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 (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。