細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子3的研究進展

宮曉慶，譚茗，盛和宇，徐美玲，張萌，徐虎，夏靖秋，孫嬰寧

細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子3的研究進展

宮曉慶，譚茗，盛和宇，徐美玲，張萌，徐虎，夏靖秋，孫嬰寧

（齊齊哈爾大學 生命科學與農(nóng)林學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006）

細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子3（Cyclin dependent kinase inhibitor 3，CDKN3）屬于激酶抑制因子CIP/KIP基因家族成員，是一種細胞周期調(diào)控因子．在各個組織中，CDKN3作用的蛋白不同，進而發(fā)揮不同的作用．一方面，CDKN3可通過抑制P21轉錄，促進DNA復制與細胞增殖；另一方面，CDKN3能夠將CDC2 Thr161去磷酸化，來抑制有絲分裂間期G1期向S期的轉化，進而影響細胞周期的發(fā)展，同時CDKN3可與Mps1結合調(diào)節(jié)中心體數(shù)量．越來越多的研究發(fā)現(xiàn)，CDKN3的異常表達和調(diào)節(jié)細胞周期的機制對癌癥的發(fā)生有重要作用．在肝癌、前列腺癌、乳腺癌等細胞中CDKN3表達量高于正常水平，但在腦膠質(zhì)細胞瘤、慢性粒細胞白血病等細胞中CDKN3呈低表達．主要針對CDKN3基因的結構及其編碼蛋白的功能展開綜述．

CDKN3；P21；細胞周期；腫瘤治療

1994年，在篩選CDK2結合蛋白時，細胞周期蛋白依賴性激酶抑制因子3（Cyclin dependent kinase inhibitor3，CDKN3）首次作為CDK2的結合蛋白而被發(fā)現(xiàn)，命名為KAP，即CDK相互作用雙特異性磷酸酶．在酵母細胞中，CDKN3與正調(diào)控細胞周期的CDK2，CDC2兩種蛋白結合，但不與CDK4，CDK5結合，并且CDKN3在哺乳動物中更偏好與CDC2作用[1]1731．經(jīng)大量實驗表明，在某種組織中，CDKN3發(fā)揮促進細胞周期的功能，在其它組織中可能發(fā)揮完全相反的作用．分析原因為，CDKN3下游作用的蛋白不同導致其發(fā)揮不同的功能．隨著研究的深入，目前已經(jīng)明確細胞周期與癌癥的發(fā)生密不可分，CDKN3作為調(diào)節(jié)細胞周期的因子，通過確定它在不同腫瘤組織中的作用，可以為腫瘤疾病治療開辟新的道路．本文闡述了CDKN3的結構，調(diào)節(jié)細胞周期的作用機制以及在腫瘤治療等方面的研究進展．

1　CDKN3結構概述

CDKN3在1994年由Hannon[1]1733等確定開放閱讀框．1995年利用熒光技術顯示，CDKN3位于人體第14號染色體（14q22.22）[2]，含有9個外顯子，CDS區(qū)長636 bp，編碼212個氨基酸（CR407666.1），大小約24 kb．人CDKN3基因mRNA的全長和外顯子2剪接變異體[3]（見圖1）．小鼠（）CDKN3的CDS區(qū)全長638 bp，編碼212個氨基酸（NM_001360041.1），與人CDKN3有88.5%的同源性．雞的CDKN3位于5q132染色體上，有8個外顯子，CDS區(qū)全長906 bp，編碼212個氨基酸．氨基酸序列含有蛋白酪氨酸磷酸酶特征的HCXXXXGR基序，主要依靠序列中的半胱氨酸參與CDC2 Thr161的去磷酸化．

圖1　人CDKN3基因mRNA的全長和外顯子2剪接變異體[3]

2　CDKN3的作用機制

CDKN3屬于蛋白磷酸酶抑制劑家族，在細胞各個周期的調(diào)控中發(fā)揮不同作用．一方面，在有絲分裂間期，內(nèi)源性CDKN3位于細胞核，并且與中心粒上的內(nèi)源性CDC2共定位，作為CDK抑制劑將CDC2 Thr161去磷酸化，抑制了有絲分裂間期G1期向S期的轉化；進入有絲分裂期前期，中心粒上的CDC2 Thr161開始磷酸化，前期CDC2 Thr161定位于動粒，后期CDKN3負責CDC2 Thr161的去磷酸化至有絲分裂結束[4]．另外，高水平的Mps1會使中心體過度復制影響細胞周期，CDKN3以蛋白酶體依賴性方式與Mps1結合，使其降解維持中心體數(shù)量．然而，有研究證明Mps1的中心體水平由Mps1 MDS基序內(nèi)的CDK2磷酸化精確控制，因此有必要進一步確認CDKN3是否也影響Mps1 MDS基序內(nèi)的CDK2磷酸化水平[5]．

