赫　瑋(綜述)，高豐厚(審校)

(上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)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(jìn)展

赫瑋△(綜述)，高豐厚※(審校)

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

摘要：作為細(xì)胞周期的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，有絲分裂過(guò)程受到嚴(yán)格而精細(xì)的調(diào)控，隨著對(duì)有絲分裂調(diào)控的探討與拓展，也逐漸加深了人們對(duì)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(xì)胞有絲分裂調(diào)控的各環(huán)節(jié)，該文擬歸納總結(jié)Plk1在有絲分裂中諸如CDK1-Cyclin B復(fù)合物的激活、紡錘體形成、染色體分離和胞質(zhì)分裂這些過(guò)程中的研究進(jìn)展，并描繪PLK-1在有絲分裂調(diào)控中的作用與意義，為進(jìn)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(guān)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(zhǎng)過(guò)程中保持生物學(xué)形狀的穩(wěn)定性與細(xì)胞染色體正確分離密切相關(guān)，染色體的分離主要發(fā)生在細(xì)胞周期中有絲分裂期，該期的整個(gè)過(guò)程有序進(jìn)行依賴(lài)于細(xì)胞擁有復(fù)雜而精細(xì)的調(diào)控程序。對(duì)參與細(xì)胞有絲分裂的每個(gè)分子在整個(gè)有絲分裂過(guò)程中的作用與機(jī)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(xì)胞G1期幾乎不能探及，在S期開(kāi)始積蓄，于G2末期達(dá)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(xì)胞中PLK1表達(dá)下降會(huì)引起細(xì)胞無(wú)法精確及時(shí)地進(jìn)入有絲分裂[2]，紡錘體形成阻滯[3]，染色體分離異常，最終導(dǎo)致胞質(zhì)分裂失敗[4-5]。這些研究說(shuō)明PLK-1參與有絲分裂各個(gè)時(shí)相的調(diào)控。

1PLK1的生化特性

1994年Golsteyn等[6]報(bào)道Plk1定位于16p12.3，信使RNA長(zhǎng)約2.3 kb，編碼的蛋白質(zhì)相對(duì)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(dá)的蛋白具有較大的同源性。PLK1的N端有一個(gè)高度保守的催化區(qū)域，C端有2個(gè)可調(diào)節(jié)PLKs活性及亞細(xì)胞動(dòng)態(tài)定位的特征性結(jié)構(gòu)域polo盒(polo-box domain,PBD)。PLK1 N端的激酶結(jié)構(gòu)域晶體結(jié)構(gòu)顯示[7]，其N(xiāo)端的Ser/Thr 激酶結(jié)構(gòu)域中含有1個(gè)T環(huán)結(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)域結(jié)合，抑制激酶結(jié)構(gòu)域中的T210被磷酸化，從而抑制其活性。當(dāng)PBD結(jié)構(gòu)域與其配體結(jié)合后，PBD與Ser/Thr激酶結(jié)構(gòu)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(xì)胞中過(guò)表達(dá)T210D的突變體PLK1，可明顯增加G2/M期細(xì)胞比例[9]。

2PLK1參與細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶1-細(xì)胞周期蛋白B復(fù)合物的調(diào)節(jié)

在G2/M期轉(zhuǎn)換過(guò)程中，推動(dòng)細(xì)胞由G2末期進(jìn)入M期主要直接動(dòng)力來(lái)自于成熟促進(jìn)因子，即細(xì)胞周期蛋白依賴(lài)性激酶1-細(xì)胞周期蛋白B(cyclin dependent kinase 1-cyclin B，CDK1-cyclin B)復(fù)合物。CDK1-cyclin B復(fù)合物是在真核細(xì)胞中普遍存在的一種活性復(fù)合物，其活性隨細(xì)胞周期發(fā)生變化，在G2期的晚期開(kāi)始出現(xiàn)活性，在M期活性最強(qiáng)，該復(fù)合物活化后可啟動(dòng)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(shí)，PLK1與CDK1-cyclin B復(fù)合物同時(shí)聚集于中心體，CDK1-cyclin B復(fù)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(jìn)因子以無(wú)活性的前成熟促進(jìn)因子形式存在。細(xì)胞進(jìn)入分裂期時(shí)，PLK1通過(guò)磷酸化Weel的53位和123位絲氨酸，使Weel產(chǎn)生phoshodegron信號(hào)并被β-TrCP-SCF識(shí)別而降解[12]，CDK1的Thr14和Tyr15隨之去磷酸化，誘導(dǎo)CDK1向細(xì)胞核遷移并激活CDK1使一小部分CDK1-cyclin B復(fù)合物先被激活。PLK1和已被激活的CDK1-cyclin B復(fù)合物使磷酸酶CDC25磷酸化，催化CDC25定位于細(xì)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(gè)CDK1的自催化激活過(guò)程，從而激活更多的CDK1-cyclin B復(fù)合物。PLK1除通過(guò)磷酸化Weel激酶誘導(dǎo)CDK1向細(xì)胞核遷移外，還可直接磷酸化cyclin B核輸出信號(hào)NES區(qū)域外的Ser133，進(jìn)一步促使CDK1-cyclin B復(fù)合物向核內(nèi)轉(zhuǎn)移[14]并激活之，推進(jìn)有絲分裂進(jìn)程。研究發(fā)現(xiàn)，在多種生物體內(nèi)干擾PLK1的功能通常導(dǎo)致有絲分裂的滯后及異常而非G2期阻滯，表明CDK1-cyclin B復(fù)合物的功能可以在無(wú)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(jìn)入的速率但卻不是執(zhí)行有絲分裂所必需的。

