Regulacja cyklu komórkowego

Podziały komórkowe

Biologia

Molekularna

i Genetyka

Ogólna

I rok

Biotechnologii

Maria Wideł

[e-mail]

Cykl komórkowy /cykl mitotyczny /cykl podziałowy/

cykl życiowy

Jest to szereg zachodzących po sobie zmian chemicznych,
fizycznych i strukturalnych, które prowadzą

do

podwojenia materiału genetycznego i jego precyzyjnego
rozdziału między komórki potomne.

Obejmuje dwa główne etapy:

-mitozę

(podział)

-interfazę

(okres międzypodziałowy).

Przebieg cyklu komórkowego

G

0

–

faza spoczynkowa;

dojrzewanie i końcowe
różnicowanie (miesiące-

lata) (komórki narządów
miąższowych)

Mitoza =0,5-3 godz

2-4 godz

6-8 godz

6-15 godz

Faza syntezy DNA /
replikacja/duplikacja

Komórki po podziale są

o połowę

mniejsze niż

komórka macierzysta

przed wejściem w stadium mitozy,
ale zawierają

cały zestaw genów

jaki miała komórka matka

G

0

Komórki larw owadów: 8 min

Bakterie: ~30 min

Komórki wczesnych stadiów rozwoju
zarodkowego ssaków: 4-12 godz

Większość

komórek ssaków: ~24 godz

wyjątki -

komórki narządów wewnętrznych

ssaków, np. trzustki: nawet rok

Czas trwania cyklu
komórkowego:

Regulacja cyklu komórkowego

Przechodzenie przez cykl komórkowy jest regulowane
przez fosforylację

pewnych białek przez kinazy zależne od

cyklin (CDK, cyclin dependent kinases).

Kinazy te zaś

są

aktywowane przez cykliny. Fosforylacja

cząsteczki CDK w jednej pozycji może prowadzić

do

aktywacji kompleksu cyklina/CDK, fosforylacja w innych
może hamować

jego aktywność.

Regulacja cyklu komórkowego-punkty kontrolne

(checkpoints), cykliny i kinazy cyklinozależne (CDK)

Punkt restrykcyjny
(kontrolny) G1/S

Cyklina A & CDK2

Punkt

kontrolny G2

Punkt kontrolny
wrzeciona
podziałowego

Cyklina E & CDK2

Cykliny D1, D2,
D3 & CDK4,
CDK6

Cyklina B, A & CDK1

Faza G1 (przerwa 1; ang. Gap 1)

‰ Następuje po zakończeniu mitozy; trwa od kilku do
kilkunastu godzin

‰

W fazie G1 zachodzi synteza RNA i białek

(strukturalnych, regulatorowych cyklu, enzymatycznych
napędzających cykl). Faza ta jest podatna na czynniki
zewnętrzne (np. czynniki wzrostowe).

‰ W odpowiedzi na stymulujące działanie czynników
wzrostu, w komórce zaczyna się wzmożona produkcja
cyklin D (D1, D2, D3).

Onkogeny i geny supresorowe zaangażowane w regulacją

cyklu kom.

Regulacja cyklu komórkowego

c.d.

BiałkoRB = wrota cyklu komórkowego.

Produkt genu RB, białko RB (będąc w kompleksie z czynnikiem

transkrypcyjnym

E2F zatrzymuje komórki w fazie G1 hamując

transkrypcję

genów, których produkty białkowe są

potrzebne do

przejścia z fazy G1 do S.

Ufosforylowane białko RB jest nieaktywne, uwalnia więc białko

E2F,

które

łączy się

z promotorami wielu protoonkogenów

wzbudzając

transkrypcję

i syntezę

ich białkowych produktów napędzających cykl

(cykliny E, kinazy CDK1, polimerazy RNA a także swego genu E2F).

Regulacja cyklu komórkowego

Białko p53

jest czynnikiem transkrypcyjnym, który ulega aktywacji

pod wpływem różnych czynników stresujących, uszkadzających DNA.
Aktywowany p53 hamuje komórki w fazie G1 pozwalając na naprawę

DNA, a gdy jest zbyt duże uszkodzenie kieruje komórkę

na drogę

apoptozy.

