全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 17卷 第 4期
2005年 8月
Vol. 17, No. 4
Aug., 2005
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：Q 25 3　　文献标识码：A
A review: cell cycle regulation
GAO Yan, LIN Li-Ping, DING Jian*
(State Key Laboratory of Drug Research, Shanghai Institute of Materia Medica, Shanghai Institues
for Biological Sciences, Chinese Academy of Sciences, Graduate School of the Chinese
Academy of Sciences, Shanghai 201203, China)
Abstract: 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-dependent
manner at special points of the cell cycle. Cyclin protein levels rise and fall during the cell cycle and in the way
they periodically activate CDKs. Furthermore, the cell cycle checkpoint is also discussed as a key process in
the regulation of CDKs. PLKs are important mediators for various cell cycle checkpoints, while Aurora kinases
have emerged as essential regulators of cell division. Here, we reviewed the effects of above factors on cell
cycle 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(2005)04-0318-05
1　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 G1、S和 G2期。G1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。G2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，G1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G0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(CDK
activating 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G1
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G0期进入G1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G1
期，它与CDK2结合，使细胞完成G1/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G2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G2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 promoting
factor，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
CDK4 cyclin D1, D2, D3 G1 期
CDK6 cyclin D1, D2, D3 G1 期
CDK2 cyclin E G1/S 转换
CDK2 cyclin A S 期
CDK1(CDC2) cyclin A G2/M 转换
CDK1(CDC2) cyclin B 分裂期
CDK7 cyclin H CAK, 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)。INK 4 家族包括 p1 5( INK 4b)、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G1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)。G1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]。此外，CDK2-cyclinE复
