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1、关于细胞周期调控系统第一页，本课件共有78页细胞周期调控系统：Cyclin:Cyclin:调节亚基调节亚基Cdk(cyclin dependent kinase)：催化亚基：催化亚基第二页，本课件共有78页多种控制细胞周期调控系统活化的方式1.Cdks与Cyclins的结合2.磷酸化与去磷酸化3.蛋白质降解4.基因表达调控5.CKI的结合6.空间分布7.细胞内外信号的协调第三页，本课件共有78页G1期：转录细胞外（如有丝分裂原）和细胞内的信号（如细胞生长监控系统）可启动G1/S-和和S-S-细胞周期蛋白基因的表达，最终可以激活G1/S-Cdks，新的细胞周，新的细胞周期因此开始。期因此开始。第
2、四页，本课件共有78页G2期：磷酸化与去磷酸化Cdk亚单位的抑制型磷酸化处于无活性的磷酸状态。当有丝分裂开始时，这些磷酸化的突然去除导致了所有M-Cdk的激活，触发了G2/M检验点的转换。第五页，本课件共有78页M期：蛋白质降解1.1.破坏破坏S S期和期和MM期细胞周期蛋白期细胞周期蛋白使所有主要使所有主要CdksCdks在有丝分裂后在有丝分裂后半段失活。半段失活。2.2.破坏姐妹染色单体结合在一起的蛋白破坏姐妹染色单体结合在一起的蛋白染色体分离。染色体分离。第六页，本课件共有78页细胞周期调控系统的特性：第一，细胞周期调控系统包括反馈环和其他调节的相互作用，第一，细胞周期调控系统包括反馈环
3、和其他调节的相互作用，使大部分周期蛋白使大部分周期蛋白-Cdk-Cdk复合物产生不可逆的，开关样的激活和失复合物产生不可逆的，开关样的激活和失活。因此，细胞周期事件通常是以活。因此，细胞周期事件通常是以“全或无全或无”的方式进行，以使细胞的方式进行，以使细胞避免一些事件的部分激活造成的伤害。避免一些事件的部分激活造成的伤害。第二，不同周期蛋白第二，不同周期蛋白-Cdk-Cdk开关的相互调节作用确保它们之间的开关的相互调节作用确保它们之间的有序与协调。有序与协调。第七页，本课件共有78页细胞周期调控系统的特性：第三，细胞周期调控系统极为强大：每个周期蛋白第三，细胞周期调控系统极为强大：每个周期蛋
4、白-Cdk-Cdk开关的开关的激活与失活都能通过激活与失活都能通过多种机制进行调控多种机制进行调控，使得系统在即使，使得系统在即使部分组分部分组分出现问题的情况下，依然运转良好。出现问题的情况下，依然运转良好。最后，系统具有最后，系统具有可适应性可适应性，在各种细胞内和细胞外的调节因子的，在各种细胞内和细胞外的调节因子的作用下，主要调控开关的时间点可以能作出相应的调整。作用下，主要调控开关的时间点可以能作出相应的调整。第八页，本课件共有78页第一节 细胞周期蛋白依赖的蛋白激酶第九页，本课件共有78页 细胞周期蛋白依赖激酶（细胞周期蛋白依赖激酶（CdksCdks）属于丝氨酸苏氨酸蛋白激）属于丝氨
5、酸苏氨酸蛋白激酶家族，其成员都是小分子量蛋白质酶家族，其成员都是小分子量蛋白质(34-40kDa)34-40kDa)所有的所有的CdksCdks都有一个共同的特征，即它们酶活性的激活需要都有一个共同的特征，即它们酶活性的激活需要结合细胞周期蛋白结合细胞周期蛋白调节亚单位。调节亚单位。大部分情况，大部分情况，CdksCdks的完全激活还需要靠近激酶活性位点的的完全激活还需要靠近激酶活性位点的苏苏氨酸的磷酸化氨酸的磷酸化。一、细胞周期蛋白依赖激酶的特性第十页，本课件共有78页动物细胞包括至少九种Cdks，其中只有四种（Cdk1,2,4,6）直接参与了细胞周期调控 一、细胞周期蛋白依赖激酶的特性第十
