细胞生物学论文
摘 要： 细胞分裂周期蛋白14B (CDC14B) 是真核细胞中广泛表达的一类特殊的高度保守的丝/苏氨酸双特异性磷酸酶, 是CDC14家族的一个亚型。从酵母到人类的各种研究表明, CDC14B的功能并不保守, 其参与细胞内多种重要的生命活动, 包括细胞的生理、病理进程, 具体涉及有丝分裂、胞质分裂、减数分裂、DNA损伤修复、中心体复制、纤毛形成等。CDC14B的功能是目前研究的热点, 基于此, 本文就CDC14B的生物学作用进行综述。
关键词： 细胞分裂周期蛋白14B; 细胞分裂; DNA损伤修复; 肿瘤;
细胞分裂周期蛋白14B (cell division cycle 14B, CDC14B) 属于丝/苏氨酸蛋白磷酸酶家族，L.HARTWELL于1970年在出芽酵母中首次发现CDC14并将其定义为一种促进细胞退出有丝分裂的调节因子[1]。在酿酒酵母和粟酒裂殖酵母中只发现了1种CDC14成员;在哺乳动物中发现了2种CDC14成员，即CDC14A和CDC14B，随着对CDC14B研究深入，在人类细胞中又发现了CDC14C。通过对酵母、秀丽隐杆线虫、人类、鸡、非洲爪蟾和斑马鱼的一系列研究发现，CDC14具有重要的生物学功能。CDC14A可调节有丝分裂、胞质分裂、减数分裂、DNA修复和抑制转录，而CDC14B可调节G2期细胞DNA损伤反应检查点、纺锤体稳定性、中心体复制以及调控纤毛形成、调节有丝分裂、减数分裂、DNA损伤修复，甚至可以激活胚胎基因组，在致癌性方面表现尤为突出[2]。目前，CDC14B的生物学作用已成为研究热点，故本文对CDC14B的功能做一综述。
1、 CDC14B蛋白结构及作用底物
CDC14B是一种高度保守且特殊的磷酸化酶，属于蛋白质丝/苏氨酸磷酸酶家族，其特殊之处在于有2个作用位点，既可以作用于靶蛋白丝氨酸，也可以作用于苏氨酸使其脱磷酸化，从而调节靶蛋白的生物活性[3]。CDC14B磷酸酶的N端核心区是高度保守的，由350个氨基酸组成，但C端域是可变的，无论是从其长度或是序列保守性都可以看到这一变化。通过晶体结构分析，其核心区由A结构域和B结构域组成，A结构域对底物有特异性，为调节域;B结构域为催化结构域，包含蛋白酪氨酸磷酸酶 (protein tyrosine phosphatase, PTP) 模序。CDC14B的结构揭示了它是一个脯氨酸蛋白质磷酸酶。此外，脊椎动物的CDC14B还具有一个独特的从N端延伸出来的序列，其功能是将CDC14B定位于核仁中，C端域包括核输出序列，可控制CDC14B的出核[4]。研究表明，CDC14磷酸酶亚型在有丝分裂间期和有丝分裂期有不同的亚细胞定位，CDC14A在有丝分裂间期定位于中心体，在有丝分裂期又重新分配到细胞质[5];CDC14B在有丝分裂间期主要分布于核仁中，而在有丝分裂前期和中期分散于整个细胞[6]。CDC14通过去磷酸化相关底物参与细胞周期进程，如CDC14A可使细胞分裂周期蛋白25 (cell division cycle 25, CDC25) 、烟酰胺腺嘌呤核苷酸依赖的脱乙酰酶2 (NAD-dependent deacetylase sirtuin-2, SIRT2) 、USP6氨基端样蛋白R、p53、铁调节蛋白和着丝粒中心蛋白脱磷酸化[7];而CDC14B可使SIRT2、S期激酶相关蛋白2 (S-phase kinaseassociated protein 2, SKP2) 、p53和细胞外调节蛋白激酶3 (extracellular regulated protein kinases 3, ERK3) 脱磷酸化;CDC14调节靶蛋白主要通过使靶蛋白的丝氨酸、苏氨酸脱磷酸化发挥生理活性[8]。
2 、CDC14B的生物学作用
2.1、 CDC14B在有丝分裂中的作用
