细胞周期调控

2001年诺贝尔生理学和医学奖细胞周期调控一、背景介绍2001年诺贝尔生理学医学奖授予美国西雅图弗瑞德哈钦森癌症研究中心的Leland H Hartwell、英国伦敦皇家癌症研究基金会的Sir Paul M. Nurse和R. Timothy Hunt，以表彰获奖者们在细胞周期调控方面的卓越发现和贡献。Leland H.Hartwell(1939年生)在上世纪60年代末便认识到用遗传学方法研究细胞周期的可能性。他采用啤酒酵母细胞建立系统模型，经过一系列试验，分离出细胞周期基因发生突变的酵母细胞。Hartwell和其他科学家相继发现了100多种与细胞周期调控相关的CDC基因族。其中，Hartwell发现的CDC28调控细胞周期G1期进程的第一步，故又称为“start”基因。另外，Hartwell在研究酵母细胞对辐射的敏感性基础上，提出了著名的“checkpoint”概念，即当DNA受损时，细胞周期会停止。这一现象的生理意义在于，在细胞进入下一个细胞周期之前能有足够的时间进行DNA修复。后来，Hartwell将“checkpoint”的概念扩展到调控并保障细胞周期各期之间的正确顺序。Sir Paul M.Nurse(1949年生)继Hartwell之后在70年代中期采用非渊粟酒裂殖酵母细胞为模型，发现了cdc2基因在细胞分裂(从G2期到有丝分裂期)调控方面起重要作用。后来，他发现cdc2与Hartwell在啤酒酵母中发现的“start”基因相同，还可调控从G1期到S期的转变。因此，cdc2基因可调控细胞周期的不同阶段。1987年，Nurse分离出人类的相应基因CDK1。Nurse发现CDK的活性依赖可逆性的磷酸化反应。基于这些理论，又有一些人类的CDK分子相继被发现。R. Timothy Hunt(1943年生)在80年代早期发现了第一个周期蛋白分子。周期蛋白是一种在细胞周期中周期性产生和降解的蛋白质。周期蛋白与CDK分子结合，调节CDK的活性。Hunt首先发现，在海胆细胞中周期蛋白在细胞周期中会发生周期性的降解，这是调控细胞周期的重要机制。Hunt在其他物种中也发现了周期蛋白，这些周期蛋白在进化过程中高度保守。3位诺贝尔奖获得者创建了细胞周期调控的分子机制。CDK分子的含量在细胞周期中是恒定的，但是它的活性却因周期蛋白的调控作用而不同。周期蛋白和CDK分子共同驱动细胞周期从一期到另一期的转变。二、细胞周期简介细胞周期又称细胞分裂周期，是指细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的全过程。分为G1期、S期、G2期和M期。其中，从有丝分裂完成到DNA复制前的间歇时间称为G1期，是细胞生长和DNA合成准备时期。当细胞进入G1期后，细胞开始合成生长所需的RNA、蛋白质、糖类、脂质等，同时其体积在此期逐渐增大。DNA复制的时期为S期，DNA的含量在此期增加一倍。而从DNA复制完成到有丝分裂开始的这段间歇称为G2期，此时细胞合成大量蛋白质，为有丝分裂做准备。M期则为细胞分裂期，细胞在此期分裂为两个子细胞，完成增殖。因此，在一个细胞周期中，细胞要经历细胞生长、DNA复制、分裂形成两个细胞并将染色体平均分配到两个子细胞的全过程。这个过程不仅仅是物质积累的过程，还是细胞装备、修饰、形成具有功能状态的结构的过程。为了确保细胞周期有条不紊地进行，该过程受一系列细胞内外复杂因素的严格、精确调控，这对所有真核细胞生物而言至关重要。后续的实验又进一步证明了在动植物细胞中细胞周期存在的普遍性，从而为细胞增殖的研究开创了新的方向。因此，细胞周期的揭示成为20世纪50年代细胞生物学研究的重大发现之一。三、 细胞周期的分子机制（一） 细胞周期的调控机制在多细胞真核生物中，参与细胞周期调控的核心蛋白分子主要分为3大类，分别Cdk、Cyclin及“细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子”(Cdk inhibitor，CKI)。其中，Cdk是细胞周期调节的中心环节，Cyclin是Cdk的正调节因子，CKI是Cdk的抑制因子。作为“细胞周期发动机”，Cdk在细胞周期的调节中起关键作用。各种Cdk在细胞周期的各个特定时间被激活，通过磷酸化底物，驱使细胞完成细胞周期。这就是细胞周期的驱动机制。如在关键的G1期的启动中，Cdk起着核心的作用。当细胞受到生长因子的刺激，从G0期进入早G1期，并在Cdk-Cyclin复合物作用下，通过R点，生成有活性的E2F，E2F作为转录激活因子促进DNA复制相关基因的表达，使细胞进入S期。在整个细胞周期过程中，细胞内各种Cdk的含量是恒定的，即活化的Cdk与非活化的Cdk的总量不变，改变的只是它们之间的比例。这个比例的改变主要受三方面的调节：首先，Cdk只有通过与特定的Cyclin形成二聚复合物才能发挥作用。目前，在高等真核细胞中Cyclin主要包括8个成员(AH)，它们在细胞周期的不同时相，结合不同的Cdk发挥不同的作用。