1、Chapter 7 Cell CycleSection 1 Introduction细胞周期（细胞周期（cell cycle）就是指细胞生长与分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，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。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：细胞周期一般包含下列四个阶段：G1期：从有丝分裂完成到期：从有丝分裂完成到DNA复制之前的复制之前的一段时期；一段时期；S期：为期：为DNA复制的时期；复制的时期；G2期：从期：从DNA复制完成到有丝分裂开始的复制完成到有丝
2、分裂开始的一段时期；一段时期；M期：从细胞分裂开始到结束的时期。期：从细胞分裂开始到结束的时期。Phases of Cell CycleG02.Characteristics of Cell Cycle PhasesG1期：期：细胞周期的大部分时相处于细胞周期的大部分时相处于G1期，动物细期，动物细胞一般为胞一般为612小时。该期主要的生化活动小时。该期主要的生化活动是合成是合成RNA和蛋白质。和蛋白质。S期：期：此期一般持续此期一般持续68小时，其长短主要由基小时，其长短主要由基因组的复杂度决定。该期主要的生化活动因组的复杂度决定。该期主要的生化活动是复制是复制DNA。G2期：期：是最短的时
3、相。该期主要的生化活动是合是最短的时相。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。成一些与有丝分裂有关的蛋白质。M期：期：该期很短，一般持续该期很短，一般持续0.52小时。该期生化小时。该期生化合成停止，细胞形态发生改变，一个母细合成停止，细胞形态发生改变，一个母细胞分裂成胞分裂成2个子代细胞。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真核细胞的分裂增殖必须经过两个关键的调控点：即点：即DNA合成开始时的合成开始时的G1S期的转换期的转换和有和有丝分裂开始时的丝分裂开始时的G2M期的转换期的转换。细胞必须在顺利经
4、过这两个调控关键点之后，细胞必须在顺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。才可能完成细胞的分裂增殖，即细胞周期。除此之外，细胞由除此之外，细胞由G0G1期的转换期的转换，也涉及另，也涉及另外一个调控点。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因子相互作用，构成级联网络调控系统来实现的。的。这一调控系统的核心就是这一调控系统的核心就是周期素依赖的蛋白激周期素依赖的蛋白激酶（酶（cyclin-dependent protein kinase，CDK）家族。正是该家族成员的顺序激
5、活和对家族。正是该家族成员的顺序激活和对关键底物的磷酸化促进细胞周期的有序进程，关键底物的磷酸化促进细胞周期的有序进程，启动并完成启动并完成G1S期和期和G2M期的转换。期的转换。Section 2 Regulation of Cell Cycle1.Growth Factors and their Receptors生长因子，如生长因子，如EGF、PDGF、TGF、FGF、NGF、IL-2等，与相应的靶细胞膜受体结合后，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。表达，启动细胞增殖过程。2.Struc
6、ture and Function of Cyclin周期素都是周期素都是CDK的调节亚基，分别在细胞周期的调节亚基，分别在细胞周期的不同时期积累，激活的不同时期积累，激活CDK，使其具有催化关，使其具有催化关键底物的磷酸化修饰并调节其活性。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。等几大类。周期素的家族成员周期素的家族成员五大类周期素中都含有由五大类周期素中都含有由100150个氨基酸个氨基酸残基组成的保守区，称为残基组成的保守区，称为周期素盒（周期素盒（cyclin box），是与，是与CDK相互作用
