细胞周期调控的研究进展(精)

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 (cyclins,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 :细胞周期;调控;细胞周期检查点中图分类号:Q253文献标识码:A
A review: cell cycle regulation
GAO Yan, LIN Li-Ping, DING Jian*
(State Key Laboratory of Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Shanghai Institues
for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Graduate School of the Chinese
Academy of Sciences, Shanghai 201203, China
Abstract: The cell cycle is a complex and elaborate process involving numerous regulatory proteins as directors.Central to this process are the cyclin-dependent kinases (CDKs, which are activated in a cyclin-dependentmanner at special points of the cell cycle. Cyclin protein levels rise and fall during the cell cycle and in the waythey periodically activate CDKs. Furthermore, the cell cycle checkpoint is also discussed as a key process inthe regulation of CDKs. PLKs are important mediators for various cell cycle checkpoints, while Aurora kinaseshave emerged as essential regulators of cell division. Here, we reviewed the effects of above factors on cellcycle regulation.
Key words: cell cycle; regulation; cell cycle checkpoint
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 :1004-0374(200504-0318-05
1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。

G 2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 ; 子核形成和胞质分裂 (末期。

另外, G 1期的
319
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 (cyclin-dependent kinases, 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——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 kinases , 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-cyclin 底物磷酸化而被激活,这种 CAK 引起的某一种 CDK-cyclin 底物的磷酸化,与周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,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 EG
1/S 转换 CDK2cyclin AS 期 CDK1(CDC2cyclin AG 2/M 转换 CDK1(CDC2cyclin B 分裂期
CDK7
cyclin H
CAK, 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 inhibitory protein, 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(I 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-β增强, 通过多种途径抑制细胞周期进程。

2.3 CDK-cyclin 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-cyclinD复合物的底物视网膜母细胞瘤蛋白 (retinoblastoma protein , pRb 。

G 1期早期, pRb 被磷酸化,继而引起其与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 G
1
/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 G
1
/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-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 (caldesmon, 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α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 末端结构域的保守序列—— 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 complex/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 CDK4/6的活性 p15(INK4b p16(INK4a P18(INK4c P19(INK4d Cip/Kip家族抑制 G
1
期的 cyclin-CDK p21(Waf1, Cip1复合物以及 cyclin B-CDK1p27(Cip2的活性 p57(Kip2
321第 4期高燕,等:细胞周期调控的研究进展
和有丝分裂的持续进行。

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 、 G
2
/M检查点均有不同程度的调控作用 [6~8]。

另有研究表明, PLKs 通过磷酸化pol δ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 Aurora 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:(1G
1
/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 G
1
/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 [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 p21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 G
1
/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 G
2
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。

Chk1(checkpoint kinase 1, chk1 和 Chk2 (checkpoint kinase 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
2
/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 14-3-3σ表达上调,周期素 B 与 14-3-3σ结合增强,周期素进入核内受阻。

另外, p53通过诱导表达 Gadd45——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 G
2
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 [20]。

4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。

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·简讯 ·
我国率先解析和“呼吸”密切相关的膜蛋白复合体三维结构中国大陆科学家论
文 25年来首“登” Cell 杂志
近日,我国科学家在世界上率先解析了线粒体膜蛋白复合物 II 的精细结构,填补了线粒体结构生物学和细胞生物学领域的空白,成为线粒体呼吸链研究领域的一个
新的里程碑。

这一研究成果于 2005年 7月 1日发表在 Cell 杂志上,这是 25年来我国大陆科学家第一次将完整、系统、原创的研究成果发表在 Cell 上。

这项完全立足于“本土”取得的研究成果,发现并证实了这一和呼吸氧化作用密切相关的膜蛋白复合体是一个“穿膜蛋白复合物” ,而不是传统教科书描述的“外周膜蛋白” ,从而“纠正”了一直以来存在于生物化学和细胞生物学教科书中的传统认识。

摘自 http: //。