细胞周期系列之一：细胞周期

细胞周期系列之一：细胞周期

一、细胞周期

细胞周期主要分为 4 期：G1期（Gap1，DNA合成前期）、S期（DNA synthesis phase，DNA合成期）、G2期（Gap2，DNA合成后期）、Ｍ期（Mitosis，有丝分裂期），前三者又合称细胞间期[1,3-5]。另外，G1期的细胞也可能处于一种静息状态，细胞既不生长也不分化，称之为G0期[3]。

细胞周期是细胞生命活动的基本过程，细胞在周期时相的变迁中进入增殖、分化、衰老、死亡等生理状态。体外研究发现，大多数细胞的细胞周期为 10~48 小时。正常的细胞周期保证 DNA 在Ｓ期能得到准确复制，产生两套完全相同的染色体，平均分配到两个子细胞中去[1]。

二、细胞周期调控因子

细胞周期蛋白（cyclin）、细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin dependent kinase，CDK）、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CDK inhibitor，CKI）在真核生物的细胞周期调控中发挥重要作用[1]。

1、细胞周期蛋白（cyclin）

在哺乳动物中，细胞周期蛋白（cyclin）有 8 类， 连同亚类共 11 种：cyclinA、B（B1/B2）、C、D（D1/D2/D3）、E、F、G、H[1,5]。其中研究较多的是 cyclinA、B、D、E、H[2,5]。

cyclin 结构中有一保守区（cyclin box），约含 100 个氨基酸残基，是与 CDK 结合并使之激活的结构区[4]。cyclin 与相应的 CDK 结合形成 CDK-cyclin 复合物从而发挥作用[1,3]，其中 CDK 作为催化亚基，cyclin 作为调节亚基[2]。

在细胞周期的不同时期，细胞表达的 cyclin 不同[3]，但 CDK 在整个细胞周期中表达相对恒定的[1,3]。cyclin 含量随细胞周期而变化，其周期性积累与分解对细胞周期进程起着关键作用[1]。不同的 cyclin 在其相应周期达到含量和活性的峰值，与相应的 CDK 结合形成 CDK-cyclin 复合物[1,3]。cyclin 激活 CDK 的激酶活性，对细胞内底物进行磷酸化，随后迅速降解失活[1]。

2、细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）

细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）是一类重要的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶[2,3]。CDK 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[3]。其主要作用是启动 DNA 的复制和诱导细胞的有丝分裂[2]。

CDK 根据发现次序进行命名，裂殖酵母的 cdc2 蛋白是第一个被发现的 CDK，因此也被称为 CDK1[5]。目前公认的 CDK 有 9 种，其中在细胞周期中有活性的 CDK 只有 5 种：CDK1（cdc2）、CDK2、CDK4、CDK6、CDK7[3]。

CDK 有 3 个重要的功能区[2]：

• 第一功能区：ATP 的结合部位和 CDK 活性部位；
• 第二功能区：cyclin 的结合部位；
• 第三功能区：P13sucl 的结合部位（P13sucl 能抑制激酶活性，组织细胞进入或退出 M 期）。

CDK 活性的调节方式有三种[2]：

（1）磷酸化/去磷酸化

• CDK 活化激酶（CAK，即CDK7-cyclinH）可磷酸化 CDK，包括 CDK1 的 Thr161 位点、CDK2 的 Thr160 位点、CDK4/6 的 Thr172 位点。该磷酸化修饰改变了 CDK 的分子构象，促进 CDK 与 cyclin 结合[2,3]。
• Wee1 和 Myt1 激酶将 CDK1 的 Tyr15 和/或 Thr14 位点磷酸化后，抑制了 CDK1 的活性。cdc25 介导的 P80cdc25 可将上述抑制性位点去磷酸化，对 CDK1 的激活非常必要（cdc25见帖：细胞周期限制点调控）[2-4]。

（2）调节亚基 cyclin[2]

