王 哲，劇世強(qiáng)，芮 榮

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，南京 210095)

從有絲分裂到腫瘤形成：Plk1功能研究進(jìn)展

王 哲，劇世強(qiáng)*，芮 榮

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)動物醫(yī)學(xué)院，南京 210095)

Plk1是真核生物中高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶，作為Polo樣激酶家族的重要成員之一，對細(xì)胞周期具有重要的調(diào)控作用。通過磷酸化不同的特異性底物，Plk1具有促進(jìn)中心體成熟及紡錘體兩極分配，控制有絲分裂啟動，促進(jìn)染色體列隊(duì)，促進(jìn)胞質(zhì)分裂等一系列作用。新近研究表明，Plk1還與DNA損傷應(yīng)答、腫瘤形成、胚胎早期發(fā)育密切相關(guān)。本文就Plk1在細(xì)胞有絲分裂中發(fā)揮的一系列調(diào)控作用，DNA損傷發(fā)生時如何參與細(xì)胞阻滯的啟動與逆轉(zhuǎn)，促進(jìn)DNA損傷修復(fù)，Plk1的表達(dá)異常與腫瘤發(fā)生的因果關(guān)系，以及Plk1在促進(jìn)胚胎早期發(fā)育的應(yīng)用前景等進(jìn)行綜述，以供相關(guān)研究參考。

Plk1；有絲分裂；DNA損傷應(yīng)答；腫瘤；胚胎早期發(fā)育

Polo基因編碼的Polo樣激酶(Polo-like kinases，Plks)是一類在真核生物中高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。Polo樣基因最早在黑腹果蠅(Drosophila melanogaster)的基因組中被發(fā)現(xiàn)，該基因的功能突變可導(dǎo)致果蠅的有絲分裂異常[1]。隨后，Polo基因在真核生物中的高度保守性逐漸被證實(shí)，其同源基因克隆在從酵母到人類的基因組中都有存在。目前已發(fā)現(xiàn)的Polo樣激酶家族成員包括釀酒酵母(Saccharomyces cerevisiae)的Cdc5，爪蟾(Xenopus laevis)的plxl～plx3，以及高等脊椎動物的Plk 家族的5個成員 Plk1～Plk5。其中，以Plk1發(fā)現(xiàn)最早，最受關(guān)注，研究得也最為透徹。早期的研究工作闡明了Plk1是有絲分裂及胞質(zhì)分裂的關(guān)鍵調(diào)控因子，參與細(xì)胞分裂周期中一系列進(jìn)程的調(diào)控。近年來，隨著新的研究方法和技術(shù)，如RNA干擾(RNA interference，RNAi)、特異性小分子抑制物(Specific small-molecule inhibitors)、基因修飾的等位基因(Genetically modified alleles)技術(shù)的應(yīng)用，Plkl的作用被進(jìn)一步闡明，其在DNA損傷應(yīng)答、腫瘤形成等方面的作用也陸續(xù)被發(fā)現(xiàn)，并成為相關(guān)研究領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。本文以Plk1結(jié)構(gòu)介導(dǎo)的功能特性為起點(diǎn)，系統(tǒng)綜述了Plk1在有絲分裂、DNA損傷應(yīng)答中的作用，并由此探討其與腫瘤形成的關(guān)系。此外，有關(guān)胚胎發(fā)育的調(diào)控機(jī)制一直是生命科學(xué)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，如何提高胚胎的體外發(fā)育效率仍是目前相關(guān)領(lǐng)域的研究難點(diǎn)，考慮到Plk1在細(xì)胞周期調(diào)控中的作用，并結(jié)合其新近研究進(jìn)展，預(yù)示Plk1很可能具有促進(jìn)胚胎卵裂、提高胚胎體外發(fā)育效率的潛力，因此在本文的最后簡要介紹了Plk1在胚胎早期發(fā)育領(lǐng)域的新進(jìn)展與研究前景，以期為相關(guān)研究提供參考。

