PLK1的翻译后修饰：细胞周期调控与肿瘤进展中的动态调控网络

《Frontiers in Cell and Developmental Biology》：Post-translational modifications of PLK1: a dynamic regulatory network in cell cycle regulation and tumor progression

　　

专业摘要翻译 PLK1是一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，在细胞有丝分裂和细胞周期进程中发挥核心作用。PLK1受到多种翻译后修饰（post-translational modifications，PTMs）的动态调控，这些修饰协同调节其激酶活性、蛋白稳定性、亚细胞定位及蛋白–蛋白相互作用，从而确保其在细胞周期进程和肿瘤进展中的精确功能。尽管在理解PLK1的翻译后调控方面已取得重大进展，但不同PTM之间如何相互作用并协同调控PLK1仍未完全阐明。在本综述中，研究人员系统总结了PLK1的主要PTM类型及其调控PLK1功能的分子机制，特别强调其在细胞周期调控和肿瘤进展中的作用。除讨论单一PTM外，研究人员还整合了不同修饰之间串扰（crosstalk）的新兴证据，重点阐述其协同、拮抗及顺序调控关系，为PLK1的动态翻译后调控提供了整合视角。最后，研究人员讨论了PLK1 PTM串扰的生物学意义、该领域尚未解决的关键问题，及其对未来癌症研究和PLK1靶向策略的潜在意义。

论文主体内容总结

1 引言

细胞周期的有序进行对于维持基因组稳定性和确保精确的细胞分裂至关重要。PLK1作为一种高度保守的丝氨酸/苏氨酸激酶，是有丝分裂的主要调控因子，在G2/M期达到表达峰值。通过磷酸化众多底物，PLK1协调多个有丝分裂事件，包括有丝分裂进入、中心体成熟、纺锤体组装、染色体分离和胞质分裂。因此，PLK1精确的时空调控对于细胞周期的忠实进行和基因组完整性不可或缺。

PLK1的异常表达已在多种人类恶性肿瘤中被报道，包括前列腺癌、卵巢癌、小细胞肺癌和胰腺癌，且常与侵袭性临床病理特征和不良患者预后相关。翻译后修饰代表多种通用调控机制，可动态调节蛋白活性、稳定性、亚细胞定位和蛋白–蛋白相互作用。PLK1经历多种PTM，包括磷酸化、泛素化、SUMO化、甲基化和O-GlcNAc糖基化。尽管在表征PLK1的单一PTM方面已取得相当进展，但当前知识仍较为分散，这些修饰如何协同调控PLK1的机制尚处于初步认识阶段。

2 概述

2.1 PLK1的发现与结构特征

Polo基因首先在黑腹果蝇中被鉴定，随后在酿酒酵母和非洲爪蟾中发现同源蛋白，凸显了Polo激酶家族在真核生物中的进化保守性。在人类中，Polo样激酶家族包含五个成员（PLK1–PLK5），其中PLK1是特征最明确的成员，作为细胞周期进程的核心调控因子。PLK1由N端丝氨酸/苏氨酸激酶结构域（KD）和C端Polo-box结构域（PBD）组成。PBD由两个保守的Polo-box基序（PB1和PB2）构成，折叠为功能性磷酸肽结合模块，负责底物识别和亚细胞靶向。

2.2 PLK1的生物学功能

PLK1在G2/M期达到表达峰值，通过磷酸化广泛底物协调有丝分裂进程。在有丝分裂进入阶段，PLK1通过磷酸化细胞周期蛋白B和CDC25C促进CDK1激活。随后磷酸化微管相关蛋白以促进中心体成熟和纺锤体微管组装。在中期和后期，PLK1靶向着丝粒和动粒相关蛋白，确保双极纺锤体形成、精确的染色体排列和忠实的姐妹染色单体分离。

2.3 PLK1的翻译后修饰

PTM是蛋白质合成后发生的可逆或不可逆共价修饰。PLK1已被报道经历多种PTM，包括磷酸化、泛素化、SUMO化、甲基化和O-GlcNAc糖基化。这些PTM共同调控PLK1的活性、稳定性、亚细胞定位、底物识别和蛋白周转。这些PTM并非独立作用，而是协同、拮抗或以顺序方式发生，共同形成动态调控网络。