Białka z rodziny p21(p27, p57) i białka z rodziny INK4
(p15, p16, p18, p19)

są

także inhibitorami cyklu działającymi na

różnych etapach poprzez hamowanie tworzenia kompleksów
cyklina/CDK

Faza G1 (przerwa 1; ang. Gap 1)

‰

Cykliny

D (D1, D2, D3).

działają w kompleksach z ich

katalitycznymi partnerami, kinazami CDK4 i CDK6.

‰

Aktywność tych kompleksów jest najwyższa w połowie fazy G1.

‰ Przenoszą one reszty fosforanowe z ATP na odpowiednie
substraty, głównie białko RB (pRb) i białka z rodziny pRb (p107,
p130).

‰

Inaktywacja pRb (przez fosforylację) i szybki przyrost

aktywności cykliny E i czynnika E2F prowadzi do
pokonania przez komórkę granicy między fazą G1 i S.

Synteza DNA (replikacja DNA, faza S)

‰ Synteza DNA rozpoczyna się (niejednocześnie) w kilkunastu tysiącach

punktów startowych replikacji DNA (origin) i trwa 6-8 godz.

‰ DNA chromatyny rozproszonej (euchromatyny) replikowany jest

wcześniej, a ch. skondensowanej (heterochromatyny) później.

‰ Z każdego punktu startowego synteza biegnie dwukierunkowo z

prędkością 10-100 nukleotydów/s.

‰ Syntezę przeprowadzają kompleksy enzymatyczne zwane replikonami

(helikaza i polimerazy alfa i delta; koenzym polimerazy delta - PCNA).

‰ Syntezy telomerów dokonuje enzym telomeraza.

‰ DNA siostrzanych chromatyd jest łączone za pomocą specjalnych białek

jeszcze w fazie S i w takiej postaci pozostaje przez fazę G2 i w mitozie
poprzez profazę, metafazę aż do anafazy.

‰ W fazie S działają kompleksy cyklina E/CDK2 i cyklina

A/CDK2.

Regulacja cyklu komórkowego-punkty kontrolne

(checkpoints), cykliny i kinazy cyklinozależne (CDK)

Punkt restrykcyjny
(kontrolny) G1/S

Cyklina A & CDK2

Punkt

kontrolny G2

Punkt kontrolny
wrzeciona
podziałowego

Cyklina E & CDK2

Cykliny D1, D2,
D3 & CDK4,
CDK6

Cyklina B, A & CDK1

Faza G2 (przerwa 2, gap 2)

‰ Rozpoczyna się po zakończeniu replikacji DNA i trwa do wejścia w

mitozę (2-4 godz.).

‰ Synteza RNA i białek regulatorowych i enzymatycznych

niezbędnych do wejścia w mitozę.

‰ Syntetyzowana jest nowa błona komórkowa (potrzebna w czasie

cytokinezy).

‰ Komórki muszą pokonać punkt kontrolny G2. Komórki mające np.

błędy powstałe podczas replikacji są zatrzymywane w fazie G2.
Powstaje około 1 błąd/10

7

nowo dobudowanych nukleotydów (po

korekcie 1/10

9

).

‰ Cyklina A wchodzi w połączenie z CDK1.

‰ Heterodimer CyklinaA-CDK1 fosforyluje Histon H1 i przeprowadza

komórkę do fazy M.

‰ Cykliny B (B1, B2) tworzą kompleksy z CDK1, które będą

kontrolowały przebieg mitozy.

Indukcja uszkodzeń

DNA

Rozpoznanie uszkodzenia

detectors

Nekroza

/ Apoptoza

G2

G1

S

M

Zatrzymanie

cyklu

komórkowego

effectors

Czynniki

uszkadzające

DNA a regulacja cyklu

apurynacja; oksydacyjne

modyfikacje zasad; SSB,

DSB

,

addukty DNA; wiazania

poprzeczne

ATM, Chk2, Ku70, Ku80,

BRCA1, XPC-R23

p53

,

MDM2, Rb, p21,

BRCA2, DNA-PK, Rad51,

NBS1/Mre11/RAD50, Bcl2,

Bax

Systemy aprawcze DNA

(BER, NER, NHEJ, HR, MMR)

przeżycie

śmierć

Regulacja CDK
przez rozpad cyklin.