1 PBD介導(dǎo)的Plk1與底物的結(jié)合

所有的 Plk 激酶在結(jié)構(gòu)上高度保守，其N-端具有一個保守的絲氨酸/蘇氨酸激酶催化結(jié)構(gòu)域，C-端具有一個或一個以上的Polo盒結(jié)構(gòu)域(Polo-box domain，PBD)。人類Plk1～Plk5的結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。雖然結(jié)構(gòu)相似，但Plk1～Plk5在細(xì)胞內(nèi)的時間、空間定位存在很大的差異(圖2)。這種在不同亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)定位的差異也導(dǎo)致哺乳動物Plk家族成員在功能上的多樣性。Plk1～Plk4在細(xì)胞周期進(jìn)程中發(fā)揮作用，參與中心粒的復(fù)制(Plk2和Plk4)，DNA復(fù)制(Plk3)，中心體分離和成熟(Plk1)，有絲分裂的啟動(Plk1)，紡錘體的形成，染色體的分離和胞質(zhì)分離(Plk1)。另一方面，Plk2和Plk5(可能也包括Plk3)還參與細(xì)胞復(fù)制以外功能的調(diào)控，如神經(jīng)元分化(Plk2和Plk5)以及突觸穩(wěn)態(tài)(Plk2)。此外，Plk1還與DNA損傷應(yīng)答(DNA damage response，DDR)以及紡錘體裝配檢測(Spindle assembly checkpoint，SAC)有關(guān)[2]。那么，Plks是如何實(shí)現(xiàn)在細(xì)胞周期的不同時間內(nèi)的準(zhǔn)確定位的呢？答案就在其PBD結(jié)構(gòu)域上。研究表明，Plks的亞細(xì)胞定位是由PBD依賴的蛋白間相互作用介導(dǎo)的。

在Plk1的PBD(表示為PBD1)中有一段特異的磷酸肽結(jié)合區(qū)，打開了通往PBD依賴的蛋白間相互作用機(jī)制的大門。之后的晶體結(jié)構(gòu)分析表明，PBD1的PB1和PB2各含有一段結(jié)構(gòu)完全相同的 β6α 折疊，形成了一個“拉鏈樣”的異源二聚體的結(jié)構(gòu)，并在PB1的上游有一小段 α 螺旋Polo帽(αA)的結(jié)構(gòu)幫助維持其穩(wěn)定。而磷酸肽的結(jié)合位點(diǎn)就位于兩個PB的 β 螺旋形成的淺溝里。結(jié)合的磷酸肽與兩個PB上關(guān)鍵的氨基酸殘基間都有相互作用。其中，PB1中的Trp414、Lue490與磷酸肽間的非極性作用，對于磷酸肽的識別非常關(guān)鍵。而PB2中的His538與Lys540則通過靜電作用與磷酸肽中帶負(fù)電的磷酸化蘇氨酸殘基互相作用[3]。

圖1 人類Plk1～Plk5結(jié)構(gòu)圖[2]Fig.1 Structure of polo-like kinase

圖2 哺乳動物 Plk1～Plk5在細(xì)胞中的時間空間分布及功能[2]Fig.2 Cellular functions of Plks in cell cycle progression

因此，通過PBD，Plk1可以“錨定”(Dock)特異性的磷酸肽結(jié)合位點(diǎn)。不過與Plk1結(jié)合的靶蛋白需要被預(yù)磷酸化后才能被PBD識別。預(yù)磷酸化的作用機(jī)制有兩種：一種由蛋白激酶，如Cdc2/Cdk1完成。此外，在體內(nèi)，Plk1也可以通過自磷酸化作用創(chuàng)造出自己的結(jié)合位點(diǎn)[4-5]。這種預(yù)磷酸化作用以及Plk1錨定搭檔的分布對Plk1活性的時間以及空間上的控制非常重要。

因此，通過PBD與特異性磷酸肽底物的結(jié)合，Plk1的N端激酶催化結(jié)構(gòu)域便可以定位至特定的亞細(xì)胞位點(diǎn)中。之后，通過對不同底物特定的絲氨酸或蘇氨酸位點(diǎn)的磷酸化作用，在細(xì)胞活動中發(fā)揮各種不同的作用。目前，通過生物信息學(xué)分析，在真核生物細(xì)胞中，已有成千上萬種Plk1的作用底物和磷酸結(jié)合蛋白被預(yù)測出來，他們大多與有絲分裂緊密相關(guān)[6]。這些發(fā)現(xiàn)對于進(jìn)一步闡明Plk1的功能和作用機(jī)制將有很大的幫助。

