细胞周期及其调控细胞周期及其调控Cell Cycle and its ControllingCell Cycle and its Controlling

导师：梁建生

学生：张 圆

2001 年诺贝尔生理医学奖获奖者

• 细胞周期的概念及时相的划分。• 细胞周期中的细胞类群及细胞周期转换点。

一、细胞周期（ Cell Cycle ）

细胞周期的时相划分：

细胞分裂周期（ cell division cycle ， CDC ）：

通过细胞分裂产生的新细胞的生长开始到下一次细胞分裂形成子细胞结束为止所经历的过程。细胞周期普遍存在于动植物细胞的正常或异常增殖的细胞中。

细胞周期细胞周期（（ Cell cycleCell cycle ））

间期间期（（ InterphaseInterphase ））

分裂期分裂期（（ Mitotic phaseMitotic phase ））

GG11 期期S S 期期GG22 期期

前期前期中期中期后期后期末期末期

an engine

a gear box

Mitosis PerformancingMitosis Performancing

细胞周期中的不同细胞类群(Variety of cell groups in cell cycle)

• 持续分裂细胞：又称周期性细胞，即在细胞周期中保持持续分裂能力的细胞。

• 终端分化细胞：永久性失去了分裂能力的细胞，它们不可逆地脱离了细胞周期。

• G0 期细胞：又称休眠细胞或静止细胞，暂脱离细胞周期，不进行 DNA 复制和分裂，但可在某些条件的诱导下重新开始 DNA 的合成和细胞分裂过程。

机体 (活细胞 )由周期性细胞（如表皮基底层细胞等），静息期细胞（ G0期细胞，如皮下结缔组织中的纤维母细胞，肝细胞和肾细胞等）和终末分化细胞（如神经细胞等）构成。

细胞周期检测点（ Check point ）

• 有些书上称为关卡，为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 复制受阻时，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。

• 细胞周期检查点的两个关键时期分别是G1/S 期和 G2/M 期。

二、细胞周期调控的研究回顾

Cell cycle control – A biref historical perspective

• 成熟促进因子（ maturation promoting factor, MPF) 的发现。

• 周期蛋白（ Cyclin ）的发现 。• MPF 的提纯及其成分的鉴定——细胞周期

调控研究的飞跃。• 细胞周期蛋白和依赖于周期蛋白的激酶。• 细胞周期运转的制动控制。

MPF 的发现发现者： Pro. Yoshio Masui [ 日 ]研究材料：豹蛙研究方法：卵母细胞离体成熟系统 [ 中，朱冼 ]研究背景：垂体激素孕酮类可诱导蛙卵成熟研究过程： 前期Ⅰ卵母细胞 去除卵核 孕酮处理 未成熟的卵母细胞中研究结果：未成熟的卵母细胞的卵质和从成熟的卵母细胞中抽

提的卵质一样可诱导胚泡破裂，导致成熟。推测结论：卵母细胞在成熟过程中产生了促进卵母细胞成熟的

活性因子 MPF 。结果验证： 80 年代后，其他科学家们在海星卵母细胞、人Hal

a 细胞、酵母、小鼠卵母细胞中相继鉴定出了 MPF 。

周期蛋白（ Cyclin ）的发现发现者： Pro. Tim Hunt [英 ]研究材料：海胆卵子研究方法： SDS-PAGE凝胶电泳研究背景：（好奇）比较受精卵和单性发育激活卵中蛋白质合成的类型和速率。

研究过程： 35S标记的蛋氨酸加到受精的和单性发育激活了的海胆卵子 SDS-PAGE 每隔一定的时间间隔取样比较研究结果：当绝大多数蛋白带随着发育愈来愈强时，一个早期表现很强的蛋

白带在 1小时后消失了，一段时间后又会再次出现和消失，其出现和消失呈现出周期性。

进一步的研究认证： 该蛋白消失于细胞分裂前 10 分钟，当用秋水仙素或用抑 DNA 合成来抑制

细胞分裂时，该蛋白的降解被延缓或不降解。推测结论：此蛋白即为人们多年来一直寻找的周期蛋白（周期蛋白 B）。结果验证：在其他动物如果蝇、酵母、海星、爪蟾等动物中相继发现并被克隆。

MPF 的提纯及其成分的鉴定 ——细胞周期调控研究的飞跃

• 研究背景：酵母中发现 p34cdc2 （ cdc2 表达蛋白）（ cdc , cell division cycle)必须与周期蛋白结合后才具有活性，导致细胞进入有丝分裂 .

