Polo樣蛋白激酶1參與有絲分裂調(diào)控的研究進展

赫　瑋(綜述)，高豐厚(審校)

(上海交通大學醫(yī)學院附屬第三人民醫(yī)院腫瘤研究室，上海 201999)

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Polo樣蛋白激酶1參與有絲分裂調(diào)控的研究進展

赫瑋△(綜述)，高豐厚※(審校)

(上海交通大學醫(yī)學院附屬第三人民醫(yī)院腫瘤研究室，上海 201999)

摘要：作為細胞周期的關鍵環(huán)節(jié)，有絲分裂過程受到嚴格而精細的調(diào)控，隨著對有絲分裂調(diào)控的探討與拓展，也逐漸加深了人們對生命本質(zhì)的理解。研究發(fā)現(xiàn)Polo 樣蛋白激酶1 (PLK1)參與細胞有絲分裂調(diào)控的各環(huán)節(jié)，該文擬歸納總結Plk1在有絲分裂中諸如CDK1-Cyclin B復合物的激活、紡錘體形成、染色體分離和胞質(zhì)分裂這些過程中的研究進展，并描繪PLK-1在有絲分裂調(diào)控中的作用與意義，為進一步深入探討PLK-1與有絲分裂調(diào)控指出可能的發(fā)展方向。

關鍵詞:Polo 樣蛋白激酶1;有絲分裂;有絲分裂調(diào)控

真核生物在生長過程中保持生物學形狀的穩(wěn)定性與細胞染色體正確分離密切相關，染色體的分離主要發(fā)生在細胞周期中有絲分裂期，該期的整個過程有序進行依賴于細胞擁有復雜而精細的調(diào)控程序。對參與細胞有絲分裂的每個分子在整個有絲分裂過程中的作用與機制的了解，有助于深入理解生命的現(xiàn)象與本質(zhì)。研究發(fā)現(xiàn)，Polo樣激酶(polo-like kinases，PLKs) 在細胞G1期幾乎不能探及，在S期開始積蓄，于G2末期達到峰值，M 期維持高水平,分裂完成后急劇下降[1]，提示PLK1在G2末期至M 期可能發(fā)揮一定作用。另一方面，在許多真核細胞中PLK1表達下降會引起細胞無法精確及時地進入有絲分裂[2]，紡錘體形成阻滯[3]，染色體分離異常，最終導致胞質(zhì)分裂失敗[4-5]。這些研究說明PLK-1參與有絲分裂各個時相的調(diào)控。

1PLK1的生化特性

1994年Golsteyn等[6]報道Plk1定位于16p12.3，信使RNA長約2.3 kb，編碼的蛋白質(zhì)相對分子質(zhì)量約66 000，其氨基酸序列與果蠅polo和酵母CDC5等基因所表達的蛋白具有較大的同源性。PLK1的N端有一個高度保守的催化區(qū)域，C端有2個可調(diào)節(jié)PLKs活性及亞細胞動態(tài)定位的特征性結構域polo盒(polo-box domain,PBD)。PLK1 N端的激酶結構域晶體結構顯示[7]，其N端的Ser/Thr 激酶結構域中含有1個T環(huán)結構，T環(huán)中的T210可被磷酸化，且只有T210磷酸化的PLK1才具有激酶活性。一般情況下，PLK1 C端PBD與N端Ser/Thr激酶結構域結合，抑制激酶結構域中的T210被磷酸化，從而抑制其活性。當PBD結構域與其配體結合后，PBD與Ser/Thr激酶結構域分離，T210被磷酸化使PLK1被激活[8]。如果將PLK1 210位蘇氨酸突變?yōu)樘於彼?，可模擬其磷酸化狀態(tài)，在HeLa細胞中過表達T210D的突變體PLK1，可明顯增加G2/M期細胞比例[9]。

2PLK1參與細胞周期蛋白依賴性激酶1-細胞周期蛋白B復合物的調(diào)節(jié)

