细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子3的研究进展

宫晓庆，谭茗，盛和宇，徐美玲，张萌，徐虎，夏靖秋，孙婴宁

细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子3的研究进展

宫晓庆，谭茗，盛和宇，徐美玲，张萌，徐虎，夏靖秋，孙婴宁

（齐齐哈尔大学 生命科学与农林学院，黑龙江 齐齐哈尔 161006）

细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子3（Cyclin dependent kinase inhibitor 3，CDKN3）属于激酶抑制因子CIP/KIP基因家族成员，是一种细胞周期调控因子．在各个组织中，CDKN3作用的蛋白不同，进而发挥不同的作用．一方面，CDKN3可通过抑制P21转录，促进DNA复制与细胞增殖；另一方面，CDKN3能够将CDC2 Thr161去磷酸化，来抑制有丝分裂间期G1期向S期的转化，进而影响细胞周期的发展，同时CDKN3可与Mps1结合调节中心体数量．越来越多的研究发现，CDKN3的异常表达和调节细胞周期的机制对癌症的发生有重要作用．在肝癌、前列腺癌、乳腺癌等细胞中CDKN3表达量高于正常水平，但在脑胶质细胞瘤、慢性粒细胞白血病等细胞中CDKN3呈低表达．主要针对CDKN3基因的结构及其编码蛋白的功能展开综述．

CDKN3；P21；细胞周期；肿瘤治疗

1994年，在筛选CDK2结合蛋白时，细胞周期蛋白依赖性激酶抑制因子3（Cyclin dependent kinase inhibitor3，CDKN3）首次作为CDK2的结合蛋白而被发现，命名为KAP，即CDK相互作用双特异性磷酸酶．在酵母细胞中，CDKN3与正调控细胞周期的CDK2，CDC2两种蛋白结合，但不与CDK4，CDK5结合，并且CDKN3在哺乳动物中更偏好与CDC2作用[1]1731．经大量实验表明，在某种组织中，CDKN3发挥促进细胞周期的功能，在其它组织中可能发挥完全相反的作用．分析原因为，CDKN3下游作用的蛋白不同导致其发挥不同的功能．随着研究的深入，目前已经明确细胞周期与癌症的发生密不可分，CDKN3作为调节细胞周期的因子，通过确定它在不同肿瘤组织中的作用，可以为肿瘤疾病治疗开辟新的道路．本文阐述了CDKN3的结构，调节细胞周期的作用机制以及在肿瘤治疗等方面的研究进展．

1　CDKN3结构概述

CDKN3在1994年由Hannon[1]1733等确定开放阅读框．1995年利用荧光技术显示，CDKN3位于人体第14号染色体（14q22.22）[2]，含有9个外显子，CDS区长636 bp，编码212个氨基酸（CR407666.1），大小约24 kb．人CDKN3基因mRNA的全长和外显子2剪接变异体[3]（见图1）．小鼠（）CDKN3的CDS区全长638 bp，编码212个氨基酸（NM_001360041.1），与人CDKN3有88.5%的同源性．鸡的CDKN3位于5q132染色体上，有8个外显子，CDS区全长906 bp，编码212个氨基酸．氨基酸序列含有蛋白酪氨酸磷酸酶特征的HCXXXXGR基序，主要依靠序列中的半胱氨酸参与CDC2 Thr161的去磷酸化．

图1　人CDKN3基因mRNA的全长和外显子2剪接变异体[3]

2　CDKN3的作用机制

CDKN3属于蛋白磷酸酶抑制剂家族，在细胞各个周期的调控中发挥不同作用．一方面，在有丝分裂间期，内源性CDKN3位于细胞核，并且与中心粒上的内源性CDC2共定位，作为CDK抑制剂将CDC2 Thr161去磷酸化，抑制了有丝分裂间期G1期向S期的转化；进入有丝分裂期前期，中心粒上的CDC2 Thr161开始磷酸化，前期CDC2 Thr161定位于动粒，后期CDKN3负责CDC2 Thr161的去磷酸化至有丝分裂结束[4]．另外，高水平的Mps1会使中心体过度复制影响细胞周期，CDKN3以蛋白酶体依赖性方式与Mps1结合，使其降解维持中心体数量．然而，有研究证明Mps1的中心体水平由Mps1 MDS基序内的CDK2磷酸化精确控制，因此有必要进一步确认CDKN3是否也影响Mps1 MDS基序内的CDK2磷酸化水平[5]．