7、的活性区域。相互作用的活性区域。此外，还可含有此外，还可含有降解盒（降解盒（destruction box）或或PEST序列（脯序列（脯-谷谷-丝丝-苏）苏），可通过定时降，可通过定时降解或快速转换来调节周期素的水平。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，按周期素表达及作用的细胞周期阶段的不同，可将其分为可将其分为G1期期（D、E）和）和M期期（A、B）两大类。两大类。The Expressional Levels of Cyclins during Cell CycleThe Relationship of Cyclin Expressional Level
8、s with DNA Replication是指在是指在G1期或期或G1S期转换点发挥作用，并能期转换点发挥作用，并能启动细胞周期，促进启动细胞周期，促进DNA合成的周期素。合成的周期素。G1期周期素主要包括周期素期周期素主要包括周期素C、D、E等，这些等，这些周期素通常在细胞周期的周期素通常在细胞周期的G1期时活性升高，而期时活性升高，而在在S期以后则逐渐降至较低的水平。期以后则逐渐降至较低的水平。2.1 Cyclins during G1 Phase 周期素周期素C：周期素周期素C的的C-端存在一个端存在一个PEST序列，其细序列，其细胞内的水平在胞内的水平在G1期中点达高峰。期中点达高峰
9、。周期素周期素D：周期素周期素D至少有至少有D1、D2、D3三种亚型。三种亚型。周期素周期素D的的C-端存在一个端存在一个PEST序列；序列；N-端端含有一个与含有一个与DNA肿瘤病毒转化蛋白共同的肿瘤病毒转化蛋白共同的顺序顺序Leu-X-Cys-X-Glu，是周期素，是周期素D与与p110Rb等蛋白结合所必需。等蛋白结合所必需。不同亚型周期素不同亚型周期素D在在细胞内的表达模式不细胞内的表达模式不同，但主要是在同，但主要是在G1期处于较高的表达水期处于较高的表达水平。平。周期素周期素E：有有E1和和E2两种亚型，其细胞内的水平在两种亚型，其细胞内的水平在G1/S调控点达峰值。调控点达峰值。是
10、指在是指在G2M期转换处发挥作用，诱导细胞期转换处发挥作用，诱导细胞分裂的周期素，包括周期素分裂的周期素，包括周期素A和和B两类。两类。这 类 蛋 白 在 其这 类 蛋 白 在 其 N-端 含 有 一 个 降 解 盒端 含 有 一 个 降 解 盒（destruction box），在），在M期通过泛素期通过泛素（ubiquitin）途径降解。）途径降解。2.2 Cyclins during M Phase周期素周期素A：包括三种亚型：包括三种亚型：A1、A2和和A3。在细胞周期的在细胞周期的DNA合合成之前出现，并不断成之前出现，并不断增加，与启动增加，与启动DNA复复制有关，主要在制有关，主
11、要在S期期发挥作用。发挥作用。Cyclin A3周期素周期素B：周期素周期素B在人类有两种亚型，在人类有两种亚型，B1和和B2。周期素周期素B水平的变化主要由其降解速率来水平的变化主要由其降解速率来调控。调控。周期素周期素B在在S晚期出现，在细胞进入晚期出现，在细胞进入M期之期之前，其水平呈线性增高，当达到一定阈值前，其水平呈线性增高，当达到一定阈值时，促使时，促使CDK激活；当细胞进入激活；当细胞进入M期后，期后，周期素周期素B降解速率增加，水平骤然下降，降解速率增加，水平骤然下降，CDK失活。失活。3.Structure and Function of CDK 人们对人们对CDK的认识，最
12、初是通过研究培养细胞的认识，最初是通过研究培养细胞和酵母细胞而得到的。和酵母细胞而得到的。目前已经确定的目前已经确定的CDK有：裂殖酵母中有：裂殖酵母中CdC2；酿酒酵母中的酿酒酵母中的CdC28、PHO85、KIN28以及人以及人类细胞中类细胞中CDK110。3.1 Types and Characters of CDKCDK Family in HumanCDK的分子量一般为的分子量一般为3540kD，不同，不同CDK的的氨基酸组成有氨基酸组成有40%以上的同源性。以上的同源性。典型的典型的CDK催化亚基的活性中心约由催化亚基的活性中心约由300个氨个氨基酸残基组成，当处于单体或非磷酸化状
13、态时，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。没有催化活性。Molecular Structure of CDK2CDK的催化活性受到的催化活性受到激活因素激活因素与与抑制因素抑制因素两两方面的调节。方面的调节。在激活因素中，目前认为在激活因素中，目前认为CDK与与周期素的结周期素的结合合以及保守的以及保守的苏氨酸残基的磷酸化苏氨酸残基的磷酸化是较为重是较为重要的两种调节因素；要的两种调节因素；而在抑制因素中，而在抑制因素中，CDK的的N-端氨基酸残基的端氨基酸残基的抑制性磷酸化抑制性磷酸化以及以及抑制蛋白的结合抑制蛋白的结合是主要的是主要的调节因素。调节因素。3.2 R
