细胞周期,癌症与诺贝尔奖

细胞周期，癌症与诺贝尔奖

2001年的诺贝尔生理医学奖授予了3位研究细胞周期并取得卓越成就的科学家，他们的工作使我们对细胞增殖及其与癌症的关系有了更深刻的理解，从而为我们找到治愈癌症之路指明方向。但是，他们的工作究竟有多重要，而有那么多的科学家在这一领域中工作，为什么独独是这3位而不是其它人得到这个全世界科学家都梦寐以求的这个荣誉呢？我们就来看看他们到底都做了些什么。

2001年诺贝尔生理医学奖获奖者（从左至右）Leland Hartwell、Tim Hunt和Paul Nurse。

一、细胞周期

所谓细胞周期（cell cycle）是指连续分裂细胞从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂结束所经历的整个过程。在这个过程中，细胞遗传物质复制并加倍，且在分裂结束时平均分配到两个子细胞中去。细胞周期又可以分为间期（interphase）和有丝分裂期(M phase)。从一次有丝分裂结束到下一次有丝分裂开始的时期就是间期。这一时期，在光学显微镜下看不到细胞有明显的变化，但此时期的细胞内却正在进行一系列的生化活动，主要的活动围绕制造完全相同的又一套遗传物质展开。这一期以DNA合成为标志，又分为G1期，S期和G2期。而在光学显微镜下可以看到的只是M期，经过分裂期，加倍的染色体和其他细胞组分被平均分配到两个完全一样的子细胞中。换句话，通过分裂，形成了一个新细胞。

事实上早在1841年，时任职于柏林大学的波兰神经内科学家和生物学家罗伯特·里麦克（Robert Remak，1815-1865）就报道了细胞分裂现象，并得出结论，细胞分裂是细胞增殖的方式也是机体生长发育的“根本动力”；更有意义的是，他在此时就已经认为肿瘤组织中细胞的形成机制“几乎与正常动物组织相同”。不过，由于受观察手段得的限制，人们还不可能了解到有丝分裂间期中发生的生化事件，而又由于在显微镜下染色体的变化是如此规律，因此，认为细胞的增殖活动主要发生在形态变化明显的有丝分裂期就不难理解了。直到1953年，Howard和Pelc才发现蚕豆根尖细胞分裂中遗传物质DNA的复制发生于静止期中的一个时期，这一时期与有丝分裂期在时间上存在前后两个间隙。由此，他们第一次明确的提出了细胞周期的概念，并将细胞周期划分为上述的4个时期，其中的S期即是DNA合成的时

期。细胞在细胞周期中续惯的经过G1→S→G2→M而完成增殖。1957年，3THdR放射自显影技术引入细胞周期的研究后，证明在动植物细胞中细胞周期存在普遍性，从而使对细胞增殖的研究引入到一个全新的时期，因此，细胞周期概念的提出成为20世纪细胞生物学的一个划时代成就。

细胞周期示意图

G1期又称为DNA合成前期，此期DNA的合成还没有开始，但是这一时期中所进行的RNA 和蛋白质合成却是DNA复制所必须的，而且，S期中DNA合成的启动也在这一时期受到调控。因此这一时期可以看作为DNA合成的准备时期。S期中，DNA进行合成，同时，染色体形成所必需的组蛋白，非组蛋白等物质也在此期合成。G2期主要合成一些与有丝分裂中新细胞形成所必需的物质，如作为细胞骨架重要成分的微管蛋白等。M期中，细胞染色体形成并发生细胞分裂，新细胞在此期形成。

二、细胞周期调控

细胞周期能够严格按照G1→S→G2→M的顺序运转是与相关调控基因的有序表达分不开

（cell cycle checkpoint）的。Leland Hartwell在20世纪70年代提出了“细胞周期检验点”

概念。这是作用于细胞周期转换过程的关键调控通路，从分子水平看就是一类调控基因及其表达产物对细胞是否以及如何分裂所进行的精细调节。这些基因产物接受两种不同的信号，并作出反应。一类信号是所谓“细胞内在信息”，这类信息反映细胞周期是否按照正确顺序进行，即细胞周期中的下一个时期是否在前一时期结束后才开始，换句话说，只有在完成前期所有的准备工作后，细胞分裂才可以开始，并且所有前期准备工作也只有在严格按部就班的情况下才可以完成。另一类信号称为“细胞外在信息”，是指对细胞分裂与否至为重要的环境信号，只有当细胞所处的环境需要更多细胞时，细胞的分裂才是合适的，不和时宜的细胞分裂带来的就是肿瘤，因此细胞必须通过检验点机制识别这些信号，以避免不恰当的进入细胞周期。