3 PLK1的磷酸化与去磷酸化

磷酸化是调控PLK1功能的最充分表征的翻译后修饰。

3.1 PLK1的磷酸化依赖性激活

3.1.1 磷酸化依赖性PLK1激活的早期研究

早期研究主要源自非洲爪蟾同源物Plx1。xPlkk1被证明可直接激活Plx1，促进卵母细胞G2/M转换。后续研究鉴定出Plx1的多个磷酸化位点，其中T201磷酸化是Plx1激活的关键事件。S326在Plx1中对应哺乳动物PLK1中的S335，表明磷酸化依赖性调控在Polo样激酶家族进化中高度保守。

3.1.2 调控PLK1磷酸化的机制

T210和S137是PLK1的两个主要调控磷酸化位点，其中T210磷酸化被广泛认为是PLK1激活的关键分子事件。Aurora A–Bora复合物是调控该激活过程的核心模块。在G2期，CDK1通过促进Aurora A与Bora的关联增强其激酶活性，使Aurora A磷酸化PLK1的T210从而触发PLK1激活。在G2晚期，T210磷酸化进一步抑制Bora诱导的PLK1二聚化，促进二聚体解离为催化活性的单体形式。

除经典的Aurora A–Bora轴外，多种激酶和调控因子进一步促进PLK1激活。VRK2直接磷酸化T210，破坏PLK1与CHFR的相互作用，拮抗CHFR介导的K209泛素化及随后的蛋白降解。SHCBP1通过结合PLK1的PBD增强Aurora A依赖性T210磷酸化。RACK1促进Aurora A向中心体的募集。随着细胞进入有丝分裂，Bora逐渐降解，CHK2作为关键激酶直接磷酸化T210以维持PLK1激活。DAB2IP通过其CPR结构域与PLK1相互作用促进T210磷酸化。PIM2–CHK1–PLK1信号级联代表不依赖Aurora A–Bora的替代激活途径。此外，CHK1在DNA损伤应答中磷酸化PLK1的S137，WAC在CDK1依赖性磷酸化后结合PLK1的PBD促进其激活。

3.2 T210和S137介导的细胞周期调控

T210磷酸化主要参与G2/M转换、中心体成熟、纺锤体组装和纺锤体组装检查点（SAC）调控。T210D磷酸化模拟突变体促进有丝分裂进入，但诱导SAC依赖性有丝分裂延迟；T210A磷酸化缺陷突变体导致单极纺锤体形成和有丝分裂阻滞。持续的T210依赖性PLK1活性对于精确的染色体排列、忠实的染色体分离和成功的胞质分裂是必需的。相比之下，S137磷酸化主要与中心体功能和有丝分裂进程调控相关。S137D模拟突变体导致不适时的APC/C激活和频繁的有丝分裂灾难。在DNA损伤应答中，CHK1介导的S137磷酸化抑制PLK1与PAR的结合，同时维持T210磷酸化和PLK1对RAD51的激酶活性，促进同源重组修复。

3.3 PLK1活性和功能的非经典磷酸化调控

3.3.1 酪氨酸磷酸化介导的PLK1调控

目前已鉴定出四个酪氨酸磷酸化位点，包括Y166、Y217、Y425和Y445。PKMYT1磷酸化Y217，抑制T210磷酸化并降低PLK1激酶活性。c-Abl磷酸化Y425、Y217和Y445，其中Y425是主要位点。Y425磷酸化诱导PLK1构象变化，增强Aurora A–PLK1相互作用，促进Aurora A介导的T210磷酸化，同时抑制PLK1泛素化和蛋白酶体降解。c-Src介导的Y166和Y445磷酸化抑制PLK1活性，与SAC功能受损、染色体错位增加和有丝分裂异常相关。

