细胞增殖的调控因素

第三节　细胞增殖的调控因素

对简单生物而言，调控细胞周期主要是为了适应自然环境，以便根据环境状况调节繁殖速度，以保证物种的繁衍。复杂生物的细胞则需面对来自自然环境和其他细胞、组织的信号，并作出正确的应答，以保证组织器官和个体的形成、生长以及创伤愈合等过程能正常进行。细胞周期的准确调控对生物的生存、繁殖、发育和遗传都是十分重要的。这种高度的精确性一方面依赖于细胞内部的时钟调控，即细胞周期蛋白依赖性激酶--细胞周期蛋白(Cdkcyclins)为中心的引擎周期变化所激发的一系列下游事件的序贯发生，使细胞周期严格按照G1-S-G2-M期循环运转。另一方面在细胞周期正常事件受到干扰时，细胞会采取补救措施进行调控，杜绝差错的发生，如细胞周期的检查点(checkpoint)调控，可中断细胞周期使DNA进行修复。细胞周期调控与个体的生长、发育、衰老以及细胞的癌变都密切相关。概括地说，影响细胞增殖的因素主要有以下几个方面:一是环境中控制细胞增殖的因素，特别是各种生长因子。不少生长因子受体具有蛋白激酶活性，在生长调节中通过对各种靶蛋白磷酸化实现其对细胞增殖的调节作用。二是细胞周期蛋白依赖性激酶和细胞周期蛋白调控细胞的增殖。三是某些基因及其产物与细胞增殖调控的关系。

一、生长因子与生长因子受体

体外培养的正常细胞必须有足够的血清才能进行增殖，这是因为血清中含有多种对细胞增殖起促进作用的多肽类物质，统称为生长因子(growth factor，GF)。GF通过与细胞膜上的受体结合，并诱发一系列生理反应，对细胞的增殖活动进行调节。

GF没有种属特异性，但有很强的组织特异性，也就是说不同种类的细胞需要不同的GF。现已分离出几十种GF(表9-2)，它们普遍存在于机体的各种组织中。GF受体也普遍存在，许多细胞表面同时存在一种以上的GF受体，能接受不同GF的顺序性调节，即所谓GF的协同作用。例如，处于G0期的3T3细胞必须经过血小板衍生生长因子(PDGF)的激活才能进入G1期;G1期进入S期又要经过表皮生长因子(EGF)和胰岛素样生长因子(IGF)的顺序激活。三者形成“接力”式的协同作用，既不可短缺也不可颠倒。根据GF在周期中的不同作用，将其分为启动因子(如PDGF)和推进因子(如EGF、IGF)两大类。没有启动因子，推进因子便不能发挥作用。

表9-2　几种生长因子的性质

在组织培养条件下，正常细胞的生长表现出对PDGF的依赖性;但在已被转化的细胞中，对外源性GF的需要明显减少。转化细胞的这种较少依赖或不依赖GF的生长特点，显示在转化细胞中自身能产生类似GF的物质，通过与细胞表面受体结合，对细胞产生自我刺激作用，促进细胞增殖。研究发现反转录病毒的转化基因v-sis的产物P28v-sis蛋白的氨基酸序列与PDGF的B链同源，提示一定的癌基因可能通过编码GF或GF受体调节细胞增殖。

在G0期细胞中加入GF能诱导多种基因的转录。根据mRNA出现的快慢，这些基因可分为两类:早反应基因(early response gene)和迟反应基因(delayed response gene)(图9-5A)。早反应基因的转录在几分钟内便可诱导，且不被蛋白质合成抑制剂阻断，因为所需的转录因子已经存在于G0期细胞中，通过修饰(如磷酸化)而被激活(图9-5B)。许多早反应基因编码的蛋白质是迟反应基因转录所必需的转录因子，包括c-fos和c-jun等。早反应基因的mRNA在加入GF后约30min达到峰值，然后逐渐降低并维持在较低的水平。在早反应基因的转录活性刚开始下降时，迟反应基因的转录活性却迅速升高，并维持在较高的水平。早反应基因对迟反应基因的活化作用是细胞由G1期向S期转变的关键，迟反应基因编码各种细胞周期蛋白(如细胞周期蛋白D、E)、Cdk2、Cdk4及另一类转录因子E2F。

图9-5　G0细胞早反应基因和迟反应基因的表达

二、抑制因子

为了防止机体细胞过度生长，除具有细胞增殖的正向调节因子外，还必须有负调节因子，以限制细胞的增殖活性。抑素(chalone)是一类细胞中产生的对细胞增殖具有抑制作用的调节因子，有些是小分子可溶性蛋白，有些是糖蛋白。抑素没有种属特异性，但有严格的组织和细胞特异性，只对同类细胞(甚至只对某一分裂时相的细胞)具有抑制作用。例如，上皮抑素可抑制上皮细胞的增殖，粒细胞抑素抑制未成熟粒细胞的增殖，肝抑素抑制肝细胞的增殖等。