• 只有与 cyclin 结合后，CDK 才有活性，cyclin 的降解使 CDK 失活。
• 在 M 后期，由于 cyclinB 的降解，CDK1 失去活性，细胞退出 M 期。若 cyclinB 降解受阻，细胞将停滞于 M 期。

（3）CKI 调节[2]

• CKI 于 CDK 结合后，阻止 CAK 对 CDK 的磷酸化作用，使 CDK 不能被激活。

 3、细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（CKI）

细胞周期抑制蛋白（CKI）可以抑制 CDK 的活性。 CKI 可与 CDK 单独结合，也可与 CDK-cyclin 复合物结合而发挥作用[3]。CKI 通过在细胞周期适当时间点上抑制 CDK 的活性从而在细胞周期进程中起着重要作用[1]。

现已发现两种 CKI 家族：INK4 家族、Cip/Kip 家族（表2）[3]。

（1）INK4 家族

INK4（Inhibitor of CDK4）家族包括 INK4a（MTS1，p16）、INK4b（MTS2，p15）、INK4c（p18）、INK4d（p19）[1,3,5]。

INK4 家族的 N 端具有与 cyclinD1 的周期蛋白盒编码区同源的区域，因此能与 CyclinD1 竞争性结合 CDK4/6[1,5]。在 CDK4/6 与 cyclinD 结合前，INK4 家族与 CDK4/6 特异性结合形成稳定的复合物，阻止 CDK4/6 与 cyclinD 的结合，特异性抑制 CDK4/6[3,5]。

• INK4d 可与 Mdm2 结合，阻止 Mdm2 介导的 p53 蛋白水解作用。 Mdm2 可以结合并抑制 p53 的转录活性，有利于其通过泛素依赖的蛋白水解途径降解[3]。p53见帖：细胞周期限制点调控。

（2）Cip/Kip 家族

Cip/Kip（cyclin inhibition protein/kinase inhibition protein）家族包括 Cip1（p21，Waf1）、Cip2（p27，Kip1）、Kip2（p57）[3,5]。Cip/Kip 家族可以广泛地作用于 CDK-cyclin 复合物并抑制它们的活性，特别是 G1 期的 CDK4/6-cyclinD 复合物[3]。

• Cip1（p21）N 端结合并抑制 CDK-cyclin， C 端则结合并抑制 PCNA，使 PCNA 不能与 DNA 聚合酶 δ 形成复合物，或使 DNA 全酶复合物不能在 DNA 单链上滑动，从而抑制 DNA 复制（PCNA见帖：细胞周期限制点调控）[1,3,5]。
• Cip2（p27）主要通过与 CDK 或 CDK-cyclin 复合物亚单位的结合，使 CAK 不能与 CDK 直接发生作用，从而阻断了 CAK 诱导 CDK4 Thr 172、CDK2 Thr160 的磷酸化过程，使 CDK 处于非活性状态。p27 高表达结合 CDK2-cyclinE 则阻止周期于 G1 期，而结合 CDK2-cyclinA 则阻止周期于 S 期[5]。
• Kip2（p57）只在部分组织和细胞中表达，尤其是在终末分化细胞中高表达。它能抑制多种 CDK-cyclin 的活性，使细胞停滞于 G1 期[1,5]。

三、细胞周期调控

1、细胞周期限制点

细胞周期中有两个主要调控点，或称主要限制点（restrction point）[4,5]。通过限制点后，即使刺激信号被去除，细胞仍然会开始 DNA 复制[5]。 

• G1/S 期限制点，在酵母中称起点（start），在哺乳动物中称限制点，控制从静止状态（G1期）进入 DNA 合成期（S期）[4,5]；
• G2/M 期限制点，是决定细胞一分为二的控制点[4,5]。

