|
图5.1细胞周期。四个阶段，G1，g2图的中心显示了M期(包括胞质分裂。围绕细胞周期的各个阶段对细胞进行了说明，并描述了与细胞周期的四个阶段相关的染色体含量。细胞周期不同阶段的细胞具有不同的DNA含量：G1每条染色体的两个拷贝；S：从2n开始，变成4n；G2：4n；M：从4n开始，产生2n子核。 5.1环素和环素依赖性激酶(cdks) 细胞周期的平均长度为16h(间期15h，有丝分裂1h)，如图5.2所示，但请注意，这可能取决于细胞类型。间期细胞与有丝分裂中的细胞在显微镜下可以区分，因为染色体在间期是不可见的，只有在有丝分裂期间才能观察到，因为染色体凝聚。 从G的开始1 （图5.2，顶部），以顺时针的方式说明细胞周期的进展。成年人的大多数细胞都是不在细胞分裂过程中。他们是静止的，进入一个不活跃的时期，称为G0。
图5.2细胞周期中cyclin-cdk活性的模式（由红条显示）和细胞周期 检查点(G1，g2和M)。 细胞周期之外的一个阶段。有丝分裂或者然而，生长因子可以诱导G细胞重新进入细胞周期并通过一个称为G的控制点1 限制点（在图5.2中找到这一点）。限点传代前，细胞分裂是依赖于有丝分裂原；随后，细胞被不可逆转地承诺去在没有增长因素的情况下通过周期取得进展。细胞通过细胞周期的不同阶段的通道是由一组称为环素及其相关的蛋白质协调和调节的细胞周期蛋白-依赖于LIN的激酶(CDKS)。细胞周期蛋白之所以如此命名是因为它们的浓度在一系列细胞分裂过程中发生的周期性变化。细胞周期蛋白的浓度取决于其基因的转录和随后调节的蛋白质降解。环素与cdks的配对是高度特异的。环素是其cdks的调控亚基。当cyclin与其cdk伙伴结合时，cyclin在cdk的催化亚基中诱导构象变化，揭示其活性位点。注意cdks的浓度在细胞周期内不会波动。 不同的cyclin-cdk配合物存在于细胞周期的特定点，是不可逆相变的重要调节因子（如图5.2中的红条所示）。细胞周期蛋白D基因是EGF信号通路的最终靶点之一。这是生长因子与它们如何实际刺激细胞增殖之间的重要分子联系。环素D是第一个被合成的环素，与cdks4/6一起驱动G的进展。正如我们将在本文章后面看到的，cyclinD在cyclinE基因表达的调控中起着重要作用，其产物对G很重要到S相转变。环素A-CDK2对S期进展很重要。环素A，B-CDK1指挥G2和G2 到M相转变。 细胞周期检查点（见图5.2），一系列生化信号感知和诱导细胞对DNA损伤的反应的途径对于维持基因组的完整性很重要。G1 检查点导致细胞周期的停止，以响应DNA损伤，确保DNA损伤不会在S期复制。 G2 检查点导致细胞周期的停止，以应对损坏和/或unpli-门控DNA，以确保S期的适当完成。 由于有丝分裂纺锤体失调，M检查点导致染色体分离停止。 检查站的组成部分是亲-充当DNA损伤传感器、信号传感器或效应器的提因。 检查点功能的破坏导致基因组和染色体不稳定，导致突变，可以诱导癌变。 细胞周期蛋白-CDK复合物通过磷酸化靶蛋白发挥作用。磷酸化是一个重要的调节蛋白质活性的机制。这些靶点包括一组不同的蛋白质，包括转录调节因子、细胞骨架蛋白、核孔和包膜蛋白以及组蛋白。具体的例子包括缩合物、核层蛋白、高尔基体的GM130、著名的转录调节因子、视网膜母细胞瘤蛋白(RB或pRB)以及转录因子E2F和Smad3。因此，细胞周期的基本事件，包括染色体凝结、核破裂、高尔基体的碎裂、受调控的基因表达和有丝分裂纺锤体组装，都得到了促进。请注意，去磷酸化是在细胞周期的另一轮中重置细胞的重要机制。 