看文獻(xiàn)的時候發(fā)現(xiàn)很多細(xì)胞周期的內(nèi)容，因此想要簡單了解一下細(xì)胞周期的內(nèi)容，但是當(dāng)我開始看相關(guān)內(nèi)容時，發(fā)現(xiàn)內(nèi)容越來越復(fù)雜。若只是了解細(xì)胞周期的大概分布不算什么，最重要的是該了解細(xì)胞周期這個機(jī)器運(yùn)作的關(guān)鍵指令以及維修重點(diǎn)。

1 細(xì)胞周期基本信息，如下圖所示，細(xì)胞周期分為：

（1）interphase（間期）：G1，S，G2。
G1 phase (G stands for gap) ，所以G是Gap這個單詞的首字母，顧名思義，G1和G2，都是一個間期里面的Gap時期。
S phase represents synthesis phase，所以S期的S是合成synthesis的首字母，意味著這個時期正在合成DNA。

那么G1和G2都是Gap，這個Gap有何意義呢？在G1時期細(xì)胞在合成有絲分裂所需的mRNA和protein，因此細(xì)胞還會稍稍變大呢，而且在G1往S期的過程，細(xì)胞需要通過自檢之后才可通往S期，而這個自檢過程則需要G1 checkpoint來幫忙阻止歪瓜裂棗細(xì)胞進(jìn)入S期。那么以此類推，在DNA復(fù)制已經(jīng)完成的G2期，此時染色質(zhì)凝聚形成染色體，在進(jìn)入分裂期前還需經(jīng)歷G2 checkpoint自檢。其實(shí)除了G1，G2，S，M，還有一個G0期，這是在分裂細(xì)胞周期之外的，處于靜止?fàn)顟B(tài)的細(xì)胞。

（2）mitotic（有絲分裂期）：M自然就是mitotic的首字母啦，此時加倍的染色體逐漸分開，細(xì)胞一分為二，當(dāng)然此時還有一個Mataphase checkpoint自檢程序。當(dāng)然M期根據(jù)具體步驟，還可以分為前中后期等等。

小知識：對于人類細(xì)胞，G1 phase might last about 11 hours, S phase about 8 hours, G2 about 4 hours, and M about 1 hour，加起來就剛好24小時左右，竟然這么剛剛好。

2 細(xì)胞周期總覽

一般來說大家都會知道這個簡略的信息圖。

cell cycle and checkpoints

image.png

3 mitotic有絲分裂期圖解

有時候大家會簡單了解一下有絲分裂的 過程?？梢钥吹組期后，細(xì)胞可以選擇進(jìn)入G0期靜止，也有可能重新進(jìn)入下一個細(xì)胞分裂周期，循環(huán)往復(fù)。那么對于腫瘤細(xì)胞來說，細(xì)胞處于無限制增殖狀態(tài)，則幾乎每一個細(xì)胞都分布在細(xì)胞分裂周期合個時期，而如果是非永生的細(xì)胞，則應(yīng)存在一定比例的G0細(xì)胞期，而了解這些信息對于實(shí)驗(yàn)結(jié)果的解讀非常重要，后面還會繼續(xù)提到這個點(diǎn)。

The cell division cycle

4 細(xì)胞周期checkpoint簡覽

checkpoint

從圖上可見，阻止細(xì)胞周期運(yùn)作的因素有多種，而參與細(xì)胞周期的關(guān)鍵因子是CDK家族以及cyclin家族。

checkpoint按照出現(xiàn)的時間點(diǎn)分為：

4.1 G1 (restriction) checkpoint：

出現(xiàn)在G1/S轉(zhuǎn)換期，決定細(xì)胞要還是不要分裂，通常會檢查細(xì)胞的size是否足夠大到可以分裂、檢查營養(yǎng)物質(zhì)/能量是否可以負(fù)擔(dān)分裂、檢查細(xì)胞是否收到相應(yīng)的信號以及檢查DNA完整性，即是否有DNA損傷發(fā)生。