14、egulation of CDK Activity 周期素的激活作用：周期素的激活作用：周期素中的周期素中的“周期素盒周期素盒”结构域直接和结构域直接和CDK的结合，并与的结合，并与CDK的激活相关，的激活相关，周周期素是期素是CDK的正性调节剂的正性调节剂。周期素的这两种功能是密切相关的，而这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。周期中的浓度波动来调控。3.2.1 Activation of CDKCyclinA-CDK2 Complex with ATP Bound磷酸化修饰的激活作用：磷酸化修饰
15、的激活作用：CDK的激活还必须依赖于其保守的苏氨酸的激活还必须依赖于其保守的苏氨酸残基的磷酸化，如在人残基的磷酸化，如在人CDK1（p34cdc2）的）的Thr161和和CDK2的的Thr160的磷酸化，就与这的磷酸化，就与这两个酶的激活相关。两个酶的激活相关。催化催化CDK1和和CDK2磷酸化的酶是磷酸化的酶是CAK，该该酶是一种寡聚体，其催化亚基为酶是一种寡聚体，其催化亚基为CDK7，调，调节亚基为节亚基为周期素周期素H，另需一组装蛋白因子另需一组装蛋白因子MAT1以稳定结构。以稳定结构。MAT1CDK-activating kinase assembly factor 1 Complex
16、 of CDK7 CyclinH-MAT1 Cyclin HCDK7MAT1 磷酸化修饰的抑制作用：磷酸化修饰的抑制作用：在人的在人的CDK1和和CDK2中，中，Thr14和和Tyr15残残基的磷酸化可抑制基的磷酸化可抑制CDK的催化活性。的催化活性。其原因在于上述残基的侧链位于该酶活性其原因在于上述残基的侧链位于该酶活性中心中心ATP结合部位的顶端，因而对激酶的结合部位的顶端，因而对激酶的磷酸化作用产生了阻碍。磷酸化作用产生了阻碍。3.2.2 Inhibition of CDK催化催化Thr14和和Tyr15磷酸化的是两种不同的蛋白磷酸化的是两种不同的蛋白激酶，使激酶，使Thr14磷酸化的为
17、蛋白激酶磷酸化的为蛋白激酶Myt1，使使Tyr15磷酸化的是蛋白激酶磷酸化的是蛋白激酶Wee1/Mik1。催化催化Thr14和和Tyr15脱磷酸化的是蛋白磷酸酶脱磷酸化的是蛋白磷酸酶CDC25。因此，蛋白激酶因此，蛋白激酶Wee1和和Myt1及蛋白磷酸酶及蛋白磷酸酶CDC25的相对活性，决定的相对活性，决定CDK1和和CDK2的活的活性高低。性高低。Regulation of CDK ActivityCAK抑制蛋白的作用：抑制蛋白的作用：近年来，已分离并鉴定了若干能够与周期近年来，已分离并鉴定了若干能够与周期素素-CDK复合物特异性结合并抑制其活性复合物特异性结合并抑制其活性的蛋白因子，这些蛋
18、白因子被称为的蛋白因子，这些蛋白因子被称为周期素周期素依赖性蛋白激酶抑制蛋白（依赖性蛋白激酶抑制蛋白（CKI）。大部分大部分CKI都是抑癌基因的编码产物。都是抑癌基因的编码产物。在哺乳动物细胞中，目前已经确定的在哺乳动物细胞中，目前已经确定的CKI主主要有：要有：P21WAF1/CIP1、P27KIP1、P16INK4和和P15INK4B，可分别抑制各型，可分别抑制各型CDK的活性。的活性。P21WAF1/CIP1：是由抑癌基因是由抑癌基因WAF1/CIP1编码合成的蛋白编码合成的蛋白质，几乎能与所有的周期素质，几乎能与所有的周期素-CDK复合物复合物结合，抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留结合，
19、抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留在在G1期。期。P27KIP1：是由抑癌基因是由抑癌基因KIP1编码合成的蛋白质，也编码合成的蛋白质，也能与几乎所有的周期素能与几乎所有的周期素-CDK复合物结合，复合物结合，抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留于抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留于G1期。期。p27-cyclin-cdk complexP16INK4A和和P15INK4B：是分别由抑癌基因是分别由抑癌基因INK4A/MTS1和和INK4B/MTS2编码合成的蛋白质，能专一性的与编码合成的蛋白质，能专一性的与CDK4和和CDK6结合，并阻止其与周期素的结合，并阻止其与周期素的结合反应，从而抑制其蛋白激酶活性
