Контрольные точки клеточного цикла
Добавил пользователь Валентин П. Обновлено: 21.12.2024
Контрольные точки клеточного цикла - это механизмы контроля в эукариотическом клеточном цикле, которые обеспечивают его правильное развитие. Каждая контрольная точка служит потенциальной точкой завершения клеточного цикла, во время которого оцениваются условия клетки, причем продвижение через различные фазы клеточного цикла происходит только при соблюдении благоприятных условий. В клеточном цикле есть много контрольных точек, но три основных: контрольная точка G1, также известная как начальная или контрольная точка ограничения или основная контрольная точка; КПП G2 / M ; и переход от метафазы к анафазе, также известный как контрольная точка шпинделя. Прохождение через эти контрольные точки в значительной степени определяется активацией циклин-зависимых киназ регуляторными субъединицами белка, называемыми циклинами, разные формы которых продуцируются на каждой стадии клеточный цикл для управления конкретными событиями, которые в нем происходят.
Содержание
- 1 Фон
- 2 G 1 (ограничение) контрольная точка
- 3 G 2 контрольная точка
- 4 Контрольная точка метафазы
- 5 Рак
- 6 См. Также
- 7 Ссылки
Предпосылки
Все живые организмы являются продуктами повторяющихся циклов роста и деления клеток. Во время этого процесса, известного как клеточный цикл, ячейка дублирует свое содержимое, а затем делится на две части. Цель клеточного цикла - точно дублировать ДНК каждого организма, а затем равномерно разделить клетку и ее содержимое между двумя образующимися клетками. У эукариот клеточный цикл состоит из четырех основных стадий: G1, во время которого клетка метаболически активна и непрерывно растет; S-фаза, во время которой происходит репликация ДНК; G2, во время которого продолжается рост клеток и клетка синтезирует различные белки, готовясь к делению; и фаза M (митоз ), во время которой дублированные хромосомы (известные как сестринские хроматиды ) разделяются на два дочерних ядра, и клетка делится на две дочерние клетки, каждая с полная копия ДНК. По сравнению с эукариотическим клеточным циклом, прокариотический клеточный цикл (известный как бинарное деление ) относительно прост и быстр: хромосома реплицируется из точки начала репликации, собирается новая мембрана, и клеточная стенка образует перегородку, которая делит клетку на две части.
Поскольку эукариотический клеточный цикл представляет собой сложный процесс, эукариоты развили сеть регуляторных белков, известную как система контроля клеточного цикла, который контролирует и диктует продвижение клетки через клеточный цикл. Эта система действует как таймер или часы, которые устанавливают фиксированное количество времени, которое клетка проводит в каждой фазе цикла клетки, и в то же время она также реагирует на информацию, полученную от процессов, которыми она управляет. Контрольные точки клеточного цикла играют важную роль в системе управления, обнаруживая дефекты, возникающие во время важных процессов, таких как репликация ДНК или сегрегация хромосом, и вызывая остановку клеточного цикла в ответ до тех пор, пока дефекты устранены. Основной механизм действия контрольных точек клеточного цикла заключается в регуляции активности семейства протеинкиназ, известных как циклинзависимые киназы (CDK), которые связываются с различными классами регуляторных белков, известных как циклины, при этом специфические комплексы циклин-CDK образуются и активируются на разных фазах клеточного цикла. Эти комплексы, в свою очередь, активируют различные нижестоящие мишени для стимулирования или предотвращения развития клеточного цикла.
G1(ограничение) контрольная точка
контрольная точка G1, также известная как точка рестрикции в клетках млекопитающих и начальная точка в дрожжах, это точка, в которой клетка обязуется вступить в клеточный цикл. По мере прохождения ячейки через G1, в зависимости от внутренних и внешних условий, она может либо задерживать G1, либо переходить в состояние покоя, известное как G0, либо проходить точку ограничения. Повреждение ДНК является основным показателем того, что клетка «ограничивает» и не входит в клеточный цикл. Решение совершить новый раунд клеточного деления происходит, когда клетка активирует циклин-CDK-зависимую транскрипцию, которая способствует переходу в S-фазу. Эта контрольная точка обеспечивает дальнейший процесс.