2、CDK-cyclin复合体

在细胞周期的不同时期，不同的 cyclin 在其相应周期达到含量和活性的峰值，与相应的 CDK 结合形成 CDK-cyclin 复合物（表1[3]）[1,3]。

（1）CDK7-cyclinH（CAK）

cyclinH 与 CDK7 结合形成 CDK7-cyclinH，该活性复合物被称为 CAK（CDK activatingkinase，CDK活化激酶）。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 cyclin 的时相起伏相平行[3]。

（2）G1/S期限制点

G1期 cyclin 包括 3 种：cyclinC、D、E。其在 G1 期和 G1/S 期交界处发挥作用，启动细胞周期并能促进 DNA 合成[2]。

• 人类 cyclinD、E 含有一个 PEST 序列（该序列富含脯氨酸、谷氨酸、 丝氨酸、苏氨酸），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）[3]。

（3）G2/M期限制点

M期 cyclin 包括 2 种：cyclinA、B[2]。

• 人类 cyclinA、B 含有一个降解框（destruction box），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[3,4]。

3、细胞周期变化

（1）G0-G1

非增殖状态的细胞处于 G0 期，在受到促进增殖的生长因子刺激后，通过RTK-Grb2-SOS-Ras-Raf-MEK-ERK（见帖：Ras-Raf-MEK-ERK1/2信号通路）促进细胞由 G1 期通过 G1/S 限制点而进入 S 期[4]。

在生长因子的诱导下，首先出现 cyclinD 的表达，各亚型 cyclinD（D1/2/3）在不同的细胞中表达的比例不同，它们可以互相代替，只要有一种 cyclinD 的水平达到足够高即可[4]。其他 cyclin 不同的是，cyclinD 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[1,3]。一旦生长因子撤离，cyclinD 水平会很快下降而退出细胞周期[1]。

在 G1 中后期，cyclinD 与 CDK4 或 CDK6 结合形成 CDK4/6-cyclinD，这是细胞从 G0 期进入 G1 期所必需的。在 CAK 介导下， CDK4/6 被磷酸化而激活，促使细胞通过细胞周期 G1/S 期限制点[1-4]。CDK4/6-cyclinD 复合物可磷酸化 pRb，从而释放 E2Fs 和 DP-1，正反馈调节某些基因的转录。而这些基因的蛋白产物（如 cyclinA、cyclinE、cdc25等）都是细胞在 S 期进程所必需的[3,5]。

• E2Fs 原与抑癌基因 pRb 结合而处于失活状态。当 pRb 被磷酸化，E2F 不能再与其结合，游离的 E2F 才有活性，促使与DNA合成有关的基因表达，促进 DNA 的合成[4]。 pRb、E2F见帖：细胞周期限制点调控。

（2）G1-S

此后 cyclinE 表达，在 G1 晚期达到激酶活性的峰值，并与 CDK2 结合成 CDK2-cyclinE[1,4]。CDK2 的苏氨酸及酪氨酸残基被磷酸化而活化，磷酸化 DNA 复制的启动因子将其激活，使细胞通过 G1/S 限制点进入S期，此时 cyclinD、 cyclinE 降解[2,4]。

• CDK2-cyclinE 复合物参与 Rb 蛋白高磷酸化状态的维持。在 G1/S 转换点，CDK2-cyclinE 复合物还磷酸化 Cip2（p27）蛋白，诱导其降解[3]。
• 核蛋白 NPAT 同时也可被 CDK2-cyclinE 磷酸化激活。NPAT 蛋白峰值一般出现在 G1/S转换点，推测其可能在细胞进入S期的过程中发挥主要作用[3]。
• 组蛋白 H1 是 CDK2-cyclinE 和 CDK1-cyclinB 的共同底物[3]。

（3）S

进入 S 期后， cyclinE 水平下降，CDK2 改为与 cyclinA 结合形成 CDK2-cyclinA[5]。cyclinA 为 S 期特征性 cyclin[4]，在 G1 晚期出现合成，但Ｓ期开始才被检测到激酶活性[1,4]，主要对 S 期和 G2/M 过渡期起作用[2]。CDK2-cyclinA 活化使 pRb磷酸化，释放活化的转录因子 E2Fs ，从而促进与 DNA 合成有关的基因表达 ，以促进 DNA 的合成[4]。cyclinA 是 DNA 复制所必需的[1]。