Hartwell不仅提出了假设，他还通过对突变酵母细胞——在细胞周期研究中成功的引入并构建酵母这一重要的模型也是Hartwell的首创——的研究，证实了此类检验点的存在，其中尤值一提的是他对酵母细胞DNA合成开始前启动点（start）的研究，通过这一研究他进一步提出了细胞分裂基因的概念，即cdc(cell division cycle)基因。此后，他与其同事并相继发现一系列此类基因，并进而指出，这些基因的表达受制于细胞中有关蛋白质和酶，通过在恰当的时间和位点出现这些调节蛋白和酶，使cdc基因激活，从而保证细胞周期中的关键事件高度准确的完成。在他工作的基础上，为更好描述细胞分裂的这种复杂调控机制，有研究者提出了所谓“细胞周期中心控制体系”的概念，该理论综合了生理学和遗传学有关细胞周期的“时钟理论”和“骨牌理论”，前者认为细胞周期的控制体系类似钟摆，使细胞不断在有丝分裂期和间期来回循环；而后者则认为，细胞周期中的序贯事件在时间上是前后

依赖的，即后一事件的启动依赖前一事件的完成，类似多米诺骨牌现象而得名。以后的研究发现，这两种理论是对细胞周期中现象在不同层面上的认识，而真核细胞分裂调控的本质是一系列细胞内信号传导通路中分子的磷酸化和去磷酸化过程，故此，将其综合为前述细胞周期中心控制体系理论。

可以借用一个比喻来理解这一控制体系：“中心控制体系对细胞周期的调控作用类似于全自动洗衣机中的控制器，当它转到细胞周期中某特定点时，就启动该点的细胞进行一系列次级生化事件（如DNA复制、有丝分裂等）；而且，它也接受正在进行的事件中传来的反馈信号而决定是否应启动下一个事件，从而防止在前一过程未完成时就开始下一过程，若失去接受反馈信号的功能，则将发生不正常的细胞分裂。因此，中心控制体系也起到类似闸门样的关卡作用，控制着细胞周期中各事件的过渡。”（引自《真核基因表达调控》p151，高等教育出版社-斯普林格出版社，1999，北京）

中心控制体系的分子基础由一系列与真核细胞分裂有关的基因表达产物组成，其中包括钙调素（calmodulin）、周期蛋白(cyclin)家族及周期蛋白依赖性蛋白激酶（cyclin-dependent kinase，CDK）等。又尤以后二者广为人所关注。

对细胞分裂调控的研究早在20世纪80年代即已经取得进展，Tim Hunt在对海胆和海蛤胚胎发育早期卵裂细胞的研究中发现，随细胞周期的进行，一个分子量约45-60KD的蛋白质随之发生合成剧烈增高又突然下降的震荡，它在间期开始合成而在G2→M期达到高峰，又在M期结束后陡然下降，下一轮间期又重新合成，故此将其命名为周期蛋白(cyclin)，进一步的研究发现这是一类蛋白质，根据结构的差异将其予以分类，并视做一个蛋白质家族。这一蛋白质可以诱导未成熟细胞进入M期，并发现在M期唯一需要合成的蛋白质就是这个周期蛋白，从而肯定这是一个起关键作用的调节蛋白。在此之前的70年代中，人们已经在Hela 细胞和非洲爪蟾卵母细胞中发现存在可诱导有丝分裂和减数分裂的两种因子，并由于这二者在性质上十分相似，故统称之为“有丝分裂或减数分裂促进因子”（MPF），但在10年间，都未能将之纯化。1988年，终于实现了MPF的纯化，发现这是由分子量分别为32KD和45KD 的二种蛋白质组成的复合物，其中45KD蛋白的测序发现，原来它就是周期蛋白。而1990年，Paul Nurse发现MPF中作为丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶的32KD产物在细胞从G2期向M期的过渡中，似乎起了决定性的作用，并进一步发现它与在80年代分离的裂殖酵母细胞分裂周期基因cdc2编码产物p34cdc2具有同源性，换句话，这二者又是同一个东西。并且，Nurse 还发现，对于p34cdc2的活性而言，周期蛋白是必需的，所以将其命名为周期蛋白依赖性蛋白激酶（CDK）。由此，Nurse在1990年提出：从酵母到无脊椎动物一直到人类，其所有真核细胞中存在一个共同的M期启动调节机制——“M期启动调节的普遍机制”。至此，一整套认识细胞分裂增殖的逻辑和事实框架已经得到初步建立。

回顾一下细胞周期发现的历程，不难发现，Hartwell作为微生物学家，最先找到了用于研究真核细胞周期的合适模型——酵母细胞，同时他率先发现了cdc基因，为其后20年间细胞周期研究指明了方向——虽然他的这一工作的意义在10年后才真正显得尤为重要——并通过大量的研究为细胞周期理论的大厦奠定了基础。而Tim Hunt和Paul Nurse在完全不同的方向上进行的工作揭示了细胞周期中的关键分子及其作用，最终这些工作与Hartwell的研究相整和，使人们得到了有关细胞分裂的主要概念框架，从而为与真核细胞增殖及其基因调控机制相关的研究提供了重要的切入点。并且，也正是这些工作促成了对细胞增殖网络调节的精细认识。今天回头看去，这三位科学家的成就的确具有划时代意义。

三、细胞周期与癌症

癌症细胞本质上也来源于机体正常细胞，但由于在细胞分裂的不同阶段受各种因素的影响，导致其出现分化和增殖的异常，从而危及机体的整体安全。目前对癌症的认识还不够清楚，但是，基于对细胞周期的了解，已经明确，细胞周期的正常运转有赖于细胞引擎分子—