3.3.2 其他调控性磷酸化位点

PLK1 S99磷酸化独立于T210磷酸化，主要依赖于PI3K-AKT信号，促进14-3-3γ募集至PLK1，增强PLK1催化活性。MK2直接磷酸化PLK1的S326，该位点磷酸化破坏导致有丝分裂阻滞。ERK磷酸化PLK1的T198、S404、S341和S638，其中S404磷酸化调控胚胎发育中的核动力学。T214磷酸化的上游激酶尚未鉴定，但该位点磷酸化对于PLK1的有丝分裂功能是必需的。

3.4 PLK1磷酸化在有丝分裂之外的功能

在减数分裂中，PLK1抑制导致S137磷酸化受损，破坏减数分裂纺锤体组装和染色体排列。T210磷酸化通过调控细胞骨架动力学参与平滑肌细胞增殖和收缩功能。异常的PLK1磷酸化与肿瘤进展密切相关，T210持续磷酸化是主要的致癌事件。T210D诱导上皮–间质转化（EMT），促进肿瘤细胞迁移、侵袭和肿瘤发生。AFAP1-AS1促进T210磷酸化驱动三阴性乳腺癌（TNBC）有丝分裂进程，RGCC通过同时与KD和PBD相互作用稳定PLK1活性构象，增强T210磷酸化并促进TNBC肺转移。

3.5 调控PLK1去磷酸化的机制

MYPT1–PP1cβ复合物是调控PLK1去磷酸化的最充分表征机制之一。CDK1依赖性MYPT1磷酸化促进其与PLK1的PBD相互作用，募集PP1cβ去磷酸化T210并抑制PLK1激酶活性。CHK1、CHK2、LATS1和NUAK1通过调控MYPT1磷酸化调节PLK1活性。MYPT1的O-GlcNAc糖基化削弱其与PLK1的相互作用，导致T210磷酸化增强。PP2A及其调控亚基B55α和B55δ在DNA损伤后介导PLK1去磷酸化和失活。PP2A–B55介导的PLK1去磷酸化在严重DNA损伤恢复期间诱导有丝分裂滑脱。在动粒上，PP1和PP2A–B56促进PLK1从BUB复合物中移除，促进SAC沉默。PPP4C通过去磷酸化S137抑制PLK1活性，对RAD51依赖性同源重组至关重要。PTEN通过防止Aurora A和PLK1的过度磷酸化间接抑制PLK1激活。EYA1和EYA4直接去磷酸化PLK1的Y445，该修饰对于中心体成熟和PLK1激活至关重要。

4 PLK1的甲基化

PLK1中已鉴定出多个赖氨酸甲基化位点，包括K191、K209、K284、K388、K413、K420、K474、K492、K540和K574。SETD6在K209和K413处甲基化PLK1，抑制激酶活性并减慢有丝分裂进程。SETD7催化K191的二甲基化，限制ATP利用并维持PLK1在动粒上的最佳活性。G9a介导的K209单甲基化在S期达到峰值，DNA损伤后进一步增强。K209甲基化抑制PLK1活性以协调DNA复制和DNA修复。值得注意的是，G9a介导的K209甲基化和Aurora A介导的T210磷酸化相互拮抗，形成甲基化–磷酸化开关。

5 PLK1的O-GlcNAc糖基化

PLK1是OGT的底物，T291是主要的O-GlcNAc糖基化位点，T288是次要位点。与O-GlcNAc糖基化保护蛋白免受泛素依赖性降解的经典作用不同，PLK1的O-GlcNAc糖基化促进其泛素化，从而促进PLK1周转并确保正常的有丝分裂进程。T291糖基化破坏导致有丝分裂延迟和染色体分离缺陷。T291A和T291N突变体在小鼠异种移植模型中促进子宫肿瘤生长。

6 PLK1的泛素化和去泛素化

6.1 PLK1的泛素化

K492和K209已被鉴定为PLK1的主要泛素化位点。CUL3–KLHL22介导的K492单泛素化破坏PLK1与动粒磷酸受体的相互作用，促进PLK1从动粒解离而不影响其整体丰度。多种E3泛素连接酶促进PLK1的泛素化和降解：SCF^βTrCP在G1/S转换期间靶向PLK1进行蛋白酶体降解；APC/C^Cdh1在G2期DNA损伤应答中介导PLK1降解；UBAP2L通过促进PLK1泛素化和降解促进其从多种有丝分裂结构中动态移除；CUL4–CRBN在免疫调节药物存在下诱导PLK1降解。CHFR催化PLK1在K209处泛素化，导致PLK1降解和延迟有丝分裂进入，该途径被VRK2介导的T210磷酸化拮抗。TRIM47介导的K63连接泛素化稳定PLK1并增强其激酶活性，激活NF-κB和MAPK信号促进肝细胞癌细胞增殖。BAG6通过抑制PLK1多聚泛素化维持其在肝细胞癌中的稳定性。CHIP介导的PLK1泛素化参与细胞应激下的DNA损伤应答。