5.2 cdk监管机制 在一个成年人中，超过2500万个细胞每秒经历细胞分裂。这个数字的规模表明需要进行精确的管制。镉是丝氨酸/苏氨酸激酶，它通过磷酸化调节细胞周期各阶段的进展。因此，cdk活性的调控对于精确的细胞繁殖至关重要。 有四种cdk调控机制：与cyclins的关联，与cdk抑制剂的关联，添加激活cd k活性的磷酸盐基团，以及添加抑制cd k活性的磷酸盐基团（图5.3）。由于细胞周期的调控器需要精确的时间窗口，一个因素的“消失”与它的出现一样重要。也就是说，精确的蛋白质降解在控制细胞周期中也起着重要的作用(Reed，2003)。以下各节将讨论cdk调控的机制。
图5.3CDK调控机制：(A)与环素的结合激活CDK；(B)与抑制剂的结合使CDK失活；(C)Wee1激酶在Thr14和Tyr15处抑制磷酸化，使CDK失活；(D)CDC磷酸酶去除抑制性磷酸盐，CDK激活激酶(CAK)激活磷酸化，激活CDK。 与环素的关系 环素与其伴侣cdk的结合导致cdk的关键构象变化，从而允许蛋白质底物的结合和ATP的正确定位。不活跃的cdk分子具有阻止蛋白质底物结合和ATP正确排列的构象。一些环素也参与了增加cdks对特定底物的亲和力。如前所述，细胞周期蛋白的数量随着细胞周期的变化而变化。蛋白质水平通过细胞周期蛋白基因的转录调控和蛋白质降解来改变。正如我们在上一章中所看到的，生长因子EGF的信号通路导致cyclinD基因的转录激活，并允许通过限制点进行进展。细胞周期蛋白的降解是由蛋白酶复合物蛋白酶体进行的。在细胞周期蛋白标志的赖氨酸氨基酸中共价添加泛素，一种小的多肽蛋白酶体降解的蛋白质。催化泛素向靶蛋白转移的酶称为泛素-蛋白质连接酶。泛素介导的环素蛋白水解阻止cdks的组成活性。请注意，泛素化在干细胞维持和血管生成中也很重要. 与抑制剂的关系 两个抑制剂家族参与调节细胞周期素-CDK活性：p16ink4a (INK)家庭和p21(CIP/KIP)家庭。p16ink4a的成员家族包括p16ink4a, 15ink4b, p18ink4c, 和p19ink4d。蛋白结合cdks4/6，干扰cdks4/6与细胞周期蛋白的结合 。D.p21家族成员包括p21cip1，p16ink4a, p15ink4b, p18ink4c, 和p19ink4d. 这些抑制剂与环素及其相关的cdks(主要与cdk2和cyclinE)相互作用，阻断ATP结合位点，从而抑制激酶活性。在有丝分裂刺激和随后的cyclinD合成时，cyclinD依赖的激酶隔离抑制剂CIP/KIP。家族，促进细胞周期蛋白E-CDK2的激活。同样，泛素介导的抑制剂降解确保抑制剂在细胞周期的一个确定的时间窗口中存在。 通过磷酸化来调节 磷酸化对cdk活性的调控既涉及激活，也涉及抑制。当磷酸化时，氨基末端的两个磷酸化位点是抑制的。酪氨酸激酶Wee1磷酸化Thr14和Tyr15。这些氨基酸位于cdk的ATP结合位点的深处，这些位点的磷酸化在物理上干扰ATP结合。要使cdks变得活跃，需要两个步骤：cdc25磷酸酶去磷酸化抑制性磷酸基团，cdk激活激酶(CAK)磷酸化中心苏氨酸残基Thr161)。请注意，cdks的完全激活需要在该位点磷酸化，单独与cyclins的关联不会导致完全激活。此外，由于CAK活性在整个周期中是恒定的，因此这种磷酸化事件不受细胞周期阶段的时间调节。 5.3 通过G的进展1 检查站 环素D-CDK4/6复合物的关键底物是RB蛋白。RB作为G的分子链接1-S相变。RB不与特定的DNA序列结合，而是调节E2F转录因子家族的活性，这对于S期所需基因的表达至关重要。