細(xì)胞分裂周期蛋白Cdc14A功能的研究進(jìn)展

蘇日古嘎, 孟 峻

(1.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)研究生學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010059；2.內(nèi)蒙古醫(yī)科大學(xué)附屬醫(yī)院檢驗科，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010050)

細(xì)胞周期包含了細(xì)胞生長、增殖及發(fā)育，對某種細(xì)胞的細(xì)胞周期進(jìn)行研究就可以揭示出這種細(xì)胞的生長、增殖和發(fā)育過程。細(xì)胞周期包含4個時期，即DNA合成前期(G1期)、DNA合成期(S期)、DNA合成后期(G2期)和分裂期(M期)。細(xì)胞分裂周期14A(cell division cycle 14A，Cdc14A)蛋白磷酸酶作為重要的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白，可通過作用于減數(shù)分裂、胞質(zhì)分裂和有絲分裂等多個環(huán)節(jié)來調(diào)控細(xì)胞周期。Cdc14A相關(guān)研究成果可應(yīng)用于增加動物繁殖、人工輔助生殖及腫瘤治療等領(lǐng)域。目前我國尚無Cdc14A相關(guān)綜述報道。本文作者圍繞Cdc14A的功能及其在細(xì)胞分裂進(jìn)程中發(fā)揮的生物學(xué)作用等方面進(jìn)行綜述。

1 Cdc14A概述

Cdc14A磷酸酶是Hartwell在篩查調(diào)控出芽酵母細(xì)胞周期基因時發(fā)現(xiàn)并命名的蛋白磷酸酶，是一種高度保守的絲/蘇氨酸雙特異性磷酸酶家族，所有Cdc14磷酸酶都具有約350個氨基酸的高度保守的N末端核心。通過對Cdc14核心結(jié)構(gòu)域的晶體結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：Cdc14含有調(diào)節(jié)底物特異性的A結(jié)構(gòu)域和PTP模序的催化B結(jié)構(gòu)域。脊椎動物Cdc14B亞型具有從N末端延伸的獨特的KKIR序列，負(fù)責(zé)將相關(guān)蛋白分子運輸至核仁。相關(guān)研究[1]結(jié)果表明：蛋白質(zhì)C末端部分對于Cdc14亞細(xì)胞定位尤為重要，Cdc14磷酸酶C末端的長度和序列的保守性是可變的。該Cdc14的C末端區(qū)域含有核輸出序列(NES)，在酵母同源物中也存在核定位序列(NLS)，通過核絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶DBF2(DBF2)相關(guān)的磷酸化(NDR)激活在有絲分裂退出網(wǎng)絡(luò)(MEN)和間隔起始網(wǎng)絡(luò)(SIN)途徑中的激酶。Cdc14蛋白磷酸酶作為重要的細(xì)胞周期調(diào)節(jié)蛋白，在減數(shù)分裂期間可降低細(xì)胞周期蛋白依賴性激酶1(CDK1)活性并具有逆轉(zhuǎn)CDK1的作用，因此CDC14參與調(diào)控細(xì)胞周期的多個環(huán)節(jié)。從酵母到人類，在真核生物G2期阻滯中發(fā)揮穩(wěn)定的保守性作用。Cdc14在G2/M期轉(zhuǎn)換時能下調(diào)CDK1的活性，其功能涉及有絲分裂后期的調(diào)控及退出有絲分裂和胞質(zhì)分裂[2-3]。根據(jù)已有的對酵母及人骨肉瘤細(xì)胞研究顯示：Cdc14是一個重要的細(xì)胞周期進(jìn)程調(diào)控因子，其表達(dá)的缺失不僅會抑制DNA，還會導(dǎo)致細(xì)胞分裂受阻。人類基因組編碼2個hCdc14，包括hCdc14A和hCdc14B。hCdc14A在間期定位于中心體，而hCdc14B卻定位于核仁，二者在分裂期都定位于整個細(xì)胞。過表達(dá)hCdc14A導(dǎo)致S期中心粒提前分離、畸形和多極紡錘體,下調(diào)hCdc14A的表達(dá)導(dǎo)致有絲分裂多種缺陷，包括胞質(zhì)不分裂等[4-5]。

2 Cdc14的生物學(xué)作用

2.1 Cdc14A在減數(shù)分裂中的作用

2.1.1 Cdc14A在芽殖酵母中的作用 Cdc14A主要通過調(diào)節(jié)卵母細(xì)胞的成熟以促進(jìn)第一次減數(shù)分裂前期至第二次減數(shù)分裂中期的轉(zhuǎn)換。Cdc14A存在于無性卵母細(xì)胞的生發(fā)囊泡中，并且分散于具有減數(shù)分裂能力的卵母細(xì)胞中，因此Cdc14A的定位和獲得減數(shù)分裂能力相關(guān)聯(lián)。Cdc14同源物clp1/flp1可以促進(jìn)收縮環(huán)的穩(wěn)定，說明clp1/flp1對于胞質(zhì)分裂極為重要。這種促進(jìn)胞質(zhì)分裂的作用在多細(xì)胞生物體中保留，如在秀麗隱桿線蟲和人組織體細(xì)胞中。

