Nature丨细胞周期依赖性激酶对有丝分裂的时空协同调控

撰文 |Sure

有丝分裂开始时，细胞内会发生剧烈且迅速 的 变化，包括细胞核膜消失、染色体浓缩、细胞骨架解体以及纺锤体的形成等【1】。这些过程主要由CDK-cyclin复合物通过对大量底物进行磷酸化调控，但是多种不同的cyclin-CDK复合物和调节因子在大多数真核生物中共存，功能可能重叠和冗余，导致实验结果难以解读【2,3】。加之现有的体外系统难以准确模拟细胞内的空间分区特性，也限制了对CDK活化动态的理解【4-6】。以Cdk1与其调节亚单位cyclin复合物为例，其活性在细胞周期中逐渐升高，尤其是在G2期末期快速上升，触发有丝分裂。这种活性的调控既依赖cyclin积累，也依赖于Cdk1的酪氨酸磷酸化的调节，形成复杂的反馈回路。这些正反馈（Cdk1-Cdc25）和双负反馈（Cdk1-Wee1）使得Cdk1活性能够迅速且剧烈上升。Cdk1激活的双稳态性确保了这一转变是不可逆的，但在空间分隔的细胞中如何展开尚不清楚。

近日， 来自 英国 弗朗西斯-克里克研究所 的 Nitin Kapadia 在 Nature 上 发表了论文 Spatiotemporal orchestration of mitosis by cyclin-dependent kinase 。 在本研究中， 作者揭示了有丝分裂时空调控的核心原则，即有丝分裂启动时，不同空间CDK活性的时序激活与信号传导是实现细胞内时空协调的关键。

研究人员首先重新分析了之前发表的裂殖酵母磷酸化蛋白质组数据，以比较细胞周期中不同细胞区室内CDK底物磷酸化的时序。结果发现，核内位点的磷酸化水平上升早于细胞质中的位点。核周边、中心体以及核膜上的位点磷酸化上升也均滞后于细胞核。进一步分析显示，这些磷酸化位点对CDK活性的敏感程度与其磷酸化上升的时间并无显著相关性。作者由此推断，不同区域磷酸化时间差异主要源于细胞内空间上的CDK活化次序差异，而非底物本身敏感度的差异。为了直接观测细胞核和细胞质中CDK活性的时序变化，研究人员构建了新的单细胞CDK活性传感器（NucCDK）。通过工程化设计，将一个含有核定位信号的报告蛋白在未被磷酸化时滞留在细胞核内，而被CDK磷酸化后暴露出核输出信号，从而转移出细胞核。再加上一种已知的细胞质CDK传感器（CytCDK），作者实现了在同一细胞中双标活细胞成像，同步监测核内和细胞质内CDK活性随时间的变化。

利用这两个传感器系统，研究发现在正常细胞进入有丝分裂时，两个传感器均显示CDK活性快速上升，但NucCDK的上升明显早于CytCDK传感器。作者用算法自动检测传感器曲线由平缓变为陡增的拐点，统计大量细胞后，平均核内CDK活性激活时间早于细胞质5-10分钟。这些结果明确支持了作者在磷酸化蛋白质组中的发现，即细胞核中的CDK活化先于细胞质。此外，作者还证实这种空间分隔的CDK活化启动时差并不是由传感器敏感性差异导致的。这些结果提出了核驱动质的顺序激活模型，如果核内CDK的激活先于细胞质，则可能是核内CDK的活性升高触发了细胞质CDK激活。为了验证这个假说，作者利用Cdc13-Cdc2AF突变融合蛋白模拟敏感背景，破坏了CDK的反馈调节（CDK Y15依赖性反馈环路），使CDK活性的上升更加平缓，从而缺少急剧的正反馈。结果在这种渐进的CDK激活条件下，核与质的时间差延长到约13分钟。这表明核内CDK活性的慢慢升高，需要更久的时间才达到触发细胞质CDK活化的阈值，因此细胞质响应被推迟。这一结果进一步支持了 核内CDK先激活并驱动细胞质CDK后激活的顺序模型 。作者还发现 传感器所示的时序差异主要反映CDK自身在不同空间中激活的时间，而非由于磷酸酶调控时机不同所致。

