CYKL KOMÓRKOWY

Jest to szereg zmian biofizycznych i biochemicznych komórki zachodzących między końcem jednego i końcem następnego podziału. Składa się on z interfazy, czyli okresu między podziałami, oraz samego podziału, czyli mitozy lub mejozy. W interfazie zachodzi podwojenie materiału genetycznego, zaś w czasie mitozy podwojony materiał genetyczny jest rozdzielany w równych częściach do dwóch komórek potomnych. W interfazie cyklu komórkowego wyróżnia się fazę G₁- między końcem mitozy a rozpoczęciem syntezy DNA, fazę S - syntezy DNA, oraz fazę G₂- między końcem syntezy DNA a początkiem mitozy. W większości komórek roślin i zwierząt występuje pełny cykl tj. typu G₁+S+G₂+M, jednak u części komórek może on być skrócony, i tak w komórkach szybko proliferujących, rosnących w intrefazie np. nici spermatogeniczne w plemniach ramienic brak jest fazy G1, cykl typu S+G₂+M. Zaś w kom. szybko proliferujących bez wzrostu kom. np. pierwsze podziały zygoty u ssaków, występuje cykl typu S+M.

FAZA G₁- jest okresem życia komórki od końca mitozy do rozpoczęcia syntezy DNA. Komórki wchodzące w tą fazę są 2-krotnie mniejsze niż kom. matka. Czas trwania tej fazy jest najbardziej zmienny i wynosi od kilku do kilkunastu godzin. Faza ta charakteryzuje się intensywnymi procesami anabolicznymi, znacznym stopniem wymian chemicznych z otoczeniem oraz wzrostem innych przejawów aktywności jak ruchliwość, pinocytoza, transport przez błony itp., co prowadzi do wzrostu masy i objętości komórki. Ponadto zachodzą procesy związane z przygotowaniem do replikacji DNA tj. synteza prekursorów DNA oraz enzymów replikacyjnych.

We wczesnej fazie G₁ komórka osiąga punkt restrykcyjny R i jeśli go przekroczy, wówczas podejmie syntezę DNA i zakończy cykl podziałem. Jeśli go nie przekroczy wchodzi w fazę spoczynkową G₀. Mechanizm przechodzenia lub nie przez punkt R wiąże się z syntezą, nagromadzeniem i stopniem fosforylacji białek niestabilnych tzw. białek U, które są cyklinami.

FAZA S - przed każdym podziałem ilość DNA przypadająca na jądro podwaja się, dokonuje się to w ograniczonym czasie interfazy zwanym fazą syntezy (S). W fazie S ulega replikacji niemal cały jądrowy DNA -tzw. programowana synteza DNA - według sposobu semikonserwatywnego tj. podwójna spirala ulega rozdzieleniu a na każdej z jej obu nici syntetyzowana jest nowa. Istnieje też nieprogramowana synteza DNA dotycząca niewielkich jego fragmentów (synteza naprawcza). Jest ona następstwem uszkodzeń , mutacji nici DNA i nie jest związana z cyklem komórkowym.

FAZA G₂ - obejmuje okres od zakończenia replikacji do rozpoczęcia mitozy i trwa kilka godzin. W tym czasie zachodzi synteza białek wrzeciona podziałowego gł. tubuliny oraz składników potrzebnych do odtwarzania błon otoczki jądrowej i plazmalemmy w telofazie i cytokinezie, jak również wyznaczenie płaszczyzny podziału (pierścień preprofazowy). Pod koniec fazy następuje uaktywnienie kinazy fazy M.(=MPF,=czynnik przyspieszający dojrzewanie) co prowadzi do rozpoczęcia i przeprowadzenia mitozy.