在G2/M期轉換過程中，推動細胞由G2末期進入M期主要直接動力來自于成熟促進因子，即細胞周期蛋白依賴性激酶1-細胞周期蛋白B(cyclin dependent kinase 1-cyclin B，CDK1-cyclin B)復合物。CDK1-cyclin B復合物是在真核細胞中普遍存在的一種活性復合物，其活性隨細胞周期發(fā)生變化，在G2期的晚期開始出現(xiàn)活性，在M期活性最強，該復合物活化后可啟動一系列有絲分裂事件，且其作用貫穿于有絲分裂始終。在G2末期時，PLK1與CDK1-cyclin B復合物同時聚集于中心體，CDK1-cyclin B復合物可以被PLK1磷酸化而活化[10-11]。有絲分裂前，CDK1的Thr14和Tyr15被Wee1激酶磷酸化,使成熟促進因子以無活性的前成熟促進因子形式存在。細胞進入分裂期時，PLK1通過磷酸化Weel的53位和123位絲氨酸，使Weel產(chǎn)生phoshodegron信號并被β-TrCP-SCF識別而降解[12]，CDK1的Thr14和Tyr15隨之去磷酸化，誘導CDK1向細胞核遷移并激活CDK1使一小部分CDK1-cyclin B復合物先被激活。PLK1和已被激活的CDK1-cyclin B復合物使磷酸酶CDC25磷酸化，催化CDC25定位于細胞核并在核中積累[13]，活化的CDC25促使更多CDK1的Thr14和Tyr15去磷酸化以激活CDK1，形成一個CDK1的自催化激活過程，從而激活更多的CDK1-cyclin B復合物。PLK1除通過磷酸化Weel激酶誘導CDK1向細胞核遷移外，還可直接磷酸化cyclin B核輸出信號NES區(qū)域外的Ser133，進一步促使CDK1-cyclin B復合物向核內(nèi)轉移[14]并激活之，推進有絲分裂進程。研究發(fā)現(xiàn)，在多種生物體內(nèi)干擾PLK1的功能通常導致有絲分裂的滯后及異常而非G2期阻滯，表明CDK1-cyclin B復合物的功能可以在無或有很少PLK1活性的情況下發(fā)生。因此推斷，PLK1可以調(diào)控有絲分裂進入的速率但卻不是執(zhí)行有絲分裂所必需的。

3PLK1促進紡錘體形成

紡錘體是真核細胞有絲分裂或減數(shù)分裂過程中形成的中間寬兩端窄的紡錘狀結構，由兩端中心體及大量縱向排列的微管構成。在有絲分裂中，紡錘體與間期染色體排列及胞質(zhì)分裂有關，紡錘體的完整性決定了有絲分裂在時間和空間上的準確性。當細胞進入G2/M期，PLK1活性增加并磷酸化與形成微管組織中心有關的中心體蛋白(ninein-like protein，Nlp)，使Nlp脫離與微管及中心體的相互作用而從中心體上移位[15]。一方面這種磷酸化破壞了Nlp與微管及中心體相互作用的能力，促使Nlp脫離與微管組織中心的相互作用，促進中心體上的微管成核，從而有利于紡錘體重新裝配[15]；另一方面，PLK1對Nlp的磷酸化有助于招募g-微管蛋白環(huán)形復合物結合蛋白到中心體，隨后促使Nlp與g-微管蛋白環(huán)形復合物分離，加速微管組織中心消失，進而形成紡錘絲。同時，PLK1對微管穩(wěn)定蛋白的磷酸化作用可以削弱后者穩(wěn)定微管的能力，這種削弱反而增加了有絲分裂所需的微管的動態(tài)過程，微管在動力蛋白的作用下相互滑動，產(chǎn)生了姐妹染色單體向兩極分離時所需的拉力。Lane等[16]研究發(fā)現(xiàn)，通過在HeLa 細胞內(nèi)注射抗PLK1的抗體降低PLK1的活性，細胞的中心體明顯變小且微管蛋白量減少；同時，PLK1活性降低可導致能特異性地識別M期磷酸化蛋白質(zhì)的有絲分裂磷酸化蛋白單克隆抗體2的免疫反應性顯著降低，最終導致有絲分裂滯后。

4PLK1參與調(diào)控染色體分離

在有絲分裂中期，所有染色體排列到赤道面上，姐妹染色單體被動粒微管拉向兩極，最終實現(xiàn)染色體的平均分配，染色體精確分離對生物體的發(fā)育及物種繁殖具有十分重要的意義。細胞周期后期促進復合物(anaphase promoting complex，cyclosome，APC/C) 是有絲分裂期重要的泛素連接酶[17]，其主要任務是調(diào)控連接同源染色體之間的粘連蛋白cohesion的降解。當細胞進入M 期的中期時，APC/C誘導緊固蛋白securin 泛素化并使之降解，而M期中期之前緊固蛋白securin通常與蛋白酶separase結合并抑制separase活性。Securin降解后促使separase被活化，活化后的separase通過剪切cohesin 破壞姐妹染色單體之間的聯(lián)結使姐妹染色單體被拉向兩極，最終導致染色體分離。為保證親代與子代細胞間基因的穩(wěn)定性，APC/C的活性受到諸多因素的調(diào)控。PLK1能磷酸化APC/C中的早期有絲分裂抑制因子(early mitoticinhibitor 1,Emi1)且導致Emi1降解，Emi1對APC/C的抑制作用被解除，從而激活APC/C[18]?；罨腁PC/C通過securin途徑使cohesin 降解，從而促進姐妹染色單體正常分離、分配[19]。反之，如果PLK1失活則APC/C活性被抑制且抑制cohesin的降解。但這不會阻止染色體的壓縮，凝集的染色體上仍聚集著大量cohesin，導致后期染色單體的分離受到威脅[20]。如果人為下調(diào)HeLa細胞中PLK1的表達，可觀察到大約有45%的細胞核出現(xiàn)了異常的啞鈴狀結構，另有15%的細胞雖然完成了染色體分離但卻無法進行正常的胞質(zhì)分裂[21]。Sumara等[4]研究發(fā)現(xiàn)，如果在蟾蜍提取物中去除PoLo 蛋白，則黏附素在染色體上高度聚集,以致姐妹染色單體無法正常分離，證實了PoLo蛋白在染色體分離中的重要作用。