Dwa typy kompleksów :

włączający fazę

S i

włączający fazę

M.

W obu przypadkach
aktywacja Cdk wymaga
przyłączenia cyklin jak i
fosforylacji i defosforylacji,
a ich inaktywacja zależy od
rozpadu cyklin.

Kompleksy fazy S:
cyklina E/ CDK2
cyklina A/CDK2.

Kompleks fazy M:
cyklina B/CDK1

Kontrola cyklu przez

p53

(fazaG1/S)

●

Gdy DNA zostanie

uszkodzony, zwiększa się

ilość

białka p53 i ulega ono aktywacji.

●

Zaktywowane p53 zwiększa

transkrypcję

genu kodującego

p21, które jest inhibitorem Cdk.

●

Białko p21 wiąże się

z

kompleksami cyklina-Cdk fazy
S i inaktywuje je, przez co
zatrzymuje cykl komórkowy w
fazie G1.

Kontrola liczby komórek w organizmie

wielokomórkowym

Cykliny D (D1,
D2, D3).

CDK4 i

CDK6.

cyklina E

/ CDK2

cyklina A

/CDK2.

cyklina B

/CDK1

cyklina

A

/CDK1

Kontrola liczby komórek i proliferacji odbywa się

także za

pośrednictwem wzajemnego oddziaływania komórek sąsiadujących

(regulacja parakrynna)

Regulacja cyklu komórkowego przez czynniki wzrostu

(defosforylowane Rb)

W niektórych komórkach występuje nadekspresja receptorów dla

czynników wzrostu

Regulacja proliferacji-przekazywanie sygnałów

•

Ligandy:

neuroprzekaźniki, czynniki wzrostu, nukleotydy,

peptydy, białka

•

Receptory transbłonowe:

-

RPTK –

receptory o aktywności kinazy tyrozynowej

(EGFR, PDGFR, FGFR, VEGFR, RET, NGFR, INSR)

Wśród receptorów EGFR:
ErbB1 (EGFR/HER1)

ErbB2 (ErbB2/HER2/Neu)

ErbB3/HER3
ErbB4/HER4

Czynniki

wzrostowe,

cytokiny, stres

RPTK-

Szlaki

przekazywania

sygnałów

jądro

Receptor
błonowy

Szlak kinaz aktywowanych
mitogenami

(MAP kinases):

Grb2 (growth factor

receptor bound

2), Shc

(Src

homology/collagen

homology), Ras (rat sarcoma), Sos
(son of

sevenless), Ras-GTP

(Ras

specific

GTPase

activating

protein,

Raf/MAPKKK (MAPK kinase

kinase), MEK/MAPKK
(MAPK/ERK kinase), ERK/MAPK
(extracellular

signal

regulated

kinase/mitogen

activated

protein

kinase),ELK, Ets, Jun, Sap-czynniki
transkrypcyjne;

PI3K (phosphatidyl/inositol-3;kinase),
PKB (protein kinase

B, Bad (Bcl2

antagonist

of

cell

death, S6K (ribosomal

S6

kinase);
PLCy

(phosfolipase

Cy), PKC (protein

kinase

C);

JAK (Janus Kinase), STAT (signal

transducer

and

activator

of

transcription;

Niereceptorowa

kinaza

tyrozynowa

Src

(sarcoma)

Przekaźniki komórkowe

•

Każdy z receptorów wiążąc się

ze specyficznym

ligandem przekazuje sygnał

na określone białka

cytoplazmatyczne:

•

Rodzina kinaz MAP

(mitogen

activated

kinases)

aktywowane są

za pośrednictwem cytoplazmatycznych białek

adaptorowych

i tzw. małych białek G

- ERK- aktywują

białko Ras

-

JNK/SAPK

Inhibitory cyklu (CKI) mogą

hamować

cykl w różnych fazach.

