全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第21卷 第5期
2009年10月
Vol. 21, No. 5
Oct., 2009
文章编号 ：1004-0374(2009)05-0626-05
　
胚胎干细胞周期调控的研究进展
蒋斯博，陈　柳，李凌松*
(北京大学干细胞研究中心，国家级国际联合研究中心，北京 100191)
摘　要：胚胎干细胞(embryonic stem cells，ESCs)具有自我复制和多潜能分化的特性。相对于体细胞，
胚胎干细胞的细胞周期调控非常特别。比如，G 1 期较短；p 5 3 、R B 等调控细胞周期“检验点”的
蛋白分子功能“异常”等。胚胎干细胞细胞周期调控的研究对于研究胚胎干细胞的自我复制和多潜能
性，都具有重要指导意义。该文将重点比较体细胞和胚胎干细胞在细胞周期调控方面的差异, 并对近年
来有关小鼠和人胚胎干细胞的细胞周期调控的研究进展进行介绍。
关键词：胚胎干细胞；细胞周期；p 5 3；m i c r o R N A
中图分类号：Q253; Q813　　文献标识码：A
The progress on regulation of cell cycle in embryonic stem cells
JIANG Si-bo, CHEN Liu, LI Ling-song*
(Stem Cell Research Center, National Center for International Research, Peking University, Beijing 100191, China )
Abstract: Embryonic stem cells (ESCs) can self-renew and differentiate into all kinds of cells from different germ
layers. In addition, ESCs differ from somatic cells in the cell-cycle regulation. For instance, ESCs have short G1
phase, they do not have such check-points as p53 and RB. Understanding cell cycle regulation in ESCs will
provide insight into the underlying mechanism regarding the regulation of ESC self-renewal and pluripotency.
This review will emphasize on the difference in cell cycle regulation in somatic cells versus ESCs, and update our
understandings for regulation of cell cycle in mouse and human ESCs.
Key words: embryonic stem cell; cell cycle; p53; microRNA
1981年 Evens和Kaufman[1]，以及Martin[2]成功
建立了第一株小鼠胚胎干细胞(embryonic stem cells，
ESCs) ；1998 年，Thomson 等[3]建立第一株人胚胎
干细胞系；到2006年，Takahashi和 Yamanaka[4]又
建立人诱导多功能干细胞(induce pluripotent stem cells,
iPSCs)。二十多年来，胚胎干细胞的研究取得了许
多突破性进展。然而，胚胎干细胞细胞周期调控的
研究还十分有限，深入了解胚胎干细胞的细胞周期
调控，对胚胎干细胞尽快走向临床应用，具有重要
指导意义。本文将系统比较体细胞和胚胎干细胞在
细胞周期调控方面的差别，着重介绍胚胎干细胞独
特的细胞周期特点，以及近年来在胚胎干细胞周期
调控研究方面所取得的进展。
1　体细胞的细胞周期调控
细胞周期是指细胞从前一次分裂结束起到下一
次分裂结束为止的活动过程，可人为地划分为 G 0
期、G 1 期、S 期、G 2 期和 M 期五个阶段。不同
细胞的细胞周期差别很大，这种差别主要是由于G1
期长短不同，而 S、G 2、M 期相对恒定。G 1 期到
S期的转换是细胞周期调控的中心事件并且是个极其
复杂的过程。
不同细胞周期的转换主要是由周期特异的“检