2 Plk1與有絲分裂

Plk1的表達(dá)具有細(xì)胞周期依賴性，在G1期和S期，Plk1的活性很低，在G2后期其表達(dá)開始增加，在有絲分裂期(M期)表達(dá)量達(dá)到最高峰，在有絲分裂結(jié)束時含量下降，然后在G0期繼續(xù)保持低含量，如此循環(huán)往復(fù)[7]。通過PBD介導(dǎo)的定位作用，Plk1在有絲分裂的進(jìn)程中有序地在各亞細(xì)胞結(jié)構(gòu)中遷移。在間期中，Plk1結(jié)合在復(fù)制前復(fù)合體上；在前期，其定位在中心體中；在前中期和中期在染色體著絲點(diǎn)上富集；在后期被募集到細(xì)胞中心的紡錘體上；最終在末期和胞質(zhì)分裂重分配至中間體上[8]。Plk1是有絲分裂和胞質(zhì)分裂中的關(guān)鍵調(diào)控因子，在細(xì)胞周期的不同時期發(fā)揮著各種重要的作用。

2.1 Plk1促進(jìn)中心體的成熟以及紡錘體的兩極分配

中心體的成熟需要前期γ-微管蛋白環(huán)狀復(fù)合體(γ-tubulin ring complexes，γ-TuRC)將新的微管集結(jié)至中心體上。在間期，中心體和Plk1的一種底物結(jié)合形成Ninein-like protein (NLP)，起到募集γ-TuRC和刺激微管集結(jié)的作用。之后Plk1會將NLP的Ser237和Ser1463磷酸化，這樣在M期NLP將從中心體上解離，這可能有助于間期向M期的轉(zhuǎn)化[9]。

Plk1的另一個底物Kizuna對有絲分裂中中心體結(jié)構(gòu)的維持起到重要作用。N.Oshimori等研究發(fā)現(xiàn)，去除Kizuna或阻止Plk1對其的磷酸化會導(dǎo)致前中期中心體周圍的物質(zhì)的破碎和從中心體上的解離，最終導(dǎo)致紡錘體的多極化[10]。

2.2 Plk1控制有絲分裂的啟動

Plk1最重要的功能之一就是通過控制Cyclin B1/Cdk1復(fù)合物的活性推動G2/M期的轉(zhuǎn)化。即Plk1是有絲分裂啟動的關(guān)鍵調(diào)控因子。

Cdk1(Cyclin-dependent kinase 1)也叫Cdc2(Cell division cycle protein 2 homolog)也是一類高度保守的絲氨酸/蘇氨酸蛋白激酶。它與細(xì)胞周期蛋白B1(CyclinB1)形成復(fù)合物后可以磷酸化多種底物，以推動有絲分裂的進(jìn)程。因此，Cdk1是有絲分裂進(jìn)程中重要的促進(jìn)因子。它受到一系列精密調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控，以防止其在DNA復(fù)制完成前被過早激活，否則基因組的完整性將會遭到破壞。在G2期，Wee1和Myt1激酶會分別抑制磷酸化Cdk1的Thr14和Tyr15，以確保Cyclin B1/Cdk1復(fù)合物保持在失活狀態(tài)。當(dāng)有絲分裂啟動時，Plk1一方面磷酸化激活正向調(diào)控因子Cdc25，另一方面抑制磷酸化負(fù)向調(diào)控因子Wee1和Myt1，從而激活Cyclin B1/Cdk1復(fù)合物，由此促進(jìn)有絲分裂的啟動[8]。

在間期，Plk1的PBD與激酶催化結(jié)構(gòu)域相互作用，通過這種獨(dú)特的構(gòu)象調(diào)節(jié)，抑制其激酶活性。而Plk1的激活需要其激酶結(jié)構(gòu)域T環(huán)(T-loop)上的Thr210被上游激酶Aurora A磷酸化。磷酸化后PBD便開始與磷酸化底物結(jié)合，激酶結(jié)構(gòu)域得以脫離，從而發(fā)揮催化作用[11]。與Plk1表達(dá)量的變化類似，細(xì)胞中Aurora A 的水平在G2期增加，在M期的早期達(dá)到最大值[12]。不過，Aurora A必須與其共作用因子Bora結(jié)合后才能發(fā)揮作用。研究表明，在G2期，Bora先與Plk1形成復(fù)合物，起到一個腳手架的作用，導(dǎo)致Plk1空間結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，使得Aurora A能夠進(jìn)入Plk1激酶結(jié)構(gòu)域的T環(huán)上，磷酸化Thr210，從而全面激活Plk1的活性[13-15]。因此，Aurora A-Bora-Plk1通路控制了Cdk1的激活，從而控制了有絲分裂的啟動。