Lokalizacja czynników kontrolujących cykl komórkówy

w przedziałach komórki

Choroby proliferacyjne wynikające z zaburzeń

cyklu

komórkowego

Choroby nowotworowe

(nadmierna, niekontrolowana

proliferacja, zbyt łatwe przechodzenie przez punkt restrykcyjny
G1 w wyniku różnych defektów cyklu).

Np. W raku sutka, którego występowanie jest regulowane
przez pobudzenie receptorów dla estrogenów

(czynników

transkrypcyjnych) w 50% przypadków wytwarzana jest w
nadmiarze cyklina D1.

Działa ona jako aktywator kinaz CDK4/6
przeprowadzających komórkę

przez fazę

G1 i punkt

restrykcyjny G1/S, oraz współdziała z receptorami
estrogenów.

Choroby proliferacyjne wynikające z zaburzeń

cyklu

komórkowego

Choroby sercowo-naczyniowe

(pierwotne źródło miażdżycy

naczyń

i restenozy, to nadmierna proliferacja komórek

mięśniowych).

Mikrourazy komórek sródbłonka naczyń

wywołane

cisnieniem krwi prowadzą

do powstawania agregatów

płytek krwi wydzielających PDGF. Ta cytokina pobudza
proliferację

miocytów, które tworzą

guzki w błonie

wewnętrznej naczyń. Guzki te ulegają

degeneracji i

zwapnieniu tworząc tzw blaszki miażdżycowe.

Choroby proliferacyjne wynikające z zaburzeń

cyklu

komórkowego

Choroby wirusowe (Human Papiloma Virus, HPV).

Np. rak szyjki macicy i nowotwory regionu głowy i szyi
mogą

współistniec z wirusami brodawczaków ludzkich. W

komórkach wirusy te hamują

białka p21 i p27, które są

inhibitorami kinaz cyklinozależnych, prowadzą

też

do

degradacji białka p53 oraz niszczą

połączenia między

białkiem Rb a czynnikiem transkrypcyjnym E2F, który to
kompleks hamuje działanie czynnika transkrypcji E2F.

Wejście komórek w fazę

mitozy zależy od aktywności

kompleksu MPF (M-phase Promoting Factor)

MPF –

kompleks cyklina/kinaza

Mechanizm regulacji aktywności MPF

Cyklina MPF jest konieczna do aktywacji kinazy MPF a także
fosforylacja i defosforylacja kinazy z udziałem fosfatazy. Zaktywowany
kompleks aktywuje następne kompleksy –

obserwujemy gwałtowny

wzrost aktywności przed wejściem w fazę

M.

Kinaza MPF fosforylując odpowiednie białka powoduje kondensację

chromosomów, rozpad otoczki jądrowej, rozpad mikrotubul szkieletu i
ich reorganizację

we wrzeciono podziałowe.

rejon centromerowy

chromosomu

kinetochor

mikrotubule
kinetochorowe

c: zreplikowany chromosom

Składa się

z 2 chromatyd

(identycznych kopii) złączonych
w centromerze, które rozłączają

się

w anafazie

Chromatydy

siostrzane

ramię

długie q

ramię

krótkie p

a

b

c

Chromosom mitotyczny

:

a

;

skaningowa mikrofotografia

elektronowa chromosomu ludzkiego;
przewężenie to rejon centromerowy

b

;

obraz z mikroskopu

fluorescencyjnego, na czerwono
wybarwiony

kinetochor

(kompleksy

białkowe) za pomocą

przeciwciał

monoklonalnych (pochodzących od
chorych na Scleroderma pigmentosum)

Zestaw chromosomów człowieka

Schemat komórki w interfazie

Zdekondensowane
chromosomy w jądrze
komórkowym

Otoczka
jądrowa

Zreplikowany centrosom

Chromosomy interfazowe: chromatyna w stanie
rozproszonym (DNA jest dostępny do transkrypcji)

