Chk2蛋白激酶生物学功能研究进展

2024年4月20日发(作者：)

Chk2蛋白激酶生物学功能研究进展

Checkpoint kinase 2 (Chk2)是一种多功能蛋白激酶，不仅在DNA损伤诱导的

细胞周期阻滞、DNA修复和细胞凋亡过程中扮演着重要角色，而且最新研究发

现，其在有丝分裂过程中对纺锤体的组装和染色体稳定性的维持也是必须的。越

来越多的证据显示，Chk2和人类肿瘤存在着密切关系，其被视为肿瘤治疗新的

分子靶标，在抑制人类肿瘤发生发展中起着关键作用。本文就Chk2蛋白激酶的

主要生物学功能作一综述。

Abstract：Checkpoint kinase 2 (Chk2) isa multifunctional enzyme whose

functions are central to the induction of cell cycle arrest,DNA repair and apoptosis by

DNA addition,most recent work has revealed another function of

Chk2,independent of DNA damage,that is required for the proper mitotic spindle

assembly and for the maintenance of chromosomal relationship of Chk2

to human cancer studies are developing rapidlywith increasing evidence that Chk2

plays a vital role in tumor suppression and will be viewed as a new anti-cancer

therapy molecular research progression of biological function of Chk2

protein kinase is reviewed in this article.

Key words：Chk2；Biological function1引言

Checkpoint kinase 2 (Chk2，又被称作hCds1或Chek2) 是一种多功能蛋白激

酶，作为肿瘤抑制基因，在多种肿瘤中发现其发生突变，包括肝癌、乳腺癌、卵

巢癌、膀胱癌、前列腺癌和结肠癌等[1,2]。Chk2作为DNA损伤应答信号通路中

的重要一员，在DNA损伤反应中发挥着重要作用。DNA损伤发生后，启动信号

级联反应，Chk2被上游的磷脂酰肌醇3-激酶相关蛋白激酶(phosphatidylinositol

3-kinase-related protein kinase，PIKK)家族中的成员如毛细血管共济失调突变基因

(ataxia telangiectasia mutated gene,ATM)、毛细血管共济失调和Rad3相关基因

(ataxia telangiectasia and Rad3 related,ATR)和DNA依赖性蛋白激酶催化亚基

(DNA-dependent protein kinase catalytic subunit,DNA-PKcs)等[3]磷酸化后，激活的

Chk2激酶扮演着信号转导器的作用，磷酸化多種底物如Cdc25、p53、PML、E2F1

和BRCA1等，进一步诱导DNA损伤后的细胞学事件如细胞周期阻滞、DNA修

复和细胞凋亡等的发生。然而，Chk2缺陷的胚胎细胞对电离辐射导致的细胞周

期阻滞、DNA修复和凋亡等失调控[4,5]。Chk2除在DNA损伤反应中发挥重要

作用外，近年的研究又发现Chk2在维持正常有丝分裂进程和染色体稳定性方面

也发挥着关键作用[6]。在正常人体细胞中，Chk2的缺失或其激酶活性的钝化，

将导致有丝分裂进程延迟、相关的纺锤体组装异常和染色体的不稳定性发生，然

而细胞却仍然存活并增殖。越来越多的证据显示，Chk2 对DNA损伤反应和有

丝分裂进程的调控，最终决定了其肿瘤抑制基因的角色。

2 Chk2的结构特点

人类Chk2基因位于染色体22q12.1，大约含有50 kb，包含14个外显子(图

1A)[7]。Chk2蛋白主要含有三个功能结构域：丝氨酸-谷氨酰胺/苏氨酸-谷氨酰胺

氨基酸对富含区(SQ/TQ cluster domain,SCD)、FHA区(Forkhead-associated domain)

