CYKL KOMÓRKOWY

Nagroda Nobla

w dziedzinie fizjologii i medycyny

rok 2001

„for the key regulators of the cell cycle”

Paul M. Nurse (Imperial Cancer Research Fund, London UK)

R.Timothy Hunt (Imperial Cancer Research Fund, London UK)

Leland Hartwell (University of Washington, Seattle, USA)

Nagroda Nobla

w dziedzinie chemii

rok 2004

„for the discovery of ubiquitine –mediated

protein degradation”

 

Aaron Ciechanover (Israel Institute of Technology, Haifa)

Avram Hershko (Israel Institute of Technology, Haifa)

Irwin Rose (University of California, USA)

CYKL

ŻYCIOWY

CYKL KOMÓRKOWY

Jest to ściśle określona sekwencja etapów,

przez które przechodzi komórka od chwili

powstania do zakończenia podziału

CYKL MITOTYCZNY

Jest to zespół procesów molekularnych i

zmian strukturalnych w komórce

rodzicielskiej, zachodzących w ściśle

określonej kolejności i kierunku, których

skutkiem jest precyzyjne podwojenie i

rozdział materiału genetycznego pomiędzy

dwie komórki potomne

Cykl mitotyczny składa się z faz:

 

G1, S i G2 – interfazy

oraz z fazy

M -

mitozy

CYKL MITOTYCZNY

Interfaza=G1+S+G2

G1 faza wzrostu i intensywnego
metabolizmu komórkowego,
przedreplikacyjna naprawa DNA

S faza jednorazowej replikacji DNA
i syntezy białek histonowych

G2 faza wzrostu i syntezy białek
wrzeciona podziałowego,
naprawa zreplikowanego DNA

M faza mitozy

G

0

2C DNA (G1) 4C DNA
(G2)

• Komórki namnażające się, odnawialne, o charakterze

embrionalnym,
merystematyczne, macierzyste (G1)

• Komórki spoczynkowe, zdolne do ponownych podziałów (G0)

• Komórki zróżnicowane, ale zdolne do odróżnicowania i

ponownych podziałów

• Komórki zróżnicowane ostatecznie, niezdolne do ponownych

podziałów

• Komórki eliminowane na drodze apoptozy (zwierzęce) lub

programowanej
śmierci komórkowej (roślinne)

 

Kategorie losów komórek w organizmach

roślin i zwierząt

Dowód na to, że istnieją czynniki, które przełączają fazy cyklu

Fuzja komórek He-La

Do punktów kontrolnych należy regulacja i kontrola

przejścia komórki do
kolejnych faz cyklu dopiero po pomyślnym ukończeniu fazy

poprzedzającej

 

Punkt kontrolny późnej fazy

G1

kontroluje przejście

G1/S ,

zwany

START

lub

PUNKT RESTRYKCYJNY

Decyduje on o wejściu komórki do cyklu mitotycznego

Punkt kontrolny późnej fazy

G2

kontroluje przejście

G2/M

Decyduje on o wejściu komórki do fazy

Mitozy

Punkt kontrolny wrzeciona podziałowego kontroluje

przejście

Metafaza/Anafaza

Decyduje on o precyzyjnym rozdziale wszystkich chromatyd

siostrzanych
(chromosomów potomnych) do dwóch przeciwległych

biegunów komórki

PUNKTY KONTROLNE (ZWROTNE) CYKLU

MITOTYCZNEGO(CHECKPOINTS)

Przejście przez punkty kontrolne jest
realizowane dzięki aktywacji tzw. przełączników
molekularnych

Są to dimery złożone z:

KINAZ ZALEŻNYCH OD CYKLIN

(CDK

= Cyclin Dependent Kinases)

i

CYKLIN

Cykliny regulują aktywność enzymatyczną kinaz
– bez połączenia z cyklinami kinazy nie działają

 

Przełączniki molekularne w poszczególnych
fazach cyklu są kompleksami różnych

CDK

i

różnych

CYKLIN

Punkty kontrolne i sprzężenie zwrotne

w regulacji cyklu komórkowego

mitoza

„niezmontowane” wrzeciono

rozmiar komórki,

poziom metabolizmu,

uszkodzone DNA

synteza DNA

niezreplikowane lub

uszkodzone DNA

uruchamia następujące po sobie fazy cyklu

mitotycznego,

działając w punktach kontrolnych np. pomiędzy:

G1 / S

tzw.

SPF

(S-phase Promoting Factor)

G2 / M

tzw.

