第十四章 沒有指針的鐘：細胞周期鐘

每個細胞都要有功能良好的大腦，亦即要有一個專業人士坐鎮總指揮部，接收各分支機構的信息，權衡利弊，作出慎重的決定。實際上，細胞的大腦可能作出的決定范圍很有限——細胞是否要生長，是否分化成特定類型的細胞，是否死亡。如果個體細胞對這些關鍵問題決策失誤，那么構建人體組織的結構嚴謹的細胞群落將會解體為野性難馴的幫派團伙，每一個成員都各行其是，天下大亂。盡管這個專業性決策機構的決策內容有限，但是據以作出決策的信息卻非常復雜，來源于幾十種渠道。其中有生長因子帶來的外部信號，與相鄰細胞進行的化學物質交換，與毗鄰的細胞以及包圍細胞的蛋白質基質所作的“身體”接觸。此外，還有大量的內部信息，包括對細胞DNA的健康情況和細胞代謝機制運作情況的定期報告。

必須設法對這些信息大雜燴加以濃縮、分解、加工。必須把它們匯總為惟一的、最終的決定。這一切只能由一個至高無上的決策者來完成。過去10年中，人們已經揭開了這位神秘人物的面紗。它就是隱身在細胞核深處的細胞周期鐘。它高踞大班臺之后，聽取復雜的輸入信息，作出艱難的抉擇，發號施令。

細胞周期鐘精心安排了細胞的一生——它的生長和分裂周期。細胞的積極生長周期可以分成四個不同的階段。細胞將花6?8個小時復制DNA（S階段）、3?4小時準備細胞分裂（G.階段），隨后細胞開始分裂，即有絲分裂（M階段），這個階段僅有1小時。

分裂后形成的兩個子代細胞將花10?12個小時準備下一輪DNA復制， 此為Gl階段。 或者，G；階段的細胞也許會選擇徹底出積極生長周期，進入一段長達數天、數周、 數月乃至數年的休眠靜止狀態（G.階段）。這種里普·范溫克勒“式的長眠是可逆的。一旦受到合適的信號刺激，細胞會從沉睡中醒來，投身于生機盎然的生長周期中。只需幾個小時，它們就又在跑道上生龍活虎了。

積極生長的人體細胞可以每天這么在周期軌道上跑上一個回合，但有時候，細胞會大大加快腳步。細胞周期鐘通過調節細胞在生命周期（通常稱作細胞周期）環形跑道上的前進運動，操縱著細胞的命運。

癌細胞中，細胞周期鐘會被打亂，這并不奇怪。按照正常標準衡量，癌細胞的周期鐘作出的決策是極其不當的。細胞周期鐘不是謹言慎行，仔細地權衡生長和休眠的利弊，而是草率地決定生長。事實上，周期鐘的運轉已經失控。由于它是細胞的主宰，細胞只得無限生長和分裂。

周期鐘在細胞信號系統中的地位更是凸顯出它的首腦風范。原癌基因和腫瘤抑制基因收集、處理的所有信號，遲早都要匯總給細胞周期鐘。周邊系統的所有線路實際上都延伸入細胞核，與細胞周期鐘相接。理解了周期鐘就是理解了細胞生長、正常狀態和癌變狀態。用鐘來比喻必定少不了齒輪和棘輪。當然，在細胞內部這些復雜的部件都是由蛋白質組成的，涉及到兩種蛋白質成分，一是細胞周期蛋白，一是細胞周期蛋白依賴激酶（CDK）。與所有激酶一樣，CDK的活動是通過把磷酸基與靶蛋白相結合實現的。靶蛋白的磷酸化改變了靶蛋白的功能，使它陷入高度活躍或者完全靜止的狀態。由于激酶把磷酸酯涂抹在許多不同的靶蛋白上，它可以同時改變細胞中的不同進程，將高強度的信號傳遍細胞內部。