另一方面，CDKN3作为Mdm2的互作蛋白，可与Mdm2及P53蛋白形成复合体，进而抑制P21蛋白的活化，降低P53靶基因的表达，最终影响细胞周期进程[6]．若DNA复制时不同时段发生损伤，P21蛋白作用机制不同．如发生在G1期时，CDK活性被P21抑制而无法顺利进入下一个复制时期；如发生在S期，PCNA会在P21的作用下失活，DNA合成停止，使细胞修复[7]101．总体来说，抑制P21蛋白会促进细胞周期，P21作为P53基因的下游靶基因，CDKN3与P53和Mdm2形成蛋白复合体，会间接降低P21敏感性．

3　CDKN3基因与癌症

癌症的标志是肿瘤细胞的不断复制，正常的细胞通过细胞周期增殖、分化，最后衰老死亡，当细胞周期调节异常，正常的细胞就会病变成癌细胞．因此，细胞周期调节障碍是癌症发生和发展过程中的重要事件，探索细胞周期调节机制对癌症的治疗具有积极作用．根据CDKN3的作用机理，其曾被认为是抑癌基因．然而，在另一些癌症研究中发现，CDKN3在许多肿瘤组织中呈现高表达，提示CDKN3对细胞生命活动影响的复杂性．

3.1　CDKN3与肝癌

原发性肝癌（HCC）是一种普遍的消化系统恶性肿瘤，李苗苗[8]等分析了36例肝癌细胞中CDKN3 mRNA水平均高于正常细胞，通过邢春阳[9]的研究发现，10例中有7例CDKN3 mRNA的表达多于正常组织的2倍，蛋白水平也在肝癌组织中普遍呈高表达．为验证CDKN3在肝癌组织中的作用通路，李苗苗的实验通过设计此基因干扰组得出，增殖的细胞中G0/G1期细胞比例上调，S期减少；当过表达CDKN3时发现，CDKN3对细胞增殖作用是通过易化G1/S期实现的，并且P21表达降低．由于诱发癌的机制复杂，癌症的发生是不同癌基因或抑癌基因共同作用的结果，邢春阳利用基因芯片数据库在肝癌细胞中找到60余种与CDKN3共表达的基因，构建CDKN3的调控图谱（见图２）．综上所述，CDKN3在肝癌细胞中是一种癌基因，并且部分作用机制是通过抑制P21的表达来完成的．

图2　CDKN3在肝癌中共表达基因网络图[9]41

注：基因网络图中这些基因在肿瘤细胞信号通路中富集，BIRC5位于CDKN3调节网络中心

3.2　CDKN3与鼻咽癌

鼻咽癌（NPC）是在黄种人鼻咽部高发的恶性肿瘤之一，此种癌细胞易转移和复发，具有高度侵袭性，通过手术、放射治疗后大部分患者预后不佳．NPC的发生与P27和CDKN3影响的细胞周期变化有着十分密切的关系．P27（CDKN1B）属于细胞周期蛋白依赖性抑制剂CIP/KIP家族，如果CDKI中P27及与其相关的Cyclin和CDK的平衡被打破，细胞的增殖会变得异常．CDKN3C端有核定位信号序列，与细胞周期调控有关[7]102．在Wang[10]等的研究中，通过进一步探究NPC患者CDKN3与P27的相互作用表明，P27高水平表达的患者死亡率大幅度降低．主要因为P27的上调有效抑制CDKN3诱导的NPC细胞增殖，并且细胞周期阻滞和凋亡增加，侵袭减少和放射敏感性增加．由此可见，在NPC组织中P27的表达与CDKN3的表达呈负相关．P27的下调、CDKN3的上调与NPC患者预后较差相关，在今后研究CDKN3/P27异常信号可能是治疗鼻咽癌的方法之一．

3.3　CDKN3与Bcr-Abl介导的白血病

慢性粒细胞白血病（CML）是由Bcr-Abl致癌基因诱导发生的一种造血系统恶性肿瘤．研究表明，Bcr-Abl通过PI3k/Akt介导的蛋白酶体途径增强其蛋白降解，激活CDK加速细胞周期进程[11-13]．经实验证实，CDKN3在Bcr-Abl介导的白血病中是肿瘤抑制因子，其过表达可延迟K562白血病细胞G1期向S期转换，负调控白血病细胞的增殖，并使K562白血病细胞对诱导凋亡药物的敏感性增加．此外，CDKN3的高表达显著降低了Bcr-Abl介导的FDCP1细胞转化的效率[14]．因此，CDKN3在Bcr-Abl介导的白血病中发挥着重要作用，可作为治疗白血病的潜在新靶点．

