Polo样蛋白激酶1参与有丝分裂调控的研究进展

赫　玮(综述)，高丰厚(审校)

(上海交通大学医学院附属第三人民医院肿瘤研究室，上海 201999)



Polo样蛋白激酶1参与有丝分裂调控的研究进展

赫玮△(综述)，高丰厚※(审校)

(上海交通大学医学院附属第三人民医院肿瘤研究室，上海 201999)

摘要：作为细胞周期的关键环节，有丝分裂过程受到严格而精细的调控，随着对有丝分裂调控的探讨与拓展，也逐渐加深了人们对生命本质的理解。研究发现Polo 样蛋白激酶1 (PLK1)参与细胞有丝分裂调控的各环节，该文拟归纳总结Plk1在有丝分裂中诸如CDK1-Cyclin B复合物的激活、纺锤体形成、染色体分离和胞质分裂这些过程中的研究进展，并描绘PLK-1在有丝分裂调控中的作用与意义，为进一步深入探讨PLK-1与有丝分裂调控指出可能的发展方向。

关键词:Polo 样蛋白激酶1;有丝分裂;有丝分裂调控

真核生物在生长过程中保持生物学形状的稳定性与细胞染色体正确分离密切相关，染色体的分离主要发生在细胞周期中有丝分裂期，该期的整个过程有序进行依赖于细胞拥有复杂而精细的调控程序。对参与细胞有丝分裂的每个分子在整个有丝分裂过程中的作用与机制的了解，有助于深入理解生命的现象与本质。研究发现，Polo样激酶(polo-like kinases，PLKs) 在细胞G1期几乎不能探及，在S期开始积蓄，于G2末期达到峰值，M 期维持高水平,分裂完成后急剧下降[1]，提示PLK1在G2末期至M 期可能发挥一定作用。另一方面，在许多真核细胞中PLK1表达下降会引起细胞无法精确及时地进入有丝分裂[2]，纺锤体形成阻滞[3]，染色体分离异常，最终导致胞质分裂失败[4-5]。这些研究说明PLK-1参与有丝分裂各个时相的调控。

1PLK1的生化特性

1994年Golsteyn等[6]报道Plk1定位于16p12.3，信使RNA长约2.3 kb，编码的蛋白质相对分子质量约66 000，其氨基酸序列与果蝇polo和酵母CDC5等基因所表达的蛋白具有较大的同源性。PLK1的N端有一个高度保守的催化区域，C端有2个可调节PLKs活性及亚细胞动态定位的特征性结构域polo盒(polo-box domain,PBD)。PLK1 N端的激酶结构域晶体结构显示[7]，其N端的Ser/Thr 激酶结构域中含有1个T环结构，T环中的T210可被磷酸化，且只有T210磷酸化的PLK1才具有激酶活性。一般情况下，PLK1 C端PBD与N端Ser/Thr激酶结构域结合，抑制激酶结构域中的T210被磷酸化，从而抑制其活性。当PBD结构域与其配体结合后，PBD与Ser/Thr激酶结构域分离，T210被磷酸化使PLK1被激活[8]。如果将PLK1 210位苏氨酸突变为天冬氨酸，可模拟其磷酸化状态，在HeLa细胞中过表达T210D的突变体PLK1，可明显增加G2/M期细胞比例[9]。

