2019, Vol. 45扩展功能
文章信息
- 刘儒, 谢基明, 孟峻
- LU Ru, XIE Jiming, MENG Jun
- 细胞分裂周期蛋白14生物学功能的研究进展
- Research progress in biological function of cell division cycle protein 14
- 吉林大学学报(医学版), 2019, 45(04): 960-964
- Journal of Jilin University (Medicine Edition), 2019, 45(04): 960-964
- 10.13481/j.1671-587x.20190439
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文章历史
- 收稿日期: 2018-09-20
2. 内蒙古自治区人民医院检验科, 内蒙古 呼和浩特 010017
有丝分裂细胞周期分为G1期(DNA合成前期)、S期(DNA合成期)、G2期(DNA合成后期)和M期(有丝分裂期)[1]。细胞周期的精准调控需要依靠一系列的调控分子来实现，细胞分裂周期蛋白14(cell division cycle protein 14，Cdc14)最早由Hartwell利用出芽酵母温度敏感突变株鉴定得到的，该基因调控出芽酵母细胞周期，可以逆转周期素依赖性激酶(cyclin dependant kinase，CDK)活性，在出芽酵母有丝分裂退出网络中起关键作用[2-4]。目前国内外近5年来有关Cdc14的相关报道较少，国内尚无关于Cdc14的综述报道，本文作者对Cdc14在不同生物细胞中的定位、分型及生物学作用进行综述。
1 Cdc14的组成结构所有的Cdc14均具有一个高度保守的、由350个氨基酸组成的N-端核心，具体包含决定底物特异性的A结构域和具有蛋白质酪氨酸磷酸酶(PTP)催化活性的B结构域[5]。脊椎动物的Cdc14B还具有一个独特的从N端延伸出来的目的蛋白作用靶点(KKIR)序列，其功能是将Cdc14B定位于核仁中[6-9]。最新研究[9]表明：C端部分对于亚细胞的定位也很重要。Cdc14的C端含有一个核输出序列(NES)，在出芽酵母细胞中该序列的同源物称为核定位序列(NLS)，其通过核Dbf2相关激酶(NDR)磷酸化和阻断原始网络(SIN)途径来调节活性[9-10]。
2 Cdc14在单细胞生物中的定位、分型和生物学作用在出芽酵母(又称酿酒酵母，Saccharomyces cerevisiae)细胞中发现的Cdc14(简称ScCdc14)，是Cdc14家族的创始成员[2-4]。ScCdc14具有逆转周期素依赖性激酶1 (CDK1)磷酸化的作用，CDK1许多底物的去磷酸化是通过ScCdc14来完成的，ScCdc14通过去磷酸化钙黏蛋白1(Cdh1/hct1)、CDK抑制剂sic1和转录因子Swi5，促进细胞分裂周期蛋白的破坏和CDK失活[4, 11]。ScCdc14是一种双特异性磷酸酶，是有丝分裂后期重要的调控因子[12-14]。ScCdc14从细胞G1期一直到中期均定位于核仁中，在有丝分裂后期，ScCdc14的释放依靠2种调控网络被释放到细胞核和细胞质中：细胞分裂周期蛋白磷酸酶14早期释放网络(Cdc fourteen early anaphase release，FEAR)和有丝分裂退出网络(mitotic exit network，MEN)[12]。在核仁中神经上皮转换蛋白1(Net1)与Cdc14结合并抑制Cdc14的活性，使Ccdc14被阻隔在核仁中；MEN激活后，MEN中的重要构件Cdc5介导Net1磷酸化，使得Cdc14/Net1复合物从核仁中移出，Cdc14一旦释放出来，CDK的活性会立即受到抑制，因此MEN的作用是保证Cdc14的释放，对于退出有丝分裂至关重要[12-15]。而FEAR的作用是保证有丝分裂的及时退出[16]。