6、一页，本课件共有78页Cdk功能在进化中高度保守。如果把酵母的Cdk1基因替换为人的Cdk1，酵母细胞依然能正常增殖。Cdks能磷酸化几百种不同的蛋白质。Cdk蛋白识别的特定序列的丝氨酸或苏氨酸残基。Cdks典型的磷酸化序列是S/T*PXK/R，其中S/T*是指磷酸化的丝氨酸或苏氨酸，X代表任意氨基酸，K/R代表碱性氨基酸赖氨酸（K）或精氨酸（R）。一、细胞周期蛋白依赖激酶的特性第十二页，本课件共有78页小的氨基端小叶大的羧基端小叶 一个大的可弯曲的环T-环或激活环从羧基端小叶伸出，可阻止蛋白底物结合到活性位点缝隙入口处。未激活状态下，Cdk活性位点的很多重要氨基酸侧链定位不正确，使得ATP的
7、磷酸根定向不利于激酶反应。二、细胞周期蛋白依赖激酶的结构第十三页，本课件共有78页T-loop第十四页，本课件共有78页PASTAIRE螺旋(也叫1螺旋)与细胞周期蛋白直接作用，结合时向内移动，引起与ATP磷酸根作用的残基重新定向。二、细胞周期蛋白依赖激酶的结构第十五页，本课件共有78页第二节 细胞周期蛋白Cyclin第十六页，本课件共有78页一：细胞周期蛋白分四类 细胞周期蛋白在细胞周期过程中表现出剧烈的浓度变化，以帮助细胞周期蛋白在细胞周期过程中表现出剧烈的浓度变化，以帮助产生产生CdkCdk活性的震荡变化，这是形成细胞周期调控系统的活性的震荡变化，这是形成细胞周期调控系统的基础。基础。细
8、胞周期蛋白基因表达的改变细胞周期蛋白基因表达的改变 蛋白酶解蛋白酶解 三个检验点；四类细胞周期蛋白三个检验点；四类细胞周期蛋白:G1,G1/S,S,M:G1,G1/S,S,M 第十七页，本课件共有78页 G1/SG1/S细胞周期蛋白：在细胞周期蛋白：在G1G1期的晚期升高，在期的晚期升高，在S S期早期下降期早期下降：启动：启动DNADNA复制，中心体复制复制，中心体复制 S S细胞周期蛋白：在细胞周期蛋白：在S S期升高。负责期升高。负责DNADNA复制，一次复制，一次 MM细胞周期蛋白：细胞周期蛋白：S-G2-MS-G2-M。负责有丝分裂。负责有丝分裂纺锤体的装配纺锤体的装配，姊妹姊妹染色
9、单体在纺锤体上的排列染色单体在纺锤体上的排列 G1G1细胞周期蛋白：浓度并不发生震荡变化，而是随着细胞的生细胞周期蛋白：浓度并不发生震荡变化，而是随着细胞的生长和细胞外生长调节信号出的存在，在整个细胞周期中的浓度长和细胞外生长调节信号出的存在，在整个细胞周期中的浓度逐渐增加。逐渐增加。负责新负责新细胞周期的设定。第十八页，本课件共有78页一：细胞周期蛋白分四类第十九页，本课件共有78页二、细胞周期蛋白的结构 不同的一级结构：不同的一级结构：约约100100个氨基酸的个氨基酸的细胞周期蛋白盒细胞周期蛋白盒，与，与CdkCdk的结合和激活必需。的结合和激活必需。相似的三级结构，称为细胞周期蛋白折叠
10、，包括一个由两个相似的三级结构，称为细胞周期蛋白折叠，包括一个由两个紧密的结构域构成的核心。每个结构域包含五个紧密的结构域构成的核心。每个结构域包含五个alpha alpha 螺旋。螺旋。第一个五个螺旋簇对应于保守的细胞周期蛋第一个五个螺旋簇对应于保守的细胞周期蛋白盒。第二个五个螺旋簇与第一个螺旋簇相白盒。第二个五个螺旋簇与第一个螺旋簇相同，尽管序列相似性有限。同，尽管序列相似性有限。第二十页，本课件共有78页 细胞周期蛋白氨基末端区域的长度尤其不一样，包括了细胞细胞周期蛋白氨基末端区域的长度尤其不一样，包括了细胞周期蛋白特异的周期蛋白特异的调控和靶向结构域调控和靶向结构域。S S细胞周期蛋白
11、和细胞周期蛋白和MM细胞周期蛋白的氨基末端区域含有短的细胞周期蛋白的氨基末端区域含有短的降降解盒基序解盒基序，能在有丝分裂期靶向蛋白酶解。，能在有丝分裂期靶向蛋白酶解。二、细胞周期蛋白的结构二、细胞周期蛋白的结构第二十一页，本课件共有78页第三节 细胞周期调控系统的活性的调节第二十二页，本课件共有78页细胞周期调控系统的活性受到多种因素的调节第二十三页，本课件共有78页使得Cdk2构象发生变化，最明显的变化发生在T环（T-loop）处，Cyclin的结合也使L12小螺旋转化为链，使后面的T环发生重构，不再堵塞蛋白底物的结合位点，而是在缝隙入口处几乎平坦排列。一、与cyclin的结合是Cdk活化
