细胞周期、周期调控与肿瘤
专家简介：胡夕春教授
Q：为何针对细胞周期？为何针对G1/S的限制检查点？有哪些调控因子参与？
点评：
针对细胞周期，理论机制讲是针对细胞的分裂。不同于Herceptin或Tarceva类药物，他们主要针对细胞生长信号通路中的某条关键通路，但是由于信号通路类似网状，采用单药很难克服细胞内多条信号通路和反馈回路。然而，细胞周期是一条单行道，所以理论机制讲阻断细胞周期能阻断肿瘤细胞的疯狂增殖。
G1/S检查点决定着细胞DNA是否开始复制。在细胞周期进程中，大量细胞停滞在G0/G1期，一旦通过G1/S期的限制点R点，细胞将完成后续的进程。
G1/S受到相关cyclins、CDKs和CKIs三者之间相互制约。如D类cyclin周期蛋白和CDK4或CDK6结合调控着早期G1期，CDK2和cyclin E能触发细胞周期进入S期。此外也受到视网膜母细胞瘤肿瘤抑制基因产物（RB）的调控，RB失活解除对细胞周期的限制，允许继续分裂。前进至G1的过程中，生长信号允许细胞周期蛋白D与CDK4或CDK6形成复合物。这个过程促使磷酸基添加到RB上，导致低磷酸化。由于细胞通过R点，细胞周期蛋白E与CDK2形成复合物，使RB高磷酸化，释放结合E2F。E2F激活S期基因，使细胞周期前进。
1. 细胞周期（cell cycle）
细胞周期是指正常持续分裂的细胞从一次有丝分裂结束到下一次分裂结束的过程，是多因素参与的精确调控过程。细胞周期是细胞生命活动的基本特征，通常可以被划分为分裂间期和分裂期。分裂间期又可以被分为静息期（G0期）、DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）和DNA合成后期（G2期），此阶段主要完成染色质中DNA的复制和相关蛋白质的合成。而分裂期可以被分为分裂前期、中期、后期和末期共5个期，此阶段主要进行细胞物质的平均分配并形成两个细胞。
2. 细胞周期调控
在生物进化过程中，细胞建立了一系列的调控机制，以确保细胞周期各时相严格有序地进行。细胞周期调控是一个精细的相对保守的生物学过程，是多个基因和蛋白参与的复杂的信号分子调控网络系统。美国和英国的三位科学家因对细胞周期调控研究中做出重大贡献而获得2001年诺贝尔生理学或医学奖。这三位科学家的主要贡献在于发现了具有调节所有真核生物细胞周期的关键分子，主要包括细胞周期蛋白（cyclins）、细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin dependent kinases, CDKs）和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（cyclin dependent kinase inhibitors, CKIs）并将限制检查点（check point）的概念引入细胞周期中。细胞周期中主要存在着三个限制检查点，分别为G1/S，G2/M和纺锤体装配检查点。G1/S检查点决定着细胞DNA是否开始复制，而G2/M检查点决定细胞是否一分为二，从而进入有丝分裂期。细胞周期调控就是在上述检查点监视下，通过各种调节因子的激活与失活，调控细胞周期的有序运作，确保基因复制的准确。
细胞周期是一高度保守的生物学过程，除正调节因子CDKs和cyclins外，还存着一类细胞周期抑制因子，即细胞周期素依赖性激酶抑制因子（CKIs），对细胞周期进行负反馈调节。Cyclins、CDKs和CKIs三者之间相互制约，形成一个复杂的调控网络，共同构成了细胞周期内源性调控的分子基础。
2.1细胞周期蛋白依赖性激酶（CDKs）