研究表明，細(xì)胞中Bora水平在G2期達(dá)到峰值，在進(jìn)入M期前迅速下降，Plk1在有絲分裂期的活性是怎么維持的？最近，B.Wytse等[16]的研究發(fā)現(xiàn)，一旦Plk1被激活后，極少量的Bora和Aurora A 就足以維持Plk1的活性。因此Bora-Aurora-A復(fù)合物在有絲分裂中仍是Plk1主要的激活因子。雖然Bora與Plk1間相互作用的機(jī)制尚不清楚，但其很可能是由Cdk1依賴性的Bora的磷酸化啟動的[17]。這表明Cdk1的活性需要Plk1在G2期的激活啟動，而Plk1的激活反過來也需要Cdk1的作用。這種相互依賴、相互牽制的雙向調(diào)節(jié)方式在細(xì)胞周期轉(zhuǎn)變中很有必要，確保了細(xì)胞周期的不可逆性[18]。

2.3 Plk1促進(jìn)染色體列隊(duì)

在中期，Plk1被多種蛋白募集到著絲粒-動粒復(fù)合體(Kinetochores/centromeres)上發(fā)揮作用。這些蛋白：Polo盒反應(yīng)蛋白1(Polo-box interacting protein 1，PBIP1)、著絲粒內(nèi)被蛋白(Inner centromere protein，INCENP)、紡錘體檢測點(diǎn)(Spindle checkpoint)的組成之一BubR1，以及有絲分裂檢測激酶Bub1等[8]。Plk1通過與這些因子的相互作用，促進(jìn)染色體列隊(duì)(Chromosome alignment)。

2.4 Plk1促進(jìn)有絲分裂的退出

在M期末期，一系列有絲分裂事件都已完成。此時，兩個姐妹染色單體已經(jīng)分離至兩個子細(xì)胞中，只差最后一步胞質(zhì)分離，有絲分裂即可完成。此時，Plk1也將發(fā)揮其在有絲分裂中最后一個作用，通過調(diào)控APC/C的活性，促進(jìn)有絲分裂的退出。

有絲分裂的完成需要一系列調(diào)控因子，如Cyclin B1和Securin被降解，之后細(xì)胞將轉(zhuǎn)入穩(wěn)定的G1期[19]。這些調(diào)控因子的降解需要E3泛素連接酶-APC/C (Anaphase-promoting complex or cyclosome)的作用。APC/C首先被Cdc20激活，形成的APC/CCdc20復(fù)合物可以靶向標(biāo)記含有D盒(Destruction box，D box)的蛋白，如Securin，也可以導(dǎo)致Cyclin B1及其相關(guān)的Cdk1的降解，從而啟動有絲分裂的退出。之后Cdc20會被降解，然后被Cdh1取代，這樣可以擴(kuò)大降解底物的范圍。Emi1是M期細(xì)胞中APC/P主要的抑制因子。在M期末期，Emi1首先被Cdk1/Cyclin B1預(yù)磷酸化，之后便可被Plk1磷酸化。被Plk1磷酸化后，大量的Emi1便會與Skp1-Cullin-F-boxβ-TRCP(SCFβ-TRCP)泛素連接酶復(fù)合體結(jié)合，之后被降解，從而解除對APC/C的抑制。

此外，Plk1還可以通過間接靶定Cdc20，從而抑制APC/C的活性，激活紡錘體監(jiān)測點(diǎn)信號通路，以確保APC/C的活性不被過早激活[8，20-21]。

在胞質(zhì)分裂中，Plk1還控制著分裂溝(Cleavage furrow)的形成。此時，在其底物Prc1的作用下，Plk1被募集到紡錘體的中間體上，通過其磷酸化作用激活下游信號通路，并啟動胞質(zhì)分裂[22]。

3 Plk1與DNA損傷應(yīng)答

細(xì)胞時刻處于各種內(nèi)源性和外源性不利因素的威脅中，代謝通路中的副產(chǎn)物、應(yīng)激、紫外線、有基因毒性的毒物等都有可能造成DNA損傷。一旦DNA損傷發(fā)生，細(xì)胞將失去其正常功能，并可能發(fā)生癌變。為了應(yīng)對這種威脅，細(xì)胞進(jìn)化出了一套精密復(fù)雜而又高度保守的損傷修復(fù)機(jī)制。