На ранней стадии G1 существуют три транскрипционных репрессора, известные как карманные белки, которые связываются с факторами транскрипции E2F. Семейство генов E2F представляет собой группу факторов транскрипции, нацеленных на многие гены, важные для контроля клеточного цикла, включая циклины, CDK, регуляторы контрольных точек и белки репарации ДНК. Неправильная регуляция семейства E2F часто встречается в случаях рака, что свидетельствует о том, что семейство E2F важно для жесткого регулирования репликации и деления ДНК. Три карманных белка - это ретинобластома (Rb), p107 и p130, которые связываются с факторами транскрипции E2F для предотвращения прогрессирования после контрольной точки G1.
Семейство генов E2F содержит некоторые белки с активаторными механизмами и некоторые белки с репрессирующими механизмами. P107 и p130 действуют как корепрессоры для E2F 4 и E2F 5, которые репрессируют транскрипцию факторов, способствующих G1-to-S. Третий карманный белок, Rb, связывается и репрессирует E2F 1, E2F 2 и E2F 3, которые являются белками E2F с активирующими способностями.
Положительная обратная связь играет важную роль в регулировании перехода от G1 к S фаза, в частности, включающая фосфорилирование Rb с помощью белкового комплекса циклин / CDK. Rb без фосфата или нефосфорилированный Rb регулирует выход из клеточного цикла G0 и дифференцировку. В начале фазы G1 факторы роста и повреждение ДНК сигнализируют о повышении уровня циклина D, который затем связывается с Cdk4 и Cdk6 с образованием комплекса CyclinD: Cdk4 / 6. Известно, что этот комплекс инактивирует Rb путем фосфорилирования. Однако детали фосфорилирования Rb довольно сложны и специфичны по сравнению с предыдущими знаниями о контрольной точке G1. CyclinD: Cdk4 / 6 помещает только один фосфат, или монофосфорилат, Rb на один из четырнадцати доступных и уникальных сайтов фосфорилирования. Каждая из четырнадцати специфических монофосфорилированных изоформ имеет дифференциальное предпочтение связывания с членами семейства E2F, что, вероятно, увеличивает разнообразие клеточных процессов в организме млекопитающего.
E2F 4 и E2F 5 зависят от p107 и p130 сохранить свою ядерную локализацию. Однако циклин D: Cdk 4/6 также фосфорилирует p107 и p130, процесс, который освобождает их связь с E2F 4 и 5 (которые затем уходят в цитоплазму), и позволяет E2F 1-3 связываться с ДНК и инициировать транскрипцию. белков Cyclin E. Rb сохраняют свое монофосфорилированное состояние во время ранней фазы G1, в то время как циклин E накапливается и связывается с Cdk2.
CyclinE: Cdk2 играет дополнительную важную роль фосфорилирования в переходе G1-to-S. В частности, CyclinE: Cdk2 поддерживает цикл положительной обратной связи, который создает переключатель «все или ничего». Во многих сетях генетического контроля положительная обратная связь гарантирует, что клетки не будут скользить туда-сюда между фазами клеточного цикла. Циклин E: Cdk2 переходит к фосфорилированию Rb на всех его сайтах фосфорилирования, также называемых «гиперфосфорилатом», что обеспечивает полную инактивацию Rb.. Гиперфосфорилирование Rb считается точкой поздней рестрикции G1, после которой клетка не может двигаться назад в клеточном цикле. На этом этапе белки E2F 1-3 связываются с ДНК и транскрибируют циклин A и Cdc 6.
Циклин-зависимый ингибитор киназы 1B (CDKN1B), также известный как p27, связывается с циклином E и предотвращает его активацию: Cdk2 по торможению. Однако по мере того как циклин A накапливается и связывается с Cdk2, они образуют комплекс и ингибируют p27. Циклинзависимая киназа в фазе G1 работает вместе с циклин-зависимой киназой в фазе S, нацеленной на p27 для деградации. В свою очередь, это позволяет полностью активировать Cyclin A: Cdk2, комплекс, который фосфорилирует E2F 1-3, инициируя их диссоциацию от промоторных сайтов ДНК. Это позволяет E2F 6-8 связываться с ДНК и ингибировать транскрипцию. Петля отрицательной обратной связи, используемая для успешного ингибирования ингибитора p27, является еще одним важным процессом, используемым клетками для обеспечения однонаправленного движения и отсутствия возврата в клеточном цикле.