CDC14最初在出芽酵母中发现，其作用相对比较特殊，研究表明，CDC14从细胞核到细胞质的释放有2条通路，CDC14蛋白早后期释放 (fourteen early anaphase release, FEAR) 通路作用于有丝分裂后期的较早时期，有丝分裂退出网络 (mitotic exit network, MEN) 作用于有丝分裂后晚期，前者保证CDC14的释放，后者促进有丝分裂及时退出[9]。人类基因组编码2种人类细胞分裂周期蛋白14 (human cell division cycle14, HCDC14) ，分别为HCDC14A和HCDC14B;后续又发现了HCDC14C，除了氨基端外，其他结构与HCDC14B相似，主要分布于脑和睾丸[10]。HCDC14B在有丝分裂间期定位于核仁中，其生物学功能主要包括调节有丝分裂的退出、核组织及有丝分裂纺锤体组装、中心粒复制、G1期持续时间、G2期DNA损伤检查点的效率[11]。有研究表明，CDC25可增加细胞成熟促进因子 (meiosis or mitosis promoting factor, MPF) 的活性，促进有丝分裂，促进G2/M期的过渡。MPF由催化亚基细胞周期依赖性激酶1 (cyclin dependent kinase 1, CDK1) 和调节亚基细胞周期蛋白B (CyclinB) 构成。HCDC14B依赖性调节CDC25和MPF活性，其与染色体正确分离和双极纺锤体形成紧密相关，这是通过有丝分裂和维持基因组稳定性所需的过程。HCDC14B在有丝分裂过程中起着重要的调节作用，HCDC14B过表达延迟了CDC25和CDK1的激活，并减缓了细胞进入有丝分裂的速度。沉默HCDC14B基因后不能使CDK1-Cyclin B及时失活，CDC25的去磷酸化也受到干扰，对有丝分裂进程产生严重的影响，导致多方面的缺陷，如有丝分裂中期/后期过渡阻滞，染色体形成滞后，纺锤体多极化和细胞出现双核[12,13,14]。
2.2 、CDC14B在减数分裂中的作用
减数分裂是一种特殊的细胞分裂，卵母细胞减数分裂在这个过程中会有2次阻滞现象，第1次阻滞发生第1次减数分裂前期，接收到排卵信号后减数分裂恢复;第2次阻滞在减数分裂中期受精后完成分裂[15]。有研究表明，雌性哺乳动物卵母细胞通过其膜上的G蛋白偶联受体激活腺苷酸环化酶，腺苷酸环化酶催化三磷腺苷生成环磷酸腺苷 (cyclic adenosine monophosphate, cAMP) ，之后cAMP作为第2信使激活蛋白激酶A (protein kinase A, PKA) ，促进MPF的催化亚基CDK1蛋白上的丝氨酸和酪氨酸磷酸化，从而使卵母细胞处于减数分裂阻滞状态[16,17]。排卵前促黄体生成素通过降低cAMP等一系列反应而恢复减数分裂，在减数分裂中涉及许多调节机制，对小鼠卵母细胞的研究表明，过表达CDC14B可延迟卵母细胞减数分裂的恢复，下调CDC14B表达可引起减数分裂提前恢复[18]。在生发泡期CDC14B定位于细胞质，在生发泡破裂后、第1次减数分裂前期和第2次减数分裂中期CDC14B则定位于整个纺锤体[19]。CDC14B是小鼠卵母细胞恢复减数分裂的负性调控因子，这种负性调控是通过CDC14B激活细胞周期后期促进复合物 (anaphase promoting complex, APC) 的调节亚基上皮钙黏蛋白 (E-cadherin, CDH1) 进而激活APC, CyclinB1通过泛素介导的水解酶降解，使CDK1的活性降低，卵母细胞停滞在第1次减数分裂前期。当减数分裂恢复时，CDK1使CDH1磷酸化而钝化，CCNB1水平升高，CDK1被激活，从而形成一个正反馈环，调节小鼠卵母细胞成熟，促进卵母细胞第1次减数分裂向第2次减数分裂过渡[20,21,22]。
2.3、 CDC14B在DNA损伤修复中的作用
基因复制过程会受到内外环境如细胞代谢物、辐射及其他危险因素的影响，造成DNA损伤。如果DNA损伤不修复，会发生一些严重影响遗传物质稳定性的现象，如基因突变和染色体畸变[23]。DNA损伤反应作用于一系列蛋白激酶信号通路，作用的关键部位称为DNA损伤检查点，DNA损伤信号传递至DNA损伤检查点进而可以激活DNA损伤修复机制[24]。通过对U2OS细胞的研究表明，HCDC14B可调节控制G2期DNA损伤检查点。HCDC14B从核仁转移到核质去磷酸化CDH1, CDH1是APC相连的亚单位，其去磷酸化可以稳定衔接蛋白Claspin，为后续有效激活细胞周期检测点激酶1 (checkpoint kinase 1, Chk1) 及DNA修复做好准备[25,26]。HCDC14B-CDH1-Chk1轴调控G2期DNA损伤检查点，为了应对G2期的DNA损伤，防止受损的DNA转化为可遗传的突变，真核生物细胞必须及时检查DNA损伤点并进行DNA损伤修复[27]。