1、中心體異常與惡性腫瘤發生相關性研究的回顧與展望關鍵詞中心體 中心粒 惡性月中瘤 健康訊：官兵 胡盛平515031汕頭大學醫學院分子生物學中心（ A通訊作者） 【摘要】中心體是細胞中的一個較小的細胞器。作為主要的微管組織中心（MTOC, 在間期細胞及有絲分裂期的細胞中起著重要的作用。當中心體功能障礙時，可能引起染色體的分裂異常，并導致惡性月中瘤的發生。本文簡要介紹了中心體的結構、 功能，紡錘體裝配檢測點的調節機制，中心體復制及觸發，中心體復制與細胞周 期的關系，中心體蛋白，中心體異常以及可能的原因，并對其未來的研究和在臨 床上的應用進行了展望。一個世紀以來，中心體這一微小的細胞器對生物學家來說一

2、直是一個迷。中心體雖然很小且不引人注目，但是它卻在細胞中起著 重要的作用。其中一個重要的功能是構成有絲分裂紡錘體。紡錘體微管和動力微 管在細胞分裂時牽引染色體到細胞兩極，使每一子代細胞都具有完整的染色體。 如果沒有中心體，細胞將不可能進行正常分裂。越來越多的研究結果表明，當中 心體功能障礙時，有可能引起癌癥，至少部分癌癥是因為中心體功能障礙導致染 色體異常而引起。現將這方面的研究與展望綜述如下。1中心體概述中心體的基本結構、功能 在超微結構水平，典型的真核細胞中心體由一對中心粒 組成。中心粒周圍為云狀電子致密物，稱為中心粒周圍物質（ Pericentrioles Material , PCM,

3、中心粒周圍物質圍繞 2個中心粒 1。中心粒由9組三聯體微管組成，形成一桶狀結構。中心粒的直徑為m,長度變動于m之間， 成對相互垂直排列。微管長度約為 m 2,由微管蛋白組成，包括 a / B / 丫 / 6 / e微管蛋白、中心體蛋白centrin3和tektin 絲狀體以及與它們相連的結構蛋白4 o中心粒周圍物質組成纖維狀絡結構，這種纖維狀絡結構被稱為中心體矩陣5,中心體矩陣連接各種蛋白，包括聚集微管的Y微管蛋白復合物。中心粒周圍物質圍繞著中心粒組成中心體微管組織中心（Microtubule Organizing Center, MTOC=中心粒不直接參與細胞質微管的形 成。 在哺乳動物細胞

4、，中心體是主要的微管組織中心。 中心體在間期細胞中調 節微管的數量、穩定性、極性和空間分布。在有絲分裂中，中心體建立兩極紡錘 體，確保細胞分裂過程的對稱性和雙極性，而這一功能對染色體的精確分離是必需的。在維持整個細胞的極性、為細胞器的定向運輸提供建筑框、 參與細胞的成 型和運動上，中心體和微管都起著主要作用6 o中心體蛋白 中心體蛋白可分為三類：第一類是中心體長駐蛋白，如a / 0/ 丫 / 6 / e微管蛋白，中心體 蛋白centrin ,中心粒周圍蛋白(pericentrin )等；第二類是中心體乘客蛋白， 既只在M期才定位中心體，如POPANuM咻;第三類是是中心體調蛋白，如CDK2 C

5、yclinBI , CyclinA ,等。本文簡要介紹幾種中心體蛋白。中心體蛋白centrin是分子量為20kD的一個鈣結合蛋白家族，主要定位于中心體及其同源 結構中，目前已從多種生物克隆到其同源基因。一些研究發現，centrin蛋白在中心體的復制和分離中發揮重要作用，并與微管切除反應有關。在哺乳動物細胞中，centrin的定位具有細胞周期依賴性的特點，推測 centrin蛋白參與了有絲 分裂過程 7o目前已鑒別出4種centrin 蛋白(centrinlp , 2p, 3P, 4p)。centrin2P和centrin3p普遍表達于哺乳動物細胞中，兩種蛋白位于中心粒的遠 端或原中心粒的芽苞上

