19.3: Регуляція клітинного циклу

Last updated
Save as PDF

Page ID: 6062

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Прогрес по клітинному циклу регулюється. Цикл можна контролювати або ставити на «паузу» на будь-якому з декількох фазових переходів. Такі контрольні точки відстежують, чи знаходиться клітина на шляху до завершення успішної події поділу клітин. На ці елементи управління накладаються сигнали, що сприяють диференціації клітин. Ембріональні клітини диференціюються в міру розвитку ембріона. Навіть після термінальної диференціації клітин, що утворюють всі дорослі тканини і органи, стовбурові клітини дорослих будуть ділитися і диференціюватися, щоб замінити зношені клітини. Після диференціювання клітини, як правило, сигналізують в G ₁, щоб ввести G ₀ і припинити цикл. За деяких обставин клітини в G ₀ набираються для відновлення їзди на велосипеді. Однак, якщо це відбувається помилково, клітини можуть бути перетворені в ракові клітини. Тут ми розглянемо, як контролюється нормальний перехід між фазами клітинного циклу.

А. відкриття та характеристика фактора сприяння дозріванню (MPF)

Зростаючі, ділячі клітини стежать за їх прогресом по фазах. Клітини виробляють внутрішні хімічні сигнали, які повідомляють їм, коли настав час почати реплікацію або мітоз, або навіть коли вводити в G ₀, коли вони досягають свого невиліковно диференційованого стану. Експеримент, який вперше продемонстрував хімічний регулятор клітинного циклу, передбачав злиття дуже великих яєць жаби! Експеримент описаний нижче.

Гіпотеза, перевірена тут, полягала в тому, що цитоплазма жаб'ячих яйцеклітин з яйцеклітин зародкової стадії везикул (тобто в середині мейозу) містить хімічну речовину, яка змусила клітину втратити свою ядерну мембрану, конденсувати свій хроматин в хромосоми і ввести мейоз. Цитоплазму вилучили з одного з цих середньо-мейотичних ооцитів тонкою підшкірною голкою, а потім вводять в премейотичний яйцеклітину. Серединно-мейотична цитоплазма яйцеклітин індукувала передчасний мейоз у незрілої яйцеклітини. Фактор, що сприяє дозріванню (MPF), може бути виділений із середньо-мейотичних клітин і введений в премейотичні клітини; це викликало їх введення в мейоз. MPF виявляється протеїнкіназою, що складається з двох поліпептидних субодиниць, як показано нижче.

Потім було показано, що MPF також стимулює соматичні клітини в G ₂ для введення передчасного мітозу. Так зручно, MPF також може бути фактором сприяння мітозу! Далі ми обговоримо наслідки MPF як еквівалентні при мітозі та мейозі. Коли він активний, MPF націлений на багато клітинних білків.

342 Відкриття MPF кінази та її роль у мейозі та мітозі

Аналізи активності MPF, а також фактичних рівнів двох субодиниць протягом часу протягом клітинного циклу наведені нижче.

Однією субодиницею MPF є циклін, регуляторний поліпептид. Інша субодиниця, циклін-залежна кіназа (cdk), містить активну ділянку ферменту кінази. Обидві субодиниці повинні бути пов'язані, щоб зробити активну кіназу. Циклін отримав так назву тому, що його рівні поступово підвищуються після цитокінезу, пік при наступному мітозі, а потім падають. Рівні субодиниці cdk істотно не змінюються протягом життя клітини. Оскільки для кіназної активності MPF потрібен циклін, він відстежує підйом цикліна ближче до кінця G ₂, і його падіння після мітозу. Циклін починає накопичуватися в G ₁, піднімаючись поступово і зв'язуючись з дедалі більшою кількістю субодиниць cdk. MPF досягає порогової концентрації в G ₂, що запускає введення в мітоз. За їх відкриття цих центральних молекул Ліланд Х. Хартвелл, Р. Тімоті Хант, і Пол М. медсестра отримали Нобелівську премію 2001 року з фізіології або медицини.

B. Інші цикли, CDK та контрольно-пропускні пункти клітинного циклу

Інші хімічні сигнали накопичуються в різних точках клітинного циклу. Наприклад, коли клітини в S зливаються з клітинами в G ₁, клітини G ₁ починають синтезувати ДНК (візуалізується як ³ H-тимін включення). Експеримент, що показує контроль прогресу до різних фаз клітинного циклу, проілюстрований нижче.