3.4　CDKN3与其它肿瘤细胞

根据目前的研究结果，CDKN3在其它癌症中的作用机制尚不明朗．CDKN3在乳腺癌[15]、胃癌[16]、前列腺癌[17]中高表达，并通过不同的信号通路，调节癌细胞的增殖、迁移、侵袭和凋亡等细胞生物学行为，表现为促进肿瘤发展．研究证明，CDKN3是胰腺癌新的原癌基因，CDKN3高表达提示胰腺癌患者预后不良[18]；肾细胞癌（RCC）中CDKN3表达水平升高显著增强了RCC的细胞增殖和肿瘤生长，呈现出致癌作用[19]．高水平CDKN3 mRNA与几种类型的癌症，包括肾透明细胞癌、肾乳头状细胞癌、低级别胶质瘤和前列腺癌的低生存率相关[20]．但CDKN3在脑胶质细胞瘤中的作用与它在上述肿瘤细胞完全相反，该基因呈低表达，受CDC2信号通路的影响来改变细胞有丝分裂，发挥抑癌作用[21]．另外，在不同的癌症中发现了几种编码不同的CDKN3亚型的剪接转录变体，意味着这些亚型可能与特定的肿瘤形成有关[22-23]．

CDKN3基因究竟如何调控细胞周期的过程还没有成熟的定论，但可确定CDKN3在人类癌症中的频繁过表达与有丝分裂细胞数量的增加有关．由此可见，深入了解CDKN3通过细胞周期调控进而促进或抑制肿瘤细胞的发展对癌症治疗具有明确的指导方向，具体的调控机制还有待进一步研究．

4　展望

各种生物活动的正常进行与细胞周期有着密切的关系，只有细胞周期的有序变迁，才能保证细胞进入增殖、分化、衰老和死亡等生理状态．CDKN3在细胞周期调控过程中具有十分重要的作用，但CDKN3的下游靶基因和调控下游效应因子的过程尚不明确．现在已有的医学手段在恶性肿瘤的治疗和预后方面还不是很理想，研究肿瘤的发生机制才是治疗这些疾病的最终方法．了解CDKN3的作用机制，对细胞周期进行调控可以有效抑制肿瘤细胞的增殖能力，对治疗癌症等相关疾病具有重要作用．目前已有数据表明，CDKN3的表达可作为某些肿瘤疾病的预后因素，用来预测肿瘤大小、复发等情况．癌症的发生是许多不同基因共同调控的，CDKN3在不同恶性肿瘤中表达量和发挥的功能不一致，因此研究CDKN3的作用机制会为人类未来抗癌治疗提供一个重要突破点．

[1] Hannon G J，Casso D，Beach D．KAP：A dual specificity phosphatase that interacts with cyclin-dependent kinases[J]．Proc Natl Acad Sci USA199491（5）：1731-1735

[2] Demetrick D J，Matsumoto S，Harmon G J．Chromosomal mapping of the genes for the human cell cycle proteins cyclin C（CCNC），cyclin E（CCNE），p21（CDKN1）and KAP（CDKN3）[J]．Cytogenetic and Genome Research，1995，69（3-4）：190-192

[3] Cress W D，Yu P，Wu J．Expression and alternative splicing of the cyclin-dependent kinase inhibitor-3 gene in human cancer[J]．The international journal of biochemistry &cell biology，2017，91（Pt B）：98-101

[4] Nalepa G，Barnholtz-Sloan J，Enzor R，et al．The tumor suppressor CDKN3 controls mitosis[J]．J Cell Biol，2013，201（7）：997-1012

[5] Srinivas V，Kitagawa M，Wong J，et al．The tumor suppressor CDKN3 is required for maintaining the proper number of centrosomes by regulating the centrosomal stability of Mps1[J]．Cell Rep201513（8）：1569-1577

[6] Okamoto K，Kitabayashi I，Taya Y．KAPI dictaes p53 response induced by chemotherapeutic agents via Mdm2 interaction[J]．Biochemical and biophysical research communications，2006，351（1）：216-222

[7] 汪美容，舒宽勇．P21，P27蛋白在肿瘤中的表达研究进展[J]．实用临床医学，2018，19（6）：101-103，107

[8] 李苗苗，王海啸，陶国全．CDKN3基因在肝癌中的表达及其对肝癌细胞生长、细胞周期的影响[J]．山西医科大学学报，2016，47（6）：496-501

[9] 邢春阳．CDKN3在肝癌中的功能研究[D]．杭州：浙江大学，2014：1-72

[10] Wang Huimin，Chen Hexin，Zhou Hang，et al．Cyclin-Dependent Kinase Inhibitor 3 Promotes Cancer Cell Proliferation and Tumorigenesis in Nasopharyngeal Carcinoma by Targeting p27[J]．Oncology Research，2017，25（9）：1431-1440

[11] Jonuleit T，van der Kuip H，Miething C，et al．BcrAbl kinase down-regulates cyclin-dependent kinase inhibitor p27 in human and murine cell lines[J]．Blood，2000，96（5）：1933-1939

