细胞周期调控的研究进展精

1、细胞周期调控的研究进展rY 从上I苛史17-r 血*细胞周期调控的研究进展高燕,林莉萍，丁健*（中国科学院上海生命科学研究院药物研究所，国家新药研究重点实验室，中国科学院研究生院，上海201203摘要：细胞周期是一种非常复杂和精细的调节过程，有大量调节蛋白参与其 中。此过程的核心是细胞周期依赖性蛋白激酶（CDKs。 CDKs的激活又依赖于另一类呈细胞周期特 异性或时相性表达的细胞周 期蛋白（cycli ns,而CDKs调节的关键步骤是细胞周期检 查点。PLKs是多种细胞周期检查点的主要调节因子，Aurora蛋白激酶主要在细胞有丝分裂期起作用。本文就上述因素在细胞周期进程中的作用作一综述。关键词

2、：细胞周期;调控;细胞周期检查点 中图分类号：Q253文献标识码:AA review: cell cycle regulatio nGAO Ya n, LIN Li-P ing, DING Jia n*（State Key Laboratory of Drug Research, Shan ghai In stitute of Materia Medica, Shan ghai In stituesfor Biological Scien ces, Chin ese Academy of Scie nces, Graduate School of the Chi neseAcademy of

3、Scie nces, Sha nghai 201203, Chi naAbstract: The cell cycle is a complex and elaborate process involving nu merous regulatory prote ins as directors.Ce ntral to this process are the cycli n-depe ndent kin ases （CDKs, which are activated in a cycli n-depe nden tma nner at special poi nts of the cell

4、cycle. Cyclin protein levels rise and fall during the cell cycle and in the waythey periodically activate CDKs. Furthermore, the cell cycle checkpo int is also discussed as a key process in the regulati on of CDKs. PLKs are importa nt mediators for various cell cycle checkpo in ts, while Aurora kin

5、aseshave emerged as esse ntial regulators of cell divisio n. Here, we reviewed the effects of above factors on cellcycle regulati on.Key words: cell cycle; regulati on; cell cycle checkpo int收稿日期：2005-01-22;修回日期：2005-03-09作者简介:高 燕（1974，女，博士研究生；林莉萍（1962，女，博士,副研究员;丁 健（1953，男,研究员，博士生导师,*通讯作者。文章编号:1004-

6、0374（200504-0318-051概述细胞周期是指一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂的结束，细胞由一个分裂为 两个子细胞。细胞 的分裂由两个连续的过程组成，即DNA复制及染色 体的分离。 一个细胞周期包括准备阶段的间期和有 丝分裂期（图1。间期包括G 1、S和G 2 期。G 1期时，细胞为遗传物质DNA的合成作准备,而DNA的合成是在S期完成。G2期主要完成蛋白质的合 成，为细胞进入有丝分裂期 作准备。有丝分裂期（M期又分为前期、中期、后期和末期，以完成染色体的凝集 中心粒移至细胞核对立的两极，核仁解体，核膜消失（前期；纺锤体形成和染色体排 列于其间（中期；姐妹染色单体分开并移向两极（后期

7、；子核形成和胞质分裂（末 期。另外,G 1期的第4期高 燕，等:细胞周期调控的研究进展 细胞也可能处于一种静息状态，细胞不生长，也不分化,称之为G 0期。2细胞周期蛋白激酶和周期素的作用细胞周期调控的关键因素是细胞周期依赖性蛋白激酶（cycli n-depe nde nt kin ases,CDKs,属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族，可在特定的细胞周期被 激活，之后磷酸化 相应的底物，从而引起后续事件 的发生。此外，CDKs功能的实现还依赖于另一类 蛋白质一一细胞周期蛋白，又称为周期素，此类蛋白在不同的细胞周期表达量不同， 因而可以时相性地激活CDKs ,而CDKs的时相性激活是细胞周期 调控的

8、核心。 与周期素不同的是，CDKs的蛋白总 量在整个细胞周期进程中几乎稳定不变。除了 CDKs以外，PLKs （polo-like kin ases , PLKs和Aurora激酶对细胞周期的调节成为新近研究的热点。2.1细胞周期依赖性蛋白激酶（CDKs的活化目前公认的CDKs有9种，其中只有5种在细胞周期中是有活性的（图1,表1。CDK7与cyclinH结合形成的活性复合物称之为CDK活化激酶（CDKactivating kinase, CAK。CAK能够使细胞周期调 控中的 所有主要的CDK-cycIin底物磷酸化而被激 活，这种CAK引起的某一种CDK-cycIin 底物的磷 酸化,与周