S-фазовий фактор може бути виділений з S-фазових клітин. Цим фактором також виявляється двухсубодиничная протеїнкіназа, нехай і відмінна від MPF. Подібно до того, як MPF сигналізує клітинам в G ₂, щоб почати мітоз, S-фаза кінази сигналізує клітинам в G ₁, щоб увійти в S-фазу клітинного циклу. MPF і S-фаза кінази регулюють діяльність на двох з декількох контрольно-пропускних пунктів клітинного циклу. У кожному випадку активність кіназ регулюється попереднім прогресом через клітинний цикл. Іншими словами, якщо клітина не готова почати мітоз, активне вироблення MPF затримується до тих пір, поки не буде. Так само кіназа S-фази не буде активована, поки клітина не буде готова почати синтез ДНК.

343 Контроль клітинного циклу на контрольних точках та «фазі» переходу

Послідовність сигналів, які контролюють прогрес через клітинний цикл, ймовірно, більш складна і обширна, ніж ми знаємо в даний час, але найкраще описані контрольні точки знаходяться в G ₁, G ₂ і M (нижче).

Зазвичай ми уявляємо контрольно-пропускні пункти як моніторинг та блокування прогресу, поки не завершаться важливі події поточної фази фази клітинного циклу. Ці кінази є частиною молекулярних механізмів зондування, які діють шляхом фосфорилювання цитоплазматичних та/або ядерних білків, необхідних майбутнім фазам циклу. Давайте докладніше розглянемо деякі події, які відстежуються на цих КПП.

1. Контрольно-пропускний пункт G ₁

Контрольна точка G ₁ контролює перехід з G ₁ в S-фазу клітинного циклу. Якщо активно ділять клітини (наприклад, стовбурові клітини) в G ₁ не зможуть завершити підготовку до реплікації, S-фаза кінази не буде вироблятися і клітини не продовжуватимуть S-фазу, поки підготовча біохімія не наздогнала решту циклу. Щоб ввести S, клітина повинна бути готова зробити білки реплікації, такі як ДНК-полімерази, хелікази та примази серед інших. Тільки тоді, коли ці молекули накопичилися (або стали активними на) відповідних рівнях, це «безпечно» ввести S і почати реплікації ДНК. Цей опис активності контрольно-пропускних пунктів G ₁ узгоджується з ідеєю, що всі контрольно-пропускні пункти затримують циклічність до завершення попередньої фази.

А як щодо клітин, які повністю диференційовані? Такі термінально диференційовані клітини припиняють виробляти активну контрольну кіназу G ₁ і припиняють ділення. Ці клітини заарештовані в G ₀ (див. Нижче). Як цікаву побічну ноту нагадаємо, що соматичні клітини - це диплоїдні, а статеві клітини (сперма, яйцеклітина) - гаплоїдні. Отже, чи є клітини в G ₂, які вже подвоїли свою ДНК, «тетраплоїд», однак коротко? Чи можемо ми називати G ₂ клітини тетраплоїдними (офіційно, ймовірно, ні), зрозуміло, що клітини G ₁ і G ₀ клітини є диплоїдними!

2. Контрольно-пропускний пункт G ₂

Прохід через контрольну точку G ₂ можливий лише в тому випадку, якщо ДНК, зроблена в попередній фазі S, не пошкоджена. Або якщо це було, що пошкодження було (або може бути) відремонтовано (перегляньте функції коректури ДНК-полімерази та різні шляхи відновлення ДНК). Клітини, які успішно завершують реплікацію і проходять контрольну точку G ₂, повинні підготуватися, щоб зробити білки, необхідні для майбутньої мітотичної фази. До них відносяться ядерні білки, необхідні для конденсації хроматину в хромосоми, тубуліни для створення мікротрубочок тощо Тільки коли рівні цих та інших необхідних білків досягнуть порогу, клітина може почати мітоз. Розглянемо наступні два завдання, необхідні від КПП G ₂ (по суті, будь-який КПП):

визначення того, чи успішно завершено діяльність попередньої фази.
затримка переходу до наступного етапу, якщо ці заходи не завершені.

Але що робити, якщо зондування недосконале, а контрольно-пропускний пункт протікає? Недавнє дослідження свідчить про те, що або контрольна точка G ₂ протікає, або, принаймні, що неповна діяльність у фазі S переноситься, і що деякий ремонт ДНК не вирішується, поки мітоз не триває в M! Перевірте це при ремонті ДНК та реплікації під час мітозу.