此外，在 S 期晚期 cyclinA 与 CDK1 结合形成 CDK1-cyclinA，并且在 G2 期达到活性峰值，随后迅速降解失活[1]。

（4）S-G2

当由 S 期进入 G2 期时 ，开始有 cyclinB 的表达，并进入核内与 CDK1 结合形成 CDK1-cyclinB，又被称为成熟促进因子（maturation promoting factor，MPF），以无活性的形式积累[1-5]。而 cyclinA 自 G1 晚期合成，经过 S 期和部分 G2 期逐渐被磷酸化，故在 G2 期内主要是 CDK1-cyclinB 复合体的功能[5]。 

• MPF 可以磷酸化细胞骨架蛋白，如核纤层蛋白（nuclear lamins）、微管蛋白、波形纤层蛋白（vimentin）、钙调结合蛋白（caldesmon）， 从而对染色体集聚、核膜解体、中间丝解聚、微丝重组有重要作用[2-5]。
• MPF 还使染色质蛋白磷酸化 ，使分裂的染色质聚合，并使微管结合蛋白磷酸化而使微管重排成分裂纺锤体，从而完成细胞的分裂[4]。

（5）G2-M

MPF 以无活性的形式积累，其 CDK1 上的磷酸化状态不仅决定着细胞是否进入 M 期，也决定着能否退出 M 期。CDK1 激酶受到正负调节因子调控，只有当其 Thr161 磷酸化而 Tyr15、Thr14 去磷酸化时 ，细胞才能通过 G2/M 转折点进入 M 期[2,4]。

• 在负调控因子 Wee1 和 Myt1 激酶诱导下，CDK1 的 Tyr15 和/或 Thr14 位点磷酸化。此时 MPF 无活性，阻止细胞进入 M 期[2]。
• 在 cdc25 介导的基因产物 P80cdc25 磷酸酶作用下，可将上述抑制性位点去磷酸化，激活 CDK1，诱导细胞进入 M 期[2]。

（6）M-G0

进入 M 期后，cyclinA、cyclinB 即行降解，细胞处于静止的 G0 期或 G1 期，这样就完成 了一个细胞周期[4]。

• 当 MPF 活性全盛时，其蛋白激酶可使 APC/C 磷酸化而激活。APC/C 识别 cyclinA、cyclinB 的降解框（destruction box）并与其结合，随后通过泛素连接酶（ubiquitin ligase）使 cyclin 泛素化并降解。之后，APC/C 可被一磷酸酶专门识别并去磷酸化，以终止其降解活动[4]。APC/C见帖：细胞周期限制点调控。
• 随着 cyclinA、cyclinB 的降解，CDK1 活性丧失，其一系列与有丝分裂有关的蛋白质底物重新恢复为去磷酸化，染色体去集聚、核膜重组、胞质分裂、间期胞质微观又重组组装[2]。

===========================

参考文献

[1]张玉霞.细胞周期调控研究进展[J].国外医学.遗传学分册,2001(05):262-266.

[2]戴爱玲.细胞周期调控因子的研究进展[J].龙岩师专学报,2002(03):53-54.DOI:10.16813/j.cnki.cn35-1286/g4.2002.03.029.

[3]高燕,林莉萍,丁健.细胞周期调控的研究进展[J].生命科学,2005(04):318-322.

[4]欧阳五庆,李谱华,林成招.细胞周期及其调控研究进展[J].中国兽医科技,2003(02):35-40.DOI:10.16656/j.issn.1673-4696.2003.02.010.

[5]庞月华,张新平,冯义伯,何善述.细胞周期及其调控研究进展[J].新疆医科大学学报,2005(06):596-598.