細胞週期

細胞週期包含四個階段，第一階段（G1）為複製前期，細胞代 謝活化，複製胞器以及一些細胞質的組成，提供第二階段（S）複製 期複製染色體使用，此時細胞核內的去氧核醣核酸（DNA）、染色 體會合成複製另一套染色體；到了第三階段（G2）複製後期，細胞 會檢查其複製工程是否完備，如果複製完成，就進入第四階段（M）

有絲分裂期，是一個連續變化過程，由一個母細胞分裂成為兩個子細 胞。分裂後的細胞有些會進入 G₀期，細胞暫不分裂呈休眠狀態，受 刺激可重新進入G1期，複製及預備下一階段分裂所需物質⁽²⁹⁾。

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圖 1-2. 細胞週期圖 一、週期調控蛋白

與細胞週期調控有關的細胞週期基因（cell division cycle gene；

cdc），分為細胞週期蛋白（cyclin）、細胞週期蛋白依存性激酶（cyclin

dependent kinase；CDK）與細胞週期蛋白依存性激酶抑制劑（cyclin dependent kinase inhibitor；CKI）三大類。細胞本身可以精確地調控 週期素的表現，週期的前進由誘導訊息途徑的生長因子控制；而抑制 蛋白可以抑制週期素的表現或在不同階段阻斷週期素前進所需的訊 息。

圖1-3. Cyclin 的週期性變化

（一）CDK

CDK是一類依賴cyclin的蛋白激酶⁽³⁰⁾，CDK2可分別與cyclin E、

cyclin A和cyclin D結合，分別在G₁/S期、S期和G₂期持續發揮作用（圖 1-3）。研究說明細胞由G₁期進入S期需要cyclin E及CDK2的共同參 與，當細胞進入S期後，cyclin E降解，CDK2轉而與cyclin A結合，促 使細胞由S期越過限制點進入G2期⁽³¹⁾。

CDC2 與細胞週期蛋白結合才具有激酶的活性，因此 CDC2 又被 稱為CDK1。研究說明活化的 CDK1-cyclin B 可將細胞週期 G2期推入

細胞週期蛋白依存性激酶抑制因子（CDK inhibitor，CKI）對細 胞週期起負調控作用，分為兩大家族^{(32, 33)}：

1.Ink4(Inhibitor of cdk 4)，如 p16^ink4a、p15^ink4b、p18^ink4c、p19^ink4d， 特異性抑制CDK4/cyclin D1、CDK6/cyclin D1 複合物⁽³⁴⁾。

2.Kip(Kinase inhibition protein)：包括 p21^cip1 (cyclin inhibition protein 1)、p27^kip1(kinase inhibition protein 1)、p57^kip2等，能抑制大多 數CDK 的激酶活性。

P21幾乎能抑制所有的cyclin-CDK複合體，如：cyclin E-CDK2、

cyclin D-CDK4、cyclin A-CDK2等⁽³⁵⁾。大量增加之p21蛋白，一方面 和週期素依存激酶及週期素之複合體接觸，另一方面直接抑制DNA 的合成，而抑制細胞週期前進。

圖1-4. 細胞週期檢查點 二、細胞週期檢驗點

Leland Hartwell 提出了『check point，檢查點』的觀念^{(36, 37)}（圖 1-4），得知細胞週期的運行，是在一系列稱為檢驗點（check point）

的嚴格檢控下進行的。由圖知道在真核細胞的細胞週期中，共有三個 檢查點，若DNA 有受損，細胞有自然的機制察覺，停止細胞生長的

週期，待DNA 修復完畢，再進入下一階段。這樣的機制，確保細胞 分化是依照正確的順序進行，若DNA 無法修復，細胞則會進行細胞 凋亡或死亡⁽³⁸⁾。

P53是一種腫瘤抑制蛋白⁽³⁹⁾，會在DNA損壞、細胞不正常時大量 出現，它會抑制CDK和週期素複合體的作用，使細胞週期停滯進行修 護，若細胞無法修護，則會啟動凋亡機制，使細胞走向死亡；p53腫 瘤抑制因子的活性如果喪失，往往會導致腫瘤的形成⁽⁴⁰⁾。

圖1-5. Cell Cycle: G1/S Check Point http://cgap.nci.nih.gov/Pathways/BioCarta/

（一）G₁ checkpoint：

第一個檢查點在G1 phase 的晚期，也就是要進入 S phase 前的檢 查點，稱之為 G1 Checkpoint，它主要檢查細胞的大小、營養、生長

activated protein kinase；MAPK）的刺激下，G₁早期cyclin D 表達，

並與CDK4/6 結合，幫助活化 cyclin E-CDK2 複合物，被活化的 cyclin E-CDK2 複合物使 Rb 蛋白質磷酸化，釋放出轉錄因子 E2F⁽⁴¹⁾，促進 許多基因的轉錄，如編碼cyclin E、A 和 CDK1 的基因，使得 DMA polymerase 的合成增加，加速 DNA 合成，進入 S 期⁽⁴²⁾。在 G₁晚期 cyclin E 與 CDK2 結合，調控細胞越過 G₁期限制點(check point)（圖 1-5）^{(43, 44)}。

P21 與 p27 是 能 和 cyclin 及 CDK 結 合 ， 藉 由 活 化 cyclin D-dependent kinase，使 cyclin D 活化，或是抑制 cyclin E-CDK2 活性，

使 RB 去磷酸化而不能進入 S 期，停滯於 G1期，使細胞生長停止⁽⁴⁵⁾。

圖1-6. Cell Cycle: G2/M Checkpoint http://cgap.nci.nih.gov/Pathways/BioCarta/

（二）G₂ checkpoint：

第二個檢查點在G₂的晚期，也就是要進入M 前的檢查點，稱之 為G₂ Checkpoint，它主要檢查細胞的大小和 DNA 的複製過程是否完 全。參與G₂期的checkpoint 的細胞週期素（cyclins）有 cyclin A、 cyclin B1，細胞週期依賴性激酶（cyclin dependent kinases，CDK）、wee1 kinase、chk2 kinase、cdk1（cdc2）、cdc25c，此外 cyclin dependent kinase inhibitors（CKIs）有 p21、p27。

ATM（ataxia telangiectasia-mutated gene）是與 DNA 損傷檢驗有 關的一個重要基因。ATM 編碼一個蛋白激酶，結合在損傷的 DNA 上，能將蛋白磷酸化，停滯細胞週期。其信號通路有二，其一是啟動 Chk1（checkpoint kinase）引起 cdc 25 的 Ser²¹⁶磷酸化，通過抑制cdc 25 的活性，抑制 CDK1 的活性，使細胞週期中斷。其二是啟動 Chk2，

使 p53 被磷酸化而啟動，導致 p21 的表達，p21 抑制 CDK1（cdc2）

的活性，從而使細胞週期停滯。活化的 chk2 能與 cdc25 的 216-serine 結合位結合，並使其磷酸化而失活。cdc25 的磷酸化及 wee1 kinase 於cdc2 進行磷酸化阻滯 cdc2-cycin B1 複合物的活化，從而阻滯細胞 進入M 期（圖 1-6）。

（三）M phase checkpoint：

在M phase 的過程中也有一個檢查點，稱之為 Spindle Assembly Checkpoint，它主要檢查染色體是否附著在紡垂體（spindle）上⁽⁴⁶⁾。