[12] Andreu E J，Lledo E，Poch E，et al．BCR-ABL induces the expression of Skp2 through the PI3K pathway to promote p27 （Kip1）degradation and proliferation of chronic myelogenous leukemia cells[J]．Cancer research，2005，65（8）：3264-3272

[13] Borriello A，Caldarelli I，Bencivenga D，et al．p57（Kip2）is a downstream effector of BCR-ABL kinase inhibitors in chronic myelogenous leukemia cells[J]．Carcinogenesis，2011，32（1）：10-18

[14] Chen Qinghuang，Chen Ke，Guo Guijie，et al．A Critical Role of CDKN3 in Bcr-Abl-Mediated Tumorigenesis[J]．PloS one，2014，9（10）：e111611

[15] Deng Miao，Wang Jianguang，Chen Yanbin，et al．Silencingcyclin-dependent kinase inhibitor 3 inhibits the migration of breast cancer celllines[J]．MolMedRep，2016，14（2）：1523-1530

[16] Li Yan，Ji Shan，Fu Li-Ye，et al．Knockdownofcyclin-dependentkinaseinhibitor 3inhibitsprolifrationandinvasioninhuman gastriccancercells[J]．OncolRes，2017，25（5）：721-731

[17] Yu Chao，Cao Hongwen，He Xiaofeng，et al．Cyclin-dependentkinaseinhibitor 3（CDKN3）plays a critical role in prostate cancer via regulating cell cycle and DNA replication signaling[J]．BiomedPharmaco-ther，2017，96：1109-1118

[18] 胡赞，孙锐，程方雄，等．胰腺癌中细胞周期依赖激酶抑制剂3的表达及意义[J]．实用医学杂志，2018，34（20）：3403-3405

[19] Lai M W，Chen T C，Pang S T，et al．Overexpression of cyclindependent kinase-associated protein phosphatase enhances cell proliferation in renal cancer cells[J]．Urologic Oncology-Seminars and Original Investigations，2012，30（6）：871-878

[20] Niculescu M D，Yamamuro Y，Zeisel S H．Choline availability modulates human neuroblastoma cell proliferation and alters the methylation of the promoter region of the cyclin-dependent kinase inhibitor 3 gene[J]．J Neurochem，2004，89（5）：1252-1259

[21] Nalepa G，Barnholtz-Sloan J，Enzor R，et al．The tumor suppressor CDKN3 controls mitosis[J]．J Cell Biol，2013，201（7）：997-1012

[22] Yu Y，Jiang X，Schoch B S，et al．Aberrant splicing of cyclin-dependent kinase-associated protein phosphatase KAP increases proliferation and migration in glioblastoma[J]．Cancer Res，2007，67（1）：130-138

[23] Yeh CT，Lu SC，Chen TC，et al．Aberrant transcripts of the cyclin-dependent kinase-associated protein phosphatase in hepatocellular carcinoma[J]．Cancer Research，2000，60（17）：4697-4700

Research progress of cyclin dependent kinase inhibitor 3

GONG Xiaoqing，TAN Ming，SHENG Heyu，XU Meiling，ZHANG Meng，XU Hu，XIA Jingqiu，SUN Yingning

（School of Life Science and Agriculture Forestry，Qiqihar University，Qiqihar 161006，China）

Cyclin dependent kinase inhibitor 3（CDKN3），a member of kinase inhibitor CIP/KIP family，is a cell cycle regulator．CDKN3 binds to different protein，and then plays different roles in the process of cell cycle．On the one hand，CDKN3 promots DNA replication and cell proliferation through inhibiting P21 expression．On the other hand，CDKN3 inhibits cell cycle G1 to S phase by dephosphorylating CDC2 Thr161，CDKN3 also binds to Mps1 to regulate the number of centrosome．More and more studies found that the abnormal expression of CDKN3 and the mechanism of regulating cell cycle play important role in carcinogenesis．The expression of CDKN3 are higher than the normal tissue in liver cancer，prostate cancer，breast cancer and other cells，wheras，CDKN3 show lower expression in Glioma and Chronic myelogenous leukemia．The structure of CDKN3 gene and the function of its coding protein are reviewed．

CDKN3；P21；cell cycle；cancer therapy

Q75

A

10.3969/j.issn.1007-9831.2020.03.017

1007-9831（2020）03-0087-05

2019-10-16

国家自然科学基金项目（31402061）；黑龙江省教育厅基本业务专项理工面上项目（135209261）；2018年省级大学生创新创业训练计划资助项目（201810232067）

宫晓庆（1998-），女，黑龙江绥化人，在读本科生．E-mail：1415297266@qq.com

孙婴宁（1981-），女，辽宁抚顺人，副教授，博士，从事分子遗传学研究．E-mail：yingningsun@163.com