周期蛋白依赖性激酶
周期蛋白依赖性激酶或周期素依赖性激酶（英语：cyclin-dependent kinase，CDK）是一个蛋白质激酶家族，因其在细胞周期中发挥调控作用而被发现，该蛋白家族也涉及转录调控、mRNA加工和神经细胞的分化[1]。这类酶存在于已知所有真核生物中，其在细胞周期中的调控作用在进化中相当保守。事实上，酵母细胞的CDK基因被人类的同源基因替换后仍可以正常生长分裂[1][2]。CDK还是相对较小的蛋白，其分子量在34到40千道尔顿之间，包含有多个激酶结构域[1]。
如其名称，CDK的激酶调控活性依赖于周期素。在没有周期素的情况下，CDK几乎没有激酶活性，只有周期素-CDK复合物才是有活性的激酶。CDK磷酸化其底物的丝氨酸/苏氨酸残基，因此属于丝氨酸/苏氨酸激酶类[1]。CDK的磷酸化位点的共有氨基酸序列为*Ser/Thr-Pro-X-Lys/Arg（其中X为任意氨基酸，*为磷酸化位点，/表示两种氨基酸皆可）[1]。
历史
CDK的前身为MPF，即成熟促进因子，或称细胞有丝分裂促进因子。其最早发现于20世纪70年代。1970年，R. T. Johnson 和 P. N. Rao 将HeLa细胞的不同时相与间期细胞在仙台病毒介导下融合并继续培养。他们发现，融合后的间期细胞发生了不同形态的染色体凝缩，被称为早熟染色体凝缩。G1期为细单线状，S期为粉末状，G2期为双线染色体状。该现象提示M期细胞中可能有一种诱导染色体凝缩的因子。1971年，Y. Masui 与 C. L. Market 使用非洲爪蟾卵细胞做实验，证实了MPF的存在。
MPF被发现以后的纯化工作进展缓慢。直到1988年，James Maller 实验室的 Lohka 等人才从非洲爪蟾细胞中分离出纯化MPF，并证明其是一种蛋白激酶。
类型
表1：已知的CDK与对应的周期蛋白，及其在人类中的功能[3]以及在功能缺失小鼠中的影响[4][5]。
| CDK | 结合的周期素 | 功能时期 | 小鼠中缺失的影响 |
|---|---|---|---|
| Cdk1 | Cyclin A/B1/B2/B3 | M 期 | 无影响 ~E2.5. |
| Cdk2 | Cyclin D1/D2/D3/E | G1/S 转变 | 体积缩小，存活，雄性雌性皆不育 |
| Cdk2 | Cyclin A | S 期, G2 期 | 不育。 |
| Cdk3 | Cyclin C | G1 期 ? | 无缺陷，存活，可育。 |
| Cdk4 | Cyclin D1/D2/D3 | G1 期 | 体积缩小，患有1型糖尿病，存活，雄性雌性皆不育。 |
| Cdk5 | p35/Cyclin D1/D3 | 转录 | 严重的神经系统缺陷。出生后立即死亡。 |
| Cdk6 | Cyclin D1/D2/D3 | G1 期 | 个体不正常，胸腺和脾发育缺陷，某些T细胞对抗原应答滞后。 |
| Cdk7 | Cyclin H | CDK-激酶，转录 | |
| Cdk8 | Cyclin C | 转录 | 胚胎期致死。 |
| Cdk9 | Cyclin T1/T2a/T2b/K | 转录 | 胚胎期致死。 |
| Cdk11 | Cyclin L | ? | 有丝分裂缺陷。 E3.5. |
| Cdk11p58 | ? | G2/M | ? |
| Cdk11p110 | ? | ? | ? |
| ? | Cyclin F | ? | 胚胎外组织缺陷。E10.5. |
| ? | Cyclin G | ? | ? |
| Cdk12L | Cyclin L1/L2 | ? | ? |
| Cdk12S | Cyclin L1/L2 | ? | ? |
CDK、周期蛋白在细胞周期中的作用
大部分已知的周期素-CDK复合体有调控细胞周期进程的功能。动物细胞中至少有九种CDK，其中四种Cdk1、2、3、4直接涉及细胞周期的调节[1]。在哺乳动物细胞中，CDK1与周期蛋白A2和B1配搭，驱动细胞周期前进[4]。而另一个CDK，Cdk7则间接涉及周期蛋白依赖性激酶激活激酶的活化[1]。周期素-CDK复合物的磷酸化底物由细胞周期时期不同而不同[3]。在细胞周期较前期的周期素-CDK复合体会帮助激活较后期的周期素-CDK复合体[1]。
表2：细胞周期不同时期的周期蛋白和CDK
| 细胞周期 | 周期素 | CDK |
|---|---|---|
| G0 | C | Cdk3 |
| G1 | D, E | Cdk4, Cdk2, Cdk6 |
| S | A, E | Cdk2 |
| G2 | A | Cdk2, Cdk1 |
| M | B | Cdk1 |
表3： 模式生物中的CDK控的细胞周期[1]
| 物种 | 名称 | 原名称 | 大小（氨基酸残基） | 功能 |
|---|---|---|---|---|
| 芽殖酵母 | Cdk1 | Cdc28 | 298 | All cell-cycle stages |
| 裂殖酵母 | Cdk1 | Cdc2 | 297 | All cell-cycle stages |
| 黑腹果蝇 | Cdk1 | Cdc2 | 297 | M |
| Cdk2 | Cdc2c | 314 | G1/S, S, possibly M | |
| Cdk4 | Cdk4/6 | 317 | G1, promotes growth | |
| 非洲爪蟾 | Cdk1 | Cdc2 | 301 | M |
| Cdk2 | 297 | S, possibly M | ||
| 智人 | Cdk1 | Cdc2 | 297 | M |
| Cdk2 | 298 | G1, S, possibly M | ||
| Cdk4 | 301 | G1 | ||
| Cdk6 | 326 | G1 |
CDK与所调节的周期素或其它蛋白列表：
- CDK1; cyclin A, cyclin B
- CDK2; cyclin A, cyclin E
- CDK3; cyclin C
- CDK4; cyclin D1, cyclin D2, cyclin D3
- CDK5; CDK5R1, CDK5R2. See also CDKL5.
