细胞周期调控
前言
众所周知，某不知名通用细胞生物学教材在这一块内容的描述堪称清晰至极，为了增加大家学习细胞周期调控的难度，于是笔者打算从头重构，从真正细胞周期的顺序，为大家梳理一遍。
Cyclin-CDK复合物
Cyclins：细胞周期蛋白
细胞周期蛋白最初得名于其浓度在细胞周期中呈周期性变化。（根据其保守的细胞周期蛋白盒结构进行分类）细胞周期蛋白的振荡，即细胞周期蛋白基因表达的波动以及泛素介导的蛋白酶体途径对其的降解，会诱导细胞周期蛋白依赖性激酶（Cdk）活性的振荡，从而驱动细胞周期。细胞周期蛋白与Cdk形成复合物，Cdk开始被激活，但完全激活还需要磷酸化。复合物的形成导致Cdk活性位点的激活。细胞周期蛋白本身没有酶活性，但它们具有某些底物的结合位点，并将Cdk靶向特定的亚细胞定位。
结构
周期蛋白之间的一级结构（即氨基酸序列）通常差异显著。然而，所有周期蛋白家族成员在构成周期蛋白盒的约100个氨基酸区域上具有相似性。周期蛋白包含两个结构相似的全α折叠，第一个位于N端，第二个位于C端。一般认为所有周期蛋白都具有相似的三级结构，即由五个α螺旋紧密排列组成的两个结构域。其中第一个结构域为保守的周期蛋白盒，而周期蛋白盒以外的区域则呈现多样性。例如，S期周期蛋白和M期周期蛋白的氨基末端区域包含短小的破坏盒基序，这些基序可在有丝分裂中靶向引导这些蛋白质发生蛋白水解。
CDKs：细胞周期依赖性蛋白激酶
细胞周期蛋白依赖性激酶（CDKs）是一类丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶，参与细胞周期的调控。这些酶作为上游调控因子，响应细胞外和细胞内信号，调控转录、DNA修复、代谢和表观遗传调控等细胞过程。它们存在于所有已知的真核生物中，其在细胞周期中的调控功能在进化过程中高度保守。
CDKs的激活需要结合cyclins和磷酸化。这种磷酸化通常发生在特定的苏氨酸残基上，导致CDK发生构象变化，增强其激酶活性。激活后形成cyclin-CDK复合物，该复合物磷酸化特定的调节蛋白，这些蛋白是启动细胞周期各个步骤所必需的。在人类细胞中，CDK家族包含20个不同的成员，它们在细胞周期调控和转录中起关键作用。它们通常分为细胞周期CDK（调节细胞周期转换和细胞分裂）和转录CDK（介导基因转录）。CDK1、CDK2、CDK3、CDK4和CDK6直接与细胞周期事件的调控相关，而CDK7–13与转录调控相关。不同的cyclin-CDK复合物调控细胞周期的不同阶段，即G0/G1、S、G2和M期，这些阶段设有多个检查点以维持基因组稳定性并确保准确的DNA复制。较早细胞周期阶段的cyclin-CDK复合物有助于激活较后阶段的cyclin-CDK复合物。
Cyclin-CDK 复合物类型、作用及其存在周期
- G1/S 期细胞周期蛋白 – 对于细胞周期在细胞周期检查点 G1期检查点（G1/S 期转换）的调控至关重要。
- Cyclin A / CDK2 – 在 S 期活跃。
- Cyclin D / CDK4、Cyclin D / CDK6 和 Cyclin E / CDK2 – 调控从 G1 期到 S 期的转换。
- G2/M 期细胞周期蛋白 – 对于细胞周期在细胞周期检查点G2期检查点（G2/M 期转换）的调控至关重要。G2/M 期细胞周期蛋白在 G2 期稳定积累，并在细胞退出有丝分裂时（中期|M期末期）被迅速降解。
- 细胞周期蛋白B / Cdk1|CDK1 – 调控从 G2 期到 M 期的进程。
| CDK | Cyclin伴侣 | 已确认的功能 |
|---|---|---|
| CDK1 | cyclin B | M期转换 |
| CDK2 | cyclin A | S/G2转换 |
| CDK2 | cyclin E | G1/S转换 |
| CDK3 | cyclin C | G0/G1和G1/S转换 |
