Plk1和Cdk1在细胞周期和肿瘤中的研究进展

任　静综述，蒋孝华审校（南华大学附属第一医院，湖南衡阳421000）

Plk1和Cdk1在细胞周期和肿瘤中的研究进展

任静综述，蒋孝华审校
（南华大学附属第一医院，湖南衡阳421000）

蛋白激酶类；细胞周期蛋白质类；细胞周期，肿瘤；综述

保罗样激酶（polo-like kinase，Plk）1和细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin dependent kinase，Cdk）1均属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族中的成员，在细胞周期进程中，尤其是在G2/M期中具有重要调控作用。Plk1和Cdk1在增殖活跃细胞中呈高表达，Plk1和Cdk1高表达均与肿瘤患者预后差密切相关。

细胞周期是一个细胞复制其基因组、生长和分裂的有序事件，受多个蛋白调节包括细胞周期蛋白、细胞周期蛋白激酶和细胞周期蛋白激酶抑制剂，是生命生长、发育和繁殖的基础。细胞周期包括G1、S、G2、M期。肿瘤的发生、发展通过调控某些细胞周期因子，使细胞周期紊乱。Plk1和Cdk1作为细胞周期调节因子在G2期向M期转换过程中具有重要作用。通过了解Plk1和Cdk1在肿瘤细胞周期中的作用有望成为肿瘤标志物和肿瘤治疗靶点。本文就近年来Plk1和Cdk1的生物特性和与肿瘤的发生、发展的研究作一综述。

1　Plk1

1.1Plk1的分子结构及功能Plk是一类表达于真核生物中高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶。保罗样基因最早在1988年发现于黑腹果蝇的基因组中。在有丝分裂中该基因功能突变可导致异常纺锤体两极形成及染色体分离等。2010后Strebhardt［1］在哺乳动物中发现了保罗的同源基因，即Plk1、Plk2、Plk3、Plk4、Plk5。其在细胞周期各个时期中具有重要作用，目前，关于Plk1的研究最早、最深入、最为透彻。所有的Plk具有相类似的分子结构，其中Plk1 N-端包含1个高度保守的丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶催化结构域，激酶活性受其调节，C-端包含3个保罗盒结构域（polo-box domain，PB）D、PB1、PB2，同时作为自动抑制结构域和亚细胞定位域，Plk1的PBD晶体结构表明PB1、PB2含有一段结构完全相同的β6α折叠［2］。通过磷酸化不同底物，Plk1在细胞周期进程中具有重要作用包括中心体成熟、有丝分裂的启动、染色体分离和包浆分离等［3］。

1.2Plk1与细胞周期的关系Plk1作为细胞周期调控中一个很关键的基因，受磷酸化［4］和蛋白降解［5］的调控。Plk1最显著的特征是随着细胞周期过程变化定位于不同亚细胞结构，主要定位于中心体。此外，在G2期和有丝分裂期富集于着丝粒上，在有丝分裂后期随着染色体分离，Plk1易位于纺锤体中央区。Plk1能有效预磷酸化底物结合位点和有序的在这些亚细胞结构位点上迁移，与PBD有关。

1.2.1Plk1促进中心体成熟前期γ-tubulin复合物募集于中心体上，称为中心体成熟，该过程对有丝分裂微管至核至关重要。Plk1通过磷酸化中心蛋白Nip，从而使γ-tubulin募集于中心体上，促进中心体成熟。除Nip外，近来还发现另一个Plk1作用底物——Kizuna，也被证明是中心体形成所需物质，尤其是对其结构维持具有重要作用。Oshimori等［6］研究发现，去除Kizuna或抑制Plk1对其磷酸化会导致中心体失去稳定性，最终使纺锤体微管产生的力分散而导致纺锤体多极化。

1.2.2Plk1促进细胞周期由G2期进入M期Plk1通过激活细胞因子B-Cdk1复合物启动有丝分裂，即由G2期进入M期。在G2期，由于Cdk1的腺苷三磷酸结合域上的残基处于磷酸化状态，导致细胞因子B-Cdk1复合物处于失活状态。目前发现，至少有2种激酶发挥这种磷酸化作用，Weel激酶和Myt1激酶分别磷酸化苏氨酸残基（threomine，Thr）14和Tyr15，这样可避免在DNA复制完成前提前进入有丝分裂期，破坏基因组完整性。Cdc25C能去磷酸化Thr14和Tyr15，从而激活细胞因子B-Cdk1复合物启动有丝分裂。抑制激酶Weel/Myt1和磷酸化Cdc25C之间的平衡对细胞因子B-Cdk1复合物的激活至关重要，从而影响有丝分裂的启动。Plk1能磷酸化并激活Cdc25C。Qian等［7］对非洲蟾蜍进行的研究证明，敲除Plk1基因后能延迟G2/M期的进展。表明Plk1 的PBD与Cdc25C特异性结合，磷酸化后的Cdc25C激活细胞因子B-Cdk1复合物从而启动有丝分裂。