9、期素的时相起伏相平行。不同细胞周期的细胞表达的周期素不同。在G 1期,细胞表达三种周期素D（D1、D2和D3，周期素D与CDK4/6的结合激活 CDK4/6,是细胞 从G 0期进入G 1期所必需的。但与其他周期素不同 的是,周期素 D并不周期性表达，而只要生长因子持续刺激细胞就可以合成。周期素 E也表达于 G 1期，它与CDK2结合,使细胞完成G 1/S期的转换1。S期的向前推进则需要周 期素A与CDK2形成的激酶复合物。在G 2晚期和M早期周期素A与CDK1结 合后启动细胞向M期推进。但在G 2期内主要是周期素B的表达,周期素B与 CDK1形成复合物呈现功能，并直接与细胞成熟进行有丝分裂相关

10、，故又将该复合体 称为成熟促进因子（maturation promotingfactor , MRF。以上所述的是人类细胞主要 的细胞周期素,虽然目前发现的周期素有16种，但并不都与细胞周期有关。此外，人 类细胞周期素A和B各含有一个毁坏盒（destruction box周期素D和E含有一个 PEST序列（该序列富含脯氨酸、谷氨酸、丝氨酸和苏氨酸，前者为细胞在有丝分裂 时通过 时相激活的泛素蛋白途径（the ubiquitin pathway降解细胞周期蛋白所必需； 后者可能在不同周期时相中不断迅速转化细胞周期蛋白中起作用，细胞周期蛋白与 它们相应的CDK结合，控制着细胞周期进程或 细胞周期检

11、查点（checkpoint。CDKs除了与上述细胞周期素的结合被活化外,其活性也可通过自身保守的苏 氨酸和酪氨酸残基的 磷酸化而被调节。CAK可以磷酸化CDK1的Thr-161位点，使 其活化（CDK4为172位点,CDK2为160图1细胞周期不同时相以及在相应时相发挥作用的周期依赖性激酶复合物表1 cyclin-CDK复合物在特定的细胞周期时相被激活细胞周期依赖性激酶(CDKs周期蛋白(cyclin激酶复合物的活性CDK4cyclin D1, D2, D3G 1 期 CDK6cyclin D1, D2, D3G 1 期 CDK2cyclin EG1/S 转换 CDK2cyclin AS 期

12、CDK1(CDC2cyclin AG 2/M 转换 CDK1(CDC2cyclin B 分裂期CDK7cycli n HCAK,细胞周期所有时相320生命科学第17卷位点，其原理是磷酸化修饰改变了 CDKs的分子构象，促进CDKs与周期素结合。但是,Wee1和Myt 1激酶将CDK1的Tyr-15和/或 Thr-14位点磷酸化 后，抑制 了 CDK1的活性。Cdc25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。2.2细胞周期蛋白激酶(CDKs活性的抑制CDKs的活性可以被细胞周期抑制蛋白(cell cycle in hibitory prote in,

13、CKI所抑制。CKI可与CDK单独结合,也可与CDK-cyclin复合物结合而发挥作 用。现已发 现两种CKI家族:INK4家族和Cip/Kip家族(表2。 I NK4家族包括p15(l NK4b、 p16 (INK4a、p18(INK4c和p19(INK4d,它们均可特 异性抑制CDK4/6,其原理是:上 述CKI在CDK与周期素结合前与CDK结合形成稳定的复合物，阻止其与周期素D 的结合。Cip/Kip 家族包括 p21(Waf1/ Cip1、p27(Cip2 和 p57(Kip2,可以广泛地 作用于CDK-cyclin复合物并抑制它们的活性，特别是G 1期的CDK4/6-cyclinD复

14、 合物。CKI受胞内外的信号分 子调节，比如，p21通过结合抑制增殖细胞核抗原(PCNA而抑制DNA的合成，且p21是抑癌基因p53的下游信号分子，因为p21基因的启动子含有p53结合域所以p53可以转录激活p21基因。而p15和p27的表达 和激活可被转化生长因子TGF- B增强,通过多种途径抑制细胞周期进程。2.3 CDK-cycIi n复合物的底物CDK被激活后,通过磷酸化靶蛋白，从而引 起细胞周期的改变。最受关注的是 CDK4/6-cycli nD复合物的底物视网膜母细胞瘤蛋白 （reti no blastoma protein , pRb。 G 1期早期，pRb被磷酸化，继而引起其与

15、组蛋白脱乙酰基蛋白（HDAC形成的复合 物被破坏，其中的转录因子E2F和DP-1被释放出来，正反馈调节某些基因的转录，这 些基因的蛋白产 物，如周期素A、周期素E和Cdc25等,都是细 胞在S期进程所必 需的2。此外,CDK2-cyclinE复合物参与pRb高磷酸化状态的维持。在 G1/S转换点,CDK2-cyclinE复合物还磷酸化p27蛋白，诱导其降解。核蛋白NPAT同时也可被 CDK2-cyclinE磷酸化激活,NPAT蛋白峰值一般出现在G1/S转换点，推测其可能在细胞进入S期的过程中发挥主要 作用3。组蛋白H1 是CDK2-cyclinE和CDK1-cyclinB的共同底物,CDK1-