| CDK4, CDK6 | cyclin D | G1/S转换。视网膜母细胞瘤基因产物（Rb）的磷酸化 |
| CDK7 | cyclin H | CAK和RNAPII转录 |
CDK抑制系统（CKI）
主要分为INK4家族和CIP/KIP家族。
INK4家族
该家族的成员（p16INK4a、p15INK4b、p18INK4c、p19INK4d）是CDK4和CDK6的抑制剂。另一类CKI家族，即CIP/KIP蛋白，能够抑制所有的CDKs。强制表达INK4蛋白可通过促进Cip/Kip蛋白的重新分布并阻断cyclin E-CDK2的活性，导致G1期阻滞。在周期中的细胞里，随着细胞在G1期推进，Cip/Kip蛋白会在CDK4/6和CDK2之间重新分配。INK4蛋白的功能是抑制CDK4/6，从而阻止细胞周期越过G1期限制点。此外，INK4蛋白在细胞衰老、凋亡和DNA修复中也发挥作用。
CIP/KIP
CIP/KIP（CDK相互作用蛋白/激酶抑制蛋白）家族是参与调控细胞周期的哺乳动物周期蛋白依赖性激酶抑制剂（CKI）的两个家族（CIP/KIP和INK4）之一。
CIP/KIP家族由三种蛋白质组成：p21cip1/waf1、p27kip1和p57kip2。这些蛋白质在N端结构域具有序列同源性，这使得它们能够同时结合cyclin和CDK。它们的主要活性涉及结合并抑制G1/S期和S期的CDKs；然而，研究也表明它们在激活G1期CDKs（CDK4和CDK6）中发挥重要作用。此外，最近的研究工作显示，CIP/KIP家族成员还具有许多不依赖于CDK的功能，涉及调控转录、细胞凋亡和细胞骨架。
CIP/KIP家族蛋白能够结合多种G1/S期和S期的cyclin-CDK复合物，包括cyclin D-CDK4/6复合物以及cyclin E-、cyclin A-CDK2复合物。传统观点认为CIP/KIP蛋白的作用是抑制所有这些复合物；然而后来发现，CIP/KIP蛋白在抑制CDK2活性的同时，也可能通过促进cyclin D与CDK4/6之间的稳定结合来激活cyclin D-CDK4/6的活性。
cyclin A-CDK2的调控
p27同时与cyclin A和CDK2相互作用。此外，p27模拟ATP并插入ATP结合位点，从而阻止ATP结合。这种机制阻断了任何激酶活性，并阻止了视网膜母细胞瘤蛋白（Rb）的下游过度磷酸化，而Rb的过度磷酸化通常会导致E2F转录因子的释放以及细胞周期相关基因的转录。
cyclin D-CDK4/6的调控
Cyclin D与其CDK的亲和力较低。因此，有假设认为需要额外的蛋白质来形成稳定的cyclin D-CDK4/6复合物。越来越多的证据表明，CIP/KIP蛋白参与了这种稳定作用。首个证据来自观察到p27经常与有活性的cyclin D-CDK4复合物发生免疫共沉淀。此外，缺乏p21和p27的小鼠胚胎成纤维细胞中cyclin D1水平较低，且免疫沉淀的cyclin D-CDK复合物没有激酶活性。重新引入p21和p27可以挽救这些效应，但重新引入cyclin D1却不能，这表明CIP/KIP蛋白对于cyclin D-CDK的活性至关重要。体外实验证据表明，cyclin D-CDK对CIP/KIP的结合并不局限于p21和p27，p57也可以实现这种结合。
CIP/KIP对G1-S期调控的模型
基于CIP/KIP蛋白结合CDK2还是CDK4/6所产生的不同作用，形成了一个模型：在G1早期，CIP/KIP蛋白结合并失活CDK2复合物；然而，随着Cyclin D的产生，CIP/KIP蛋白被移除并重新用于稳定cyclin D-CDK。这种隔离作用随后释放了cyclin A-和cyclin E-CDK2，使其能够过度磷酸化Rb并促进细胞周期的进程。该模型得到以下发现的支持：表达野生型或无催化活性的CDK4均可隔离CIP/KIP蛋白，从而导致cyclin E-CDK2的激活。这一发现表明，cyclin D-CDK复合物隔离CIP/KIP蛋白的能力超过了其对CDK2的抑制活性。