细胞周期核心调控因子CDK的时空协调机制揭示有丝分裂启动新范式

本研究通过构建新型CDK活性传感器NucCDK和CytCDK，结合单细胞成像与磷酸化蛋白质组学分析，首次在裂殖酵母中证实有丝分裂启动由核内CDK激活主导，并发现核质区室间存在差异化的双稳态响应。该研究颠覆了"中心体触发有丝分裂"的传统认知，提出"核内CDK激活-中心体信号中继-胞质响应"的三阶段调控模型，为理解真核细胞周期时空协调机制提供了全新框架。相关成果发表于《Nature》。

在真核细胞生命活动中，有丝分裂的精准启动如同交响乐指挥棒落下前的关键节拍。传统观点认为中心体是这场生命交响乐的指挥台，认为细胞周期核心调控因子CDK（cyclin-dependent kinase）首先在中心体被激活进而触发全局有丝分裂。然而这一理论始终面临三大谜题：为何DNA复制检查点能高效抑制CDK激活？不同细胞区室的CDK底物磷酸化为何存在时序差异？中心体定位的CDK究竟发挥何种功能？来自英国弗朗西斯·克里克研究所的Nitin Kapadia和诺贝尔奖得主Paul Nurse团队在《Nature》发表的研究，通过开发革命性的单细胞CDK活性监测工具，首次捕捉到有丝分裂启动的时空动态全景图，揭示了核内CDK双稳态开关的核心作用。

研究团队主要运用了四种关键技术：1）开发核定位（NucCDK）和胞质定位（CytCDK）的CDK活性荧光报告系统，通过磷酸化依赖的亚细胞区室转位实现单细胞CDK活性动态监测；2）采用同步化释放实验结合1-NmPP1（CDK特异性抑制剂）急性抑制策略解析CDK激活时序；3）构建Cdc13-Cdc2（WT/AF）融合蛋白的荧光标记株，通过微流控活细胞成像获取核质区室CDK活性-cyclin浓度的相位图；4）整合裂殖酵母全基因组磷酸化蛋白质组数据，对CDK底物进行时空分类分析。

核内CDK激活引领有丝分裂启动
通过重新分析磷酸化蛋白质组数据发现，核内CDK底物磷酸化早于胞质、中心体等区室约5-10分钟（图1a,b）。新开发的NucCDK传感器显示，核内CDK活性在G₂期缓慢累积后呈现爆发式增长，而温度敏感型cdc25-22突变体证实这种转变特异地标志有丝分裂启动（图1e,f）。双传感器同步监测揭示核内CDK激活始终领先胞质12分钟（图2c,d），这种时序差异在消除CDK-Y15反馈环的Cdc13-Cdc2AF突变体中进一步放大至13分钟（图2i），表明核内CDK活性阈值决定胞质激活时机。

cyclin-CDK核质转位驱动信号传播
活细胞成像捕捉到Cdc13-sfGFP在核内激活5分钟后开始核输出（图3c-e），此时核内cyclin-CDK浓度（约300 a.u.）显著高于胞质激活阈值（约150 a.u.）（图3f）。相位图分析显示，核内CDK活性对cyclin浓度波动具有强鲁棒性，即使输出50%的cyclin仍能维持有丝分裂状态；而胞质CDK活性则呈现"全或无"的脆弱响应（图4a,d）。当突变cyclin疏水斑（HPM）阻断其中心体定位时，核内激活虽正常发生，但cyclin-CDK滞留核内导致胞质激活失败（图5e-g），证实中心体作为"信号中继站"而非"起搏器"的功能。

核质区室的差异化双稳态设计
野生型细胞的相位图揭示核内存在显著的双稳态间隙，而胞质几乎呈线性响应（图4a,b）。消除Y15反馈的Cdc13-Cdc2AF突变体使核质区室均丧失双稳态特征（图4e,f），说明CDK对Wee1/Cdc25的反馈调节是核内强双稳态的核心。这种设计既确保核内CDK能耐受cyclin波动完成染色体凝集等关键事件，又使胞质能快速响应核内信号实现微管重组。

这项研究确立了有丝分裂调控的三大原则：1）核内CDK双稳态开关是决定有丝分裂时序的核心；2）中心体通过cyclin-CDK转位实现核质信号耦合；3）DNA作为核内CDK的"监测平台"整合基因组完整性信号。该发现不仅解释了DNA复制检查点的高效性，也为肿瘤细胞中常见的有丝分裂紊乱提供了新解。正如作者在讨论中指出，这种"核主导-中心体中继-胞质执行"的调控框架可能保守存在于高等真核生物，为靶向CDK的癌症治疗策略提供了重要启示。