細胞分裂周期蛋白Cdc14A功能的研究進展

蘇日古嘎, 孟 峻

(1.內蒙古醫科大學研究生學院，內蒙古 呼和浩特 010059；2.內蒙古醫科大學附屬醫院檢驗科，內蒙古 呼和浩特 010050)

細胞周期包含了細胞生長、增殖及發育，對某種細胞的細胞周期進行研究就可以揭示出這種細胞的生長、增殖和發育過程。細胞周期包含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)。細胞分裂周期14A(cell division cycle 14A，Cdc14A)蛋白磷酸酶作為重要的細胞周期調節蛋白，可通過作用于減數分裂、胞質分裂和有絲分裂等多個環節來調控細胞周期。Cdc14A相關研究成果可應用于增加動物繁殖、人工輔助生殖及腫瘤治療等領域。目前我國尚無Cdc14A相關綜述報道。本文作者圍繞Cdc14A的功能及其在細胞分裂進程中發揮的生物學作用等方面進行綜述。

1 Cdc14A概述

Cdc14A磷酸酶是Hartwell在篩查調控出芽酵母細胞周期基因時發現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核心結構域的晶體結構分析發現：Cdc14含有調節底物特異性的A結構域和PTP模序的催化B結構域。脊椎動物Cdc14B亞型具有從N末端延伸的獨特的KKIR序列，負責將相關蛋白分子運輸至核仁。相關研究[1]結果表明：蛋白質C末端部分對于Cdc14亞細胞定位尤為重要，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)相關的磷酸化(NDR)激活在有絲分裂退出網絡(MEN)和間隔起始網絡(SIN)途徑中的激酶。Cdc14蛋白磷酸酶作為重要的細胞周期調節蛋白，在減數分裂期間可降低細胞周期蛋白依賴性激酶1(CDK1)活性并具有逆轉CDK1的作用，因此CDC14參與調控細胞周期的多個環節。從酵母到人類，在真核生物G2期阻滯中發揮穩定的保守性作用。Cdc14在G2/M期轉換時能下調CDK1的活性，其功能涉及有絲分裂后期的調控及退出有絲分裂和胞質分裂[2-3]。根據已有的對酵母及人骨肉瘤細胞研究顯示：Cdc14是一個重要的細胞周期進程調控因子，其表達的缺失不僅會抑制DNA，還會導致細胞分裂受阻。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胞。過表達hCdc14A導致S期中心粒提前分離、畸形和多極紡錘體,下調hCdc14A的表達導致有絲分裂多種缺陷，包括胞質不分裂等[4-5]。

2 Cdc14的生物學作用

2.1 Cdc14A在減數分裂中的作用

2.1.1 Cdc14A在芽殖酵母中的作用 Cdc14A主要通過調節卵母細胞的成熟以促進第一次減數分裂前期至第二次減數分裂中期的轉換。Cdc14A存在于無性卵母細胞的生發囊泡中，并且分散于具有減數分裂能力的卵母細胞中，因此Cdc14A的定位和獲得減數分裂能力相關聯。Cdc14同源物clp1/flp1可以促進收縮環的穩定，說明clp1/flp1對于胞質分裂極為重要。這種促進胞質分裂的作用在多細胞生物體中保留，如在秀麗隱桿線蟲和人組織體細胞中。

研究[9]表明：在減數分裂中Cdc14與主軸極體(SPB)相結合，其相結合的定位對于允許重復循環非常重要，Cdc14退出減數分裂Ⅰ的主要作用是重新允許SPB復制；相反，過早激活Cdc14可以阻止SPB分離。另外，Cdc14由減數分裂Ⅰ向減數分裂Ⅱ轉化的關鍵作用是逆轉關鍵磷酸化過程以實現SPB重復復制。減數分裂Ⅰ和減數分裂Ⅱ的2個循環連續發生時沒有干預DNA復制。這與有絲分裂細胞周期形成對比，其中DNA復制和染色體分離交替產生同倍體。在有絲分裂結束時，細胞CDK被滅活。在G1晚期，這種低CDK狀態允許DNA復制和中心體/SPB復制等關鍵活動的準備。其關鍵在于減數分裂Ⅰ和減數分裂Ⅱ之間，中心體/SPB復制必須重新獲得許可，以避免DNA重復復制。在發芽酵母中，Cdc14磷酸酶通過多種機制觸發CDK失活，促進有絲分裂退出并返回到G1期。此外，Cdc14的異位活化對減數分裂無益，其中蛋白質磷酸酶2A(Cdc55)調節亞基的消耗導致Cdc14從減數分裂核仁中被過早釋放，從而使核分裂無法正常進行，其原因可能是Cdc55缺失、細胞中Cdc14的失活而影響了主軸裝配和雙核細胞的生成，表明過度活化的Cdc14是阻斷主軸裝配的主要因素。因此，Cdc14的適當調節對于減數分裂期間控制主軸形態發生至關重要[6-11]。