12、的基本条件第二十四页，本课件共有78页底物的靶向性：1.Cdks：T-环与底物的SPXK的保守序列作用。2.细胞周期蛋白：疏水斑与底物上的RXL基序作用3.Cks1：磷酸根结合袋的存在能使其靶向那些含有多个磷酸化位点的靶蛋白。一、与cyclin的结合是Cdk活化的基本条件第二十五页，本课件共有78页决定Cdk的底物特异性。位于cyclin表面称为疏水斑的区域，与含有互补疏水序列称为RXL（或Cy）的基序的底物以中度亲和力结合。cyclin结合的也可以将Cdk带到其底物所在的空间部位。有些cyclin包含有序列信息，能够靶向自身和它们的Cdk同伴到特定的亚细胞部位。一、与cyclin的结合是Cd
13、k活化的基本条件第二十六页，本课件共有78页(1)活化磷酸化：不去磷酸化(2)抑制磷酸化：去磷酸化二、磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤第二十七页，本课件共有78页(1)Cdk的活化磷酸化:Cdk活化激酶（CAK）催化、发生在邻近激酶活性位点的苏氨酸残基发生磷酸化。二、磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤第二十八页，本课件共有78页1.磷酸化使T环变平，移向cyclinA，使Cdk和cyclin的相互作用更加稳定。2.Thr160的磷酸化使T环能够有效地与含有SPXK保守序列的蛋白底物作用。二、磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤第二十九页，本课件共有78页(2)Cdk的抑
14、制磷酸化由于Cdks的活化性磷酸化不受去磷酸化的调控，两种抑制磷酸化就在调节Cdk活性中起着重要作用：一个是保守的酪氨酸残基（人Cdks 的Tyr15），这存在于所有的Cdks中。附近的苏氨酸残基（Thr14）的磷酸化进一步阻碍了Cdk的活化。Thr14和Tyr15位于激酶的ATP结合位点的顶端，它们的磷酸化可能通过干扰ATP磷酸根的方向而抑制Cdk活性。这些抑制性磷酸化位点的去磷酸化对cyclin-Cdks的激活至关重要，是开关样激活的关键开关位点。二、磷酸化与去磷酸化是控制Cdk活性的开关步骤第三十页，本课件共有78页蛋白激酶Wee1：负责Tyr15的磷酸化蛋白激酶Myt1：催化Thr14
15、和Tyr15的磷酸化抑制性位点的去磷酸化由Cdc25家族的磷酸酶来执行。例一：G2/M Cdk1开关样的激活第三十一页，本课件共有78页抑制性位点的去磷酸化由Cdc25磷酸酶家族执行，Cdc25家族在脊椎动物中有三个成员（Cdc25A、Cdc25B、Cdc25C）。例一：G2/M Cdk1开关样的激活第三十二页，本课件共有78页两种酶都受到它们有丝分裂底物M期cyclin-Cdk复合物的调节：由M-Cdk导致的磷酸化抑制Wee1而激活Cdc25。因此，在有丝分裂开始阶段，M-Cdk激活了它自身的激活因子，抑制了自身的抑制因子，形成了正反馈环来产生开关样的Cdk激活。第三十三页，本课件共有78页
16、尽管CKI的蛋白氨基酸序列的相似性很小，它们却拥有一些共同的重要功能特性。第一，CKI主要是S-和M-Cdk复合物的重要抑制因子，在细胞中高水平表达以确保在G1期中不存在任何S-或M-Cdk活性。第二，CKI不能抑制G1/S-Cdks，因此，它们不能阻断这些激酶在起始检查点的激活。最后，这些抑制因子最后要被Cdks磷酸化后降解。在G1期的晚期，上升的G1/S-Cdk活性能降解这些抑制因子以允许S-Cdk在S期开始阶段被激活。三、CKI对G1期Cdk活性的抑制 第三十四页，本课件共有78页动物细胞的动物细胞的CKIsCKIs可分类为两大结构家族，对可分类为两大结构家族，对CdkCdk的抑制的机制