和丝氨酸/苏氨酸激酶活性区(Kinase domain)，三个结构域对于其激酶活性的发挥

都是必不可少(图1 B)[1,8,9]。SCD 结构域中的Thr68位点可被PIKK家族激酶

磷酸化，磷酸化的Thr68通过构象改变促进了激酶活性区活化环内的Thr383和

Thr387的磷酸化，从而启动Chk2激酶的自身磷酸化过程。在众多的磷酸化位点

中，Thr68位点的磷酸化对于Chk2的活性是必不可少的，Thr68位点的磷酸化水

平也能反映出Chk2的激酶活性[10-12]。经典的FHA结构域包含大约55~75个

氨基酸和三个高度保守区域[13]，FHA结构域包含400种以上蛋白质，包括蛋白

激酶、蛋白磷酸酶、转录因子和其他信号蛋白等[14]，其结合磷酸化底物并被视

为蛋白质相互作用的调节模块[15]，FHA结构域的遗传性突变和非p53依赖的李

弗劳明综合征(Li-Fraumeni syndromes)有关[16,17]，FHA结构域中的突变体I157T

破坏了Chk2的低聚反应[18]。激酶活性区包含一个环绕着Thr383和Thr387的

活化环，激酶活化需要活化环的空间构象发生改变[9]。另外，该区域中的两个

突变体D347A和D368N会导致Chk2激酶失活[18,19]。除了对Chk2活性极为

关键的Thr68位点外，对于其他一些磷酸化位点在调控Chk2活性中的作用也正

在被逐渐揭示，如Ser456位点磷酸化的作用是调节DNA损伤反应中Chk2稳定

性的[20]，而Ser516位点磷酸化的作用是调节辐射诱导的凋亡过程的[21]。

3 Chk2的生物学功能

在人类细胞中，蛋白激酶Chk2具有多种生物学功能，这些功能的发挥对于

DNA损伤反应、有丝分裂进程和染色体稳定性的维持都至关重要，并最终决定

细胞的命运。

3.1 Chk2与DNA损伤反应为了维持真核细胞基因组的稳定性，细胞进化了

一套应对基因组损伤时会被激活的信号通路。这些被称为检查点的通路负责使细

胞周期发生阻滞以便为DNA修复提供时间，如果损伤不能被修复就会触发凋亡

[22]。然而，基因组损伤修复的失败必然会导致基因组异常的积累，而这又与肿

瘤形成密切相关。检查点激酶Chk2以及与之结构不同但功能相似的Chk1激酶

在DNA损伤检查点通路中扮演着关键角色[23]。

Chk2 和Chk1激酶主要被PIKK家族激酶ATM、DNA-PKcs和ATR磷酸化

从而被激活，这些激酶通过DNA损伤感应复合物MRN (Mre1-Rad50-Nbs1)和

ATRIP (ATR- interacting protein)等使DNA断裂链得以修复。取决于DNA损伤类

型的不同，DNA单链发生断裂后，主要是ATR磷酸化并激活Chk1发挥作用；

DNA双链发生断裂后，主要是ATM和DNA-PKcs磷酸化并激活Chk2发挥作用。

Chk2 Thr68位点的磷酸化作用，激活了激酶活性区活化环上Thr383和Thr387的

自磷酸化，Thr68位点的磷酸化对Chk2 激酶活性的发挥至关重要[1,24]。

3.2 Chk2与细胞周期阻滞Chk2一旦被激活，就可以磷酸化几个关键的作用

底物包括Cdc25C（Ser216位点），Cdc25A（Ser123,Ser178,Ser292位点），p53（Ser20

位点），BRCA1（Ser988位点），PML（Ser117位点）和E2F1（Ser364位点），

这些底物在DNA损伤反应中对调控细胞周期阻滞、DNA修复和细胞凋亡是必不

可少的[1,24,25]。Chk2使Cdc25C Ser216位点发生磷酸化，这促进了它与14-3-3

蛋白的结合，并使其从细胞核转移至细胞质。由于Cdc25C对细胞G2/M交界期

CDK1的激活是必需的，所以Cdc25C的离开将导致细胞周期阻滞在G2期，从

而阻止细胞在DNA损伤未修复的情况下进入有丝分裂期[25]。类似的，Chk2通

过磷酸化CDK2相关的Cdc25A使细胞周期阻滞在G1期，在此过程中Chk2使

Cdc25A的Ser123、Ser178和Ser292位点发生磷酸化，这促进了它与SCFβ-TrCP

遍在蛋白连接酶复合体的结合，并导致蛋白酶的降解以防止G1/S交界期CDK2

的激活[26]。

抑癌基因p53是DNA损伤反应中Chk2的一个关键靶标，事实上，基因敲

出小鼠实验已经证明了DNA损伤后Chk2可使p53的Ser20位点发生磷酸化，

同时这种磷酸化作用可阻止p53与MDM2的相互作用，从而保证了p53的稳定

和累积[27,28]。因此，Chk2是p53的直接调节器并介导p53依赖的细胞周期阻