研究[12-14]表明：在細胞進入分裂期后Cdc14能快速降解有絲分裂的誘導子Cdc25，并且在體外證明Cdc25是Cdc14的底物，Cdc14下調Cdc25的活性以確保快速鈍化Cdc2激酶，從而觸發細胞分裂。過表達Cdc14細胞阻滯于G2期，此時Cdc25脫磷酸化；下調Cdc14 的表達，導致高度磷酸化Cdc25，并且增加Cdc25穩定性，在體內可使二者結合，Cdc25脫磷酸而變得不穩定，隨后降解。

2.1.2 Cdc14A在小鼠卵母細胞中的作用 Cdc14A在生發泡(GV)期定位于細胞核，在生發泡破裂(GVBD)后聚集在染色體周圍，在第1次減數分裂的前期(MⅠ)和第2次減數分裂的中期(MⅡ)則定位于整個細胞質，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，調節小鼠卵母細胞成熟，促進卵母細胞MⅠ/MⅡ過渡。在釀酒酵母中，Cdc14在間期被隔離于核仁，沒有活性；在進入分裂期時，Slk19促進部分Cdc14從核仁釋放到細胞核，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Cdc14釋放到細胞質[19-22]。

2.1.3 Cdc14A在人體細胞中的作用 過表達Cdc14A抑制Cdc2激酶的活性，從而使細胞阻滯于G2期，下調Cdc14A的表達，使細胞加速通過G2/M轉換期；Cdc14A在G2/M期過渡時表達水平升高，活性進一步增強，直接與Cdc25B結合，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的活性來調節細胞G2/M期過渡[23-24]。

2.2 Cdc14A對于腫瘤細胞的作用

細胞周期的運轉是細胞周期蛋白在時間和空間上有序表達和調控的結果，無法完成正常細胞周期的細胞將發生凋亡或癌變。Cdc14激活是芽殖酵母退出有絲分裂而進入下個細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異常表達導致染色體分離異常[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在各種腫瘤細胞系的表達水平各不相同，而且在多數P53高表達腫瘤細胞系表達水平較低[29]。由此可見，hCdc14A的異常會導致基因組不穩定，可能在腫瘤發生發展過程中發揮重要作用。

2.3 Cdc14在DNA修復中的作用

研究[25]發現：Cdc14對于發芽酵母完成重組DNA修復是必不可少的。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依賴性磷酸化狀態或Spc110在誘導DNA損傷期間失活而產生異常振蕩的SPB活動，破壞了DSB-SPB的相互作用。另外，已經鑒定出一個潛在的CDK位點(T18)定位于Spc110的N末端。雖然體外測定已經證明CDK的T18通過c-微管蛋白復合物磷酸化使寡聚化失活；但在體內實驗中，由于促進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的調節方式不同[27-29]。

2.4 其他作用

翻譯后修飾是蛋白質發揮生物學功能的重要調節機制之一，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互相作用蛋白時發現了一種新的胞漿蛋白，命名為BRCA1相關蛋白質2(BRAP2)。可以與BRCA1的核定位序列結合，使核蛋白P21滯留在胞漿中，從而影響單核細胞分化。Li等[31]研究了 BRAP2在Ras信號轉導通路上的作用，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hCdc14A的泛素化修飾，可能是hCDC14A的泛素連接酶。

此外，生殖相關實驗[33-35]顯示：給予micro-RNA-152-3p擬似劑作用于雌激素預處理的Ishikawa細胞，Cdc14A蛋白的表達水平下降，同時細胞增殖也受到抑制；而用特異性micro-RNA-152-3p抑制劑作用雌、孕激素聯合預處理的子宮內膜上皮細胞，Cdc14A表達增加，而細胞增殖活性提高，進一步證明了孕激素可通過誘導micro-RNA-152-3p的表達抑制子宮內膜上皮細胞的增殖，Cdc14A蛋白可能是micro-RNA-152-3p抑制子宮內膜上皮細胞增殖的靶蛋白。

3 小 結

有關Cdc14A的研究成果可以通過以下幾個方面給予說明：① 應用于農牧業，提高動物的繁殖數量；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 應用于腫瘤治療，通過過表達Cdc14A，使腫瘤細胞停滯在G2期，抑制腫瘤細胞的生長。通過查閱相關文獻，得知Cdc14A通過參與不同的細胞信號傳導途徑來調節細胞的發育與增殖，調控細胞的凋亡和抑制腫瘤的形成。這對細胞的正常發育生長至關重要，一旦這種細胞信號傳導通路受損，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，仍需要進一步深入研究，從而更全面地了解分子調控機制。