文雪霞，文 润，张 莹

（沈阳农业大学 畜牧兽医学院/东北畜禽疫病研究教育部重点实验室，沈阳 110161）

真核生物细胞周期主要由细胞周期蛋白（cyclin）、细胞周期蛋白依赖性激酶（cyclin dependentkinase，CDK）和细胞周期蛋白依赖性激酶抑制蛋白（cyclin dependentkinase inhibitor，CDKI）调控[1]。CDKI通过抑制CDK的活性负调控细胞周期进程。根据结构和功能的差异，CDKI可分为INN4和CIP/Kip两个家族[2]。其中，CIP/Kip家族蛋白可结合所有的cyclin-CDK复合物并抑制CDK活性，p21蛋白即属于CIP/Kip家族[3]。p21蛋白具有多种功能，它不仅可作为CDKI负调控细胞周期进程，还可参与调控机体的炎症反应[4]、细胞凋亡[5]和细胞自噬[6]等。此外，越来越多的研究表明，p21蛋白在病毒感染过程中也发挥重要作用[7-8]。本研究将对p21蛋白的功能（图1）及在病毒感染中的作用进行介绍，以期为研究病毒感染和p21蛋白之间的相互作用提供参考。

1 p21蛋白功能

1.1 p21蛋白与细胞周期

真核生物细胞周期分为分裂间期（G1、S和G2期）和分裂期（M）期[1]。在细胞静息状态下，p21蛋白与cyclin A-CDK2/cyclin E-CDK2复合物结合抑制CDK2活性，使细胞停滞于G1期[9]。当细胞接受到有丝分裂信号后，cyclin D-CDK4/cyclin D-CDK6复合物活化并磷酸化视网膜母细胞瘤蛋白（pRb），使后者从与转录因子E2F的复合物解离。解离后的转录因子E2F转录包括cyclin E1和cyclin E2在内的参与由G1期进入S期的蛋白。新合成的cyclin E1和cyclin E2与CDK2结合形成cyclin E1/E2-CDK2复合物，该复合物又可进一步磷酸化pRb，通过正反馈调节方式不断扩大细胞反应。随着cyclin E1和cyclin E2蛋白水平的不断升高，cyclin D-CDK4和cyclin D-CDK6复合物结合p21蛋白，从而使被抑制的CDK2活性恢复，细胞进入S期[10]。

p21蛋白也参与调控细胞由G2期进入M期。CDK1是在细胞G2期和M期发挥作用的细胞周期蛋白依赖性激酶，cyclin B-CDK1和cyclin A2-CDK1复合物能够促进细胞进入M期[1]。p21蛋白可使细胞周期停滞于G2期，调控机制有4种：（1）p21蛋白可下调早期有丝分裂抑制蛋白1（Emi1），进而激活后期促进复合物/环体（APC/C），APC/C 则可降解 cyclin B 和 cyclin A2[11]。（2）p21蛋白可通过 CDK 激活酶（CAK）抑制 CDK1第 161位苏氨酸磷酸化进而抑制CDK1活性[12]。（3）p21蛋白可将cyclin B-CDK1滞留于细胞核内，以防该复合物被细胞质内的酶激活[13]。（4）p21蛋白可与cyclin A2-CDK1复合物结合抑制细胞进入M期[14]。

除通过cyclin-CDK调控细胞周期进程外，p21还可通过结合DNA聚合酶δ活性因子——增殖细胞核抗原（PCNA）抑制DNA合成诱导细胞周期停滞[15]。进一步研究发现，该功能与p21第145，146或160位丝氨酸磷酸化有关[16]。

1.2 p21蛋白与炎症反应

炎症反应是机体基本的自我保护机制之一。p21蛋白通过抑制巨噬细胞过度活化和促进中性粒细胞的凋亡调控机体的炎症反应[4，17-18]。p21蛋白以负反馈方式抑制巨噬细胞过度活化。研究发现，敲除p21蛋白的巨噬细胞在脂多糖（LPS）刺激后，IκBα激酶活性升高、IκBα磷酸化和降解增加、NF-κB转录活性升高、促炎细胞因子如TNF-α和IL-1β表达上调[17，19]。同时，p21蛋白敲除小鼠对LPS诱导的感染性休克更敏感，表明p21蛋白有助于维持炎症反应的平衡且提示p21蛋白在巨噬细胞活化中的作用具有重要的生物学意义[17]。巨噬细胞可极化为M1型促炎状态和M2型抗炎状态，代表巨噬细胞群体中免疫调节的两个极端。因此，处于两个极端中间状态的细胞对维持炎症反应的平衡至关重要，而p21蛋白水平的变化可调控该过程[4]。具体来说，p21蛋白通过调控p65-p50和p50-p50二聚体与基因组中NF-κB结合位点的亲和力，调控M1型和M2型巨噬细胞之间的转变，从而维持炎症反应的平衡[4]。此外，p21蛋白还可限制T细胞的过度活化[20]。中性粒细胞凋亡有利于炎症的消退。研究发现，成熟的嗜中性粒细胞在细胞质中存在高水平的PCNA与pro-caspases结合，阻止后者的活化，从而抑制中性粒细胞的凋亡。p21蛋白的衍生肽可与pro-caspases竞争结合PCNA，诱发中性粒细胞凋亡，有利于炎症的消退[18]。