16、cyclinB还可以磷酸化细胞骨 架蛋白，如核纤层蛋白（nuclear lamins、微管、波 形纤层蛋白（vimentin和钙调结合 蛋白（caldesm on,从而对染色体集聚、核膜解体、中间丝解聚及微丝的重组有重要作用。周期素A依赖的激酶通过磷酸 化DNA多聚酶a调节DNA复制的起始过 程。其他CDK底物包括CDK自身调节因子 Wee1和Cdc25,都是保证正确的有丝 分裂过程必不可少的4。2.4细胞周期的调节激酶2.4.1 PLKs激酶 PLKs是以已建立的丝氨酸/苏氨酸激酶家族成员 果 蝇polo基因产物而命名的。所有的PLKs均有一个非常相似的N末端激酶区和一个位于可调控C末端结构

17、域的保守序列 一一polo盒子。PLKs在整个细胞周期进展中表现为一种动力 学定位，其中包括在有丝分裂早期的着丝粒和中心体定位、纺锤体定位和后期的胞质分裂位点的定位。从此种动力学定位模式推断，PLKs在多个有丝分裂过程中发挥了重要的调节作用，包括有丝分 裂早、中、后期的启动和胞 质分裂。PLKs控制有丝分裂的启动通过磷酸化 Cdc25C和周期素B ,继而激活 Cdk1/cyclinB激酶复合物。PLKs也可控制染色质间粘着力的丧失和中心体成熟, 引起双极纺锤体形成。在有丝分裂后期，PLKs通过对含有一个环指区并有泛素连 接酶活性的 APC/C(anaphase-promot-ing compl

18、ex/cyclone, APC/C亚单位的磷酸化激 活APC/C,后者引起PLKs的泛素化降解。在此期对 PLKs功能的破坏，会导致细胞 周期蛋白降解受阻表2 CKI单独与CDK结合或与CDK-cyclin复合物结合以调节CDK的活性CKI家族功能家族成员INK 4 家族 抑制9 CDK4/6 的活性 p15(INK4b p16(INK4a P18(INK4c P19(INK4d Cip/Kip家族 抑制G1期的 cyclin-CDK p21(Waf1, Cip1复合物以及 cyclin B-CDK1p27(Cip2 的活性 p57(Kip2321第4期高 燕，等:细胞周期调控的研究进展和有丝

19、分裂的持续进行。PLKs也可直接参与胞质 分裂机制，因为分裂酵母缺 失plo1基因后，细胞 不能形成胞质分裂所必需的肌动蛋白环和隔膜；且果蝇polo基 因突变体在精子生成过程中表现为严重的胞质分裂缺陷5。 PLKs在有丝分裂进展不同阶段 的重要作用，使它们成为检查点机制调节的绝好靶 点;另外，通过磷酸化 细胞周期的其他调节蛋白，如p53对S、G2/M检查点均有不同程度的调控作 用68。另有研究表明,PLKs通过磷酸化 pol亚单 位,还参与DNA的损伤修复9。2.4.2 Aurora激酶Aurora激酶是由一系列高度保 守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族成员组成的。在 哺乳动物中发现三种Auror

20、a激酶的同源蛋白，分别称为 Aurora A、B和C。Aurora A和B在有丝分裂 过程中至关重要，而Aurora C只在 纤毛和鞭毛运动 的调节中发挥作用10。Aurora A和B在细胞内的定 位不同, Aurora A在S期定位于中心体，到有丝 分裂时,Aurora A除了主要集中于纺锤体两 极的中心体上,还可在纺锤体的微管上检测到。而 Aurora B在有丝分裂前期定位于 染色体上，在前中期和中 期集聚于中心体，到后期启动时就定位于纺锤体，在胞质分 裂中发挥作用。两者的作用与它们的定位是一致的:Aurora A调节纺锤体的组装，而Aurora B调节染色体的分离和胞质分裂11。3细胞周

21、期的质控：细胞周期检查点到目前为止，DNA损伤检查点和纺锤体组装 检查点机制已被部分阐明。已知 DNA损伤后，激活了相应的检查点机制，使细胞周期进程延缓或停 滞,目的是修复损 伤的DNA。细胞周期检查点主要在4个时期发挥作用:(1G1/S期检查点，在酵母 中称Start点,在哺乳动物中称 Restriction point; (2S期检查 点;(3G2/M期检查点；(4中/后期检查点，又称纺锤体组装检查点。在G1/S检查点,DNA损伤引起p53依赖的周 期阻滞。正常细胞内p53的水平通常 很低,DNA损伤刺激引起p53的表达和活性迅速升高。p53可引起多种基因转录, 如p21、Mdm2和Bax

