本期主要介绍Cell cycle（ko04110）信号通路的简介和在kegg通路中的位置、Cell cycle通路的简要结构以及Cyclin-CDK复合物，下一期文章将继续分享G1期到S期过渡的细胞周期蛋白复合物上下游调控、DNA的复制—S期和G2期到M期过渡的细胞周期调节。Cell cycle（ko04110）信号通路的简介和在kegg通路中的位置
细胞周期是一个偏下游的通路。查看PI3K-AKT、MAPK通路、P53等通路的下游（kegg图的右侧），都可以看到通路的箭头会指向cell cycle。这里说的细胞周期，实际上指的是与细胞分裂相关的周期变化。我们先来回顾下细胞分裂周期的构成。细胞分裂周期包括分裂间期，分裂期和静止期，对应名词包括G1期，S期，G2期，M期，G0期。分裂间期包括三个时期：DNA合成前期（G1期）、DNA合成期（S期）与DNA合成后期（G2期）。1）G1期（first gap），从有丝分裂到DNA复制前的一段时期，又称合成前期，此期主要合成RNA和核糖体。该期特点是物质代谢活跃，迅速合成RNA和蛋白质，细胞体积显著增大。这一期的主要意义在于为下阶段S期的DNA复制作好物质和能量的准备。2）S期（synthesis），即DNA合成期，在此期，除了合成DNA外，同时还要合成组蛋白。DNA复制所需要的酶都在这一时期合成。3）G2期（second gap），为DNA合成后期，是有丝分裂的准备期。在这一时期，DNA合成终止，大量合成RNA及蛋白质，包括微管蛋白和促成熟因子等。M期：对应细胞分裂期（Mitogenic phase，有丝分裂期 ），又分为前期（Prophase）、中期(Metaphase)、后期（Anaphase）和末期（Telophase）。G0期：指细胞脱离细胞周期暂时停止分裂的一个静止阶段。但在一定适宜刺激下，又有可能重新进入周期。要注意一点，G0期应该特指那些依然具有继续分裂潜力的静止细胞，而不能用于形容那些已经充分分化，理论上失去分裂能力的细胞。细胞分裂周期的周而复始变化，主要由一系列基因和通路驱动的。在详细解析这个通路前，我们先看看cell cycle在kegg通路中的位置。在前文提到的kegg核心35通路中（下图），cell cycle通路完全处于右侧这个簇，即属于信号传导相关通路的簇。在这个35个通路中，cell cycle通路一共与10个通路存在直接连接，其主要体现为是PI3K-AKT通路，MAPK等信号传导通路的下游，因为这些信号传导通路参与细胞周期调节。图1 35个核心通路中与细胞周期通路直接相关的通路对图1、图2 kegg通路网路图感兴趣的同学，可以使用OmicShare tools的工具“kegg网路图”绘制https://www.omicshare.com/tools/
如果在整个kegg数据库中，与细胞周期通路存在直接关系的通路有47个。这47个通路按A级别进行分类，有32个属于Human Diseases，其中有17个为cancer。因为癌细胞可以无限分裂，所以理论上任何癌症相关的通路都涉及细胞周期；另外还有10个属于Infectious diseases，这主要是一些病毒性的疾病。病毒侵入本身会影响细胞周期。除了细胞周期，剩下的15个相关通路就比较清晰了。细胞周期本身与cellular processes相关通路有关。而细胞周期变化又是受一系列信号传导通路的调控，所以细胞周期相关通路中包括8个信号传导相关的通路。表1 与细胞周期通路直接相关的其他（非人类疾病）15个通路Kegg中的cell cycle通路图可以从两个方向来看。从左向右看，展示的是细胞周期G1、S、G2、M的变化（对应的数字在图形最下方）。如果从上向下看，则是调控信号从上游向下游的调控过程。在cell cycle通路中，起到核心调控作用的是Cyclin（细胞周期蛋白）和CDK(cyclin-dependent kinase，细胞周期蛋白依赖性激酶）构成的复合物。所以kegg图的中心位置，我们可以看到由各类Cyclin（包括CycA/B/ D/E/H）和CDK(包括CDK1/2/4/6/7)构成的复合物，我们在下文会继续详细介绍这些复合物的功能。图4 kegg数据库中的cell cycle通路图