20、，使结合反应，从而抑制其蛋白激酶活性，使细胞停留于细胞停留于G1期。期。P53：由抑癌基因由抑癌基因p53编码合成的蛋白质，是编码合成的蛋白质，是WAF1/CIP1基因的转录激活因子。基因的转录激活因子。因此，因此，P53的表达可促进的表达可促进P21WAF1/CIP1的转的转录表达，从而抑制录表达，从而抑制CDK的蛋白激酶活性。的蛋白激酶活性。Function of P53PRb：是由是由Rb抑癌基因编码合成的蛋白质，有抑癌基因编码合成的蛋白质，有低低磷酸化型磷酸化型和和高磷酸型高磷酸型两种型式。两种型式。低磷酸化型的低磷酸化型的PRb可与转录因子可与转录因子E2F形成复形成复合体，抑制其转
21、录激活作用，阻止细胞分合体，抑制其转录激活作用，阻止细胞分裂；而高磷酸化型的裂；而高磷酸化型的PRb则不能与则不能与E2F形成形成复合体。复合体。催化催化PRb由低磷酸化型转变为高磷酸化型由低磷酸化型转变为高磷酸化型的蛋白激酶就是各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细胞周期的调控机制Smad3/4 Mothers against decapentaplegic homolog 3/4ATM Serine-protein kinase ATMATR Serine-protein kinas
22、e ATR SKP2 S-phase kinase-associated protein 2SCF Skip1-cullin/cdc53-F-box proteinGSK3 Glycogen synthase kinase 3HDAC Histone deacetylaseDP-1 Transcription factor Dp-1Chapter 8 Cell ApoptosisSection 1 Introduction细胞死亡也是一种重要的生命过程。目前，细胞死亡也是一种重要的生命过程。目前，经经“细胞死亡命名委员会细胞死亡命名委员会(NCCD)”)”确认的细确认的细胞死亡类型至少有胞死亡
23、类型至少有10余余种。种。其中，由其中，由NCCD明确鉴定的细胞死亡类型包括：明确鉴定的细胞死亡类型包括：细胞坏死细胞坏死(cell necrosis)、细胞凋亡细胞凋亡(cell apoptosis)和和细胞自噬细胞自噬(cell autophage)。1.Concept of Cell Apoptosis细胞凋亡（细胞凋亡（cell apoptosis）是指细胞自杀机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。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。细胞凋亡的发生受凋亡相关基因的调控。凋亡细胞的形
24、态学改变主要发生在细胞核。凋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，无内容物溢出，亡时，由于细胞膜保持完整，无内容物溢出，故一般不会引起炎症反应。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：凋亡细胞出现特征性的形态学改变：染色质密集，呈边缘化；染色质密集，呈边缘化；核固缩核固缩；DNA链断裂链断裂；出现凋亡小体。出现凋亡小体。2.1 Morphologic CharactersProcessing of Cell DeathCompariso
25、n of Necrotic with Apoptotic Cellsnormal cellapoptotic cellnecrotic cellApoptotic Cell and Macrophage凋亡细胞的典型生化凋亡细胞的典型生化改变是将其基因组改变是将其基因组DNA进行琼脂糖凝胶进行琼脂糖凝胶电泳时，电泳时，DNA片段表片段表现为间隔现为间隔180200bp的阶梯状条带。的阶梯状条带。2.2 Biochemical Characters3.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细胞凋亡是多细胞
