细胞周期学习笔记，越想简单，却越复杂的一次学习

看文献的时候发现很多细胞周期的内容，因此想要简单了解一下细胞周期的内容，但是当我开始看相关内容时，发现内容越来越复杂。若只是了解细胞周期的大概分布不算什么，最重要的是该了解细胞周期这个机器运作的关键指令以及维修重点。

1 细胞周期基本信息，如下图所示，细胞周期分为：

（1）interphase（间期）：G1，S，G2。
G1 phase (G stands for gap) ，所以G是Gap这个单词的首字母，顾名思义，G1和G2，都是一个间期里面的Gap时期。
S phase represents synthesis phase，所以S期的S是合成synthesis的首字母，意味着这个时期正在合成DNA。

那么G1和G2都是Gap，这个Gap有何意义呢？在G1时期细胞在合成有丝分裂所需的mRNA和protein，因此细胞还会稍稍变大呢，而且在G1往S期的过程，细胞需要通过自检之后才可通往S期，而这个自检过程则需要G1 checkpoint来帮忙阻止歪瓜裂枣细胞进入S期。那么以此类推，在DNA复制已经完成的G2期，此时染色质凝聚形成染色体，在进入分裂期前还需经历G2 checkpoint自检。其实除了G1，G2，S，M，还有一个G0期，这是在分裂细胞周期之外的，处于静止状态的细胞。

（2）mitotic（有丝分裂期）：M自然就是mitotic的首字母啦，此时加倍的染色体逐渐分开，细胞一分为二，当然此时还有一个Mataphase checkpoint自检程序。当然M期根据具体步骤，还可以分为前中后期等等。

小知识：对于人类细胞，G1 phase might last about 11 hours, S phase about 8 hours, G2 about 4 hours, and M about 1 hour，加起来就刚好24小时左右，竟然这么刚刚好。

2 细胞周期总览

一般来说大家都会知道这个简略的信息图。

cell cycle and checkpoints
但我们还需要了解，推进这些进程的关键因子：
image.png

3 mitotic有丝分裂期图解

有时候大家会简单了解一下有丝分裂的 过程。可以看到M期后，细胞可以选择进入G0期静止，也有可能重新进入下一个细胞分裂周期，循环往复。那么对于肿瘤细胞来说，细胞处于无限制增殖状态，则几乎每一个细胞都分布在细胞分裂周期合个时期，而如果是非永生的细胞，则应存在一定比例的G0细胞期，而了解这些信息对于实验结果的解读非常重要，后面还会继续提到这个点。

The cell division cycle

4 细胞周期checkpoint简览

checkpoint

从图上可见，阻止细胞周期运作的因素有多种，而参与细胞周期的关键因子是CDK家族以及cyclin家族。

checkpoint按照出现的时间点分为：

4.1 G1 (restriction) checkpoint：

出现在G1/S转换期，决定细胞要还是不要分裂，通常会检查细胞的size是否足够大到可以分裂、检查营养物质/能量是否可以负担分裂、检查细胞是否收到相应的信号以及检查DNA完整性，即是否有DNA损伤发生。

这里需要提到非常重要的CDK（cyclin-dependent kinase）家族，顾名思义这是细胞周期依赖的激酶，激酶一般会造成靶蛋白的磷酸化，从而激活某些蛋白的功能并推进细胞周期，而抑制CDK功能的则为CDKI，包含两个家族：CIP/KIP（CDK interacting protein/Kinase inhibitory protein），包括p21^CIP1，p27^KIP1，p57^KIP2，它们可以抑制所有的CDKs；另一个是INK4/ARF家族，包括p15^INK4b，p16^INK4a，p18^INK4c，p14^ARF，它们负责抑制CDK4/6（hence their name INhibitors of CDK4）。从下面两个图我们也可以看到CIP/KIP家族是横贯整个细胞周期的，而INK/4ARF家族则主要在G1期起作用，而它们的基因名我也觉得相当有趣，记忆点非常多，对于INK4/ARF，上标的Ink4a-d跟基因名CDKN2A-D是吻合的。同样CIP/KIP家族也是，与基因名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