FAZA G₀ - jest stanem spoczynkowym komórki - komórki funkcjonują lecz tracą zdolność odtwarzania materiału genetycznego i dzielenia się. Przejście w tą fazę może nastąpić u zwierząt z G₁,u roślin z G₁ lub G₂. Komórki charakteryzują się obniżonym tempem metabolizmu, mniejszą aktywnością transkrypcyjną. Czas trwania tej fazy jest różny, od kilku dni do miesięcy i dłużej. Pod wpływem różnych bodźców komórki z fazy G₀ mogą wchodzić w cykl komórkowy, zawsze do fazy w której nastąpiło jego przerwanie. Im dłużej komórki pozostają w fazie G₀, tym więcej czasu zabiera im wejście w cykl po pobudzeniu.

MITOZA - dzieli się ją na kariokinezę i cytokinezę. W kariokinezie dzielonej na profazę, metafazę, anafazę i telofazę zachodzi kondensacja chromatyny, wytworzenie chromosomów, ich podział na chromatydy i przemieszczenie chromatyd do 2 potomnych komórek. Towarzyszy temu zanik jąderek, otoczki jądrowej oraz wytworzenie aparatu mitotycznego a następnie odbudowa jądra. W cytokinezie następuje podział cytoplazmy.

Regulacja cyklu komórkowego odbywa się przez uruchamianie kaskadowych reakcji fosforylacji i defosforylacji białek. Fosforylacja (przeniesienie grupy fos­foranowej z ATP na odpowiednią resztę aminokwasową białka docelowe­go) jest katalizowana przez różnorodne kinazy białkowe, a defosforylacja przez fosfatazy. Substratami kinaz białkowych są różne białka jądra i cytoplazmy, a najczęściej fosforylowanymi aminokwasami tych białek są tyrozyna i treonina. Fosforylacja (i defosforylacja) jest jednym z najczęściej używa­nych przez komórkę sposobów zmiany aktywności białek.

Kinazy białkowe układu kontroli cyklu komórkowego są obecne w ko­mórkach dzielących się podczas całego cyklu. Są jednak aktywowane tyl­ko w odpowiednim okresie cyklu, po czym szybko tracą aktywność. Stąd aktywność każdej z tych kinaz cyklicznie zwiększa się i zmniejsza.

Aktywność kinaz białkowych zależy to od innego zestawu białek układu kontroli — od cyklin. Cykliny same nie mają aktywności enzymatycznej, ale muszą się przyłączyć do kinaz cyklu komórkowego, zanim kinazy te mogą zyskać ak­tywność enzymatyczną. Stąd kinazy układu kontroli cyklu komórkowego są nazywane kinazami białkowymi zależnymi od cyklin (Cdk - ang. cyclin-dpendent protein kinases). Nazwa cyklin pochodzi stąd, że przeciwnie niż poziom Cdk, ich stężenie zmienia się cyklicznie w cyklu komórkowym.

Cykliny występują w komórkach jako cykliny A i B oraz C, D i E. W czasie cyklu komórkowego cykliny A, C, D i E są syntetyzowane de novo i ich stężenie w komórce rośnie w miarę upływu cyklu, zaś cyklina B jest syntetyzowana w fazie G₂. Maksymalne stężenie cyklin występuje w metafazie/ anafazie mitozy, po czym ulega ono obniżeniu na skutek trawienia ich przez proteazy.

Aktywacja kinaz zachodzi w dwóch krytycznych przedziałach czasowych (punktach kontrolnych) cyklu komórkowego: pod koniec fazy G₂ (co prowadzi do przejścia G₂ Ⴎ M , tj. zapoczątkowanie mitozy) oraz w fazie G₁ (co prowadzi do przejścia G₁ Ⴎ S , tj. zapoczątkowanie syntezy DNA). Każdy rodzaj kompleksu cyklina-Cdk działa na różny zestaw białek doce­lowych w komórce

Stężenie różnych typów cyklin zwiększa się, a potem gwałtownie male­je na skutek degradacji na drodze ubikwitynacji w określonym czasie cy­klu komórkowego. Wzrost stężenia każdego typu cykliny wspomaga akty­wację jej partnerskiej Cdk, a nagły jego spadek przywraca tę Cdk do stanu nieaktywnego. Powolne gromadzenie się cyklin, aż do kry­tycznego poziomu, jest jednym ze sposobów pomiaru odstępów czasu między jednym etapem cyklu a następnym w układzie kontroli cyklu ko­mórkowego.