合物参与 pRb高磷酸化状态的维持。在 G1/S转换
点，CDK2-cyclinE复合物还磷酸化 p27蛋白，诱导
其降解。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，CDK1-cyclinB还可以磷酸化细胞骨架
蛋白，如核纤层蛋白(nuclear lamins)、微管、波
形纤层蛋白(vimentin)和钙调结合蛋白(caldesmon)，
从而对染色体集聚、核膜解体、中间丝解聚及微丝
的重组有重要作用。周期素A依赖的激酶通过磷酸
化DNA多聚酶α调节DNA复制的起始过程。其他
CDK底物包括 CDK自身调节因子Wee1和 Cdc25，
都是保证正确的有丝分裂过程必不可少的[4]。
2.4　细胞周期的调节激酶
2.4.1　PLKs激酶　PLKs是以已建立的丝氨酸/苏氨
酸激酶家族成员——果蝇 polo基因产物而命名的。
所有的PLKs均有一个非常相似的N末端激酶区和一
个位于可调控C末端结构域的保守序列——polo盒
子。PLKs在整个细胞周期进展中表现为一种动力
学定位，其中包括在有丝分裂早期的着丝粒和中心
体定位、纺锤体定位和后期的胞质分裂位点的定
位。从此种动力学定位模式推断，PLKs在多个有
丝分裂过程中发挥了重要的调节作用，包括有丝分
裂早、中、后期的启动和胞质分裂。PLKs控制有
丝分裂的启动通过磷酸化Cdc25C和周期素B，继而
激活Cdk1/cyclinB激酶复合物。PLKs也可控制染色
质间粘着力的丧失和中心体成熟，引起双极纺锤体
形成。在有丝分裂后期，PLKs通过对含有一个环
指区并有泛素连接酶活性的APC/C(anaphase-promot-
ing complex/cyclone，APC/C)亚单位的磷酸化激活
APC/C，后者引起 PLKs的泛素化降解。在此期对
PLKs功能的破坏，会导致细胞周期蛋白降解受阻
表2　CKI单独与CDK结合或与CDK-cyclin复合物结合以调节CDK的活性
CKI家族 功能 家族成员
INK 4家族 抑制CDK4/6的活性 p15 (INK4b)
p16 (INK4a)
P18 (INK4c)
P19 (INK4d)
Cip/Kip家族 抑制G1期的 cyclin-CDK p21 (Waf1, Cip1)
　复合物以及 cyclin B-CDK1 p27 (Cip2)
　的活性 p57 (Kip2)
321第4期 高　燕，等：细胞周期调控的研究进展
和有丝分裂的持续进行。PLKs也可直接参与胞质
分裂机制，因为分裂酵母缺失 plo1基因后，细胞
不能形成胞质分裂所必需的肌动蛋白环和隔膜；且
果蝇 polo基因突变体在精子生成过程中表现为严重
的胞质分裂缺陷[5]。PLKs在有丝分裂进展不同阶段
的重要作用，使它们成为检查点机制调节的绝好靶
点；另外，通过磷酸化细胞周期的其他调节蛋白，
如 p53，对 S、G2/M检查点均有不同程度的调控作
用[6~8]。另有研究表明，PLKs通过磷酸化 polδ亚单
位，还参与 DNA的损伤修复[9]。
2.4.2　Aurora激酶　Aurora激酶是由一系列高度保
守的丝氨酸 /苏氨酸蛋白激酶家族成员组成的。在
哺乳动物中发现三种Aurora激酶的同源蛋白，分别
称为Aurora A、B和 C。Aurora A和 B在有丝分裂
过程中至关重要，而Aurora C只在纤毛和鞭毛运动
的调节中发挥作用[10]。Aurora A和 B在细胞内的定
位不同，Aurora A在 S期定位于中心体，到有丝
分裂时，Aurora A除了主要集中于纺锤体两极的中
心体上，还可在纺锤体的微管上检测到。而Aurora
B在有丝分裂前期定位于染色体上，在前中期和中
期集聚于中心体，到后期启动时就定位于纺锤体，
在胞质分裂中发挥作用。两者的作用与它们的定位
是一致的：Aurora A调节纺锤体的组装，而Aurora
B调节染色体的分离和胞质分裂[11]。
3　细胞周期的质控：细胞周期检查点
到目前为止，DNA损伤检查点和纺锤体组装
检查点机制已被部分阐明。已知 DNA损伤后，激
活了相应的检查点机制，使细胞周期进程延缓或停
滞，目的是修复损伤的 DNA。细胞周期检查点主
要在 4个时期发挥作用：(1)G1/S期检查点，在酵母
中称 Start点，在哺乳动物中称 Restriction point；
(2)S期检查点；(3)G2/M期检查点；(4)中 /后期检
查点，又称纺锤体组装检查点。
在G1/S检查点，DNA损伤引起 p53依赖的周
期阻滞。正常细胞内 p53的水平通常很低，DNA损