DNA雙鏈斷裂(Double strand break，DSB)是由輻射等氧化應(yīng)激所致的最常見的DNA損傷，也是DNA損傷中最嚴(yán)重的一種。當(dāng)DSB發(fā)生時，細(xì)胞可以采取兩種不同的修復(fù)機(jī)制。第一種是非同源末端連接途徑(Non-homologous end-joining，NHEJ)。當(dāng)采取此種修復(fù)方式時，DNA雙鏈的兩個斷端會直接被重新連接起來，其修復(fù)機(jī)制簡單又不依賴DNA模板，可以發(fā)生在細(xì)胞周期的任一階段。然而，它也可能錯誤地將不對稱的DNA兩個斷端連接起來，從而導(dǎo)致基因錯誤或破壞原本序列的完整性[23]。當(dāng)采取NHEJ修復(fù)DSB時，首先需要兩個感應(yīng)蛋白Ku70和Ku80識別DNA損傷位點(diǎn)。之后，活化的Ku蛋白會將DNA蛋白激酶(DNA-protein kinase，DNA-PK)募集至DNA損傷位點(diǎn)。接著，DNA-PK磷酸化其效應(yīng)蛋白，特別是DNA連接酶IV-XRCC4-XLF復(fù)合體，將斷裂DNA的兩個斷端連接起來[24]。

另一種DNA損傷應(yīng)答機(jī)制是同源重組(Homologous recombination，HR)，其僅在S期和G2期發(fā)揮作用，卻是正常細(xì)胞應(yīng)對DSB的主要修復(fù)機(jī)制。與NHEJ不同，HR修復(fù)途徑具有DNA模板依賴性[25]。DSB發(fā)生時，數(shù)種細(xì)胞周期監(jiān)測點(diǎn)蛋白會識別并聚集至DNA雙鏈斷端，激活磷酸肌醇-3激酶樣激酶 (Phosphinositidelike 3- kinase-telan- kinase，PIKK)家族的激酶，主要是共濟(jì)失調(diào)-毛細(xì)血管擴(kuò)張癥突變(Ataxia-telangiectasia mutated，ATM)蛋白和ATM和Rad3相關(guān)蛋白(ATM and Rad3-related protein，ATR)。ATM和ATR將DNA損傷信號傳導(dǎo)到下游靶蛋白，包括檢測點(diǎn)激酶(Checkpoint kinase，Ch)1和2等，啟動應(yīng)激系統(tǒng)，產(chǎn)生細(xì)胞周期阻滯，從而完成DNA修復(fù)或啟動細(xì)胞凋亡程序[26-28]。

3.1 G2期Plk1與DNA損傷應(yīng)答

如前文所述，在有絲分裂啟動時，Bora先與Plk1結(jié)合，打開其空間結(jié)構(gòu)，使得Aurora A能夠進(jìn)入Plk1激酶結(jié)構(gòu)域的T環(huán)上，磷酸化Thr210，從而全面激活Plk1的活性。當(dāng)G2期的細(xì)胞DNA發(fā)生損傷時，G2/M監(jiān)測點(diǎn)發(fā)揮作用，使得Plk1失活，細(xì)胞被阻滯在G2期[1]。具體的作用機(jī)制：ATM/ATR會直接磷酸化Bora的Thr501，磷酸化后的Bora會被E3泛素化連接酶SCF-β-TRCP識別并降解[26]。一旦Bora被降解，Plk1就無法被激活，也無法激活Cyclin B1/Cdk1復(fù)合物，細(xì)胞周期被阻滯在G2期。此外，當(dāng)DNA損傷發(fā)生時，ATM/ATR激活Ch1/Ch2。Ch1和Ch2通過阻止Cdc25抑制性磷酸化位點(diǎn)的去磷酸化而使Cdc25失去催化活性，使其失去活化Cyclin B1/Cdk1復(fù)合物的能力，導(dǎo)致細(xì)胞周期的阻滯[29]。

