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。

**人类细胞周期CDK、其cyclin伴侣及其功能**
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（p16^INK4a、p15^INK4b、p18^INK4c、p19^INK4d）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）家族由三种蛋白质组成：p21^cip1/waf1、p27^kip1和p57^kip2。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。

Rb-E2F通路与G₁/S转换

文件:RB pathway.png

Rb-E2F通路在G₁/S转换中的作用。

G₁/S转换是细胞周期中位于G₁期与S期交界处的一个阶段。在这一阶段，细胞会依据环境线索和分子信号输入，决定进入静止状态（G₀）、分化、进行DNA修复，还是继续增殖。该转换发生在G₁晚期，其调控失常可导致细胞转化和癌症等疾病状态。

在哺乳动物细胞中，G₁/S转换与视网膜母细胞瘤蛋白（pRb）和E2F转录因子的调控密切相关。在G₁中期，pRb与E2F形成复合物，使E2F处于失活状态。pRb-E2F/DP复合物还可招募组蛋白去乙酰化酶（HDAC）到染色质上，从而抑制促进S期的转录。随着cyclin D被合成并激活CDK4/6，Rb蛋白被磷酸化，随后E2F被释放并被激活。活化的E2F可驱动其他细胞周期蛋白（包括cyclin E和cyclin A）以及DNA复制所需基因的表达。cyclin E与CDK2结合后，可进一步磷酸化pRb，从而进一步激活E2F并推动细胞从G₁进入S期。

限制点（Restriction point）

G₁/S转换被称为“无返回点”。在酵母中这一点称为Start point，在多细胞真核生物中称为限制点（restriction point，R-point）。细胞一旦通过G₁/S转换，通常会继续完成这一轮细胞周期，而不再依赖进入该阶段之前的促有丝分裂因子输入。这种特性与G₁-S转录程序中的正反馈回路有关，包括G₁细胞周期蛋白的积累以及E2F的积累。

DNA损伤应答与细胞周期检查点

细胞周期检查点是控制真核细胞周期的监控机制。经典的检查点包括位于G₁与S期之间的限制点、位于G₂与M期之间的G₂/M检查点，以及发生在M期的纺锤体检查点。这些检查点有助于维持基因组稳定性，并确保细胞在适当条件下推进到下一阶段。

p53-p21通路

p21^Cip1（亦称p21^Waf1）是一种细胞周期蛋白依赖性激酶抑制剂，是p53活性的一个主要靶点，因此与DNA损伤和细胞周期阻滞之间的联系密切相关。p21能够结合并抑制cyclin-CDK复合物，尤其与抑制CDK2关系最为密切。DNA损伤发生后，在具有功能性p53的细胞中，p21会被上调，从而加强G₁/S检查点控制并为DNA修复提供时间。相反，p53突变会削弱p21的诱导，从而损害这一检查点控制。

DNA复制许可与S期调控

DNA复制必须在每个细胞周期中完成且只完成一次。为此，真核细胞将复制起点的“许可”和后续的复制启动加以区分。

前复制复合物（pre-RC）

前复制复合物（pre-replication complex, pre-RC）是DNA复制起始前装配于复制起点上的蛋白复合物。在大多数真核生物中，pre-RC由六个ORC蛋白（ORC1-6）、Cdc6、Cdt1以及由六个MCM蛋白组成的异源六聚体（MCM2-7）构成。起始识别复合物（origin recognition complex，ORC）是一个多亚基DNA结合复合物，在真核生物和古菌中以ATP依赖方式结合复制起点。ORC是组装pre-RC的基础，而pre-RC在G₁期的装配是染色体复制许可所必需的。

防止重复复制

在每个细胞周期中，基因组必须被完整复制一次且仅一次。因此，pre-RC在晚M期和早G₁期形成后，在该轮复制完成之前不得再次形成。在酵母中，CDK可在晚G₁、S期和G₂期阻止复制复合物重新形成，例如将MCM2-7和Cdt1排除出细胞核、促进Cdc6经蛋白酶体降解，以及通过磷酸化使ORC1-6脱离染色质。在后生动物中，还存在Geminin这一额外机制：在S期和G₂期，Geminin与Cdt1结合并抑制其将MCM2-7装载到复制起点上的能力。在动物细胞中，Geminin是pre-RC组装的重要抑制因子；在G₁期，APC维持Geminin水平较低，从而允许Cdt1参与pre-RC装配，而在G₁末期APC失活后，Geminin得以积累并结合Cdt1。