细胞周期必须以有序的方式进行。DNA复制必须先于染色体分离，染色体分离必须先于胞质分裂。细胞中基因表达调控必须要在适当的时间启动细胞周期事件，并确保在启动下一阶段之前完成先前的事件。细胞周期控制器是由两种蛋白质构成的复合物：细胞周期蛋白依赖激酶（CDK）和细胞周期蛋白（cyclin）。
Cyclin在脊椎动物中包括cyclin A、B、D、E、F、G及H等种类。G1细胞周期蛋白（CyclinD/E）触发细胞周期的开始或进入。S期细胞周期蛋白（cyclin A）触发DNA复制。M期细胞周期蛋白（Cyclin B）启动纺锤体组装和微管与染色体的连接。最后，后期促进复合物（APC）破坏所有细胞周期蛋白并启动姐妹染色单体的分离。Cyclin通过相似的机制激活特定类型的CDK，将CDK导向不同的靶点。CDK通过磷酸化靶蛋白质来触发特定的细胞周期事件。细胞周期蛋白以波浪式发展表达，每组Cyclin-CDK复合物会触发下一组细胞周期蛋白的表达。相比之下，细胞中CDK的量在整个细胞周期中保持一致的水平，但CDK必须与细胞周期蛋白相关联才能发挥作用。当然，细胞周期蛋白也不是在所有细胞中都严格遵循以上波浪式表达。例如在人类胚胎干细胞中，4类细胞周期蛋白的表达模式就明显不同于体细胞（下图）。图5 细胞周期各个阶段主要表达的cyclin和CDK类型（左图）以及在人体细胞和胚胎干细胞中cyclin的波浪式表达（右图）细胞在细胞周期变化中，机体需要监测进程，以确保在进行周期下一步之前每个必要的事件都已完成，并检查是否有条件进行下一步。细胞周期调控中决定是否启动下一个阶段的关键节点被称为细胞周期检查点（cell cycle check point）。在有丝分裂不同阶段的检查点，细胞需要感知和判断细胞的内状态，从而决定是否可以启动下一个阶段。主要的检查点类型包括：（1）G1/S检查点。这是最重要的一个检查点，在kegg图中也有标注。在酵母中称为Start point，在哺乳动物中称为R point（Restriction point）。这个节点控制细胞由静止状态的G1期进入DNA合成的S期。检查的细胞信息包括：DNA是否有损伤？细胞外环境是否合适？细胞体积是否足够大等；（2）S期检查点。检查的细胞信息涉及DNA复制是否完成；（3）G2/M期检查点。是决定细胞开始分裂的控制点。检查的细胞信息包括：DNA是否损失？细胞体积是否足够大？（4）中后期检查点（纺锤体组装检查点）。检查的细胞信息：着丝点有没有连接到纺锤体上。CDKs的活化一般会经历三个步骤，包括与cyclin的结合和磷酸化。第一步：CDK与cylin结合。cylin与CDK中保守的100个氨基酸结构域（称为细胞周期蛋白盒）结合，并通过部分打开激酶口袋（kinase pocket）来激活CDK；第二步：CAKs（CDK-activating kinase，CDK的激酶）磷酸化CDK导致底物结合位点完全开放。CAKs似乎在大多数细胞中具有组成性活性（即活性持续存在）；第三步：从CDK去除抑制性磷酸基团修饰。Wee1是一种激酶，它在CDK的ATP结合口袋中增加一个磷酸基团，降低CDK激酶活性。与cylin结合并被Wee1磷酸化的CDK是无活性的。Cdc25从CDK移除抑制性磷酸基团以激活cyclin-CDK复合物。检查点通常会在这一步控制是否进入细胞周期的下一阶段。cyclin-CDK的激活也受正反馈调节。活化的cyclin-CDK磷酸化Cdc25，产生活化的Cdc25又反过来继续活化cyclin-CDK。活化的cyclin-CDK也抑制Wee1活性，防止Wee1通过磷酸化再次抑制CDK。在cyclin-CDK激活中使用正反馈调节意味着：一旦cyclin-CDK被活化，仅仅去除触发cyclin表达的信号，并不能关闭活化的cyclin-CDK。为了使cyclin-CDK失活，细胞通过泛素化作用靶向cyclin进行破坏，然后通过蛋白酶体（proteosome）进行消化。为何围绕Cyclin和CDK复合物要有丰富的调控机制