滞和凋亡。然而，也有一些使用基因敲除小鼠或Chk2缺陷的人类细胞系研究揭

示Chk2对DNA损伤后的p53稳定性的影响不是必需的[29-31]。

3.3 Chk2与DNA修复在人类细胞中，Chk2 在DNA修复中通过磷酸化和调

节BRCA1而发挥作用。DNA损伤发生后，Chk2使BRCA1的Ser988位点发生

磷酸化，从而使其从核的foci断裂处分离下。这种游离且被激活的BRCA1然后

调节无差错的同源重组(homologous recombination, HR)修复途径，而不是非同源

末端连接(non-homologous end joining, NHEJ) 修复途径[32,33]。此途径通过

BRCA1 和BRCA2复合物以及DNA修复的一个关键因子Rad51复合酶促进

DNA修复[34,35]。可以推测，通过Chk2调控BRCA1从而加速了修复从NHEJ

途径向HR途径的转变[32]。然而，这个通路仅在G2期和M期DNA复制和姐

妹染色单体合成时发挥作用。有趣的是，BRCA1也和DNA错配修复蛋白例如

Msh2-Msh6-complex有关联[36]，Chk2也与Msh2有关联[37]，但Chk2和BRCA1

是否也参与到DNA错配修复中仍不明确。

3.4 Chk2与凋亡当DNA损伤不能被修复时，损伤的细胞会开始凋亡，这也

是受Chk2激酶调控的。事实上，Chk2对于p53依赖的凋亡的诱发是必需的，而

且，Chk2可能也是通过使转录因子E2F1的Ser364位点发生磷酸化，来促进p53

依赖的凋亡的[38]。同时，Chk2也能使抑癌基因PML的Ser117位点发生磷酸化，

从而促進p53非依赖途径的凋亡[39]。

3.5 Chk2与染色体稳定性Chk2参与DNA损伤的角色得到确定后，其参与

有丝分裂期染色体稳定性的角色也得到了验证。基于染色体的不稳定性即染色体

的持续获得或缺失作为人类肿瘤的一个主要特点，直接关系到肿瘤的发生和发展

[6]，所以Chk2在此过程中扮演的角色显得十分重要。在人体细胞中，Chk2的

缺失或其激酶活性的抑制足以诱导染色体的不稳定性(chromosomal instability,

CIN)，且该功能是不依赖于p53的[6]。因此，把Chk2放入人类肿瘤中与CIN

相关的少数几个基因集团中。因此，Chk2作为一个重要的抑癌基因，参与到有

丝分裂纺锤体的及时装配中，关系着染色体准确连接到有丝分裂纺锤体上以及随

后姐妹染色单体正确的分配到两个子细胞中，维持着染色体的稳定性。

有意思的是，抑癌基因BRCA1作为Chk2的直接作用底物，其Ser988位

点的磷酸化不仅发生在DNA损伤后，也发生在有丝分裂期。然而，BRCA1有

丝分裂期的磷酸化作用又调控着Chk2在有丝分裂期的作用。实际上，BRCA1

的缺失或Chk2介导的磷酸化作用的异常都会导致有丝分裂纺锤体装配的错误并

在人体细胞中诱发CIN[6]。推测BRCA1可能定位在有丝分裂中心体上，通过调

控γ-tubulin遍在蛋白化作用来调节中心体的完整性和纺锤体的装配[40,41]。

3.6 Chk2与癌症众多研究表明，Chk2作为多种肿瘤的易感基因，而且Chk2

的缺失集中在染色体的22q13位置，这在乳腺癌、结肠癌、卵巢癌和脑癌中已经

被报道。而且研究发现在大多数人类肺癌中Chk2是缺失的[1,6,42]。

鉴于Chk2在有丝分裂纺锤体形成中的新功能，推测作用于微管的抑制有丝

分裂的药物可能在肿瘤细胞中与Chk2的缺失发挥着协同作用，这些用于肿瘤治

疗的常用药物包括taxanes、epothilones 和Vinca alkaloids等[43]。这些药物是否

对Chk2缺失肿瘤细胞抑制有丝分裂纺锤体的形成具有增强作用值得进一步研

究。

4结语和展望

近年来，关于Chk2的研究取得了一定的进展，未来Chk2的研究可能主要

集中在鉴定新的作用底物、相互作用蛋白以及对发挥其功能起重要作用的磷酸化

作用位点等方面，随着描绘Chk2功能的蓝图逐渐变得清晰，关于Chk2如何集

中发挥它的多种功能，从而精确的诱导检查点激活作用并导向某种生物学后果将

变得十分有意义。进一步弄清Chk2 和p53的关系也是十分重要的。Chk2在DNA

损伤反应和有丝分裂调控中的作用，决定着细胞最终的命运。因此，对Chk2活

性调控的深入研究将给未来肿瘤的治疗提供更多新的思路和手段。

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編辑/申磊