在非洲裂殖酵母(又称非洲粟酒酵母，Saccharomyces pombe)细胞中发现的类似Cdc14的磷酸酶称为多聚腺苷酸因子1(Clp1)或纤维蛋白原样蛋白1(Flp1)，但是该磷酸酶与ScCdc14非同源[24]。虽然Clp1和ScCdc14非常相似, 在整个蛋白质序列长度上36%的序列具有同源性并且均能拮抗各自的CDK, 但其对细胞周期的调控不同。Clp1对有丝分裂退出调节功能弱，主要功能是调节有丝分裂的进入，并且协调胞质分离参与下一个细胞周期的启动[17-18]。虽然Clp1在细胞周期蛋白降解和有丝分裂退出过程中不是必需的，但其具有抑制Cdc2的作用，能够调节染色体的分离、调节纺锤体中间区功能并激活DNA复制检查点[19]。Clp1使CDK失活的机制与ScCcd14不同, Clp1不能使cdh1/hct1、CDK抑制剂sic1和转录因子Swi5等酿酒酵母菌的同系物去磷酸化。相反，一部分Clp1通过促进细胞分裂周期蛋白2(cell divison cycle protein2, Cdc2)的酪氨酸的15位点(Tyr15位点)磷酸化而降低CDK的活性；另一部分Clp1是通过使细胞分裂周期蛋白25(cell division cycle protein25, Cdc25)的Tyr15位点去磷酸化来降低Cdc25的活性。一旦Cdc25通过Clp1去磷酸化，Cdc25立即变得不稳定，细胞开始退出有丝分裂[17, 20]。Clp1间接下调CDK的活性是细胞分裂及时进行所必需[20]。Clp1在细胞G1期和S期主要定位于核仁，少部分定位于纺锤体极体，在有丝分裂前期，Clp1从核仁中释放出来，定位于细胞核、有丝分裂纺锤体、纺锤体极体和内侧环[17-18]。因此，Clp1的定位与ScCdc14定位略有不同，其活性也可能受到不同方式的调节。
3 Cdc14在非哺乳类后生动物细胞中的定位、分型和生物学作用CeCdc14是秀丽隐杆线虫(Caenorhabditis elegans)细胞中Cdc14的简称[24]。早期的免疫荧光数据[21]表明：CeCdc14在有丝分裂后期定位于纺锤体中间区，在有丝分裂末期定位于中心体。在有丝分裂间期，细胞胞浆中、中心体上和纺锤体的微管上，均观察到了绿色荧光蛋白(GFP)标记的CeCdc14，在已经完成有丝分裂的细胞中CeCdc14定位于核仁和细胞核中[22]。用RNA干扰(RNAi)技术将CeCdc14沉默后，细胞出现胞质分离混乱、多核细胞和胚胎死亡的现象[21]。相反，CeCdc14缺陷的秀丽隐杆线虫突变体并未出现有丝分裂和细胞动力学缺陷，但是这些蠕虫在外阴祖细胞的复制方面表现出了特殊的缺陷[22]。上述研究结果不一致的原因目前尚不清楚。
非洲爪蟾(Xenopus laevis)编码2个Cdc14亚型，简称为XCdc14A和XCdc14B[23]。采用高浓度GFP标记XCdc14A后结果[24]显示：在有丝分裂间期XCdc14A定位于中心体，在有丝分裂末期定位于中体。XCdc14A可以在已诱导进入有丝分裂的非洲爪蟾卵的提取物中使Cdc25去磷酸化。此外，过表达的XCdc14A还能抑制可溶性N-乙基马来酰亚胺敏感因子(NSF)附着蛋白受体(SNARE)，即外生囊复合物向胞质分裂部位的聚集，是组织细胞分裂的最后一步，也就是所谓的脱落[25]。目前尚无关于XCdc14B亚型生理作用的报道。
MOCCIARO等[8]在鸡的DT40细胞中鉴定出了2种Cdc14的鸟类同源物，简称cCdc14A和cCdc14B，在有丝分裂间期cCdc14A定位于中心体，cCdc14B定位于细胞核，与人类细胞中Cdc14的定位一致[26]。在DT40细胞中敲除cCdc14后并不会对细胞的生存造成影响，也不会影响到有丝分裂的进程、染色体分离以及胞质分离。而且沉默cCdc14A或cCdc14B也不会使中心体的数目和分离出现异常[8]。
4 Cdc14在小鼠卵母细胞中的定位、分型和生物学作用哺乳动物基因编码2个Cdc14亚型：Cdc14A和Cdc14B，其对小鼠卵母细胞具有重要的调控作用。卵子形成的最后阶段是卵母细胞成熟后产生具有胚胎发育能力和受精能力的单倍体卵子。CDK1促进卵母细胞成熟，其活性和在底物上的作用受到严格调控[27]。Cdc14A在未开始进行减数分裂的小鼠卵母细胞中定位于细胞核，在开始进行减数分裂后Cdc14A扩散到整个小鼠卵母细胞中。在减数分裂过程中，Cdc14A在第一次减数分裂中期Ⅰ(MⅠ)和第二次减数分裂中期Ⅱ(MⅡ)共定位纺锤体，其他时期无特定的亚细胞定位。此外Cdc14A的定位与染色体的构型有密切关联，Cdc14A在生发泡(GV)期定位于细胞核，在生发泡破裂(GVBD)后聚集在染色体周围，减数分裂能力的获取与定位于GV的CDK1蛋白增加有关，因此获取减数分裂能力时，CDK1与Cdc14A的核定位存在负相关关系[27]。过表达的Cdc14A可以延缓减数分裂的进展，而沉默Cdc14A的卵母细胞则延迟了MⅠ的退出。过表达和(或)基因沉默Cdc14A后均会产生染色体排列不正常的卵子，而且非整倍体卵子的发生率明显升高。上述数据[27]表明：Cdc14A具有调节卵母细胞成熟的功能，能够促进MⅠ向MⅡ的转变。