2PLK1参与细胞周期蛋白依赖性激酶1-细胞周期蛋白B复合物的调节

在G2/M期转换过程中，推动细胞由G2末期进入M期主要直接动力来自于成熟促进因子，即细胞周期蛋白依赖性激酶1-细胞周期蛋白B(cyclin dependent kinase 1-cyclin B，CDK1-cyclin B)复合物。CDK1-cyclin B复合物是在真核细胞中普遍存在的一种活性复合物，其活性随细胞周期发生变化，在G2期的晚期开始出现活性，在M期活性最强，该复合物活化后可启动一系列有丝分裂事件，且其作用贯穿于有丝分裂始终。在G2末期时，PLK1与CDK1-cyclin B复合物同时聚集于中心体，CDK1-cyclin B复合物可以被PLK1磷酸化而活化[10-11]。有丝分裂前，CDK1的Thr14和Tyr15被Wee1激酶磷酸化,使成熟促进因子以无活性的前成熟促进因子形式存在。细胞进入分裂期时，PLK1通过磷酸化Weel的53位和123位丝氨酸，使Weel产生phoshodegron信号并被β-TrCP-SCF识别而降解[12]，CDK1的Thr14和Tyr15随之去磷酸化，诱导CDK1向细胞核迁移并激活CDK1使一小部分CDK1-cyclin B复合物先被激活。PLK1和已被激活的CDK1-cyclin B复合物使磷酸酶CDC25磷酸化，催化CDC25定位于细胞核并在核中积累[13]，活化的CDC25促使更多CDK1的Thr14和Tyr15去磷酸化以激活CDK1，形成一个CDK1的自催化激活过程，从而激活更多的CDK1-cyclin B复合物。PLK1除通过磷酸化Weel激酶诱导CDK1向细胞核迁移外，还可直接磷酸化cyclin B核输出信号NES区域外的Ser133，进一步促使CDK1-cyclin B复合物向核内转移[14]并激活之，推进有丝分裂进程。研究发现，在多种生物体内干扰PLK1的功能通常导致有丝分裂的滞后及异常而非G2期阻滞，表明CDK1-cyclin B复合物的功能可以在无或有很少PLK1活性的情况下发生。因此推断，PLK1可以调控有丝分裂进入的速率但却不是执行有丝分裂所必需的。

3PLK1促进纺锤体形成

纺锤体是真核细胞有丝分裂或减数分裂过程中形成的中间宽两端窄的纺锤状结构，由两端中心体及大量纵向排列的微管构成。在有丝分裂中，纺锤体与间期染色体排列及胞质分裂有关，纺锤体的完整性决定了有丝分裂在时间和空间上的准确性。当细胞进入G2/M期，PLK1活性增加并磷酸化与形成微管组织中心有关的中心体蛋白(ninein-like protein，Nlp)，使Nlp脱离与微管及中心体的相互作用而从中心体上移位[15]。一方面这种磷酸化破坏了Nlp与微管及中心体相互作用的能力，促使Nlp脱离与微管组织中心的相互作用，促进中心体上的微管成核，从而有利于纺锤体重新装配[15]；另一方面，PLK1对Nlp的磷酸化有助于招募g-微管蛋白环形复合物结合蛋白到中心体，随后促使Nlp与g-微管蛋白环形复合物分离，加速微管组织中心消失，进而形成纺锤丝。同时，PLK1对微管稳定蛋白的磷酸化作用可以削弱后者稳定微管的能力，这种削弱反而增加了有丝分裂所需的微管的动态过程，微管在动力蛋白的作用下相互滑动，产生了姐妹染色单体向两极分离时所需的拉力。Lane等[16]研究发现，通过在HeLa 细胞内注射抗PLK1的抗体降低PLK1的活性，细胞的中心体明显变小且微管蛋白量减少；同时，PLK1活性降低可导致能特异性地识别M期磷酸化蛋白质的有丝分裂磷酸化蛋白单克隆抗体2的免疫反应性显著降低，最终导致有丝分裂滞后。

4PLK1参与调控染色体分离

在有丝分裂中期，所有染色体排列到赤道面上，姐妹染色单体被动粒微管拉向两极，最终实现染色体的平均分配，染色体精确分离对生物体的发育及物种繁殖具有十分重要的意义。细胞周期后期促进复合物(anaphase promoting complex，cyclosome，APC/C) 是有丝分裂期重要的泛素连接酶[17]，其主要任务是调控连接同源染色体之间的粘连蛋白cohesion的降解。当细胞进入M 期的中期时，APC/C诱导紧固蛋白securin 泛素化并使之降解，而M期中期之前紧固蛋白securin通常与蛋白酶separase结合并抑制separase活性。Securin降解后促使separase被活化，活化后的separase通过剪切cohesin 破坏姐妹染色单体之间的联结使姐妹染色单体被拉向两极，最终导致染色体分离。为保证亲代与子代细胞间基因的稳定性，APC/C的活性受到诸多因素的调控。PLK1能磷酸化APC/C中的早期有丝分裂抑制因子(early mitoticinhibitor 1,Emi1)且导致Emi1降解，Emi1对APC/C的抑制作用被解除，从而激活APC/C[18]。活化的APC/C通过securin途径使cohesin 降解，从而促进姐妹染色单体正常分离、分配[19]。反之，如果PLK1失活则APC/C活性被抑制且抑制cohesin的降解。但这不会阻止染色体的压缩，凝集的染色体上仍聚集着大量cohesin，导致后期染色单体的分离受到威胁[20]。如果人为下调HeLa细胞中PLK1的表达，可观察到大约有45%的细胞核出现了异常的哑铃状结构，另有15%的细胞虽然完成了染色体分离但却无法进行正常的胞质分裂[21]。Sumara等[4]研究发现，如果在蟾蜍提取物中去除PoLo 蛋白，则黏附素在染色体上高度聚集,以致姐妹染色单体无法正常分离，证实了PoLo蛋白在染色体分离中的重要作用。

