Cdc2基因与细胞周期调控

【摘要】细胞周期调节是一个复杂过程，近年来这方面的研究取得了很大进展。在酵母中发现的Cdc2基因很重要，它是唯一在2个控制点起作用的cdc基因。本文主要介绍Cdc2分子的结构、作用以及与肿瘤和凋亡等方面的关系。

【关键词】Cdc2;细胞周期;肿瘤;凋亡

在世界范围，肿瘤问题以其高发生率和高死亡率成为广大医学界关注的热点。对癌变机理的研究及其实际意义一直是当代医学的一个重要课题。对细胞周期调控机理的研究是癌变机理的重要内容之一。细胞周期调控是在各种细胞周期调控因子在细胞周期检验点的监控下忠实而顺序地启动和完成细胞周期事件。随着对细胞周期及其调控的深入认识，学者们提出了“癌症可能是一类细胞周期异常性疾病”的观点。绝大多数肿瘤细胞都存在若干细胞周期调控机制的改变，周期调控机制的异常可导致细胞的持续性增殖，是肿瘤发生的生物学基础。

在酵母条件突变株中，发现一类基因与细胞周期调节密切相关，称为细胞分裂周期基因(celldivisioncycle，cdc基因)，它们控制着细胞周期的启动及各时相的转换。其中以Cdc2基因最重要，该基因是唯一在两个控制点GlS、G2M均起作用的cdc基因，它编码分子量34kD的丝氨酸／苏氨酸蛋白激酶。P34Cdc2激酶的活化是细胞分裂的增殖信号，它具有启动DNA复制和诱发有丝分裂的双重作用，在细胞周期调节中起重要作用。本文将着重对Cdc2进行探讨。

近年来，对CyclinD-CDK4复合物及CyclinE-CDK复合物在乳腺癌、胃癌、前列腺癌及卵巢癌等肿瘤中的异常表达均有大量的研究。关于凋亡，损伤以及修复，尤其是电离损伤、紫外线等对细胞造成的影响也是国内外研究的热点。

1前言

对细胞周期调控机制地研究已有几十年历史。在20世纪50-60年代，S期的发现和细胞周期中4个时期的划分，使细胞周期调控研究辉煌多时。随着近20多年来的研究探索，真核细胞分裂的模型变得越来越复杂越来越精细。70年代初，Masui等从蛙卵中发现一种能促进细胞成熟和分裂的因子，称为成熟促进因子(maturationpromotingfactor，MPF)，同时Nurse等(1976)发现和建立了Cdc2酵母突变株，野生型Cdc2基因产物过量表达可以加速细胞周期。Cdc2基因的编码产物即P34Cdc2激酶，后确定两者为同一成份。不久后，在芽殖酵母中也发现了Cdc2同源基因Cdc28，它可以互补裂殖酵母温度敏感缺陷［1］。现发现P34Cdc2激酶广泛地存在于从酵母到人的多种生物中，形成了一个庞大的家族。不同生物种族，其结构虽有差异，但具有很高的同源性。

2结构

2.1组成在酵母中，P34Cdc2激酶由催化亚基和调节亚基组成。催化亚基分子量为34kD，调节亚基又叫周期蛋白(cyclin)。催化亚基由约300个氨基酸残基组成，含一般蛋白激酶的基本序列，同时又含该家族的特征序列，即：EGVPSTAFREISLLKE。

2.2CDK激酶与周期蛋白的配对不同的CDK激酶所要求结合的周期蛋白不同；在细胞周期中执行的功能也不相同。某些CDK与周期蛋白的配对关系见表1。

3细胞周期运转调控

CDK激酶对细胞周期起着核心性调控作用。不同种类的周期蛋白与不同种类的CDK结合，构成不同的CDK激酶。例如：与G1期周期蛋白结合的CDK激酶在G1期起调节作用，与M期周期蛋白结合的CDK激酶在M期起调节作用。

4其他内在和外在因素在细胞周期调控中的作用

4.1癌基因和抑癌基因癌基因的产物大致可归为蛋白激酶、多肽类生长因子、膜表面生长因子受体和激素受体、信号转导器、转录因子、类固醇和甲状腺激素受体、白等几个类型。它们在细胞周期调控过程中各自起着不同的作用。抑癌基因表达产物对细胞增殖起负性调节作用，如P53、Rb等。基因P53突变，使得细胞癌变的机会大大增加。

