0207; 08.04.2009, wykład nr 7., - Cykl komórkowy.; Paul Esz

Cykl komórkowy  - jest to szereg zamian biofizycznych i biochemicznych komórki zachodzących między końcem 
jednego a początkiem następnego podziału komórki.

Rys historyczny:

–

1963 rok Howard i Pele wprowadzają pojęcie cyklu komórkowego.

–

1873 rok W. Majzel opisał podział jądra w komórkach zwierzęcych

–

1884 rok A. Strasburger autor terminów: profaza, metafaza, anafaza

–

1878 i 1879 rok W. Fleming wprowadził do piśmiennictwa nazwę mitoza (1878) i chromatyna (1879)

–

1888 rok W. Waldeyer opisał chromosomy

–

1952 rok Mazia i Dan wyizolował nietknięty aparat mitotyczny

–

1971 rok Yoshio i Smith odkryli MPF (czynnik indukujący mitozę)\

–

2001 rok Hartwell, Nurse, Hunt otrzymali nagrodę Nobla za badania nad kinazami i cyklinami

Faza G1

–

trwa od 6-12 godzin

–

jest przerwą między zakończeniem podziału i początkiem fazy S

–

przygotowanie komórki do podwojenia materiału genetycznego

–

synteza RNA, enzymów, białek, węglowodanów i tłuszczów

–

charakterystyczna dla danego typu komórki

–

aktywność kompleksu CDK2

–

pod koniec aktyna A aktywuje CDK2 i tworzy kompleks, który jest niezbędny do zainicjowania replikacji

Faza S

–

trwa od 6-8 godzin

–

replikacja DNA, który podwaja swoją zawartość z 2n do 4n

–

zwiększenie rozmiarów jądra, chromatyna pozostaje zbitą masą

–

synteza DNA ma początek w kilkunastu tysiącach miejsc cząsteczek DNA jądra, w punktach startowych 
replikacji DNA

–

DNA euchromatyny jest replikowany wcześniej, a heterochromatyny później

–

z każdego punktu startowego synteza DNA odbywa się dwukierunkowo z prędkością 10-100 nukleotydów na 
sekundę

–

replikacji podlega cały DNA jądra i większość cząsteczek mitochondrialnego DNA

–

syntezę DNA przeprowadzają kompleksy enzymatyczne replikony, które są składnikami macierzy jądra

–

głównymi składnikami replikonów są helikaza oraz polimeraza alfa i delta

–

helikaza rozszczepia podwójną helisę DNA i wytwarza widełki replikacyjne

–

synteza DNA jest prowadzona przez polimerazy DNA alfa i delta

–

koenzym polimerazy DNA delta to PCNA (odpowiedzialne za proliferację komórki)

–

synteza DNA telomerów dokonuje enzym telomeraza

Faza G2

–

synteza białek związanych z regulowaniem procesu podziałowego

–

sprawdzenie czy ilość DNA została prawidłowo podwojona

–

komórka nadal rośnie wraz ze wszystkimi jej organellami

–

pod   koniec   G2   zaczyna   się   kondensacja   chromatyny   oraz   synteza   błony   komórkowej,   która   jest 
zużywana w czasie cytokinezy

–

pod koniec fazy G2 tworzy się czynnik MPF (składa się z CDK1 oraz cykliny B)

Faza M

–

trwa ok. 1 godzinę

–

obejmuje dwa etapy: podział jądra – kariokinezę oraz podział cytoplazmy – cytokinezę

–

istnieją dwa typy fazy M: mitoza w komórkach somatycznych i mejoza w komórkach rozrodczych

–

w czasie kariokinezy zachodzi dalsza kondensacja chromatyny i utworzenie chromosomów mitotycznych oraz 
rozdział każdego chromosomu na dwie chromatydy i ich przemieszczenie do komórek potomnych

–

procesom tym towarzyszy wytworzenie a następnie rozpad wrzeciona podziałowego oraz zanik, a następnie 
odtworzenie otoczki jądrowej

Faza G0

–

komórki, które się nie dzielą, wycofują się z fazy G1 albo G2 do fazy G0

–

decyzja i wejściu w fazę G0 najczęściej nie jest nieodwracalna

–

komórka może wyjść z fazy G0 i skończyć podział

–

komrki G0 mogą się dzielić ponownie po dostarczeniu im odpowiednich substancji odżywczych i czynnika 
wzorstu

Komórki prawidłowe in vitro

–

komórki prawidłowe in vitro

Komórki nowotworowe transformowane wirusem in vitro

–

nie mogą zatrzymać wzrostu więc syntetyzują DNA przez kilka cykli i obumierają

Komórki transformowane nowotworowe czynnikami chemicznymi in vitro

Znaczenie praktyczne

–

przejście komórek z fazy G1 do G0 np. w leczeniu nowotworów

–

komórki G0 są niewrażliwe na cytostatyki (znajdują się w większości nowotworów), eliminuje się tylko z 
nowotworu komórki znajdujące się w cyklu, kom. G0 pozostają nieuszkodzone – po pewnym czasie wchodzą 
w c, kom. dają początek wznowie nowotworowej