Когда происходит повреждение ДНК или когда клетка обнаруживает какие-либо дефекты, которые заставляют ее задержать или остановить клеточный цикл в G1, остановка происходит с помощью нескольких механизмов. Быстрый ответ включает в себя события фосфорилирования, которые инициируются либо киназой ATM (мутировавшая атаксия телеангиэктазии ), либо ATR (атаксия телеангиэктазия и связанная с Rad3 ), которые действуют как сенсоры, в зависимости от типа повреждения.. Эти киназы фосфорилируют и активируют эффекторные киназы Chk2 и Chk1, соответственно, которые, в свою очередь, фосфорилируют фосфатазу Cdc25A, тем самым маркируя ее для убиквитинирования и деградации. Поскольку Cdc25A активирует ранее упомянутый комплекс циклин E-CDK2 путем удаления ингибирующих фосфатов из CDK2, в отсутствие Cdc25A циклин E-CDK2 остается неактивным, а клетка остается в G1.
Для поддержания ареста инициируется другой ответ, с помощью которого Chk2 или Chk1 фосфорилируют p53, супрессор опухоли, и это стабилизирует p53, предотвращая его связывание с Mdm2, убиквитинлигазой, которая ингибирует p53, направляя его на разложение.. Затем стабильный p53 действует как активатор транскрипции нескольких генов-мишеней, включая p21, ингибитор комплекса циклина E-CDK2, стимулирующего G1-to-S. Кроме того, еще один механизм, посредством которого активируется p21, - это накопление p16 в ответ на повреждение ДНК. p16 разрушает комплексы циклин D-CDK4, тем самым вызывая высвобождение p21 из комплексов, что приводит к дефосфорилированию и активации Rb, что позволяет Rb связывать и ингибировать E2F 1-3, тем самым удерживая клетку от перехода в S-фазу. В последнее время некоторые аспекты этой модели оспариваются.
G2контрольная точка
Концентрация митотического циклина демонстрирует гистерезис и бистабильность относительно активации Cdk1
После репликации ДНК в S-фазе клетка претерпевает фазу роста, известную как G2. В течение этого времени продуцируются необходимые митотические белки, и клетка снова подвергается действию регуляторных механизмов, чтобы гарантировать надлежащий статус для перехода в фазу пролиферативного митоза (M). Множественные механистические контрольные точки задействованы в этом переходе от G2 к M, с общим объединяющим фактором активности cyclin-Cdk.
Хотя для разных организмов существуют вариации необходимых комплексов циклин-Cdk, необходимость киназной активности сохраняется и обычно фокусируется на единственном спаривании. У делящихся дрожжей существуют три различных формы митотического циклина и шесть - у почкующихся дрожжей, но основным используемым циклином является циклин B. Циклин B будет служить ссылкой для обсуждения перехода контрольной точки G2 / M.
Подобно S-фазе, G2 испытывает контрольную точку повреждения ДНК. Клетку еще раз исследуют на наличие участков повреждения ДНК или неполной репликации, и киназы ATR и ATM привлекаются к участкам повреждения. Активация Chk1 и Chk2 также происходит, так же как активация p53, чтобы вызвать остановку клеточного цикла и остановить прогрессию в митоз. Дополнительный компонент S-фазы, пререпликативный комплекс, должен быть инактивирован посредством фосфорилирования циклина B-Cdk1.
