2001年诺贝尔生理学和医学奖

细胞周期调控

一、背景介绍

2001年诺贝尔生理学医学奖授予美国西雅图弗瑞德?哈钦森癌症研究中心的Leia nd H Hartwell、英国伦敦皇家癌症研究基金会的Sir Paul M. Nurse和R. Timothy Hunt，以表彰获奖

者们在细胞周期调控方面的卓越发现和贡献。

Leland H.Hartwell（1939年生）在上世纪60年代末便认识到用遗传学方法研究细胞周期的可能性。他采用啤酒酵母细胞建立系统模型，经过一系列试验，分离出细胞周期基因发生突

变的酵母细胞。Hartwell和其他科学家相继发现了100多种与细胞周期调控相关的CDC基因族。其中，Hartwell发现的CDC28调控细胞周期G1期进程的第一步，故又称为“start”基因。另外，Hartwell在研究酵母细胞对辐射的敏感性基础上，提出了著名的“checkpoint ”概念，即当DNA受损时，细胞周期会停止。这一现象的生理意义在于，在细胞进入下一个细胞周期之前能有足够的时间进行DNA修复。后来，Hartwell将“ checkpoint ”的概念扩展

到调控并保障细胞周期各期之间的正确顺序。

Sir Paul M.Nurse（1949年生）继Hartwell之后在70年代中期采用非渊粟酒裂殖酵母细胞为模型，发现了cdc2基因在细胞分裂（从G2期到有丝分裂期）调控方面起重要作用。后来，他发现cdc2与Hartwell在啤酒酵母中发现的“ start”基因相同，还可调控从G1期到S期的转变。因此，cdc2基因可调控细胞周期的不同阶段。

1987年，Nurse分离出人类的相应基因——CDK1。Nurse发现CDK的活性依赖可逆性的

磷酸化反应。基于这些理论，又有一些人类的CDK分子相继被发现。R. Timothy Hunt（1943年生）在80年代早期发现了第一个周期蛋白分子。周期蛋白是一种在细胞周期中周期性产生

和降解的蛋白质。周期蛋白与CDK分子结合，调节CDK的活性。Hunt首先发现，在海胆细

胞中周期蛋白在细胞周期中会发生周期性的降解，这是调控细胞周期的重要机制。Hu nt在其他物种中也发现了周期蛋白，这些周期蛋白在进化过程中高度保守。

3位诺贝尔奖获得者创建了细胞周期调控的分子机制。CDK分子的含量在细胞周期中是

恒定的，但是它的活性却因周期蛋白的调控作用而不同。周期蛋白和CDK分子共同驱动细

胞周期从一期到另一期的转变。

二、细胞周期简介

细胞周期又称细胞分裂周期，是指细胞从一次分裂结束到下一次分裂结束所经历的全过程。分为G1期、S期、G2期和M期。其中，从有丝分裂完成到DNA复制前的间歇时间称为G1期，是细胞生长和DNA合成准备时期。当细胞进入G1期后，细胞开始合成生长所需

的RNA、蛋白质、糖类、脂质等，同时其体积在此期逐渐增大。DNA复制的时期为S期，DNA的含量在此期增加一倍。而从DNA复制完成到有丝分裂开始的这段间歇称为G2期，

此时细胞合成大量蛋白质，为有丝分裂做准备。M期则为细胞分裂期，细胞在此期分裂为两个子细胞，完成增殖。因此，在一个细胞周期中，细胞要经历细胞生长、DNA复制、分

裂形成两个细胞并将染色体平均分配到两个子细胞的全过程。这个过程不仅仅是物质积累的

过程，还是细胞装备、修饰、形成具有功能状态的结构的过程。为了确保细胞周期有条不紊地进行，该过程受一系列细胞内外复杂因素的严格、精确调控，这对所有真核细胞生物而言

至关重要。后续的实验又进一步证明了在动植物细胞中细胞周期存在的普遍性，从而为细胞

增殖的研究开创了新的方向。因此，细胞周期的揭示成为20世纪50年代细胞生物学研究的

重大发现之一。

三、细胞周期的分子机制

（一）细胞周期的调控机制

在多细胞真核生物中，参与细胞周期调控的核心蛋白分子主要分为3大类，分别Cdk、Cyclin及“细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子”（Cdk inhibitor，CKI＞其中，Cdk是细胞周期