構成細胞周期鐘核心成分的CDK要受到它的伴侶蛋白的控制。伴侶蛋白和CDK形影不離， 為CDK指出合適的靶蛋白。它們就是細胞周期蛋白（cyclins）——CDK的導盲犬。 沒有細胞周期蛋白的陪伴，一個CDK就好像瞎子一樣不辨東西，無法使任何一個目標磷酸化。

細胞走過生長周期中的不同階段，細胞周期蛋白也隨之來了又去。當它現身時，有些細胞周期蛋白指引它的伴侶CDK，把那些對細胞復制DNA的能力有關鍵影響的靶蛋白磷酸化；而其他細胞周期蛋白的引導，使那些導致細胞分裂的靶蛋白磷酸化。如果沒有細胞周期蛋白和CDK的合作， 細胞的絕大多數活動都將停止，細胞進入冰凍期——G.狀態。

細胞周期鐘運作的奧妙不在于細胞周期蛋白和伴侶蛋白質CDK. 這兩種分子成分僅僅是時鐘內部沒有意識的齒輪。是凌駕于這兩種成分之上的控制者造就了奇妙的周期鐘。通過激勵或抑制細胞周期蛋白一CDK的聯合行動，決定著時鐘的運轉。

正常細胞內部所有有關細胞是否生長的重要決策幾乎都是在生長周期的G； 階段作出的， 即在細胞分裂后、開始下一次DNA復制前的幾小時內作出。在這個時間段內，細胞要么繼續全力生長，要么退出生長周期，又或者分化成另一種狀態，以嶄新的面目示人，同時放棄再次分裂的可能。人體內大多數細胞都處在“有絲分裂期后”的這種分化狀態。它們只從事某項特定的任務，不再生長和分裂。不幸的是，人體的大腦細胞就是屬于這種命運。成年人體內每天死去的神經細胞數以萬計，并且，由于殘存的神經細胞永遠失去了繁殖能力，因此神經細胞后繼無人。

在細胞周期鐘內，有幾種腫瘤抑制蛋白起著時鐘不同階段的制動首腦的作用，人們對它們進行了深入的研究。 例如，在G；階段的中后期，視網膜神經膠質瘤蛋白起著總剎車的作用。 除非它被適當的細胞周期蛋白一CDK組合磷酸化，它會斷然阻止細胞繼續前進。 如果它沒有被磷酸化，細胞就會在G；階段停頓下來，被迫退出積極生長周期。腫瘤細胞沒有視網膜神經膠質瘤蛋白，就會對導致正常、中規中矩的細胞駐足考慮其行動步驟的各種因素不假思索，徑直進入DNA復制（S階段）

P53腫瘤抑制蛋白在細胞周期鐘機制中也有不俗表現。如前所述，當DNA受損時，P53水平上升。P53被激活后，產生第二種蛋白P21；PZI然后擠進所有的細胞周期蛋白一CDK 組合復合體，以此阻斷細胞周期鐘機制。
　　
還有兩種腫瘤抑制蛋白戶15和廣16，也起著抑制細胞周期鐘的作用。這兩種蛋白是幾乎毫無二致的孿生于； 兩者中的任何一種都能夠阻斷在G；生長周期階段中起作用的某種重要的CDK， 從而阻止細胞在G；階段中期后繼續生長。TGF卡這種強力生長抑制蛋白，很多作用是通過p15發揮出來的。我們曾講到TGF個同受體在細胞表面相結合。一旦同TGF于結合，受體即向細胞發出信號，導致P15制動蛋白猛增30倍；然后，由P15阻斷一個關鍵的CDK來關閉周期鐘。

家族性黑色素瘤患者常常繼承有戶16基因的缺陷形式。由于不具備在特定情況下關閉細胞周期鐘的能力，患者的細胞將繼續不適當地生長。最近的研究顯示，在其他許多種癌癥之中， 也有P16基因喪失或者失活現象。有一些實驗室報道說超過一半以上的人體腫瘤中沒有P16的活動。

