撰文 | 春晓
如教课书中所授（图1），在哺乳动物细胞中，有丝分裂原（Mitogens）激活CDK4/6（cyclin-dependent kinase 4/6）、磷酸化肿瘤抑制因子视网膜母细胞瘤蛋白（Retinoblastoma protein，Rb）、激活转录因子E2F1-3。这些E2Fs促进细胞周期蛋白Cyclins E和A的转录，Cyclins E/A与CDK2形成复合物，CDK2磷酸化Rb并进一步驱动E2F介导的Cyclin E/A的转录。因此，一旦这个过程被激活，CDK2与Rb就形成了正反馈环路，即使在没有上游有丝分裂原信号的情况下也能不断地进行细胞分裂，这个标志着哺乳动物细胞在细胞周期中进入不可逆分裂增殖的点被称为限制点（Restriction point，R点）【1】。然而，有些研究对R点模型和细胞周期的基本调控理论提出了质疑【2-4】。因此，需要有研究来对细胞周期的基本调控理论模型进行修正。
图1. 教科书中的细胞周期基本调控模型。
近日，来自美国国家癌症研究所的Steven D. Cappell研究小组在Nature杂志上发表题为Loss of CDK4/6 activity in S/G2 phase leads to cell cycle reversal的研究论文，这篇文章所报道的模式与教科书相反，即细胞周期是完全可逆的。在没有有丝分裂原的情况下，有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞命运，这种时间竞争之所以出现，是因为Cyclin A2/CDK2的活性在整个细胞周期中取决于CDK4/6的活性，CDK4/6介导的cyclin A2转录的抑制是细胞周期退出的原因。这项研究揭示了R点现象的分子机制，发现了CDK4/6活性调控在S期和G2期的新作用，并解释了有丝分裂原信号丢失后的细胞命运。
R点模型的主要原理是，pre-R细胞对有丝分裂原信号敏感，如果有丝分裂原信号消失，将退出细胞周期进入G0期，而post-R细胞不需要有丝分裂原的信号，它们会完成有丝分裂，将子细胞停滞在G0【5】。然而作者通过高通量单细胞成像来跟踪细胞周期验证这一模型时发现并非所有细胞在有丝分裂原信号消失后后都以2N DNA含量停滞在G0期中，有一些细胞进入了具有4N DNA（每个染色体4个拷贝，例如二倍体）和低磷酸化Rb的“G0样”状态，这表明CDK2和Rb之间的正反馈环路并没有在这些细胞中无限期地保持。尽管有丝分裂原信号维持着细胞周期S/G2中CDK2的活性，然而并非所有post-R细胞都不可逆地进行着分裂增殖，一些细胞在有丝分裂原信号丢失后退出细胞周期进入了G0样状态（图2）。
图2. 有丝分裂原信号丢失后的post-R细胞命运
为了理解为什么这些异常的post-R细胞在有丝分裂原信号丢失后退出细胞周期而不是进入有丝分裂，作者建立了竞争时钟模型，发现在缺乏CDK4/6信号传导的情况下，所有post-R细胞都无法维持CDK2活性，这与CDK2活性自我维持这一教科书模型形成了鲜明对比。作者观察到一些细胞在G2期退出细胞周期的原因是这些细胞的细胞周期退出时钟比其有丝分裂时钟更短，有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞的命运。
第二个问题是CDK2和Rb是否真正存在自我维持的反馈环路。为了解决这一问题，作者在CDK4/6i处理的post-R细胞中检测了CDK2–Rb反馈环路的每一个分子，确定CDK4/6介导的cyclin A2转录的抑制是细胞周期退出的原因。CDK4/6促进细胞周期S/G2期蛋白Cyclin A2的合成，这意味着CDK4/6活性在S/G2期维持CDK2活性中起着关键作用。Cyclin A2水平决定了细胞周期退出时钟的时间。Cyclin A2起始水平较低的细胞在失去有丝分裂原信号后，CDK2失活且退出细胞周期所需的时间较少，因此，Cyclin A2是细胞周期退出时钟的主要贡献者。
此外作者还用了数学模型【6】对竞争时钟模型进行了验证，在不存在有丝分裂原的情况下，由于Cyclin A2的前馈回路调控，有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞的命运。在有丝分裂原信号传导被阻断时，距离有丝分裂大于约15小时的细胞1会退出细胞周期，而在细胞周期中走的更远的细胞2将在分裂成两个子细胞之前进行有丝分裂（图3）。
图3. 有丝分裂和细胞周期退出之间的竞争决定了细胞命运
综上所述，这项研究对长期以来细胞周期的基本模型提出了挑战，为为什么以前观察到R点现象提供了一个科学的解释，为细胞如何逆转有丝分裂细胞提出了新见解，细胞的命运由有丝分裂和细胞周期退出这两种互斥事件之间的时间竞争所决定，更普遍地说，任何两种互斥的命运之间的时间竞争都可以被细胞用于决策，例如，在增殖或分化之间做出决策，或在有丝分裂和凋亡之间做出决策。因此，这项发现可能对细胞周期调节之外的细胞决策也具有参考价值。
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06274-3
制版人：十一
参考文献
1. Pardee, A. B. A restriction point for control of normal animal cell proliferation.Proc. Natl Acad. Sci. USA71, 1286–1290 (1974).
2. Schwarz, C. et al. A precise Cdk activity threshold determines passage through the restriction point.Mol. Cell69, 253–264.E5 (2018).
3. Spencer, S. L. et al. The proliferation-quiescence decision is controlled by a bifurcation inCDK2 activity at mitotic exit.Cell155, 369–383 (2013).
4. Martinsson, H. S., Starborg, M., Erlandsson, F. & Zetterberg, A. Single cell analysis of G1 check points-the relationship between the restriction point and phosphorylation of pRb.Exp. Cell. Res.305, 383–391 (2005).
5. Min, M., Rong, Y., Tian, C. & Spencer, S. L. Temporal integration of mitogen history in mother cells controls proliferation of daughter cells.Science368, 1261–1265 (2020).
6. Yao, G., Tan, C., West, M., Nevins, J. R. & You, L. Origin of bistability underlying mammalian cell cycle entry.Mol. Syst. Biol.7, 485 (2011).
热门跟贴