《Cancer Science》：Targeting Cell Cycle Vulnerabilities in Cancers: Emerging Strategies for Therapeutic Development
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细胞分裂是确保遗传物质传递给子细胞的基本细胞过程。该过程依赖于DNA复制和染色体分离的保真度，主要由细胞周期程序中细胞周期蛋白依赖性激酶（Cdks）的序贯活性调控。有丝分裂原信号导致Cdks激活并促进细胞周期进程，而检查点作为监控系统，在异常情况下阻止细胞周期
细胞分裂是确保遗传物质传递给子细胞的基本细胞过程。该过程依赖于DNA复制和染色体分离的保真度，主要由细胞周期程序中细胞周期蛋白依赖性激酶（Cdks）的序贯活性调控。有丝分裂原信号导致Cdks激活并促进细胞周期进程，而检查点作为监控系统，在异常情况下阻止细胞周期进程。在癌症中，这些调控网络常因有丝分裂原/致癌信号持续激活和/或检查点缺失而失调，导致细胞周期失控进而引起基因组不稳定性。然而，癌细胞常通过代偿机制维持强大的细胞周期控制。但反直觉的是，这种明显的稳健性增强了对干扰的敏感性，并产生了独特的可靶向脆弱性。因此，干预细胞周期控制中的这些脆弱性是有效且选择性癌症治疗的基础。在本综述中，研究人员总结了通过靶向细胞周期失调产生的癌症特异性脆弱性来干扰癌细胞增殖的新见解。研究人员重点介绍了靶向Cdks、检查点激酶和有丝分裂激酶的进展，以及CRISPR遗传筛选揭示的合成致死基因的最新发现。理解这些脆弱性为开发利用细胞周期控制中特定依赖性的癌症疗法提供了框架。
**1 引言**
细胞周期由Cdks的序贯激活控制，这些激酶充当驱动细胞分裂的分子引擎。该引擎与细胞外增殖信号（有丝分裂原）相连，激活Ras和下游丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）通路，诱导cyclin D表达并激活Cdk4/6-cyclin D复合物，促进E2F转录因子依赖的G1/S转换。该信号的组成性激活通过RB磷酸化维持E2F活性，促进不受控制的S期进入。同时，Cdk1、Cdk2和Cdk7分别调控有丝分裂、DNA复制和转录。Cdks的失调常见于癌症，因此癌细胞高度依赖检查点通路来耐受复制应激。升高的复制应激常导致DNA损伤，包括单链断裂，这些由DNA损伤应答（DDR）通路（如聚ADP核糖聚合酶（PARP）介导的修复）修复。为防止在未修复DNA损伤时过早进入有丝分裂，癌细胞必须紧密协调S期进程与G2/M检查点控制，这使其对复制应激应答和检查点激酶（包括ATR、Chk1和Wee1）产生高度依赖性，从而成为治疗脆弱点。在有丝分裂中，动粒-微管附着是忠实染色体分离的基础，由有丝分裂激酶Aurora B和Polo样激酶1（Plk1）调控。尽管这些激酶在癌症中常过表达而被视为有前景的靶点，但细胞在干扰下仍可增殖，这种表观稳健性反映了对代偿机制的依赖增加，从而可能产生隐藏脆弱性。CRISPR筛选等功能基因组学方法可有效发现这些癌症特异性依赖性。本综述总结了细胞周期失调产生的癌症脆弱性，并探讨如何利用这些脆弱性开发新治疗策略。
**2 Cdk4/6依赖性细胞周期进程的分子基础**
细胞周期的保真度由多重检查点通路维持，确保准确的DNA复制和有丝分裂。这些检查点包括G1/S检查点、S期内检查点、G2/M检查点和纺锤体组装检查点（SAC）。在癌症中，这些调控网络常因肿瘤抑制因子失活和/或癌基因激活而破坏。特别是Cdk抑制蛋白如p16和p21的表达常下调，导致细胞失去必要的细胞周期控制能力，这不仅促进基因组不稳定，也产生独特的依赖性。S期进入主要由Cdk4/6-cyclin D-RB-E2F轴介导。当细胞通过表皮生长因子受体（EGFR）接收有丝分裂原信号时，信号通过MAPK级联（Ras-Raf-MEK-ERK）传递至细胞核，激活cyclin D表达及Cdk4/6-cyclin D复合物。该复合物磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白（RB），释放E2F，进而表达S期调控因子（cyclin E和cyclin A），激活Cdk2-cyclin E/A复合物。Cdk2也磷酸化RB，形成正反馈环路维持E2F活性并促进S期进入。尽管传统观点认为R点后细胞周期自动进行，但研究表明即使在R点后缺乏有丝分裂原仍可阻止细胞周期，这需考虑额外途径：p107和p130与E2F4/5形成抑制性复合物，即使RB磷酸化后，S期关键基因转录仍受抑制。Cdk4/6活性促进该抑制复合物解除，从而激活Cdk2-cyclin A，该途径需持续有丝分裂原信号，形成有丝分裂原依赖的前馈环路。这些机制揭示了癌细胞高度依赖Cdk4/6的治疗潜力。