研究[9]表明：在減數(shù)分裂中Cdc14與主軸極體(SPB)相結(jié)合，其相結(jié)合的定位對于允許重復(fù)循環(huán)非常重要，Cdc14退出減數(shù)分裂Ⅰ的主要作用是重新允許SPB復(fù)制；相反，過早激活Cdc14可以阻止SPB分離。另外，Cdc14由減數(shù)分裂Ⅰ向減數(shù)分裂Ⅱ轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵作用是逆轉(zhuǎn)關(guān)鍵磷酸化過程以實現(xiàn)SPB重復(fù)復(fù)制。減數(shù)分裂Ⅰ和減數(shù)分裂Ⅱ的2個循環(huán)連續(xù)發(fā)生時沒有干預(yù)DNA復(fù)制。這與有絲分裂細(xì)胞周期形成對比，其中DNA復(fù)制和染色體分離交替產(chǎn)生同倍體。在有絲分裂結(jié)束時，細(xì)胞CDK被滅活。在G1晚期，這種低CDK狀態(tài)允許DNA復(fù)制和中心體/SPB復(fù)制等關(guān)鍵活動的準(zhǔn)備。其關(guān)鍵在于減數(shù)分裂Ⅰ和減數(shù)分裂Ⅱ之間，中心體/SPB復(fù)制必須重新獲得許可，以避免DNA重復(fù)復(fù)制。在發(fā)芽酵母中，Cdc14磷酸酶通過多種機(jī)制觸發(fā)CDK失活，促進(jìn)有絲分裂退出并返回到G1期。此外，Cdc14的異位活化對減數(shù)分裂無益，其中蛋白質(zhì)磷酸酶2A(Cdc55)調(diào)節(jié)亞基的消耗導(dǎo)致Cdc14從減數(shù)分裂核仁中被過早釋放，從而使核分裂無法正常進(jìn)行，其原因可能是Cdc55缺失、細(xì)胞中Cdc14的失活而影響了主軸裝配和雙核細(xì)胞的生成，表明過度活化的Cdc14是阻斷主軸裝配的主要因素。因此，Cdc14的適當(dāng)調(diào)節(jié)對于減數(shù)分裂期間控制主軸形態(tài)發(fā)生至關(guān)重要[6-11]。

研究[12-14]表明：在細(xì)胞進(jìn)入分裂期后Cdc14能快速降解有絲分裂的誘導(dǎo)子Cdc25，并且在體外證明Cdc25是Cdc14的底物，Cdc14下調(diào)Cdc25的活性以確保快速鈍化Cdc2激酶，從而觸發(fā)細(xì)胞分裂。過表達(dá)Cdc14細(xì)胞阻滯于G2期，此時Cdc25脫磷酸化；下調(diào)Cdc14 的表達(dá)，導(dǎo)致高度磷酸化Cdc25，并且增加Cdc25穩(wěn)定性，在體內(nèi)可使二者結(jié)合，Cdc25脫磷酸而變得不穩(wěn)定，隨后降解。

2.1.2 Cdc14A在小鼠卵母細(xì)胞中的作用 Cdc14A在生發(fā)泡(GV)期定位于細(xì)胞核，在生發(fā)泡破裂(GVBD)后聚集在染色體周圍，在第1次減數(shù)分裂的前期(MⅠ)和第2次減數(shù)分裂的中期(MⅡ)則定位于整個細(xì)胞質(zhì)，同時并沒有觀察到Cdc14A與微管組織中心的γ-微管蛋白的共定位[15-18]。在MⅠ到MⅡ間Cdc14A定位于紡錘體，調(diào)節(jié)小鼠卵母細(xì)胞成熟，促進(jìn)卵母細(xì)胞MⅠ/MⅡ過渡。在釀酒酵母中，Cdc14在間期被隔離于核仁，沒有活性；在進(jìn)入分裂期時，Slk19促進(jìn)部分Cdc14從核仁釋放到細(xì)胞核，使Cdc2磷酸化的底物脫磷酸，然后Dbf2直接使Cdc14磷酸化，從而促進(jìn)Cdc14釋放到細(xì)胞質(zhì)[19-22]。

2.1.3 Cdc14A在人體細(xì)胞中的作用 過表達(dá)Cdc14A抑制Cdc2激酶的活性，從而使細(xì)胞阻滯于G2期，下調(diào)Cdc14A的表達(dá)，使細(xì)胞加速通過G2/M轉(zhuǎn)換期；Cdc14A在G2/M期過渡時表達(dá)水平升高，活性進(jìn)一步增強(qiáng)，直接與Cdc25B結(jié)合，在Cdc25B 的N末端域Cdc2激酶磷酸化位點，使其脫磷酸而抑制其催化活性，因而抑制Cdc2激酶的活性，說明人的Cdc14A磷酸酶通過控制Cdc25B的活性來調(diào)節(jié)細(xì)胞G2/M期過渡[23-24]。

