M-CDK 是什么?
M-CDK 是 M 期-周期蛋白依赖性激酶复合体。与之类似的还有 G1/S-CDK,S-CDK 等。这些都是在不同分裂时相发挥分子引擎功能的复合体。这类复合体由不同 Cdk (cyclin-dependent kinase) 和不同 cyclin (周期蛋白)结合而成。具体的,M-CDK 由 Cdk1 和 cyclin B 结合形成。
M-CDK 的功能已由其名字体现:这是在细胞分裂的 G2 向 M 期转换过程中发挥作用的 CDK 复合体。在 M-CDK 的推动下,细胞得以完成从间期转换为分裂期的巨大变化。
M-CDK 的激活
由于 M-CDK 中的核心催化亚基是上文提到的 Cdk1,因此,对 M-CDK 的调控就是对 Cdk1 的调控。
首先,由 Cdk1 的名字可见:Cdk1 的活性依赖于周期蛋白——cyclin B。cyclin B 与 Cdk1 的结合是 Cdk1 发挥活性的前体。Cdk1 的活性位点是一个名为 T-loop 的结构。一般,T-loop 位于 Cdk1 的内部,无法与外界互作,因此处于失活状态。cyclin 结合后,Cdk1 构象变化,T-loop 暴露,这时,T-loop 在空间上可以与其他蛋白互作,但整个复合体仍然处于失活状态。
为使复合体活化,还需要磷酸化的过程,但对于 CDK 的磷酸化根据位点不同,由激活和抑制两种结果。CAK, cyclin-activating kinase, 对 Cdk 的磷酸化可以激活其活性,而 Wee1,另一种激酶,磷酸化 CAK 后则会抑制其活性。对于 Cdk1 来说,在于 cyclin B 结合后,这两种磷酸化将同时发生,进而效应将相互抵消,M-CDK依旧没有活性。
现在,激活 cyclin B 的办法就是移除上面的抑制性磷酸基团,而这个功能由一种磷酸酶实现——cdc25。这种磷酸酶可以移除 M-CDK 上由 Wee1 添加的抑制性磷酸基团,终于,M-CDK 的活性被激活了。

一旦 M-CDK 被激活,这种反应便很难停止,因为活化的 M-CDK 可以进行正反馈调控。Wee1 与 cdc25 自身的活性也需要磷酸化调节,活化的 M-CDK 可以影响这个过程,进一步促进 Cdc25 的活化并抑制 Wee1 的活化,进而实现正反馈。
CKI 的作用
上述内容中并没有提到另一种 Cdk 调控因子,即 CKI(CDK inhibitor)。CKI 是一类 Cdk 结合蛋白,代表成员有 p27,它们通过结合至 Cdk 上以抑制其活性。
当然,CKI 也有自己的调控因子。一类特殊的 SCF 蛋白(E3 泛素连接酶)可以识别并为 CKI 做泛素化降解标记,介导其降解以释放 Cdk
M-CDK 的功能
M-CDK 的功能可以概括为通过磷酸化促进细胞从 G2 期转入 M 期。这其中的大部分功能都与前期与前中期的细胞行为一致:
- 染色体凝缩:磷酸化 condensin(一种 SMC)
- 核膜崩解:磷酸化核纤层蛋白,使其解聚
- 高尔基体,ER 碎片化
- 纺锤体装配
这些功能对细胞正常进入 M 期很重要,但注意 M 期还有更多如姐妹染色单体分离等重要行为,故 M-CDK 在 M 期进入后期前必须被清除,这一目的由 APC/C 实现,具体将在下一节阐述。
M-CDK 的清除
APC/C 全称为 anaphase-promoting complex,也被叫做 cyclosome,故缩写为 APC/C。这个蛋白复合体的本质是E3 泛素连接酶,通过介导特定蛋白来推动细胞由 G2 期进入 M 期。
APC/C 自身接受多个因子的调控。
在正调控方面,cdc20 是典型代表。cdc20 是一个 APC/C 的激活亚基,一旦与 APC/C 结合,APC/C 便可以发挥 E3 泛素连接酶活性。
在负调控方面,Bud 和 Mad 蛋白是典型代表。在前中期中,这两个蛋白是与着丝粒-动粒复合体关系密切。它们在动粒上聚集,使得动粒敏化,促使微管与动粒接触。更重要的,一旦所有微管与动粒连接后,Bud 和 Mad 的使命便结束了,它们将消失。这作为了一个纺锤体组装完成,中期结束的信号,介导了 APC/C 的活化,帮助细胞进入后期。

回到 APC/C 的功能上,这种 E3 泛素连接酶主要介导两类蛋白的降解:Anaphase Inhibitor 和 Cyclin。前者维持姐妹染色单体的粘连,后者的降解意味有丝分裂即将结束。
APC/C 对 Anaphase Inhibitor 的功能通过 securin 的例子可以很好理解。securin 是一类结合蛋白,与 separase 结合以抑制其活性。APC/C 被 cdc20 等激活后,将介导 securin 的降解,进而激活 separase 的活性,切割 cohesin 分离姐妹染色单体。
APC/C 对 cyclin 的功能则更加直接,APC/C 直接介导 cyclin A, B 的降解,失去 cyclin 的 CDK 将失去活性。
S 期启动机制
G1/S-CDK 介导细胞从 G1 转向 S 期。比较重要的是cyclin D-CDK4(6) 复合体。这个复合体的底物是 Rb,一种重要抑癌基因编码的蛋白质。
G1-CDK 启动 Rb 磷酸化,使 Rb 失活,进而释放 E2F,活化 S 期基因的转录。这些 S 期基因中包括了 G1/S-cyclin 和 S-cyclin。这些蛋白质进一步促进了 Rb 的磷酸化,形成正反馈循环。同时, E2F 也激活自身的表达,进一步提高正反馈强度。

mitogen
mitogen 就是激活 RTK-Ras 及其下游磷酸化级联反应的信号。