Błona

komórkowa

Cytozol

Mikrotubule

interfazowe

Jąderko

Odtworzenie mikrotubul
odchodzących promieniście od
centralnie położonego
centrosomu

Mejoza/Podział

redukcyjny

Mejoza -

dwa podziały komórkowe;

Podział

I mejozy:

zreplikowana matczyna i ojcowska
kopie chromosomu połączyły się

w

parę

tworząc

biwalent

zawierający

cztery chromatydy (tzw. połączenie
synaptonemalne)

profaza

c.d...

zreplikowany

zreplikowany

46 dwuchromatydowych

chromosomów

Zjawisko crossing-over –

żródło zmienności cech

Chromatydy

Struktura
Holliday’a
(Holliday
junction)

Chromosom z wymienionymi
fragmentami genomu

Podział

I mejozy c.d.

metafaza

/ anafaza

W anafazie następuje

zredukowanie do połowy liczby chromosomów

przechodzących do obu komórek.

Telofaza

oraz interfaza między I i II podziałem praktycznie nie

występuje!

Ten etap jest już

profazą

drugiego

podziału mejozy

diakineza

23

23

Podział

II mejozy

BEZ KOLEJNEJ
REPLIKACJI DNA I BEZ
WYRAŹNEJ INTERFAZY
NASTĘPUJE DRUGI
PODZIAŁ

MEJOTYCZNY!

W wyniku mejozy z
jednej komórki
diploidalnej (46 ch, 2N)

powstają

cztery gamety

zawierające pojedynczy
zestaw chromosomów
(haploidalne, 23 ch, 1N)

Metafaza II

anafaza II

Porównanie metafazy w

mitozie i mejozie

mitoza

mejoza

Podczas mitozy

zreplikowane matczyne (M) i ojcowskie (O) chromosomy

ustawiają

się

losowo w płytce metafazowej.

Podczas mejozy

zreplikowane matczyne (M) i ojcowskie (O) chromosomy

homologiczne łączą

się

w pary tworząc

biwalent

(jeszcze w profazie).

Biwalenty zostają

przyczepione do wrzeciona mejotycznego i ustawiają

się

w płytce metafazowej. Dalej w anafazie następuje rozdział

chromosomów

homologicznych ....

Pęcherzyk jajnikowy

pierwotny

Pęcherzyk jajnikowy

początek wzrastania

Pęcherzyk jajnikowy

wzrastający

Cykl jajnikowy (hormony gonadotropowe przysadki)

Miejscem rozpoczęcia mejozy są

wyspecjalizowane komórki narządów

rozrodczych (owogeneza)

Pęcherzyk jajnikowy dojrzewający

Podział

redukcyjny i utworzenie komórki jajowej

haploidalnej (oocytu II rzędu)

Pod koniec dojrzewania owocyt

I rzędu ulega podziałowi
redukcyjnemu, tworząc oocyt II
rzędu i ciałko kierunkowe I.

Natychmiast po powstaniu
owocyt

II rzędu rozpoczyna

następny podział

dojrzewania,

który zatrzymuje się

w stadium

metafazy.

W tym stadium

owocyt

II rzędu dostaje się

do

jajowodu.

Dopiero po wniknięciu
plemnika dokonuje podziału na
komórkę

jajową

dojrzałą

i na

ciałko kierunkowe II.

Wtedy następuje kariogamia

Zapłodnienie,

implantacja

i inwolucja pęcherzyka

jajnikowego (Graafa)

Spermatogeneza w krętych cewkach nasiennych jąder

1-spermatogonie

(kom.

macierzyste unipotencjalne)

2-podział

mitotyczny

3-spermatocyty I rzędu

4-podzial mejotyczny I

5-spermatocyty II rzędu
przed drugim podziałem
mejotycznym

6-spermatydy

7-plemniki (spermie)

8-jądro komórki podporowej
(Sertolego)

Czas cyklu; 2-3 dni

•

W wyniku nieprawidłowej mejozy

może nie dojść

do

rozdziału chromosomów homologicznych -

powstają

gamety o zmniejszonej/zwiększonej liczbie danego
chromosomu (monosomie, polisomie).

