Wykład

Regulacja wzrostu komórki

Różnicowanie komórkowe

Opracowanie: prof. dr hab. Jan Kuryszko

dr wet. Jan P. Madej

Regulacja wzrostu komórkowego

Wskaźnik mitotyczny

– liczba mitoz wyrażona jako procent

wszystkich komórek.

Mitotyczna homeostaza

– stan w którym mimo zmieniających

się warunków wskaźniki mitotyczne pozostają takie same.
Za jej utrzymanie są odpowiedzialne regulujące czynniki:

• hamujące (ujemne sprzężenie zwrotne) lub

• pobudzające (dodatnie sprzężenie zwrotne).

Czas cyklu komórkowego zależy głównie od stopnia i kolejności
biosyntezy makrocząsteczek (w tym białek enzymatycznych).
Łańcuch następujących po sobie reakcji biosyntezy prowadzi do
podwojenia masy komórki pod koniec cyklu komórkowego w
stosunku do masy zaraz po mitozie.

Różnice czasu trwania cyklu komórkowego zależą głównie od
zmienności czasu trwania fazy G

1

.

Punkt restrykcyjny (R)

– przedział czasu fazy G

1

, w którym

komórki są hamowane lub który muszą przejść, aby podjąć
syntezę DNA i ulec podziałowi.

1. Czynniki wewnątrzkomórkowe w regulacji cyklu komórkowego

Komórki wchodzą w mitozę wskutek aktywacji kompleksu
białkowego zwanego czynnikiem początkującym
dojrzewanie (MPF

– ang. maturation promoting factor

).

Aktywacja MPF prowadzi do:

• fragmentacji i rozproszenia otoczki jądrowej,

• kondensacji chromosomów,

• wytwarzania wrzeciona podziałowego.

Białkiem regulującym aktywność MPF jest cyklina, której poziom
spada podczas mitozy, a rośnie w czasie interfazy.

Geny zależne od cyklu komórkowego

– to geny aktywowane w

trakcie cyklu komórkowego, a nieczynne w fazie G

0

(ok. 1% genów

genomu),

np.:

geny

struktury

dla

kinazy

tymidyny,

reduktazy

kwasu

dwuhydrofoliowego czy syntetazy kwasu tymidynowego aktywowane przy

przejściu komórek z fazy G1 do S.

2. Rola genów w regulacji cyklu komórkowego

3. Czynniki zewnątrzkomórkowe. Przekazywanie sygnału
do wzrostu.

Czynniki zewnątrzkomórkowe aktywujące komórkę do
wejścia w cykl:

• hormony,

• czynniki wzrostu,

• układ nerwowy,

• bezpośredni kontakt między komórkami,

• oddziaływanie istoty międzykomórkowej na komórki.

Lokalizacja receptorów w komórce:

• na powierzchni komórki

(np. dla hormonów białkowych, czynników

wzrostu

),

• we wnętrzu komórki

(np. dla hormonów sterydowych i hormonów

tarczycy).

Polipeptydowe czynniki wzrostu (PCW)

Jest to rodzina ok. 40 peptydów. Związanie PCW z receptorem
inicjuje

kaskadę

reakcji

chemicznych

prowadzących

do

modyfikacji ekspresji genów i wzrostu anabolizmu w komórce.
Dochodzi do wzrostu komórek (wejścia do cyklu komórkowego)
lub/i ich przerostu (zwiększenia masy).

PCW są dostarczane do komórek docelowych na drodze:

 endokrynowej – z krwią,

 parakrynowej – dyfuzji do pobliskich komórek,

 autokrynowej – dyfuzji, gdzie komórka wydzielnicza jest
komórką
docelową.

Receptory dla czynników wzrostu

Występują stale (konstytutywnie) w błonie wielu komórek, lub pojawiają
się pod wpływem określonych bodźców. Receptory dla PCW są najczęściej
glikoproteinami błonowymi zbudowanymi z zewnątrzbłonowego
fragmentu rozpoznającego oraz fragmentu śródbłonowego.
Fragmenty rozpoznające receptorów mogą być:

 polimeryczne (receptor dla insuliny składa się z 2 łańcuchów α i 2
łańcuchów β)

 monomeryczne (jednołańcuchowe).
Po połączeniu z ligandem i przekazaniu sygnału, kompleksy ligand-
receptor mogą być internalizowane na drodze endocytozy. Proces ten
polega na wgłobieniu fragmentu błony komórkowej wraz z receptorem, na
skutek zmian ułożenia cząstek klatryny z wytworzeniem receptorosomu.
Receptory mogą powrócić na powierzchnię błony komórkowej lub wraz z
ligandem ulec lizie po fuzji receptorosomu z lizosomem pierwotnym.

Modulacja receptora dla PCW

Niektóre PCW np. EGF (naskórkowy czynnik wzrostu), multi-CSF
(czynnik stymulujący wiele kolonii komórkowych dojrzewających w
szpiku),

PDGF

(płytkowopochodny

czynnik

wzrostowy),

TGF

(transformujący czynnik wzrostu) nie tylko wiążą się ze swoistymi dla
nich receptorami ale także unieczynniają wolne receptory dla innych
PCW.