另一方面，CDKN3作為Mdm2的互作蛋白，可與Mdm2及P53蛋白形成復合體，進而抑制P21蛋白的活化，降低P53靶基因的表達，最終影響細胞周期進程[6]．若DNA復制時不同時段發(fā)生損傷，P21蛋白作用機制不同．如發(fā)生在G1期時，CDK活性被P21抑制而無法順利進入下一個復制時期；如發(fā)生在S期，PCNA會在P21的作用下失活，DNA合成停止，使細胞修復[7]101．總體來說，抑制P21蛋白會促進細胞周期，P21作為P53基因的下游靶基因，CDKN3與P53和Mdm2形成蛋白復合體，會間接降低P21敏感性．

3　CDKN3基因與癌癥

癌癥的標志是腫瘤細胞的不斷復制，正常的細胞通過細胞周期增殖、分化，最后衰老死亡，當細胞周期調(diào)節(jié)異常，正常的細胞就會病變成癌細胞．因此，細胞周期調(diào)節(jié)障礙是癌癥發(fā)生和發(fā)展過程中的重要事件，探索細胞周期調(diào)節(jié)機制對癌癥的治療具有積極作用．根據(jù)CDKN3的作用機理，其曾被認為是抑癌基因．然而，在另一些癌癥研究中發(fā)現(xiàn)，CDKN3在許多腫瘤組織中呈現(xiàn)高表達，提示CDKN3對細胞生命活動影響的復雜性．

3.1　CDKN3與肝癌

原發(fā)性肝癌（HCC）是一種普遍的消化系統(tǒng)惡性腫瘤，李苗苗[8]等分析了36例肝癌細胞中CDKN3 mRNA水平均高于正常細胞，通過邢春陽[9]的研究發(fā)現(xiàn)，10例中有7例CDKN3 mRNA的表達多于正常組織的2倍，蛋白水平也在肝癌組織中普遍呈高表達．為驗證CDKN3在肝癌組織中的作用通路，李苗苗的實驗通過設計此基因干擾組得出，增殖的細胞中G0/G1期細胞比例上調(diào)，S期減少；當過表達CDKN3時發(fā)現(xiàn)，CDKN3對細胞增殖作用是通過易化G1/S期實現(xiàn)的，并且P21表達降低．由于誘發(fā)癌的機制復雜，癌癥的發(fā)生是不同癌基因或抑癌基因共同作用的結果，邢春陽利用基因芯片數(shù)據(jù)庫在肝癌細胞中找到60余種與CDKN3共表達的基因，構建CDKN3的調(diào)控圖譜（見圖２）．綜上所述，CDKN3在肝癌細胞中是一種癌基因，并且部分作用機制是通過抑制P21的表達來完成的．

圖2　CDKN3在肝癌中共表達基因網(wǎng)絡圖[9]41

注：基因網(wǎng)絡圖中這些基因在腫瘤細胞信號通路中富集，BIRC5位于CDKN3調(diào)節(jié)網(wǎng)絡中心

3.2　CDKN3與鼻咽癌

鼻咽癌（NPC）是在黃種人鼻咽部高發(fā)的惡性腫瘤之一，此種癌細胞易轉移和復發(fā)，具有高度侵襲性，通過手術、放射治療后大部分患者預后不佳．NPC的發(fā)生與P27和CDKN3影響的細胞周期變化有著十分密切的關系．P27（CDKN1B）屬于細胞周期蛋白依賴性抑制劑CIP/KIP家族，如果CDKI中P27及與其相關的Cyclin和CDK的平衡被打破，細胞的增殖會變得異常．CDKN3C端有核定位信號序列，與細胞周期調(diào)控有關[7]102．在Wang[10]等的研究中，通過進一步探究NPC患者CDKN3與P27的相互作用表明，P27高水平表達的患者死亡率大幅度降低．主要因為P27的上調(diào)有效抑制CDKN3誘導的NPC細胞增殖，并且細胞周期阻滯和凋亡增加，侵襲減少和放射敏感性增加．由此可見，在NPC組織中P27的表達與CDKN3的表達呈負相關．P27的下調(diào)、CDKN3的上調(diào)與NPC患者預后較差相關，在今后研究CDKN3/P27異常信號可能是治療鼻咽癌的方法之一．

3.3　CDKN3與Bcr-Abl介導的白血病

慢性粒細胞白血病（CML）是由Bcr-Abl致癌基因誘導發(fā)生的一種造血系統(tǒng)惡性腫瘤．研究表明，Bcr-Abl通過PI3k/Akt介導的蛋白酶體途徑增強其蛋白降解，激活CDK加速細胞周期進程[11-13]．經(jīng)實驗證實，CDKN3在Bcr-Abl介導的白血病中是腫瘤抑制因子，其過表達可延遲K562白血病細胞G1期向S期轉換，負調(diào)控白血病細胞的增殖，并使K562白血病細胞對誘導凋亡藥物的敏感性增加．此外，CDKN3的高表達顯著降低了Bcr-Abl介導的FDCP1細胞轉化的效率[14]．因此，CDKN3在Bcr-Abl介導的白血病中發(fā)揮著重要作用，可作為治療白血病的潛在新靶點．