當(dāng)DNA損傷修復(fù)完成后，細(xì)胞周期的阻滯需要被解除，細(xì)胞繼續(xù)進(jìn)入有絲分裂期。研究表明，Plk1是控制這一過程的關(guān)鍵[30]。當(dāng)DNA損傷修復(fù)完成后，Plk1重新被激活。Plk1再激活Cdc25，重新啟動有絲分裂[29]。此外，在進(jìn)行DNA損傷修復(fù)時，ATR激活后，會磷酸化激活Ch1，在此磷酸化過程中需要一個協(xié)調(diào)蛋白(Adaptor protein)Claspin將ATR與Ch1連接起來[31]。當(dāng)Plk1被激活后，它會將Claspin磷酸化，使其成為SCFβ-TRCP的靶蛋白，導(dǎo)致其泛素化之后被蛋白酶降解。

因此ATR無法激活Ch1，檢測點(diǎn)機(jī)制終止，細(xì)胞重新進(jìn)入有絲分裂期[32]。Plk1介導(dǎo)的Claspin的降解對逆轉(zhuǎn)DNA損傷造成的監(jiān)測點(diǎn)細(xì)胞阻滯是必須的[30]。

Plk1不僅可以逆轉(zhuǎn)DNA損傷導(dǎo)致的細(xì)胞阻滯，還可以促進(jìn)DNA修復(fù)。當(dāng)采取HR修復(fù)機(jī)制時，Plk1磷酸化感應(yīng)蛋白Rad51(Radiation sensitive 51 homolog 1，)的Ser14，導(dǎo)致其Thr15被CK(Casein kinase)2進(jìn)一步磷酸化。雙重磷酸化促使Rad51在損傷位點(diǎn)聚集，并通過增加與Nbs1的相互作用，輔助HR修復(fù)。盡管在G2期DNA損傷應(yīng)答期間，Plk1的活力是被抑制的，但在修復(fù)啟動的過程中需要Plk1的輔助。因此，這提示損傷應(yīng)答期細(xì)胞中仍有少量的有活性的Plk1存留，具體的作用機(jī)制有待進(jìn)一步研究[33]。

3.2 M期Plk1與DNA損傷應(yīng)答

盡管與間期相比，M期持續(xù)的時間極短，但這并不影響其在有絲分裂中的重要地位。因?yàn)樵赟期完成復(fù)制的染色體，此時要將攜帶的遺傳信息分配至兩個子細(xì)胞中。在有絲分裂期的任一時期發(fā)生DNA損傷都可能啟動檢測點(diǎn)，導(dǎo)致有絲分裂阻滯。在正常情況下，Plk1的活性在M期達(dá)到高峰。但當(dāng)DNA損傷發(fā)生在M期時，ATM-Ch1-PP(Protein phosphatase)2A途徑會通過pThr210去磷酸化下調(diào)Plk1的活性，導(dǎo)致有絲分裂阻滯，從而進(jìn)行損傷修復(fù)[1]。嚴(yán)重的DNA損傷會導(dǎo)致包括Plk1在內(nèi)的一系列激酶的失活，使得細(xì)胞跳過有絲分裂后期過程及胞質(zhì)分裂，并發(fā)生核內(nèi)復(fù)制(Endoreplication)，產(chǎn)生8n DNA細(xì)胞，最終通過細(xì)胞凋亡的方式被清除[34]。

3.3 Plk1與p53在DNA損傷應(yīng)答中的相互作用

腫瘤抑制因子p53是DNA損傷檢測點(diǎn)的重要調(diào)控因子。當(dāng)DNA損傷發(fā)生時，ATM/ATR-Ch1/Ch2磷酸化Ser15和Ser20，激活p53?；罨膒53通過調(diào)節(jié)下游蛋白p21/waf1等啟動檢測點(diǎn)，導(dǎo)致細(xì)胞周期阻滯，并啟動DNA修復(fù)機(jī)制，使損傷的DNA得以修復(fù)。當(dāng)DNA損傷過度不能被修復(fù)時，p53會誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡。p53功能異常可能導(dǎo)致腫瘤的形成[35]。在DNA損傷發(fā)生時，p53與Plk1相互拮抗，共同作用，以保證損傷的細(xì)胞及時修復(fù)，被修復(fù)細(xì)胞的繼續(xù)分化以及損傷過度，無法修復(fù)細(xì)胞的凋亡。