2.2 Cdc14A對于腫瘤細(xì)胞的作用

細(xì)胞周期的運轉(zhuǎn)是細(xì)胞周期蛋白在時間和空間上有序表達(dá)和調(diào)控的結(jié)果，無法完成正常細(xì)胞周期的細(xì)胞將發(fā)生凋亡或癌變。Cdc14激活是芽殖酵母退出有絲分裂而進(jìn)入下個細(xì)胞周期所必需的程序。人類存在2種CDC14的同源物：hCdc14A和hCdc14B。目前，對于hCdc14B研究較少。hCdc14A異常表達(dá)導(dǎo)致染色體分離異常[24]。hCdc14A可以使腫瘤抑制因子P53的第315位絲氨酸去磷酸化。并且hCdc14A在各種腫瘤細(xì)胞系的表達(dá)水平各不相同，而且在多數(shù)P53高表達(dá)腫瘤細(xì)胞系表達(dá)水平較低[29]。由此可見，hCdc14A的異常會導(dǎo)致基因組不穩(wěn)定，可能在腫瘤發(fā)生發(fā)展過程中發(fā)揮重要作用。

2.3 Cdc14在DNA修復(fù)中的作用

研究[25]發(fā)現(xiàn)：Cdc14對于發(fā)芽酵母完成重組DNA修復(fù)是必不可少的。DNA雙鏈斷裂(DSB)后，其核仁中的Cdc14被瞬時釋放并激活。通過CDK，Cdc14靶向作用于SPB組分Spc110，以抵消其磷酸化。Spc110的Cdk/Cdc14依賴性磷酸化狀態(tài)或Spc110在誘導(dǎo)DNA損傷期間失活而產(chǎn)生異常振蕩的SPB活動，破壞了DSB-SPB的相互作用。另外，已經(jīng)鑒定出一個潛在的CDK位點(T18)定位于Spc110的N末端。雖然體外測定已經(jīng)證明CDK的T18通過c-微管蛋白復(fù)合物磷酸化使寡聚化失活；但在體內(nèi)實驗中，由于促進(jìn)微管成核的失敗引起的生長缺陷，T18模擬物和磷酸突變體的結(jié)果顯示相同[25]。再者，T18只有通過有絲分裂才可以被Cdk-Clb2磷酸化，表明這個潛在的位點與先前描述S36-91的調(diào)節(jié)方式不同[27-29]。

2.4 其他作用

翻譯后修飾是蛋白質(zhì)發(fā)揮生物學(xué)功能的重要調(diào)節(jié)機(jī)制之一，其中泛素化即是最常見的翻譯后修飾。Asada等[30]用酵母雙雜交尋找腫瘤抑制基因BRCA1互相作用蛋白時發(fā)現(xiàn)了一種新的胞漿蛋白，命名為BRCA1相關(guān)蛋白質(zhì)2(BRAP2)。可以與BRCA1的核定位序列結(jié)合，使核蛋白P21滯留在胞漿中，從而影響單核細(xì)胞分化。Li等[31]研究了 BRAP2在Ras信號轉(zhuǎn)導(dǎo)通路上的作用，并且指出其具有泛素連接酶活性，可使自身泛素化。研究[31-32]顯示：BRAP2為hCdc14A的可能相互作用蛋白，兩者有共同定位，BRAP2可以增強(qiáng)hCdc14A的泛素化修飾，可能是hCDC14A的泛素連接酶。

此外，生殖相關(guān)實驗[33-35]顯示：給予micro-RNA-152-3p擬似劑作用于雌激素預(yù)處理的Ishikawa細(xì)胞，Cdc14A蛋白的表達(dá)水平下降，同時細(xì)胞增殖也受到抑制；而用特異性micro-RNA-152-3p抑制劑作用雌、孕激素聯(lián)合預(yù)處理的子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞，Cdc14A表達(dá)增加，而細(xì)胞增殖活性提高，進(jìn)一步證明了孕激素可通過誘導(dǎo)micro-RNA-152-3p的表達(dá)抑制子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞的增殖，Cdc14A蛋白可能是micro-RNA-152-3p抑制子宮內(nèi)膜上皮細(xì)胞增殖的靶蛋白。

3 小 結(jié)

有關(guān)Cdc14A的研究成果可以通過以下幾個方面給予說明：① 應(yīng)用于農(nóng)牧業(yè)，提高動物的繁殖數(shù)量；② 用于臨床上人類體外輔助生殖，縮短受精卵的體外培育時間，盡早植入人體子宮，減少外界因素對受精卵的影響；③ 應(yīng)用于腫瘤治療，通過過表達(dá)Cdc14A，使腫瘤細(xì)胞停滯在G2期，抑制腫瘤細(xì)胞的生長。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)，得知Cdc14A通過參與不同的細(xì)胞信號傳導(dǎo)途徑來調(diào)節(jié)細(xì)胞的發(fā)育與增殖，調(diào)控細(xì)胞的凋亡和抑制腫瘤的形成。這對細(xì)胞的正常發(fā)育生長至關(guān)重要，一旦這種細(xì)胞信號傳導(dǎo)通路受損，勢必會帶來不良后果。近年來，對Cdc14A的研究已成為熱點，但許多功能尚未完全明確，仍需要進(jìn)一步深入研究，從而更全面地了解分子調(diào)控機(jī)制。