细胞周期调控的研究背景

一、细胞周期调控的研究背景

20世纪70年代，Rao和Johnson将HeLa细胞同步于不同阶段，然后与M期细胞混合，在灭活仙台病毒介导下，诱导细胞融合，发现与M期细胞融合的间期细胞产生了形态各异的早熟凝集染色体（prematurely condensed chromosome，PCC）（图4－3），这种现象叫做早熟染色体凝集（premature chromosome condensation）。

图4－3　不同形态的PCC

G₁期PCC为单线状，因DNA未复制。

S期PCC为粉末状，因DNA由多个部位开始复制。

G₂期PCC为双线染色体，说明DNA复制已完成。

不仅同类M期细胞可以诱导PCC，不同类的M期细胞也可以诱导PCC产生，如人和蟾蜍的细胞融合时同样有这种效果，融合时表明M期细胞具有促进间期细胞分裂的因子，即成熟促进因子（maturation promoting factor，MPF）。

早在20世纪60年代，Yoshio Masui发现成熟蛙卵的提取物能促进未成熟卵的胚胞破裂（germinal vesicle breakdown，GVBD），后来Sunkara将不同时期HeLa细胞的提取液注射到蛙卵母细胞中，发现G₁和S期的抽取物不能诱导GVBD，而G₂和M期的则具有促进胚胞破裂的功能，这种诱导物质称为有丝分裂因子（MF）。后来在CHO细胞、酵母和黏菌中也提取出相同性质的MF。这类物质统称为MPF。

20世纪60年代，Leland Hartwell以芽殖酵母（图4－4）为实验材料，利用阻断在不同细胞周期阶段的温度敏感突变株，分离出几十个与细胞分裂有关的基因（cell division cycle gene，CDC）。如芽殖酵母的CDC28基因，在G₂／M转换点发挥重要的功能。Hartwell通过研究酵母菌细胞对放射线的感受性，发现当DNA受到损伤时，细胞周期会停止。

图4－4　芽殖酵母细胞周期

20世纪70年代，Paul Nurse等以裂殖酵母（图4－5）为实验材料，发现细胞周期调控基因，如：裂殖酵母CDC2、CDC25的突变型在限制的温度下无法分裂；wee1突变型则提早分裂，而CDC25和wee1发生突变时却都会正常分裂（图4－6）。CDC2和CDC28都编码一个分子量34×10³（34kD）的蛋白激酶，促进细胞周期，而wee1和CDC25分别为抑制和促进CDC2的活性，因此CDC25和wee1双重突变的个体恢复野生型的表型。

1983年Timothy Hunt发现海胆卵受精后，卵裂过程中两种蛋白质的含量随细胞周期剧烈变化，在间期开始合成，G₂／M时达到高峰，M结束后突然消失，下轮间期又重新合成，命名为周期蛋白（cyclin）。爪蟾、果蝇、斑马鱼和酵母中均发现类似的情况，各类动物来源的细胞周期蛋白mRNA均能诱导蛙卵的成熟。无脊椎动物和两栖类动物的卵为实验材料，卵量比较大，同时胚胎发育早期，细胞分裂是同步的。

图4－5　裂殖酵母细胞周期

图4－6　CDC25表达不足，细胞不分裂；wee1表达不足，细胞很小就开始分裂

图4－7　MPF＝CDC2＋cyclin B

1988年M JLohka纯化了爪蟾的MPF，由分子量32×10³（32kD）和45×10³（45kD）的2种蛋白组成，两者结合可使多种蛋白质磷酸化（图4－7）。1990年，Paul Nurse证明p32是CDC2的同源物，p45是cyclin B的同源物，从而将细胞周期3个领域的研究联系在一起。美国人Leland Hartwell、英国人Paul Nurse、Timothy Hunt因对细胞周期调控机制的研究而荣获2001年诺贝尔生理医学奖。