1.3 p21蛋白与细胞凋亡

细胞凋亡是指为维持机体内环境稳态，由基因控制的细胞的程序性死亡。细胞凋亡也是机体清除被病原体感染的细胞、释放病毒的一种机制[21]。p21蛋白在细胞凋亡过程中发挥双重作用[6，22]。一方面，p21蛋白可抑制细胞凋亡的发生。该功能最早于1996年由WALDMAN等[23]提出。研究表明，不依赖p53调控表达的p21蛋白可抑制细胞凋亡，其机制主要有两种：（1）p21蛋白可与促凋亡因子如caspase-3、caspase-8、caspase-10和细胞凋亡信号调节激酶1（ASK1）相互作用，也可抑制caspase-3上游的caspase-2发挥作用[24]。p21蛋白与caspases相互作用使其在核定位信号序列区被切割，进而阻碍p21蛋白入核，抑制DNA损伤诱导的细胞凋亡。在细胞质中，p21蛋白与ASK1相互作用可阻碍应激激活的丝裂原活化蛋白激酶（MAPK）信号通路，从而抑制细胞凋亡。（2）p21蛋白可通过抑制caspase依赖的CDK的激活阻碍染色质浓缩、细胞皱缩从而抑制细胞凋亡[5]。另一方面，p21蛋白可促进细胞凋亡的发生，依赖或不依赖p53调控表达的p21蛋白均可发挥此功能。p21蛋白通过上调促凋亡蛋白Bax或激活TNF家族死亡受体（TRAIL）促进细胞发生凋亡[25]。p21蛋白在细胞凋亡过程中的双重作用取决于p21蛋白细胞定位和凋亡诱导物的不同。当p21蛋白位于细胞质中时，它阻断pro-caspase 3和应激诱导的激酶的激活，从而抑制细胞凋亡。而当p21蛋白位于细胞核中时，则促进了DNA损伤后的细胞凋亡的发生。不同水平的DNA损伤可能也会决定p21蛋白对细胞凋亡的反应，高水平的DNA损伤可下调p21蛋白水平，促进细胞凋亡，而低水平的DNA损伤可稳定p21蛋白水平，从而使细胞周期停滞[26]。

1.4 p21蛋白与细胞自噬

细胞自噬是细胞利用溶酶体降解自身受损的细胞器和大分子物质的过程，该过程由细胞自噬相关基因调控。自噬可防止各种内源性或传染源引起的机体内膜损伤，并防止不必要或过度的炎症发生，因此，自噬实际上是机体的一种抗炎机制[27]。p21蛋白可令自噬因子处于非活性状态[28]。p21蛋白在自噬诱导中的调节作用非常复杂，依赖于细胞种类及其所处的生长环境。过表达p21蛋白增加细胞对自噬诱导的敏感性，促进一些成纤维细胞株的肿瘤生长，然而在乳腺癌细胞中p21蛋白的过表达则表现出相反的作用[29]。此外，p21蛋白过表达负调节神经酰胺类似物处理的成纤维细胞的自噬，它也与白藜芦醇诱导的肺癌细胞自噬相关[30]。

在某些情况下，p21蛋白对细胞自噬和凋亡的调控协同进行[31-34]。研究发现，p21蛋白与异戊烯半胱氨酸羧基甲基转移酶（ICMT）抑制剂诱导癌细胞发生细胞自噬和凋亡密切相关[31-34]。ICMT抑制剂处理细胞可上调p21蛋白水平，而p21蛋白又可上调表达BCL2相互作用蛋白3（BNIP3）、微管相关蛋白1A/1B轻链3B（LC3）和Unc-51样自噬激活激酶1（ULK1）。其中，ULK1和LC3可促进自噬小体的起始和延伸；BNIP3属于BCL2家族（可促进细胞凋亡），其蛋白基序类似于可同时调控细胞自噬和凋亡BH3结构域[35-39]。BNIP3上调可使癌细胞更易发生细胞凋亡，相反地，BNIP3下调使癌细胞更能抵抗治疗[40-42]。因此，大多癌细胞的BNIP3蛋白表达是受抑制的[43-46]。在对ICMT抑制剂敏感的MiaPaCa-2胰腺癌细胞中，p21蛋白表达水平的降低可防止细胞发生自噬和凋亡。