3. КПП М

Контрольна точка М контролюється оригінальним фосфорилюванням MPF білків, які: (а) зв'язуються з хроматином, викликаючи його конденсуватися і утворювати хроматиди, (б) призводять до руйнування ядерної оболонки, і (c) дозволяють утворення волокон шпинделя,. Крім того, напруга в шпиндельному апараті при метафазних буксирах у кінетохорів утримують дубльовані хроматиди разом. Коли ця напруга досягає порогу, MPF піки і активований фермент серази змушує хроматиди відокремлюватися в їх центромерах. Починаючи в анафазу, напруга в веретеновому апараті тягне нові хромосоми до протилежних полюсів клітини. Близько до кінця мітозу і цитокінезу білки, фосфорильовані MPF, ініціюють розпад цикліну в клітці. Проходження контрольної точки M означає, що клітина завершить мітоз і цитокінез, і що кожна дочірня клітина увійде в нову фазу G ₁.

Розділення дріжджових клітин, здається, має три контрольні точки, обговорювані тут. Більш складні еукаріоти використовують більше циклінів і cdk для контролю клітинного циклу на додаткових контрольно-пропускних пунктах. Різні цикліни показують циклічні закономірності синтезу, тоді як cdk залишаються на постійному рівні протягом усього клітинного циклу (як у MPF). Різні сімейства генів кодують еволюційно збережені скри або цикліни. Але кожна пара циклін/cdk була кооптована в еволюції для моніторингу різних подій клітинного циклу та каталізації фосфорилювання фазоспецифічних білків. Щоб дізнатися більше, див Elledge SJ (1996) Контрольні точки клітинного циклу: запобігання кризі ідентичності. Наука 274:1664-1672.

Контрольна точка 344 Циклін/CDK для фаз клітинного циклу

C. держава G ₀

Це насправді не фаза клітинного циклу, так як клітини в G ₀ досягли невиліковно диференційованого стану і припинили ділення. У розвитку термінально диференційовані клітини тканин і органів більше не діляться. Тим не менш, більшість клітин мають кінцевий період напіврозпаду (згадайте наші еритроцити, які повинні бути замінені кожні 60 днів або близько того). Оскільки клітини багатьох тканин знаходяться в G ₀ і не можуть ділитися, їх потрібно замінити стовбуровими клітинами, які можуть ділитися і диференціюватися. Деякі клітини живуть так довго в G ₀, що майже ніколи не замінюються (м'язові клітини, нейрони). Інші клітини живуть коротким життям у G ₀ (наприклад, стовбурові клітини, деякі ембріональні клітини). Наприклад, лімфоцит - це диференційована імунна система лейкоцитного типу. Однак вплив лімфоцитів чужорідними хімічними речовинами або патогенами активізує мітогени, які змушують їх знову потрапляти в клітинний цикл з G ₀. Нещодавно розділені клітини потім виробляють антитіла, які нейтралізують хімічні речовини та борються з хвороботворними мікроорганізмами. Білок ретинобластоми (Rb) є прикладом мітогену. Як і інші мітогени, Rb білок є фактором транскрипції, який включає гени, що призводять до проліферації клітин. Що робити, якщо клітини продовжують їздити на велосипеді, коли вони не повинні? Або, що робити, якщо вони неналежним чином сигналізують про вихід G _o? Такі клітини в біді! Уникнувши нормального контролю за діленням клітин, вони можуть стати осередком росту ракових клітин. З його назви можна здогадатися, що ген ретинобластоми був виявлений як мутація, яка викликає рак сітківки. Детальніше про нормальну функцію білка Rb та його взаємодії з G ₁ cdk перегляньте посилання нижче.

Що робити, якщо клітини продовжують їздити на велосипеді, коли вони не повинні? Або, що робити, якщо вони неналежним чином сигналізують про вихід G ₀? Такі клітини в біді! Уникнувши нормального контролю за діленням клітин, вони можуть стати осередком росту ракових клітин. З його назви можна здогадатися, що ген ретинобластоми був виявлений як мутація, яка викликає рак сітківки. Детальніше про нормальну функцію білка Rb та його взаємодії з G ₁ cdk перегляньте посилання нижче.

345 Rb ген кодує фактор транскрипції регуляторної субодиниці