CDKs是驱动细胞周期运行的引擎，是整个调控网络的核心。CDKs是一类丝氨酸（serine）/苏氨酸（threonine）激酶，在细胞周期调控、转录、分化和细胞死亡过程中发挥着重要作用。目前已经确认有13个CDK成员（CDK1-13）以及与其相对应的有12个cyclins （A-L）。根据功能可将CDK家族分为两大类。一类CDK是与相应的cyclin结合形成复合体而被激活进而参与细胞周期各个时相的转化。根据经典的细胞周期模型，D类cyclin周期蛋白和CDK4或CDK6结合调控着早期G1期，CDK2和cyclin E能触发细胞周期进入S期，而CDK2-cyclin A和CDK1-cyclin A调控着S期的完成，CDK1-cyclin B负责细胞的分裂。而另外一类CDK家族成员包括CDK7、CDK8、CDK9、CDK10和CDK11等则参与了细胞的转录调控并在转录调节中发挥着重要作用。此外，某些CDK还具有特殊的功能，如CDK5具有调节神经系统的功能。目前认为, 在细胞周期中起调节作用的主要是CDK1-4和CDK6-7。但近来许多遗传学证据揭示细胞分裂间期相的CDK如CDK2、CDK4和CDK6 并不是正常细胞增殖所必需的，而是某些特定细胞增殖所依赖的。CDK1则是细胞分裂过程中所必需的。同时，越来越多的研究也表明，肿瘤细胞的增殖依赖某些特定的分裂间期相的CDK。这无疑为CDK抑制剂的研发提供了理论基础，即通过抑制肿瘤细胞增殖所依赖的某些特定相的CDK达到抗肿瘤作用而又不影响正常细胞的增殖。
2.2 周期蛋白cyclins
CDKs与其他激酶不一样，需要与相应的周期蛋白cyclins结合后才能发挥作用。目前已发现的cyclins约20余种，但真正发挥细胞周期调控功能的只有cyclin A, B, C, D(1-3)和E，此外具有调控RNA转录的有cyclin C, H, T1, T2, K和L1等。在细胞周期过程中，cyclins周期性连续的表达或降解，继而引起CDKs的时相性激活，从而推动细胞跨越细胞周期各时相转换的限制点或检验点。Cyclins 对细胞周期的作用主要体现在G1期和M期。在G1/S交界处发挥重要作用的是cyclin D家族和cyclin E。 Cyclin D家族主要包括cyclin D1, cyclin D2 和cyclin D3, 其中研究较为深入的为cyclin D1。CyclinD1通过与CDK4/6形成复合物，磷酸化下游的RB，释放出转录因子E2F，使细胞通过G1/S检测点，进入S期。在正常组织中，cyclin D1不表达或者表达量很低，而在肿瘤组织中常常存在着cyclin D1基因的扩增、重排和突变，导致基因产物很多。在临床前研究中，通过阻断cyclin D1的活性能抑制肿瘤的活性并增强对药物的敏感性，提示cyclin D1可能是未来肿瘤治疗的潜在新的靶点。而被视为S期标志物的cyclin E, 在G1/S期决定和限速中起中心调控作用。Cyclin E过表达主要由基因扩增所引起，基因扩增形成大量突变的中心体，从而促进肿瘤的恶性增殖。在许多恶性肿瘤如肺癌、乳腺癌、胃肠等肿瘤中，cyclin E常过度表达并被认为是一种疾病进展和预后的指标。此外，cyclin A主要与S期有关，而cyclin B主要负责M期相关合成。
2.3细胞周期素依赖性激酶抑制因子（CKIs）
CKI主要包括INK4和CIP/KIP（CDK相互作用蛋白/激酶抑制蛋白）两大家族。INK4家族包括INK4a、INK4b、INK4c和INK4d， 主要同CDK4和CDK6结合，抑制CDK4/6-cyclin D的活性。而CIP/KIP家族又称为p21家族，包括p21、p27、p57等，能广泛抑制CDK-cyclin的活性。
恶性肿瘤的一典型生物学特性即为细胞周期调控紊乱，继而导致细胞增殖、分化异常以及恶性转化。因此，靶向细胞周期调控相关蛋白，使失调控的细胞重新进入正常细胞周期调控无疑是今后抗肿瘤治疗的新途径。
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