3 篇 Nature 连发，解决世纪难题，周期蛋白的毁灭调控蕴含癌症患者的新生
丁香学术
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细胞周期是细胞生命活动的基本过程，受到细胞内外信号交互作用的精密调控。D 型细胞周期蛋白 (cyclin D1, D2 和 D3) 与细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin-dependent kinases，CDKs）是整个细胞周期调控机制中的核心分子，驱动细胞增殖。细胞周期失调是人类癌症的一个共同特征，其中 cyclin D-CDK4/6 复合物的水平和活性与不受约束的细胞增殖密切相关。
自从 20 世纪 90 年代发现 cyclin D 以来，人们就对其进行了深入研究，但是关于 cyclin D 的降解机制和调控机制尚不完全清楚。
2021 年 4 月 15 日，Nature 三连发表重磅论文为长期探索的科研难题，D 型细胞周期蛋白如何正常降解，提供了答案。同时 Nature 还在线发表题为 Path to destruction for a cell-division regulator 的 News & Views，高度评价了三个团队从不同的角度切入，完善了周期蛋白调控和降解机制，提高了我们对整个细胞周期进程的理解。
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Simoneschi，Chaikovsky 和 Maiani 的研究发现，cyclin D 羧基末端的磷酸化触发泛素化蛋白酶体降解途径。
泛素连接酶（E3）中最大的家族是 cullin RING ligases (CRLs)，其中 CRL4 复合体（CUL4，RBX 和 DDB1 蛋白）介导磷酸化 cyclin D 降解，而 AMBRA1（activating molecule in beclin-1-regulated autophagy）蛋白负责 cyclin D 与 CRL4 的靶向连接。随后 E3 将泛素蛋白链 (Ub) 附着在 cyclin D 上，被泛素化标记的 cyclin D 将会被蛋白酶体降解。
此外研究还发现，AMBRA1 缺失会导致 cyclin D 和 MYC 蛋白水平升高。cyclin D 与 CDK4/6 结合，使 RB1 蛋白磷酸化。磷酸化 RB1 释放 E2F 转录因子来驱动细胞周期进程所需基因的表达。在 AMBRA1 缺失的细胞中，cyclin D 也能与 CDK2 激酶形成复合物，使癌细胞能够抵抗 CDK4/6 抑制剂的治疗。高水平的 cyclin D 会促进细胞增殖，从而导致 DNA 损伤、复制应激和 CHK1 酶的激活。
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Simoneschi 等人为了鉴定参与 cyclin D1 降解的 CRL4 复合体受体，通过分别使用 siRNA，蛋白质组学和全基因组筛选的方法，成功靶定到 AMBRA1 蛋白，并发现其控制三种 cyclin D 的降解。
在发育过程中，AMBRA1 缺失会诱导 cyclin D 积累和 RB 的高度磷酸化和过度增殖，并导致神经系统的缺陷，而使用 CDK4/6 的抑制剂 abemaciclib 会有显著的改善。
此外，研究人员还发现 AMBRA1 在免疫缺陷小鼠模型中作为肿瘤抑制因子，通过全基因组 CRISPR Cas9 筛选发现 AMBRA1 缺失通过促进 cyclin D 与 CDK2 复合物的形成，降低了对 CDK4/6 抑制剂的敏感性。
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Simoneschi 的研究表明，CRL4AMBRA1(CRL4DCAF3) 是一种泛素连接酶，在正常细胞周期进程中，以及在营养缺乏和遗传毒性胁迫下，作用于所有三种 cyclin D，使其泛素化降解。同时还提出了，AMBRA1 水平的降低可能是对 CDK4/6 抑制剂脱敏的机制之一，不仅增加 cyclin D-CDK4/6 复合物的形成，而且增加与 CDK2 复合物的形成，从而导致对 CDK4/6 抑制剂不敏感。研究强调了开发同时靶向 CDK2、CDK4 和 CDK6 的抑制剂的必要性，同时避免对 CDK113 的毒性抑制。
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CDK4/6 抑制剂已经被批准用于治疗乳腺癌，并在研究用于其他类型癌症，但是临床研究发现癌症对这些抑制剂有耐药性。然而许多耐药性病例缺乏分子基础，为了解决这个问题，Chaikovsky 等人希望识别影响 CDK4/6 抑制剂 Palbociclib (帕博西尼) 敏感性的基因，从而更好的理解细胞周期的调控网络。
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研究人员通过全基因组筛选发现有数百个基因敲除影响了帕博西尼的易感性，其中 AMBRA1 基因缺失变化最为显著。随后发现 AMBRA1 缺失会导致细胞和小鼠体内 cyclin D 表达增加，从而促进细胞增殖并降低对 CDK4/6 抑制剂的敏感性。AMBRA1 作为 CRL4 复合物的特定受体，调控了 cyclin D 的泛素化和蛋白酶体降解。并且发现 AMBRA1 缺失会促进肺癌的生长，而低水平的 AMBRA1 与肺癌患者的生存恶化相关。研究确定了 AMBRA1 是 cyclin D 稳定性的主要调控因子，并将其作为 RB 通路的成员。并且强调了癌细胞对 CDK4/6 抑制剂反应的复杂性，进一步探究人类肿瘤中 CDK4/6 和 CDK2 复合物机制的必要性，为未来能更好的使用 CDK4/6 或 CDK2 抑制剂进行癌症治疗提供理论基础。
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正常调控的细胞周期对于哺乳动物的发育，稳态和避免严重疾病都十分重要。其中最关键的是两条平行的信号通路，MYC 通路和 cyclin D-CDK-RB 通路。在癌症中 MYC 和 cyclin D-CDK-RB 都是失调的，这与增加的基因组不稳定性相关。虽然已知自噬肿瘤抑制蛋白 AMBRA1 与细胞增殖的控制有关，但其潜在的分子机制尚不清楚。
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Maiani 及其同事通过细胞和分子方法的结合以及体内模型，发现 AMBRA1 通过介导 cyclin D 降解，从而调节其丰度。此外，AMBRA1 是 G1 期到 S 期过度的上游主要调节因子，通过控制从 G1 期到 S 期的转变，有助于在 DNA 复制期间保持基因组的完整性，从而减缓发育异常和肿瘤生长。AMBRA1 缺失导致的 cyclin D 增加，触发了 DNA 损伤和复制压力，从而导致 CHK1 激酶的激活。
研究发现促进了对复制期的进入和基因组完整性的控制的理解，并确定了 AMBRA1-cyclin D 通路是一个至关重要的细胞周期调控机制，在胚胎发育和肿瘤发生中与基因组稳定性密切相关。其发现还暗示了 CHK1 激酶是 AMBRA1 缺陷肿瘤的潜在治疗靶点。
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总的来说，这三篇文章对 D 型周期蛋白的降解进行了全面的阐述，表明了 AMBRA1 作为调控 D 型周期蛋白中枢的重要性。还进一步分析了癌症细胞对临床使用的 CDK4/6 抑制剂的分子机制，为 CHK1 抑制剂治疗 AMBRA1 缺失的癌症细胞提供了理论基础。
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