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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 (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 (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 (A～ H)，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：G1— Cyclin、G1／ S— Cyclin、 S-Cyclin

和 M —Cyclin。

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Cyclin— Cdk 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 Cyclin— Cdk 复合物之间形成一个正反馈环，快速促使 Cyclin— Cdk 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 Cdk— Cyclin 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δ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 Cy— clin D1、Cdk6．Cyclin 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