验点(check point)”来控制，并受到由p53和RB等
蛋白分子的监督调控。比如，细胞进入 G 1 期时有
收稿日期：2009-08-17
基金项目：国家高技术研究发展计划(“8 6 3”计划)
(2006AA02A114；2007DFC31650863) ；国家重点基
础研究发展计划(“97 3”计划)( 2 00 6 C B 9 4 36 0 3；
2006CB503905) ；北京市科委基金(D07050701350704)
*通讯作者：E-mail: Lingsongli@bjmu.edu.cn
627第5期 蒋斯博， 等：胚胎干细胞周期调控的研究进展
两个重要检验点，R点(restriction point)和S点(S
point)，当细胞进入R点时，标志着细胞周期开始
运转；而当细胞通过 S 点，意味着 G1 期的完成和
S期的开始[5]。这两个检验点有时统称为G1/S 检验
点(G1/S checkpoint)。此外，在S期有DNA复制检
验点(DNA replication checkpoint) ；G2期有解连环
检验点(decatenation checkpoint)[6]和 G2/M检验点(G2/
M checkpoint) ；M期有纺锤体组装检验点(spindle
assembly checkpoint) ；而 DNA 损伤检验点(DNA
damage checkpoint)在G1、S和G2期都是存在的[7]。
细胞周期调控依赖于不同信号分子的系统的网
络调控。其中重要的环节之一是细胞周期依赖性蛋
白激酶(cyclin-dependent kinases, CDKs)的活性状态。
CDKs 包括 Cdk1、Cdk2、Cdk4 和 Cdk6 等，它们
通过“磷酸化- 去磷酸化”激活或抑制下游信号分
子，从而促进细胞周期的运转；而CDKs 的功能又
受到来自细胞周期蛋白(cyclin)的正调节和来自细胞
周期抑制蛋白(cell cycle inhibitory protein, CKI)的负
调节。周期蛋白包括 cyclin A1、A2、B1、B2、
D1、D2 和 D3 等。其中，cyclin D 是 G1 期最早合
成的周期蛋白。在细胞外激活信号作用下，cyclin
D 持续表达，从而启动细胞周期，促进细胞周期G1/S
转换。而细胞周期依赖性蛋白激酶抑制因子(cyclin-
dependent kinase inhibitors, CDIs)是通过与CDKs或
者CDK-cyclin复合物结合而发挥抑制功能的一类蛋
白。现已发现的 CDIs 有两个家族：INK4 家族和
Cip/Kip 家族。INK4 家族包括p15INK4b、p16INK4a、
pl8INK4c和p19INK4d；Cip/Kip家族包括p21cip1、 p27kip1
和 p57Kip。
G1/S 转换是细胞周期运转的关键和限速步骤。
目前已知在体细胞中有两条重要的信号通路调控G1/S
转换[8] ：(1)Ras/ERK、cyclin D、Rb-E2F通路。细
胞外激活信号通过 G 蛋白偶联受体激活 Ras-Raf-
MEK- Erk通路，然后激活cyclin D的转录，cyclin
D 与 Cdk4 和 Cdk6 形成复合物，催化RB 磷酸化使
之释放转录因子E2F，E2F 再激活大量下游分子的
转录，其中包括cyclin E和cdc25A (cell division cycle
25A，细胞分裂周期蛋白25A)。cyclin E和Cdk2结
合后又可激活自身其他靶蛋白，并且磷酸化 R B，
形成正反馈，最终导致细胞进入S 期。在这个过程
中，cyclin D 的水平决定了细胞周期运转的开始，
cyclin E的水平决定细胞进入S期。(2)c-myc是细胞
周期调控的另一重要分子，其中c-myc 通路至今还
没有完全研究清楚。经典理论认为c-myc 可以直接
激活cyclin E和cdc25A的表达，并且抑制p15、p16
等CDIs的作用[9]。cdc25A的主要作用是使cyclin/
CDK 去磷酸化而恢复活性[10]。另外，最新研究表
明，c-myc 可以促进miR-17和miR-20a表达从而调
节E2F1 活性[11] ；c-myc 还能够限制ATM 和 ATR 的
激活, 并且促进核苷酸的生物合成。可见，c-myc
对于细胞进入S 期有着广泛的调节作用[12]。
2　胚胎干细胞的细胞周期特点和可能的分子机制
胚胎干细胞是一群来源于囊胚内细胞团，具有
自我复制和多分化潜能的细胞。一定条件下，可以