17、不的抑制的机制不同。同。Cip/KipCip/Kip家族成员：包括家族成员：包括DacapoDacapo和和p27p27，结合周期蛋白和，结合周期蛋白和CdkCdk复合物复合物。他们的基本功能是通过抑制。他们的基本功能是通过抑制G1/S-G1/S-和和S-CdksS-Cdks来阻断来阻断细胞周期进程，但他们也能通过激活细胞周期进程，但他们也能通过激活G1-CdksG1-Cdks来促进细胞周期来促进细胞周期的进入，的进入，INK4INK4家族成员：是绝对的抑制因子，它们能特异性地针对家族成员：是绝对的抑制因子，它们能特异性地针对Cdk4Cdk4和和Cdk6Cdk6的的单体单体，通过减少细胞周期蛋
18、白的结合亲和力，通过减少细胞周期蛋白的结合亲和力来起作用。来起作用。三、CKI对G1期Cdk活性的抑制 第三十五页，本课件共有78页 Cip/KipCip/Kip蛋白与周期蛋白蛋白与周期蛋白-Cdk-Cdk复合物的两个亚单位都结合复合物的两个亚单位都结合 p27p27的细胞周期蛋白结合部分与周期蛋白的细胞周期蛋白结合部分与周期蛋白 A A的疏水斑作用。的疏水斑作用。p27p27的的CdkCdk结合区域与激酶亚单位广泛地相互作用。结合区域与激酶亚单位广泛地相互作用。这些相互作用完全扭曲和部分拆散了在激酶活性位点上方的这些相互作用完全扭曲和部分拆散了在激酶活性位点上方的氨基端突出结构，也直接阻碍了
19、氨基端突出结构，也直接阻碍了ATPATP的结合位点，完全破坏了的结合位点，完全破坏了酶的催化功能。酶的催化功能。三、CKI对G1期Cdk活性的抑制 第三十六页，本课件共有78页 Cip/KipCip/Kip蛋白还有助于激活蛋白还有助于激活G1G1激酶激酶Cdk4Cdk4和和Cdk6Cdk6 周期蛋白周期蛋白D D和和Cdk4Cdk4或或Cdk6Cdk6在没有其他蛋白的情况下结合并不紧密。在没有其他蛋白的情况下结合并不紧密。Cip/KipCip/Kip蛋白能通过与这两个亚单位作用而增强它们之间的结蛋白能通过与这两个亚单位作用而增强它们之间的结合。合。三、CKI对G1期Cdk活性的抑制第三十七页，
20、本课件共有78页 INK4INK4家族仅仅只是家族仅仅只是Cdk4Cdk4和和6 6的抑制因子，优先结合于的抑制因子，优先结合于CdkCdk单体单体 这些抑制因子能在细胞周期这些抑制因子能在细胞周期蛋白结合位点的相反一侧结蛋白结合位点的相反一侧结合合CdkCdk的两个突出，破坏了的两个突出，破坏了ATPATP的结合与定向。的结合与定向。INK4INK4蛋白也将激酶上部的突出蛋白也将激酶上部的突出扭曲，使之不适合与细胞周期扭曲，使之不适合与细胞周期蛋白的结合蛋白的结合 三、CKI对G1期Cdk活性的抑制第三十八页，本课件共有78页远祖真核细胞的细胞周期可能只由一个cyclin-Cdk振荡器操纵，
21、但现代的真核生物拥有多个不同的cyclin-Cdk复合物，它们以固定的顺序被激活和失活。这种顺序的形成取决于不同cyclin的基因转录在不同细胞周期阶段顺序激活。芽殖酵母大约800个基因或裂殖酵母蛋白编码基因的约15%，在细胞周期中显示出明显的表达变化四、cyclin的水平震荡由基因表达调控第三十九页，本课件共有78页在G1期的晚期通过起始点时表达，约300个成员。包括G1/S细胞周期蛋白、S期细胞周期蛋白，以及编码染色体复制和其他S期事件所必需酶的基因。G2/M期转换和有丝分裂时表达，约120种，包括了编码M期细胞周期蛋白的基因。有丝分裂后半段和G1期表达，大约含110种基因，包括编码Cdk
22、抑制因子的基因。四、cyclin的水平震荡由基因表达调控第四十页，本课件共有78页G1是细胞周期中承前启后的重要时期，一方面细胞要清除上一个周期的各类调节因子的残存，为下一次DNA复制做好准备；另一方面，为了维持细胞体积的恒定，细胞生长的调节机制必须让细胞在这个时期大量合成细胞内容物，争取在下次分裂前细胞的体积能够加倍。当增大细胞的体积到一定的阈值时，就传递某种信号给细胞周期调控系统，不可逆地启动下一个新细胞周期的进程。例2：G1期Cdk的活性调控方式第四十一页，本课件共有78页G1G1期期CdkCdk活性的抑制机制。活性的抑制机制。1.1.增加细胞周期蛋白的降解增加细胞周期蛋白的降解2.2.