22、 12。如前 所述，p21是一种细胞周期抑制蛋白，通过抑制CDKs导致细胞周期阻滞,阻止损伤DNA的复制。Mdm2的作用是通过负反馈环调 节p53蛋白水平,它可以结合并抑制p53的转录活性，有利于其通过泛 素依赖的蛋 白水解途径降解。其他蛋白，如p 19 (ARF蛋白,由ARF-INK4所编码，可与Mdm2结 合，阻止Mdm2介导的p53蛋白水解作用13;但细胞严重受损，损伤的DNA无法修 复时，p53通过激活某些基因的转录，如Bax、Fas和参与氧化 应激反应的相关基因 诱导细胞凋亡14。有些蛋白激酶可以识别 DNA损伤，如ATM和ATR , DNA损伤后它们能够磷 酸化p53,进而引起p2

23、1表达升高，至少在G 1/S检查点延缓了细胞周期 的进程 15。 DNA-PK是一种与ATM和ATR有关的双链DNA断裂修复酶，但是否在G1/S检查点中发 挥作用目前仍不清楚16。S期DNA损伤的检查点机制尚不明确，但研究 表明，DNA链复制的起始和延 长过程都可以受到抑 制，也有研究显示，S期阻滞需要ATM介导的NBS1的磷酸化 作用17。当DNA损伤出现在G2期时，引起细胞周期阻 滞,此作用可以不依赖于p53蛋白。细胞可以通过 抑制 CDK1的脱磷酸化作用，使其处于抑制状态；或者通过将CDK1-cyclinB1复合物滞留 在胞浆中，使其不能进入细胞核发挥作用，故阻止细胞进入有 丝分裂期。C

24、hk1(checkpoi nt kinase 1, chk1 和 Chk2 (checkpoi nt kin ase 2, chk2 对于上述作用的实 现至关重要。Chk1/2是DNA损伤后，以ATM依赖的方式被激活的，可磷酸化 Cdc25使Cdc25的自身 活性被抑制，加速了它与14-3-3蛋白的结合，复合物定位于 胞浆中，所以阻止了 CDK1-cyclinB复合物的激活和有丝分裂的进行。除了 CDKs 的磷酸化抑制作用外,p53也可以在G/M检查点的调节中发 挥作用。DNA损伤后,p53表达增强,引起p21和14-3- 3 c表达上调周期素B与14-3-3 c结合增强,周期素进入核内受阻。

25、另外,p53通过 诱导表达Gadd4 周期阻滞和DNA损伤诱导因子,加速CDK1-cyclinB1复合 物分解18。纺锤体组装检查点的作用是监测纺锤体形成过程中染色体不正确的组合，在有 丝分裂中期引发周 期阻滞，以阻止有丝分裂后期启动、胞质分裂和DNA再复制，此现象最初是在出芽酵母中发现的。几种哺乳动物纺锤体检查点相关蛋白最近也被广为研究，如Mad和Bub蛋白在微管黏附作用缺陷时被 激活,抑制有丝分裂后期启 动复合物（anaphase pro-moting complex, APC阻止有丝分裂中后期的周 期进展 19。进一步研究认为，胞质分裂是细胞分裂最后一步，可认为存在检查点机制，称为 胞质

26、分裂 检查点或收缩环检查点（contractile ring checkpoint,主要控制向中央延伸 的肌动蛋白环以及隔膜的形成和完整性,故可延缓细胞核分裂。在细胞动力学结322生命科学 第17卷构紊乱时，此检查点使细胞成为含2个G2期核周期阻滞的细胞，该现象在酵母和高等真核细胞系统均存在204结语细胞周期的运转由多种机制控制，以确保细胞分裂的有序进行。本文主要集中 于某些机制的探 讨，如周期素和CDK抑制蛋白对CDKs的调节，DNA损伤后细胞 周期检查点作用以及PLKs和Aurora激酶对细胞周期检查点的调节。细胞周期各 项指标的正常运行对细胞的生长、增殖起着重要的调控作用,阻滞细胞周期的

27、正常 运转已成为药物作用的新 靶点，运用于肿瘤或其他疾病的治疗，需要我们进一步研究 明确。参考文献1Sherr C J, Roberts J M. Living with or without cyclins and cyclin-dependent kinases. Genes Dev, 2004, 18: 26992711 2Brehm A, Miska E A, McCance D J, et al. Reti noblastoma protein recruits hist one deacetylase to repress tran scripti on. Nature , 199

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