三、细胞周期蛋白依赖性激酶和细胞周期蛋白

细胞周期调控的关键因素是细胞周期依赖性蛋白激酶，Cdk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，Cdk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Cdk，而Cdk的时相性激活是细胞周期调控的核心。与细胞周期蛋白不同的是，Cdk的蛋白总量在整个细胞周期进程中几乎稳定不变。

不同细胞周期细胞表达的细胞周期蛋白不同。在G1期，细胞表达3种细胞周期蛋白D(D1、D2和D3)。细胞周期蛋白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。但与其他细胞周期蛋白不同的是，细胞周期蛋白D并不周期性表达，而只要GF持续刺激细胞就可以合成。细胞周期蛋白E也表达于G1期，它与Cdk2结合，使细胞完成G1/S期的转换。S期的向前推进则需要细胞周期蛋白A与Cdk2形成的激酶复合物。在G2晚期和M早期，细胞周期蛋白A与Cdk1结合后启动细胞向M期推进。但在G2期内主要是细胞周期蛋白B的表达，细胞周期蛋白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。此外，人类细胞周期蛋白A和B各含有一个毁坏盒(destruction box)顺序，细胞周期蛋白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。

Cdk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-细胞周期蛋白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。INK4家族包括p15(INK4b)、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与细胞周期蛋白结合前与Cdk结合形成稳定的复合物，阻止其与细胞周期蛋白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-细胞周期蛋白复合物并抑制它们的活性，特别是G1期的Cdk4/6-细胞周期蛋白D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。

四、细胞周期有关的其他基因及产物

(一)细胞分裂周期基因与细胞周期

在细胞内有一类与细胞周期运转和调控有关的基因，称为细胞分裂周期基因(cell divi-sion cycle，cdc)，cdc基因产物可以调节细胞周期的进程。细胞增殖周期的有序性与cdc基因在细胞周期的不同阶段表达有关。例如，在酿酒酵母中已确定了一些cdc基因的表达顺序及可能的生物学功能(图9-6)，在细胞周期开始的主要控制点起作用的是cdc28，而cdc8作用于DNA合成起始，纺锤极体(SPB)的复制被cdc31所控制，cdc24控制酵母的出芽。

图9-6　酿酒酵母周期中cdc基因的调控作用

实验证明，裂殖酵母(S．pombe)的cdc2基因和酿酒酵母的cdc28基因具有同源性，哺乳动物(包括人类)和cdc2同源的基因产物是相对分子质量34 000的蛋白质(P34)，它的基因序列和cdc2/cdc28之间有63％是相同的。酵母细胞的cdc13和人细胞中编码P56的基因是同源的。

(二)癌基因及抑癌基因和细胞周期

在正常细胞的基因组中，含有和病毒癌基因(v-oncogene)相似的原癌基因(proto-oncogene)。原癌基因编码的蛋白质产物包括生长因子、生长因子受体、细胞内信号以及细胞核的结合蛋白质等，都与调节细胞的增殖和分化活动有关(图9-7)。原癌基因的产物是正常细胞增殖所必不可少的，但是它们一旦发生突变成为癌基因(oncogene)，就会使细胞转化为异常的增殖状态，引起细胞生长失控，最终转为恶性。

图9-7　原癌基因及其产物的定位和作用

用正常的细胞和肿瘤细胞融合形成的杂种细胞，其恶性程度明显下降，甚至完全消失，说明在正常细胞中含有抑制细胞恶性增殖的抑癌基因(tumor suppression oncogene)，其产物可以抑制细胞的生长和分裂。当抑癌基因发生变异或丢失，解除了对细胞增殖的抑制作用之后，就成为诱发肿瘤的重要因素。p53基因和rb基因是两类与人类恶性肿瘤关系最为密切的抑癌基因。

五、细胞内信号

cAMP、cGMP和IP³等作为多种激素的第二信号，对细胞的代谢起调节作用，从而有效地控制细胞的增殖和分化。cAMP具有抑制细胞增殖和促进细胞分化的作用。不少实验表明，降低cAMP含量的因素能使细胞解除生长抑制;反之，能使cAMP含量升高的因素却能抑制细胞的增殖，降低细胞生长的速度。cGMP的调节作用是和cAMP相互拮抗的。

六、细胞周期的检查点

细胞周期中还存在“检查点”的调控机制，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:①G1S期检查点，在酵母中称为Start点，在哺乳动物中称为限制点(restriction point);②S期检查点;③G2/M期检查点;④中/后期检查点，又称纺锤体组装检查点(图9-8)。

图9-8　细胞周期检查点

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。如前所述，P21是一种细胞周期抑制蛋白，通过抑制Cdk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。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

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。

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-细胞周期蛋白B1复合物滞留在胞质中，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。

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，此现象最初是在酿酒酵母中发现的。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 promoting complex，APC)，阻止有丝分裂中后期的周期进展。