Ze względu na charakter cyklu komórkowego wyróżnia się:

–

komórki międzymitotyczne (labilne, zmienne): zachowują zdolność podziału (dzielą się w ciągu całego życia) 
np. komórki postawne warstwy rozrodczej naskórka, nabłonka krypt jelitowych, komórki szpiku kostnego, 
węzłów chłonnych

–

komórki międzymitotyczne dojrzewające – łatwo podlegają wpływom środowiska i dojrzewające np. komórki 
kolczyste naskórka czy spermatocyty

–

komórki pomitotyczne – utraciły odwracalnie i nieodwracalnie zdolność do podziału i po mitozie stają się 
„bezpotomne”;   należą   tu   komórki   bardzo   wyspecjalizowane:   nerwowe,   wydzielnicze;   Nefrocyty   czy 
hepatocyty -  po dużym uszkodzeniu uzyskują zdolność do podziału (komórki pomitotvczne odwracalne lub 
populacja wzrastająca-stable cells)

Regulacja cyklu komórkowego

–

cykl jest inicjowany i regulowany przez wiele białek i ich kompleksy

–

geny cyklu, których produkty białkowe pobudzają cykl to protoonkogeny, a te których produkty białkowe 
hamują cykl nazywamy genami supresorowymi

–

cykl komórkowy jest regulowany przez kinazy, cytokiny, inhibitory kinaz, cyklazy

–

regulacja cyklu odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji

–

Fosforylacja – katalizowana przez kinazy białkowe

–

Defosforylacja – przez fosfatazy

–

Substraty kinaz – białka jądra i cytoplazmy

–

Tyrozyna i treonina – najczęściej fosforylowane aminokwasy tych białek

Regulacja fazy G1/S

–

odbywa się przez kontrolę przechodzenia komórki z G1 do S oraz kontrolę zakończenia syntezy DNA

–

ważną rolę w regulacji przejścia G1 do S odgrywa: kompleks białka p34-cyklina A (nazywamy kinazą fazy S) 
i białko P110Rb (może wiązać cyklinę A blokując jej wiązanie do p34), które może blokować przejście przez 
punkt G1/S – hamować proliferację

–

białko p34 to kinaza CDK2

Cykliny aktywują kinazy cyklino-zależne.
Przykładem CDK2 cyklina 2 (jest niezbędny do regulacji replikacji DNA)

Zadania kompleksu CDK2 cyklina 2

–

jest niezbędny do regulacji replikacji DNA

–

kontrola przejścia z fazy G2 do M

Białko Rb (p110Rb)

–

inhibitor cyklu

–

może blokować przejście przez punkt G1/S

Białko p53

–

inhibitor cyklu

–

strażnik genomu

–

występuje w formie zmutowanej w około 50% nowotworów

Białko p34 (CDK2)

–

kinaza fosforylująca reszty seryny i treoniny wielu białek

–

ilość cząsteczek p34 jest stała podczas cyklu komórkowego

–

zaliczane   jest   do   grupy   kinaz   CDK   (kinaza   zależna   od   cykliny)   –   przejawia   aktywność   kinazy,   kiedy 
występuje w kompleksie z cykliną

Punkty kontrolny G1/S

–

gen kodujący białko p53 chroni komórkę przed przemianą w komórkę nowotworową

–

uszkodzenie DNA prowadzi do pobudzania kilku kinaz, które potrafią przyłączyć grupy fosforanowe do p53, 
który jako czynnik transkrypcyjny uruchamia odczytywanie innych genów regulujących cyklu np. p21

–

p21 odpowiada za zatrzymanie cyklu komórkowego na granicy faz G1/S

Punkt kontrolny replikacji DNA

–

występuje w fazie S

–

rozpoznaje

Punkt kontrolny G2/M

–

czynnik MPF czynnika indukujący mitozę – heterodimer CDK1/cyklina B (kinaza fazy M)

–

defosforylacja pre-MPF w aktywny MPF  - powoduje przejście cyklu komórkowego z fazy G2 do fazy M

–

kompleks kinazy CDK1 i cykliny B – indukujeprzejście

Punkt kontrolne w mitozie

–

punkt kontrolny profaza/metafaza

–

punkt kontrolny wrzeciona mitotycznego (metafaza/anafaza)

–

punkt kontrolny pomiędzy anafazą i telofazą

Cykliny

–

cykliny A,B (zwane mitotycznymi) oraz C, D i E

–

cyklina A syntetyzowana de novo od fazy G1 – jej stężenie rośnie w miarę upływu cyklu

–

cyklina C,D i E syntetyzowana są w tym samym czasie, cyklina B w fazie G2

–

maksymalne stężenie cyklin w metafazie/anafazie mitozy, następnie spada poprzez trawienie poprzez proteazy

Dokończenie cyklin oraz paru innych rzeczy będzie na przyszłym wykładzie...