1.2.3Plk1促进染色体分离有丝分裂染色体分离是由着丝粒与纺锤体微管之间动态作用共同介导的，在这一过程中有丝分裂着丝粒相关驱动蛋白（the mitotic centromere-associated kinesin，MCAK）具有关键的调节作用。在有丝分裂中MCAK的活性及定位受相关有丝分裂激酶调控包括Plk1和Aurora B。Sanhaji等［8］研究证明，MCAK的C-末端结构域S621结构位点是Plk1的主要磷酸化位点，Plk1通过磷酸化S621能促进MCAK的降解，从而促进染色体分离。

1.2.4Plk1促进有丝分裂退出Plk1除在促进中心体成熟、纺锤体形成和激活细胞因子B-Cdk1复合物触发有丝分裂等方面具有重要作用外，还可通过激活APC/C退出有丝分裂。APC/C通过泛素化特异性细胞周期调控蛋白和靶向这些蛋白的蛋白水解泛素-蛋白酶系统调控细胞周期转换［9］。对APC/C的适当调节在整个细胞周期中具有重要作用，在特定的细胞周期进程中有着特定的调节因子抑制APC/C活性，其中早期有丝分裂抑制剂1（early mitotic inhibitor 1，Emi1）作用最为突出。细胞因子B-Cdk1复合物在（S/P）P共识点磷酸化Emi1，然后再次被Plk1磷酸化，Plk1磷酸后的Emi1被泛素连接酶复合体SCFβ-TrCP识别并结合，促进Emi1降解，从而激活APC/C［10］，最终促进有丝分裂退出。

1.3Plk1与肿瘤发生、发展的关系Plk1与细胞增殖密切相关，因此，不难想象，Plk1与肿瘤的发生、发展有关。大量研究表明，Plk1在非小细胞肺癌、头颈部癌、食管癌、胃癌、恶性黑色素瘤、乳腺癌、卵巢癌、子宫内膜癌、大肠癌、胶质瘤、甲状腺癌等肿瘤中高表达［11］，并常与预后不良有关。因此，Plk1有望成为治疗癌症的新靶点。确实，许多Plk1抑制剂已被开发并作为癌症治疗药物，如BI2536、BI6727（Volasertib）、GSK461364A、HMN-214、ON01910.Na、NMS-P937和TKM-080301［12］。Choi等［13］研究证明，用Plk1抑制剂——BI2536处理非小细胞肺癌后G2/M期比例较对照组明显升高，提示细胞有丝分裂期受到阻滞，从而使细胞增值率下降。Russo等［14］研究发现，甲状腺未分化癌和低分化甲状腺癌细胞经Plk1抑制剂——GSK461364A孵育后细胞增殖受到抑制，且可诱导细胞死亡，采用流式细胞学检测结果显示，G2/M期阻滞，该研究也发现，GSK461364A在体内同样发挥作用，在成功构建的ATC129SV小鼠雌性野生型模型中隔天给予GSK461364A处理后结果表明，处理组肿瘤体积较对照组明显缩小，表明Plk1基因靶向有望成为治疗肿瘤的有效方法。Zhang等［15］通过对比原发性肾细胞癌与正常肾组织中Plk1的表达量，采用免疫印迹和实时定量聚合酶链反应等检测均显示Plk1表达量在癌组织中明显高于正常组织，表明Plk1与肿瘤的发生有关。Yeap等［16］用一种合成蒽醌衍生物——DHAQC（2）处理MCF-7细胞48 h后采用流式细胞学检测处理后的细胞提示G2/M期阻滞，蛋白质印迹检测结果显示，DHAQC （2）处理后的MCF-7细胞Plk1表达降低，p53、Bax、细胞色素C表达增加，表明DHAQC（2）可通过下调Plk1，上调p53、Bax/Bcl-2比值、细胞色素C后诱导乳腺癌MCF-7细胞G2/M期阻滞及内源性凋亡。此外，近年来发现了一种新的非编码微小RNA（microRNA，miR）在生物过程中具有重要作用包括细胞增殖、细胞分化和凋亡，其中有研究发现，在鼻咽癌、肝癌和人上皮卵巢癌（epithelial ovarian cancer，EOC）中miR-100可能通过作用于Plk1靶基因而具有抑制肿瘤发生、发展的作用［17-18］。