4.2外界因素如离子辐射、化学物质作用、病毒感染、温度变化、pH变化等。

5与肿瘤的关系

5.1口腔肿瘤（oraltumor）对口腔的正常组织及几种肿瘤组织中MPF的量进行比较，发现虽然正常组织及肿瘤组织中均有MPF的存在，MPF的量从少到多依次是，正常组织、混合瘤、高分化黏液表皮样癌、颊癌。其中混合瘤属于良性，高分化黏液表皮癌属于低度恶性，颊癌为鳞状细胞癌，在上述肿瘤中为恶性度较高的一种。因而提示有可能MPF的量与细胞的增殖程度有关，增殖越旺盛，MPF的量也就越多。尽管通常认为P34Cdc2的量就每一种细胞而言，在不同的细胞周期比较恒定，但对不同种类的细胞而言，还可能有所差别。研究表明，MPF的活性由弱到强的顺序为：正常组织、混合瘤、高分化黏液表皮癌及颊癌。颊癌较正常组织增加64％，这也可能是肿瘤组织不断分裂、增殖的原因之一。

蛋白激酶C（PKC）是一种Ca2＋激活、磷脂依赖性蛋白激酶。PKC是一种丝/苏氨酸蛋白激酶，有12种同工酶，分布于不同的组织及不同的细胞区域内，它的活化需要Ca2＋、三酰甘油（DG）及丝氨酸磷脂（PS）。大量研究表明，PKS在细胞信息传递、细胞增殖、癌变中有十分重要的作用。近年来发现，PKC与MPF的活性调节直接相关，同时PKC在细胞周期的调控中，参与对G1/S期及G2/M期的调控。

5.2非霍奇金淋巴瘤（Non-hodgkin’sLymphomas,NHL）恶性淋巴瘤（m alignantlymphoma）是原发于淋巴结和结外淋巴组织的恶性肿瘤。是我国的常见恶性肿瘤，占恶性肿瘤的第八位左右。目前恶性淋巴瘤主张分为霍奇金淋巴瘤和非霍奇金淋巴瘤。霍奇金淋巴瘤性质与其他恶性淋巴瘤不同，组织结构也比较多样。

近年来的研究表明,除癌基因或抑癌基因的正负调节失控外,细胞周期与细胞恶变已不再是人们所认为的2个分割的事件。细胞周期由G1SM期的进展需要一些起始和终止信号调控。而调控着细胞周期按序进行的控制点即检查点、通常是指G1S期检查点,G2M期检查点以及有丝分裂检查点。CyclinD1和P34Cdc2在这些检查点起着重要作用。CyclinD1蛋白于1991年发现并克隆出其相应的cDNA,该蛋白分子量为3.6×104U。在G1S期检查点,它能刺激细胞周期素依赖性激酶(cyclin-dependentkinase4,CDK4)介导成视网膜母细胞瘤易感因子(Rb)产物的磷酸化,使Rb对细胞生长的抑制效应失活,导致G0G1期转化和进入S期。在G2M期检查点,P34Cdc2起着不可忽视的作用。此时,CyclinB累积达高峰,并且与P34Cdc2激酶作用,通过伴有P34Cdc2激酶亚单位上几个位点的磷酸化作用形成CyclinB/P34Cdc2激酶复合体,促使细胞从G2期进入M期。在部分NHLs,尤其低分化NHLs的发生过程中,2种细胞周期调节因子协同作用,使G1S期和G2M期2个重要细胞检查点控制减弱,促使肿瘤向低分化高度恶性方向发展［3］。

5.3与抗肿瘤药物（antitumor）的关系云南霉素（yunnanmycin）是新的胞嘧啶核苷类抗生素,经由云南省关坪自然保护区土壤样品分离的链霉菌2321号菌株发酵液中提取得到,体外试验显示对肿瘤细胞有杀伤作用,云南霉素抑制、人口腔鳞癌KB细胞蛋白质和DNA合成,但对RNA无影响。