23、CdkCdk抑制蛋白对抑制蛋白对CdkCdk活性的抑制作用活性的抑制作用3.3.减少细胞周期蛋白基因表达减少细胞周期蛋白基因表达例2：G1期Cdk的活性调控方式第四十二页，本课件共有78页动物细胞Start检验点之前，G1/S基因的表达被抑制型E2F的结合而抑制。所以Start检验点G1/S基因表达的升高依赖于抑制型E2F从G1/S基因的启动子上去除，并被置换成激活型的E2Fs。这个过程依赖于pRB蛋白质的失活。例2：G1期Cdk的活性调控方式：基因表达第四十三页，本课件共有78页细胞跨过Start检验点，激发G1/S基因表达的关键是pRB的磷酸化。pRB蛋白是细胞周期的主要刹车机制，通过结合
24、转录因子E2F，抑制了E2F的转录激活功能。例2：G1期Cdk的活性调控方式：基因表达第四十四页，本课件共有78页周期蛋白 D-Cdk复合物只催化了部分pRB的磷酸化和E2F的激活。E2F的完全激活只有在G1期的末段G1/S-Cdk：周期蛋白 E-Cdk2的活性升高并完成pRB蛋白的磷酸化作用后。正反馈例2：G1期Cdk的活性调控方式：基因表达第四十五页，本课件共有78页一个细胞周期事件向下一个细胞周期的转换是单向的并且是不可逆的，这个不可逆性可以通过Cdk激活的不可逆性来部分实现，更重要的保证是cyclin的降解。有丝分裂cyclin降解保证了有丝分裂的退出，也使Cdk活性在G1期维持低的状
25、态。周期蛋白，CKI和其他细胞周期调控因子通过泛素化途径被定向降解。泛素化经过一系列反应中完成泛素激活，泛素偶联和泛素蛋白连接作用，泛素化的蛋白质最后被称为蛋白酶体（proteasome）的巨大蛋白酶复合体识别并降解。五、蛋白质降解控制了细胞周期的单向性第四十六页，本课件共有78页1.1.泛素活化酶（泛素活化酶（E1E1）：将泛素转移到）：将泛素转移到一个泛素结合酶家族成员（一个泛素结合酶家族成员（E2E2）上。上。2.2.E2E2与靶向特异性泛素连接的酶（与靶向特异性泛素连接的酶（E3E3）合作，催化泛素活化的甘氨酸羧）合作，催化泛素活化的甘氨酸羧基端与靶蛋白的赖氨酸侧链形成肽基端与靶蛋白的
26、赖氨酸侧链形成肽键。键。3.3.被被26S26S蛋白酶体识别，降解泛素化蛋蛋白酶体识别，降解泛素化蛋白成短肽。白成短肽。第四十七页，本课件共有78页泛素-蛋白连接酶通常在泛素化机制中是最重要的调节靶蛋白，一方面是因为它们在泛素化过程中是靶蛋白特异性的主要决定因素，另一方面是因为它们是催化该过程的限速步骤。G1/S转换:关键的泛素-蛋白连接酶是称为SCF的一种酶，它的命名来源于其三个中心成分Skp1,cullin和F-盒。中后期转换:关键的泛素-蛋白连接酶为后期促进因子（APC）或cyclosome。5.蛋白质降解控制了细胞周期的单向性第四十八页，本课件共有78页有丝分裂后半段事件主要受到两种机
27、制的调控：APC介导的蛋白质降解作用和Cdk1磷酸化底物的去磷酸化作用。APC控制了细胞周期调控检查点的启动：中期后期转换检查点。当细胞进入中期时，姐妹染色单体的分离被强大的抑制系统阻止。而当姐妹染色单体一旦完成双指向整列，这些“刹车系统”就被泛素蛋白连接酶APCCdc20酶解去除。APCCdc20将蛋白质泛素化修饰，使之被定向酶解，进而发动不可逆转的后期进程，并退出有丝分裂。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第四十九页，本课件共有78页当细胞到达中期时，当细胞到达中期时，M-CdksM-Cdks通过磷酸化通过磷酸化APCAPC核心亚单位激活了核心亚单位激活了APCAPC，这增强了与，这
28、增强了与Cdc20Cdc20的结合。然后的结合。然后APCAPCcdc20cdc20靶向降解安全子和靶向降解安全子和MM期细胞周期蛋白，从而灭活期细胞周期蛋白，从而灭活M-CdksM-Cdks。因此，。因此，M-CdksM-Cdks触发了导致自触发了导致自身最终降解的系列事件，形成一个负反馈环。身最终降解的系列事件，形成一个负反馈环。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十页，本课件共有78页APCCdc20触发了两个关键调控蛋白的泛素化和酶解：第一，securin的酶解释放出蛋白酶分离酶（separase），切割黏连蛋白的Scc1亚基，打破姐妹染色单体之间的黏合；第二，有丝分裂cycl