Przejście z późnej fazy G₂ do M. dokonuje się przez aktywację kinazy fazy M, znanej jako czynnik wywołujący dojrzewanie (MPF - maturation promoting factor). Jest ona heterodimerem białkowym składającym się z białka o masie 34 kD i białka o masie 45 kD (cyklina). W kompleksie tym białko p34 jest kinazą fosforylującą reszty seryny i treoniny wielu białek a cyklina (białko p34) nadaje aktywnemu kompleksowi powinowactwo do odpowiedniego substratu (białka, które ma być ufosforylowane).

Kinaza fazy M powstaje w fazie G₂ w wyniku utworzenia kompleksu p34 z głównie z B. Kinaza MPF fosforyluje wiele kluczowych białek, zmieniając ich właściwości, np: rozpad otoczki jądrowej zachodzi przez w wyniku fosforylacji i demontażu biegnących pod otoczką jądrową filamentów laminy, podobnie fosforyluje białka towarzyszące mikrotubulom, co zmienia właściwości mikrotubul tak, że tworzą wrzeciono podziałowe, fosforyluje również histon H1 co powoduje kondensację chromosomów.

Regulacja fazy S odbywa się przez kontrolę przechodzenia komórki G₁ Ⴎ S oraz przez kontrolę zakończenia syntezy DNA. Przypuszcza się, że białko p34 może łączyć się w fazie G₁ głównie z cykliną A, D lub E, dając kompleks kinazy podobny do kinazy fazy M, nazywany kinazą fazy S. Aktywność takiej kinazy prowadzi komórki przez punkt startowy = restrykcyjny (w późnej fazie G₁). Półokres trwania cyklin G₁wynosi zaledwie ok. 15 min., co odpowiada klasie białek niestabilnych (białek U), które znane są od dawna i których nagromadzenie w komórce jest warunkiem przejścia G₁ Ⴎ S.

Kinazy białkowe zależne od cyklin są regulowane nagromadzaniem i rozpadem cyklin

Regulacja stężenia cyklin ma ważny udział w synchronizacji zjawisk cy­klu komórkowego. Na przykład, synteza składnika MPF — cykliny B, za­czyna się bezpośrednio po podziale i trwa stale podczas interfazy. Cyklina gromadzi się, stąd jej stężenie stopniowo zwiększa się i określa chwilę rozpoczęcia mitozy; jego późniejsze gwałtowne zmniejszenie się rozpo­czyna wyjście z mitozy. Nagły spadek stężenia cykliny podczas mitozy jest spowodowany szybkim zniszczeniem cykliny w ukła­dzie proteolitycznym zależnym od ubikwityny. Wiele cząsteczek ubikwityny jest kowalencyjnie dołączonych do każdej cząsteczki cykliny, co kieru­je ją do degradacji w proteosomach. Ta ubikwitynacja cykliny jest pośrednim wynikiem aktywacji kinazy MPF. Aktywa­cja MPF rozpoczyna proces prowadzący z opóźnieniem do ubikwitynacji i degradacji cyklin, co z kolei wyłącza kinazę.

Cykl komórkowy może zostać zatrzymany w G₁ przez białkowe inhibitory Cdk

Układ kontroli cyklu komórkowego włącza zdarzenia cyklu w określonej kolejności. Na przykład, włącza mitozę tylko wtedy, gdy ca­ły DNA został zreplikowany oraz pozwala komórce podzielić się na dwie dopiero po zakończeniu mitozy. Jeżeli jeden z etapów zostaje opóźniony, układ kontroli opóźnia aktywację następnych etapów tak, że ich sekwen­cja zostaje zachowana. Na przykład, ta właściwość samoregulacji układu kontroli zapewnia, że jeżeli synteza DNA zostaje zatrzymana z jakiegoś powodu w fazie S, to komórka nie wejdzie w fazę M z DNA zreplikowanym tylko w połowie.