• 80 年代末， Manfred Lohka从爪蟾卵母细胞体外系统中提出了 MPF ，与时同时，一批英法学者也从海星的卵母细胞体外外系统中提纯到了 MPF 。

• MPF 由两个蛋白组成： 酵母 p34cdc2 的同源物 + 周期蛋白 B 细胞周期调控的关键因子

细胞周期蛋白和依赖于周期蛋白的激酶(Cyclin and CDKs)

• 植物细胞中周期蛋白的类型及结构特征。• 植物细胞中 CDKs (cyclin-dependent kina

se) 的类型及结构特征。

细胞周期蛋白• 定义： 1. 指随着细胞的周期运转而出现和消失的特异蛋白。

2. 含有类似于“周期蛋白框 (cyclin box)”的一致性共有序列的一批蛋白，是组成依赖于周期蛋白激酶的调节亚单位。

(Cyclin box:一段含有约 100 个氨基酸序列的区域，是介导周期蛋白与其激酶催化亚基结合的关键部位。 )

Consensus Sequences for Cyclins (Vandepoele K. et al.2002,The plant cell)Subclass Cyclin Box SignatureCyclin A1 MR-(I/V)L(I/V)DW Cyclin A2 MR-(I/V)L(I/V)DWCyclin A3a MR-(I/V)L(I/V)DWCyclin B1 MR-IL(I/V/F)DWCyclin B2 MR-IL(I/V/F)DWCyclin B3 TRGILINWCyclin D1 REDSVAWCyclin D2 RNQALDW.Cyclin D3 R(E/K)(E/K)A(L/V)(D/G)W Cyclin D4 R(R/I)(D/Q)AL(N/G)WCyclin D5 RLIAIDWCyclin D6 RNQAISSCyclin D7 RFHAFQWCyclin Hc MRAFYEAK

植物细胞中周期蛋白的类型及结构特征

周期蛋白可分为 A 、 B、 D 、 H四大类型，A 、 B型与细胞分裂过程有关，又称为细胞分裂周期蛋白 (mitosis cyclins)； D型周期蛋白与 G1/S 过渡有关，称为 G1 期特有的周期素(G1- specific cyclins) 。 H型周期蛋白调节 CAKs 的活性。

不同植物中的周期蛋白数目差异很大，如用已知的植物周期蛋白作为探针，在拟南芥基因组中寻找出 30种周期蛋白，可分为 A1-3， B1-2 ， D1-7。

Class of CDKs

A-type CDKs 特征序列 :PSTAIREB1-type CDKs 特征序列 :PPTALREB2-type CDKs 特征序列 :PPTTLRECDKC,CDKD,CDKE亚型很少，对它们的功能也知道的很少。

CAKs(CDK activating kinases) CDKs 的活动需要专一的苏氨酸残基的磷酸化作用，这种作用由 CAKs 激活

• Umeda 在拟南芥中分离到一种 cDNA, 称为 cak1At ，它编码的蛋白质与动物的 CAKs 相关。

• Fisher RP 等从水稻中分离到的 CAK R2 不仅对 CDKs 发生磷酸化作用，而且对RNA聚合酶Ⅱ的 C-末端区域（ CTD ）也发生磷酸化，表明 CAK R2不仅与 CDK激活有关，还与核蛋白的表达有关。

Rice suspension cells transformed with pUbi-R2 were analyzed flow cytometrically at 5, 7, and 12 days after subculture. Three wild-type (wt) cell lines and six independently transformed R2-overexpressing (transgenic) cell lines were analyzed. The number of cells in G2-phase was calculated as a percentage of the total cell population.Numbers given are averages (SE) from all lines analyzed in two independent experiments.