29、in的酶解导致很多Cdk靶蛋白的去磷酸化，这为有丝分裂后半段事件的发生所必需。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十一页，本课件共有78页例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十二页，本课件共有78页1.不同的激活因子决定APC的底物特异性 APC的激活因子有两种：Cdc20和Cdh1。有丝分裂的前半段和后半段的开始时，Cdh1被Cdk磷酸化，与APC的结合被抑制。此时APC结合Cdc20，其底物主要为S，M期cyclin和securin。有丝分裂中期Cdk的失活使APC与Cdh1去磷酸化，从而导致APC与Cdc20结合下降而与Cdh1亲和力增加，形成的APCCdh1的其中一个靶
30、蛋白又是Cdc20，这样就彻底关闭APCCdc20的功能。同时APCCdh1决定了其他不被APCCdc20识别蛋白质的酶解，如有丝分裂蛋白激酶Plk和Aurora A。所以Plk和Aurora A的降解的时间要晚于cyclinB-Cdk1，这对有丝分裂的退出至关重要。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十三页，本课件共有78页2抑制因子决定了APC激活的时间 一个叫Emi1的蛋白质在G2期和有丝分裂的前半段与Cdc20结合，并可能阻碍其与APC的相互作用而抑制了APC的活化。在前期的末段，Emi1可以同时被Plk和cyclinB-Cdk1复合物磷酸化，为泛素蛋白连接酶SCFb-TrCP
31、1所识别，导致Emi1在前中期被酶解，释放出Cdc20，形成有活性的APCCdc20。Emi1水平在G1期结束时再次升高，抑制了APCCdh1的活性。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十四页，本课件共有78页3.Cdk1的磷酸化控制了APCCdc20的激活APCCdc20激活的最为重要和普遍的机制是有丝分裂Cdk对APC核心亚基的磷酸化，而磷酸化则启动了其与活化亚基Cdc20的结合。APC的磷酸化最早发生在前期末段的细胞核，在周期蛋白B1-Cdk1复合物刚刚被激活并转移入核之后和核膜破裂之前的一段时间。体外实验证实，Cdk1依赖的APC的磷酸化提高了其与Cdc20的亲和性，而突变AP
32、C的一系列Cdk1磷酸化位点则降低其与Cdc20的结合能力，从而延迟了APC的激活。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十五页，本课件共有78页4APCCdc20活性也可能为其在细胞内的定位所调控 前中期细胞APCCdc20只对S期周期蛋白A发挥泛素化和酶解作用的一个可能的解释是，周期蛋白A的酶解由特殊的APCCdc20亚群负责，这些APCCdc20被限制在特定的部位，不能为纺锤体检查点蛋白质接触抑制。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十六页，本课件共有78页在果蝇早期胚胎，当合胞体细胞核快速通过有丝分裂时，大部分有丝分裂周期蛋白B保持稳定。然而，定位在有丝分裂纺锤体的少部分
33、周期蛋白B在每次有丝分裂时都被特异地酶解，这样大概可以允许局部的Cdk1被失活，从而启动有丝分裂后半段的事件。局部的周期蛋白的酶解被认为是APCCdc20在纺锤体微管集中分布的结果。APCCdc20在细胞内的定位分布使其更易于与一些底物相互作用，而阻止或延迟与其他底物的结合。例3，APC控制的蛋白降解：中/后期转化第五十七页，本课件共有78页周期蛋白B1-Cdk1进入细胞核内：在前期的末段瞬间进入，大部分。周期蛋白 B1-Cdk1停留在细胞质：少部分，促进其他有丝分裂的过程，如中心体的分开和高尔基体的重构。6.空间分布提供了Cdk另外一种形式的调控机制第五十八页，本课件共有78页与大部分蛋白一
34、样，周期蛋白 B1-Cdk1的核质比率受到蛋白核输入与核输出相对比例的控制。在有丝分裂前，周期蛋白 B1-Cdk1输入的比率很低而输出比率较高，因而产生净的细胞质定位。然而在前期的末段，输入比率增加而输出比率降低，使周期蛋白 B1-Cdk1在细胞核内聚集。Cdk1和Plk磷酸化周期蛋白 B1和Cdc25C。这就遮蔽了两个蛋白上的核输出信号，减少了它们核输出的比率 6.空间分布提供了Cdk另外一种形式的调控机制第五十九页，本课件共有78页Cdc25C的定位依赖于核输入与输出的相对比率。Cdc25C由不同的机制进行输入和输出，但两者都受到磷酸化的调节。与很多能在核质穿梭的蛋白一样，Cdc25C含有
35、能与核输入运载体作用的核定位信号，以及能与Crm1输出因子作用的核输出信号，这些信号定位在蛋白氨基端区域的不同部位。Cdc25C在靠近核定位信号的Ser216（人）或Ser287（非洲爪蟾）被磷酸化，为称为14-3-3的小磷酸化丝氨酸结合蛋白提供了结合位点，这就遮蔽了核定位信号，因而减少了Cdc25c的核输入（不影响核输出信号）6.空间分布提供了Cdk另外一种形式的调控机制第六十页，本课件共有78页磷酸化这一位点的两个激酶，Chk1和Chk2，在DNA损伤后激活。它们对Ser216/287的磷酸化可能为DNA损伤而抑制有丝分裂的进入提供了理论基础。Cdc25C的核输出信号位于靠近有丝分裂期启动