Większość mechanizmów molekularnych odpowiedzialnych za zaha­mowanie biegu cyklu komórkowego w punktach kontrolnych jest słabo poznanych. W niektórych przypadkach są za to odpowiedzialne swoiste białkowe inhibitory Cdk; blokują one powstawanie bądź aktywność jed­nego albo kilku kompleksów cyklina-Cdk. Jeden z lepiej poznanych punktów kontrolnych zatrzymuje cykl komórkowy w G1 po uszkodzeniu DNA, co zapobiega replikacji przez komórkę uszkodzonego DNA. Uszkodzenie DNA powoduje nie poznanym dotąd mechanizmem zwiększenie stężenia i aktywności białka regulatorowego genów, nazwa­nego białkiem p53. Zaktywowane białko p53 zwiększa transkrypcję genu kodującego białkowy inhibitor Cdk, nazywanego p21. To zwiększa stęże­nie białka p21, które wiąże się z kompleksami cyklina-Cdk fazy S, odpo­wiedzialnymi za wprowadzenie komórki do fazy S i blokuje ich działanie. Zatrzymanie cyklu komórkowego w G1 daje komórce czas na reperację uszkodzonego DNA, zanim zostanie on zreplikowany. Gdy brak jest białka p53 albo jest ono nieaktywne, zachodzi nieograniczona replikacja uszkodzonego DNA, co zwiększa częstość mutacji i możliwości pojawienia się komórek nowotworowych. Mutacje genu p53, które po­zwalają dzielić się komórkom z uszkodzonym DNA, stanowią ważny ele­ment w rozwoju większości nowotworów u człowieka.

Komórki mogą zdemontować swój układ kontroli i opuścić cykl komórkowy

Najbardziej radykalna dla układu kontroli cyklu komórkowego jest decy­zja o zatrzymaniu podziałów w ogóle. Jest to inna sytuacja niż przerwa po­wodująca chwilowe opóźnienie w środku cyklu i ma specjalne znaczenie w organizmie wielokomórkowym. U człowieka np. komórki nerwowe i komórki mięśni szkieletowych powinny przetrwać przez całe życie orga­nizmu bez podziałów; wchodzą one w zmodyfikowaną fazę G₁ nazywaną G₀. W G₀ układ kontroli cyklu komórkowego jest częściowo zde­montowany, ponieważ brak w komórce wielu cyklin i Cdk. Pewne typy ko­mórek, np. komórki wątroby, prawidłowo dzielą się raz albo dwa razy w roku, natomiast pewne komórki nabłonkowe jelita dzielą się dwa bądź więcej razy dziennie, by stale odnawiać wyściółkę jelit. Większość naszych komórek mieści się między tymi skrajnościami: mogą się dzielić, gdy zaj­dzie taka potrzeba, ale zwykle dzielą się rzadko.

Wydaje się ogólną regułą, że komórki ssaków dzielą się tylko wtedy, gdy są pobudzane sygnałami dochodzącymi z innych komó­rek. Pozbawione tych sygnałów zatrzymują cykl komórkowy w punkcie kontrolnym fazy G₁, i wchodzą w stan G₀. Komórki mogą pozostawać w G₀ przez dni, tygodnie, a nawet lata, zanim się ponownie podzielą. Stąd zmienność częstości podziałów komórek zależy od czasu, jaki komórki pozostają w G₀ albo G₁; gdy jednak komórka przejdzie punkt kontrolny G₁, reszta cyklu komórkowego przebiega szybko, u ssaków typowo w cią­gu 12-24 godzin.