MPF

(M-phase Promoting Factor)

 

Jest dimerem składającym się z dwóch białek:

K I N A Z Y CYKLINOZALEŻNEJ

i

C Y K L I N Y

Dla każdej fazy cyklu charakterystyczne są różne kinazy

i różne cykliny

 Poziom kinaz podczas cyklu mitotycznego jest stały,

a cyklin zmienia się cyklicznie

PRZEŁĄCZNIK

MOLEKULARNY

MPF

SPF

Faza G1

• 

Wzrost komórki

• Synteza cyklin D i E
• Uzyskiwanie „licencji” chromatyny na replikację (ładowanie
na DNA

kompleksów OR i RLF)

• Kontrola i naprawa uszkodzeń DNA (białko p53 i p21)
• Fosforylacja białka RB przez SPF (punkt restrykcyjny)

       

Faza S

•

Jednorazowa replikacja DNA

• Synteza białek histonowych
• Ubikwitynacja i degradacja w proteasomach cyklin
fazy G1

• Usuwanie kompleksów RLF po zakończeniu syntezy
DNA w

replikonie

Faza G1

Powstawanie i ładowanie kompleksów OR i RLF

ORC

Origin of Replication Complex

RLF

Replication Licencing Factor
(Cdc6,Cdt1, M)

OR obecne podczas całego cyklu

RLF ładowane podczas G1, a
usuwane podczas S, po replikacji

czynnik wzrostowy

receptor (dimer)

środowisko zewnętrzne

cytoplazma

jądr
o

aktywacja czynników transkrypcyjnych

czynnik transkrypcyjny

gen cykliny D

wejście do fazy G1 i jej kontynuacja

ekspresja

genów

fazy S

Działanie CDK 4/6 / Cykliny D na
białko Rb

Inaktywacja czynnika transkrypcyjnego

E2F poprzez związanie go z białkiem Rb

Uwolnie
nie
czynnik
a E2F

Blokada inicjacji fazy S przez p53

DNA

p53 wiąże się z
DNA
i aktywuje
transkrypcję
genu p21
(inhibitor cyklin D
i E)

Wzrost poziomu i aktywacja
Białka p53 (czynnik transkrypcyjny)

uszkodzone DNA

brak fazy S

p21 blokuje aktywność
kompleksu
i CDK4/6 Cyklina D

Cyklina D

cdk 4/6

Kinaza Cdk4

(niebieska)

/ cyklinaD

(fioletowa)

zablokowane

przez bialko inhibitorowe p21

(żółty)

Faza G2

Wzrost komórki

Synteza cykliny B

Synteza białek aparatu mitotycznego (tubuliny )
Kontrola prawidłowości zreplikowanego DNA (białko p53

i p21))

Aktywacja MPF przez cdc25 fosfatazę

 Faza M

Powstanie dwubiegunowego wrzeciona mitotycznego

Kondensacja i ruchy chromosomów mitotycznych
zależne od MT

Rozproszenie i ponowne odtworzenie otoczki
jądrowej i jąderka

Inaktywacja MPF (Metafaza/Anafaza) i ubikwitynacja
i degradacja w

proteasomach sekuryny, cykliny A

Ubikwitynacja i degradacja cykliny B – wyjście z
mitozy

MPF = CDK1 + Cyklina B

CDK1

jest składnikiem enzymatycznym dimeru

(fosforyluje inne białka enzymatyczne, strukturalne,

regulatorowe

itp.)

Synonimy CDK1:

p34

(bialko o c.cz. 34 kD)

Cdc2,

ponieważ jest kodowana przez gen Cdc 2

(cell division cycle) 

gen Cdc 2 –

to jeden z najstarszych i szczególnie

konserwowanych

genów w ewolucji, prawie

niezmieniony od 500 mln lat

C y k l i n a

B

jest białkiem regulatorowym

jest kodowana przez gen Cdc13

Cyklina

cdc13

reguluje aktywność

kinazy cyklinozależnej

cdc2

Charakterystyka MPF (Nagroda Nobla 2001)

 

 

 

Aktywny MPF:

CDK1 jest zdefosforylowana przez fosfatazę Cdc25

przy resztach aminokwasowych tyrozyny 15 (Tyr15) i treoniny 14

(Thr14)

Cyklina B – maksimum koncentracji

Aktywny MPF fosforyluje następujące białka strukturalne:

 

   Histony - skutkiem jest kondensacja chromosomów od profazy do

metafazy

 

Laminy blaszki jądrowej - skutkiem jest fragmentacja otoczki jądrowej

w profazie

 

Białka MAP - skutkiem jest powstanie wrzeciona mitotycznego

 

      Nukleoliny - skutkiem jest rozproszenie jąderka w profazie

 

 

MPF jest aktywny w przejściu G2/M

MPF jest inaktywowany w

przejściu

Metafaza/Anafaza,

degradacja cykliny B w

anafazie

Zależność pomiędzy poziomem cykliny B i
aktywnością MPF

Cyklina B

próg

aktywność MPF

Aktywacja i inaktywacja MPF

Aktywacja: Cdc25C = fosfataza białkowa,
defosforylacja przy tyr15 i thr14
Inaktywacja: Wee1 = kinaza inaktywująca,
fosforylacja przy tyr15 i thr14

Punkt kontrolny G2/M

DNA

Błąd w
replikacji

synteza

sekwestracja

cdc
25

jądro
interfazowe

metafaza

wczesna
telofaza

MPF aktywny

MPF
nieaktywny

Uszkodzenie DNA – odpowiedź komórki

______________________ __________________________________
______________________ __________________________________

ATRIP / Rad26

sensor

ATM / ATR (kinazy)

p53 chk1 (kinaza)

przekaźnik

apoptoza

p21

Cdc25C

Cdc25A

CyklinaD/CDK4/6 CyklinaB/CDK1

efektor

(SPF) (MPF)

__________________________________________________

G1 S G2 M

_______________________________________

3’

3’

5’

5
’