**3 靶向Cdk4/6诱导癌细胞周期阻滞和衰老**
Cdk4/6在细胞周期中的关键作用使其成为癌症治疗的有前景靶点。抑制Cdk4/6可有效阻滞细胞周期，许多癌细胞对Cdk4/6抑制高度敏感。Cdk4/6抑制剂（如palbociclib、ribociclib和abemaciclib）已应用于临床，尤其在晚期HR+/HER2乳腺癌中显示疗效。这些癌症中，雌激素驱动的有丝分裂原信号常导致Cdk4/6过度激活。Cdk4/6抑制预期阻断G1/S进程，但后续研究指出其抗肿瘤作用不仅源于细胞周期阻滞。有丝分裂原不仅促进细胞周期，还激活mTOR通路驱动细胞生长。即使Cdk4/6抑制后，癌细胞仍继续生长并增大细胞尺寸，过度的细胞增大破坏多种生理过程并积累DNA损伤，最终触发不可逆的细胞周期退出即细胞衰老。因此，Cdk4/6抑制剂既通过G1阻滞也可通过诱导衰老抑制肿瘤生长。这些发现展示了如何利用Cdk4/6-cyclin D-E2F的癌症特异性依赖性，以及靶向G1/S转换如何选择性抑制肿瘤增殖。然而，获得性耐药仍是主要挑战，尤其涉及RB缺失、cyclin E扩增或Cdk2代偿性激活。联合靶向细胞周期和生长信号（包括PI3K/AKT/mTOR、免疫检查点或DDR）的策略已被探索以增强疗效。
**4 靶向Cdk7利用衰老应答**
如上所述，持续生长信号引起的衰老可与细胞周期靶向策略联合利用。Cdk7作为Cdk激活激酶的一部分磷酸化并激活多种Cdks（包括Cdk1、Cdk2和Cdk4/6），同时Cdk7磷酸化RNA聚合酶II的羧基末端结构域（Ser5/Ser7），促进转录起始。近期研究表明，持续的致癌生长信号激活癌细胞中的衰老程序，但细胞可通过Cdk7依赖的转录程序逃避衰老。因此，Cdk7抑制不仅阻止细胞周期进程，还破坏转录程序并促进衰老。CRISPR筛选将mTOR信号确定为Cdk7敏感性的关键决定因素。临床前研究中，Cdk7抑制剂如THZ1在三阴性乳腺癌和小细胞肺癌模型中显示强效抗癌效果。另一种Cdk7抑制剂samuraciclib已进入I期临床试验。这些发现表明Cdk7整合致癌生长信号与细胞周期进程及转录程序，形成治疗脆弱性。
**5 靶向DDR依赖性与合成致死**
癌细胞因癌基因诱导的复制应激和缺陷性检查点而频繁暴露于高水平DNA损伤。为应对此状况，它们高度依赖DDR通路，因此对这些应答的干预敏感。成功靶点之一是PARP1，它通过碱基切除修复（BER）通路在单链断裂修复中起关键作用。PARP抑制导致未修复的单链断裂积累和PARP-DNA复合物捕获。在DNA复制中，这些损伤可诱导复制叉崩溃并产生双链断裂，从而增加对BRCA1/2介导的同源重组（HR）修复的依赖性。在BRCA1/2突变或HR缺陷癌细胞中，PARP抑制通过破坏代偿性DNA修复机制产生合成致死。除经典合成致死框架外，近期研究揭示了DDR靶向药物加剧复制应激的替代策略。例如，SMARCA4（SWI/SNF染色质重塑复合物的ATP酶亚单位）缺失常见于肺腺癌和卵巢小细胞癌。PARP抑制可增加异染色质形成和染色质压缩，阻碍复制叉进程并增强DNA复制应激，使SMARCA4缺陷细胞高度依赖ATR信号。因此，PARP抑制剂不仅损害DNA修复，还导致染色质相关复制应激，产生可治疗利用的DDR依赖性脆弱性。
**6 在过度复制应激下强制细胞周期进程**
DNA复制机制是细胞增殖的基本功能，靶向DNA复制机制已被尝试。替代策略是靶向癌细胞中积累的复制应激。这些细胞在带有复制应激诱导DNA损伤的细胞周期进程中易发生灾难性失败。复制应激产生的DNA损伤由ATM和ATR激酶及其下游效应器Chk1和Chk2感知。这些检查点激酶阻止细胞周期进程，为双链断裂修复和停滞复制叉恢复提供时间。细胞周期阻滞依赖于Chk1/Chk2介导的Cdc25磷酸酶抑制和Wee1激活，从而抑制Cdk1活性直至DNA损伤修复。在许多癌症中，这些通路因多种致癌改变而缺陷，导致持续复制应激。例如，ATM或p53功能缺失破坏G1/S检查点，而Myc等癌基因激活促进过早S期进入，因此癌细胞严重依赖ATR/Chk1/Wee1信号作为代偿通路。抑制ATR、Chk1或Wee1强制细胞在DNA损伤存在下过早进入有丝分裂，导致有丝分裂灾难。多种检查点激酶抑制剂已与加剧复制应激的药物（如吉西他滨）联合进入临床试验。