3.4　CDKN3與其它腫瘤細胞

根據(jù)目前的研究結果，CDKN3在其它癌癥中的作用機制尚不明朗．CDKN3在乳腺癌[15]、胃癌[16]、前列腺癌[17]中高表達，并通過不同的信號通路，調(diào)節(jié)癌細胞的增殖、遷移、侵襲和凋亡等細胞生物學行為，表現(xiàn)為促進腫瘤發(fā)展．研究證明，CDKN3是胰腺癌新的原癌基因，CDKN3高表達提示胰腺癌患者預后不良[18]；腎細胞癌（RCC）中CDKN3表達水平升高顯著增強了RCC的細胞增殖和腫瘤生長，呈現(xiàn)出致癌作用[19]．高水平CDKN3 mRNA與幾種類型的癌癥，包括腎透明細胞癌、腎乳頭狀細胞癌、低級別膠質(zhì)瘤和前列腺癌的低生存率相關[20]．但CDKN3在腦膠質(zhì)細胞瘤中的作用與它在上述腫瘤細胞完全相反，該基因呈低表達，受CDC2信號通路的影響來改變細胞有絲分裂，發(fā)揮抑癌作用[21]．另外，在不同的癌癥中發(fā)現(xiàn)了幾種編碼不同的CDKN3亞型的剪接轉錄變體，意味著這些亞型可能與特定的腫瘤形成有關[22-23]．

CDKN3基因究竟如何調(diào)控細胞周期的過程還沒有成熟的定論，但可確定CDKN3在人類癌癥中的頻繁過表達與有絲分裂細胞數(shù)量的增加有關．由此可見，深入了解CDKN3通過細胞周期調(diào)控進而促進或抑制腫瘤細胞的發(fā)展對癌癥治療具有明確的指導方向，具體的調(diào)控機制還有待進一步研究．

4　展望

各種生物活動的正常進行與細胞周期有著密切的關系，只有細胞周期的有序變遷，才能保證細胞進入增殖、分化、衰老和死亡等生理狀態(tài)．CDKN3在細胞周期調(diào)控過程中具有十分重要的作用，但CDKN3的下游靶基因和調(diào)控下游效應因子的過程尚不明確．現(xiàn)在已有的醫(yī)學手段在惡性腫瘤的治療和預后方面還不是很理想，研究腫瘤的發(fā)生機制才是治療這些疾病的最終方法．了解CDKN3的作用機制，對細胞周期進行調(diào)控可以有效抑制腫瘤細胞的增殖能力，對治療癌癥等相關疾病具有重要作用．目前已有數(shù)據(jù)表明，CDKN3的表達可作為某些腫瘤疾病的預后因素，用來預測腫瘤大小、復發(fā)等情況．癌癥的發(fā)生是許多不同基因共同調(diào)控的，CDKN3在不同惡性腫瘤中表達量和發(fā)揮的功能不一致，因此研究CDKN3的作用機制會為人類未來抗癌治療提供一個重要突破點．

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Research progress of cyclin dependent kinase inhibitor 3

GONG Xiaoqing，TAN Ming，SHENG Heyu，XU Meiling，ZHANG Meng，XU Hu，XIA Jingqiu，SUN Yingning

（School of Life Science and Agriculture Forestry，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Cyclin dependent kinase inhibitor 3（CDKN3），a member of kinase inhibitor CIP/KIP family，is a cell cycle regulator．CDKN3 binds to different protein，and then plays different roles in the process of cell cycle．On the one hand，CDKN3 promots DNA replication and cell proliferation through inhibiting P21 expression．On the other hand，CDKN3 inhibits cell cycle G1 to S phase by dephosphorylating CDC2 Thr161，CDKN3 also binds to Mps1 to regulate the number of centrosome．More and more studies found that the abnormal expression of CDKN3 and the mechanism of regulating cell cycle play important role in carcinogenesis．The expression of CDKN3 are higher than the normal tissue in liver cancer，prostate cancer，breast cancer and other cells，wheras，CDKN3 show lower expression in Glioma and Chronic myelogenous leukemia．The structure of CDKN3 gene and the function of its coding protein are reviewed．

CDKN3；P21；cell cycle；cancer therapy

Q75

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.017

1007-9831（2020）03-0087-05

2019-10-16

國家自然科學基金項目（31402061）；黑龍江省教育廳基本業(yè)務專項理工面上項目（135209261）；2018年省級大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃資助項目（201810232067）

宮曉慶（1998-），女，黑龍江綏化人，在讀本科生．E-mail：1415297266@qq.com

孫嬰寧（1981-），女，遼寧撫順人，副教授，博士，從事分子遺傳學研究．E-mail：yingningsun@163.com