伤刺激引起 p53的表达和活性迅速升高。p53可引
起多种基因转录，如 p21、Mdm2和 Bax[12]。如前
所述，p21 是一种细胞周期抑制蛋白，通过抑制
CDKs导致细胞周期阻滞，阻止损伤DNA的复制。
Mdm2的作用是通过负反馈环调节p53蛋白水平，它
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。其他蛋白，如 p1 9
(ARF)蛋白，由ARF-INK4所编码，可与Mdm2结
合，阻止Mdm2介导的 p53蛋白水解作用[13] ；但
细胞严重受损，损伤的 DNA无法修复时，p53通
过激活某些基因的转录，如 Bax、Fas和参与氧化
应激反应的相关基因，诱导细胞凋亡[14]。
有些蛋白激酶可以识别DNA损伤，如ATM和
ATR，DNA损伤后它们能够磷酸化 p53，进而引起
p21表达升高，至少在G1/S检查点延缓了细胞周期
的进程[15]。DNA-PK是一种与ATM和ATR有关的
双链DNA断裂修复酶，但是否在G1/S检查点中发
挥作用目前仍不清楚[16]。
S期DNA损伤的检查点机制尚不明确，但研究
表明，DNA链复制的起始和延长过程都可以受到抑
制，也有研究显示，S期阻滞需要ATM介导的NBS1
的磷酸化作用[17]。
当DNA损伤出现在G2期时，引起细胞周期阻
滞，此作用可以不依赖于 p53蛋白。细胞可以通过
抑制 CDK1的脱磷酸化作用，使其处于抑制状态；
或者通过将 CDK1-cyclinB1复合物滞留在胞浆中，
使其不能进入细胞核发挥作用，故阻止细胞进入有
丝分裂期。Chk1(checkpoint kinase 1，chk1)和 Chk2
(checkpoint kinase 2，chk2)对于上述作用的实现至
关重要。Chk1/2是DNA损伤后，以 ATM依赖的
方式被激活的，可磷酸化 Cdc25，使 Cdc25的自身
活性被抑制，加速了它与 14-3-3蛋白的结合，复
合物定位于胞浆中，所以阻止了CDK1-cyclinB复合
物的激活和有丝分裂的进行。除了 CDKs的磷酸化
抑制作用外，p53也可以在G2/M检查点的调节中发
挥作用。DNA损伤后，p53表达增强，引起 p21
和 14-3-3σ表达上调，周期素 B与 14-3-3σ结合增
强，周期素进入核内受阻。另外，p53 通过诱导
表达Gadd45——周期阻滞和DNA损伤诱导因子，加
速 CDK1-cyclinB1复合物分解[18]。
纺锤体组装检查点的作用是监测纺锤体形成过
程中染色体不正确的组合，在有丝分裂中期引发周
期阻滞，以阻止有丝分裂后期启动、胞质分裂和
DNA再复制，此现象最初是在出芽酵母中发现的。
几种哺乳动物纺锤体检查点相关蛋白最近也被广为
研究，如Mad和Bub蛋白在微管黏附作用缺陷时被
激活，抑制有丝分裂后期启动复合物(anaphase pro-
moting complex, APC)，阻止有丝分裂中后期的周
期进展[19]。进一步研究认为，胞质分裂是细胞分裂
最后一步，可认为存在检查点机制，称为胞质分裂
检查点或收缩环检查点(contractile ring checkpoint)，
主要控制向中央延伸的肌动蛋白环以及隔膜的形成
和完整性，故可延缓细胞核分裂。在细胞动力学结
322 生命科学 第17卷
构紊乱时，此检查点使细胞成为含 2个G2期核周期
阻滞的细胞，该现象在酵母和高等真核细胞系统均
存在 [ 2 0 ]。
4　结语
细胞周期的运转由多种机制控制，以确保细胞
分裂的有序进行。本文主要集中于某些机制的探
讨，如周期素和 CDK 抑制蛋白对 CDKs的调节，
DNA损伤后细胞周期检查点作用以及PLKs和Aurora
激酶对细胞周期检查点的调节。细胞周期各项指标
的正常运行对细胞的生长、增殖起着重要的调控作
用，阻滞细胞周期的正常运转已成为药物作用的新
靶点，运用于肿瘤或其他疾病的治疗，需要我们进
一步研究明确。
[参　考　文　献]
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我国率先解析和“呼吸”密切相关的膜蛋白复合体三维结构
中国大陆科学家论文 25年来首“登”Cell杂志
近日，我国科学家在世界上率先解析了线粒体膜蛋白复合物 II的精细结构，填补了线粒体结构生物
学和细胞生物学领域的空白，成为线粒体呼吸链研究领域的一个新的里程碑。这一研究成果于 2005年 7月
1日发表在 Cell杂志上，这是 25年来我国大陆科学家第一次将完整、系统、原创的研究成果发表在 Cell
上。这项完全立足于“本土”取得的研究成果，发现并证实了这一和呼吸氧化作用密切相关的膜蛋白复
合体是一个“穿膜蛋白复合物”，而不是传统教科书描述的“外周膜蛋白”，从而“纠正”了一直以
来存在于生物化学和细胞生物学教科书中的传统认识。
摘自 http: //www.cas.ac.cn