6、。研究表明在 Hela細胞中，如果centrin2P的表達被干 擾RNA活，中心粒的復制將被抑制并導致細胞周期連續性的缺損，這表明 centrin蛋白在中心體復制中起關鍵性的作用。Centrin4P是新鑒別出的centrin 蛋白，它擁有兩個剪接變異體，在中心粒上識別部位與centrin2p和centrin3p不同，其功能是裝配基體。但目前對centrin蛋白在哺乳動物細胞中的詳細功能 仍不十分清楚8。中心粒周圍蛋白(pericentrin )是中心粒周圍物質的組成成分，它參與組織中心體的結構。a和B微管蛋白組成的異二聚體是構成微管的基本單位，若干異二聚體首尾相連形成原纖維，微管由 13根原纖

7、 維排列而成，在細胞中微管裝配成三聯體后再形成中心粒。而 T微管蛋白則在 近幾年才被發現。T微管蛋白最初發現于一種真菌中，后來在其它真核生物中 也檢測到這種蛋白的存在并研究了其相應的基因。現有資料表明，T微管蛋白具有某些a和B微管蛋白的基本特點，例如它出現在所有的真核生物中，是一 種非常保守的蛋白質，而且可能也由多基因編碼，從而構成自己的蛋白家族。許 多研究結果表明，Y微管蛋白是微管組織中心的組成成分，連接微管和中心體。 盡管它在細胞中含量很少，但對微管的裝配、微管的取向等起著很重要的調節作 用。因而可以說，Y微管蛋白直接參于一切與微管有關的細胞活動，如細胞的 分裂、細胞形態的維持、細胞的運動

8、等等，是細胞內的一個重要的蛋白質。中心體復制和中心體復制的觸發中心體為半保留復制。在每個細胞周期中，中 心體復制一次。在有絲分裂末期，每個子代細胞繼承一個中心體，而在下次有絲分裂開始之前，它又包含有2個中心體。在分裂間期，中心體精確的復制周期為 有絲分裂做前期準備，這一過程被稱之為中心體復制。在高等動物細胞中，中心 體復制由4個階段組成：(1)中心粒分裂；(2)中心粒復制；(3)中心體分裂；(4)子代中心體分離9。 中心粒分裂出現在G 1晚期10,是中心體復制開始的征兆。中心粒復制始于S早期，或者始于S期二個相互垂直的中心粒輕微分裂之時。原中心粒在 S期和G 2期延長，在有絲分裂期生長成 熟。

9、隨著中心體在G2期分裂，中心體復制完成，半保留復制的中心粒進入子 代中心體。子代中心體的分裂與 Nek2的活性有關，Nek2是細胞循環調節激酶， 有助于細胞進入有絲分裂11。中心體分裂與G 2期/分裂前期EF-hand蛋白(EF-hand protein centrin )磷酸化有關 12。子代中心體通過主要由微管組成的馬達(micro - tubule -based motor protein )蛋白的活動而分離13。 在G 1-S期限制點，cyclin E-CDK2 (細胞周期依賴激酶2, cyclin-dependent kinase2 )被核酸磷酸酶磷酸化，為中心體復制簽發了通行證。

10、CDK26合物包括Rb月中瘤抑制基因，Rb月中瘤抑制基因編碼Rb蛋白，Rb蛋白磷酸 化后，即失去抑制E2F的作用，E2F游離出來，這些轉錄因子進入細胞核并激活 S期中與中心體復制和DNAa制有關的基因。中心體復制由CaMK (鈣調蛋白依 賴激酶H, calmodulin-dependent kinase II )觸發，細胞內自由鈣離子濃度增 加使CaMK激活，CaMK激活觸發中心體復制的開始。在 S期中心體復制依靠 cyclin A CDK2復合物。中心體周期與細胞周期的協調由Mps1p在多水平控制，而Mps1p由CDK2空制14。細胞周期和中心體復制的關系 G 0期:G0期不支持中心體復制。

11、只要細胞處于細胞周期的靜止期，中心體就不會復制8。 G 1期：無論中心體復制是否始于 G 1期，當細胞通過限制點后，細胞已經開始著手準備分裂。大量研究結果表明，中心體復制始于G1晚期或S早期，盡管在此之前已經觀察到原中心粒的形成15。反之當細胞周期在G 1期被含羞草堿抑制后，雖然可以觀察到T微管蛋白的免疫反應點，但中心體并不會進行復制。雖然原中心粒形成與S期的起始有一些相關性，但這并不是 普遍現象。如L929細胞培養中，在DNA成開始前4h已經形成原中心粒。總之， 大量研究表明G 1期是中心體復制的起始，如子代中心粒的裝配，復制中心體 的分裂/分離。但是為什么一些細胞中心粒的復制始于 G 1期