Przekazywanie sygnału do wzrostu

1. Sposób typowy dla EGF i insuliny:

Ligand wiążąc się z fragmentem rozpoznającym receptora powoduje
zmianę konformacji fragmentu śródbłonowego o aktywności kinazy
tyrozynowej. Aktywowana kinaza rozpoczyna fosforylację białek
cytoplazmy.

2. Sposób typowy dla PDGF:

Połączenie ligandu z receptorem powoduje zmianę konformacji
fragmentu śródbłonowego receptora – białka G, co powoduje zmianę
konformacji sąsiadującej fosfolipazy C. Aktywowany enzym (fosfolipaza
C) rozkłada bifosforan fosfatydyloinozytolu (PIP

2

, fosfolipid błony

komórkowej) do trifosforanu inozytolu (IP

3

) i diacyloglicerolu (DG).

DG aktywuje kinazę C (PKC), która fosforyluje reszty Ser i Thr
wielu

białek

IP

3

wiąże się z receptorem IP

3

na SER powodując uwolnienie Ca

2+

do

cytozolu.
Uwolnione Ca

2+

aktywują kinazy zależne od Ca

2+

co prowadzi do

fosforylacji białek.

PIP

2

ligand

IP

3

re

c

e

p

to

r

DG

kinaza C

Ca

2+

fosforylacja

białek

fosfolipaza C

G

Białkowe kinazy fosforylują:

białka receptorowe (rec. dla EGF, insuliny, IGF1, IL-2, transferazy)

białka jądrowe: fosforylacja histonów (H1, H2A i H3) prowadzi do wzrostu
kondensacji chromatyny co wpływa na jej aktywność transkrypcyjną.
Fosforylacja
białek otoczki jądrowej prowadzi do jej fragmentacji podczas mitozy.

 białka transportowe Na

+

– regulacja transportu Na

+

 białka enzymatyczne

– aktywacja/dezaktywacja

 białka kurczliwe i białka cytoszkieletu

– skurcz mm. gładkich, ruchy

wewnątrzkomórkowe

Zmiany wywołane przez sygnał do wzrostu komórki prowadzą do
przyspieszenia procesów anabolicznych: biosynteza RNA, DNA i białek.

Różnicowanie komórkowe

Liczba komórek dorosłego człowieka wynosi ok. 10

14

Wyróżniamy ok. 200 rodzajów komórek różniących się budową i
funkcjami.

Różnicowanie komórkowe

– proces powstawania różnych

rodzajów komórek. Polega on na przestrojeniu genomu z
wystąpieniem zmian fenotypu komórkowego, które prowadzą do
specjalizacji komórki czyli ujawnienia się jej swoistych funkcji.

• komórki rozpoczynają syntezę swoistych białek i innych związków
chemicznych,

• jest to zwykle proces nieodwracalny i przekazywany kolejnemu
pokoleniu
komórek w postaci określonego fenotypu (dziedziczenie fenotypu),

• najczęściej dochodzi do obniżenia zdolności dzielenia się komórek.

Ze względu na potencjał komórek do proliferacji rozróżniamy:

 różnicowanie pierwotne – najwcześniejsze fazy rozwoju zarodkowego

 różnicowanie pośrednie – późniejsze fazy rozwoju

 różnicowanie terminalne – także w okresie postnatalnym

Niezmienność genomu

Różnicowanie komórkowe zachodzi nie w wyniku redukcji genomu ale na
skutek ograniczenia liczby czynnych genów genomu. Produkty tych
genów (białka konstytutywne, hormony itd.) nadają komórkom właściwy
charakter fenotypowy określający ich specjalizację.
Wyjątek stanowi utrata krótkiego fragmentu DNA (redukcja genomu) w
czasie zmiany klas syntetyzowanych przeciwciał przez limfocyty B.
W niektórych komórkach może dojść do zwiększenia ilości DNA
poprzez powielenie kopii genów kodujących potrzebne w dużych ilościach
produkty. Przykładem są komórki prekursorowe oocytów płazów u
których geny dla rRNA są powielano ok. 1000x.
Różnicowanie komórek w przeciwieństwie do mutacji na ogół nie jest
procesem klonalnym tzn. nie powstaje w jednej komórce tylko w ich
grupie. Tkanki oraz te same rodzaje komórek narządów powstają z grup
komórek.

Istota różnicowania

komórkowego

Determinacja

Jest to trwały, dziedziczony stan różnicującej się komórki, który określa
jej przyszłe losy.
Na przykład część komórek wchodzących w skład somitów dość
wcześnie w rozwoju zarodkowym staje się (determinuje się)
prekursorami komórek mięśniowych. Zdeterminowane komórki nie
zawierają jeszcze specjalistycznych białek mięśniowych oraz nie różnią
się od innych komórek somitowych. Po ich przeszczepieniu w miejsce
heterotypowe rozwijają się z nich wyłącznie komórki mięśniowe.