在体外长期培养，并保持多潜能分化的能力。由于
具有较短的细胞周期，从而能快速增殖。这种特殊
细胞周期主要是由于G1期的缩短。在合适的培养条
件下，小鼠胚胎干细胞的一个细胞周期为11 h，G1
期只有2 h[13,14] ；人胚胎干细胞的细胞周期是15－
16 h，G1期只有2.5－ 3 h[15]。尽管这两种ESCs周
期特点类似，但是培养条件不尽相同：小鼠胚胎干
细胞培养不需要添加生长因子，但是需要Lif或滋
养层细胞；人胚胎干细胞培养需要添加 bFGF，不
需要Lif[16]。胚胎干细胞这种细胞周期特点必然与其
独特细胞周期调控有直接的关系。
2.1　小鼠胚胎干细胞细胞周期调控的的分子机制　
小鼠胚胎干细胞的细胞周期调控研究存在很多争
议。Savatier等[17]最先在1995年报道，在转录水平
发现cyclin D1 弱表达，cyclin D2、D3 不表达，
Cdk4/cyclin D 激酶的活性未能检测到，因此推测
cyclin D在小鼠ES细胞 G1/S转换不起作用。这个
结果后来一直被广泛认可，直到2004年，Faast等[18]
在蛋白水平发现小鼠胚胎干细胞cyclin D1、D3表
达中等，cyclin D2则未检测到。2005年，Fujii-
Yamamoto等[19]的研究则认为cyclin D1、D2表达很
弱，Cyclin D3表达较高。免疫共沉淀进一步显示，
小鼠胚胎干细胞中存在Cdk6/cyclin D1和Cdk6/cyclin
D3 的复合物，但是Cdk6/cyclin D1 表达更弱。另
外，低水平的Cdk4/cyclin D1和Cdk4/cyclin D3也
能检测到。而且，用分离的Cdk6/cyclin D 复合物
以RB为底物进行体外活性分析，Cdk6/cyclin D1和
Cdk6/cyclin D3都显示出较强的激酶活性，但是只
有Cdk6/cyclin D3的活性不受p16INK4α影响[18]。Cyclin
D 在小鼠胚胎干细胞细胞周期中的调控作用还不很
清楚。值得注意的是cyclin D基因敲除(cyclin D1−/−
D2−/−D3−/−)小鼠能够发育到E17.5 d，最后死于心血
管系统障碍[20]。提示在小鼠胚胎干细胞中，cyclin
D 可能不是调控 G1/S 转换的惟一分子。
628 生命科学：干细胞研究专刊 第21卷
cyclin D、Cdk2/cyclin E 和 Cdk2/cyclin A
在小鼠胚胎干细胞的整个细胞周期中都有较高的活
性，而cyclin E 的抑制因子p21cip1、p27kip1 则低
表达。由于cyclin D 在小鼠胚胎干细胞中的周期
调控作用还存在争议，cyclin E 被认为在细胞G1/
S 转换过程中起主要作用。而在G2/M 期的转换中，
一般认为Cdk1/cyclin B (Ccd2/cyclin B)和Cdk2/
cyclin A 是其作用分子。但是，小鼠胚胎干细胞
周期蛋白激酶中，只有Cdk1/cyclinB 具有周期依
赖性。此外，如果Cdk2 受到抑制之后，细胞周期
则会明显延长，但是周期结构并没有改变，显示
Cdk2对周期进展的各个时相均有作用[21]。cyclin A
的作用过去研究较少，Kalaszczynska 等[22]最近报
道cyclin A在小鼠胚胎干细胞细胞周期运转不可缺
少，但是其分子机制仍然不清楚。
通过与小鼠胚胎成纤维细胞比较，F u j i i -
Yamamoto等[19]发现很多小鼠胚胎干细胞的细胞周期
正调控因子 mRN A 水平表达都较高，包括 Cdk 1、
Cdk2、PCNA 和 cyclin A2 等，而且这与基因启动
子histone H3的乙酰化呈正相关。另外，尽管众多
调控分子具有较高的 mRNA 水平，但是只有 ASK、
cdc6、cyclin A2和cyclin B1的蛋白水平很高，这
些现象都提示胚胎干细胞细胞周期调控的复杂性。
小鼠胚胎干细胞也表达RB蛋白家族(包括RB1/
p105、RB2/p130、RB3/p107)[22]和 E2F 蛋白家族，
其中，E2F4 是 E2F 家族的主要表达蛋白。目前对
于 RB2/p130 的作用研究还很少，但是发现 RB1/
p105、RB3/p107在小鼠胚胎干细胞的各个时相中一
直是高度磷酸化和失活的。由于 RB 的失活，不能
与E2F 形成复合物，从而使E2F 一直处于激活状态
并进而导致下游大量靶基因的激活。而且，E2F 依
赖的转录激活也是非细胞周期依赖性的[21]。E2F的
持续激活解释了小鼠胚胎干细胞培养不需要生长因