DNA損傷發(fā)生后，除了通過ATM/ATR途徑抑制Plk1的活性，p53還可以在轉(zhuǎn)錄水平上抑制Plk1的表達(dá)。通過定位至Plk1的啟動子上并與促進(jìn)Plk1轉(zhuǎn)錄水平的E2F1結(jié)合形成p52-E2F1-Plk1啟動子DNA復(fù)合體，p53可以抑制Plk1基因的轉(zhuǎn)錄[36]。此外，p53還可以通過p21/waf1靶定Plk1啟動子上的CDE/CHR序列，或抑制轉(zhuǎn)錄因子Fox (Forhead box protein)M1的活性(FoxM1可以拮抗p53對Plk1的抑制作用)間接抑制Plk1的活性[37-38]。因此，p53對Plk1的抑制作用促進(jìn)了細(xì)胞周期阻滯，以進(jìn)行DNA損傷修復(fù)，防止異常子代細(xì)胞的產(chǎn)生。

損傷修復(fù)完成后，Plk1被重新激活，Plk1可以通過若干機(jī)制抑制p53的活性，促使監(jiān)測點(diǎn)機(jī)制終止，有絲分裂過程重新恢復(fù)。首先，Plk1可以直接與p53的序列特異性DNA結(jié)合域(Sequence specific DNA binding domain)作用，抑制其活性[39]。第二，Mdm2(Murine double minute 2)是p53的一個重要負(fù)向調(diào)節(jié)因子，它可以促使蛋白酶對p53的降解[40]。Plk1能夠磷酸化Mdm2的Ser260從而促進(jìn)Mdm2對p53的降解作用[40]。第三，Topors(Topoisomerase 1 binding protein)具有泛素和SUMO(Small ubiquitin modifier)-1 E3連接酶的活性，Plk1可以磷酸化Topors的Ser718，從而減少p53的SUMO化修飾，增加其泛素化修飾，從而促進(jìn)p53的降解[41]。此外，Plk1還可以通過磷酸化GTSE(G2 and S phase expressed protein)1的Ser435促使其轉(zhuǎn)運(yùn)至細(xì)胞核。GTSE1進(jìn)入細(xì)胞核后即與p53結(jié)合，并將其轉(zhuǎn)運(yùn)出細(xì)胞核，從而有效阻止p53的功能，并促進(jìn)細(xì)胞周期阻滯的恢復(fù)[42]。

4 Plk1與腫瘤

新近研究發(fā)現(xiàn)，在多種人類腫瘤中都觀測到了Plk1的過量表達(dá)，包括乳腺癌、結(jié)腸直腸癌、子宮內(nèi)膜癌、食道癌、頭頸鱗狀細(xì)胞癌、黑素瘤、非小細(xì)胞肺癌、口咽癌、卵巢癌、胰腺癌、前列腺癌、乳頭腺癌等[43]，并且，Plk1的表達(dá)與不良預(yù)后密切相關(guān)，因而可以作為癌癥進(jìn)程的一個指標(biāo)[44]。將Plk1作為腫瘤基因治療的靶點(diǎn)近年來廣受關(guān)注。研究表明，使用SiRNA和小分子抑制劑阻斷Plk1的表達(dá)或抑制其激酶活性，可以有效抑制腫瘤細(xì)胞增殖[45]。Plk1抑制劑作為抗癌藥物的研發(fā)盡管已取得很大進(jìn)展，但仍存在一些問題有待進(jìn)一步研究，尚沒有可以成功投入臨床應(yīng)用的藥物出現(xiàn)。不過各Plk1的小分子抑制劑均表現(xiàn)出了高效低毒性，具有良好的靶向抗腫瘤應(yīng)用前景[11]。

另一方面，關(guān)于Plk1在腫瘤發(fā)生中的作用仍存在爭議。因?yàn)镻lk1只在增殖的細(xì)胞中表達(dá)，所以Plk1在腫瘤細(xì)胞中的過量表達(dá)可能只是腫瘤細(xì)胞大量增殖的結(jié)果，而不是腫瘤的成因。盡管Plk1在很大程度上被認(rèn)為是促進(jìn)細(xì)胞增殖和癌變的癌基因，也有文獻(xiàn)報道Plk1可能具有抑制細(xì)胞增殖的作用。B.Choi等研究表明，Plk1在體內(nèi)特異性磷酸化同源性磷酸酶-張力蛋白(Phosphatase and tensin homolog，PTEN)的Ser380，使得PTEN的穩(wěn)定性增強(qiáng)，并促進(jìn)其與染色體的結(jié)合，而PTEN是一個腫瘤抑制因子[45]。此外，Plk1在腫瘤細(xì)胞系HepG2，A431、MKN74以及A549的突變也被報道，提示該突變可能利于腫瘤細(xì)胞的表型轉(zhuǎn)化[46]。并且，有研究表明小鼠體內(nèi)Plk1單倍劑量不足會促進(jìn)腫瘤的發(fā)生[47]。因此，Plk1的生物學(xué)功能可能遠(yuǎn)比人們之前認(rèn)識的要復(fù)雜。