Proliferacja komórek zależy od sygnałów z innych komórek

Organizmy jednokomórkowe takie jak bakterie i drożdże mają tendencję, by rosnąć i dzielić się tak szybko, jak to jest możliwe. Szybkość podziałów zależy głównie od dostępności substancji odżywczych w środowi­sku. Natomiast komórki organizmu wielokomórkowego są wyspecjalizo­wanymi członkami wysoce zorganizowanej społeczności, a ich proliferacja musi być kontrolowana. Pojedyncza komórka dzieli się tylko wtedy, gdy nowa komórka jest potrzebna organizmowi — ze względu na jego wzrost albo żeby zastąpić utraconą komórkę. Tak więc do proliferacji komórki zwierzęcej nie wystarczą substancje odżywcze. Musi ona jeszcze otrzymać pobudzający sygnał chemiczny od innych komórek, zwykle od sąsiadów. Takie działanie pozwala uniknąć użycia mechanizmów hamowania śródkomórkowego, które ograniczałoby wzrost komórki i blokowało przebieg cyklu komórkowego.

Ważnym przykładem hamowania podziałów komórki jest białko retinoblastoma (Rb), Wiąże się ono z określonymi białkami regulującymi geny, zapobiega­jąc pobudzeniu transkrypcji genów koniecznych do podziałów. Na przy­kład zewnątrzkomórkowe sygnały, czynniki wzrostu (takie jak: płytkowy czynnik wzrostu, epidermalny czynnik wzrostu, czynnik wzrostu fibroblastów, czynnik wzrostu hepatocytów, erytropoetyna) pobudzają prolife­rację odpowiednich komórek. Między innymi powodują aktywację kompleksów cyklina-Cdk fazy G1, fosforylują one białko Rb zmieniając jego konforma­cję tak, że uwalnia ono związane przez siebie czynniki transkrypcyjne - wtedy białka te mogą aktywować geny konieczne do przebiegu podziałów komórki.

Komórki zwierzęce mają zaprogramowane ograniczenie liczby podziałów

Nawet w obecności czynników wzrostu prawidłowe komórki zwierzęce w hodowli nie kontynuują wzrostu bez końca. Te typy komórek, które utrzymują zdolność do podziałów przez całe życie zwierzęcia, gdy pozosta­ją w jego organizmie, zwykle przestają się dzielić po określonej liczbie po­działów w hodowli. Na przykład fibroblasty pobrane z płodu ludzkiego za­nim przestaną się dzielić, przechodzą ok. 80 podziałów nawet wtedy, gdy mają wystarczająco dużo pożywienia, czynników wzrostu i miejsca do po­działów. Te zdolności komórek są jednak różne w zależności od wieku oso­by, od której pobrano komórki. Fibroblasty pobrane od dorosłej 40-letniej osoby zatrzymują podziały już po ok. 40 cyklach.

Zjawisko to nazywamy starzeniem się komórki odpowiednio do sta­rzenia się całego organizmu. Jednak ta analogia nie jest pewna. Ponieważ w hodowli fibroblasty zarodka myszy przestają się namnażać po 30 po­działach, jest możliwe, że starzenie się komórki może pomagać w wyzna­czeniu wielkości ciała. Przypuszcza się, że mysz jest dlatego mniejsza niż my, gdyż jej komórki stają się niewrażliwe na pobudzenie czynnikami wzrostu już po mniejszej liczbie cykli podziałowych.

Komórki zwierzęce potrzebują sygnałów od innych komórek, by uniknąć programowanej śmierci komórki

Komórki zwierzęce potrzebują sygnałów od innych komórek nie tylko do proliferacji, lecz też do przeżycia. Pozbawione takich czynników przeży­cia komórki aktywują śródkomórkowy program samobójczy i giną w pro­cesie nazywanym programowaną śmiercią komórki. Ta konieczność otrzy­mywania od innych komórek sygnałów do przeżycia pomaga w utrzyma­niu komórek tylko wtedy, gdy są one potrzebne i tam, gdzie są potrzebne. W tkankach rozwijających się i dojrzałych częstość programo­wanej śmierci komórek jest bardzo wysoka. Na przykład w rozwijającym się układzie nerwo­wym kręgowców ponad połowa komórek nerwowych zwykle obumiera wkrótce po ukształtowaniu się. U zdrowego człowieka w każdej godzinie miliony komórek giną w szpiku kostnym i jelicie.