•

Konsekwencje:

śmierć

zarodka lub choroby

genetyczne: zespół

Downa (trisomia chr.21),

Aberracje allosomów: zespół

Turnera (45,X),

zespół

Klinefeltera (47, XXY, 47,XXXY, 47, XXXXY)

Zjawisko nondysjunkcji

Symetryczny i asymetryczny podział

komórki

Podział

mitotyczny komórki ma charakter

symetryczny, gdy obie powstające

komórki są

identyczne pod każdym względem (A).

Podział

asymetryczny

polega na zróżnicowanym rozdzieleniu cytoplazmy

(materiał

genetyczny jest identyczny), (B).

Jedna z komórek potomnych jest identyczna jak komórka-matka, druga
różnicuje się

(przykład –

podział

komórek

macierzystych multipotencjalnych)

A

B

PODZIAŁ

ASYMETRYCZNY

Różnice jakościowe dotyczyć

mogą

obecności

zlokalizowanego determinanta (kolor niebieski ), (A),
lub jego stężenia, gdy jego rozmieszczenie jest
gradientowe (B)

A

B

Asymetryczny podział

komórek związany z róznicowaniem

U

robaka obłego Caenorhabditis elegans

w

komórce jajowej przed zapłodnieniem są

równomiernie rozmieszczone ziarnistości

(determinanty cytoplazmatyczne)

W czasie zapłodnienia zostają

przemieszczone do jednego z biegunów
zygoty, a w procesie bruzdkowania są

dzielone nierównomiernie do blastomerów.

Komórki potomne pozbawionej tego
determinanta komórki wyjściowej będą

komórkami somatycznymi, zaś

potomstwo

tej drugiej będzie tworzyło populację

komórek płciowych.

Proces zapłodnienia jaja ludzkiego

Penetracja komórki jajowej

przez plemnik

Komórka jajowa już

zapłodniona

(widoczne 2 jądra przed kariogamią)

Zarodkowe komórki macierzyste-embrionic stem cells

ectoderm

mesoderm

endoderm

primordial
germ cells

ICM-komórki masy wewnętrznej;
Trophectoderm-warstwa odżywcza (przekształci się

w łożysko)

K.m. układu
nerwowego

Komórki totipotencjalne

Totipotent stem cell. (pełnopotencjalna
k.m) może różnicować

się

w każdy typ

komórek organizmu oraz komórki łożyska

Hierarchia komórek macierzystych

Pluripotent s.c. (wielopotencjalna) może
dać

początek każdemu typowi komórek za

wyjątkiem komórek totipotencjalnych i
komórek łożyska

Multipotent s.c.

(wielo-

potenjalna tkankowa) może
dać

początek komórkom

pochodzącym z jednego listka
zarodkowego i ma mniejszy
zakres samoodnawiania się

Unipotent stem

cells

(jednopotencjalna)
może wytworzyć

tylko

jeden typ komórek

Hematopoe-

tyczne k.m.

Mezenchyma-

tyczne k. m.

Progenitorowe
k.mięśnia serc.

Progenitorowe
k.płciowe

K.m. układu
nerwowego

K.m. skóry

Progenitorowe
k.płciowe

K.m. układu
pokarmowego

Komórki macierzyste skóry i odnowa komórek

nabłonkowych/podział

asymetryczny

k.macierzysta skóry

(unipotencjalna)

Komórki macierzyste
ulokowane w warstwie
podstawnej naskórka dzielą

się, tracą

kontakt z błoną

podstawną

i migrują

w górę

jednocześnie różnicując się.

Ostatecznie ulegają

specyficznej śmierci (tracą

jądro i złuszczają

się)

Czas życia komórek
nabłonka: 7-10 dni !

Komórki macierzyste

(unipotencjalne)

Komórki macierzyste krypt jelitowych

dzieląc się

uzupełniają

ubytki

złuszczających się

komórek

nabłonkowych, ale jednocześnie

samoodnawiają

się.