36、Cdc25C激活的多个磷酸化位点处。这一区域的磷酸化可能受Plk和Cdk1作用不仅刺激了Cdc25C活性，也遮蔽了核输出信号，从而减少了核输出比率。Plk因此似乎也能同时促进Cdc25C及其靶标周期蛋白B1-Cdk1在细胞核内积累和激活。6.空间分布提供了Cdk另外一种形式的调控机制第六十一页，本课件共有78页6.空间分布提供了Cdk另外一种形式的调控机制第六十二页，本课件共有78页 信号系统中的生化开关 在每个细胞周期起始的时候，在每个细胞周期起始的时候，CdkCdk活性在每一个细胞事件之活性在每一个细胞事件之前陡然上升，不可逆地到达最大水平，并在事件完成前依前陡然上升，不可逆地到达最大水平
37、，并在事件完成前依然保持这个水平。然保持这个水平。第六十三页，本课件共有78页一、开关样行为的产生 信号转导系统接收输入信号信号转导系统接收输入信号（刺激），对信息进行处理来（刺激），对信息进行处理来产生输出信号（反应）。一般产生输出信号（反应）。一般来说，刺激信号的增加能导致来说，刺激信号的增加能导致反应信号的增加。反应信号的增加。在一些只有很少有信息需要在一些只有很少有信息需要处理的信号系统中，刺激和处理的信号系统中，刺激和反应之间只存在简单的关系。反应之间只存在简单的关系。第六十四页，本课件共有78页一、开关样行为的产生 在刺激和反应之间存在信息处理在刺激和反应之间存在信息处理步骤，能将
38、一个简单级别的刺激步骤，能将一个简单级别的刺激转化为一个转化为一个更猛烈的，开关样的更猛烈的，开关样的反应。反应。对少量刺激的反应较差，但是对少量刺激的反应较差，但是当刺激增加时，它们能够突然当刺激增加时，它们能够突然开始一个开始一个越来越强烈的反应越来越强烈的反应，直，直到达到一个平台期，此时刺激增加到达到一个平台期，此时刺激增加而反应很小。这种结果呈而反应很小。这种结果呈S S型曲线型曲线 系统存在小量能结合并抑制配系统存在小量能结合并抑制配体的抑制因子体的抑制因子 第六十五页，本课件共有78页一、开关样行为的产生 这些系统称为超灵敏型，因为它们在中等刺激浓度时反应最有这些系统称为超灵敏型
39、，因为它们在中等刺激浓度时反应最有效，曲线也最陡峭。效，曲线也最陡峭。刺激刺激-反应曲线的最陡峭部分依据信号系统的精确设计而有反应曲线的最陡峭部分依据信号系统的精确设计而有所不同。有些时候，所不同。有些时候，曲线非常陡峭，系统表现得就象一个双开曲线非常陡峭，系统表现得就象一个双开关。关。这些开关通常是可逆的：也就是，当刺激减少的时候，系这些开关通常是可逆的：也就是，当刺激减少的时候，系统回到起点状态。这样的开关也因此类似于一个蜂鸣器，统回到起点状态。这样的开关也因此类似于一个蜂鸣器，它只有在刺激（手指按住按钮）存在的时候才起作用它只有在刺激（手指按住按钮）存在的时候才起作用 第六十六页，本课件
40、共有78页二、有效的双开关需要双稳定性二、有效的双开关需要双稳定性 当一个配体结合并激活激酶，激酶当一个配体结合并激活激酶，激酶再磷酸化下游分子的系统包括了正再磷酸化下游分子的系统包括了正反馈。反馈。如果含有磷酸酶的系统，它能够去如果含有磷酸酶的系统，它能够去磷酸化和灭活磷酸化的激酶。磷酸化和灭活磷酸化的激酶。如果各种反应的速率很好地平衡，如果各种反应的速率很好地平衡，将存在一个阈值浓度，在这个浓度将存在一个阈值浓度，在这个浓度时的刺激将会触发正反馈环，获得时的刺激将会触发正反馈环，获得最大的激酶活性。最大的激酶活性。第六十七页，本课件共有78页二、有效的双开关需要双稳定性二、有效的双开关需要
41、双稳定性 正反馈因此有可能作为一个双开关，能从低活性到最大活性，正反馈因此有可能作为一个双开关，能从低活性到最大活性，以完全的，以完全的，全或无全或无的形式起作用。的形式起作用。这种系统不可能以中间活性的稳定状态存在：总是存在于这种系统不可能以中间活性的稳定状态存在：总是存在于一个或另一个极端状态。这些系统因此被称为双稳态。一个或另一个极端状态。这些系统因此被称为双稳态。第六十八页，本课件共有78页二、有效的双开关需要双稳定性二、有效的双开关需要双稳定性 这个系统中正反馈被触发后这个系统中正反馈被触发后,即使刺激下降时，激酶群仍然保即使刺激下降时，激酶群仍然保持完全活化的状态；这是由于激酶并不
