第一章、 緒論
第一節、 細胞週期
細胞增生(cell proliferation)是細胞生命活動的重要特徵之一，細胞 藉著複製由原來的親代細胞(mother cell)變成兩個子代細胞(daughter cell)，來倍化自己的數目，這種規律且複雜的動作稱為細胞週期(cell cycle)。在正常細胞之生長過程中，DNA 的套數會由2N變為4N，之後 細胞由一分為二。細胞週期可區分為四個時期分別為Interphase(G0、
G1、S and G2 phase)及M phase(21)(圖一)。
Gap 0 (G0) phase：細胞處於休眠期，可能為暫時性或永久性的停止生 長。當細胞得到訊號指使，會快速返回細胞週期，分裂增殖。如結締組 織中的纖維母細胞，平時並不分裂，一旦組織受到傷害，它們會返回細
胞週期，分裂產生大量纖維母細胞，分佈於傷口部位，使傷口癒合。如 神經細胞(neuron)發展到最後階段便不再生長。
Gap 1 (G1) phase：此期之細胞開始生長，細胞大小增加，同時產生RNA 及合成蛋白質，目的是為DNA 複製做好準備。在G1 phase的晚期有一 個特定時期，稱為限制點(restriction point)或檢查點(checkpoint)。如果細 胞走向分裂，則可以通過限制點進入S phase，開始合成DNA。
Synthesis (S) phase：DNA 合成期，為了使分裂後的二個子細胞相似，
必須複製使含量增加一倍。
Gap 2 (G2) phase：DNA複製到有絲分裂的期間，此時細胞核內DNA的 含量由G1 phase的2n變成4n。G2期也存在限制點，檢查DNA是否完成複 製，細胞是否生長至合適大小，環境因素是否有利於細胞分裂等。
Mitosis (M) phase：細胞分裂期，這個階段的細胞停止生長及蛋白質合 成，所有細胞的能量集中在複雜而有規律性的細胞分裂以期得到兩個相 似之子細胞。
真核細胞的細胞週期中，共有三個檢查點，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、生長因子，以及DNA是否受損；第二個檢查 點在G2 phase的晚期，也就是要進入M phase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，每次 進入S phase或M phase檢查是否一切準備就緒，才可以接著進行DNA的
合成或是細胞分裂作用。在G1 Checkpoint和G2 Checkpoint當中，要是 DNA有受損，細胞就會進入Rest state(G0)，待DNA修補完後再進入下一 個phase，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綞體(spindle)上。在文獻中 指出，當DNA受損時，週期便無法通過檢查哨而停下(Cell cycle arrest)，
此時細胞內會進行DNA的修復，一旦修補完成時才進入下一期，若是發 現有無法彌補的錯誤時，細胞則選擇走向凋亡(apoptosis)，以避免錯誤 遺傳至下一代(22)。
細胞，為了維持整個細胞週期的正常運轉，細胞內會利用許多不同 的蛋白，形成許多不同的複合體，來掌控細胞週期的正常運行。經由一 系列特殊的Cyclin-CDK(Cyclin-CDK complex)的活化與否來調控細胞週 期進行，細胞的增生。對於多樣的抑制增生(antiproliferative)訊號，包含 有DNA損傷(DNA damage)、分化(differentiation)、接觸性抑制(contact inhibition)、和衰老(senecence)則會促使CDK的抑制者來負向調控細胞週
期的進行(23-26)。CDK在細胞週期的進行中，會常態性的表現，而Cyclin
則會受到Cyclin gene的活化，或是Ubiquitin的水解作用所調控(27)。這些 蛋白包含：
一、Cyclins週期蛋白家族
Cyclins家族，主要在細胞週期中被合成。目前已知至少有8種Cyclins 的存在，分別為A、B1,2,3、C、D1,2,3、E、F、G及H，這些Cyclins在 N- 端 與 CDKs 鍵 結 處 皆 具 有 約 150 個 胺 基 酸 的 相 同 區 域 ， 稱 之 為 cyclin-box(28-31)。cyclin-box媒介Cyclins與CDKs的結合。Cyclins C、D以 及E，主要存在於G1 phase，並在G1-S的過渡期間被分解。而Cyclins A
與B被稱為mitotic cyclins，穩定的存在於interphase，但在mitosis時會迅 速分解(32)。而Cyclin H則會和 CDK7形成一具有酵素活性的複合物，進 而活化cdc 2 (CDK1)及CDK2(31)。
(一) Cyclin A；Cyclin A在細胞週期的G2/S phase出現(33)。它目前較為了 解的功能，是促進DNA 複製或中心體複製(34)，所以它與cyclin B一 起被稱為mitotic cyclin。
(二) Cyclin B 細胞週期進行至G2/M，B型態的cyclin會作用在此間期，