它通过物理干扰E2Fs的跨激活域来实现这一点。请注意，到目前为止，有八个E2Fs和两个相关的亚基(称为DP)。细胞周期蛋白-CDKs通过顺序磷酸化事件调节RB的活性。现在让我们来检查RB蛋白的细节。 结构的RB蛋白 核R B蛋白和其他两种相关蛋白p107和p130是“口袋蛋白”的成员，含有与各种细胞蛋白结合的保守结构和功能结构域。所述口袋包括A域和B域，该B域由链接器区域连接。两种主要的细胞效应蛋白组蛋白去乙酰化酶(HDAC)和E2F转录因子与口袋区的结合（图5.4）对其功能很重要。HDACs包含LXCXE基序，这是与B结构域结合所需的氨基酸序列RB蛋白的口袋。由于E2F和DP在口袋的A结构域和B结构域的界面上识别不同的保守序列，E2F及其相关的亚基DP可以与HDAC同时结合到RB的口袋上。下一个问题是HDAC和E2F的结合如何有助于RB的功能。
图5.4RB蛋白的结构和功能。(a)低磷化RB对E2F/DP和HDAC进行测序。转录被压抑。(b)环素D-cdk4对RB的部分磷酸化引起构象变化，释放HDAC而不是E2F/DP。对一些基因，如细胞周期蛋白E （顶部），但对E2F靶基因（底部)，抑制是缓解的）。(c) 细胞周期蛋白E-CDK2的额外磷酸化导致额外的构象变化、E2F/DP的释放和E2F靶基因的转录。 RB效应的分子机制 RB蛋白的主要控制点是从G转化1 细胞周期到S期的阶段（见图5.2）。它通过与转录因子E2F和HDACs的相互作用来执行这一控制。(召回HDACs通过表观遗传机制调节基因表达) RB与E2F与HDACs之间的相互作用是雷古-由丝氨酸/苏氨酸磷酸化。在没有增长的情况下西格-纳尔，RB处于亚磷酸化状态(即它没有很多磷酸盐附着)并与E2F和HDAC结合(图5.4a)。比具有约束力e2f，RB将其分离并阻断其转激活结构域，防止E2F与一般转录因子(相互作用。TATA绑定蛋白质)。RB还通过招募HDACs来抑制E2F靶基因的表达，HDACs是一种酶，它可以去除组蛋白，增加染色质的致密性。因此，RB与HDAC和E2F的三聚体复合物调节转录，从而调节细胞循环进展；细胞周期素E、细胞周期素A和CDK2等基因不表达，其产物是通过细胞周期进行进展所必需的。正是cyclinD和E家族及其cdk以渐进的方式磷酸化RB，以响应生长信号。图5.4显示了磷酸化如何导致RB蛋白的构象变化，并导致HDAC和E2F的顺序释放。HDAC不再局限于抑制转录，转录因子E2F可自由激活增殖所需的基因。对RB进行磷酸化，分两步进行。首先，细胞周期蛋白D-CDK4在生长因子刺激下磷酸化RB的羧基末端残基。负电荷的增加导致分子内与LXCX E结构域附近的赖氨酸残基（带正电荷的氨基酸）相互作用。由此产生的构象变化释放HDAC，一种LXCXE结合的蛋白质，但不释放E2F(图5.4b)。在没有HDAC的情况下，RB介导的某些基因的转录抑制而不是其他基因的转录抑制被缓解。细胞周期蛋白E基因(图5.4b，顶部)，而不是其他E2F靶基因(图5.4b，底部)，是在HDAC从RB释放时表达的。细胞周期蛋白E-CDK2复合物随后磷酸化RB的额外氨基酸残基，包括靠近连接区的Ser567。这导致RB口袋结构域的构象变化，导致E2F的释放及其靶基因的随后表达，如cyclinA、胸苷酸合酶和二氢叶酸还原酶，这对S期很重要(图5.4c)。 总之，这两种cyclin-cdk配合物的顺序作用是重要的。细胞周期蛋白D-CDK4对RB的磷酸化是细胞周期蛋白E-CDK2磷酸化的先决条件，因为它诱导细胞周期蛋白E基因的表达，并揭示细胞周期蛋白-CDK2磷酸化位点。