浅谈细胞周期调控

浅谈细胞周期调控

朱春森

摘要：近年来有关细胞周期调控机制研究进展较快，细胞周期调控可分为G1期调控和非G1期调控。在G1期调控中，细胞周期蛋白依赖性激酶复合体CDK激活后,通过Rb蛋白和转录因子启动基因转录。P16、p21、p15等蛋白通过抑制CDK的活性而发挥作用。P53蛋白和ｍｄｍ2蛋白协同调节细胞周期活动。细胞周期的停滞或细胞凋亡对维护基因组稳定有重要意义。

关键词：细胞周期调控 Cyclin CDK CDI 调控机制

细胞周期调控是指各种调控因子通过自身的激活和灭活,使细胞启动和完成细胞周期重要事件,并保障这些事件按次序正常进行。细胞周期调控对维护基因组的稳定有着重要的意义。

1. 细胞周期调控的分子基础

细胞周期调控的分子基础包括细胞周期蛋白(Cyclin)、细胞周期蛋白依赖蛋白激酶(CDK)和细胞周期蛋白依赖蛋白激酶抑制物(CDI)。它们分别包括CyclinA、CDK17和ｐ21、ｐ27、ｐ18等,ｐ53和视网膜母细胞瘤蛋白(pRb)也参与细胞周期调控。

Cyclin

周期蛋白不仅仅起激活CDK的作用，还决定了CDK何时、何处、将何种底物磷酸化，从而推动细胞周期的前进。目前从芽殖酵母、裂殖酵母和各类动物中分离出的周期蛋白有30余种，在

脊椎动物中为A

1-2、B

1-3

、C、 D

1-3

、E

1-2

、F、G、H等。分为G

1

型、G

1

/S型S型和M型4类（见表

1）。各类周期蛋白均含有一段约100个氨基酸的保守序列，称为周期蛋白框，介导周期蛋白与CDK结合。

表1不同类型的周期蛋白

*包括D1-3，各亚型cyclin D，在不同细胞中的表达量不同，但具有相同的功效 CDK

CDC2与细胞周期蛋白结合才具有激酶的活性，称为细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)，因此CDC2又被称为CDK1，激活的CDK1可将靶蛋白磷酸化而产生相应的生理效应。这些效应的最终结果是细胞周期的不断运行。因此，CDK激酶和其调节因子又被称作细胞周期引擎。目前发现的CDK 在动物中有7种。各种CDK分子均含有一段相似的激酶结构域，这一区域有一段保守序列，即PSTAIRE，与周期蛋白的结合有关。

CDKI

CDKI家族即细胞周期蛋白依赖激酶抑制剂家族，目前发现的CDKIS按其结构和功能不同分为两类:一类为INK4(Inhibito:of CDK4)家族，包括pl6、pls、p18、p19四名成员，其蛋白结构均具有4个回钩状重复序列，特异性抑制Cyclin一CDK4/COK6的磷酸化激酶活性。另一类为cip/kiP(CDK一interacting protein/kinase inhibition pro-tein)家族，现已知有三名成员，包括p21(Cyclin in-hibition proteinl)、p27(kinase inhibition proteinl) 和p57(kinase inhibition proteinZ)，它们在C一末端均有一核定位信号，并在近氨基末端有一保守区，该家族蛋白可作用于各种细胞周期蛋白一细胞周期蛋白依赖激酶复合物(cyclin-CDK复合物)，发挥其抑制作用，使细胞周期停滞，阻断细胞增殖，诱导细胞凋亡。

2. 细胞周期调控机制

细胞周期主要调控分子彼此紧密联系，形成一个以CDK为中心的细胞周期调控网络，调控的基础是细胞周期检测点。细胞周期调控的核心是细胞周期素依赖激酶(CDKｓ),细胞周期素对其进行正性调节，CyclinD和CyclinE主要调控G1/S期转化，CyclinA主要负责S期的行进， CyclinB 主要与M期的完成有关。细胞周期素依赖性激酶抑制剂(CKIs)对其进行负性调节。CKIs是抑制CDKs活性的一组蛋白，一类为CIP/KIP蛋白，包括ｐ21、ｐ27、ｐ57，主要抑制CylinE，A/CDK2，CyclinB/CDK1等复合物活性；另一类为INK4蛋白，包括p16，p15，p18，通过与CyclinD竞争结合CDK4/6，抑制其对pRb的磷酸化作用。Cyclins，CDK，CDKI对细胞周期的作用主要通过两条途径，以pRb为主的网络调控途径，pRb是遗传性视网膜母细胞瘤中发现的抑癌产物，是G1/s 限制点的中心成分，当CyclinD与相应CDK结合为激酶复合物时可对pRb磷酸化，磷酸化pRb