- CDK6; cyclin D1, cyclin D2, cyclin D3
- CDK7; cyclin H
- CDK8; cyclin C
- CDK9; cyclin T1, cyclin T2a, cyclin T2b, cyclin K
- CDK10
- CDK11 (CDC2L2) ; cyclin L
- CDK12 (CRKRS) ; cyclin L
- CDK13 (CDC2L5) ; cyclin L
CDK活性的调节
周期蛋白结合
CDK目前是公认的[谁说的？]细胞周期核心调控蛋白，不同的CDK在不同的细胞周期与不同的周期蛋白结合，以此来调节细胞周期。
- G2/M期转化与CDK1
CDK1由p34cdc2蛋白和cyclin B结合形成。p34cdc2在细胞中的含量相对稳定，而cyclin B的含量则呈现周期性变化。cyclin B一般在G1期晚期开始合成，在S期含量不断增加，同时激活CDK1活性；CDK1在G2晚期阶段最大化并一直持续到M中期。
除了cyclinB，cyclinA也可以和CDK1结合并表达CDK1活性。
磷酸化作用
CDK抑制因子
CDK抑制因子（CKI）是一类与周期素-CDK复合物相互作用来阻断其激酶活性的蛋白，常见于G1期或对DNA损伤及环境信号的响应[1]。在动物细胞中，主要有两个CKI基因家族：INK4家族和CIP/KIP家族[1]。
历史
利兰·哈特韦尔、蒂姆·亨特和保罗·纳斯因他们完整地述了细胞周期调控中细胞周期蛋白和细胞周期蛋白依赖性激酶的机制获得了2001年诺贝尔生理学或医学奖。
医学意义
一些开发中的CDK药物不只针对细胞周期，还涉及其它过程比如转录、神经机能以及血糖浓度的稳定[6]。
表4： CDK抑制性药物 [6]
| 药物 | 所抑制的CDK |
|---|---|
| Flavopiridol (Alvocidib) | 1, 2, 4, 6, 7, 9 |
| Olomoucine | 1, 2, 5 |
| Roscovitine | 1, 2, 5 |
| Purvalanol | 1, 2, 5 |
| Paullones | 1, 2, 5 |
| Butryolactone | 1, 2, 5 |
| Thio/oxoflavopiridols | 1 |
| Oxindoles | 2 |
| Aminothiazoles | 4 |
| Benzocarbazoles | 4 |
| Pyrimidines | 4 |
| Seliciclib | 未知 |
参考文献
- ^ 1.00 1.01 1.02 1.03 1.04 1.05 1.06 1.07 1.08 1.09 1.10 Morgan, David O. (2007). The Cell Cycle: Principles of Control. London: New Science Press, 1st ed.
- ^ Lee, Melanie; Nurse, Paul. (1987). "Complementation used to clone a human homologue of the fission yeast cell cycle control gene cdc2." Nature 327:31-35.
- ^ 3.0 3.1 引用错误：没有为名为
Morgan1997的参考文献提供内容 - ^ 4.0 4.1 Satyanarayana, A; Kaldis. (2009). “Mammalian cell-cycle regulation: several Cdks, numerous cyclins, and diverse compensatory mechanisms” “Oncogene” 28:2925-2939
- ^ Bloom, Joanna; Cross, Frederick R. Multiple levels of cyclin specificity in cell-cycle control. Nature Reviews Molecular Cell Biology. 2007-02, 8 (2) [2022-06-17]. ISSN 1471-0080. doi:10.1038/nrm2105. （原始内容存档于2022-08-12） （英语）.
- ^ 6.0 6.1 Sausville, Edward A. (2002) “Complexities in the development of cyclin-dependent kinase inhibitor drugs” “Trends in Molecular Medicine” 8:S32-S37
外部链接
- 医学主题词表（MeSH）：Cyclin-Dependent+Kinases
- EC 2.7.11.22
- KEGG - Human Cell Cycle（页面存档备份，存于互联网档案馆）
- Loyer P; Trembley J; Katona R; Kidd V; Lahti J. Role of CDK/cyclin complexes in transcription and RNA splicing. Cell Signal. 2005, 17 (9): 1033–51. PMID 15935619. doi:10.1016/j.cellsig.2005.02.005.