細(xì)胞周期調(diào)節(jié)關(guān)鍵分子Rb和CDK的分子進(jìn)化分析.pdf

1、生物學(xué)中分子進(jìn)化(molecular evolution)，是指生物進(jìn)化過程中生物大分子（核酸、蛋白質(zhì)等）在不同生物物種中的演變。當(dāng)前，基因的功能研究局限于有限的生物物種中，這限制了人們對基因功能的全面認(rèn)識。基因的分子進(jìn)化研究是指利用核酸、蛋白質(zhì)序列信息，通過序列同源性的比較，系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建等方法研究基因在不同物種中的起源，復(fù)制，突變，丟失的信息?；蚍肿舆M(jìn)化研究，有助于人們了解在不同生物物種中基因結(jié)構(gòu)變化及其功能衍化的規(guī)律，使人們更深

2、入全面地了解基因的功能。
　　細(xì)胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。真核細(xì)胞的細(xì)胞周期(cell cycle)，是指能持續(xù)分裂的真核細(xì)胞從一次有絲分裂結(jié)束后的靜息期，再到下一次有絲分裂結(jié)束的循環(huán)過程。真核細(xì)胞的細(xì)胞周期受到非常嚴(yán)密的調(diào)控，以保證母細(xì)胞準(zhǔn)確地復(fù)制其染色體核苷酸序列，然后將兩套完整的染色體副本和其他細(xì)胞組件分配到兩個子細(xì)胞中。在細(xì)胞周期的調(diào)控中，細(xì)胞周期蛋白依賴激酶(CDK)及其細(xì)胞周期蛋白(Cyclin)的組成和含量被認(rèn)

3、為起到核心作用。 Rb-E2F信號通路也在細(xì)胞周期的調(diào)節(jié)中起到關(guān)鍵作用，視網(wǎng)膜母細(xì)胞瘤腫瘤抑制基因(retinoblastoma tumor suppressor，RB)是第一個被發(fā)現(xiàn)的腫瘤抑制基因。Rb-E2F信號通路的激活能促進(jìn)細(xì)胞周期中G1/S期轉(zhuǎn)化，促進(jìn)細(xì)胞生長。
　　許多腫瘤細(xì)胞周期調(diào)節(jié)研究都表明細(xì)胞周期運(yùn)行失去控制而導(dǎo)致的細(xì)胞失控性生長是腫瘤的基本特征。而RB基因的突變，Cyclin家族基因的異常表達(dá)是腫瘤的常見現(xiàn)象。

4、為了更深入了解Rb-E2F信號通路，CDK和Cyclin基因家族在細(xì)胞周期和腫瘤發(fā)生發(fā)展中的功能，我們在此對細(xì)胞周期調(diào)控關(guān)鍵分子RB/E2F蛋白家族， CDK/Cyclin蛋白家族進(jìn)行了詳細(xì)的分子進(jìn)化分析。
　　在RB-E2F蛋白家族的分子進(jìn)化分析中，我們發(fā)現(xiàn)E2F家族和RB家族的各自的第一次基因復(fù)制事件都發(fā)生最原始的真后生動物Trichoplax adhaerens和兩側(cè)對稱動物分離之前，這樣，E2F家族分裂為E2F4/5亞家族

5、（包含E2F4，E2F5）和E2F1/2/3亞家族（包含E2F1，E2F2，E2F3），RB家族分裂為RB1亞家族（包含RB1）和RBL亞家族（包含RBL1，RBL2），而E2F4/5亞家族和E2F1/2/3亞家族里面各自進(jìn)行的基因復(fù)制發(fā)生在四足總綱和硬骨魚綱的分離之前。同時，我們發(fā)現(xiàn)，人E2F4和E2F5基因與E2F家族祖先基因的進(jìn)化距離要明顯小于人E2F1，E2F2和E2F3基因與E2F家族祖先基因的進(jìn)化距離。E2F4/5亞家族基因

6、的分子進(jìn)化速率要比E2F1/2/3亞家族分子進(jìn)化速率慢。同時，在RB家族，我們發(fā)現(xiàn)RBL亞家族分子進(jìn)化速率要比RB1亞家族分子進(jìn)化速率慢， RBL亞家族所承受負(fù)性選擇壓力要大于RB1亞家族所承受負(fù)性選擇壓力。蛋白進(jìn)化速率通常與蛋白的功能相聯(lián)系，我們推測，RB-E2F信號通路最原始的經(jīng)典功能可能應(yīng)由抑制型E2F4/5亞家族和RBL亞家族所行使的功能（主要涉及細(xì)胞分化）所代表;而激活型E2F1/2/3亞家族和RB1亞家族的功能（主要涉及細(xì)胞

7、周期）可能代表的RB-E2F信號通路的功能多樣化。
　　在CDK家族和Cyclin家族的分子進(jìn)化分析中，我們發(fā)現(xiàn)CDK家族中的7個亞家族(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亞家族只存在于真后生生物中，但在真菌，其他的單細(xì)胞生物中缺失。對于Cyclin家族，我們發(fā)現(xiàn)其中C，H，L，Y， K，T亞家族在動物和真菌中保守存在。而細(xì)胞周

8、期緊密相關(guān)的Cyclin A，B，D， E亞家族的進(jìn)化歷史則呈現(xiàn)較大的差異，Cyclin B亞家族在動物，真菌，及其他一些單細(xì)胞生物中保守存在， Cyclin A，E亞家族在真菌中缺失，但存在于動物以及一些與動物親緣關(guān)系較近的單細(xì)胞生物中，而Cyclin D亞家族主要在真后生生物中保守存在。我們的這一發(fā)現(xiàn):CDK4/6和Cyclin D復(fù)合物出現(xiàn)剛好伴隨真后生生物出現(xiàn)，使我們猜測CDK4/6和Cyclin D復(fù)合物出現(xiàn)使得真后生生物在細(xì)

9、胞周期的G1期擁有一個更細(xì)膩和更復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)，同時CDK4/6和Cyclin D復(fù)合物出現(xiàn)在真后生生物可能是一個單細(xì)胞生物向真后生生物轉(zhuǎn)化過程中細(xì)胞周期進(jìn)化的關(guān)鍵步驟。
　　綜合上面兩方面的分析，我們發(fā)現(xiàn)，在單細(xì)胞生物轉(zhuǎn)化到多細(xì)胞生物的時點(diǎn):1.E2F家族和RB家族發(fā)生的基因復(fù)制，導(dǎo)致功能主要涉及細(xì)胞周期的G1/S期轉(zhuǎn)化的激活型E2F1/2/3亞家族和RB1亞家族基因的產(chǎn)生;2.CDK4/6和CyclinD復(fù)合物首次出現(xiàn)使得細(xì)胞

10、周期的G1期擁有一個更復(fù)雜的調(diào)控系統(tǒng)。這兩方面的變化，都使得真后生生物中的細(xì)胞相比單細(xì)胞生物中的細(xì)胞擁有更精確復(fù)雜的細(xì)胞周期（特別是G1期）調(diào)控系統(tǒng)，這種復(fù)雜性滿足了真后生生物（多細(xì)胞動物）中不同類型的細(xì)胞在一特定的時間點(diǎn)受到不同的細(xì)胞周期調(diào)控。而周期調(diào)控的失敗，或上述調(diào)控復(fù)雜性的喪失，將導(dǎo)致細(xì)胞的失控性生長一一腫瘤（與此對照，在單細(xì)胞生物，沒有腫瘤的概念）。我們的結(jié)果顯示了RB-E2F，CDK/cyclin的分子進(jìn)化，細(xì)胞周期調(diào)控，腫