2　Cdk1

2.1Cdk1的结构及功能Cdk属于丝氨酸/苏氨酸蛋白激酶家族另一成员，首次在调节真核细胞周期进程中被发现。其中Cdk1是Cdk的创始成员，最先从非洲爪蟾未受精卵的成熟促进因子中纯化出来。Cdk1又名为Cdc2、Cdc28A，编码的蛋白是1个高度保守的蛋白激酶复合物的催化亚基，与细胞因子B结合后被称为M期促进因子。Cdk1在细胞周期调控，尤其是有丝分裂过程中是重要的一员，Neganova等［19］研究发现，在人类多能干细胞的多个事件中Cdk1具有调控有丝分裂、G2/M期检查点执行维护、细胞凋亡、细胞多能性和基因组稳定性维护等作用。

2.2Cdk1与细胞周期Cdk1与调节亚基细胞因子B1结合形成复合物后能促进细胞有丝分裂。在有丝分裂前的细胞间期，细胞因子B1-Cdk1复合物由于Cdk1的Thr14和Tyr15位点磷酸化而处于失活状态，这是由蛋白激酶Wee1和Myt1催化所致［20］。在有丝分裂和G2/M期转换过程中Tyr15去磷酸化是Cdk1激活的一个重要限速步骤，而Thr14和Tyr15的去磷酸化由双特异性蛋白激酶——Cdc25C催化［20］。Wee1通过抑制Cdk1磷酸化延迟有丝分裂，而Cdc25C通过去磷酸化促进有丝分裂［21］。在黑穗病真菌玉米黑粉菌中发现，Wee1过表达和Cdc25C活性抑制使Cdk1 Tyr15磷酸化水平升高，导致G2期阻滞［22］。Liu等［23］研究发现，MJ-66诱导脑胶质瘤细胞周期阻滞于G2/M期，通过中断与周期细胞因子B1-Cdk1复合体活性所介导。Liu等［24］用不同浓度NOAD（一种新型的一氧化氮供体）处理人肝癌细胞Bel-7402发现，NOAD能诱导G2/M期阻滞，细胞周期调控蛋白分析表明，NOAD通过降低Cdk1和Cdc25C蛋白表达而抑制Bel-7402细胞增殖。由此可知，催化亚基Cdk1通过调节G2/M期在整个细胞周期进程中具有重要作用。

2.3Cdk1与肿瘤发生、发展的关系Cdks在调节细胞周期进程和RNA转录中具有至关重要的作用，各种遗传及表观遗传事件均显示，在许多肿瘤中细胞周期激酶表达活跃，且相应抑制剂的应用可导致细胞周期阻滞和细胞凋亡［25］。目前，细胞周期调控因子作为潜在的预后和治疗的肿瘤标志物已吸引了许多学者的关注。其中Cdk1在非小细胞肺癌、结肠癌及乳腺癌中已被确定为一个有用的临床预后标志物［26］。Xi等［27］收集了119例包括主要临床表现和几种病理分级的EOC组织，采用免疫组织化学法检测发现，Cdk1和Ki-67在低分化卵巢癌组织中有较强的表达，同时发现，Cdk1和Ki-67主要在细胞核中表达，Kaplan-Meier分析表明，高表达Cdk1与预后差密切相关，证实了较强Cdk1表达能降低EOC患者生存率，可能与其能促进细胞周期G2/M期有关。Feng等［28］用最佳浓度HDAC抑制剂——TSA和水飞蓟宾联合处理2种不同株系的胰腺癌细胞Panc1和Capan2发现，联合处理细胞后通过下调survivin和激活胱门蛋白酶促进细胞凋亡，下调细胞因子B1-Cdk1复合物和细胞因子A2诱导G2/M期阻滞，表明HDAC抑制剂和水飞蓟宾联合治疗可能是一种新的有效的治疗胰腺癌的方法。Zhang等［29］发现，BA-j作为一种新型广谱抗癌活性Cdk1抑制剂，其抗癌分子生化机制可能是直接抑制Cdk1和捕获氧离子，然后选择性增加癌细胞中的过氧化氢（hydrogen peroxide，H2O2），高水平H2O2通过氧化Cdc2而灭活Cdk1，最终抑制细胞增殖。Liu等［23］采用免疫荧光分析结果显示，MJ-66诱导的神经胶质瘤细胞U87、U251、T98G、U373呈多核表型和多极纺锤体，流式细胞仪分析表明，MJ-66诱导细胞后细胞周期阻滞在G2/M期，可能与MJ-66中断细胞因子B-Cdk1复合物活性介导有关，在U87细胞移植瘤动物模型中用MJ-66 （1.36 μg/kg生理盐水）或生理盐水注射到肿瘤部位每2天1次，共10次，治疗停止观察肿瘤生长情况共20 d，结果显示，MJ-66能有效抑制肿瘤生长，通过中断细胞因子B-Cdk1复合物活性与在异种移植动物模型的肿瘤生长的抑制作用使MJ-66成为治疗恶性肿瘤很有前途的新靶点。

