Temat: Cykl komórkowy i mechanizmy jego regulacji.
Cykl komórkowy jest to szereg zmian biofizycznych i biochemicznych zachodzących pomiędzy jednym podziałem mitotycznym a drugim. Obejmuje więc replikację i podział na dwie nowe komórki.
Podstawową funkcją cyklu komórkowego jest:
-dokładne podwojenie zawartości DNA w chromosomach
-precyzyjne rozmieszczenie ich kopii w genetycznie identycznych komórkach potomnych.
Fazy cyklu komórkowego:
-pełny cykl= G1+S+G2+M
-Cykl skrócony=S+G2+M
-cykl typu=S+M
Czas trwania cyklu komórkowego:
-bakterie-ok. 30 min
-komórki larw owadów- 8 min
-komórki wczesnych stadiów rozwoju zarodkowego u ssaków – 4-12 godz.
Fazy cyklu komórkowego:
Faza G1:
-od końca mitozy do rozpoczęcia syntezy DNA
-komórki są 2-krotnie mniejsze niż komórka macierzysta
-intensywne procesy anaboliczne
-w efekcie prowadzi to do wzrostu masy i objętości komórki
b) faza S:
-podwaja się ilość DNA przypadająca na jądro
-replikacji ulega niemal cały jądrowy DNA- tzw. Programowana synteza DNA –według sposób semikonserwatywnego
-w fazie tej zachodzi synteza histonów
Synteza DNA rozpoczyna się w kilkunastu tysiącach punktów startowych replikacji DNA i trwa 6-8 godz. DNA chromatyny rozproszonej (euchromatyny) replikowany jest wcześniej, a chromatyny skondensowanej ( heterochromatyny) później. 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.
c)Faza G2:
-zachodzi synteza białek wrzeciona podziałowego głównie tubuliny
-synteza składników potrzebnych do odtwarzania błon otoczki jądrowej i plazmolemmy
-syntetyzowane są białka regulatorowe, odpowiedzialne za przejście komórki w mitozę
d) faza M:
-proces podziału komórki, któremu towarzyszy precyzyjne rozdzielenie chromosomów do dwóch komórek potomnych
-w wyniku mitozy powstają komórki, które dysponują materiałem genetycznie identycznym z komórką rodzicielską
- dzieli się na kariokinezę i cytokinezę
-kariokinezę dzieli się na: profazę, metafazę, anafazę, telofazę
Regulacja cyklu komórkowego: odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji białek.
Fosforylacja:
-fosforylacja katalizowana jest przez różnorodne kinazy białkowe tzw. Kinazy cyklino-zależne (Cdk)
-ich aktywność zależy od zestawu białek kontroli – cyklin
-cykliny nie mają aktywności białkowej
-ich połączenie powoduje, że kinazy zyskują aktywność enzymatyczną
-poziom cyklin zmienia się cyklicznie w cyklu komórkowym
Substratami kinaz białkowych są różne białka jądra i cytoplazmy. Najczęściej fosforylowanymi aminokwasami są tyrozyna i treonina. Kinazy białkowe są obecne w komórkach dzielących się podczas całego cyklu. Defosforylacja katalizowana jest przez fosfatazy. Rb- gen supresorowy, a p21, INK4A, p16- inhibitor aktywności kinaz cyklino zależnych .
Aktywność cyklin i kinaz cdk w różnych fazach cyklu komórkowego:
-faza G1 cyklina D –cdk4
-faza G1/S cyklina E-cdk2
-faza S cyklina A-cdk2
-faza G2/M cyklina A-cdk1(cdk2)
-faza G2/M cyklina B-cdk1
Podłoże molekularne chorób nowotworowych.
Nowotwór złośliwy można określić jako wynik kumulacji błędów genetycznych w komórce prawidłowej, która przestaje podlegać normalnym mechanizmom kontrolującym wzrost i zróżnicowanie komórek.
W chorobie nowotworowej uszkodzenia DNA takie jak:
-delecje
-translokacje
-amplifikacje
-insercje
-mutacje punktowe
Dotyczą genów zaangażowanych w kontrolę wzrostu i/lub różnicowania komórkowego.
Karcinogeneza jest procesem wieloetapowym, który poprzedza inicjacja transformacji na poziomie pojedynczej komórki. Efektem końcowym jest pełne rozregulowanie aparatu genetycznego, mechanizmów homeostazy, a w konsekwencji zniszczenie całego organizmu. Przyjmując wieloetapowy charakter karcinogenezy można uznać, że pojedyncze onkogeny nie wystarczają do wywołania pełnej transformacji nowotworowej. Podstawowe znaczenie w transformacji nowotworowej komórki ma inaktywacja genów supresorowych i aktywacja protoonkogenów. Protoonkogeny są to geny ulegające ekspresji w komórkach prawidłowych. Mają stałą lokalizację w chromosomach. W komórkach prawidłowych stanowią ok. 1% wszystkich genów. Spełniają podstawową rolę w regulacji procesów wzrostu, różnicowania i dojrzewania komórek. Stają się onkogenami na skutek przynajmniej punktowej zmiany sekwencji DNA.