在明确细胞核内CDK先激活后，研究人员继续探究核内CDK激活信号是如何传递到细胞质中。在有丝分裂开始时Cdc13从细胞核转运到细胞质是触发有丝分裂的关键步骤，作者推测Cdc13-Cdk复合物的跨核转位可能将核内激活传递给细胞质，从而耦合两者的CDK活化。利用活细胞成像，作者发现Cdc13从细胞核导出到细胞质恰好发生在有丝分裂起点，而核内CDK激活发生在Cdc13出核之前约5分钟，细胞质CDK激活时间则几乎与Cdc13出核同时发生。换言之， 细胞核中的CDK达到高活性5分钟后，Cdc13-Cdk复合物开始出核；而一旦输出发生，细胞质中的CDK几乎立刻被激活 。作者进一步分析发现， 核内CDK须先积累到较高水平才能激活（高阈值），激活后部分复合物导出，使细胞质的较低阈值被突破， 从而引发细胞质CDK的同步激活 。

细胞在进入和退出有丝分裂的过程中，CDK活性并非线性变化，而是受到反馈调节可能呈现 双稳性和滞后 （hysteresis）：即存在 高活性 和 低活性 两种稳定状态，中间有阈值触发快速转换，并且转换存在对历史状态的依赖。 随后，作者对细胞核中的CDK调控网络进行研究。结果表明， 高阈值、高稳定性，使CDK活性产生清晰的开关式变化并稳定维持，从而保证了有丝分裂过程可靠进行。相对地，细胞质中的CDK活性调控更接近线性响应，缺乏滞后，高态不稳但响应迅速。这样的差异主要由CDK Y15依赖的反馈环路造成。Y15反馈增强了核内CDK振荡的稳定性，允许C dc13 –CDK从核输出传递信号而不致使核内高 活性稳 态崩溃；同时在细胞质则引发较弱的响应，使细胞质CDK在核信号到来时快速但短暂地进入高 活性状 态 。

传统观点曾认为，有丝分裂信号可能始于细胞质的微管组织中心（如哺乳动物中心体或酵母SPB），由那里触发全细胞进入有丝分裂 。 然而，本研究的结果显示CDK首先在核内激活，质疑了SPB先触发模型。因此 作者 进一步考察了SPB上 Cyclin- CDK的作用，弄清它在有丝分裂时序控制中扮演的角色。 研究发现， SPB并不是决定何时开始有丝分裂的主开关，但它在信号传播中发挥关键作用。当核内CDK激活后，一部分 Cdc13- CDK必须通过与SPB相关的机制导出到细胞质，才能确保全细胞同步进入有丝分裂。如果没有Cyclin定位SPB这一环节，核内和细胞质的CDK活化会失去协同——核内已进入高活性而细胞质未激活，细胞将无法正确完成有丝分裂 。

总的来说，本研究 揭示了细胞在进入有丝分裂时的一系列时空调控机制：CDK首先在细胞核中被激活，核内达到高活性阈值后，通过C dc13- Cdk复合物的核输出引发细胞质CDK的稍后激活。核内CDK活性由于Y15反馈回路呈现强双稳性，可在Cyclin水平波动中稳定保持高态，并驱动信号传出；而细胞质CDK活性阈值较低，能够快速响应核信号但高态不稳，需要持续来自核的输入。SPB 在 保障核内信号有效传递到细胞质，使有丝分裂在全细胞范围内同步进行 中发挥重要作用 。这些发现纠正了我们对细胞分裂时空协调的认识——强调细胞核在 时序控 制上的中心地位，以及Cyclin–CDK跨区室运输和反馈调节在实现空间一致的细胞周期转换中的重要作用。

https://doi.org/10.1038/s41586-025-09172-y

制版人： 十一

参考文献

1. Dantas, M., Lima, J. T. & Ferreira, J. G. Nucleus–cytoskeleton crosstalk during mitotic entry.Front. Cell Dev. Biol.9, 649899 (2021).

2. Nurse, P. Universal control mechanism regulating onset of M-phase.Nature344, 503–508 (1990).

3. Hegarat, N. et al. Cyclin A triggers mitosis either via the greatwall kinase pathway or cyclin B.EMBO J.39, e104419 (2020).

4. Pomerening, J. R., Kim, S. Y. & Ferrell, J. E. Jr. Systems-level dissection of the cell-cycle oscillator: bypassing positive feedback produces damped oscillations.Cell122, 565–578 (2005).

5. Pomerening, J. R., Sontag, E. D. & Ferrell, J. E. Jr. Building a cell cycle oscillator: hysteresis and bistability in the activation of Cdc2.Nat. Cell Biol.5, 346–351 (2003).

6. Deibler, R. W. & Kirschner, M. W. Quantitative reconstitution of mitotic CDK1 activation in somatic cell extracts.Mol. Cell37, 753–767 (2010).

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