26、生物生命活动过程中的重要内容。内容。细胞凋亡贯穿于动物全部生命周期中，是保证细胞凋亡贯穿于动物全部生命周期中，是保证个体发育成熟所必需的过程。个体发育成熟所必需的过程。Section 2 Genes and Their Proteins Related to Apoptosis1.Ced Gene FamilyCed基因家族是基因家族是线虫线虫的细胞凋亡相关基因，包的细胞凋亡相关基因，包括括Ced-3、Ced-4、Ced-9等。等。其中，其中，Ced-3基因编码产物与人半胱氨酸蛋白基因编码产物与人半胱氨酸蛋白酶（如酶（如ICE）同源，）同源，Ced-4基因编码产物与人基因编码产物与人Apaf-
27、1蛋白同源，蛋白同源，Ced-9的编码产物与人的的编码产物与人的bcl-2有同源性。有同源性。Ced基因家族的表达产物中，基因家族的表达产物中，Ced-3和和Ced-4能促进细胞凋亡；而能促进细胞凋亡；而Ced-9能与能与Ced-3和和Ced-4形成复合物并抑制其活性，从而抑制细胞凋形成复合物并抑制其活性，从而抑制细胞凋亡。亡。Regulation of Ced Proteins for Cell Apoptosis2.rpr Generpr基因是果蝇的凋亡相关基因，该基因编码基因是果蝇的凋亡相关基因，该基因编码一种与一种与Fas的的DD结构域同源的小分子多肽，以结构域同源的小分子多肽，以Fa
28、s介导凋亡类似的方式介导凋亡类似的方式激活激活ICE/Ced-3样蛋样蛋白酶白酶，促进细胞凋亡。，促进细胞凋亡。3.bcl-2 Gene Superfamilybcl-2基因定位于人第基因定位于人第18号染色体上，与线虫的号染色体上，与线虫的ced-9基因同源，能编码基因同源，能编码26kD的的Bcl-2 和和22kD的的Bcl-2 两种蛋白。两种蛋白。bcl-2基因为基因为凋亡抑制基因凋亡抑制基因，其表达产物是膜整，其表达产物是膜整合蛋白。合蛋白。Bcl-2（Bcl-XL）蛋白具有下列抗凋亡作用：）蛋白具有下列抗凋亡作用：能抑制线粒体能抑制线粒体PT孔（孔（通透性转变孔）通透性转变孔）开放，
29、开放，减少减少Cyt c和和凋亡诱导因子凋亡诱导因子（AIF）的释放；）的释放；能结合和灭活能结合和灭活Apaf-1，阻断其对，阻断其对caspase-9活化；活化；能特异地结合能特异地结合Cyt c，阻止其诱导细胞凋亡。，阻止其诱导细胞凋亡。现已发现至少存在现已发现至少存在29个个bcl-2基因的同源物，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。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蛋白家族成员都含有14个个Bcl-2同源结同源结构域（构域（BH14），并且通常有一个羧基端跨膜），并且通常有一个羧基端跨膜结构域（结构域（transmembrane r
30、egion，TM）。）。一般说来，一般说来，BH4是抗凋亡蛋白所特有的结构域，是抗凋亡蛋白所特有的结构域，BH3则是与促进凋亡有关的结构域。则是与促进凋亡有关的结构域。因此，根据结构不同，因此，根据结构不同，bcl-2家族成员中，有家族成员中，有些具有抗凋亡活性，有些则具有促凋亡活性。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根据功能和结构可将Bcl-2家族分为两大类：家族分为两大类：抗凋亡的（抗凋亡的（anti-apoptotic）：如：如Bcl-2、Bcl-xL、Bcl-w、Mcl-1等。等。促凋亡的（促凋亡的（pro-apoptotic）：包括多结构：包括多结构域的（如域
31、的（如Bax、Bak、Bok）和只有）和只有BH3结结构域的（如构域的（如Bad、Bid、Bim、Bik等）两种等）两种亚类。亚类。Molecular Structure of Bcl-2 Protein FamilyBcl-2Bcl-2蛋白家族成员蛋白家族成员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。促凋亡蛋白的功能。而大多数而大多数Bcl-2家族的促凋亡蛋白则主要定位于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，即可细胞浆，一旦细胞受