G₂/M转换与CDK1调控

G₂-M DNA损伤检查点是一个重要的细胞周期检查点，用于确保细胞在受损DNA或未完成复制的DNA得到足够修复之前，不会启动有丝分裂。生化上，G₂期的结束对应于活化的cyclin B1/CDK1复合物达到阈值。cyclin B-CDK1活性是G₂/M检查点的核心。

Wee1与Cdc25

随着细胞准备进入有丝分裂，cyclin B逐渐积累并提高CDK1（历史上称Cdc2）的活性。该复合物的活性还受到磷酸化和去磷酸化调控。Cdc25通过去除抑制性磷酸来激活cyclin B-CDK1复合物，而Wee1则通过在CDK1上进行抑制性磷酸化来使其失活。Wee1对CDK1的抑制可防止细胞进入有丝分裂；在有丝分裂进入过程中，Wee1活性下降而CDK1活性上升。cyclin B-CDK1、Cdc25和Wee1之间构成正反馈调控，因此有丝分裂进入具有明显的“全或无”特征。

G₂/M DNA损伤检查点

DNA损伤会触发ATM或ATR通路，分别激活Chk2和Chk1。这些激酶作用于Cdc25和Wee1，而后两者是cyclin B-CDK1复合物的直接调节因子。Chk1和Chk2可磷酸化Cdc25，从而抑制其活性并促进其泛素化降解；这些通路还可刺激p53，进而调节p21和14-3-3蛋白的功能。与此同时，ATM/ATR通路也有助于维持Wee1和Myt1的稳定。总体而言，Cdc25被抑制而Wee1被维持，会阻止CDK1被激活，从而使细胞停滞于G₂期并为DNA修复提供时间。

纺锤体组装检查点（SAC）

纺锤体检查点（spindle checkpoint，亦称spindle assembly checkpoint，SAC）是在有丝分裂中监测染色体与纺锤体连接状态的信号通路。该检查点确保后期仅在所有姐妹染色单体的着丝粒都已正确连接到微管后才开始。只要仍有未附着的着丝粒，检查点就保持活跃。SAC的重要靶标之一是APC/C^Cdc20。Mad2、Mad3（BubR1）和Bub3等蛋白与CDC20共同组成有丝分裂检查点复合物（MCC），从而抑制APC/C^Cdc20，防止细胞过早进入后期。

泛素化介导的蛋白降解

细胞周期推进依赖调控蛋白的合成与降解。在这些调控蛋白中，两类泛素连接酶对细胞周期检查点的推进尤为关键，即APC/C和SCF复合物。

SCF复合物

SCF复合物（SKP1-CUL1-F-box protein complex）参与G₁/S与G₂/M转换的调控。SCF常以磷酸化依赖方式识别底物。Skp2是SCF中的一个F-box蛋白，作为底物识别因子，可靶向p27^Kip1和p21等细胞周期抑制蛋白。p27^Kip1在被E/A-CDK2磷酸化并与Cks1结合后，可被Skp2识别并泛素化，从而在晚G₁和早S期被降解。

APC/C复合物

后期促进复合物/周期体（anaphase-promoting complex/cyclosome，APC/C）是一个大型蛋白复合物，其活性需要与激活亚基Cdc20或Cdh1结合。进入中期时，纺锤体检查点会抑制APC/C，直到所有姐妹动粒都附着于有丝分裂纺锤体相对两极，完成染色体双向定向。当所有动粒均正确附着后，纺锤体检查点被沉默，APC/C便可被激活。随后，APC/C^Cdc20靶向securin和M期细胞周期蛋白（如cyclin B）进行降解。

中期/后期转换与姐妹染色单体分离

Securin参与中期到后期转换以及后期起始的控制。在后期开始之前，securin与separase结合并抑制其活性。separase是一种蛋白酶，可切割连接姐妹染色单体的cohesin复合物。完成双向定向并解除纺锤体检查点后，APC/C促进securin降解，释放活化的separase；separase随后切割cohesin，从而促进姐妹染色单体分离并启动后期。

有丝分裂退出

除securin外，APC/C^Cdc20还会靶向M期细胞周期蛋白进行降解。cyclin B的降解导致CDK1活性下降，这是细胞退出有丝分裂的重要条件。APC/C的活性依赖于与不同激活亚基结合：Cdc20主要在中期/后期转换中发挥作用，而Cdh1则更多与有丝分裂末期和随后的G₁期相关。

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