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美国纽约威尔康奈尔医学院的Tobias Meyer和Yumi Konagaya团队近日在Nature上发表了一项重要研究成果，详细解析了细胞增殖的正反馈机制。研究表明，组织修复、免疫防御和癌症进展等生物过程在很大程度上取决于细胞在静息状态与增殖之间的关键决策。哺乳动物细胞通常通过一个正反馈机制来开启增殖。在这个过程中，转录因子E2F激活CDK2，导致其抑制蛋白Rb（retinoblastoma）的磷酸化和失活，从而进一步提升E2F活性及增殖基因的表达。
研究人员建立了一系列E2F靶基因启动子报告系统，并在不同细胞系中验证了其有效性。他们发现，有丝分裂原（mitogen）可以促进E2F的活性，而外源性cyclin D1则加速了这一过程。选择性抑制剂PD-0332991和PF-07104091能够分别抑制cyclin D1和CDK2的作用，从而减缓E2F活性的增加。此外，同时抑制CDK2与CDK4/6完全阻断了mitogen诱导的E2F活性升高。通过Fucci（CA）报告系统的监测，研究人员确证了此前的观点，即cyclin D-CDK4/6的激活会缩短G1期的时间。
进一步的研究显示，报告系统检测的G1期cyclin E-CDK2活性在CDK4/6被抑制的情况下优先升高，而E2F的活性增加相对较慢，并在细胞进入S期时达到顶峰。在此之前，E2F和CDK2的活性存在较多波动。研究人员发现，由外源性cyclin E1引发的CDK2和E2F活性可以促使细胞最终进入S期。
为了明确细胞增殖正反馈机制的触发时间，研究人员对大量G1期跨度不同的细胞进行了CDK2和E2F活性的动态检测。结果表明，在G1期的大部分时间内，E2F的活性处于中间状态，直到G1晚期CDK2和E2F活性才会突然增加，触发正反馈过程。这种中间态是可逆的，低浓度的EGF会使E2F活性降低，使细胞重新进入静息状态。
这项研究发现的E2F活性中间态颠覆了之前对E2F调控的理解。生化研究表明，Rb蛋白上的15个丝氨酸/苏氨酸位点的磷酸化修饰调控了E2F的活化。G1期早期，CDK4/6能够随机单磷酸化这些位点而不激活E2F。这为Rb磷酸化调控E2F提出了新的思路。研究显示，Rb通过两种相互作用抑制E2F的活性。首先是Rb的pocket结构域与E2F的转录激活结构域结合；其次是Rb的羧基端结构域与E2F的marked box结构域以及E2F二聚体结合蛋白的marked box结构域结合。实验表明，不同位点的磷酸化顺序调控了E2F与Rb的相互作用。
研究成果表明，低活性的CDK2就足以磷酸化T373，并与CDK2活性呈正相关。T373磷酸化先于S608和C端位点的磷酸化，并且这些位点的磷酸化是时间递进的。这些研究揭示了细胞G1期中，E2F活性保持在中间态是通过T373磷酸化修饰调控的，最终在G1晚期CDK2完全磷酸化Rb，从而触发正反馈，促进细胞增殖。
这一发现解析了细胞增殖正反馈机制触发的分子机制，为治疗癌症等相关疾病提供了新的理论基础。
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