3PLK1促進(jìn)紡錘體形成

紡錘體是真核細(xì)胞有絲分裂或減數(shù)分裂過(guò)程中形成的中間寬兩端窄的紡錘狀結(jié)構(gòu)，由兩端中心體及大量縱向排列的微管構(gòu)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(guān)，紡錘體的完整性決定了有絲分裂在時(shí)間和空間上的準(zhǔn)確性。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入G2/M期，PLK1活性增加并磷酸化與形成微管組織中心有關(guān)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(jìn)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(duì)Nlp的磷酸化有助于招募g-微管蛋白環(huán)形復(fù)合物結(jié)合蛋白到中心體，隨后促使Nlp與g-微管蛋白環(huán)形復(fù)合物分離，加速微管組織中心消失，進(jìn)而形成紡錘絲。同時(shí)，PLK1對(duì)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(dòng)態(tài)過(guò)程，微管在動(dòng)力蛋白的作用下相互滑動(dòng)，產(chǎn)生了姐妹染色單體向兩極分離時(shí)所需的拉力。Lane等[16]研究發(fā)現(xiàn)，通過(guò)在HeLa 細(xì)胞內(nèi)注射抗PLK1的抗體降低PLK1的活性，細(xì)胞的中心體明顯變小且微管蛋白量減少；同時(shí)，PLK1活性降低可導(dǎo)致能特異性地識(shí)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(yīng)性顯著降低，最終導(dǎo)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(dòng)粒微管拉向兩極，最終實(shí)現(xiàn)染色體的平均分配，染色體精確分離對(duì)生物體的發(fā)育及物種繁殖具有十分重要的意義。細(xì)胞周期后期促進(jìn)復(fù)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(wù)是調(diào)控連接同源染色體之間的粘連蛋白cohesion的降解。當(dāng)細(xì)胞進(jìn)入M 期的中期時(shí)，APC/C誘導(dǎo)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(jié)合并抑制separase活性。Securin降解后促使separase被活化，活化后的separase通過(guò)剪切cohesin 破壞姐妹染色單體之間的聯(lián)結(jié)使姐妹染色單體被拉向兩極，最終導(dǎo)致染色體分離。為保證親代與子代細(xì)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(dǎo)致Emi1降解，Emi1對(duì)APC/C的抑制作用被解除，從而激活A(yù)PC/C[18]。活化的APC/C通過(guò)securin途徑使cohesin 降解，從而促進(jìn)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(huì)阻止染色體的壓縮，凝集的染色體上仍聚集著大量cohesin，導(dǎo)致后期染色單體的分離受到威脅[20]。如果人為下調(diào)HeLa細(xì)胞中PLK1的表達(dá)，可觀察到大約有45%的細(xì)胞核出現(xiàn)了異常的啞鈴狀結(jié)構(gòu)，另有15%的細(xì)胞雖然完成了染色體分離但卻無(wú)法進(jìn)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(wú)法正常分離，證實(shí)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(dòng)物細(xì)胞通過(guò)已分離的染色體之間的分裂溝內(nèi)陷實(shí)現(xiàn)胞質(zhì)的分裂，胞質(zhì)分裂后在膜融合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生了2個(gè)獨(dú)立的子細(xì)胞。分裂后期，中心紡錘體復(fù)合體組分之一HsCyk-4與鳥(niǎo)嘌呤核苷酸交換因子2 (epithelial cell transforming sequence 2，Ect2 )相互作用并形成復(fù)合物，該復(fù)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(duì)應(yīng)的胞膜處形成縊縮環(huán)[22]，進(jìn)而啟動(dòng)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(dá)降低不僅會(huì)抑制紡錘體的形成，而且會(huì)導(dǎo)致在有絲分裂后期無(wú)法形成縊縮環(huán)及分裂溝，從而阻止了新的細(xì)胞膜生成。近年來(lái)，有人提出了PLK1不僅能促進(jìn)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(guò)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(gè)供Ect2識(shí)別的磷酸肽序列，誘導(dǎo)HsCyk-4/Ect2復(fù)合物的形成[25]，以此激活RhoA并形成縊縮環(huán)。相反，當(dāng)PLK1活性被抑制，使得HsCyk-4無(wú)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(wú)法形成，最終導(dǎo)致胞質(zhì)分裂異常[5]。

6結(jié)語(yǔ)

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(jìn)細(xì)胞有絲分裂，其不僅參與調(diào)節(jié)有絲分裂的啟動(dòng)、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(xiàn)數(shù)據(jù)雖能說(shuō)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(jìn)程。但是，關(guān)于在動(dòng)物的整體水平上PLK1異常表達(dá)或過(guò)度活化，甚至缺失的情況下可能產(chǎn)生的與有絲分裂相關(guān)的效應(yīng)有待進(jìn)一步去探索；另外，在人類(lèi)中與細(xì)胞分裂相關(guān)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(gè)問(wèn)題得到準(zhǔn)確回答，才能通過(guò)相應(yīng)的手段去干預(yù)PLK1，以便達(dá)到通過(guò)PLK-1對(duì)有絲分裂的定向調(diào)控。

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《醫(yī)學(xué)綜述》榮獲“RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)期刊(A-)”

在第四屆《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊評(píng)價(jià)研究報(bào)告 (武大版)(2015-2016) 》中，《醫(yī)學(xué)綜述》被評(píng)為“RCCSE中國(guó)核心學(xué)術(shù)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(xiàng)目：上海交通大學(xué)醫(yī)學(xué)院附屬第三人民醫(yī)院自然科學(xué)研究基金(SYZ2013-008)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.20.005

中圖分類(lèi)號(hào)：R73; Q78

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1006-2084(2015)20-3659-03