3　小　结

Plk1和Cdk1与肿瘤细胞的增殖密切相关，2个基因的相互作用共同调节细胞由G2期向M期转换。失调的Plk1和Cdk1基因导致中心体异常分离，致染色体不稳定和细胞非整倍体的形成，最终导致肿瘤的发生、发展。大量研究证明，Plk1和Cdk1在多种肿瘤中过表达，如乳腺癌、结直肠癌、子宫内膜癌、食管癌、头颈部鳞状细胞癌、黑色素瘤、非小细胞肺癌、口咽癌等。有研究证明，通过使用体内的小干扰RNA传送系统和新的小分子抑制剂靶向Plk1和Cdk1基因能使肿瘤生长显著减少［30］。

总之，Plk1和Cdk1将成为治疗癌症的一个很有吸引力的方法，成为判断肿瘤预后的标志物。然而，尚需进一步在临床中评估Plk1和Cdk1抑制剂的效果。

［1］Strebhardt K.Multifaceted polo-like kinases：drug targets and antitargets for cancer therapy［J］.Nat Rev Drug Discov，2010，9（8）：643-660.

［2］Strebhardt K，Ullrich A.Targeting polo-like kinase 1 for cancer therapy［J］. Nat Rev Cancer，2006，6（4）：321-330.

［3］de Cárcer G，Manning G，Malumbres M.From Plk1 to Plk5：functional evolution of polo-like kinases［J］.Cell Cycle，2011，10（14）：2255-2262.

［4］Barr FA，Silljé HH，Nigg EA.Polo-like kinases and the orchestration of cell division［J］.Nat Rev Mol Cell Biol，2004，5（6）：429-440.

［5］Lindon C，Pines J.Ordered proteolysis in anaphase inactivates Plk1 to contribute to proper mitotic exit in human cells［J］.J Cell Biol，2004，164 （2）：233-241.

［6］ Oshimori N，Ohsugi M，Yamamoto T.The Plk1 target Kizuna stabilizes mitotic centrosomes to ensure spindle bipolarity［J］.Nat Cell Biol，2006，8（10）：1095-1101.

［7］Qian YW，Erikson E，Li C，et al.Activated polo-like kinase Plx1 is required at multiple points during mitosis in Xenopus laevis［J］.Mol Cell Biol，1998，18（7）：4262-4271.

［8］ Sanhaji M，Ritter A，Belsham HR，et al.Polo-like kinase 1 regulates the stability of the mitotic centromere-associated kinesin in mitosis［J］.Oncotarget，2014，5（10）：3130-3144.

［9］Cronin NB，Yang J，Zhang Z，et al.Atomic-resolution structures of the APC/C subunits Apc4 and the Apc5 N-terminal domain［J］.J Mol Biol，2015，427（20）：3300-3315.

［10］Hansen DV，Loktev AV，Ban KH，et al.Plk1 regulates activation of the anaphase promoting complex by phosphorylating and triggering SCF beta-TrCP-dependent destruction of the APC Inhibitor Emi1［J］.Mol Biol Cell，2004，15（12）：5623-5634.

［11］Takai N，Hamanaka R，Yoshimatsu J，et al.Polo-like kinases（Plks）and cancer［J］.Oncogene，2005，24（2）：287-291.

［12］Chopra P，Sethi G，Dastidar SG，et al.Polo-like kinase inhibitors：an emerging opportunity for cancer therapeutics［J］.Expert Opin Investig Drugs，2010，19（1）：27-43.