32、到凋亡因子的诱导，即可向线粒体膜转位。向线粒体膜转位。这些促凋亡蛋白通过寡聚化，在线粒体外膜形这些促凋亡蛋白通过寡聚化，在线粒体外膜形成跨膜通道成跨膜通道；或者开启线粒体的；或者开启线粒体的通透性转变通透性转变孔孔（permeability transition pore，PT），促使线粒体内的凋亡因子（促使线粒体内的凋亡因子（cyt c）释放，激活）释放，激活蛋白水解酶蛋白水解酶caspase，引发细胞凋亡。，引发细胞凋亡。Anti-apoptosis and Pro-apoptosis Effects of Bcl-2 Related Proteins4.Caspase Gene Supe
33、rfamily哺乳动物中存在的哺乳动物中存在的白介素白介素-1-转化酶（转化酶（ICE）是细胞凋亡蛋白酶，与线虫的是细胞凋亡蛋白酶，与线虫的Ced-3同源，都同源，都属于属于胱胱-天蛋白酶天蛋白酶家族（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。细胞不可逆的走向死亡。Active site:CysteineCleavage site:Asparatic ac
34、id Cysteine Asparatic acid specific proteaseAsp-Xxx天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶天冬氨酸特异性的半胱氨酸蛋白水解酶在人类细胞中已发现在人类细胞中已发现13个个ICE同源物，分为同源物，分为2个亚家族：个亚家族：ICE亚家族亚家族包括包括caspase-1、4、5、11、12、13等，主要参与炎症反应；等，主要参与炎症反应；CED-3亚家族亚家族包括包括caspase-2、3、6、7、8、9、10等，主要参与细胞凋亡。等，主要参与细胞凋亡。Types of ICE Related Proteins目前已经鉴定的目前已经鉴定的caspase的
35、水解底物包括：的水解底物包括：多聚（多聚（ADP-核糖）聚合酶（核糖）聚合酶（PARP）；）；纤层蛋白（纤层蛋白（lamins）；）；caspase依赖的依赖的DNA酶抑制蛋白（酶抑制蛋白（ICAD）；）；小核蛋白体蛋白（小核蛋白体蛋白（HnRNP proteins）等等20多种。多种。The Substrates of Caspases多聚（多聚（ADP-核糖）聚合酶（核糖）聚合酶（PARP）是一种与是一种与DNA损伤修复、基因完整性监护有关的聚合酶，损伤修复、基因完整性监护有关的聚合酶，其作用是将其作用是将NAD+分子中的分子中的ADP转移到与转移到与DNA修复相关的酶分子上，提高其催化效
36、率。修复相关的酶分子上，提高其催化效率。当细胞凋亡启动时，当细胞凋亡启动时，PARP被被caspase剪切，导剪切，导致受致受PARP负调控的核酸内切酶活性增高，进而负调控的核酸内切酶活性增高，进而裂解核小体之间的裂解核小体之间的DNA，引发细胞凋亡。，引发细胞凋亡。纤层蛋白（纤层蛋白（lamins）属于中间纤维丝蛋白家族，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。质的定向和组织起作用。小核糖体蛋白（小核糖体蛋白（HnRNP proteins）则参与构则参与构成小核蛋白体，与成小核蛋白体，与hnRNA的成熟加工
37、有关。的成熟加工有关。5.Apaf-1 GeneApaf-1基因表达的基因表达的Apaf-1蛋白为蛋白为凋亡酶激活因凋亡酶激活因子子-1（apoptotic protease activating factor-1），与线虫的），与线虫的Ced-4蛋白同源，在线粒体介导蛋白同源，在线粒体介导的凋亡途径中起重要作用。的凋亡途径中起重要作用。Apaf-1含有含有3个不同的结构域：个不同的结构域：CARD（caspase recruitment domain）结构域，结构域，能召集能召集caspase-9；Ced-4 同源结构域同源结构域，能结合，能结合ATP/dATP；C端结构域端结构域，含有色氨
38、酸，含有色氨酸/天冬氨酸重复序天冬氨酸重复序列，当细胞色素列，当细胞色素c结合到这一区域后，能结合到这一区域后，能引起引起Apaf-1多聚化而激活。多聚化而激活。Apaf-1具有激活具有激活caspase-3的作用，而这一过的作用，而这一过程又需要细胞色素程又需要细胞色素c（Apaf-2）和）和caspase-9（Apaf-3）参与。）参与。Apaf-1-细胞色素细胞色素c复合体与复合体与ATP/dATP结合后，结合后，Apaf-1就可以通过其就可以通过其CARD结构域召集结构域召集caspase-9，形成，形成凋亡体（凋亡体（apoptosome），激活激活caspase-3，启动，启动ca