子的特性。在体细胞中，生长因子主要是通过Ras/
ERK-cyclin D-E2F通路发生作用，但是在小鼠胚胎
干细胞中，RB 的失活和 E2F 的激活导致了这条通
路不需要生长因子就能持续激活，并最终使得细胞
迅速增殖。
此外，较早的研究提示了小鼠胚胎干细胞的
G1/S 检验点的不同特点。经过伽玛射线照射诱导
DAN 损伤之后，大部分细胞不会停滞在 G1 期，而
是直接走向了凋亡。这个过程中chk2分子有重要作
用，上调chk2 后会使更多的细胞停留在G1/S 检验
点[24]。
小鼠胚胎干细胞G2期的解连环检验点同样不同
寻常。在成体分化细胞中，细胞只有染色体被拓扑
异构酶二解接连环，细胞才能进入 M 期，但是胚
胎干细胞接连环还未完成，就可以直接进行有丝分
裂，这样大大增加子代细胞多倍体的概率[25]。
有研究表明，小鼠胚胎干细胞M期的纺锤体组
装检验点也和体细胞的M期不同。当用Nocodazole
等药物阻断微管组装时，细胞并不会走向凋亡，反
而会形成多倍体并可以重新进入新的有丝分裂周
期。而且，这种多倍体细胞可以在一段时间内存在
并正常的有丝分裂，直至最终形成一个相对均一的
近二倍体的非整倍体细胞群。这个发现的重要意义
还在于，以前很多细胞周期的研究都是依赖于有丝
分裂阻断剂型(如秋水仙碱)，由于纺锤体组装检验
点的异常有可能导致受到处理的细胞群体出现多倍
体细胞或假分裂细胞，这必然影响人们对实验结果
的解释。在这个过程中，虽然p53在小鼠胚胎干细
胞高表达，但是并没有发挥通常在体细胞细胞周期
中的调控作用[26]。因此，人们对于小鼠胚胎干细胞
的细胞周期调控认识还相当粗浅。
2.2　人胚胎干细胞的细胞周期调控分子机制　相对
与小鼠胚胎干细胞的研究，人胚胎干细胞的周期调
控研究较晚。最近研究认为Cdk2、Cdk4、cyclin
D1、cyclin D2、cyclin D3、cyclin E、cdc25A和
c-myc 在人胚胎干细胞均有表达。免疫共沉淀的研
究显示Cdk6/cyclin D1、Cdk6/cyclin D3、Cdk4/
cyclin D1、Cdk4/ cyclin D3、Cdk2/cyclin E、Cdk2/
cdc25A 和 Cdk2/c-myc 复合物的存在。RB1/p105 磷
酸化和非磷酸化的形式也都有。此外，由于泛素化
蛋白降解途径的增强，在一定程度上导致了 CDIs
(p15、p16、p19、p18、p21、p27)表达降低，
甚至缺失[8,27]。例如，skp2 (S-phase kinase-associ-
ated protein 2)是SCF型泛素连接酶的亚基之一，由
于它在细胞的 G 1、S、G 2 期表达均很高，从而使
得了p27 的表达处于很低的水平[28]。
与小鼠胚胎干细胞不同的是，人胚胎干细胞中
很多周期调控蛋白都具有明显的周期依赖性，例如
Cdk2 在 S 期、cyclin A 和 c-myc 在 S 期和G2 期、
cyclin B1在G2 期、cyclin E在 G1和 S期，cdc25A
在 G1 期高表达[8]。
研究证明，Cdk2、Cdc25A、Cdk6 在G1/S 转换
中有重要作用。例如，Cdk2下调会导致G1 期细胞的
积累；cdc25A 下调会导致细胞S期进展障碍 ；Cdk6
和cdc25A的上调都会导致细胞尽快的进入S期[28]。
629第5期 蒋斯博， 等：胚胎干细胞周期调控的研究进展
RB/E2F 复合体及其调控的分子机制在人胚胎
干细胞研究得还不是很清楚，最近在转录水平的研
究发现RB1/p105应答的E2F家族各个成员表达不一
样，E2F1、E2F2 和 E2F3 表达较弱，只占到 E2F
家族总活力的20% 左右。相对与成体细胞，E2F 可
能更多的受到抑制。另外，RB2/p130 及其下游调
控分子E2F5是RB和 E2F家族在人ES细胞表达最丰
富的成员。这些证据提示相对于人的体细胞，人胚
胎干细胞在通过R点时可能更少地依赖RB/E2F通路[5]。
Becker等[5]的研究提示S点在细胞周期调控中
可能有一定作用。当细胞通过 S 点时，HiN F - P、
p220NPAT 及其下游分子histone H4 表达会显著上
调，从而使细胞进入S 期，并且这个过程是与DNA
的复制紧密偶联的。而在成体分化细胞，HiNF-P
和 p220NPAT 表达并没有周期依赖性。另外，与小
鼠胚胎干细胞类似，人胚胎干细胞的纺锤体组装检
验点也存在特点，当细胞分裂失败时，人胚胎干细
胞同样会形成多倍体细胞而不是走向凋亡。
目前，人胚胎干细胞 DN A 损伤检验点的作用