有研究发现，缺乏CDC14B的细胞修复内源性和外源性DNA损伤的能力降低，导致组蛋白γ-H2AX增加，γ-H2AX是一种双链断裂 (double strand break, DSB) 标志物，对辐射高度敏感[28]。进一步研究发现，CDC14B并不是直接去磷酸化γ-H2AX修复DNA损伤，而是通过作用于修复DSB的酶而修复DNA损伤[29]。LIN等[30]研究发现，CDC14B缺乏损害了2种主要的DSB修复途径，分别是同源重组和非同源末端连接，CDH1是DSB修复过程中CDC14B的下游靶标。
2.4、 CDC14B在纤毛形成中的作用
CDC14B在不同物种细胞周期中的作用不同，其在脊椎动物中有特殊作用。为了解脊椎动物中CDC14B的功能，CLEMENT等[31]克隆了斑马鱼CDC14B基因，使用反义吗啉代寡核苷酸和插入突变抑制CDC14B在早期发展中的功能，发现CDC14B缺乏会导致斑马鱼一系列表型发生改变，包括脑积水、身体畸形、肾囊肿、纤毛缺陷、纤毛变短等;在斑马鱼中CDC14B独立于成纤维细胞生长因子而调节纤毛长度。
2.5、 CDC14B在肿瘤形成中的作用
CDC14B有助于DNA损伤修复，保证基因遗传的稳定性。而肿瘤是基因的异常表达，从这一方面来说CDC14B是肿瘤抑制因子[32]。但近年来研究发现，在重症联合免疫缺陷小鼠中注射过表达的CDC14B，小鼠体内能够形成肿瘤。CHIESA等[33]也观察到在正常小鼠成纤维细胞中过表达CDC14B，纤维组织原细胞的细胞骨架蛋白会受到破坏，继而细胞发生恶变，表明CDC14B具有致癌性。进一步研究发现，CDC14B与癌基因HRasv12以相似的作用方式发挥其致癌性，主要效应途径是诱导激活有丝分裂原活化蛋白激酶信号通路。SIRT2是烟酰胺腺嘌呤二核苷酸依赖的脱乙酰酶，其使细胞微管蛋白脱乙酰化从而调节细胞运动。而CDC14B可以使SIRT2去磷酸化，SIRT2水平下降[34]。在过表达CDC14B的纤维组织原细胞中缺乏微管，这可能是SIRT2表达水平变化引起的。有研究者在成纤维细胞中过表达CDC14B，发现SIRT2水平无明显降低，乙酰化微管水平也无明显变化，说明SIRT2能够调节细胞运动，但并不是CDC14B致癌的主要靶分子[35]。KIM等[36]研究发现，在肾透明细胞癌的癌细胞中CDC14B表达下调，CDC14B在肾透明细胞癌初发时对肿瘤分期有影响。SUN等[37]研究发现，CDC14B在喉癌组织中的表达高于周围正常组织，miR-1225在人喉癌组织中表达量下降，提示miR-1225对喉癌细胞有抑制作用;miR-1225通过减少CDC14B来调节喉癌细胞的活性，其主要作用位点是CDC14B 3'端非翻译区。GALEANO等[38]研究证实，在Ⅳ级星形细胞瘤或多形性胶质母细胞瘤中，CDC14B表达量与正常脑组织相比显着降低;其作用机制为腺苷脱氨酶介导CDC14B前mRNA的编辑，继而增加CDC14B表达量，之后CDC14B作用于Skp2/p21/p27途径，进而抑制肿瘤细胞生长。OCZKO-WOJCIECHOWSKA等[39]采用表达谱芯片和实时荧光定量聚合酶链反应检测了不同类型甲状腺髓样癌癌组织中CDC14B mRNA表达量，结果发现，恶性程度越高、侵袭性越强的甲状腺髓样癌组织中CDC14B mRNA表达水平越低。综上说明，CDC14B与肿瘤发生密切相关，但是其表达量高低与致癌作用并不完全一致，需要后续针对不同类型肿瘤进行更多的研究来探讨其具体机制。目前，在Ras信号转导通路中，CDC14B致癌的靶分子还不清楚[40]，只有探究其内在机制，才能研究出更好的肿瘤诊断和治疗方法。
3、 总结与展望
CDC14B在细胞周期中具有重要作用，是细胞周期的重要调控因子，其参与不同的细胞信号途径，调节细胞的生长、增殖、凋亡及肿瘤的形成，但具体调控机制尚不明确。深入了解CDC14B在细胞周期调控中的机制将为人类体外辅助生殖技术提供可靠的理论支持，深入研究CDC14B在肿瘤中的作用机制将有可能为肿瘤治疗提供一个新的靶点。
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