Programowana śmierć komórek może służyć różnym celom. Na przykład przez programowaną śmierć komórek nasze ręce i stopy są rzeźbione podczas rozwoju zarodkowego- początkowo poszczególne palce rąk i nóg są słabo wyodrębnione a dopiero później są oddzie­lane, w miarę jak między nimi giną komórki. W innych przy­padkach komórki giną, gdy struktury przez nie tworzone nie są potrzeb­ne. Gdy kijanka przekształca się w żabę (metamorfoza), komórki ogona giną, a ogon niepotrzebny już żabie zanika. W jeszcze innych przypadkach śmierć komórek pomaga w regulacji liczby komórek. Na przykład w rozwijającym się układzie nerwowym śmierć komórek dosto­sowuje liczbę komórek nerwowych do liczby komórek docelowych wyma­gających unerwienia. Komórki nerwowe są w zarodku wytwarzane w nad­miarze i potem konkurują o ograniczone ilości czynników przeżycia wy­dzielanych przez komórki docelowe, z którymi się kontaktują. Komórki nerwowe otrzymujące wystarczającą ilość czynników przeżycia żyją, a in­ne giną.

W dojrzałych tkankach śmierć komórek równoważy proliferację, by za­pobiec przerostowi narządów bądź ich kurczeniu się.

Programowana śmierć komórki zachodzi z udziałem śródkomórkowej kaskady proteaz

Komórki, które giną w wyniku ostrego urazu, obrzękają i pękają, uwalnia­jąc swoją zawartość do otoczenia komórek sąsiednich. Proces nazywany nekrozą (martwicą) komórki, co powoduje potencjalnie uszkadzającą odpowiedź za­palną. Natomiast komórka podlegająca śmierci programowanej umiera niezauważalnie, bez uszczerbku dla sąsiadów.

Typowy obraz śmierci programowanej w komórkach zwierzęcych to apoptoza. W trakcie apoptozy komórka kurczy się oddzielając się od sąsiednich komórek w tkance, cytoszkielet podlega zniszczeniu, otoczka jądrowa rozpada się, a jądrowy DNA jest cięty na fragmenty. Powierzchnia obumierającej komórki zmienia się - błona komórkowa pukla się do wewnątrz, odcinając kuliste fragmenty cytoplazmy (ciałka apoptotyczne) zawierające organelle i pocięty, skondensowany DNA jądrowy. Ciałka są szybko fagocytowane przez sąsiednie komórki albo przez makrofagi (wyspecjalizowane komórki fagocytujące), przez co nie następuje uwolnienie zawartości ob­umierającej komórki do otoczenia.

We wszystkich komórkach zwierzęcych funkcjonuje po­dobny układ odpowiedzialny za ten rodzaj kontrolowanej śmierci samo­bójczej. Składa on się z rodziny proteaz (enzymów rozcinających inne białka), które same są aktywowane proteolitycznym rozcięciem będącym odpowiedzią na sygnały indukujące programowaną śmierć komórki. Zaktywowane proteazy rozcinają i tym sposobem aktywują inne proteazy na­leżące do tej samej rodziny białek, co razem stanowi kaskadę proteaz wzmacniającą efekt początkowy. Proteazy rozcinają następnie inne klu­czowe białka w komórce, zabijając ją szybko i sprawnie. Na przykład jed­na z proteaz rozcina jądrowe białka laminy powodując nieodwracalny rozpad blaszki jądrowej.

Układ śmierci samobójczej jest regulowany sygnałami z innych komó­rek. Niektóre działają jak sygnały zabijania, aktywując mechanizm samo­bójstwa komórki. W ten sposób działa hormon tarczycy w ogonie kijanki podczas metamorfozy. Inne działają jako sygnały prze­życia, hamując samobójstwo, by utrzymać komórkę przy życiu.

W organizmie wielokomórkowym programowana śmierć komórki jest zdarzeniem zwyczajnym, normalnym i ogólnie łagodnym. Natomiast nie­właściwa proliferacja i przeżywanie zbędnych komórek stanowią rzeczy­wiste niebezpieczeństwo - prowadzą do powstania nowotworów.

---