這里需要提到非常重要的CDK（cyclin-dependent kinase）家族，顧名思義這是細(xì)胞周期依賴的激酶，激酶一般會造成靶蛋白的磷酸化，從而激活某些蛋白的功能并推進(jìn)細(xì)胞周期，而抑制CDK功能的則為CDKI，包含兩個家族：CIP/KIP（CDK interacting protein/Kinase inhibitory protein），包括p21^CIP1，p27^KIP1，p57^KIP2，它們可以抑制所有的CDKs；另一個是INK4/ARF家族，包括p15^INK4b，p16^INK4a，p18^INK4c，p14^ARF，它們負(fù)責(zé)抑制CDK4/6（hence their name INhibitors of CDK4）。從下面兩個圖我們也可以看到CIP/KIP家族是橫貫整個細(xì)胞周期的，而INK/4ARF家族則主要在G1期起作用，而它們的基因名我也覺得相當(dāng)有趣，記憶點(diǎn)非常多，對于INK4/ARF，上標(biāo)的Ink4a-d跟基因名CDKN2A-D是吻合的。同樣CIP/KIP家族也是，與基因名CDKN1A-C是吻合的，除了P21是CIP家族，P27、P56都是KIP家族。

CIP/KIP and INK4/ARF family

CIP/KIP and INK4/ARF family

下面就挑選幾個來介紹
（1）p27^Kip1
從圖上可以看到，CDK4/6-CyclinD原本是促進(jìn)細(xì)胞周期的蛋白復(fù)合物，而Cyclin-dependent kinase inhibitor 1B (p27^Kip1，p27，CDKN1B gene)的出現(xiàn)會結(jié)合到CDK4/6-CyclinD復(fù)合物中。需要注意，p27^Kip1可以單獨(dú)與Cyclin D結(jié)合，也可以與其催化亞基CDK4結(jié)合。在此過程中，p27^Kip1抑制CDK4的催化活性，這意味著它阻止CDK4將磷酸殘基添加到其主要底物pRb蛋白上，而pRb又是細(xì)胞周期抑制因子。因此，一整條故事鏈則是：p27^Kip1表達(dá)上升，抑制CDK4/6-Cyclin D復(fù)合物催化pRb的磷酸化，從而保留了pRb的活性，從而抑制細(xì)胞進(jìn)入S期，停留在G1期。那么p27^Kip1為何又會表達(dá)增加呢？

一般來說，外部的可促進(jìn)細(xì)胞分裂的生長因子可以降低p27^Kip1的轉(zhuǎn)錄及翻譯，另外CDK2/cyclin E也會磷酸化p27^Kip1并促進(jìn)其被SCF復(fù)合物泛素化從而被降解。

（2）p21^Cip1
相對于p27^Kip1似乎主要與CDK4/6-Cyclin D作用，而它的高度同源基因CDKN1A（cyclin-dependent kinase inhibitor 1 or CDK-interacting protein 1）編碼的p21^Cip1（又稱p21^Waf1）蛋白則可與CDK1、2、4/6都起作用。與p27^Kip1受外部生長因子調(diào)節(jié)的不同，p21^Cip1是p53在DNA損傷下的下游反應(yīng)基因，主要應(yīng)對DNA損傷時，調(diào)節(jié)細(xì)胞cell cycle arrest。同時，反過來，p21^Cip1同樣也會被CDK2所調(diào)節(jié)，同樣由SCF復(fù)合物進(jìn)行泛素化，從而蛋白被降解。
此外，p21^Cip1還可以與PCNA結(jié)合，從而抑制S期的DNA合成。

（3）p16
p16（cyclin-dependent kinase inhibitor 2A，CDKN2A，p16^INK4a）同p27^Kip1功能類似。

（4）p57^Kip2
p57^Kip2（Cyclin-dependent kinase inhibitor 1C，CDKN1C），其功能與p27^Kip1類似，同時還可與PCNA結(jié)合。