随后细胞周期蛋白E-CDK对RB的磷酸化导致E2F的释放。推测还可能涉及额外的cyclin-cdk复合物。请注意，RB中有许多磷酸化位点参与其调控，但图5.4是一个简化版本，用于说明顺序磷酸化的概念。例如，最近，羧基末端结构域的磷酸化已被证明参与了E2F的释放。 5.4 G2 检查站 G2 检查点阻止进入M期的细胞，在以前的阶段发生DNA损伤或没有正确完成S期。DNA损伤激活两种激酶，ATM或ATR。这些激酶然后磷酸化并激活检查点激酶Chk1和Chk2。一个这些检查点激酶的靶点是Cdc25酪氨酸磷酸酶（前面提到），通过去除抑制性磷酸盐来调节Cdk活性。特定的Cdc25s(B型和C型)在G中很重要2-M相变。启动G2检查点导致Chk1/2抑制Cdc25s。还有一个去食G2 检查点，参与分离交织的子染色体后，DNA合成。这个过程埃娜-有丝分裂后期包虫染色单体分离。拓扑异构酶II，一种酶，可以释放扭转应力，使双链DNA断裂，以允许松开，是关键的分解G2检查站。
图5.5G的机制2 检查站。DNA损伤激活ATM或ATR。ATM和ATR激酶磷酸化并激活CHK1/2激酶。Chk1/2激酶抑制cdc25。然后，cdc25无法去除抑制性磷酸基团并激活cdks。 5.5 有丝分裂检查点 有丝分裂检查点（也称为纺锤体组装检查点）是一个信号级联，它确保有丝分裂过程中染色体的正确分离和两个基因相同的核的产生。纺锤体微管附着在染色体的着丝粒区在中期，使姐妹染色单体可以拉到相反的极在后期。未附着的染色单体对招募几个检查点蛋白，产生后期促进复合物的抑制剂。这种复合物作为泛素-蛋白质连接酶发挥作用，并针对特定的蛋白质进行降解，以便后期开始。每个染色单体对连接到纺锤体后，后期促进复合物的抑制停止。后期促进复合物的一个关键靶蛋白是securein，降解后蛋白酶分离酶被激活。分离酶切割姐妹染色单体之间的蛋白质连接，这允许它们在后期分离。细胞周期蛋白是也是后期促进复合物的靶点。因此，有丝分裂检查点起着重要的作用，防止了单个染色体的错分离。
图5.6有丝分裂四个阶段的细胞：(A)前期，(B)中期，(C)后期，(D) 末期（均放大约2700倍）。 极光激酶 极光激酶(A、B和C)调节有丝分裂的重要方面，包括染色体分离和纺锤体检查点。(请注意，Aurora激酶A、B和C也分别称为STK15、STK12和STK13。) 它们是丝氨酸/苏氨酸激酶，磷酸化靶蛋白，其中许多在染色体结构和纺锤体组装中起作用。组蛋白H3就是这样一个目标。极光激酶的活动与细胞周期的特定细胞位置和事件相协调（图5.7）。极光激酶A定位于中间期的中心体。它在有丝分裂开始时被上调，并重新定位到纺锤体极点和纺锤体微管，这表明它在纺锤体成熟和纺锤体装置的组装中起着重要作用。极光激酶B活性在有丝分裂后期最高，先与着丝粒定位，然后与纺锤体中部定位，然后在分裂细胞之间定位，提示双极性纺锤体附着于染色体着丝粒，纺锤体检查点和染色体分离和胞质分裂的监测。极光激酶C在晚期有丝分裂过程中是活跃的，并定位于纺锤体极。极光激酶的精确时间调节是通过磷酸化、蛋白质抑制剂和靶向降解来调节的。
