Nature | 郑晓枫等揭示CDK5-cyclinB调控细胞分裂

细胞周期失衡导致的异常增殖是肿瘤发生的经典机制之一。 细胞周期蛋白(cyclin)和周期蛋白依赖性激酶(cyclin-dependent kinases，CDK)是调控细胞周期的关键因子。尽管CDK家族包含将近20个成员，其激活因子也有29个，但不同的细胞周期仅受控于5对特定的组合模式：cyclin D -CDK4/6 调控DNA合成前期 （G1 phase） ， cyclin E- CDK2进入DNA合成期 （S phase） ， cyclin A- CDK2以及cyclin A- CDK1分别调控DNA合成期进程以及DNA合成后期 （G2 phase） ，cyclin B-CDK1则是目前唯一调控有丝分裂期 （mitosis） 的复合体【1】。这一精准的调控系统是细胞周期进程的关键所在，对于生物医学研究尤其是癌症治疗的研究具有极其重要的意义。

2024年9月4日，哈佛大学医学院附属丹娜法伯癌症研究院放射肿瘤研究部主任Dipanjan Chowdhury和Alexander Spektor教授带领的研究团队在Nature上发表了题为“CDK5-cyclin B1 regulates mitotic fidelity”的研究论文，深入阐述了非经典细胞周期调控因子CDK5在细胞有丝分裂中的具体作用。

CDK5虽是CDK家族成员之一， 却只有在脑组织中表达并发挥功能。其激活因子也非cyclin，而是只在神经组织里表达的p35及p39。因此，CDK5被视为CDK家族里的异类【2】。在神经系统发育过程中，CDK5通过调控神经细胞里的细胞骨架从而促进神经系统形成；此后CDK5的活性被cyclin D或E抑制。在非增殖的成型神经细胞里，神经毒素引发的钙蛋白酶酶切p35/p39形成更稳定的p25/p29，从而持续异常激活CDK5并导致神经细胞凋亡【2】。基于这些研究，CDK5一直在神经生物学领域里被视为重要研究对象和神经退化疾病里的重点靶标。然而近十年来，陆续有报道揭露CDK5在多瘤种内高表达，并在癌细胞的增殖中起到关键性作用【3】。但CDK5具体如何参与细胞周期调控的机制却仍不明了。

2019年Chowdhury教授带领的团队成员郑晓枫博士首次发现CDK5在非神经细胞里有丝分裂时期发挥作用，在此期间通过磷酸化脱磷酶protein phosphatase 4 （PP4）的调控单元从而取决DNA修复因子53BP1能否适时的结合损伤的染色体【4】。但非神经细胞里却没有p35或p39的表达，CDK5在非神经细胞里如何被激活仍是悬而未决的问题。

由于CDK家族成员与ATP结合的激活位点结构相同，因此缺乏绝对特异的某个CDK抑制剂； 并且不同CDK之间存在补偿作用，因此，针对单一CDK在特定细胞周期中的具体功能研究一直难以攻克。研究团队运用两种独立的化学/药理遗传手段来克服这一难关：（1）把内源CDK5替换成结构上稍有变异但不影响活性的突变体，该突变体的激酶活性能被特定的ATP模拟化和物 （1NM-PP1） 抑制；（2）用附加蛋白降解标签 的CDK5 dTAG变体替换内源CDK5，使其能被特异降解 （前后变体分别为analog- sensitive /as variant 和 degradation tag/dTAG variant）【5,6】，从而具有针对性的探讨有丝分裂期间CDK5的具体功能。

运用高分辨率显微镜活体影像技术， 研究者们发现：抑制/降解CDK5之后，细胞可以照常完成一轮有丝分裂，但生成不规则核形态及染色体分离滞后。进一步探究其机制发现，抑制/降解CDK5使得纺锤体稳定性异常，以至于分裂中期时染色体着丝点与纺锤体微管的结合时出现的错误不得更正， 从而引发在有丝分裂后期染色体分离的异常。 研究者们猜测CDK5在有丝分裂期有调控微管动力的功能，并运用磷酸化质谱检测到多个调控微管动力的因子的确是CDK5的底物。

在确定CDK5在细胞分裂期的这一项具体功能之后，研究者进一步发现cyclin B可在非神经元细胞中结合并激活CDK5。对CDK5-p25结构分析显示CDK5结合激活因子的功能域位于PSSALRE螺旋，扰乱与cyclin B结合的CDK5 PSSALRE螺旋位点变体展示与CDK5缺失的表型一致，进而证明了CDK5-cyclin B是存在于有丝分裂的一个新的CDK调控系统且具有重要功能。

图1: CDK5-cyclin B1和CDK1-cyclin B1联袂调控有丝分裂 （Mitosis）

本研究的结果更新了以往对有丝分裂的调控认知，也更正了CDK5是非经典细胞周期CDK的论调。而为何细胞需要除经典CDK1-cyclin B之外的CDK结合因子来确保有丝分裂的准确性？对此研究者们推测快速增殖并且长期经受复制压力的癌细胞需要额外CDK的辅助来完成细胞周期。分析博德研究所建立的“癌细胞系百科全书“的数据显示：生长迅速的癌细胞的确和CDK5的表达存在依赖性。至此，本研究确立了CDK5作为一个关键的抑制靶点，不仅在神经退行性疾病的治疗中具有潜在价值，同时也为癌症治疗提供了重要的策略。

在这项研究中，丹娜法伯癌症研究院的Dipanjan Chowdhury教授和Alexander Spektor教授共同担任了通讯作者的角色。郑晓枫博士与Aniruddha Sarkar博士则同为该论文的第一作者。此外，该研究还获得了丹娜法伯癌症研究院的黄开猛博士后、李锋博士后、生物信息分析研究员Huy Nguyen以及Alan D’Andrea教授的重要支持。同时，普渡大学的Kavita Shah教授及其博士研究生Humphrey Lotana，以及西雅图Fred Hutchinson 癌症中心的Amanda Pulovich教授领导的团队也为研究提供了宝贵的帮助。美国佛吉尼亚大学医学院放射肿瘤科的张天鹏教授和中国武汉华中科技大学同济医学院附属协和医院肿瘤中心的周瑞副主任医师帮作者为此文做出了修改。

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07888-x

参考文献

1. Malumbres, M. Cyclin-dependent kinases. Genome Biol 15, 122 (2014).

2. Dhavan, R. & Tsai, L.H. A decade of CDK5. Nat Rev Mol Cell Biol 2, 749-759 (2001).

3. Pozo, K. & Bibb, J.A. The Emerging Role of Cdk5 in Cancer. Trends Cancer 2, 606-618 (2016).

4. Zheng, X.F. et al. A mitotic CDK5-PP4 phospho-signaling cascade primes 53BP1 for DNA repair in G1. Nat Commun 10, 4252 (2019).

5. Sharma, S. et al. Targeting the cyclin-dependent kinase 5 in metastatic melanoma. Proc Natl Acad Sci U S A 117, 8001-8012 (2020).

6. Nabet, B. et al. The dTAG system for immediate and target-specific protein degradation. Nat Chem Biol 14, 431-441 (2018).

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