42、需要配体的结合来保持完全活化的状态；这是由于激酶并不需要配体的结合来保持磷酸化状态。持磷酸化状态。如果给定各种反应合适的速率，即使所有的激活型配体去除，如果给定各种反应合适的速率，即使所有的激活型配体去除，这个系统也不会关闭。因此，与前面部分讨论的超敏型系统这个系统也不会关闭。因此，与前面部分讨论的超敏型系统不同，双稳态系统能够形成不同，双稳态系统能够形成不可逆的开关不可逆的开关，一旦扳动到一个状，一旦扳动到一个状态，即使刺激撤除，仍然保持。态，即使刺激撤除，仍然保持。第六十九页，本课件共有78页二、有效的双开关需要双稳定性二、有效的双开关需要双稳定性 当一个信号系统的正反馈环太强烈当一个信号
43、系统的正反馈环太强烈的时候，系统有可能太过敏感：即，的时候，系统有可能太过敏感：即，即使最小的刺激就可触发一个完全即使最小的刺激就可触发一个完全的反应。例如，如果系统中没有磷的反应。例如，如果系统中没有磷酸酶，正反馈环就可以在极低刺激酸酶，正反馈环就可以在极低刺激浓度的情况下被触发。浓度的情况下被触发。含有正反馈的系统通常通过一些机制来含有正反馈的系统通常通过一些机制来进行增补，以避免反馈环被一些小的，进行增补，以避免反馈环被一些小的，非生理量的刺激所过早触发。磷酸酶；非生理量的刺激所过早触发。磷酸酶；小量的抑制蛋白小量的抑制蛋白第七十页，本课件共有78页三、有丝分裂期Cdk1的激活是建立在正
44、反馈的基础上 G1/S-G1/S-，S-S-和和M-CdksM-Cdks的激活都表现出开关样的行为，是建立在上节的激活都表现出开关样的行为，是建立在上节中所述的超敏型和反馈机制的基础上中所述的超敏型和反馈机制的基础上 一个只有一个只有Cdk1Cdk1和周期蛋白和周期蛋白B B的简单系统。的简单系统。周期蛋白周期蛋白B B可被视为一种刺激，可被视为一种刺激，Cdk1Cdk1的活性视为反应的活性视为反应 不同的是细胞中不同的是细胞中Cdk1Cdk1的浓度很高，的浓度很高，Cdk1Cdk1对于周期蛋白对于周期蛋白B B的亲和力也很高。的亲和力也很高。任何细胞周期蛋白一出现都能立刻被任何细胞周期蛋白一
45、出现都能立刻被激酶结合：线性激酶结合：线性 第七十一页，本课件共有78页加入正反馈，转化为一个双稳态的，开关样的系统 添加酶Wee1和Cdc25 第七十二页，本课件共有78页四、负反馈能产生反复的震荡 震荡变动的机制的涉及一个调控组合，包括：震荡变动的机制的涉及一个调控组合，包括：正反馈过程，正反馈过程，CdksCdks借以促进自身的激活借以促进自身的激活 后续的负反馈过程，后续的负反馈过程，CdksCdks借以间接地触发了自身的借以间接地触发了自身的灭活。灭活。这些机制在泛素这些机制在泛素-蛋白连接酶蛋白连接酶APCAPCCdc20Cdc20被激活的被激活的CdksCdks调控以及调控以及随
46、后随后APCAPC对对CdkCdk活性的影响中得到很好的证明。活性的影响中得到很好的证明。第七十三页，本课件共有78页四、负反馈能产生反复的震荡负反馈振荡器：负反馈振荡器：如果正反馈系统中也包括了一个负反馈环：如果正反馈系统中也包括了一个负反馈环：活化的激酶能磷酸化并激活一个抑制蛋白，活化的激酶能磷酸化并激活一个抑制蛋白，然后抑制蛋白能结合并阻断激酶的活性。然后抑制蛋白能结合并阻断激酶的活性。因此激酶的活化间接导致了自身的灭活，从因此激酶的活化间接导致了自身的灭活，从而将激酶活性带回到零点。其结果就是产生而将激酶活性带回到零点。其结果就是产生激酶活性一个短暂的升高。激酶活性一个短暂的升高。第七
47、十四页，本课件共有78页四、负反馈能产生反复的震荡如条件合适，含负反馈的系统可产生重复的震荡。例如我们的系统包含一个磷酸酶，它能缓慢地将抑制因子和激酶去磷酸化，使它们失活。当激酶活性非常高时，磷酸酶受到抑制，大量的抑制因子发生磷酸化：负反馈然而当负反馈抑制激酶时，激酶活性的降低使得磷酸酶可以将激酶和抑制因子都发生去磷酸化，系统从而回到激酶和抑制因子未被磷酸化，无活性的基础状态。第七十五页，本课件共有78页小量的激活配体的出现可触发激酶激活，产生另一轮的激活和失活循环。如果各种反应的时间是最优化的，该系统将产生重复的激酶活性峰 四、负反馈能产生反复的震荡第七十六页，本课件共有78页为了产生震荡，
48、负反馈系统必须含有某些额外特征。为了产生震荡，负反馈系统必须含有某些额外特征。有两个特别重要：有两个特别重要：第一，必须在激酶激活和抑制因子激活之间存第一，必须在激酶激活和抑制因子激活之间存在延迟，在延迟，第二，系统中必须有个机制来产生激酶活性的双第二，系统中必须有个机制来产生激酶活性的双稳定性。稳定性。真实的系统中：真实的系统中：1 1，发生在，发生在M-CdkM-Cdk激活和激活和APCAPCcdc20cdc20激活之间的延迟，虽然其机制不清楚激活之间的延迟，虽然其机制不清楚2 2，正反馈（，正反馈（Cdc25Cdc25激活和激活和Wee1Wee1灭活）产生了灭活）产生了M-M-CdkCdk活性的双稳态。活性的双稳态。四、负反馈能产生反复的震荡第七十七页，本课件共有78页感感谢谢大大家家观观看看第七十八页，本课件共有78页