云南霉素是一个具有新型结构的胞嘧啶核苷二肽类抗生素,云南霉素的胞嘧啶结构与一个己糖和两个氨基酸(丝氨酸和肌氨酸)相连接。研究结果表明,云南霉素体外对多种肿瘤细胞(人白血病HL-60细胞、人口腔鳞癌KB细胞、人肺腺癌GLC细胞)有G2/M期阻滞和S期抑制作用。目前的研究表明,云南霉素在体外杀伤肿瘤细胞主要通过引起细胞G2/M期阻滞,S期抑制及诱导细胞凋亡完成的。

云南霉素导致HL-60细胞G2/M期阻滞的分子基础可能是降低P34Cdc2蛋白和cyclinB1蛋白水平,且与改变Mpm22蛋白磷酸化水平有关;抑制细胞S期的作用与PCNA蛋白表达无关,可能受其他S期相关蛋白调节。云南霉素抗肿瘤的分子机理研究,为云南霉素应用于肿瘤治疗提供了理论基础［4］。

5.4与凋亡的关系有机体的细胞有3种选择，即细胞生长和分裂、存活不生长，以及通过凋亡排除自己；Raff［5］着重指出，特别是在高等动物细胞的增殖和生存需要从其他细胞获得信号；如果没有这些信号，即使在正常情况下细胞也将通过凋亡自杀。在胚胎发生或发育成熟的特定时期，或细胞周期的不同时相，某些细胞会按自身程序主动死亡，即程序性细胞死亡或称凋亡。细胞凋亡已被认为是有机体发育过程中出现的必然现象。Shi等［6］用裂解素-2（fragmentin-2）和破孔蛋白（perforin）诱发细胞凋亡时，发现P34Cdc2激酶活性突然增高，但可被多量P34Cdc2底物抑制。据此，他们指出在细胞中P34Cdc2激酶的活性可能是启动细胞凋亡和细胞和共同破裂的共同机理。而Martin等（1995）以小鼠乳腺癌细胞株FT-210细胞（含有温度敏感突变型P34Cdc2，该P34Cdc2在39度即降解）为对象，用裂解素-2、破孔蛋白及多种细胞凋亡诱发剂（放线菌素D、H2O2、UVB辐射、VP-16、放线菌酮、C2-N-脂酰鞘氨醇）进行研究，并以他们的结果修正了Shi等（1994）［6］的结论。他们指出，一般的凋亡并不都需要P34Cdc2活化，只是某些类型细胞的凋亡才需要这一过程。他们推测Cdc2可调控细胞凋亡［7］。

凋亡异常可能是一些疾病如Alzheimer氏病、Parkinson氏病，Huntington氏病神经损害、免疫缺陷、自身免疫紊乱、缺血性血管病、脱发、白血病、淋巴肿瘤，以及其他肿瘤的病因［8-10］。因此，揭示细胞凋亡的机理对增殖性疾病如肿瘤和退变性疾病的防治，基础理论和临床实践将有深刻影响。

细胞凋亡主要受基因的控制，现已发现许多基因对细胞凋亡均有直接或间接的调控作用。通常将这些基因分为两大类，即细胞生存基因（celllivinggene）或凋亡抑制（Apoptosisoff）基因和细胞死亡基因（celldeathgene）或凋亡促进（Apoptosison）基因。一般认为与细胞生存有关的基因包括C-myc、C-abl、Ras、V-src、Bcl-2，EIB，LMW5-HL，C-kit和Bcl-x等；与细胞死亡有关的基因包括P35、P53、RB、DCC、WT-1、CpGv、Bcr-abl、V-erb-A、tats20、DAD1、ADO/Fas、TGF-β、TRP-2、RP-8、TRPM-2、SGF-2、TIA、Bax、ICE、C-rel、irrecrst等。

目前认为，通过Cdc2不适时激活导致“有丝分裂大灾变”可能是导致真核细胞凋亡的一个共同机制。也就是说，

Cdc2是各种导致凋亡信号通路的一个共同枢纽，因为它可以解释多数形式的凋亡都以核溶解而告终的原因［11］。

6辐射的影响

6.1电离辐射对小鼠骨髓细胞（bonemarrowcells）的影响造血系统（thehemotopoieticsystem）是维持机体正常生理功能的重要系统之一，造血系统的辐射效应在电离辐射损伤中具有重要的意义。除了射线对细胞增殖能力的直接抑制作用，射线的G1、G2期阻滞作用可能也是导致造血细胞增殖抑制的原因之一。

