周期依赖性激酶 1

细胞周期蛋白依赖性激酶-1（CDK1；EC 2.7.11.22），也称为 CDC2，是蛋白激酶复合物的催化亚基，称为 M 期促进因子，可诱导进入有丝分裂，在真核生物中普遍存在。在裂殖酵母 Schizosaccharomyces pombe 中，基因 cdc2 负责控制细胞周期从 G1 期到 S 期和从 G2 期到 M 期的转变（Draetta 等人的总结，1988 年）。

▼ 克隆与表达
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Lee 和 Nurse（1987）通过与缺失 cdc2 功能的酵母温度敏感突变体互补，挽救了 cdc2 基因的人类同源物。人类序列被克隆并发现包含一个大约 800 bp 的开放解读码组。

Spurr 等人使用人类 CDC2 基因作为 DNA 探针（1990）分离出对应于小鼠 cdc2 基因的 cDNA 克隆。推断的小鼠蛋白质氨基酸序列与其人类同源物具有 96% 的同一性。

▼ 基因功能
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李等人（1988）描述了人类和鼠体外系统中 CDC2 同源物的调节表达和磷酸化。虽然酵母 cdc2 表达似乎不受转录调节，但人和小鼠成纤维细胞的血清刺激导致 CDC2 转录显着增加。酵母和哺乳动物系统似乎都受 CDC2 基因产物磷酸化的调节，CDC2 基因产物是一种分子量为 34,000 的蛋白激酶，命名为 p34（cdc2）。

德拉埃塔等人（1988）表明，在 HeLa 细胞中，CDC2 是最丰富的含磷酸酪氨酸的蛋白质，其磷酸酪氨酸含量受细胞周期调节。CDC2 体内酪氨酸磷酸化的一个位点在体外被 SRC 基因的产物选择性磷酸化（ 190090 ）。刘等人（1997）报道激酶 MYT1（ 602474 ）也磷酸化 CDC2。

受体酪氨酸激酶 ERBB2（ 164870 ）的过度表达赋予乳腺癌中的紫杉醇抗性（ 114480 ）。余等人（1998）发现 ERBB2 的过表达抑制了紫杉醇诱导的细胞凋亡。紫杉醇激活 MDA-MB-435 乳腺癌细胞中的 CDC2 激酶，导致细胞周期停滞在 G2/M 期，随后导致细胞凋亡。CDC2 的化学抑制剂和 CDC2 的显性失活突变体阻止了这些细胞中紫杉醇诱导的细胞凋亡。通过转染在 MDA-MB-435 细胞中过表达 ERBB2 转录上调 CDKN1A（ 116899）与 CDC2 结合，抑制紫杉醇介导的 CDC2 活化，延迟细胞进入 G2/M 期，从而抑制紫杉醇诱导的细胞凋亡。在 CDKN1A 反义转染的 MDA-MB-435 细胞或 p21-/- MEF 细胞中，ERBB2 不能抑制紫杉醇诱导的细胞凋亡。因此，CDKN1A 参与 G2/M 检查点的调节，该检查点有助于在 ERBB2 过表达的乳腺癌细胞中抵抗紫杉醇诱导的细胞凋亡。

ERBB2 过表达通过抑制 p34（CDC2）激活赋予对紫杉醇诱导的细胞凋亡的抗性。一种机制是通过 ERBB2 介导的 p21（CIP1）或 CDKN1A 的上调，从而抑制 CDC2。谭等人（2002）报道，在 ERBB2 过表达的乳腺癌细胞和原发性肿瘤中，CDC2 的 tyr15（Y15）的抑制性磷酸化升高。ERBB2 与细胞周期蛋白 B 结合并共定位（ 123836）-CDC2 复合物和磷酸化的 CDC2 Y15。ERBB2 激酶域足以直接磷酸化 CDC2 Y15。在 ERBB2 过表达细胞中增加的 CDC2 与磷酸化的 Y15 对应于延迟的 M 期进入。CDC2 的非磷酸化突变体的表达使细胞对紫杉醇诱导的细胞凋亡更敏感。因此，作者得出结论，ERBB2 可以通过直接磷酸化 CDC2 来赋予对紫杉醇诱导的细胞凋亡的抗性。

