细胞周期调控蛋白在肿瘤放射治疗中的研究进展

周期调控蛋白在肿瘤放射治疗中的研究进展

摘要：细胞周期调控蛋白的异常表达是导致细胞周期调控机制受到破坏的原因

之一,与恶性肿瘤的发生密切相关。现认为，癌症等恶性肿瘤可能是一类细胞周期性疾病。细胞周期蛋白在肿瘤的发生发展中所扮演的角色日益成为人们关注的焦点, 很多相关蛋白和基因经射线照射后会导致细胞周期发生改变。细胞对电离辐射的敏感性，最重要的是DNA修复和电离辐射引发的信号转导机制，导致基因表达、细胞周期进程和细胞凋亡进程的改变。电离辐射能够激活DNA修复，阻止细胞周期进程过大引起细胞凋亡，而这些事件和效应的改变多与辐射敏感蛋白有关。可见，作为信号级联反应节点上的多种辐射敏感蛋白质的表达情况，对电离辐射抑制肿瘤细胞增殖和肿瘤发生发展，具有至关重要的作用。肿瘤对射线的反应称为肿瘤的放射敏感性，是肿瘤放射治疗的核心问题。同一类肿瘤，分化程度越低，增殖能力越强，即肿瘤细胞生长越快对放疗越敏感。处于G2期和M期的细胞对放疗最敏感，Gl期次之，S期不敏感，G0期对放射抗拒。因此，将肿瘤细胞同步化并使其处于一个对放射线敏感的细胞周期可能是一种提高肿瘤放射治疗效果的重要途径。

关键词：细胞周期调控蛋白；肿瘤细胞；辐射

1 引言

近年来，随着肿瘤综合治疗的理论和技术的发展，放疗和手术﹑化疗﹑生物治疗并列为肿瘤治疗的四大手段，70％以上的肿瘤病人在病情的不同阶段需要放射治疗。细胞周期的监控和驱动机制的紊乱是肿瘤细胞失控性生长的根本性原因，放射线对生物体的作用有直接作用和间接作用，肿瘤细胞及其他细胞﹑组织﹑器官等在经过一定剂量的放射线照射后会引起一系列的变化，来达到治疗的效果。尤其是作用于细胞周期效果更为显著，细胞周期是一系列的蛋白及相关酶的调控时期，因此照射后，对周期调控蛋白﹑基因及相关蛋白酶会有一定的影响。细胞周期的紊乱将导致肿瘤性增生。Cyclin是细胞周期活动及真核细胞关卡控制的中心因子之一，其异常原因包括基因突变﹑表达异常﹑自身结构异常稳定性改变以及表达时相紊乱等。Cyclin异常引起细胞周期失控，细胞无限增值，凋亡停止，最终导致细胞恶性转化和肿瘤形成。细胞周期监测点的功能缺陷为肿瘤细胞提供了生长优势，然而，有研究发现，许多抗癌药物或辐射会破坏G2期的检查点，从而导致肿瘤细胞死亡。本文对一些相关调控蛋白在不同肿瘤细胞中经临床辐射照射后的生物学特性变化作了简介，可作为相关实验的参考。

2 肿瘤细胞周期调控蛋白的特点

2.1 周期调控蛋白的生物学特性

细胞周期是细胞生命运行的核心，是一个高度有序﹑环环相扣﹑精密调节的细胞内外信号交互作用过程。细胞周期的程序控制主要是通过各种细胞周期蛋白（cyclins)﹑细胞周期依赖性激酶（cyclin dependent kinades, CDKs）以及细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子（cyclin dependent kinades inhibitors, CDIs）为中心的细胞周期调控来实现的。Cyclin B是一个经典的分裂期周期蛋白，促进G2期向M期转换而加速细胞周期进程。目前为止，哺乳动物细胞中有两种cyclin B被发现，cyclin B1和cyclin B2。CDK属于丝∕苏氨酸激酶家族，是细胞周期引擎，CDK的底物有多种，其中有些就是细胞周期调节蛋白自身，其中最主要是pRB。并非所有的CDK成员都参与细胞调控，在人细胞中，控制G1期的是CDK4∕CDK6和CDK2，它们对一种PRb进行磷酸化，从而释放Rb对E2F的转录抑制作用，启动了一系列进入S期所必需的基因表达，推动细胞进入S期。S期和G2期依赖于CDK2，Cyclin E作为CDK2的一个正向调节亚单位，控制G1→S 期转换，常被视为S期的标记为。有研究显示cyclin E表达失调也涉及细胞基因组不稳定性，与肿瘤发生有关。而M期则主要由CDK1(cdc2)负责。此外，抑癌基因p53﹑rb的产物﹑磷酸酶和遍在蛋白（ubiquitiin)在细胞周期的调控中也起到重要的作用。肿瘤细胞中，CDKIs﹑pRB和p53等细胞周期负调控机制失活也是很常见的。