Mechanizmy aktywacji protoonkogenów:
-mutacja punktowa w obrębie protoonkogenu powoduje zmianę informacji dotyczącej kodowania białek. Zmienione białko może indukować jedną lub więcej zmian związanych z rozwojem nowotworu.
-amplifikacja- polega na zwielokrotnienie liczby kopii genów. Liczba kopii niektórych genów w nowotworach wynosi kilka, kilkadziesiąt, a nawet ponad 100 kopii genu.
-translokacja- polega na przemieszczeniu protoonkogenu w miejsce chromosomowe objęte działaniem regulacji ekspresji innego genu (np. chłoniak Burkitta- pomiędzy chromosomem 8 a 14 i bierze tu udział protoonkogen MYC)).
-insercja- polega na wbudowaniu w rejon poprzedzający protoonkogen lub w rejon przylegający, silnych sygnałów transkrypcyjnych typu promotorów lub tzw. Sekwencji wzmacniającej transkrypcję.
Onkoproteiny, kodowane przez onkogeny, dzielą się na jądrowe i cytoplazmatyczne. Na podstawie lokalizacji oraz strukturalnych i czynnościowych właściwości białkowych produktów onkogenów dokonano podziału onkogenów na 7 klas.
Geny supresorowe – antyonkogeny:
Białkowe produkty genów supresorowych są negatywnymi regulatorami cyklu komórkowego. Zatrzymują cykl w przypadku pojawienia się uszkodzenia DNA. Inaktywacja genu supresorowego wiąże się z unieczynnieniem obu alleli genu – tzw. Utrata heterozygotyczności. Przykłady TP53, Rb, p16INK4A, p21WAF1.
Teoria dwóch uderzeń = utrata heterozygotyczności = teoria Krudsona
Gen TP53: molekularny strażnik genomu, reguluje funkcje wielu istotnych genów w cyklu komórkowym, między innymi genów które prowadzą do apoptozy, zmutowany w 80% ludzkich nowotworów
Gen supresorowy mutacja inaktywująca komórka ulegająca transformacji mutacja aktywująca protoonkogen komórkowy (infekcja onkogen wirusowy)
Komórka prawodłowa inicjacja promocjaprogresjaguz złośliwy przeżuty
Guz łagodny
Kancerogeneza chemiczna
Podział czynników rakotwórczych:
- genotoksyczne - czynniki wywierają bezpośredni wpływ na materiał genetyczny. Są to czynniki bezprogowe, czyli takie, dla których nie można bezpiecznie określić stężenia (progu) nie powodującego żadnych zmian w organizmie. Dzielą się na bezpośrednie(wiążące się z materiałem genetycznym z DNA komórki) i pośrednie(prekancerogeny; nie wiążą się z DNA komórki, ale ich metabolity są bezpośrednimi kancerogenami). Również dzielimy na: egzogenne (związki obecne w powietrzu, dymie papierosowym, w produktach żywnościowych naturalnych i poddanych obróbce termicznej piroloza aminokwasów – heterocykliczne aminy aromatyczne o działaniu mutagennym, kancerogennym i teratogennym; promieniowanie; izotopy radioaktywne; patogeny bakteryjne i wirusowe) i endogenne ( wolne rodniki tlenowe –uszkodzenia zasad azotowych reszt cukrowych i rozerwanie wiązań fosfodiestrowych, tworzenie wiązań krzyżowych w DNA; aldehydy i inne produkty peroksydacji lipidów; jony metali).
-epigenetyczne- nie wiążące się z materiałem genetycznym, ale zaburzające równowagę hormonalną, procesy różnicowania się komórek itp. Dla czynników tych można ustalić wartość progową po przekroczenia której mogą wystąpić zmiany w organizmie. Należą tu: hormony (estradiol), czynniki immunosupresyjne- stymulające rozwój nowotworów zwłaszcza indukowanych przez wirusy. Dzielimy na: kancerogeny(podawane równocześnie zwiększają prawdopodobieństwo zadziałania kancerogenów bezpośrednich lub pośrednich) i promotory (same nie mają działania kancerogennego, ale stosowane po zakończeniu narażenia na kancerogeny zwiększają skutki ich działania).
Główne karciongeny chemiczne:
Karcinogeny działające bezpośrednio: czynniki alkilujące ( wprowadzają grupy alkilowe –guanina i adenina – depurynizacja DNA – tranzycja, transwersja); czynniki acylujące (1-acetyloimidazol)
Prokarcinogeny wymagające aktywacji metabolicznej: węglowodory aromatyczne, policykliczne i heterocykliczne; aminy aromatyczne, amidy, barwniki azowe; inne – azbest, arsen.
Karcinogeny biologiczne: przywra krwi – zwiększone ryzyko raka pęcherza moczowego, ze względu na zwiększoną proliferację nabłonka; helicobacter pylori – zwiększone ryzyko chłoniaka i raka żołądka; wirusy onkogenne – HSV, HPV, HBV, HCV, EBV, HTLV-1, HIV