细胞周期激酶调控有丝分裂的机制及相关抗肿瘤药物研究

发布时间：2020-05-16 10:29

【摘要】：细胞分裂是生物赖以生存的最基本机制之一。多细胞生物通过细胞分裂生成各种组织并维持生命发育。细胞分裂过程伴随有大量蛋白磷酸化事件的发生。蛋白激酶是调控这些磷酸化事件的关键。激酶活性的精准调控保证了分裂的正常进行。细胞分裂与疾病发生密切相关,肿瘤就是细胞分裂失控引起的疾病,目前有多种临床药物通过靶向细胞分裂过程而发挥抗肿瘤作用。因此研究细胞分裂的调控机制不仅有助于理解生命的基本运行机制,也为战胜多种人类疾病提供重要指导。本论文的研究包括两部分,第一部分是针对细胞分裂M期细胞形态变化和生物信号通路紧密协同的分子调控机制研究,第二部分是靶向细胞周期激酶Plk1的新型抗肿瘤药物研发。1.Numb磷酸化决定细胞分裂早期物理形态和细胞分裂启动紧密协同的机制研究细胞在分裂时会部分失去与胞外基质的粘附,使得细胞发生由扁平到变圆的形态变化,同时伴随有一系列周期相关分子信号的启动。但是细胞变圆和细胞分裂这两个不同的事件是如何协同发生的,针对这一科学问题的研究目前还比较少。我们的研究发现一个经典的细胞不对称分裂调控蛋白Numb能够调控细胞变圆以及细胞分裂启动这两个事件的协同发生。我们发现有丝分裂重要起始激酶Aurora A能够直接磷酸化Numb,并且该磷酸化事件受细胞周期的调控。进一步发现Numb磷酸化调控其在分裂M期由细胞膜释放入细胞质中的过程,不能磷酸化的Numb导致细胞分裂时黏着斑的解聚发生异常,进而影响了分裂M期细胞的变圆。同时不能磷酸化的Numb延迟了细胞由G_2向M期转换,说明Numb磷酸化介导了细胞分裂M期的启动。进一步研究表明Numb可能通过控制Cdc25C的激活进而调控分裂M期的启动。综上,我们的研究发现Aurora A介导的Numb磷酸化能同时参与调控分裂早期细胞形态变化以及细胞分裂的启动,为理解这两个事件的协同发生提供了一种关键分子机制。2.靶向细胞周期激酶Plk1的新型抗肿瘤药物研发Plk1(Polo-like kinase 1)是一类保守的丝/苏氨酸蛋白激酶,研究表明Plk1激酶参与细胞分裂调控的多个环节,是重要的抗癌药物靶点。目前研发的Plk1抑制剂虽然在动物体内显示出了强大的抑瘤效果,但是临床实验表明绝大多数抑制剂特异性较低,具有巨大毒性,进而严重限制了这些抑制剂在临床中的应用。吡咯咪唑聚酰胺(PIPs)是一类人工合成的小分子配体,能够特异性地与DNA序列识别并结合。通过设计靶向基因启动子的PIPs,可以实现对基因表达的外源调控。我们的研究目的是利用这种最新发展的基因调控技术开发一种新型Plk1抑制剂。首先我们针对Plk1启动子上关键序列设计合成了一系列具有不同化学修饰的PIPs分子,通过筛选最终获得了能够有效抑制Plk1表达的吡咯咪唑聚酰胺分子PIP3,并进一步证实了PIP3具有较高的Plk1靶向特异性。相应地,PIP3处理导致肿瘤细胞分裂发生明显缺陷并诱导细胞凋亡,但同样作用浓度的PIP3对正常细胞的分裂却没有明显影响。在动物体内PIP3展现出良好的肿瘤抑制能力和较好的动物耐受性。综上所述,PIP3作为一种新型Plk1抑制剂,具有较高的靶向特异性和低毒性,因此具有较好的临床应用潜力。综上,我们的研究为理解细胞分裂过程中细胞形态变化及分裂启动的协同发生提供了一种全新的分子机制。此外我们设计出一种新型Plk1靶向抑制剂PIP3,并证实了该抑制剂具有较好的特异性,为该类抑制剂作为抗肿瘤药物的研发和临床应用提供了理论依据。
【图文】：

示意图,细胞周期,示意图,细胞有丝分裂

图 1.1 细胞周期示意图[3]Figure 1.1 The schematic diagram of cell cycle.细胞有丝分裂过程中的细胞形态变化及调控机制绝大多数哺乳动物细胞而言，其在发生分裂时候会伴随着由扁平到一系列细胞形态的变化[4, 5]（图 1.2），并且该现象在生物进化过程的。最早在 1935 年 Sauer, F.C 等人在体内也观察到了这一现象[6]，

形态变化,细胞分裂,分裂期,激酶

图 1.2 细胞分裂过程中的形态变化[4]Figure 1.2 Changes of cell shape throughout mitosis.有研究表明细胞进入分裂期时的形态变化是由于分裂期相关激酶活性的升高引起的，主要包括 CDK1-CyclinB 激酶复合物、Aurora A、Aurora B 以及 Plk1激酶，这些激酶在分裂期进一步引起相关蛋白磷酸化水平的升高，进而调控细胞能在短时间内形态和结构发生急剧变化[11, 12]。细胞变圆的一个主要调控机制是细胞与细胞外基质的黏附结构即黏着斑（Focal adhesion）的解聚，研究发现CDK1-cyclinB 激酶的激活能够磷酸化黏着斑的组成成分[13, 14]，包括 Integrins，FAK 以及 Paxillin 等蛋白，从而促进黏着斑的解聚[15]。此外，一种小的 GTPaseRAP1 能够通过调节 Integrin 以及 Rac-Cdc42 的活性来调节细胞的伸展，而 RAP1的活性在分裂期会发生降低，这间接地促进了分裂期黏着斑的解聚[16]。并且如果过表达组成性激活的 RAP1 蛋白，即使在 CDK1-CyclinB 正常磷酸化黏着斑蛋白
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院深圳先进技术研究院)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：R91

【相似文献】