5PLK1參與調(diào)控胞質(zhì)分裂

有絲分裂后期，動物細胞通過已分離的染色體之間的分裂溝內(nèi)陷實現(xiàn)胞質(zhì)的分裂，胞質(zhì)分裂后在膜融合的基礎上產(chǎn)生了2個獨立的子細胞。分裂后期，中心紡錘體復合體組分之一HsCyk-4與鳥嘌呤核苷酸交換因子2 (epithelial cell transforming sequence 2，Ect2 )相互作用并形成復合物，該復合物能在赤道板附近的紡錘體微管上激活GTP酶RhoA，參與在對應的胞膜處形成縊縮環(huán)[22]，進而啟動胞質(zhì)分裂。Glover等[23]在酵母的polo基因顯性突變體中發(fā)現(xiàn)，如果polo基因表達降低不僅會抑制紡錘體的形成，而且會導致在有絲分裂后期無法形成縊縮環(huán)及分裂溝，從而阻止了新的細胞膜生成。近年來，有人提出了PLK1不僅能促進紡錘體極體的成熟，而且還能間接激活GTP 酶RhoA參與胞質(zhì)分裂的調(diào)控[24]。有絲分裂中后期,PLK1通過錨著蛋白PRC1(protein regulating cytokinesis 1)被招募到紡錘體，PLK1可以磷酸化HsCyk-4的N端，由此創(chuàng)造一個供Ect2識別的磷酸肽序列，誘導HsCyk-4/Ect2復合物的形成[25]，以此激活RhoA并形成縊縮環(huán)。相反，當PLK1活性被抑制，使得HsCyk-4無法被磷酸化，以致Ect2不能被招募到中心紡錘體，引起RhoA功能抑制，縊縮環(huán)無法形成，最終導致胞質(zhì)分裂異常[5]。

6結語

PLK1作為廣泛存在于真核生物中的絲/蘇氨酸蛋白激酶，可促進細胞有絲分裂，其不僅參與調(diào)節(jié)有絲分裂的啟動、紡錘體的形成，而且在染色體分離、胞質(zhì)分裂中也有重要作用。目前的已有的文獻數(shù)據(jù)雖能說明PLK1廣泛參與了有絲分裂的各階段，也一定程度上描繪出PLK1在有絲分裂各階段中與重要分子相互作用影響有絲分裂的進程。但是，關于在動物的整體水平上PLK1異常表達或過度活化，甚至缺失的情況下可能產(chǎn)生的與有絲分裂相關的效應有待進一步去探索；另外，在人類中與細胞分裂相關的疾病中，PLK1是否參與也值得確定。更為重要的是，PLK1在有絲分裂前后其自身的活化與失活有必要深入研究，只有這個問題得到準確回答，才能通過相應的手段去干預PLK1，以便達到通過PLK-1對有絲分裂的定向調(diào)控。

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《醫(yī)學綜述》榮獲“RCCSE中國核心學術期刊(A-)”

在第四屆《中國學術期刊評價研究報告 (武大版)(2015-2016) 》中，《醫(yī)學綜述》被評為“RCCSE中國核心學術期刊(A-)”。

Research Progress of the Involvement of Polo-like Kinase-1 in Mitotic RegulationHEWei，GAOFeng-hou.(DepartmentofOncology,ShanghaiThirdPeople′sHospital,SchoolofMedicine,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai201999,China)

Abstract:As a crucial part of the cell cycle,the precise regulation of mitosis is precisely and strictly regulated,and along with the exploration in the regulation of mitosis,the understanding of life has deepened gradually as well.Polo-like kinase 1(PIK1) is involved in different processes of mitosis,and here is to summarize the functions,such as the activation of CDK1-Cyclin B complex,formation of spindle,segregation of chromosome and cytokinesis,and depict PLK-1′s significance for mitosis and put forward the possible directions of further studies.

Key words:Polo-like kinase 1; Mitosis; Regulation of mitosis

收稿日期：2015-01-29修回日期：2015-05-11編輯:薛惠文

基金項目：上海交通大學醫(yī)學院附屬第三人民醫(yī)院自然科學研究基金(SYZ2013-008)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.20.005

中圖分類號：R73; Q78

文獻標識碼:A

文章編號：1006-2084(2015)20-3659-03