12、，而另一些細胞中 心粒的復制始于S期，其原因仍不清楚，可能與 CDK2-E激酶的活性升高有關。 S期：中心體復制周期完成于S期，包括母代一子代中心粒的分裂、復制和中心 體的分裂/分離。在正常條件下，并不會因為中心體復制而導致S期延長。但是有文獻報道在受精卵和中國倉鼠體細胞中中心體復制時S期延長，其原因并不清楚。 G 2期：在G 2期子代中心體分裂和分離。在 G 2期中心體也不會連 續復制。M期：中心體在M期不復制。紡錘體裝配檢測點(spindleassembly checkpoint )的調控機制 紡錘體由星體微管，極間微管，動粒微管縱 向排列組成。有絲分裂前期，每對中心粒周圍出現放射狀星體微

13、管，由此構成兩個星體，并排于核膜附近。中心粒之間形成極間微管。星體微管，極間微管通過 向其遠離中心粒的一端(A端)加入微管蛋白二聚體而不斷延長，從而推動中心粒移向細胞兩極。到前期末，隨著核膜的崩裂，由紡錘體一極發出的一些微管可 進入胞核，其A端附著于染色體的動粒上即成為動粒微管。紡錘體裝配檢測點的成分包括 Mad1, Mad2, Mad3（mtotic arrest deficient ）, Bub1/BubR1and Bub3 （budding uninhibit ed by benzimidazole ）。檢測點蛋白 Mad2對附著敏 感，而Bub1/BubR1對張力敏感。在有絲分裂期，紡

14、錘體裝配檢測點的功能在于 確保染色體復制的忠實性。最新的研究表明，紡錘體裝配檢測點是通過微管的著 絲粒附著點從相對的紡錘體兩極附著在染色體上并且對著絲粒施加張力這兩者 的共同作用來調節染色體復制的忠實性。只有當所有的微管著絲粒附著在染色體 上，在赤道面成直線排列，并對配對的著絲粒施加適當的張力時，細胞分裂后期才有可能被觸發。此時 Mad2失活，BubR1停止與Cdc20-APC乍用，而當BubR1 停止與 Cdc20-APC乍用后，Cdc20-APCS激活，激活的 Cdc20-APC#致 securin 降解，降解后的securin引起separin釋放，游離separin觸發染色體的分離和

15、細胞分裂后期開始 16（這一部分是原文的信號通道，securin和separin 兩詞無法翻譯）。2中心體異常導致癌癥的假說和惡性月中瘤細胞中中心體結構的異常中心體異常導致癌癥的假說 在癌細胞中，染色體組型的改變非常普遍，包括整個染色體的丟失和獲得、 染色體倍性的改變，以及大量的染色 體異常。如果細胞未能協調好中心體復制和 DNAM制的關系，將不可避免地導致 染色體倍性的改變，形成單極和多極紡錘體，而單極和多極紡錘體將驅使染色體 異常分裂。一些遺傳性染色體不穩定綜合征如Bloom綜合征、Fanconi貧血等疾病的患者就容易患月中瘤17。在20世紀初期，Boveri就提出惡性月中瘤細胞極性的改變

16、和染色體分裂異常（非整倍體）可能是由于中心體功能缺陷引起的。 但是這個觀點一直未引起研究者的重視。Kenji和Fukasawa等通過研究發現如 果缺乏p53月中瘤抑制基因，細胞將具有多倍體中心體而不是正常的一個或二個。如今人們已經認識到中心體復制功能障礙可能是引起染色體分裂異常的重要原 因并且最終導致癌癥的形成。現在已經有越來越多的研究結果證實了這一觀點。 惡性月中瘤細胞中中心體結構的異常 Lingle首先在乳腺癌中發現了中心體的異 常結構、中心體蛋白的異常磷酸化和中心體微管組織能力的改變。Lingle對此又進行了進一步的研究，在31例人乳腺癌中，與正常乳腺組織相比，24例有中 心體的明顯改變

17、，其中11例有兩個以上的中心粒。在Lingle的研究中，將正常 乳腺導管上皮細胞與乳腺腺癌細胞的中心體進行了對比并得出以下結論：與正常細胞相比，月中瘤細胞中心體結構有很顯著的異常，包括 ：（1）中心粒數量過多； （2）中心粒周圍基質過量；（3）中心粒筒狀結構混亂；（4）分散的微管復合物； （5）中心粒長度異常；（6）中心體錯位； 中心體蛋白異常磷酸化。這些異常與細胞極性的改變、細胞和組織分化異常及染色體異常分離有關6。Lingle隨后又研究了高分化乳腺癌中心體增生與非整倍體，染色體不穩以及p53 突變和缺失的關系。其結果顯示中心體增生與非整倍體，染色體不穩有線性關系。 p53突變與中心體微管聚