小結(jié)：通過了解以上內(nèi)容，我們發(fā)現(xiàn)CDK家族是調(diào)節(jié)細(xì)胞周期輪轉(zhuǎn)的關(guān)鍵蛋白，而對CDK家族的調(diào)節(jié)是影響細(xì)胞周期的關(guān)鍵，而CDK則由CDK家族的抑制家族CIP/KIP（CDK interacting protein/Kinase inhibitory protein，including p21, p27, p57）以及INK4/CKIs所調(diào)節(jié)，CIP/KIP家族在調(diào)節(jié)CDK家族時還涉及到PCNA，RB1等重要因子。

image.png

為能對這些蛋白功能有一個直觀的了解，我在STRING上做了一個PPI圖，如下所示：

image.png

以上我們只是講了信號相關(guān)的checkpoint，關(guān)于DNA損傷這部分沒有講到，因?yàn)镈NA損傷的檢查橫貫G1-M期，所以放在任何一部分都合適，因此放在了G2-M checkpoint部分。

（2）G2-M checkpoint：出現(xiàn)在G2/M轉(zhuǎn)換期，阻止細(xì)胞進(jìn)入M期，還有人稱之為G2-M DNA damage checkpoint，直接體現(xiàn)出了在這過程中最重要的內(nèi)容是檢查DNA損傷。那么我們要知道DNA損傷的類型有哪些：在細(xì)胞正常生長過程中或者在環(huán)境刺激下，DNA損傷可能有以下幾種情況：（1）氧化過程；（2）堿基的烷基化；（3）堿基水解導(dǎo)致的堿基損失；（4）大塊加合物的形成；（5）DNA交聯(lián)；（6）DNA單鏈或雙鏈斷裂。通常我們會直接想到DNA的單鏈或者雙鏈斷裂（ssDNA，dsDNA），而其中非常關(guān)鍵的下游基因則是ATR（應(yīng)對ssDNA）以及ATM（應(yīng)對dsDNA）它們的下游機(jī)制各有不同，對于ssDNA，細(xì)胞傾向于修復(fù)DNA，因此會走入一個cell cycle arrest的結(jié)果，從而給予DNA修復(fù)時間，其中是依賴于CHK1（Checkpoint kinase 1）起到關(guān)鍵作用。而對于損傷比較嚴(yán)重的dsDNA，細(xì)胞在DNA修復(fù)失敗后，則傾向于走向凋亡（可分裂細(xì)胞）和衰老（不分裂細(xì)胞），這個過程則依賴于CHK2以及下游p53蛋白。至此，我們關(guān)于細(xì)胞周期的學(xué)習(xí)，延伸至細(xì)胞周期checkpoint并拓展到了DNA修復(fù)過程。

在此之前我只知道p53是一個重要的調(diào)節(jié)蛋白，現(xiàn)在看來，p53不過是這個過程中的小小一個因素，感覺知識版圖又大了一點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)點(diǎn)。

ssDNA and dsDNA

（3）spindle checkpoint：也就是紡錘體組裝檢查點(diǎn)（spindle assembly checkpoint, SAC）。出現(xiàn)在M期里，分裂中期向分裂后期的轉(zhuǎn)換時間，其中最重要的是APC/C復(fù)合體；累了，不學(xué)了。

小結(jié)：下圖簡單小結(jié)一下各時期的checkpoint情況，但我們知道實(shí)際比這個遠(yuǎn)要復(fù)雜的多。

Cell cycle checkpoints and cell cycle control

資料參考：

1. Matthews, H.K., Bertoli, C. & de Bruin, R.A.M. Cell cycle control in cancer. Nat Rev Mol Cell Biol 23, 74–88 (2022). https://doi.org/10.1038/s41580-021-00404-3
2. Cooper GM. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates; 2000. The Eukaryotic Cell Cycle. Available from: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9876/
3. Front. Oncol., 11 August 2022 Sec. Molecular and Cellular Oncology
   Volume 12 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fonc.2022.916682
4. Kent, L.N., Leone, G. The broken cycle: E2F dysfunction in cancer. Nat Rev Cancer 19, 326–338 (2019). https://doi.org/10.1038/s41568-019-0143-7
5. https://www.khanacademy.org/science/ap-biology/cell-communication-and-cell-cycle/regulation-of-cell-cycle/a/cell-cycle-checkpoints-article