2.2 电离辐照后癌细胞周期调控蛋白变化的分子机制

细胞周期和放射敏感性有着密切的关系，细胞周期检测点1严格控制细胞周期进程。当放射线照射正常细胞和肿瘤细胞后，其作用的主要靶分子DNA发生损伤，激活细胞周期检测点，引起细胞周期阻滞，并激活DNA损伤修复系统，促进损伤DNA修复。研究证明，在不同的肿瘤细胞中，还存在着不同的CDK的过度表达和基因的重排。CDK4也与肿瘤有密切关系。Cyclin B1在多种肿瘤中表达增高，有研究显示，cyclin B1表达的上调是导致放射抵抗的原因之一。P27属于CDKI中CIP／KIP家族成员之一，主要作用机制是与CDK或cyclin／CDK 复合物亚单位的结合，使CAK(cyclin H／CDK7)不能与CDK直接发生作用，从而阻断了CAK诱导CDK2的Thr160磷酸化过程，使CDK处于非活性状态，具有阻滞细胞通过G1／S期转化的重要作用，从而抑制细胞的的增殖，使细胞有机会修复损伤的DNA或DNA复制中产生的错误。早期的研究显示，放射线照射后会导致DNA溶液黏度下降，而这主要是由DNA链的断裂所致，DNA的断裂主要有两种形式，即单链断裂（single-strand breaks, SSB)和双链断裂（double stand breaks, DSB).

细胞周期检测点激酶MDC1和53BP1在细胞周期调控方面发挥着重要的作用，它们对体细胞的正常生长没有明显的调节作用，但在DNA损伤修复的信号传导过程中作用非常重要，在DN A损伤发生后激酶立即被激活，并通过激活下游调节通路，主要调节S期和/或G2/M期检测点。电离辐射、化疗药物及细胞代谢产物在内的多种外源和内源性因素都能引起不同形式的DNA损伤,其中DNA 双链断裂(DNA double- strand break,DSB)为最严重的损伤形式。DNA损伤后,细胞会启动相应的修复通路对其进行修复。在高等真核生物中,DSB主要激活同源重组修复(Homologous recombination repair,HR)和非同源末端连接(Non-homologous end joining,NHEJ)两条修复通路。如果修复过程中一些重要蛋白分子功能的缺失或是外源性因素导致修复过程受阻,使DNA损伤得不到修复

或不完全修复,导致基因组的不稳定,最终引起细胞的突变、癌变甚至是死亡。所以修复通路的研究对肿瘤的发生及治疗有着重要的意义。

3 周期调控蛋白在肿瘤放射治疗中的研究概况

CDK进化上高度保守，在细胞周期中的表达量相对稳定，以非活性的形式存在，与特定cyclin结合后，其构象发生变化。CDK通过发生一系列磷酸化和去磷酸化激活，从而影响细胞周期的进程。周期蛋白经辐射后会引起其结构和功能的改变。p53蛋白的主要功能是维护细胞基因组的稳定，在参与细胞周期调控，诱导细胞凋亡的过程中发挥着关键性的作用。p53蛋白能够整合和传递由电离辐射引起的多种信号，激活电离辐射应答途径。p53半衰期延长与细胞周期阻滞有关。CHK2还可以通过阻滞CDKl活性导致G2期阻滞。