R2 is a nuclear protein with increased expression and increased CTD kinase activity in S-phase ,Increasing R2 abundance through a transgenic approach accelerated S-phase progression and overall growth rate in suspension cells.

(Tanja Fabian-Marwedel, The Plant Cell, Vol. 14, 197–210, January 2002)

• 具有活性的 CDKS/Cyclin 复合物可以使RBR(retinoblastoma-related proteins)磷酸化，释放出与RBR结合的 E2F/DP 转录因子，启动细胞分裂进入 S期。

细胞周期运转的制动控制

• 1. 周期蛋白抑制子 (cyclin-dependent kinase inhibitor ， CKI) 。

• 2. 依赖于泛素 (ubiquitin) 的蛋白水解。

1. 周期蛋白抑制子 (CKI)• CKI是调节 CDK活性的另一类重要因子。对 CDK活

性起抑制作用。 CDK抑制剂基因编码低分子量蛋白质，在细胞周期调节、发育及肿瘤生成中具有重要作用。

• 在动物及酵母中主要分为两大类： INK4家族（ p16INK）和 CIP/KIP家族（ p21 ）以及一些其他类型。

• 在植物中，很多植物中都已发现了与动物细胞中 CIP/KIP CKI 序列相似的家族。但尚未发现 INK4类 CKIs 。

（ CIP ， CDK-interacting protein ;KIP, CDK inhibitor protein ）

Structural Organization of KRP1-7 and Chenopodium KRP.

Conserved sequence boxes are indicated (1 to 6). N, nuclear localization signal; P, CDK consensus phosphorylation site; striped boxes, PEST domains. The predicted molecular masses (kD) are indicated at right.

Figure . Phenotypic Analysis of KRP2-Overproducing Lines. (A) Four-week-old soil-grown control plant. The inflorescence was removed to visualize the rosette leaves. (B) KRP2-overproducing plant with removed inflorescence. (C) Fifth leaf of a control plant grown in vitro. (D) Fifth leaf of a KRP2-overproducing plant. (E) Adaxial epidermal cells of the fifth leaf of a control plant. (F) Adaxial epidermal cells of a KRP2-overproducing plant. (G) Palisade cells of the fifth leaf of a control plant. (H) Palisade cells of a KRP2-overproducing plant. Bars in (A) and (B) = 2 mm; bars in (C) and (D) = 5 mm; bars in (E) to (H) = 50 µm.

2. 依赖于泛素的蛋白水解

•泛素（ ubiquitin ）：一种由 76个按基酸组成的具有高度保守性（在植物、动物及酵母等中发现的泛素序列相比，仅有两个三个氨基酸的差异）的小分子蛋白，是所有真核细胞中普遍存在的最为丰富的蛋白之一，故又称遍在蛋白。

•泛素的主要作用：参与细胞内其他蛋白的降解。

依赖于泛素的蛋白水解主要步骤

桂建芳编著，桂建芳编著， 20002000 ，科学出版，科学出版社社

Proteolysic degradation in plants

• 蛋白水解是真核生物中除磷酸化作用外另一极为重要的控制细胞周期检查点的因素。这一形式在植物中应同样存在，因为：

（ 1 ）已在植物中发现了依赖于遍在蛋白的水解系统，其中某些蛋白的表达与细胞增殖存在一定的相关性。

（ 2 ） Genschik et al 在植物的 A型和 B型周期素中找到了一些特征（具遍在蛋白调节降解特征）性的破坏盒（ destruction box), 会引起烟草悬浮细胞中与细胞周期相关的蛋白质的不稳定。

（ 3）在植物的 CDKs 和 Cyclin 中 PEST 序列很丰富，而这一序列也与蛋白质的降解有关。

三、植物细胞周期中的关卡

Plant cell cycle transitions

G1 S 期转变

G2 M 转变

四、植物细胞周期调控模式

Model of cell cycle control in plants