5 Plk1與胚胎早期發(fā)育

盡管大量研究工作集中于Plk1在細(xì)胞周期調(diào)控中的作用，Plk1在胚胎早期發(fā)育中的作用卻鮮有報道。受精卵早期發(fā)育機(jī)制的研究，尤其是1-細(xì)胞期向2-細(xì)胞期轉(zhuǎn)換，即G2/M期轉(zhuǎn)換機(jī)制的研究一直是國際研究領(lǐng)域的難點(diǎn)和熱點(diǎn)之一。 L.Y.Lu等利用Plk1基因敲除小鼠對Plk1在小鼠受精卵早期發(fā)育中的作用進(jìn)行研究，結(jié)果表明，Plk1-/-小鼠胚胎在8-細(xì)胞期之后就會死亡，表明Plk1對小鼠胚胎的早期發(fā)育是必須的[47]。張哲使用Plkl shRNA和Plkl的特異性抑制劑scytomenin抑制Plkl的生物學(xué)功能的方法也證明了這一點(diǎn)[48]。K.Jeong等以斑馬魚為對象進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)Plk1缺失會導(dǎo)致斑馬魚胚胎有絲分裂阻滯，并在受精后第6天死亡[49]。由此可見，Plk1是胚胎早期發(fā)育所必須的。這提示Plk1或許有促進(jìn)胚胎卵裂、提高胚胎早期發(fā)育的潛力。

6 結(jié) 語

關(guān)于Plk1在細(xì)胞周期調(diào)控中作用的研究取得了一系列重大的突破，這些研究成果使人們對Plk1在一系列細(xì)胞周期事件中的作用機(jī)制有了更深刻的理解。與此同時，Plk1在腫瘤發(fā)生和治療相關(guān)領(lǐng)域的研究已成為了Plk1功能研究的新熱點(diǎn)?？紤]到Plk1促進(jìn)胚胎卵裂的潛力，可以預(yù)見，隨著Plk1的作用機(jī)制及其調(diào)控網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步闡明，Plk1將在胚胎早期發(fā)育領(lǐng)域顯示出更廣闊的應(yīng)用前景，這或許也是未來Plk1功能研究的一個新方向。

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(編輯 郭云雁)

From Mitosis to Carcinogenesis，the Research Progress on Plk1’s Function

WANG Zhe，JU Shi-qiang*，RUI Rong

(CollegeofVeterinaryMedicine，NanjingAgriculturalUniversity，Nanjing210095，China)

Polo-like kinase 1 (Plk1)，a well-characterized member of serine/threonine kinases Plk family，is highly conserved among eukaryotes.Plk1 has important regulatory role in cell cycles.It mediates a variety of cell cycle events，including centrosome maturation，bipolar spindle formation，mitosis entry，chromatin lining and cytokinesis by phosphorylation of different specific substrates.Recent studies suggest that Plk1，beyond its traditional function in mitosis，is also well involved in the DNA damage response，carcinogenesis and early embryonic development.In this review，the roles of Plk1 in mitosis，DNA damage response，carcinogenesis and early embryonic development will be focused，which will provide a reference for related studies.

Plk1；mitosis；DNA damage response；tumor；early embryonic development

10.11843/j.issn.0366-6964.2015.05.001

2014-06-25

國家自然科學(xué)基金(31201967)；江蘇省自然科學(xué)基金(BK2012369)；教育部博士點(diǎn)基金(20120097120007；20130097110020)

王 哲(1993-)，女，安徽滁州人，本科，主要從事動物健康方面的研究，E-mail：17110101@njau.edu.cn

*通信作者：劇世強(qiáng)，副教授，主要從事動物生殖生物學(xué)方面的研究，E-mail：jusq@njau.edu.cn

S857

A

0366-6964(2015)05-0681-08