图5.7Aurora激酶A、B和C的亚细胞位置（以红色表示）与细胞周期。 5.6 细胞周期和癌症 编码细胞周期调节因子的基因在人类肿瘤中经常发生突变，导致细胞周期的异常调节、未计划的增殖和癌变。从第一章回忆起增长信号自治是癌症的六个特征之一。生长因子信号通路分子组分基因突变和基因中，调控细胞周期的代码可以导致生长信号的自主。在癌细胞中发现的CDK基因突变已被很好地描述。例如，CDK4中的错误编码突变(Arg24Cys)阻断了黑色素瘤患者子集与INK4抑制剂的结合。这种突变在小鼠中的表达导致几种类型的肿瘤的诱导。染色体易位导致CDK6在某些白血病中的过度表达。此外，最近的数据表明，在细胞周期的经典模型（图5.2）中描述的CDK谱可以在特定的细胞类型和肿瘤细胞中进行修改。例如，CDK4对于乳腺发育是可有可无的，但对于乳腺肿瘤的发展是必需的。因此，CDK4抑制可能是乳腺癌的一种药物策略。癌症细胞周期调节的改变包括环素的过度表达(例如。细胞周期蛋白D和E)通过基因扩增。细胞周期蛋白D基因的DNA扩增发生在六个乳腺癌中的一个（约15%）。一项研究报告20%的皮肤鳞状细胞癌含有额外的细胞周期蛋白D基因拷贝。 在50%的乳腺癌中，CyclinDmRNA和蛋白质水平过度表达。实验证据，包括在转基因小鼠中诱导乳腺增生和腺癌，表明cyclinD的基因是原癌基因。EGFR和雌激素都通过细胞周期素D的转录激活发挥有丝分裂作用。细胞周期蛋白D基因在其启动子区域不包含雌激素反应元件，因此雌激素受体(ER)可能充当转录共激活因子。然而，环素D的机制发挥其致癌作用尚不清楚，甚至可能涉及与CDK无关的机制(Roy和Thompson，2006年)。环素D通过与ER的激素结合结构域结合和增加与ER的辅激活剂的蛋白质相互作用来增强雌激素受体介导的转录。抑制剂p16基因编码的缺失墨水4a（常见于间皮瘤，一种与石棉接触和胰腺癌有关的癌症）也很常见。来自p16的实验结果墨水4a敲除小鼠表明p16的丢失墨水4a导致自发性和致癌性癌症的发病率增加(Sharpless等人，2001)。 腐烂G中的缺陷2 检查点与染色体有关破损还有可能铅去遗传不稳定。这个已经 一直 得到支持 证据从癌症细胞台词 (见参考资料内部考夫曼 （2006年），例如Doherty等人的工作。（2003年）和中川等人。(2004)). 这是目前关于非整倍体是否存在的争论染色体数目和含量异常，促进或驱动肿瘤的发生。无论答案是什么，非整倍体是人类实体肿瘤最常见的特征。非整倍体可能是由中心体、有丝分裂纺锤体的组织者或胞质分裂的缺陷引起的。有丝分裂检查点的断裂也可能导致非整倍体。有丝分裂检查点不是全部或全部，而是可以被耗尽的单个组件削弱。这是因为涉及到许多蛋白质，因此一个成分的缺失可能允许有丝分裂检查点发挥作用，尽管效率降低。大量的错分离染色体导致细胞死亡，但一个减弱的检查点可能导致一些不足以诱导细胞死亡的染色体异常数量。 有证据表明，编码有丝分裂纺锤体成分的基因突变在人类肿瘤细胞中并不常见。然而，在具有异常有丝分裂检查点的非整倍体肿瘤细胞中观察到有丝分裂检查点蛋白的数量减少。肿瘤抑制因子或癌蛋白可能转录调节这些蛋白质，导致蛋白质水平下降。一种罕见的隐性疾病，称为马赛克杂色非整倍体，由编码其中一种检查点蛋白的基因突变引起，其特征是非整倍体和儿童癌症的风险增加。所描述的证据支持一个削弱的有丝分裂检查点和癌变过程之间的联系。 极光激酶在几种类型的肿瘤中经常被扩增。AuroraA的基因编码已被证明是一种癌症敏感基因(Ewart-Toland等人，2003)。研究人员发现，有一种基因变异涉及一种氨基酸替代，可以改变癌症的风险，可能是通过引起非整倍体。他们认为这种变异形式改变AuroraA与人类相关调节蛋白的相互作用。其他实验室的其他数据表明该基因的过度表达导致中心体扩增、染色体不稳定和转化。该基因的过度表达已被报道在94%的浸润性导管乳腺腺癌，其特征是早期的遗传不稳定性。