［13］Choi M，Kim W，Cheon MG，et al.Polo-like kinase 1 inhibitor BI2536 causes mitotic catastrophe following activation of the spindle assembly checkpoint in non-small cell lung cancer cells［J］.Cancer Lett，2015，357 （2）：591-601.

［14］Russo MA，Kang KS，Di Cristofano A.The PLK1 inhibitor GSK461364A is effective in poorly differentiated and anaplastic thyroid carcinoma cells，independentofthenatureoftheirdrivermutations［J］.Thyroid，2013，23（10）：1284-1293.

［15］Zhang G，Zhang Z，Liu Z.Polo-like kinase 1 is overexpressed in renal cancer and participates in the proliferation and invasion of renal cancer cells［J］.Tumour Biol，2013，34（3）：1887-1894.

［16］Yeap S，Akhtar MN，Lim KL，et al.Synthesis of an anthraquinone derivative（DHAQC）and its effect on induction of G2/M arrest and apoptosis in breast cancer MCF-7 cell line［J］.Drug Des Devel Ther，2015，9：983-992.

［17］Peng DX，Luo M，Qiu LW，et al.Prognostic implications of microRNA-100 and its functional roles in epithelial ovarian cancer［J］.Onclo Rep，2012，27（4）：1238-1244.

［18］Chen P，Zhao X，Ma L.Downregulation of microRNA-100 correlates with tumor progression and poor prognosis in hepatocellular carcinoma［J］.Mol Cell Biochem，2013，383（1/2）：49-58.

［19］Neganova I，Tilgner K，Buskin A，et al.CDK1 plays an important role in the maintenance of pluripotency and genomic stability in human pluripotent stem cells［J］.Cell Death Dis，2014，5：e1508.

［20］Takizawa CG，Morgan DO.Control of mitosis by changes in the subcellular location of cyclin-B1-Cdk1 and Cdc25C［J］.Curr Opin Cell Biol，2000，12（6）：658-665.

［21］Qiu L，Wang JJ，Ying SH，et al.Wee1 and Cdc25 control morphogenesis，virulence and multistress tolerance of Beauveria bassiana by balancing cell cycle-required cyclin-dependentkinase 1 activity［J］.Environ Microbiol，2015，17（4）：1119-1133.

［22］Sgarlata C，Pérez-Martín J.The cdc25 phosphatase is essential for the G2/M phase transition in the basidiomycete yeast Ustilago maydis［J］.Mol Microbiol，2005，58（5）：1482-1496.

［23］Liu WT，Chen C，Lu IC，et al.MJ-66 induces malignant glioma cells G2/M phase arrest and mitotic catastrophe through regulation of cyclin B1/Cdk1 complex［J］.Neuropharmacology，2014，86：219-227.

［24］Liu L，Wang D，Wang J，et al.NOAD，a novel nitric oxide donor，induces G2/M phase arrest and apoptosis in human hepatocellular carcinoma Bel-7402 cells［J］.Toxicol In Vitro，2015，29（7）：1289-1297.

［25］Shapiro GI.Cyclin-dependent kinase pathways as targets for cancer treatment［J］.J Clin Oncol，2006，24（11）：1770-1783.

［26］Sung WW，Lin YM，Wu PR，et al.High nuclear/cytoplasmic ratio of Cdk1 expression predicts poor prognosis in colorectal cancer patients［J］.BMC Cancer，2014，14：951.

［27］Xi Q，Huang M，Wang Y，et al.The expression of CDK1 is associated with proliferation and can be a prognostic factor in epithelial ovarian cancer［J］. Tumour Biol，2015，36（7）：4939-4948.

［28］Feng W，Cai D，Zhang B，et al.Combination of HDAC inhibitor TSA and silibinin induces cell cycle arrest and apoptosis by targeting survivin and cyclinB1/Cdk1 in pancreatic cancer cells［J］.Biomed Pharmacother，2015，74：257-264.

［29］Zhang S，Bao Y，Ju X，et al.BA-j as a novel CDK1 inhibitor selectively induces apoptosis in cancer cells by regulating ROS［J］.Sci Rep，2015，5：13626.

［30］Schmit TL，Ledesma MC，Ahmad N.Modulating polo-like kinase 1 as a means for cancer chemoprevention［J］.Pharm Res，2010，27（6）：989-998.

10.3969/j.issn.1009-5519.2016.06.025

A

1009-5519（2016）06-0872-04

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