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

1、生物學中分子進化(molecular evolution)，是指生物進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識。基因的分子進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，復制，突變，丟失的信息?；蚍肿舆M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。
　　細胞是生物體結(jié)構(gòu)和功能的基本單位。真核細胞的細胞周期(cell cycle)，是指能持續(xù)分裂的真核細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。真核細胞的細胞周期受到非常嚴密的調(diào)控，以保證母細胞準確地復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胞組件分配到兩個子細胞中。在細胞周期的調(diào)控中，細胞周期蛋白依賴激酶(CDK)及其細胞周期蛋白(Cyclin)的組成和含量被認

3、為起到核心作用。 Rb-E2F信號通路也在細胞周期的調(diào)節(jié)中起到關(guān)鍵作用，視網(wǎng)膜母細胞瘤腫瘤抑制基因(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細胞周期中G1/S期轉(zhuǎn)化，促進細胞生長。
　　許多腫瘤細胞周期調(diào)節(jié)研究都表明細胞周期運行失去控制而導致的細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基因家族在細胞周期和腫瘤發(fā)生發(fā)展中的功能，我們在此對細胞周期調(diào)控關(guān)鍵分子RB/E2F蛋白家族， CDK/Cyclin蛋白家族進行了詳細的分子進化分析。
　　在RB-E2F蛋白家族的分子進化分析中，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亞家族里面各自進行的基因復制發(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家族祖先基因的進化距離。E2F4/5亞家族基因

6、的分子進化速率要比E2F1/2/3亞家族分子進化速率慢。同時，在RB家族，我們發(fā)現(xiàn)RBL亞家族分子進化速率要比RB1亞家族分子進化速率慢， RBL亞家族所承受負性選擇壓力要大于RB1亞家族所承受負性選擇壓力。蛋白進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。而細胞周

8、期緊密相關(guān)的Cyclin A，B，D， E亞家族的進化歷史則呈現(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復合物出現(xiàn)使得真后生生物在細

9、胞周期的G1期擁有一個更細膩和更復雜的調(diào)控系統(tǒng)，同時CDK4/6和Cyclin D復合物出現(xiàn)在真后生生物可能是一個單細胞生物向真后生生物轉(zhuǎn)化過程中細胞周期進化的關(guān)鍵步驟。
　　綜合上面兩方面的分析，我們發(fā)現(xiàn)，在單細胞生物轉(zhuǎn)化到多細胞生物的時點:1.E2F家族和RB家族發(fā)生的基因復制，導致功能主要涉及細胞周期的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復合物首次出現(xiàn)使得細胞

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