调节的中心环节，Cyclin是Cdk的正调节因子，CKI是Cdk的抑制因子。

作为“细胞周期发动机” ，Cdk在细胞周期的调节中起关键作用。各种Cdk在细胞周期

的各个特定时间被激活，通过磷酸化底物，驱使细胞完成细胞周期。这就是细胞周期的驱动

机制。如在关键的G1期的启动中，Cdk起着核心的作用。当细胞受到生长因子的刺激，从GO期进入早

G1期，并在Cdk-Cyclin复合物作用下，通过R点，生成有活性的E2F, E2F作为转录激活因子促进DNA复制相关基因的表达，使细胞进入S期。

在整个细胞周期过程中，细胞内各种Cdk的含量是恒定的，即活化的Cdk与非活化的Cdk的总量不变，改变的只是它们之间的比例。这个比例的改变主要受三方面的调节：首先，Cdk只有通过与特定的Cyclin形成二聚复合物才能发挥作用。目前，在高等真核细胞中Cyclin

主要包括8个成员（A?H）,它们在细胞周期的不同时相，结合不同的Cdk发挥不同的作用。

根据Cyclin发挥作用时相的不同，通常将其分为四类：G1 —Cyclin、G1/S- Cyclin、S-Cyclin 和M —Cyclin。

在结构上，所有的Cyclin分子均有一个相对保守区域，称为细胞周期蛋白盒，其主要功能是与Cdk结合而改变Cdk的蛋白质构象，激活Cdk的蛋白激酶活性，具有激酶活性的Cdk 使周期蛋白特定的氨基酸残基磷酸化，使后者的三维构象发生变化，从而引起一系列的链式

反应，调控细胞周期进程。

其次，除必须与相应的Cyclin结合外，Cdk的激活还需要在其保守的苏氨酸和酪氨酸残

基上发生磷酸化。这个磷酸化是由Cdk激活激酶完成的。CAK可以磷酸化Cdk1的Thr-161

位点，使其活化，改变Cdk的分子构象，促进Cdk与Cyclin结合。Weel基因可通过对Cdk1 的Tyr 一15和/或Thr 一14位点磷酸化，抑制Cdk1的活性；而Cdc25基因的产物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。同时，

Cdc25本身亦是活化的Cyclin—Cdk复合物的磷酸化靶底物。磷酸化后的Cdc25的磷酸酯酶

活性更强，故Cdc25与Cyclin—Cdk复合物之间形成一个正反馈环，快速促使Cyclin— Cdk复

合物活性达到生理性高峰。

最后，Cdk的活性可被Cdk抑制蛋白(CKI)抑制。CKI通过直接结合Cdk,或与Cdk—Cyclin

复合体作用，抑制Cdk的作用，调节细胞周期。目前将CKl分为两大家族，第一大家族是具

有广泛抑制Cdk作用的“Cdk抑制蛋白/激酶抑制蛋白” 家族，包括P21cip1、P27kip1、P57kip2 等，能抑制大多数Cdk的激酶活性，P21cip1还能与DNA聚合酶曲勺辅助因子PCNA结合，直接抑制DNA的合成。第二大家族为具有特异性抑制作用的“Cdk 4抑制因子”家族，包括

P16ink4a、P15ink4b、P18ink4c、P19ink4d，特异性抑制Cdk4 一Cy—clin D1、Cdk6. Cyclin D1 复合物而抑制其对pRb的磷酸化作用，使游离的E2F与未磷酸化的pRb结合，从而使依赖

