序 列 相 结 合 ， 产 生 不 同 的 调 节 效 应 。当 缺 乏 生 长 因 子 时 ， 更 多 的 形 成 Myc-Max复 合物 ， 从 而 诱 导 细 胞 凋 亡 。 Complexes of Myc, Max and Mad Regulating Roles of Myc Section 3 Molecular Mechanisms for Cell Apoptosis 目 前 已 知 ， 细 胞 凋 亡 可 分 为 caspase依 赖 和caspase不 依 赖 两 种 机 制 ， 而 caspase依 赖的 细 胞 凋 亡 又 包 括 三 种 方 式

47、 ： 受 体 介 导 的 细 胞 凋 亡 （ 外 源 通 路 ） ； 线 粒 体 介 导 的 细 胞 凋 亡 （ 内 源 通 路 ） ； 内 质 网 介 导 的 细 胞 凋 亡 （ 内 源 通 路 ） 。 由 存 在 于 细 胞 膜 上 的 死 亡 受体 介 导 ， 将 外 源 性 凋 亡 信 号传 递 到 细 胞 内 ， 引 发 细 胞 调亡 。常 见 的 死 亡 受 体 包 括 ： TNFR、Fas、 DR3、 DR4、 DR5等 。1.1 Cell Apoptosis Mediated by Death Receptor1. Caspase-dependent Cell Apoptosi

48、s Process of Cell Apoptosis Mediated by Death Receptor死亡受体与配体结合，使受体三聚化受体胞内DD区构象改变，与接头蛋白FADD的DD区结合FADD的N端DED区与caspase-8（或-10）前体蛋白结合，形成凋亡诱导的信号复合体（DISC） caspase-8、10自身剪切激活，启动caspase级联反应caspase-3，-6，-7激活降解CAD抑制蛋白（ICAD/DFF-45），释放出caspase依赖的DNase（CAD）降解DNA，引发细胞凋亡 Death Receptor Apoptotic Pathway FADD（ Fas

49、-associated death domain） ； DD（ death domain） ；DED （ death effector domain） 。 1.2 Cell Apoptosis Mediated by Mitochondria 物理或化学凋亡信号激活Bax、Bad、Bid等促凋亡蛋白，线粒体PT孔开放或形成线粒体凋亡因子（Cyt c等）渗透出线粒体Process of Cell Apoptosis Mediated by Mitochondria Cyt c与Apaf-1及pro-caspase-9组成凋亡体caspase-9激活并启动caspase级联反应降解ICAD及细胞功

50、能或结构蛋白，引发细胞凋亡 Mitochondrial Apoptotic Pathway 1.3 Cell Apoptosis Mediated by Endoplasmic Reticulum内 质 网 在 维 持 细 胞 内 钙 离 子 内 环 境 稳 定 、 膜 蛋白 的 合 成 、 修 饰 和 折 叠 等 方 面 有 关 键 性 作 用 。Caspase-12 位 于 内 质 网 膜 ， 是 内 质 网 应 激 诱导 凋 亡 所 必 须 的 。内 质 网 应 激 导 致 Ca2+释 放 进 入 胞 浆 ， 激 活Calpain（ 钙 激 活 的 中 性 蛋 白 酶 ） ， 水 解 并

51、 激活 caspase-12 ， 同 时 也 导 致 caspase-7的 激活 ， 最 终 导 致 细 胞 凋 亡 。 Ask1 Apoptosis signal regulating kinase 1NIK Nuclear factor-kappa B-inducing kinaseIAP Apoptosis inhibitor IAPJNK c-Jun N-terminal kinasep90RSK 90kD Ribosomal protein S6 kinaseFKHR Forkhead box protein O1AGSK3 Glycogen synthase kinase 3APP

52、 Amyloid precursor proteinAIF Apoptosis-inducing factor 1 FLIP CASP8 and FADD-like apoptosis regulator SMAC Second mitochondria-derived activator of caspase RAIDD Caspase and RIP adapter with death domain PIDD p53-induced protein with a death domain SIR2 NAD-dependent histone deacetylase HtrA2 Serin

53、e protease HTRA2Calpain Calcium-activated neutral proteinase 2. Caspase-independent Cell Apoptosis实 验 证 明 ， caspase的 抑 制 不 能 阻 断 细 胞 凋 亡的 发 生 ， 表 明 细 胞 凋 亡 还 以 不 依 赖 于 caspase 的 方 式 发 生 。不 依 赖 caspase的 细 胞 凋 亡 涉 及 到 Bax诱 导 的细 胞 死 亡 ， 也 涉 及 到 其 他 蛋 白 酶 ， 如 钙 蛋 白 酶 、蛋 白 酶 体 及 丝 氨 酸 蛋 白 酶 诱 导 的 细 胞 死 亡

54、 。 丝 氨 酸 蛋 白 酶 与 核 酸 内 切 酶 白 细 胞 弹 性 蛋 白 酶抑 制 剂 的 细 胞 死 亡 途 径 有 关 ， 这 一 途 径 的 关 键分 子 是 LEI（ 丝 氨 酸 蛋 白 酶 抑 制 剂 ） 。LEI在 酸 性 pH或 蛋 白 酶 作 用 下 ， 经 翻 译 后 水 解加 工 ， 分 子 量 降 低 ， 并 伴 随 着 核 酸 内 切 酶 活 性的 出 现 ， 从 而 导 致 DNA的 降 解 和 细 胞 死 亡 。 Section 4 Cell Apoptosis and Diseases The Diseases Associated with Apopto

55、sis Regulation Abnormalities细胞凋亡不足细胞凋亡过度肿瘤肝癌、恶性血液肿瘤、乳腺癌、膀胱癌、肺癌、胶质瘤、前列腺癌等发育异常气管-食管瘘、房（室）间隙缺损、唇（腭）裂、短肢畸形、尿道下裂以及多囊肾等发育异常先天性消化道、胆道、肛门狭窄或闭锁、动脉导管未闭、两性畸形、甲状舌骨囊肿等CNS Alsheimer病、Parkin-son病、肌萎缩性侧索硬化症、色素性视网膜病，脊肌肉萎缩、早老性痴呆免疫系统系统性红斑狼疮、糖尿 病、类风湿性关节炎、桥本甲状腺炎、多发性的硬化症等免疫系统免疫缺陷病、AIDS 复 习 思 考 题1. 试 叙 述 细 胞 周 期 的 时 相 及 其 特 征 。2. 试 叙 述 周 期 素 及 CDK的 种 类 、 结 构 与 功 能 。3. 试 叙 述 细 胞 周 期 的 调 控 机 理 。4. 细 胞 凋 亡 的 形 态 及 生 化 特 征 有 哪 些 ？5. 试 叙 述 细 胞 凋 亡 相 关 基 因 及 其 表 达 产 物 的 作用 机 制 。6. 试 叙 述 细 胞 凋 亡 调 控 的 主 要 通 路 。