有研究显示，细胞经重复照射后，能够诱导cyclin D1, p18, p21, p274种蛋白表达上调，cyclin B1和Bcl-2表达下调。因此，似乎细胞周期蛋白不像是发生了对光照射的适应性。这可能是由于经重复UV照射后，产生了DNA损伤，DN A修复系统被激活，与此同时主要的细胞周期调控蛋白p53的表达却没有改变。细胞经低剂量辐射后抑制了p27表达，解除了其对cdk2的抑制，促进细胞周期进展至G1期而进行DAN修复。有人对肺癌当中Cyclin G1研究发现，Cyclin G1含量丰富的肺癌细胞放疗后死亡率增加，这提示Cyclin G1增加放疗中DNA破坏的敏感性。研究表明，Cyclin B1能调节γ-辐射的诱导凋亡，Cyclin B1积累在细胞核中，对γ-辐射诱导的变化敏感，同时当细胞受到辐射诱导凋亡时，可以在其中检测到Cyclin B1的丰度明显升高。研究显示，CyclinD1和Ki-67在喉鳞状细胞癌组织中的表达呈明显的正相关,两者联合检测对喉鳞状细胞癌患者术后辅助治疗及预后判断有一定的指导意义。

对ATM基因的研究报道，ATM缺失细胞株具有染色体不稳定、对电离辐射敏感、细胞周期阻滞缺陷等特征。ATM还可以通过磷酸化BRCAl并调节p21及Gadd45a蛋白的表达而调控细胞G2／M期监测点.ATM蛋白激酶的活性改变引起DNA修复进程的中断是导致放射高敏感性的重要原因，还有bcl-2家族RB基因,DNA损伤关卡蛋白ATR在抑制细胞周期进程和防止形成双链断裂中的作用等。

4 周期调控蛋白在肿瘤放射治疗中的研究方法

目前，许多新型的癌症治疗方法开始逐步走上临床，如基因治疗和免疫治疗，而这些方法的靶点主要是集中在细胞周期调控蛋白上。放疗主要是以质子和重离子放射为主，质子属低LET射线，对细胞DNA的损害绝大部分是DNA的单链断裂，因此存在亚致死放射损伤和潜在放射损伤的修复，重离子射线中的一部分既具有质子射线的物理学特征，又具有比质子更强的杀灭抵抗放射肿瘤细胞的能力。对P21和Bax／Bcl-2蛋白在辐射后腺癌细胞的表达，发现与Ｘ射线辐射相比，经C离子束辐射后肺癌细胞P21蛋白的表达量显著增加，而Bax蛋白表达量显著减少，说明C离子束诱导细胞使其增加敏感性。

在经过各种射线辐射后肿瘤细胞周期阻滞在G2／M期，使细胞死亡以期达到治疗效果，在肿瘤细胞中辅助以增加辐射敏感性因素，如乏氧细胞的再氧合﹑加入ATM基因等，使肿瘤细胞对辐射更为突出，导致细胞周期再分布或是启动其它调控途径，已达到预期效果。

有研究已提出新的治疗方法，如肿瘤的基因-放射治疗(genetic radiotherapy）是将具有肿瘤治疗和辐射诱导特性的共同基因导入体内,在对肿瘤进行局部放疗的同时诱导肿瘤治疗基因的表达,使基因和射线对肿瘤的双重杀伤作用。

5 展望

细胞周期受到多种周期调控蛋白的调控，随着科学研究的进展，越来越多的调控蛋白被发现认识。而放射生物学的发展，为肿瘤放疗提供了有力的平台，开展针对细胞周期调控蛋白的抗癌研究颇具广阔的前景。特别是对细胞周期调控蛋白的负性调节作用，为开展癌症治疗的研究提供了一定的理论依据。

由于CDK是细胞周期的引擎，它在肿瘤细胞有表达升高倾向，因此将CDK 作为肿瘤治疗的靶点是肿瘤治疗研究的重点方向。肿瘤组织的放射抵抗是肿瘤放射治疗失败的原因之一,因此寻找有效的、专一针对肿瘤组织的放射增敏办法对提高肿瘤组织的放疗敏感性,降低肿瘤组织的放疗抵抗,减低周围正常组织的放疗毒副作用具有重要意义，可为提高癌的放射治疗效果提供新的思路和途径