它與cdc2複合成maturation-promoting factor (MPF)，啟始了染色體凝 集、核膜破裂與紡垂絲形成的機制，進而引導染色體在子細胞作均 等的分裂。
(三) Cyclin D 分為D1、D2及D3三種基因序列相似的蛋白，它們經由生 長因子 (mitogen)的作用，在短時間內濃度突然增高，進行細胞週 期的啟動。有研究指出，它們是細胞內與細胞外生長環境溝通的橋 樑(35)。一般而言，cyclin D1是促使細胞由G0 phase進入G1 phase的 因子(36)，D2與D3則具有組織專一性(tissue specificity)，較常在T 細 胞型態的白血球出現，其他組織例如乳癌組織則較少或沒有表現
(37)。他們分別會與cdk4或cdk6形成複合物，促進細胞經由G0 phase 進入G1 phase，進行細胞生長。
(四) Cyclin E 則與cdk2作用，會磷酸化RB1蛋白，促使E2F蛋白釋放，
執行由G1 phase轉入S phase作DNA複製的功能(38)。cyclin E會因本身 調節機制或經由E2F、TGF-ß 的誘導而在G1/S增高濃度(39)，之後作 用在細胞週期其他基因上，以促使細胞週期持續進行(40)，現有研究 發現，cyclin E也作用於中心體的複製功能(41)。
二、Cyclin-dependent kinases (CDKs)週期蛋白依賴激酶家族
Cyclin-dependent kinases (CDKs)是一群蛋白激酶家族，會和特殊的 Cyclin 結 合 而 活 化 。 目 前 已 知 共 有 7 種 CDKs 被 發 現 ， 分 別 是 cdc 2 (CDK1)、CDK2、3、4、5、6、7。細胞在G0/G1時期，CDK4、5及6會 和Cyclin D家族結合；而CDK2也會與Cyclin D家族結合，但主要還是在 G1及G1-S過渡期與Cyclin A及E結合。如上述所提及，CDK7會與Cyclin H結合，並磷酸化cdc2、CDK2或RNA polymerase的C端次單元體(42-43)。 cdc2主要存在S、G2以及M phase，並與Cyclin A及B結合(44)。
三、Cyclin-dependent kinases inhibitors (CDKIs)週期蛋白依賴 激酶抑制因子
細胞週期中，除了上述Cyclins與Cyclin-dependent kinases的正向調 控因子外， 另有一家族擔任著負向調控的角色，稱之為Cyclin-dependent kinases inhibitors(CDKIs)(44-46)。在哺乳類細胞中，CDKI主要可分為兩大 族群，一為INK4家族，另一為KIP/CIP家族。在INK4家族(命名由來為 inhibit cdk4)，特別針對抑制的目標為cyclin D-dependent kinases(47-48)， INK4 proteins 功能為抑制Cyclin D/CDK4之結合及Cyclin D/CDK6之結 合而達G1 phase的控制；另外INK4 proteins可抑制低磷酸化的視網膜原 瘤 蛋 白 (hypophosphorylated retinoblastoma protein) 與 轉 錄 因 子 (transcriptional factor, E2F)結合，進而抑制S phase基因的轉錄作用，最終 造成G1 phase停滯(49-51)。INK4 proteins其主要成員有p14、p15 (INK4B)、p16
(INK4A)、p18(INK4C)以及p19(INK4D)。另一個族群為KIP/CIP家族，包括了
p21(CIP1/WAF1/SDI1)，p27(KIP1)以及p57(KIP2)。KIP/CIP家族所影響的層級較
INK4家族為廣，其所調控的蛋白包括Cyclin E/CDK2、Cyclin D/cdc2、
Cyclin D/ CDK6、Cyclin A/CDK2及Cyclin B/cdc2等。
圖一、細胞週期調控圖示 Adrian et al., 2000
四、細胞週期與癌症
許多研究證實，腫瘤細胞會透過genetic和epigenetic的機轉，影響細 胞週期相關之調控因子(如Cdk inhibitor的喪失或cyclins的過度表現 等 ) ， 使 細 胞 週 期 運 行 失 控 而 導 致 細 胞 癌 化(carcinogensis) 和 cancer promotion。此外，細胞週期檢查點功能失調也是造成細胞癌化的重要因 素之ㄧ(52)。在正常情形下，當細胞DNA或紡錘體(spindle apparatus)受損
時，細胞會啟動DNA修復機制並暫停細胞週期之進行以確保細胞在複製
或分裂前將受損之DNA修復。相對的，如果細胞DNA損傷逕行啟動S phase或M phase就會因為基因體不穩定而導致細胞進行transformation。
另一方面，由於癌細胞之細胞週期檢查點功能喪失使得癌細胞對於作用 在DNA或微小管的藥物特別敏感。因此相較於正常細胞，腫瘤細胞對這 些藥物有較高敏感性(53-54)。有鑒於此與細胞週期相關分子即成為具潛力 之抗癌藥物之發展標的(55-56)。