可释放其结合的核转录因子E2F,E2F因子控制参与细胞增生、生长、分化、凋亡基因的表达，这些基因的产物促进细胞进入S期。ｐ53为主的途径是在细胞DNA受损时，诱导产生ｐ53蛋白，ｐ53蛋白转录激活下游靶基因ｐ21和MDM2的表达，从而抑制CDK活性，对细胞周期进行负性调控，使细胞停滞在G1或G2期，或促进细胞凋亡。包括：CDK复合体的细胞周期调控机制， CDK 抑制因子对细胞周期的调控机制等。

细胞在生长因子的刺激下，G

1

期cyclinD表达，并与CDK4、CDK6结合，使下游的蛋白质如Rb磷酸化，磷酸化的Rb释放出转录因子E2F，促进许多基因的转录，如编码cyclinE、A和CDK1

的基因。1）在G

1-S期，cyclinE与CDK2结合，促进细胞通过G

1

/S限制点而进入S期。向细胞

内注射CyclinE的抗体能使细胞停滞于G

1

期，说明细胞进入S期需要CyclinE的参与。同样将CyclinA的抗体注射到细胞内，发现能抑制细胞的DNA合成，推测CyclinA是DNA复制所必需的。

2）在G

2-M期，cyclinA、cyclinB与CDK1结合，CDK1使底物蛋白磷酸化、如将组蛋白H

1

磷酸化

导致染色体凝缩，核纤层蛋白磷酸化使核膜解体等下游细胞周期事件。在中期当MPF活性达到最高时，通过一种未知的途径，激活后期促进因子APC，将泛素连接在CyclinB上，导致cyclinB 被蛋白酶体（proteasome）降解，完成一个细胞周期。

CDK复合体的细胞周期调控机制

细胞要由Ｇ1期进入Ｓ期,首先要在一些促分裂信号(生长因子类物质及前列腺素Ｅ等)的作用下[1],与有丝分裂相关基因结合的组蛋白发生化学改变,致使核小体解聚,然后在转录因子和ＲＮＡ聚合酶的作用下启动细胞增殖蛋白相关基因的转录。与细胞周期调节相关的转录因子主要有两个家族:E2F家族和DP家族。在整个细胞周期中,这些转录因子的激活受到严密的控制,对它们的控制是通过视网膜母细胞瘤(Rb)蛋白实现的。在G1期,Rb蛋白呈低磷酸化状态,可与E2F和DP等因子形成三聚体复合物,这时这些转录因子没有生物活性。在G1后期,Rb蛋白在细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶(CDK)复合体Cyclin-CDK的作用下发生磷酸化,这时就会释放出这些转录因子,使依赖于E2F因子的转录被激活,细胞即由G1期进入S期。研究证明,Rb基因突变是许多恶性肿瘤细胞中出现非整倍体的主要原因。

CDK抑制因子对细胞周期的调控机制

对Cyclin-CDK复合体起负性调节作用的因子统称为CDK抑制因子(CDKI),已发现的CDKI依其构效性质可分为两大家族:一是INK4家族,包括ｐ16INK4a、ｐ15INK4b、ｐ18INK4c和ｐ19INK4d;二是CipKip家族,包括ｐ21WAF1/Cip1、ｐ27kip1及ｐ57kip2,这两类蛋白均可与多种Cyclin-CDK 结合形成三聚体,广谱抑制G1期Cyclin-CDK复合体的激酶活性。由于CDKI具有强有力的抗增殖作用,已有学者将人工合成的CDKI导入细胞系中进行实验研究,发现其对肿瘤细胞的生长抑制作用甚至强于顺铂。

INK4aMTS1/CDKN2基因定位于染色体9ｐ21上,编码两个毫不相似的蛋白,即ｐ16和ARF蛋白。ｐ16和ARF蛋白在INK4a基因上有各自的启动子和第一外显子,但共用一个第二外显子和第三外显子,只是其阅读码不同,二者都具有促进细胞凋亡和抑制肿瘤作用,但作用机制不同。ｐ16不仅可直接抑制CyclinDCDK4、CyclinDCDK6复合体的活性,还可通过活化CipKip家族蛋白,间接抑制CyclinE、ACDK2复合体的活性。ｐ15对CyclinCDK复合体也具有抑制作用,与ｐ16不同的是ｐ15对细胞外刺激,如转化生长因子β、干扰素等,更加敏感。尽管其对细胞周期的调节作用比ｐ16要弱,但在恶性肿瘤发展中也是不可忽视的,因为在细胞恶变的过程中常常伴随着炎症增生等其他异常,伴随这些改变而分泌的干扰素等炎性介质就可以刺激ｐ15蛋白的表达,从而对恶性肿瘤的生长起抑制作用。在许多恶性肿瘤中都发现INK4家族成员的甲基化失活、突变、缺失以及其所在的9ｐ21位点的频繁的杂合性缺失,其突变及失活的频率与ｐ53相似。

在CipKip家族中,ｐ21、ｐ27和ｐ57[5]均通过多种途径抑制CyclinCDK复合体的活性。不少癌基因和抑癌基因就是通过与CipKip家族的相互作用而发挥作用。转录因子CDX2就是通过增