于E2F转录的基因不能转录，因此间接地抑制包括DNA合成在内的多种生化反应，抑制细

胞周期进展。

因此，正常的细胞周期需要Cdk的正调节因子Cyclin与负调节因子CKI的精确协同与平衡，一旦这种平衡失稳就会造成细胞的失控性增殖，发生癌变。

(二) 细胞周期的监测机制一一监测点机制

20世纪80年代末，Hartwell为细胞周期调控机制的阐明做出了另一个重大的贡献。他研究了酵母细胞对放射性的敏感程度，在此基础上提出了“检测点(checkpo int)”的概念。

他认为细胞周期是高度有组织和精确的时序调控过程，它严格地沿着G1 一S—G2 一M的顺序循环运转，为保证这一过程的正常进行，细胞形成一套检验细胞周期中DNA合成和染

色体分配的机制，即“细胞周期检测点”。这些监测机制可以检测到DNA结构的受损或复制

不全，还能检测到细胞分裂过程中所需的蛋白复合物的缺失。

到目前为止，科学家将所发现的细胞周期检测点分为三种，第一种即是DNA损伤检测点，它包括两个关键性检测点：G1/S转换点和G2/M转换点。G1/S转换点在酵母中称

start点，在哺乳动物中称R点(restriction point)，控制细胞由静止状态的G1期进入DNA合成期；G2/M 转换点则是决定细胞一分为二的控制点，它保证DNA复制的完整。第二种检

测点是DNA复制检测点，其在S期中负责DNA复制的进度。第三种为纺锤体组装检测点，其在分裂期起作用，检测纺锤体有无组装、染色体是否正确排列并与纺锤体连接，以及染色

体是否正确分配等。这些检测机制保证了DNA在分子水平上的精确复制及在细胞水平上的

精确分离。

检测点对细胞周期进程进行严格的监督，使DNA复制和有丝分裂准确无误地进行，保

证遗传的稳定性。它们的缺失将导致细胞在没有正确完成前一时相就进入下一时相，细胞将

出现严重的遗传性损伤甚至癌变，最终导致机体死亡。

四、影响与意义

Leland H. Hartwell、R Timothy Hunt和Paul M . Nurse三位科学家的重大贡献促进了人们对细胞周期调控分子机制的了解，使人们可以借助对有丝分裂细胞周期的分子调控机制，去了解减数分裂、细胞分化等过程的分子机制，并为细胞生长、组织器官发育、肿瘤发生机制等多个科学领域的研究奠定了坚实的基础。这其中受益最多的，应该是肿瘤领域的研究。

目前研究表明，肿瘤的发生是因为细胞的生长和增殖失去了控制。细胞的生长或增殖的

失控与细胞基因尤其是原癌基因的异常和/或抑癌基因的失活有很大关系。由于基因的异常

导致细胞的周期调控紊乱，而导致染色体的缺失、重排或不平均的分配到子细胞，最终引起

细胞的增殖失控及癌变。因此，细胞周期调控因子的发现在癌症的预防、诊断及治疗方面具

有深远的实践意义。

但到目前为止，真核细胞的细胞周期的分子调控机制仍未被完整地阐明，在今后的10到20年中，科学家们将更加关注于一些更为细节的问题。它的完全阐明将有望为肿瘤的治疗提供一个新的途径。此外，人们对细胞周期的不同步骤之间是如何联系的，以及高等真核

细胞与酵母细胞的周期调控机制之间的区别等问题仍存有不少疑问。这些问题都需要人们进

一步去实践，去探索。我们期待在不久的将来，细胞周期的调控机制能被人们完整地揭示、理解，以期更深刻地认识生命活动的本质，更好地探索胚胎有序发育、成熟、组织再生与衰

老、机体健康与疾病、肿瘤的发生发展，并为肿瘤的治疗提供新的思路。