按照上文描述的，好像细胞只要在各个时期按顺序开始表达cyclin和CDK就可以了。那么为什么在kegg图中，围绕cyclin和CDK复合物还有那么复杂的调控呢（你注意观察cyclin和CDK周边有丰富的促进和抑制因子）?细胞中CDK的量在整个细胞周期中是一致的，特定cyclin的量在细胞周期的大多数阶段之前增加，但这种增加是线性而缓慢的。而细胞周期的阶段性变化具有一定的突然性（细胞通过某个检查点，就要尽快切入下一个周期的调控模式），很显然cyclin的线性变化无法满足细胞周期调节变化的即时性。Cyclin-CDK相关的调控开关就有效解决了这一限制。Cyclin的表达在细胞周期的下一个阶段之前开始。产生Cyclin可以随时结合CDK，但由于Wee1添加的抑制性磷酸基团而无活性。这使得细胞在细胞周期的下一个阶段之前积累大量无活性的cyclin-CDK复合物。当细胞准备开始细胞周期的下一个阶段时，它激活cdc25，去除CDK上的抑制性磷酸基团，产生一些活性的cyclin-CDK复合物。这种活跃的cyclin-CDK可以激活更多的cdc25并抑制Wee1产生更活跃的cyclin-CDK。这个正反馈效应导致活化的cyclin-CDK的数量在短时间内急剧增加。此外，cyclin-CDK的活性不需要额外的初始信号，因为cyclin-CDK能够通过正反馈维持其自身的活性。图7 Cyclin-CDK的线性活化模式（上）以及正反馈机制下的“爆发性“活化模式（下）学习了kegg通路的解读，那么自己从RNA-seq分析结果中挖掘关键信息就水到渠成了。哪里有高性价比的转录组测序和分析服务呢？试试基迪奥OM商城。基迪奥OM商城正式上线，推出全新组学解决方案，转录组测序分析低至649元/样；微生物扩增子测序分析低至164元/样！即日起，在OM商城下单满额即送70000多人在使用的OmicShare会员一个！活动限时一个月！https://www.omicshare.com/vip/https://www.omicsmart.com/home.html#/什么是OmicShare？你可以了解下哦。kegg解读系列文章中的kegg通路间的网络图，以及包括kegg注释，kegg富集分析等经典生物信息分析，都可以使用基迪奥公司开发的在线分析小工具Omicshare tools完成。使用这些在线工具，不需要任何编程基础，就可以完成专业的kegg分析工作。在这个平台上百个小工具里，kegg相关的工具也是最受用户喜欢的工具。https://www.omicshare.com/tools/
参考文献：
[1]http://tbl.med.yale.edu/cell_growth_control_2020/reading.php[2] Otto, Tobias, and Piotr Sicinski. 'Cell cycle proteins as promising targets in cancer therapy.' Nature Reviews Cancer 17.2 (2017): 93.[3] Liu, Lijun, et al. 'The cell cycle in stem cell proliferation, pluripotency and differentiation.' Nature cell biology 21.9 (2019): 1060-1067.[4] Yamano, Hiroyuki. 'APC/C: current understanding and future perspectives.' F1000Research 8 (2019).[5] Li, Min, and Pumin Zhang. 'The function of APC/C Cdh1 in cell cycle and beyond.' Cell division 4.1 (2009): 1-7.[6]https://wenku.baidu.com/view/dfd0e47dcd22bcd126fff705cc17552706225e7d.html#实用科研工具推荐
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