所有促進細胞增殖的信號最終必須匯總到細胞周期鐘。例如，細胞外部的生長因子激發的信號通過細胞質導入細胞核，影響周期鐘的運轉。最重要的是，生長刺激信號誘發產生了大量的細胞周期蛋白D， 這是一種關鍵的動階段的時鐘成分。細胞周期蛋白D與一個伴侶CDK 聯手， 使視網膜神經膠質瘤制動蛋白磷酸化并失活，從而使細胞能挺進生長周期的下一個階段。

在下一個10年里，有關沖擊細胞表面的信號是如何影響細胞周期鐘的部件，以及周期鐘是如何處理這些相互存在矛盾的信號，作出決定，并向細胞發布進軍令，對于這些問題，我們將搞清它們的細節·微調周期鐘：DNA腫瘤病毒的生長策略本書的前面部分，我們描述了有一批腫瘤病毒，它們可以感染正常細胞，將這些新的宿主變成癌細胞。這些逆轉錄酶病毒對偷來的分子基因加以改造，將后者變成有效的癌基因。 所以它們能誘發癌癥。RSV就是這些致癌基因中最為臭名昭著的例子。我們曾講到，RSV的一個祖先攻擊了一個雞細胞，綁架了細胞的src原癌基因，迅速把該基因改造為有力的致癌工具。 對src基因的研究使我們發現了原癌基因，然后引發了人類認識癌癥起源的一場革命。

其他腫瘤病毒致癌的成功途徑截然不同。它們花費了幾百萬年的時間，對自己的癌基因精雕細鑿。RSV這樣的急性子匠人以RNA（核糖核酸）分子形式攜帶基因，而耐心的工匠以DNA 作為遺傳物質。

DNA和RNA分子都能編碼遺傳信息。 它們的結構幾乎毫無二致，都是由長串的堿基首尾相連構成。 細胞之所以選擇DNA分子儲存遺傳信息，因為它非常地穩定。但是短命的病毒較少慮及遺傳信息的長期儲存，因此有些病毒采用DNA，有些則采用RNA分子作為遺傳數據庫。

依照這個標準可以把病毒分屬兩大王國，兩國之間彼此有著明確的邊界線。它們寄生于受感染的細胞方式很不一樣。此外，RNA和DNA腫瘤病毒各自用以將受感染的正常細胞變成癌細胞的策略也全然不同。

DNA腫瘤病毒的中心議程， 與其他病毒一樣，簡單而明確：它們惟愿自身的復制多多益善。盡管感染病毒的某個細胞偶爾會發生癌變，但是病毒的愿望只是瓜瓞綿綿、子子孫孫無窮盡，致癌只不過是它們信手拈來的副產品。

為了順利地實現目標，DNA腫瘤病毒必須侵入細胞，寄生在宿主的DNA復制設施中， 指引它生產出DNA而非細胞DNA的復制酶。通過利用宿主細胞的DNA復制設施，這些病毒就可以去組裝自己的那一套設施的麻煩和費用。

由于人體內大多數可感染的細胞在一定時期總是處于積極生長周期以外的靜止狀態， 所以這種寄生策略也使病毒處境尷尬。由于靜止的細胞關閉了包括DNA復制部分在內的很多生長設施，因此它們對于感染性的DNA腫瘤病毒來說是慳吝的宿主。病毒的當務之急是說服它們的新宿主變得慷慨熱情起來。

DNA腫瘤病毒憑借它們的絕頂聰明解決了這個問題。病毒在侵入宿主細胞之后，它將誘使其宿主走出靜止狀態、步入積極生長周期。被喚醒的宿主細胞現在開動包括原先一度失活的DNA復制工具在內的生長設施， 以便在生長周期中使用。可是病毒自有其如意算盤： 它先發制人，制止宿主細住胞DNA復制設施的正常運用，而用它來復制自己的病毒DNA.復制出的病毒DNA組合成新的后代病毒顆粒，離開寄生的細胞，完成了病毒的生命周期。通常宿主細胞也會被迫自盡，成為病毒詭計的犧牲品。