小西等人（2002）报道 Cdc2 在发育中的大鼠小脑的有丝分裂后颗粒神经元中表达，并且 Cdc2 在抑制神经元活动后介导小脑颗粒神经元的凋亡。他们表明，Cdc2在不同位点ser128处催化 BAD 蛋白（ 603167 ）的磷酸化，从而通过对抗生长因子抑制 BAD 的细胞凋亡作用，在原代神经元中诱导 BAD 介导的细胞凋亡。发现 BAD ser128 的磷酸化可抑制生长因子诱导的 ser136 磷酸化 BAD 与 14-3-3 蛋白的相互作用（参见601288）。

在高等真核生物中，细胞周期的 S 期和 M 期由不同的细胞周期蛋白依赖性激酶（CDK）触发。例如，在青蛙卵提取物中，Cdk1-细胞周期蛋白 B 催化进入有丝分裂，但不能触发 DNA 复制。两个假设可以解释这一观察结果：要么 Cdk1-细胞周期蛋白 B 无法识别其 S 期促进对应物的关键底物，要么其活性以某种方式受到调节以防止其激活 DNA 合成。摩尔等人（2003）证明 Cdk1-细胞周期蛋白 B1 具有神秘的 S 期促进能力，可以通过将其从细胞质重新定位到细胞核并用 Cdc25 磷酸酶适度刺激其活性来揭示该能力（ 157680）。因此，脊椎动物 CDK 的亚细胞定位及其活性的控制是确定其特异性的关键因素。

松尾等人（2003）研究了小鼠的再生肝脏并证明生物钟控制细胞周期相关基因的表达，这些基因反过来调节活性细胞周期蛋白 B1-Cdc2 激酶（有丝分裂的关键调节剂）的表达。在这些基因中，松尾等人（2003）发现 Wee1（ 193525 ）的表达直接受生物钟系统的分子成分调节。相比之下，昼夜节律发条孤立于单细胞中的细胞周期振荡。松尾等人（2003）得出结论，细胞内的生物钟可以直接和单向地控制增殖细胞中的细胞分裂周期。

Li 和 Zheng（2004）提供的证据表明，CDC2 在有丝分裂期间通过 RCC1（ 179710 ）的磷酸化协调纺锤体组装与细胞周期。CDC2 磷酸化位于其核定位信号中或附近的丝氨酸上的 RCC1。这种磷酸化激活 RCC1 在有丝分裂染色体上产生 RanGTP，这是纺锤体组装和染色体分离所必需的。

艾拉等人（2004）报道通过双链断裂激活 DNA 损伤检查点需要芽殖酵母中的细胞周期蛋白依赖性激酶 Cdk1（Cdc28）。在任何细胞周期阶段，双链断裂诱导的同源重组也需要 Cdk1。通过使用类似物敏感的 Cdk1 蛋白抑制同源重组导致非同源末端连接的补偿性增加。Cdk1 是有效切除双链断裂末端的 5-prime 到 3-prime 以及募集单链 DNA 结合复合物 RPA 和 Rad51（ 179617 ）重组蛋白所必需的。相比之下，Mre11 蛋白（ 600814）是 MRX 复合体的一部分，在未切除的双链断裂末端积累。当 DNA 损伤检查点由核苷酸切除修复处理的病变启动时，不需要 Cdk1。双链断裂诱导检查点的维护需要持续的 Cdk1 活动，以确保持续的末端切除。Cdk1 对于同源重组的后续步骤也很重要，在链入侵之后和新 DNA 合成开始之前。

在酵母中，双链断裂修复由细胞周期通过 Cdk1 调节。弗兰克等人（2006）表明酵母中的端粒添加也需要 Cdk1 和 Mre11 的核酸酶活性。Cdk1 活性是在从头端粒和原生端粒形成 3-prime 单链悬垂结构所必需的。