5PLK1参与调控胞质分裂

有丝分裂后期，动物细胞通过已分离的染色体之间的分裂沟内陷实现胞质的分裂，胞质分裂后在膜融合的基础上产生了2个独立的子细胞。分裂后期，中心纺锤体复合体组分之一HsCyk-4与鸟嘌呤核苷酸交换因子2 (epithelial cell transforming sequence 2，Ect2 )相互作用并形成复合物，该复合物能在赤道板附近的纺锤体微管上激活GTP酶RhoA，参与在对应的胞膜处形成缢缩环[22]，进而启动胞质分裂。Glover等[23]在酵母的polo基因显性突变体中发现，如果polo基因表达降低不仅会抑制纺锤体的形成，而且会导致在有丝分裂后期无法形成缢缩环及分裂沟，从而阻止了新的细胞膜生成。近年来，有人提出了PLK1不仅能促进纺锤体极体的成熟，而且还能间接激活GTP 酶RhoA参与胞质分裂的调控[24]。有丝分裂中后期,PLK1通过锚着蛋白PRC1(protein regulating cytokinesis 1)被招募到纺锤体，PLK1可以磷酸化HsCyk-4的N端，由此创造一个供Ect2识别的磷酸肽序列，诱导HsCyk-4/Ect2复合物的形成[25]，以此激活RhoA并形成缢缩环。相反，当PLK1活性被抑制，使得HsCyk-4无法被磷酸化，以致Ect2不能被招募到中心纺锤体，引起RhoA功能抑制，缢缩环无法形成，最终导致胞质分裂异常[5]。

6结语

PLK1作为广泛存在于真核生物中的丝/苏氨酸蛋白激酶，可促进细胞有丝分裂，其不仅参与调节有丝分裂的启动、纺锤体的形成，而且在染色体分离、胞质分裂中也有重要作用。目前的已有的文献数据虽能说明PLK1广泛参与了有丝分裂的各阶段，也一定程度上描绘出PLK1在有丝分裂各阶段中与重要分子相互作用影响有丝分裂的进程。但是，关于在动物的整体水平上PLK1异常表达或过度活化，甚至缺失的情况下可能产生的与有丝分裂相关的效应有待进一步去探索；另外，在人类中与细胞分裂相关的疾病中，PLK1是否参与也值得确定。更为重要的是，PLK1在有丝分裂前后其自身的活化与失活有必要深入研究，只有这个问题得到准确回答，才能通过相应的手段去干预PLK1，以便达到通过PLK-1对有丝分裂的定向调控。

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《医学综述》荣获“RCCSE中国核心学术期刊(A-)”

在第四届《中国学术期刊评价研究报告 (武大版)(2015-2016) 》中，《医学综述》被评为“RCCSE中国核心学术期刊(A-)”。

Research Progress of the Involvement of Polo-like Kinase-1 in Mitotic RegulationHEWei，GAOFeng-hou.(DepartmentofOncology,ShanghaiThirdPeople′sHospital,SchoolofMedicine,ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai201999,China)

Abstract:As a crucial part of the cell cycle,the precise regulation of mitosis is precisely and strictly regulated,and along with the exploration in the regulation of mitosis,the understanding of life has deepened gradually as well.Polo-like kinase 1(PIK1) is involved in different processes of mitosis,and here is to summarize the functions,such as the activation of CDK1-Cyclin B complex,formation of spindle,segregation of chromosome and cytokinesis,and depict PLK-1′s significance for mitosis and put forward the possible directions of further studies.

Key words:Polo-like kinase 1; Mitosis; Regulation of mitosis

收稿日期：2015-01-29修回日期：2015-05-11编辑:薛惠文

基金项目：上海交通大学医学院附属第三人民医院自然科学研究基金(SYZ2013-008)

doi：10.3969/j.issn.1006-2084.2015.20.005

中图分类号：R73; Q78

文献标识码:A

文章编号：1006-2084(2015)20-3659-03