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:AA review: cell cycle regulationGAO Yan, LIN Li-Ping, DING Jian*(State Key Laboratory of Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Shanghai Instituesfor Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Graduate School of the ChineseAcademy of Sciences, Shanghai 201203, ChinaAbstract: 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(200504-0318-051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 EG1/S 转换 CDK2cyclin AS 期 CDK1(CDC2cyclin AG 2/M 转换 CDK1(CDC2cyclin B 分裂期CDK7cyclin HCAK, 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]。