此計的關鍵在于DNA腫瘤病毒激活休眠細胞所采用的機制。 最有趣的策略之一是人乳頭狀瘤病毒（HPV） 想出來的。90％以上的宮頸癌細胞中都有HPV出現。HPV感染和宮頸癌發病的緊密聯系不僅僅是巧合。長久以來，宮頸癌流行病學一直認為該類癌癥屬于傳染病的范疇：女性的性伙伴人數越多，宮頸癌的發病率就越高。無庸置疑，HPV感染是致癌的直接原因。

HPV一共有幾十種，其中一部分只會導致普通的皮疣。有幾種HPV在宮頸上皮細胞層生長良好。 宮頸上皮組織在遭受幾十年HPV慢性感染之后，偶爾也會出現宮頸癌。 然而，絕大多數感染HPV的婦女并不會患上癌癥。盡管多數宮頸癌的發病都有HPV參與其中，可是僅有HPV是顯然不夠的。除了一開始的病毒感染之外，在宮頸上皮細胞顯著癌變之前，它們還必須經歷其他一些低概率的事件。

HPV利用它的E7病毒癌基因誘使受感染的宮頸上皮細胞開始生長。 E7基因制造的某種蛋白質產物通過抑制關鍵的視網膜神經膠質瘤蛋白，直接干預宿主細胞的生長控制設施，使宿主細胞的關鍵制動設備失靈，不能關閉細胞周期鐘，也不能停止生長。受感染的細胞解脫了束縛，進入積極生長狀態，成為病毒生長的慷慨大方的東道主。
　　
如前所述，細胞常常以凋亡來對付病毒感染。細胞視網膜神經膠質瘤蛋白的失活， 也會使細胞凋亡。這種反應通常迅速啟動，剝奪了HPV賴以繁衍的獨立宿主，威脅到HPV的生長程序。 因此，＊＊V制造了第二種蛋白質＊6，使宿主細胞的產53蛋白失靈，從而阻斷凋亡反應。HPV通過將視網膜神經膠質瘤蛋白和P53腫瘤抑制蛋白統統失活，清除了前進道路上的兩大絆腳石，從而得以在宿主細胞內肆意生長繁殖。

為加速自身的生長， 其他DNA腫瘤病毒也采用了同樣的手段。有一種猴病毒，叫做SV40， 只制造一種稱作T抗原的癌蛋白，T抗原能夠把受感染的細胞中的P53和視網膜神經膠質瘤蛋白綁在一起，隔離起來。某些品系的人體腺病毒尤其有趣，因為它們能產生不同效果：在自然宿主物種——人類身上，它們會引起普通的上呼吸道感染， 在非自然宿主如倉鼠和大鼠身上，它們能引起腫瘤。與其他DNA腫瘤病毒一樣， 這些腺病毒也制造癌蛋白，把視網膜神經膠質瘤蛋白和P53腫瘤抑制蛋白全部失活，幫受感染的宿生細胞解脫生長束縛，將它們變成病毒復制的絕佳環境。

對付宿主的凋亡， 腺病毒還有另外一手。它攜帶的另一種類似細胞BC2癌基因的癌基因，能夠阻斷凋亡反應。這一把確保宿主細胞不至于夭折，壽命長到足夠病毒完成整個生長周期和復制周期以傳宗接代。

也許因為腺病毒對于繁衍和殺滅受感染的人體細胞這一行非常拿手，腺病毒和人類的癌癥沒有相關性。可是在嚙齒動物身上，腺病毒照常誘使受感染的細胞生長，開始一輪生長和復制。然而在這些非自然宿主細胞內，病毒接下去并不能順利地完成病毒復制和殺滅細胞的回合。這些受感染的嚙齒動物細胞被留下性命，和細胞中能有效刺激生長的病毒癌基因共存。這就是它們成為腫瘤細胞的原委在西方， 只有一小部分癌癥是由病毒感染引起的。 可是在過去20年中，研究DNA腫瘤病毒的生命周期， 尤其是SV40和腺病毒，為科學家們打開了一扇的窗戶，從而得以研究細胞周期鐘的內部活動，似乎所有人類的癌癥都會損及細胞周期鐘。