18、集能力的增加有顯著的關系。由此得出結論為：中心體增生與月中瘤的發生發展有關18 。Sato等在免疫熒光顯微鏡下發現了大量胰腺癌細胞系中有中心體大小、 形態及數目的明顯改變，在中心體表型異常 的細胞系中經熒光原位雜交（FISH）觀察到染色體數目的顯著異常。Pihan 19 等證實在大多數前列腺癌中有中心體結構和數量的改變，通過增加中心粒周圍蛋 白的水平選擇性誘導中心體異常，可在前列腺上皮細胞系中產生前列腺癌的特征 性表型。Gustafson等20用免疫組化的方法發現在18例頭頸部鱗狀細胞癌（HNSCC患者中17例有中心體的擴增（94%,而且復發的月中瘤中有中心體擴 增的細胞數比非復發的要多。3導

19、致中心體異常可能的原因中心體異常和染色體分裂異常的關系在中心體異常和染色體不穩的關系上有兩種觀 點，一種觀點認為中心體異常引起有絲分裂紊亂進而導致染色體不穩，而另一種觀點則認為中心體異常是染色體不穩的一種簡單的反映21。最近有研究表明在乳腺導管原位癌、前列腺原位癌和子宮頸原位癌中心體異常和染色體不穩 同時存在，這一研究提示中心體異常可能是通過染色體的異常分裂促進早期癌癥 的發展，并進一步證明了是由于中心體異常引起有絲分裂紊亂進而導致染色體不 穩22。導致中心體異常的一些相關基因和激酶 Sluder和EdwardHinchcliffe 等研究發現中心體復制需要CDK2t酶。CDK2敢酶可使細胞通

20、過細 胞分裂周期，這樣有助于確保中心體在正確的時間里僅復制一次8。Fukasawa的研究證明，CDK加以使魚精蛋白（一種中心體蛋白）磷酸化，并引 起魚精蛋白與中心體分離來控制中心體復制。 魚精蛋白與中心體的分離引起中心 體開始復制。p53基因的蛋白產物通過 Waf-1蛋白才制CDK2敖酶。當p53基因 缺失時中心體就會異常復制并聚集額外的復制產品。在惡性月中瘤中，可以經常觀 測到G1/S期調節蛋白的異常，如 Rb蛋白，cy -clins D 和E, CDK4ffi 6, CDK 抑制基因p16, p15和p53。這些改變不僅導致細胞無限制增生，而且引起由中 心體復制控制的染色體組型的不穩23,

21、染色體組型的不穩定引起細胞分裂生長異常最終導致月中瘤的發生。Aurora可能是導致中心體異常的另外一個激酶。Auro - ra屬于STK敢酶家族，它調節中心體成熟，染色體分離和細胞分 裂。Aurora激酶基因位于20號染色體，在結腸，乳腺和其他一些月中瘤細胞中 Aurora激酶基因擴增或有多個復制子，其編碼的蛋白在癌細胞中呈現出異常的 高濃度。通過基因工程提升正常細胞的 Aurora激酶的濃度，細胞產生大量的中 心體，變成多倍體，并呈現出癌細胞的其它一些特征24 。Aurora-2激酶與癌基因轉化有關，在惡性月中瘤常常過度表達。Aurora-2激酶在中心體循環中可能與細胞的變形有關。Auror

22、a-2激酶過度表達導致中心體增生，并引起基因 不穩。Aurora-2激酶可通過調節中心體功能基因的翻譯來促使細胞進入有絲分 裂24。p53缺失或突變導致p53月中瘤抑制基因失活可引起中心體異常增生。 p53 通過 ransactivation-dependent 和trans _ activation -independent 機制來調節中心體復制。在transacti - vation -dependent 控制中，p21( Waf1/Cip1 )是一個主要的效應器， p21可防止CDK2/cyclin E kinase 在不恰當的時間被激活，因此可以確保中心 體復制和DNA制起始的一致性。