6.2 PLK1的去泛素化

多种去泛素化酶已被鉴定为PLK1的调控因子。USP1稳定PLK1以增强LDHA表达，促进T细胞急性淋巴细胞白血病（T-ALL）的糖酵解和增殖。USP3、USP7、USP10、USP18、USP24和USP39通过稳定PLK1促进胶质瘤、前列腺癌、胰腺导管腺癌、食管癌、头颈鳞状细胞癌和胃癌中的肿瘤进展。OTUD3通过去除K48连接泛素链稳定PLK1，在脑缺血–再灌注损伤中发挥神经保护作用。USP16去除PLK1的泛素并增强其与BUBR1等动粒相关蛋白的相互作用，促进PLK1在动粒上的保留。USP16的O-GlcNAc糖基化增强其对PLK1的去泛素化活性。

7 PLK1的SUMO化

在小鼠卵母细胞减数分裂中，PLK1被SUMO-1和SUMO-2/3修饰，呈现不同的定位模式。SUMO-1修饰的PLK1主要定位于纺锤体和纺锤体极，而SUMO-2/3修饰的PLK1富集于动粒。在蚕中，Smt3/Ubc9复合物介导PLK1在K466处的SUMO化，对应果蝇DmPolo的K473和人类PLK1的K492。Ubc9介导的K492 SUMO化促进PLK1核输入，并通过削弱PLK1与APC/C^Cdh1的相互作用防止泛素依赖性降解。在小鼠卵母细胞中，K178和K191是主要的SUMO化位点，异常的过度SUMO化破坏纺锤体组织并减少第一极体排出。在MII期，T210和S137磷酸化的PLK1分别与SUMO-1和SUMO-2/3共定位。在衰老小鼠卵母细胞中，PLK1表达增加而SUMO-1和SUMO-2/3水平显著降低。

8 PTM串扰协调PLK1功能

磷酸化与泛素化之间的串扰是最充分表征的机制。CHFR介导K209泛素化导致PLK1降解，而VRK2介导的T210磷酸化破坏PLK1与CHFR的相互作用，拮抗K209泛素化并稳定PLK1。c-Abl介导的Y425磷酸化促进Aurora A依赖性T210磷酸化，同时抑制泛素依赖性降解。甲基化和磷酸化形成相互调控回路：G9a介导的K209甲基化拮抗Aurora A依赖性T210磷酸化，而T210磷酸化反过来阻止K209甲基化，形成动态分子开关。O-GlcNAc糖基化促进PLK1泛素化从而促进蛋白周转，而K492的SUMO化拮抗APC/C^Cdh1介导的泛素化以稳定PLK1。在减数分裂II中，T210和S137磷酸化的PLK1分别与SUMO-1和SUMO-2/3共定位，提示SUMO化与磷酸化之间存在功能协同。

9 结论与展望

本综述系统总结了PLK1翻译后修饰的当前认识及其在细胞周期调控和肿瘤发展中的作用。磷酸化、泛素化、SUMO化、甲基化和O-GlcNAc糖基化共同调控PLK1的激酶活性、蛋白稳定性、亚细胞定位和蛋白相互作用。PTM作为整合调控网络而非独立修饰发挥作用。尽管已取得实质性进展，但关于上游调控酶、PTM的时空协调以及失调的PTM网络如何促进肿瘤进展和治疗耐药性等重要问题仍有待解答。定量蛋白质组学、结构生物学、单细胞和空间多组学以及人工智能辅助蛋白建模的进展有望加速PLK1 PTM网络的系统表征。