28.03.2012 - Wykład 7

TEMAT: Cykl komórkowy.

Rys historyczny:

• 1873 - Majzel opisał podział jądra w komórkach zwierzęcych

• 1884 - Stasburger wprowadził pojęcia: profaza, metafaza, anafaza

• 1878 - Flemming wprowadza nazwę: mitoza i chromatyna (rok później),

• 1888 - Waldeyer opisał chromosomy

• 1952 - Mazia i Dan wyizolowali nietknięty aparat mitotyczny

• 1953 - wprowadzona została nazwa : cykl komórkowy

• 1971 - Yoshimo i Smith opisują MPF (czynnik indukujący mitozę)

• 2001 - Hartwell, Nurse i Hunt - Nagroda Nobla za badania nad kinazami i cyklinami

Howard i Pelc w 1953 wprowadzają pojęcie cyklu komórkowego. Składa się z:

- interfazy ,

-cyklu komórkowego,

Interfaza: jest to szereg zmian biofizycznych i biochemicznych w komórce zachodzących między końcem jednego a początkiem następnego podziału.

Na cykl komórkowy składają się następujące fazy:

Faza G₁

• 6-12 h, jest to przerwa między zakończeniem podziału i początkiem fazy S

• przygotowanie komórki do podwojenie materiału genetycznego

• następuje synteza RNA, enzymów, białek, węglowodanów, tłuszczów charakterystycznych dla danej komórki

Faza S

• 6-8 h

• replikacja DNA, który podwaja swoją zawartość z 2N do 4N

• powiększenie rozmiarów jądra, chromatyna staję się 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 przeprowadzją kompleksy enzymatyczne replikony, które są składnikami macierzy jądra

• głównymi składnikami replikonów są helikaza oraz polimerazy alfa i σ

• helikaza rozszczepia podwójną helisę DNA i wytwarza widełki replikacyjne,

• synteza DNA jest prowadzona przez polimerazy DNA alfa i σ

• koenzym polimerazy DNA σ to PCNA

• syntezy 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

Faza G₀

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

• decyzja o wejściu w fazę g0 najczęściej jest odwracalna, komórka może wyjść z fazy G0 i skończyć podział

• Komórki G0 - mogą się dzielić ponownie po dostarczeniu im odpowiednich substancji odżywczych i cz. wzrostu,

• komórki prawidłowo in vitro: przy braku subst. lub cz. wzrostu wchodzą w f. G0 i przeżywają

• 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: zatrzymują wzrost w f. G1 nie G0 i do wzrostu potrzebują tylko subst. odżywczych,

Znaczenie praktyczne:

- przejście komórki 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 kom. znajdujące się w cyklu, kom. G0 pozostają nieuszkodzone - po pewnym czasie wchodzą w c. kom. dają początek wznowie nowotworowej.

Faza M

• trwa około 1h

• 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

Ze względu na charakter cyklu komórkowego wyróżnia się:

• komórki międzymitotyczne (labilne, zmienne): zachowują zdolność podziału (dzielą się w ciągu całego życia) np. kom. podstawne warstwy rozrodczej naskórka, nabł. krypt jelitowych, kom. szpiku kostnego, węzłow chłonnych

• „Komórki międzymitotyczne dojrzewające” - łatwo podlegają wpływom środowiska i dojrzewające np. kom. kolczyste naskórka czy spermatocyty

• komórki pomitotyczne: utraciły odwracalnie i nieodwracalnie zdolność do podziału i po mitozie stają się „bezpotomne”

• Należą tu kom. bardzo wyspecjalizowane: nerwowe, wydzielnicze

• nefrocyty czy hepatocyty - po dużych uszkodzeniu uzyskują zdolność do podziału (kom. pomitotyczne odwracalne lub polulacja wzrastająca - stable cells)

W czasie trwania cyklu komórkowego występują dwa punkty restrykcyjne: przed S i przed M.

Regulacja cyklu komórkowego:

• cykl jest inicjowany i regulowany przez wiele białek i ich kompeksy,

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

• produkty białkowe protoonkogenów to kinazy zależne od cyklin (cdk) lub fosfatazy lub cykliny

• 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

• Aktywacja kinaz zachodzi w 2 krytycznych są ściśle związane z rakiem. Nadmierna proliferacja prowadzi do nawotworów. Apoptoza eliminuje komórki rakowe.

Regulacja fazy G1/S:

-odbywa się przez:

- kontrolę przechodzenia komórki z G1 do S

- kontrolę zakończenia syntezy DNA,

Ważną rolę w regulacji przejścia G1 do S odgrywa: kompleks białka p34-cyklina A (nazywany 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:

- kinaza fosforylująca reszty seryny i treoniny wielu białek,

- ilość cząsteczek p34 jest stała podczas cyklu komórkowego

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

Punkt kontrolny G₁/S

• gen kodujący białko p53 chroni komórkę przed przemianą w komórkę nowotworową

• uszkodzenia DNA prowadzi do pobudzenia kilku kinaz, które potrafią przyłączyć grupy fosforanowe do p53, które jako czynnik transkrypcyjnyy uruchamia odczytywanie innych genów regulujących np. p21

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

Punkt kontrolny replikacji DNA

• w czasie fazy S

• po rozpoznaniu uszkodzeń DNA i następuje zatrzymanie cyklu na tym etapie

Punkt kontrolny G₂/M

• Czynnik MPF - czynnik indukujący mitozę - heterodimer: CDK1/cyklina B (kinaza fazy M)

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

Punkty kontrolne w mitozie

• p. kontrolny profaza/metafaza, p. kontrolny anafaza/telofaza, p. kontrolny wrzeciona mitotycznego ( metafaza/anafaza)

Cykliny:

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

• Cyklina A syntetyzowana de nowo od fazy G1 - jej stężenie rośnie w miarę upływu cyklu,

• Cykliny C, D i E syntezyowane są w tym samym czasie, cyklina B w fazie G2

• Maksymalne stężenie cyklin w metafazie/anafazie mitozy, następnie spada poprzez trawienie przez proteazy,

Kinazy

• cdk - zależne od cyklin, przenoszą grupy fosforanowe na różne białka

• to podstawowy składnik MPF

• znanych jest kilkanaście kinaz, a bliżej poznano siedem: Cdk1 - Cdk7

• [kinaza - wiązanie cykliny - aktywność w fazie cyklu

• cdk 1 - cyklina A,B - S, G₂/M

• cdk 2 - cyklina A,E,D3,D1 - S, G₁/S. G₁

• cdk 3 - cyklina ? - G₁ (?)

• cdk 4 - cyklina D1 - G₁

• cdk 5 - cykliny D - G₁

• cdk 6 - cyklina D1 - G₁

• cdk 7 - cykliny H - ?] Nie było.

Inhibitory cyklu komórkowego : INK 4 (inhibitor of CDK 4) - p15, p16, p18, p19

rodzina CIP/KIP - p21, p27, p57, KIP1, KIP2

5