细胞周期调节关键分子Rb和CDK的分子进化分析

摘要

生物学中分子进化(molecular evolution)，是指生物进化过程中生物大分子（核酸、蛋白质等）在不同生物物种中的演变。当前，基因的功能研究局限于有限的生物物种中，这限制了人们对基因功能的全面认识。基因的分子进化研究是指利用核酸、蛋白质序列信息，通过序列同源性的比较，系统发育树构建等方法研究基因在不同物种中的起源，复制，突变，丢失的信息。基因分子进化研究，有助于人们了解在不同生物物种中基因结构变化及其功能衍化的规律，使人们更深入全面地了解基因的功能。
　　细胞是生物体结构和功能的基本单位。真核细胞的细胞周期(cell cycle)，是指能持续分裂的真核细胞从一次有丝分裂结束后的静息期，再到下一次有丝分裂结束的循环过程。真核细胞的细胞周期受到非常严密的调控，以保证母细胞准确地复制其染色体核苷酸序列，然后将两套完整的染色体副本和其他细胞组件分配到两个子细胞中。在细胞周期的调控中，细胞周期蛋白依赖激酶(CDK)及其细胞周期蛋白(Cyclin)的组成和含量被认为起到核心作用。 Rb-E2F信号通路也在细胞周期的调节中起到关键作用，视网膜母细胞瘤肿瘤抑制基因(retinoblastoma tumor suppressor，RB)是第一个被发现的肿瘤抑制基因。Rb-E2F信号通路的激活能促进细胞周期中G1/S期转化，促进细胞生长。
　　许多肿瘤细胞周期调节研究都表明细胞周期运行失去控制而导致的细胞失控性生长是肿瘤的基本特征。而RB基因的突变，Cyclin家族基因的异常表达是肿瘤的常见现象。为了更深入了解Rb-E2F信号通路，CDK和Cyclin基因家族在细胞周期和肿瘤发生发展中的功能，我们在此对细胞周期调控关键分子RB/E2F蛋白家族， CDK/Cyclin蛋白家族进行了详细的分子进化分析。
　　在RB-E2F蛋白家族的分子进化分析中，我们发现E2F家族和RB家族的各自的第一次基因复制事件都发生最原始的真后生动物Trichoplax adhaerens和两侧对称动物分离之前，这样，E2F家族分裂为E2F4/5亚家族（包含E2F4，E2F5）和E2F1/2/3亚家族（包含E2F1，E2F2，E2F3），RB家族分裂为RB1亚家族（包含RB1）和RBL亚家族（包含RBL1，RBL2），而E2F4/5亚家族和E2F1/2/3亚家族里面各自进行的基因复制发生在四足总纲和硬骨鱼纲的分离之前。同时，我们发现，人E2F4和E2F5基因与E2F家族祖先基因的进化距离要明显小于人E2F1，E2F2和E2F3基因与E2F家族祖先基因的进化距离。E2F4/5亚家族基因的分子进化速率要比E2F1/2/3亚家族分子进化速率慢。同时，在RB家族，我们发现RBL亚家族分子进化速率要比RB1亚家族分子进化速率慢， RBL亚家族所承受负性选择压力要大于RB1亚家族所承受负性选择压力。蛋白进化速率通常与蛋白的功能相联系，我们推测，RB-E2F信号通路最原始的经典功能可能应由抑制型E2F4/5亚家族和RBL亚家族所行使的功能（主要涉及细胞分化）所代表;而激活型E2F1/2/3亚家族和RB1亚家族的功能（主要涉及细胞周期）可能代表的RB-E2F信号通路的功能多样化。
　　在CDK家族和Cyclin家族的分子进化分析中，我们发现CDK家族中的7个亚家族(CDK1/2/3，CDK5，CDK7，CDK20，CDK8/19，CDK9，CDK10/11)都在真菌，后生生物中保守存在，但CDK4/6亚家族只存在于真后生生物中，但在真菌，其他的单细胞生物中缺失。对于Cyclin家族，我们发现其中C，H，L，Y， K，T亚家族在动物和真菌中保守存在。而细胞周期紧密相关的Cyclin A，B，D， E亚家族的进化历史则呈现较大的差异，Cyclin B亚家族在动物，真菌，及其他一些单细胞生物中保守存在， Cyclin A，E亚家族在真菌中缺失，但存在于动物以及一些与动物亲缘关系较近的单细胞生物中，而Cyclin D亚家族主要在真后生生物中保守存在。我们的这一发现:CDK4/6和Cyclin D复合物出现刚好伴随真后生生物出现，使我们猜测CDK4/6和Cyclin D复合物出现使得真后生生物在细胞周期的G1期拥有一个更细腻和更复杂的调控系统，同时CDK4/6和Cyclin D复合物出现在真后生生物可能是一个单细胞生物向真后生生物转化过程中细胞周期进化的关键步骤。
　　综合上面两方面的分析，我们发现，在单细胞生物转化到多细胞生物的时点:1.E2F家族和RB家族发生的基因复制，导致功能主要涉及细胞周期的G1/S期转化的激活型E2F1/2/3亚家族和RB1亚家族基因的产生;2.CDK4/6和CyclinD复合物首次出现使得细胞周期的G1期拥有一个更复杂的调控系统。这两方面的变化，都使得真后生生物中的细胞相比单细胞生物中的细胞拥有更精确复杂的细胞周期（特别是G1期）调控系统，这种复杂性满足了真后生生物（多细胞动物）中不同类型的细胞在一特定的时间点受到不同的细胞周期调控。而周期调控的失败，或上述调控复杂性的丧失，将导致细胞的失控性生长一一肿瘤（与此对照，在单细胞生物，没有肿瘤的概念）。我们的结果显示了RB-E2F，CDK/cyclin的分子进化，细胞周期调控，肿瘤发生三者之间的密切关系。我们的结果将使人们更深入地理解肿瘤发生，从而更好地研究和治疗肿瘤。

目录

声明

摘要

前言

一．真核细胞细胞周期及其调控

二．真核细胞的细胞周期的进化

参考文献

第一部份 RB-E2F信号途径的分子进化历史对其古典功能的提示

前言

方法

结果

讨论

结论

参考文献

第二部份 后生生物和相关单细胞生物中CDK／Cyclin的分子进化研究

前言

材料与方法

结果与讨论

参考文献

综述：细胞周期调控的分子进化研究进展

博士期间发表的论文

致谢