23、在transactivation-independent 控制中，p53 似乎是直接物理連接在中心體上。當中心體復制過量時，增加了異常有絲分裂的 頻率，并導致染色體不平衡分配25。一些學者在研究膀胱癌時發現，p53突變導致中心體異常增生，其可能機制在于anti-nucleophosmin/B23 (NPM。在中心體復制起始時，NPM1 CDK2/cyclin E的主要靶點，而NPMt 丫微管蛋 白平行，暗示NPM£f中心體相連，但其確切的機制仍不清楚26。另一些學者研究結果表明，在肝細胞癌中，p53突變可引起中心體異常和檢測點的缺陷， 并潛在的導致基因不穩定，這種潛在因素與月中瘤的大

24、小和階段無關27o中心體蛋白和其它一些因素對中心體異常的影響中心體蛋白質的異常同樣有可能導致癌癥。Doxsey等研究發現在膀胱癌和其它一些月中瘤細胞中，中心粒周圍 蛋白(一種中心體蛋白)的濃度比正常細胞高。通過基因工程使正常細胞產生過 量的中心粒周圍蛋白，正常細胞會產生額外的中心體。一些研究還表明病毒也可能引起中心體異常。宮頸癌與高危人乳頭狀瘤病毒(hpvs有關。在癌癥分化 的早期HPVffi性細胞常表現出基因不穩。HPVg碼的癌蛋白E6和E7導致基因異 常并使被感染的宿主細胞的有絲分裂失去忠實性。E7誘使中心體數量的異常導致染色體不穩。E6協同E7放松關鍵檢測點的控制。E7誘導中心體復制的異

25、常可 能為重新編寫一些調控基因，這些基因與宿主細胞的細胞周期有關，如錯誤調節 CDK2t酶的活性28。E1A是一種腺病毒蛋白，它與RANGTPas審目互作用，這種相互作用使中心體循環與細胞循環脫節，并導致染色體不穩29,由于染色體不穩而導致月中瘤的發生。4中心體異常與惡性月中瘤發生研究存在的問題及展望雖然許多研究結果證明了中心體異常與惡性月中瘤的發生具有相關性，但是仍然有許多問題需要解決。首先，如果中心體異常是原因，那么在月中 瘤細胞中應該能發現或找到突變的中心體結構基因，或者與之相關的調節蛋白。但是到目前為止僅僅發現了 Aurora激酶、CDK2敢酶等基因，是否還存在其它的 基因？其次，在正

26、常哺乳動物細胞，S期和G 2 /M期檢測點能夠阻止復制不完全 的細胞或DNAS損的細胞進入有絲分裂，那么具有異常中心體的細胞如何進行分 裂的22 ?最近有文章報道，在精母細胞中，中心體和 DNA勺復制并不是成對進行的，中心體復制有替代途徑.在鼠胚胎早期中心粒可以在沒有模板的條件 下重新構成，其可能的原因為中心粒周圍物質中預先存在模板30o再次，如果在早期、晚期惡性月中瘤中存在異常中心體，那么在月中瘤的不典型增生階段是 否存在異常中心體？另外當正常中心體出現異常時，細胞又是如何修復異常中心 體的？ 總之，中心體作為主要的微管組織中心，在間期細胞及有絲分裂期的 細胞中起著重要的作用。從細胞分子生物

27、學水平來詳細了解中心體復制的分子機 制將會對惡性月中瘤發生原因的了解起到積極的作用。盡管對中心體異常與惡性腫瘤發生的相關性的研究取得了很大的進展，但是兩者之間的關系遠比我們預想的 要復雜得多。現在一些研究者將中心體異常以及中心粒周圍蛋白的濃度用于臨床， 來評估惡性腫瘤的轉移能力。有絲分裂毒性藥如紅豆杉，長春堿廣泛用于治療各 種癌癥，但是由于用現存藥物難于治愈癌癥，因此需要開發新的治療藥物。中心體是紡錘體的特殊結構，它將染色體連接到紡錘體，因此可以將中心體作為靶標 開發一種針對有絲分裂的特效抗癌新藥31 o如果中心體異常能夠用于指導惡性月中瘤的診斷、治療以及評估惡性月中瘤患者的預后，對中心體的研

28、究將會為月中瘤患者帶來巨大的福音。參考文獻1 Balczon R, Varden CE SchroerTA, et for microtubules in centrosome doubling in Chinese hamster ovary Motil Cy-toskeleton , 1999,42 (1) :60 72.2 Bobinnec Y, Khodjakov A,Mir, LM et disassembly in vivo and its effect on centrosome structure and function in Cell Biol , 1998, 143 (6

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