根据Cyclin发挥作用时相的不同，通常将其分为四类：G1Cyclin、G1SCyclin、S-Cyclin和MCyclin。在结构上，所有的Cyclin分子均有一个相对保守区域，称为细胞周期蛋白盒，其主要功能是与Cdk结合而改变Cdk的蛋白质构象，激活Cdk的蛋白激酶活性，具有激酶活性的Cdk使周期蛋白特定的氨基酸残基磷酸化，使后者的三维构象发生变化，从而引起一系列的链式反应，调控细胞周期进程。其次，除必须与相应的Cyclin结合外，Cdk的激活还需要在其保守的苏氨酸和酪氨酸残基上发生磷酸化。这个磷酸化是由Cdk激活激酶完成的。CAK可以磷酸化Cdk1的Thr-161位点，使其活化，改变Cdk的分子构象，促进Cdk与Cyclin结合。Weel基因可通过对Cdk1的Tyr一15和或Thr一14位点磷酸化，抑制Cdk1的活性；而Cdc25基因的产物却可将上述抑制性位点脱磷酸化，对Cdk1的激活非常必要，所以促进了细胞周期的进程。同时，Cdc25本身亦是活化的CyclinCdk复合物的磷酸化靶底物。磷酸化后的Cdc25的磷酸酯酶活性更强，故Cdc25与CyclinCdk复合物之间形成一个正反馈环，快速促使CyclinCdk复合物活性达到生理性高峰。最后，Cdk的活性可被Cdk抑制蛋白(CKI)抑制。CKI通过直接结合Cdk，或与CdkCyclin复合体作用，抑制Cdk的作用，调节细胞周期。目前将CKl分为两大家族，第一大家族是具有广泛抑制Cdk作用的“Cdk抑制蛋白激酶抑制蛋白”家族，包括P21cip1、P27kip1、P57kip2等，能抑制大多数Cdk的激酶活性，P21cip1还能与DNA聚合酶的辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。第二大家族为具有特异性抑制作用的“Cdk 4抑制因子”家族，包括P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，特异性抑制Cdk4一Cyclin D1、Cdk6Cyclin D1复合物而抑制其对pRb的磷酸化作用，使游离的E2F与未磷酸化的pRb结合，从而使依赖于E2F转录的基因不能转录，因此间接地抑制包括DNA合成在内的多种生化反应，抑制细胞周期进展。因此，正常的细胞周期需要Cdk的正调节因子Cyclin与负调节因子CKI的精确协同与平衡，一旦这种平衡失稳就会造成细胞的失控性增殖，发生癌变。（二） 细胞周期的监测机制监测点机制20世纪80年代末，Hartwell为细胞周期调控机制的阐明做出了另一个重大的贡献。他研究了酵母细胞对放射性的敏感程度，在此基础上提出了“检测点(checkpoint)”的概念。他认为细胞周期是高度有组织和精确的时序调控过程，它严格地沿着G1一SG2一M的顺序循环运转，为保证这一过程的正常进行，细胞形成一套检验细胞周期中DNA合成和染色体分配的机制，即“细胞周期检测点”。这些监测机制可以检测到DNA结构的受损或复制不全，还能检测到细胞分裂过程中所需的蛋白复合物的缺失。到目前为止，科学家将所发现的细胞周期检测点分为三种，第一种即是DNA损伤检测点，它包括两个关键性检测点：G1S转换点和G2M转换点。G1S转换点在酵母中称start点，在哺乳动物中称R点(restriction point)，控制细胞由静止状态的G1期进入DNA合成期；G2M转换点则是决定细胞一分为二的控制点，它保证DNA复制的完整。第二种检测点是DNA复制检测点，其在S期中负责DNA复制的进度。第三种为纺锤体组装检测点，其在分裂期起作用，检测纺锤体有无组装、染色体是否正确排列并与纺锤体连接，以及染色体是否正确分配等。这些检测机制保证了DNA在分子水平上的精确复制及在细胞水平上的精确分离。检测点对细胞周期进程进行严格的监督，使DNA复制和有丝分裂准确无误地进行，保证遗传的稳定性。它们的缺失将导致细胞在没有正确完成前一时相就进入下一时相，细胞将出现严重的遗传性损伤甚至癌变，最终导致机体死亡。四、影响与意义Leland HHartwell、R Timothy Hunt和Paul MNurse三位科学家的重大贡献促进了人们对细胞周期调控分子机制的了解，使人们可以借助对有丝分裂细胞周期的分子调控机制，去了解减数分裂、细胞分化等过程的分子机制，并为细胞生长、组织器官发育、肿瘤发生机制等多个科学领域的研究奠定了坚实的基础。这其中受益最多的，应该是肿瘤领域的研究。目前研究表明，肿瘤的发生是因为细胞的生长和增殖失去了控制。细胞的生长或增殖的失控与细胞基因尤其是原癌基因的异常和或抑癌基因的失活有很大关系。由于基因的异常导致细胞的周期调控紊乱，而导致染色体的缺失、重排或不平均的分配到子细胞，最终引起细胞的增殖失控及癌变。因此，细胞周期调控因子的发现在癌症的预防、诊断及治疗方面具有深远的实践意义。但到目前为止，真核细胞的细胞周期的分子调控机制仍未被完整地阐明，在今后的10到20年中，科学家们将更加关注于一