**7 CCNE1过表达癌症的缺点**
对检查点信号的依赖在固有复制应激升高的癌症中尤为显著，例如cyclin E（CCNE1）扩增的癌症。CCNE1在卵巢癌、子宫癌和食管癌中广泛检测到，其过表达增加Cdk2活性并加速S期进程，从而增加复制应激和不完全DNA复制。Cdk2特异性抑制剂正在开发，但细胞具有强大的后备系统：Cdk2抑制后，Cdk4/6介导的RB磷酸化激活E2F，诱导cyclin A表达并重新激活Cdk2-cyclin A。这种高适应性反映了细胞周期调控的稳健性，提示直接靶向核心细胞周期酶常具挑战性，治疗策略应聚焦于癌症的代偿性脆弱性。在cyclin E过表达癌细胞中综合搜索合成致死基因，鉴定出Myt1——一种磷酸化并抑制Cdk1的激酶。Myt1抑制导致Cdk1过早激活，在DNA复制完成前触发有丝分裂进入，对高Cdk2活性的癌细胞造成致命损伤。类似地，Weel抑制剂在CCNE扩增癌症中有效，正在进行临床试验。
**8 癌症中有丝分裂进程的紊乱**
近期研究揭示了p53在监测M期进程中的作用。当M期延长时，积累的p53与支架蛋白53BP1和去泛素酶USP28形成计时复合物，稳定p53并诱导Cdk抑制剂p16和p21转录，阻止细胞进入后续G1期。在有丝分裂中，染色体排列在赤道板并通过保守有序机制（动粒-微管附着、SAC沉默、后期促进复合物（APC/C）激活、securin降解、separase激活、cohesin切割）分离。Separase在中期保持失活，在后期开始时迅速激活。在许多癌细胞中，SAC沉默因各种原因延迟，导致separase过早激活，引发不完整的cohesin切割、染色体桥和基因组不稳定性。这些发现表明separase经历开关样激活，确保染色体分离与纺锤体极运动同步。有丝分裂监控缺陷（如p53缺失或开关机制失调）似乎会产生对延迟SAC沉默和separase激活不全的癌细胞的脆弱性。因此，除引擎和刹车外，开关机制也确保细胞增殖的正确调控，这三个机制可作为干预癌细胞有丝分裂的靶点。
**9 靶向有丝分裂中的动粒-微管附着**
动粒-微管附着主要由两种有丝分裂激酶Aurora B和Plk1调控。Aurora B通过磷酸化动粒底物（如Hec1）去稳定微管附着并纠正错误，而Plk1通过磷酸化BUBR1创建蛋白磷酸酶2A（PP2A）结合位点，对抗Aurora B介导的磷酸化，从而促进附着稳定。Aurora B和Plk1在多种癌症中过表达，突显其治疗靶点潜力。但Aurora激酶抑制剂（如ZM447439、AZD1152、Hesperadin）和Plk1抑制剂（如BI-2536、Volasertib、Onvansertib）因严重副作用而在临床使用受限，因为这两种有丝分裂激酶对正常细胞生理必需。因此，需选择性靶向癌细胞有丝分裂脆弱性的替代策略。近期CRISPR筛选在Plk1过表达癌症中确定了癌症特异性合成致死基因如IGF2BP2。由于细胞周期机制非常稳健，单一干预常无法获益，组合策略常导致正常细胞毒性。基于CRISPR的无偏功能方法已成为揭示关键依赖性的有效手段。例如，在CENP-C缺陷细胞中筛选鉴定出Kif18A为合成致死基因。Kif18A是一种驱动蛋白，稳定动粒-微管附着并抑制染色体振荡。该脆弱性源于CENP-E（关键驱动蛋白）水平降低，Kif18A代偿受损的CENP-E功能。这些观察强调了发现隐蔽癌症脆弱性的重要性，这些实验方法将扩展合成致死靶点库并促进下一代癌症疗法开发。
**10 结论**
由于细胞周期调控稳健且对正常细胞功能必需，它长期被视为难以治疗的靶点。然而，积累的证据表明细胞周期失调不仅驱动肿瘤发生，还产生癌症特异性脆弱性。正常细胞通过多种调控机制维持细胞周期保真度，而癌细胞在致癌应激下依赖有限代偿通路。识别这些依赖性为选择性靶向癌细胞提供基础。癌细胞在每个细胞周期阶段产生独特脆弱性：在G1/S转换期，癌细胞依赖持续生长信号推进细胞周期，靶向此依赖性可强制细胞周期阻滞和细胞衰老；在S期，癌细胞依赖复制应激应答生存，产生对检查点扰乱的脆弱性，该策略不阻断引擎而是强制过早有丝分裂和致命基因组不稳定；有丝分裂进程同样依赖确保染色体分离的监控系统，为合成致死靶向提供机会。基于CRISPR的方法已识别这些依赖性，并定位合成致死为利用癌细胞“脆弱稳健性”的有力策略。更深入理解癌细胞如何适应和依赖代偿机制，将推动开发更选择性和有效的针对其“阿喀琉斯之踵”的治疗方法。