Ujawnienie się fenotypu – zmiana struktury komórki

kom. niezróżnicowana: mała ilość rybosomów, ER i mitochondriów
kom. zróżnicowana: duża ilość ER, rybosomów, mitochondriów;
rozbudowa lizosomów i aparatu Golgiego (GA); pojawienie się w
cytoplazmie elementów filamentarnych.

Etapy różnicowania:

 determinacja

 ujawnienie się fenotypu

Stabilność różnicowania

Determinacja i rónicowanie ujawniające się fenotypoweo są stanem
stabilnym, dziedziczonym przez następne pokolenia komórek do czasu
utraty przez te komórki zdolności do podziałów.
Stabilność determinacji i różnicowania jest wzmacniana przez otaczającą
komórki istotę międzykomórkową (np. chondrocyty hodowane in vitro w
obecności ECM produkują kolagen typu II, a pozbawione ECM kolagen
typu I, co upodabnia je do fibroblastów).

Metaplazja (transdeterminacja)

Głębokie zmiany fenotypu zróżnicowanych komórek prowadzące do
nabycia przez nie fenotypu innych komórek. Zjawisko to nie jest mutacją
gdyż powstaje w grupie komórek. W warunkach prawidłowych zachodzi
sporadycznie, częściej podczas choroby. Prawdopodobnie metaplazja
może być wywołana zmianą stopnia metylacji DNA.

Regulacja różnicowania komórkowego

Komórki mogą różnicować się w określonym czasie w różnych miejscach
ustroju.
W genomie diploidalnej komórki człowieka istnieje 50-100 tys. genów
struktury z których 1-3% jest czynna w zróżnicowanych komórkach.

Istnieją prawdopodobnie tzw. geny nadrzędne (master genes)
nadzorujące uczynnianie zespołów genów struktury odpowiedzialnych za
różnicowanie komórek w czasie (chronogeny) i przestrzeni (geny
zależne od miejsca).
Te ostatnie odpowiadają m.in. za homeozę czyli występowanie narządów
w odpowiednich miejscach.

Geny kontrolujące segmentową budowę organizmu (np. u muszki
owocowej) to geny segmentacji, a kontrolujące występowanie
narządów to geny homeotyczne.
Geny te składają się z długich odcinków DNA i posiadają wspólny
fragment zwany homeoboksem (180pz). Produktem homeoboksu jest
białko – homeodomena, które kontroluje ekspresję genów struktury.

Rola oddziaływań międzykomórkowych

1. Oddziaływania bezpośrednie:
Na powierzchni komórek znajdują się gatunkowo-swoiste białko
odpowiedzialne za łączenie się komórek. Pojawia się ono na powierzchni
komórek w trakcie rozwoju embrionalnego doprowadzając do
bezpośredniego oddziaływania tych komórek na siebie.

Adhezja komórek zależy również od obecności reszt heksozowych i
heksozoaminowych na powierzchni komórek, które stanowią substrat
dla glikozylotransferaz znajdujących się na powierzchni sąsiednich
komórkach.

Rola połączeń międzykomórkowych:
• bariera pomiędzy wierzchołkiem komórki a jej otoczeniem oraz
między
podstawą komórki a innymi komórkami znajdującymi się w jej
otoczeniu

• przewodnictwo elektryczne

• przechodzenie związków drobnocząsteczkowych (czasem
białek)

• pomagają w tworzeniu gradientów stężeń określonych
substancji
wpływając na różnicowanie przestrzenne i specjalizację
komórek

w

danych miejscach tkanki

Różnicowanie przestrzenne tkanek i narządów ekto– i
entodermalnych jest regulowane przez kom. mezenchymy
wydzielające miejscowo proteoglikany o ECM w pobliżu błony
podstawnej. Proteoglikany inicjują polimeryzację kolagenu błony
podstawnej (typ IV kolagenu), powodując zmianę kształtu
komórek i ich ułożenia – powstawanie narządów rurowych,
pęcherzyków itp.

2. Oddziaływania pośrednie
Indukcja – oddziaływanie komórek znajdujących się w dużej
odległości na komórki różnicujące się.

 Czynnik mezenchymalny (MF) wytwarzany przez kom. mezenchymy
pobudza
kom. nabłonka do programowanej syntezy DNA i przekształcenia w
kom.
pęcherzyków trzustki.

 Czynnik wzrostu nerwu (NGF) – indukuje różnicowanie kom.
nerwowych oraz
wzrost neurocytów.

 Hormon wzrostu – za pośrednictwem somatomedyn pobudza
proliferację
i różnicowanie niektórych tk. szkieletowych.

 ACTH i TSH – wpływają na różnicowanie się kom. i wielkość narządów
docelowych; podobnie działają hormony płciowe na gonady.

 glukagon, glikokortykoidy