39、spase级联反应。级联反应。凋亡体的形成凋亡体的形成凋亡体与凋亡体与caspasecaspase级联反应级联反应Fas基因，定位于人第基因，定位于人第10号染色体上，其编码产号染色体上，其编码产物为物为45kD的跨膜受体，属于的跨膜受体，属于TNF受体家族。受体家族。Fas受体（又称受体（又称APO-1或或CD95）的分子结构可）的分子结构可分为三个区，即具有三个富含半胱氨酸的分为三个区，即具有三个富含半胱氨酸的胞外区胞外区、跨膜区跨膜区和具有和具有死亡结构域（死亡结构域（Death domain，DD）的的胞内区胞内区。6.Fas and FasL GenesFas的胞内区的胞内区DD结构
40、域可与接头蛋白结构域可与接头蛋白FADD（Fas associated death domain protein）偶联，然后再通过偶联，然后再通过FADD的死亡效应结构域的死亡效应结构域（death effecter domain，DED）与）与Pro-caspase-8偶联，从而将胞外的凋亡信号传递偶联，从而将胞外的凋亡信号传递到细胞内。到细胞内。FasFas的分子结构的分子结构DD death domainDED death effector domainFADD Fas associated death domainFas与其配体（与其配体（FasL）的相互作用，是引发细）的相互作用，是
41、引发细胞凋亡的主要途径之一。胞凋亡的主要途径之一。Fas与其抗体或与其抗体或FasL结合后，可迅速激活结合后，可迅速激活caspase级联反应，裂解级联反应，裂解DNA，诱发细胞凋亡。，诱发细胞凋亡。FasL基因定位于人第基因定位于人第1号染色体上，主要在活号染色体上，主要在活化的淋巴细胞表面表达，产生凋亡信号；也可化的淋巴细胞表面表达，产生凋亡信号；也可在在T细胞激活过程中被诱导表达。细胞激活过程中被诱导表达。Fas与与FasL的协同表达，对胸腺中的协同表达，对胸腺中T淋巴细胞淋巴细胞的发育、分化与凋亡以及细胞毒活性起调节作的发育、分化与凋亡以及细胞毒活性起调节作用。用。7.IAP Gene
42、 Superfamily细胞凋亡抑制因子（细胞凋亡抑制因子（inhibitor of apoptosis，IAP）超家族的成员较多，如）超家族的成员较多，如c-IAP1，c-IAP2，XIAP，NIAP 和和Survivin等，新的成员仍在不等，新的成员仍在不断被发现。断被发现。IAP家族成员有一个共同的特征，含有一个或多家族成员有一个共同的特征，含有一个或多个个70个氨基酸的重复序列（个氨基酸的重复序列（BIR），类似于），类似于zinc指状的结构。指状的结构。c-IAP1、c-IAP2和和XIAP还含有还含有环指状结构域（环指状结构域（RING）。）。Molecular Structure
43、 of Human Cellular IAPsBIR功能域和之间的连接区域介导对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（的抑制作用，而环指状结构域（RING）则具）则具有泛素化蛋白连接酶的作用，介导有泛素化蛋白连接酶的作用，介导caspase-3和和-7的泛素化降解作用。的泛素化降解作用。p53基因定位于人的第基因定位于人的第17号染色体上，号染色体上，是一种是一种多功能基因，其表达产物多功能基因，其表达产物P53能在能在G1期监视期监视DNA的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖，的完整性。如有损伤，则抑制细胞增殖，直到直到DNA修复完成；如受损修复完成；如受损DN
44、A不能修复，不能修复，则诱导细胞进入凋亡程序。则诱导细胞进入凋亡程序。8.p53 Gene P53作为一种转录因子，是作为一种转录因子，是Bax的正调节因子，的正调节因子，Bcl-2的负调节因子。的负调节因子。当细胞受到射线照射后，当细胞受到射线照射后，P53可迅速上调可迅速上调Bax的表达，从而促进细胞凋亡。的表达，从而促进细胞凋亡。c-myc基因也是一种多功能基因也是一种多功能 基因，定位于人第基因，定位于人第8号染色体，编码分子量为号染色体，编码分子量为62kD的蛋白质。的蛋白质。c-Myc蛋白位于细胞核内，具有转录因子活性，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