在小鼠卵母细胞中，Cdc14B在MⅠ前期定位于细胞质微管网络，在MⅠ和MⅡ定位于纺锤体。过表达Cdc14B的卵母细胞在恢复减数分裂过程中明显延迟，不能进入MⅡ，而缺失Cdc14B的卵母细胞在被正常抑制减数分裂恢复的条件下，自然恢复了减数分裂。改变Cdc14B水平会产生异常纺锤体和染色体排列紊乱的卵子。Cdc14B通过激活细胞周期素B1(cyclin B1，CCNB1)在小鼠卵母细胞中的降解，从而拮抗Cdc2活性。因此，Cdc14B在小鼠卵母细胞中对减数分裂起特殊作用，是小鼠卵母细胞减数分裂恢复的负调节因子，调节小鼠卵母细胞的MⅠ的退出，防止在小鼠卵母细胞中过早恢复减数分裂[28]。
5 Cdc14在人类细胞中的定位、分型和生物学作用在人类细胞中首先发现的是2个ScCdc14同源物hCdc14A和hCdc14B，其50%的氨基酸序列相同[29]。人类基因中还编码第3个Cdc14亚型：Cdc14Bretro或Cdc14C，该亚型与Cdc14B起源于同一个逆转录基因，主要在大脑和睾丸中表达，定位于细胞中的微管和内质网上，其生物学功能有待进一步研究[29]。
体外实验[19, 26, 29]表明：hCdc14A在间期定位于中心体，使hCdh1去磷酸化，从而抑制了细胞末期促进复合物(anaphase promoting complex，APC)的活性，进而使CDK1失活；体内实验表明：hCdc14A主要参与中心体复制的调控。此外，hCdc14A在后期位于中心纺锤体，参与了Aurora B激酶的空间调控，Aurora B激酶是染色体分离和胞质分裂的关键调节因子[19, 26, 29]。hCdc14A通过抑制CDK1-Cyclin B1在G2/M转变时的活性，调节细胞有丝分裂的时间，过表达Cdc14A抑制Cdc2激酶的活性从而使细胞阻滞于G2期，下调Cdc14A的表达细胞加速通过G2/M转换期[30]。目前hCdc14A抑制CDK1-CyclinB1在G2/M转变时活性的机制有2种：①Cdc14A与细胞分裂周期蛋白25B(cell division cycle protein 25B, Cdc25B)发生相互作用，使其脱磷，从而抑制Cdc25B的活性。Cdc25B是细胞周期重要的调控因子，在G2期向M期转化中，Cdc25B使CDK1的第15位酪氨酸和第14位苏氨酸发生去磷酸化，激活CDK1-Cyclin B1复合物，启动丝分裂[31]。hCdc14A逆转CDK1-Cyclin B1依赖的Cdc25B的活性，阻止了CDK1-Cyclin B1完全活化[31]。② Wee1和Myt1激酶是CDK1的直接抑制剂，CDK1-Cyclin B1复合物对Wee1和Myt1激酶的磷酸化促进了Wee1激酶的降解和Myt1激酶活性的抑制，从而进一步激活CDK1[32]。hCdc14A可以通过逆转Wee1和(或)Myt1抑制性磷酸化来阻止CDK1在G2/M期的完全激活[31]。
hCdc14B在有丝分裂间期定位于核仁中，其生物学功能主要包括调节有丝分裂的退出、核组织及有丝分裂纺锤体组装、中心粒复制、调节G1期长度以及调节G2期DNA损伤检查点的效率。hCdc14B与hCdc14A不同，其在有丝分裂过程中起重要的调节作用, hCdc14B去磷酸化导致有丝分裂诱导剂Cdc25失活，进而使CDK1在晚期有效失活。过表达的hCdc14B推迟了Cdc25和CDK1主要有丝分裂调节因子的激活，并减缓了进入有丝分裂的速度。基因沉默hCdc14B后，阻止了CDK1-Cyclin B1的及时失活和Cdc25的去磷酸化，导致严重的有丝分裂缺陷，如中期/后期过渡延迟、染色体滞后、多极纺锤体和双核细胞的形成[32]。此外，hCdc14A和hCdc14B有共同的作用，均可以通过不同的分子机制拯救Flp1/Clp1缺陷的裂殖酵母细胞[33]。调节pr-set 7组蛋白甲基转移酶在有丝分裂末期的降解是有丝分裂进程所必需的[34]，同时，上述2种磷酸酶也是有效修复DNA损伤所必需的[9]。
6 小结Cdc14及其同源物的一个共同作用是逆转CDK的活性，但其在不同生物细胞中的生物学功能及其分子机制相差甚远。目前，对出芽酵母和裂殖酵母中Cdc14生物学功能的研究已经比较全面和清楚，而对于多细胞生物中Cdc14同源物的定位、分型以及生物学功能仍需进一步研究。
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