图1 p21蛋白的功能Figure 1 The function of p21 protein

2 p21蛋白在病毒感染中的作用

2.1 p21蛋白在人免疫缺陷病病毒（HIV）感染中的作用

HIV为逆转录病毒，它感染人类免疫细胞，侵害机体免疫系统[7]。一旦感染细胞，HIV即整合到宿主细胞基因组。HIV-1逆转录依赖于逆转录酶的磷酸化，该过程由宿主细胞CDK2高度保守的苏氨酸介导。CDK2对病毒逆转录酶的磷酸化不仅可提高逆转录酶的功效和稳定性，还可增强病毒的适应性。全球感染HIV病毒的人中，不到1%的人拥有足够强的免疫系统来长时间抑制这种病毒，这些人被称为“精英控制者”。研究发现，在“精英控制者”体内的CD4（+）T细胞中，HIV可通过下调miR-106b和miR-20a上调p21蛋白表达[8，47]。由于p21蛋白是一种细胞内在的CDKI，它的上调可有效抑制CDK2对HIV-1逆转录酶的磷酸化，显著降低病毒逆转录的效率[48]。这也是“精英控制者”体内的CD4（+）T细胞对HIV更不易感的原因。敲低“精英控制者”体内的CD4（+）T细胞中p21蛋白的表达，HIV逆转录和mRNA合成均上调，同时上调的还有调控HIV基因表达的共转录因子 CDK9 的酶活性[7，49]。

在由单核细胞衍生的巨噬细胞和树突状细胞中，p21蛋白可通过两种机制抑制HIV复制。一方面，p21蛋白可通过抑制转录因子E2F1的活性抑制核糖核苷酸还原酶RNR2亚基的转录，从而下调RNR2亚基的表达。RNR2亚基对于将核糖核苷酸还原为脱氧核苷酸至关重要，因此，p21通过下调该蛋白来阻止dNTP的生物合成[50-52]。另一方面，p21蛋白抑制cyclin A/CDK1/2复合物磷酸化SAMHD1蛋白的第592位苏氨酸，以此抑制SAMHD1蛋白的抗病毒活性[53-56]。这表明p21蛋白同时调节dNTP的合成和SAMHD1的抗病毒功能来抑制HIV[51，53，57，58]。

2.2 p21蛋白在Epstein-Barr病毒（EBV）感染中的作用

EBV是一种常见的疱疹病毒，与人类的许多恶性肿瘤发生相关[59]。EBV感染可引起胃癌，免疫组化结果显示这与p21蛋白的低表达有关[60]。进一步研究表明，EBV编码的BARF1基因可通过激活NF-κB信号通路和降低p21蛋白的表达促进胃癌的发生发展[61]。一方面，BARF1蛋白可使细胞中IκBα发生磷酸化、泛素化修饰，进而被降解。IκBα的降解使NF-κB进入细胞核并转录cyclin D1[62]，同时抑制p21蛋白的表达。另一方面，BARF1蛋白本身也可下调p21蛋白的表达。

2.3 p21蛋白在冠状病毒感染中的作用

冠状病毒宿主范围广泛，可感染包括人类在内的多种生物[63]。猪传染性胃肠炎病毒（TGEV）是感染猪的一种冠状病毒，研究发现TGEV感染可通过其编码的N蛋白使细胞停滞于S期和G2/M期，为病毒复制创造有利条件[64]。该过程由p21和p53蛋白水平的升高和cyclin B1、cdc2和CDK2蛋白水平的降低调控[64]。鼠肝炎病毒（MHV）是可感染小鼠的一种冠状病毒，该病毒感染可通过降低CDK4和CDK6活性，同时下调CDK4、cyclin D和cyclin E蛋白水平，使感染细胞停滞于G0/G1期[65]。MHV编码的p28蛋白也可引起细胞周期停滞于G0/G1期，但其调控方式与病毒感染稍有差异。p28蛋白可通过p53蛋白上调p21蛋白mRNA水平，而p21蛋白的表达则可抑制cyclin E-CDK2复合物的活性，从而抑制细胞进入S期[66]。

2.4 p21蛋白在其他病毒感染中的作用

人乳头瘤病毒（HPV）编码的E7蛋白与p21蛋白C-末端相互作用，不仅使p21蛋白与cyclin-CDK2复合物解离，CDK2活性恢复，而且恢复PCNA依赖的DNA复制，从而诱导细胞进入S期[67-68]。A型流感病毒（IAV）是一种重要的人畜共患病病原，可感染多种禽类、犬猫、猪和人类等[69]。研究表明，IAV感染可下调cyclin E和cyclin D1蛋白水平，同时上调p21蛋白水平，从而阻止细胞进入S期。宿主细胞周期停滞于G0/G1期为IAV复制创造了有利条件[70]。

3 展望

p21蛋白经典的功能是作为CDKI调控细胞周期进程，关于p21蛋白在病毒感染中作用的研究也大多集中对此功能的调控上。病毒感染后可靶向p21蛋白调控细胞周期，从而为自身复制创造有利条件。目前关于细胞周期调控对病毒的影响方面已取得了一些研究进展，但是，对病毒感染或病毒蛋白调控p21蛋白的机制还不十分清楚，仍需深入系统研究。除了经典的功能外，p21蛋白还可参与调控炎症反应、细胞凋亡和细胞自噬，对这些功能的研究多集中在癌症和自身免疫病上。许多病毒感染可调控细胞的炎症反应、凋亡和自噬，这些研究表明，p21蛋白可能在其中发挥了一定作用。以p21蛋白为切入点研究病毒感染与宿主的相互作用，不仅有助于全面深入了解p21的蛋白功能，而且有助于解析病毒的致病机制。