圣玛丽亚等人（2007）表明缺乏所有间期 Cdks（Cdk2, 116953 , Cdk3, 123828 , Cdk4, 123829和 Cdk6, 603368）的小鼠胚胎经历器官发生并发育到妊娠中期。在这些胚胎中，Cdk1 与所有细胞周期蛋白结合，导致 Rb 蛋白（ 614041 ）的磷酸化和受 E2F 转录因子调控的基因的表达。源自这些胚胎的小鼠胚胎成纤维细胞在体外增殖，尽管由于 Rb 蛋白的无效失活而延长了细胞周期。然而，它们在不断通过时变得不朽。作者还报告说，在缺乏 Cdk1 的情况下，胚胎未能发育到桑椹胚和胚泡阶段。圣玛丽亚等人（2007）得出结论，CDK1 是唯一必需的细胞周期 Cdk。此外，他们的数据表明，在没有相间 Cdks 的情况下，Cdk1 可以执行驱动细胞分裂所需的所有事件。

戈加等人（2007）在不同致癌信号的背景下检查了 CDK1 抑制的影响。当用小分子 CDK1 抑制剂处理时，用 MYC 转化的细胞，而不是由一组其他激活的癌基因转化的细胞，迅速发生细胞凋亡。细胞凋亡蛋白存活蛋白抑制剂（BIRC5; 603352 ），一种非 CDK 靶点，是过表达 MYC 的细胞存活所必需的。抑制 CDK1 会迅速下调存活蛋白的表达并诱导 MYC 依赖性细胞凋亡。CDK1 抑制剂治疗 MYC 依赖性小鼠淋巴瘤和肝母细胞瘤肿瘤可减少肿瘤生长并延长其生存期。

袁等人（2008）发现 CDK1在体外和体内磷酸化转录因子 FOXO1（ 136533 ）的丝氨酸 249。FOXO1 在丝氨酸 249 处的磷酸化破坏了 FOXO1 与 14-3-3（参见601289）蛋白的结合，从而促进了 FOXO1 的核积累并刺激了 FOXO1 依赖性转录，导致神经元细胞死亡。在增殖细胞中，CDK1 在细胞周期的 G2/M 期诱导 FOXO1 丝氨酸-249 磷酸化，导致 FOXO1 依赖性表达有丝分裂调节剂 Polo 样激酶（Plk；602098）。袁等人（2008）得出的结论是，他们的发现定义了 CDK1 和 FOXO1 之间的保守信号联系，这可能在包括有丝分裂后神经元退化在内的多种生物过程中起关键作用。

当泛素连接酶，即后期促进复合物（APC；参见608473）触发securin（ 604147 ）的破坏，从而允许分离酶（ 604143 ），一种蛋白酶，破坏姐妹染色单体的凝聚力时，后期开始。霍尔特等人（2008）证明了 Cdk1 依赖的 securin 在其破坏框基序附近的磷酸化抑制了 APC 的 securin 泛素化。磷酸酶 Cdc14（ 603504 ）可逆转securin磷酸化，从而提高securin泛素化的速率。因为已知分离酶可以激活 Cdc14，Holt 等人（2008）得出结论，他们的结果支持正反馈回路的存在，该回路增加了后期的突然性。与该模型一致，他们表明破坏 securin 磷酸化调节的突变降低了染色体分离的同步性。霍尔特等人（2008）还得出结论，将 securin 降解与 Cdk1 和 Cdc14 活性的变化相结合有助于协调姐妹染色单体分离的启动与纺锤体动力学的变化。

冢原等人（2010）分离出一个裂殖酵母细胞周期蛋白 B（ 123836 ）突变体，特别是染色体生物定向缺陷。因此，Tsukahara 等人（2010）鉴定了存活蛋白的 Cdk1-细胞周期蛋白 B 依赖性磷酸化。防止存活蛋白磷酸化会损害着丝粒染色体乘客复合物（CPC）靶向以及染色体生物定向，而拟磷存活蛋白抑制细胞周期蛋白 B 突变体中的生物定向缺陷。Survivin 磷酸化促进了与 shugoshin 的直接结合（参见609168），Tsukahara 等人（2010）定义为 CPC 的保守着丝粒转换因子。在人体细胞中，borealin（ 609977 ）的磷酸化具有类似的作用。冢原等人（2010）得出的结论是，这项研究解决了 CPC 靶向着丝粒的保守机制，突出了 Cdk1-细胞周期蛋白 B 在染色体生物定向中的关键作用。