下面就挑选几个来介绍
（1）p27^Kip1
从图上可以看到，CDK4/6-CyclinD原本是促进细胞周期的蛋白复合物，而Cyclin-dependent kinase inhibitor 1B (p27^Kip1，p27，CDKN1B gene)的出现会结合到CDK4/6-CyclinD复合物中。需要注意，p27^Kip1可以单独与Cyclin D结合，也可以与其催化亚基CDK4结合。在此过程中，p27^Kip1抑制CDK4的催化活性，这意味着它阻止CDK4将磷酸残基添加到其主要底物pRb蛋白上，而pRb又是细胞周期抑制因子。因此，一整条故事链则是：p27^Kip1表达上升，抑制CDK4/6-Cyclin D复合物催化pRb的磷酸化，从而保留了pRb的活性，从而抑制细胞进入S期，停留在G1期。那么p27^Kip1为何又会表达增加呢？

一般来说，外部的可促进细胞分裂的生长因子可以降低p27^Kip1的转录及翻译，另外CDK2/cyclin E也会磷酸化p27^Kip1并促进其被SCF复合物泛素化从而被降解。

（2）p21^Cip1
相对于p27^Kip1似乎主要与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）编码的p21^Cip1（又称p21^Waf1）蛋白则可与CDK1、2、4/6都起作用。与p27^Kip1受外部生长因子调节的不同，p21^Cip1是p53在DNA损伤下的下游反应基因，主要应对DNA损伤时，调节细胞cell cycle arrest。同时，反过来，p21^Cip1同样也会被CDK2所调节，同样由SCF复合物进行泛素化，从而蛋白被降解。
此外，p21^Cip1还可以与PCNA结合，从而抑制S期的DNA合成。

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

（4）p57^Kip2
p57^Kip2（Cyclin-dependent kinase inhibitor 1C，CDKN1C），其功能与p27^Kip1类似，同时还可与PCNA结合。

小结：通过了解以上内容，我们发现CDK家族是调节细胞周期轮转的关键蛋白，而对CDK家族的调节是影响细胞周期的关键，而CDK则由CDK家族的抑制家族CIP/KIP（CDK interacting protein/Kinase inhibitory protein，including p21, p27, p57）以及INK4/CKIs所调节，CIP/KIP家族在调节CDK家族时还涉及到PCNA，RB1等重要因子。

image.png

为能对这些蛋白功能有一个直观的了解，我在STRING上做了一个PPI图，如下所示：

image.png

以上我们只是讲了信号相关的checkpoint，关于DNA损伤这部分没有讲到，因为DNA损伤的检查横贯G1-M期，所以放在任何一部分都合适，因此放在了G2-M checkpoint部分。

（2）G2-M checkpoint：出现在G2/M转换期，阻止细胞进入M期，还有人称之为G2-M DNA damage checkpoint，直接体现出了在这过程中最重要的内容是检查DNA损伤。那么我们要知道DNA损伤的类型有哪些：在细胞正常生长过程中或者在环境刺激下，DNA损伤可能有以下几种情况：（1）氧化过程；（2）碱基的烷基化；（3）碱基水解导致的碱基损失；（4）大块加合物的形成；（5）DNA交联；（6）DNA单链或双链断裂。通常我们会直接想到DNA的单链或者双链断裂（ssDNA，dsDNA），而其中非常关键的下游基因则是ATR（应对ssDNA）以及ATM（应对dsDNA）它们的下游机制各有不同，对于ssDNA，细胞倾向于修复DNA，因此会走入一个cell cycle arrest的结果，从而给予DNA修复时间，其中是依赖于CHK1（Checkpoint kinase 1）起到关键作用。而对于损伤比较严重的dsDNA，细胞在DNA修复失败后，则倾向于走向凋亡（可分裂细胞）和衰老（不分裂细胞），这个过程则依赖于CHK2以及下游p53蛋白。至此，我们关于细胞周期的学习，延伸至细胞周期checkpoint并拓展到了DNA修复过程。

在此之前我只知道p53是一个重要的调节蛋白，现在看来，p53不过是这个过程中的小小一个因素，感觉知识版图又大了一点点点点。

ssDNA and dsDNA

（3）spindle checkpoint：也就是纺锤体组装检查点（spindle assembly checkpoint, SAC）。出现在M期里，分裂中期向分裂后期的转换时间，其中最重要的是APC/C复合体；累了，不学了。

小结：下图简单小结一下各时期的checkpoint情况，但我们知道实际比这个远要复杂的多。

Cell cycle checkpoints and cell cycle control

资料参考：

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