45、基因，另一方面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。进细胞增殖和凋亡的双重效应。9.c-Myc Genec-Myc与与Bcl-2之间存在协同作用。之间存在协同作用。Bcl-2能抑制能抑制c-Myc所致细胞凋亡，但不影响所致细胞凋亡，但不影响其促有丝分裂作用，即当生长因子存在、其促有丝分裂作用，即当生长因子存在、Bcl-2表达时，表达时，c-Myc促进细胞增殖，反之则促进细胞增殖，反之则细胞凋亡。细胞凋亡。c-Myc蛋白的作用机理与另一种转录因子蛋白的作用机理与另一种转录因子Max形成异
46、源二聚体有关。此复合物可与特定的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。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已知这两种转录因子可形成Myc-Max和和Max-Max两种不同的二聚体，但它们都能与同一两种不同的二聚体，但它们都能与同一DNA序列相结合，产生不同的调节效应。序列相结合，产生不同的调节效应。当缺乏生长因子时，更多的形成当缺乏生长因子时，更多的形成Myc-Max复合复合物，从而诱导细胞凋亡。物，从而诱导细胞凋亡。Complexes of Myc,Max and MadRegulating Roles of MycSecti
47、on 3 Molecular Mechanisms for Cell Apoptosis目前已知，细胞凋亡可分为目前已知，细胞凋亡可分为caspase依赖依赖和和caspase不依赖不依赖两种机制，而两种机制，而caspase依赖依赖的细胞凋亡又包括三种方式：的细胞凋亡又包括三种方式：受体介导的细胞凋亡（外源通路）；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）；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）。内质网介导的细胞凋亡（内源通路）。由存在于细胞膜上的由存在于细胞膜上的死亡受死亡受体体介导，将外源性凋亡信号介导，将外源性凋亡信号传递到细胞内，引发
48、细胞调传递到细胞内，引发细胞调亡。亡。常见的死亡受体包括：常见的死亡受体包括：TNFR、Fas、DR3、DR4、DR5等。等。1.1 Cell Apoptosis Mediated by Death Receptor1.Caspase-dependent Cell ApoptosisProcess of Cell Apoptosis Mediated by Death Receptor死亡受体与配体结合，使受体三聚化死亡受体与配体结合，使受体三聚化受体胞内受体胞内DD区构象改变，与接头蛋白区构象改变，与接头蛋白FADD的的DD区结合区结合FADD的的N端端DED区与区与caspase-8（或（
49、或-10）前体蛋）前体蛋白结合，形成凋亡诱导的信号复合体（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，启动自身剪切激活，启动caspase级联反应级联反应caspase-3，-6，-7激活激活降解降解CAD抑制蛋白（抑制蛋白（ICAD/DFF-45），释放出，释放出caspase依赖的依赖的DNase（CAD）降解降解DNA，引发细胞凋亡，引发细胞凋亡Death Receptor Apoptotic PathwayFADD（Fas-associated death domain）；）；DD（death domain）；）；DED（death effecto
50、r domain）。）。1.2 Cell Apoptosis Mediated by Mitochondria 物理或化学凋亡信号物理或化学凋亡信号激活激活Bax、Bad、Bid等促凋亡蛋白，等促凋亡蛋白，线粒体线粒体PT孔开放或形成孔开放或形成线粒体凋亡因子（线粒体凋亡因子（Cyt c等）渗透出线粒体等）渗透出线粒体Process of Cell Apoptosis Mediated by MitochondriaCyt c与与Apaf-1及及pro-caspase-9组成凋亡体组成凋亡体caspase-9激活并启动激活并启动caspase级联反应级联反应降解降解ICAD及细胞功能或结构蛋白