Wee1b（WEE2; 614084 ）介导的磷酸化使 Cdc2 失活是卵母细胞在 G2 前期停滞所必需的。哦等（2011）表明，在卵子激活过程中，Wee1B 通路的重新激活会触发 Cdc2 活性的降低。当 Wee1B 被下调时，卵母细胞无法响应钙信号形成原核。钙钙调蛋白依赖性激酶 II（CaMKII；见114078 ）激活 Wee1B，并且 CaMKII 驱动的从中期 II 的退出受到 Wee1B 下调的抑制，表明从中期退出不仅需要细胞周期蛋白 B 的蛋白水解降解，还需要抑制磷酸化Wee1B 的 Cdc2。

哈鲍尔等人（2014）发现 CDK1 在有丝分裂中刺激了主要线粒体入口门的组装，即外膜转位酶（TOM）。在 S. cerevisiae 检测中，Harbauer 等人（2014）发现分子机制涉及细胞周期蛋白 CLB3 激活的 CDK1磷酸化 TOM6 的胞质前体（ 616168 ），导致 TOM6 向线粒体的输入增强。TOM6 磷酸化促进蛋白质输入通道 TOM40（ 608061 ）的组装和融合蛋白的输入，从而刺激线粒体在有丝分裂中的呼吸活动。哈鲍尔等人（2014）得出的结论是，TOM6 磷酸化提供了一种以细胞周期特异性方式调节线粒体生物发生和活性的直接手段。

Fujimitsu 等人在生理条件下使用系统重建和分析脊椎动物后期促进复合物/环体（APC/Cs）（2016）展示了 CDK1 如何通过 Apc3（ 116946 ）和 Apc1（ 608473 ）之间的协调磷酸化激活 APC/C 。与 CDK 调节亚基 p9/Cks2（ 116901 ）复合的 CDK1 对环结构域的磷酸化控制了辅激活剂 Cdc20（ 603618 ）到 APC/C 上的加载。引入 Apc1 的拟磷突变允许 Cdc20 在间期增加 APC/C 活性。这些结果定义了迄今为止未被识别的亚基-亚基远距离通信和 CDK 磷酸化的功能后果。

有丝分裂振荡器以 CDK1-后期促进复合物/环体（CDK1-APC/C）轴为中心，在时空上协调分裂细胞中的细胞器重塑。阿尔乔德等人（2017）发现非分裂细胞也可以实施这种有丝分裂时钟样调节回路来协调与分化相关的亚细胞重组。阿尔乔德等人（2017）在分化的小鼠脑多纤毛细胞中探测中心粒扩增。这些有丝分裂后祖细胞微调有丝分裂振荡器活动，以推动中心粒产生、成熟和运动纤毛的有序进展，同时避免有丝分裂承诺阈值。CDK1 活性不足会阻碍分化，而过度的活性会加速分化，但会驱使有丝分裂后祖细胞进入有丝分裂。因此，Al Jord 等人（2017）得出的结论是，有丝分裂后细胞可以重新部署和校准有丝分裂振荡器，以将细胞质与核动力学分离，以进行与分化相关的细胞器重塑。

萨尔迪瓦等人（2018）证明细胞通过 CDK1 导向的 FOXM1（ 602341 ）磷酸化开关退出 S 期时，会反式激活有丝分裂基因网络。在正常的 DNA 复制过程中，检查点激酶 ATR（ 601215 ）被 ETAA1（ 613196 ）激活以阻止这种转换，直到 S 期结束。ATR 抑制过早激活 FOXM1，解除 S/G2 转换的调节并导致早期有丝分裂、DNA 复制不足和 DNA 损伤。因此，ATR 将 DNA 复制与有丝分裂相结合，并通过强制执行 S/G2 检查点来保持基因组完整性。

▼ 测绘
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斯珀尔等人（ 1987 , 1988 ）研究了一组体细胞杂种，确定 CDK1 基因的人类同源物位于 10 号染色体上。通过原位杂交，Nazarenko 等人（1991）将 CDK1 基因区域化到染色体 10q21。