图5.8环素依赖性激酶抑制剂。抑制剂显示为红色。 治疗策略： 针对细胞周期成分的治疗策略正在开发中，一些正在进行临床试验。由于激酶在细胞周期中起着核心作用，并与致癌有关，因此鉴定激酶抑制剂是一种重要的药物策略。参与有丝分裂纺锤体的蛋白质是其他重要的药物靶点。以下各节将讨论几种战略。 5.7 环素依赖性激酶抑制剂 正如我们前面所看到的（5.1节），cdks的磷酸化是调节细胞周期的关键步骤。这些丝氨酸/苏氨酸激酶在某些癌症中被过度表达和/或扩增，使它们成为癌症治疗的分子靶点。一种半合成黄酮类化合物，称为Flavopiridol，通过靶向其ATP结合位点，作为所有CDK的竞争性抑制剂(Senderowicz，2003)。有趣的是，它与从印度发现的一种植物中分离出来的化合物有关，这种化合物已知具有药用特性。黄嘌呤醇诱导G细胞周期阻滞1/S和G2/M阶段。它也影响到cdk的家庭成员，他们扮演着一个角色在转录控制和抑制细胞周期蛋白D1和基因表达d3。氟哌啶醇是第一个在临床试验中测试的cdk抑制剂。由于口服生物利用度差，所以静脉给药。在一些淋巴瘤患者中显示了抗肿瘤活性，但总的来说，黄嘌呤醇未能显示出显著的临床效果在II期研究中，作为许多实体肿瘤的单一药物的活性。然而，目前正在结合现有化疗药物对其潜力进行调查。前体证据表明CDK抑制剂与细胞毒性药物(例如。顺铂，5-氟尿嘧啶)，可能是因为与细胞周期有关的细胞对CDK抑制剂更敏感(Musgrove等人，2011)。近年来，临床试验中特异性CDK抑制剂的数量有所增加。UCN-01、CYC202(R-roscovitine；Cyclacel Ltd)、 PD0332991( 辉 瑞 ；cdks4/6 的 选 择 性 抑 制 剂) 、 AT-7519(Astex)和BMS-387032(Sunesis)是目前临床试验中CDK抑制剂的几个例子（图5.8）。鉴于cdk家族日益复杂的作用（如在转录调控和神经元功能方面）和癌症类型的特定要求，潜在的副作用和试验设计将需要对未来的药物开发进行仔细的评估。 5.8 其他细胞周期激酶靶点 细胞周期检查点激酶抑制剂(例如。针对Chk1和Chk2)也正在被确定并用作抗癌策略。这些药物阻止细胞周期阻滞，并可能增强经典化疗药物的作用，导致DNA损伤和随后的凋亡。极光激酶抑制剂(其中许多是ATP竞争抑制剂)正在早期临床试验中。它们的选择性范围从泛极光抑制剂(CYC-116)到双极光抑制剂(极光B和极光C：AZD1152)到选择性极光抑制剂(极光A特异性：MLN8237)。临床前研究表明，在一系列肿瘤的小鼠中，人类肿瘤模型/异种移植物的生长停滞和肿瘤消退。我们等待第一波临床试验的结果，这些极光抑制剂。 5.9 有丝分裂纺锤体的抑制剂 一些常规化疗干扰微管的形成和纺锤体的形成。紫杉醇/紫杉醇稳定微管，而长春花碱（长春碱，长春新碱）抑制微管组装。这些药物导致染色单体对不附着在纺锤体纤维上，从而激活有丝分裂检查点。认为这些药物的作用机制是细胞抑制，而诱导细胞凋亡也可能是一个后果。一种称为KSP的分子，一种ATP依赖的微管运动蛋白，是纺锤体极分离所必需的，是癌症治疗发展的新分子靶点。一种名为ispinesib（细胞动力学）的KSP小分子抑制剂阻止有丝分裂纺锤体极分离，并导致慢性有丝分裂检查点激活，目前正在进行多阶段的I和II试验。到目前为止，它在晚期或转移性乳腺癌患者中表现出良好的安全性和9%的应答率。 参考文献：《Molecular Biology Of Cancer》
|
|
|
来自： 昵称32772025 > 《待分类》