6.1.1X射线全身照射对小鼠骨髓细胞Cdc2基因转录和蛋白表达的影响P34Cdc2酪氨酸激酶活性在G2期阻滞起有重要作用，电离辐射可使P34Cdc2激酶持续磷酸化，从而抑制其激酶活性，导致CyclinB/P34Cdc2失活，从而抑制细胞进入有丝分裂。研究发现，2GyX射线照射后小鼠骨髓细胞Cdc2转录水平从4h即开始不同程度下降，12h达最低值，照后72h开始恢复。0.5-6GyX射线照射后12h，骨髓细胞Cdc2基因转录水平在各剂量点均明显降低。表明，电离辐射诱导Cdc2激酶活性下降在G2期阻滞中起重要作用［12］。

6.1.2X射线照射对人红白血病细胞株K562细胞周期的影响及基因调控研究证实，2GyX射线照射后K562细胞CyclinBmRNA水平从照射后2h开始降低，照后8h达最低值，而后一直持续在较低水平直到照后48h仍未恢复。CDC2mRNA水平从照射后2h即出现下降，4h降低最低，然后开始恢复。提示，电离辐射可同时抑制K562细胞CyclinB-CDC2基因转录，使其发生G2期阻滞。

低剂量辐射可诱导CyclinB1蛋白表达增强，可能是促进细胞周期进程的调控机制之一，而低剂量辐射所致细胞周期进程的变化可能与P34Cdc2表达无直接关系。相反，较高剂量X射线照射后导致CyclinB1和P34Cdc2蛋白表达下降，从而抑制MPF活性，阻止细胞进入有丝分裂期，导致G2期阻滞，提示CyclinB1和P34Cdc2表达在辐射诱导整体水平发生的G2期阻滞中起重要作用［13］。

6.3X射线的增敏剂放射线和某些抗癌药物通过损伤肿瘤细胞的DNA而发挥治疗作用。同时，DNA的损伤又能激活细胞周期关卡调控系统，阻断细胞周期的进行，使细胞有足够的时间修复损伤的DNA，降低放射线和抗癌药物的作用［14-16］，这给增敏剂的研究提供了一个新途径。如通过DNA损伤剂与关卡清除剂的联合应用，使损伤DNA不能修复或修复不完全，并激活细胞凋亡信号传导途径，从而提高抗肿瘤药物的疗效［17］。斯托斯普林（staurosporine，STP）是从链霉菌培养液中分离出的一种生物碱，是一种蛋白激酶和表皮生长因子拮抗剂，也是一种细胞周期调控剂［18,19］。

射线对肿瘤细胞DNA造成损伤的同时，也引起了肿瘤细胞周期紊乱。STP是一种强效蛋白激酶C拮抗剂，是公认的细胞周期调控剂，可以清除DNA损伤剂诱导的G2期阻滞。STP明显增强X-射线对肿瘤细胞的杀伤作用，其作用机制可能是STP通过提高cyclinB1蛋白的表达水平、促使cyclinB1/Cdc2复合体处于活性状态及去除细胞由X-射线引起的G2期关卡阻滞，使细胞得不到足够的时间修复损伤的DNA即进入分裂期，最终导致细胞死亡［20］。

7结语

蛋白磷酸化是真核生物倍总传递最普遍的机制之一，是细胞生长调控的中心环节。对被TPK调控并具有Ser／ThrPK活性的P34Cdc2及cdk系列的研灾则应是这中心中的中心。cdk／cyclin揭示了从酵母至人类存在的基本模式，但在此基础上，各类细胞还有各自独特的调控因子在起作用。如神经细胞并不分裂，这可能是抑制Cdc2激酶的调节因于处了高度表达状态，或其激活因子的表达受抑制，也可能是cdk系统别有分工。

日前，关于真核细胞周期调控还有许多问题等待解决，如引起cyclinM积累的信息是什么，活化后的P34Cdc2是怎样引发一系列细胞周期事件的等等。深入研究cdk激酪有着极其深远的意义。

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