Cell Rep：浙江大學汪方煒研究組揭示細胞周期的重要調控機制

2018年7月17日，國際著名學術雜誌《Cell》子刊《Cell Reports》雜誌在線發表了浙江大學生命科學研究院汪方煒實驗室題為「WAC Promotes Polo-like Kinase 1 Activation for Timely Mitotic Entry」的研究論文，揭示細胞周期的重要調控機制。汪方煒實驗室的博士生戚菲菲是本文的第一作者，汪方煒教授為通訊作者。

作為生物繁育和生長發育的基礎，細胞增殖最直觀的表現是細胞分裂，即由一個親代細胞變為兩個子代細胞，使細胞的數量成倍增加。單細胞生物(如酵母)要保持物種的存在，必須依賴大量的細胞增殖，增加個體數量。多細胞生物則是由一個單細胞即受精卵經過無數次的分裂發育而來。成體生物仍然需要細胞增殖，以彌補代謝過程中的細胞損失。就我們人體而言，每天都會有大量的細胞衰老死亡，如皮膚細胞、血細胞、腸上皮細胞等。要維持細胞數量的平衡和機體的正常功能，必須依賴細胞增殖。另外，機體創傷癒合、組織再生、病理組織修復等，也都要依賴細胞增殖。細胞增殖的過程也稱為細胞周期，它是一個高度受控、周而復始的連續過程。在高等生物中，細胞周期調控十分複雜，不僅要遵循細胞自身的增殖調控規律，同時還要服從生物體整體的調控。不受約束而生成的細胞可能會轉化為癌細胞，最終導致個體的死亡。

一個細胞周期可以簡單地劃分為兩個相互延續的時期，即細胞分裂期(M期)和居於兩次分裂期之間的分裂間期，分裂間期是細胞增殖的物質準備和積累階段，分裂期則是細胞增殖的實施過程。在一個標準的細胞周期中，分裂間期由G1期、S期和G2期先後連續的三個時相組成。G1期是細胞周期的第一階段，上一次細胞分裂之後，產生兩個子代細胞，標誌著G1期的開始。S期即DNA合成期，DNA複製完成以後，細胞即進入G2期。只有當所有利於細胞分裂的因素得以滿足以後，細胞才能順利實現從G2期向M期的轉換。細胞周期中各個時相的有序更迭和整個細胞周期的運行，需要「引擎」分子的驅動，即是在周期蛋白(Cyclin)依賴的蛋白激酶(Cyclin-dependent kinase, Cdk)統一調控下進行的。不同的Cyclin在細胞周期中表達的時期不同，並與不同的Cdk結合，形成不同種類的Cyclin-Cdk激酶複合物，調節不同的Cdk活性，從而驅動細胞周期的有序運行。

細胞從分裂間期的G2期進入到分裂期(即G2/M期轉換)依賴於Cyclin B1-Cdk1激酶複合物的活性。在G2的早期，與Cyclin B1結合的Cdk1被Wee1及Myt1激酶磷酸化，導致活性的抑制。只有當蛋白磷酸酶Cdc25去除Wee1及Myt1對Cdk1的磷酸化後，Cyclin B1-Cdk1才能被激活，進而促成G2/M期轉換。Cdc25的活性則依賴於蛋白激酶Plk1對其的磷酸化。因此，G2期Plk1的及時激活對於Cyclin B1-Cdk1活性的激發以及G2/M期的轉換極其重要。

汪方煒實驗室研究發現，WAC蛋白(全稱WW domain-containing adaptor protein with a coiled-coil region)具有多個高度保守的S-S/T-P基序。在G2早期的細胞核內，Cyclin A2-Cdk1激酶複合物磷酸化WAC蛋白的這些S-S/T-P基序。利用RNA干擾技術敲減WAC的表達，會導致細胞周期在G2/M期轉換的延緩，回補外源的野生型WAC可以恢復正常的G2/M期轉換，而不能被Cyclin A2-Cdk1磷酸化的WAC突變體則不具備這個能力。

進一步研究發現，Cyclin A2-Cdk1對WAC的S-S/T-P基序的磷酸化使其結合Plk1的Polo盒結構域(Polo-box domain, PBD)。敲減WAC的表達或通過突變S-S/T-P基序破壞WAC與Plk1-PBD的結合，則會導致Plk1激酶活性的下降(主要指標是Aurora-A激酶對Plk1激酶域第210位蘇氨酸的磷酸化的下調)。

細胞裂解液的免疫共沉澱實驗顯示，WAC與Aurora-A及Plk1以複合物的形式存在於G2期的細胞中。GST pulldown等實驗結果顯示，純化的WAC蛋白能直接結合Aurora-A激酶。在體外磷酸化實驗中，被Cyclin A2-Cdk1磷酸化的WAC蛋白能夠顯著增強Aurora-A對Plk1的磷酸化，而未經預磷酸化處理或不能結合Plk1的WAC突變體則沒有這個能力。

上述實驗結果表明，在細胞周期的G2期，通過結合Aurora-A及Plk1，WAC蛋白促成Aurora-A對Plk1的磷酸化，進而激發細胞核內Plk1的活性。充分激活後的Plk1可以通過磷酸化Cdc25等途徑激發Cyclin B1-Cdk1的活性，從而確保G2/M期的順利轉換和細胞的正常增殖。激活後的Cyclin B1-Cdk1可以類似的方式磷酸化WAC的S-S/T-P基序，在細胞進入分裂期Cyclin A2被降解後繼續維持WAC與Plk1的結合以及Plk1的活性。

這項研究不僅鑒定了一個新的Plk1結合蛋白WAC，揭示了其在激活Plk1中的重要作用，而且闡明了調控G2/M期轉換的關鍵機制，對於深入理解細胞周期調控的分子機理，以及Cdk1和Plk1靶向的抗癌藥物研發具有重要意義。

圖一：標準的細胞周期

圖二：WAC促進細胞核內Plk1激活的分子機制。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！