还存在一定争议。Becker 等[5]报道射线照射诱导
DAN 损伤后，会导致 p53 依赖的 p21 激活，进而
导致细胞周期停滞。同时, HiNF-P、p220 NPAT、
histone H4、E2F家族和RB等基因的表达也发生显
著改变。而Qin 等[29]报道，DNA 损伤后会引起p53
的上调并进而引起人ES细胞凋亡，但是p53并不会
直接激活下游靶基因的转录，而是通过线粒体途径
来发挥作用。
2.3　胚胎干细胞全能性关键分子在细胞周期中的作
用　Oct4、Sox2和Nanog是维持胚胎干细胞全能性
的关键作用分子。同时，Oct4、Sox2、Klf4 和
c-Myc 也是最初用于建立IPSCs 的四个因子[4]。有
人用Chip-on-Chip的方法，发现内源性的这四个转
录因子在小鼠胚胎干细胞的全基因组上有5 000多个
基因启动子结合位点，其中 c-Myc、Klf4、Oct4
和 S o x 2 参与细胞周期过程的靶基因数目分别是
273、102、68 和 56，提示这四个因子对于 ES 细
胞周期可能具有一定的调控作用[30]。
通过大规模基因芯片结果分析提示在小鼠胚胎
干细胞中，Oct4 与细胞周期有密切关系。38 个细
胞周期相关基因与Oct4的表达呈正相关，这些基因
包括cdc5A、cyclin B1和cyclin F等。其中，Oct4
对 cyclin F 的调控已经被实验进一步证实[31]。此
外，Oct4/Sox2还通过microRNA途径参与了细胞周
期的调控。
最近的研究揭示了Nanog在细胞周期中也具有
重要作用。在人胚胎干细胞，Nanog 调控了 Cdk6
和 cdc25A 的表达，通过该通路，上调Nanog 能够
显著促进人胚胎干细胞的G1/S 转换[32]。
2.4　microRNA 在胚胎干细胞细胞周期中的作用　
microRNA (miRNA)是在细胞生命活动中起着重要调
节作用的一群18 － 25 核苷酸的非编码小RNA。它
们通过结合靶 mRNA 分子来诱导降解或抑制翻译。
miRNA 在胚胎干细胞周期调控中的作用最初是通过
分析敲除miRNA 合成过程中的关键分子 Dgcr8 或
Dicer 的胚胎干细胞模型得到证实的。敲除这两个
基因的小鼠胚胎干细胞增殖缓慢，较多细胞都停留
在 G1 期，接下来人们证实向细胞导入 miR- 290、
miR-320以及miR-17/20/106家族成员能够拯救增殖
缺陷的胚胎干细胞。而且，这些 miRNA 在野生 ES
细胞大量表达，由此提示miRNA 在促进了胚胎干细
胞的G1/S期转换中起到重要作用。进一步的研究发
现，miRNA 主要通过抑制Cdk2-cyclin E 通路抑制
因子来调节细胞周期，其中，p21、RBL2 和 Lsts2
是已被证实miRNA 直接作用靶点[33,34]。
另外，Oct4/Sox2对胚胎干细胞G1/S期的转换
的调节可能通过对 miR-302 转录调控来实现。而
miR-302可以在翻译水平抑制cyclin D1的表达，从
而调节胚胎干细胞的细胞周期。此外，RB、E2F1、
P130、Cdk2 和 Cdk6 也可能是miR-302 潜在的下游
靶分子[35]。
3　前景展望
胚胎干细胞在体外的快速增殖能力是与受精后
囊胚内细胞团在体内迅速发育的特性相一致的。而
且它的这种增殖特性随着细胞的分化而逐渐消失。
尽管目前成体细胞细胞周期调控的机制已经研究得
比较清楚，但是胚胎干细胞的周期调控特点及其分
子机制仍然有很多不清楚的地方。第一，胚胎干细
胞的增殖特性与全能性的维持之间的关系还报道很
少；第二，小鼠和人的胚胎干细胞有不少相似之
处，但也存在众多差异，目前仍然缺乏对这种差异
的系统研究[8] ；第三，胚胎干细胞中 G1/S 转换的
分子机制还不是很清楚，比如cyclin D的作用、RB
被高度磷酸化以及 CDKs 表达很低的原因；第四，
尽管已经公认胚胎干细胞周期中的各个检验点存在
不同于体细胞的特点，但是其具体作用几乎一无所
知。此外，近年来microRNA 在细胞周期调控中的
作用日益受到重视，但是miRNA 如何调控下游大量
的靶基因以及miRNA 自身表达如何被调控仍然需要
630 生命科学：干细胞研究专刊 第21卷
大量的研究来证明[34]。总之，这个领域目前有着
十分广阔的研究前景，随着胚胎干细胞独特周期调
控机制的进一步揭示，对于胚胎干细胞的临床应用
将具有重大意义。
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