Как оцениваются эти предыдущие контрольные точки, накопление белка G2 служит для активации активности cyclinB-Cdk1 посредством множества механизмов. CyclinA-Cdk2 активирует Cdc25, активатор cyclinB-Cdk1, который затем дезактивирует ингибитор cyclinB-Cdk1, Wee1. Это приводит к положительной обратной связи, значительно увеличивая экспрессию cyclinB и активацию Cdk1. По мере того, как клетка продвигается через G2 и достигает перехода G2 / M, киназа Plk1 фосфорилирует Wee1, который нацеливается на Wee1 для деградации посредством комплекса SCF ubiquitin ligase. Дополнительная функция Plk1 заключается в активации Cdc25 посредством фосфорилирования. Комплексный эффект деградации Wee1 и активации Cdc25 заключается в чистом удалении ингибирующего фосфорилирования cdc2, которое активирует cdc2. Plk1 активируется при переходе G2 / M с помощью Aurora A и Bora, которые накапливаются во время G2 и образуют комплекс активации. Комплекс Plk1-Cdc2-cdc25 затем инициирует петлю положительной обратной связи, которая служит для дальнейшей активации Cdc2, и в сочетании с увеличением уровней циклина B во время G2 образующиеся комплексы cdc2-циклин B затем активируют расположенные ниже мишени, которые способствуют вступлению в митоз. Результирующая активность Cdk1 также активирует экспрессию Mem1-Fkh, гена перехода G2 / M. Быстрый всплеск активности cyclinB-Cdk1 необходим, так как инициация M фазы - это беспрецедентное событие, включающее гистерезис. Гистерезис активности Cdk1 через циклин B запускает M-фазу, устанавливая минимальный порог концентрации cyclinB. Он существует на уровне выше минимума, необходимого для продолжения фазы M после входа, и действует для защиты события «все или ничего». Эта входная концентрация дополнительно увеличивается в случае неполной репликации ДНК, добавляя еще один регуляторный механизм в точке перехода G2 / M. Наличие гистерезиса позволяет строго регулировать вступление в М-фазу в зависимости от активности cyclinB-Cdk1.
Механизмы предотвращения митотического входа в ответ на повреждение ДНК аналогичны механизмам в контрольной точке G1 / S. Повреждение ДНК запускает активацию вышеупомянутого пути ATM / ATR, в котором ATM / ATR фосфорилируют и активируют киназы контрольных точек Chk1 / Chk2. Chk1 / 2 фосфорилирует cdc25, который, помимо ингибирования, также блокируется в цитоплазме белками 14-3-3. 14-3-3 активируются с помощью p53, который, как упоминалось ранее, активируется с помощью Chk1 и ATM / ATR. p53 также трансактивирует p21, и как p21, так и 14-3-3, в свою очередь, ингибируют комплексы циклин B-cdc2 посредством фосфорилирования и цитоплазматического связывания cdc2. Кроме того, инактивация cdc25 приводит к его неспособности дефосфорилировать и активировать cdc2. Наконец, другой механизм реакции на повреждение заключается в отрицательной регуляции Plk1 с помощью ATM / ATR, что, в свою очередь, приводит к стабилизации Wee1 и Myt1, которые затем могут фосфорилировать и ингибировать cdc2, таким образом удерживая клетку в G2 до тех пор, пока повреждение не исчезнет. фиксировано.
Контрольная точка метафазы
Контрольная точка митотического веретена возникает в точке в метафазе, где все хромосомы должны / выровняться на митотической пластине и находиться под биполярным напряжением. Напряжение, создаваемое этой биполярной привязанностью, - это то, что ощущается, что инициирует вход в анафазу. Для этого сенсорный механизм гарантирует, что комплекс , стимулирующий анафазу (APC / C), больше не ингибируется, и теперь он может расщеплять циклин B, который несет D- box (ящик для разрушения), и для разрушения securin. Последний представляет собой белок, функция которого заключается в ингибировании сепаразы, который, в свою очередь, разрезает когезины, белковый композит, ответственный за сцепление сестринских хроматид. После того, как этот ингибирующий белок расщепляется посредством убиквитинирования и последующего протеолиза, сепараза вызывает разделение сестринских хроматид. После того, как клетка разделится на две дочерние клетки, она вступает в процессы G 1.
репарации ДНК, и контрольные точки клеточного цикла были тесно связаны с раком из-за их функций, регулирующих стабильность генома и прогрессирование клеток, соответственно. Точные молекулярные механизмы, которые связывают дисфункции этих путей с возникновением конкретных видов рака, в большинстве случаев не совсем понятны. Было показано, что потеря ATM предшествует развитию лимфомы, предположительно из-за чрезмерной гомологичной рекомбинации, ведущей к высокой геномной нестабильности. Нарушение Chk1 у мышей привело к значительной неправильной регуляции контрольных точек клеточного цикла, накоплению повреждений ДНК и увеличению случаев онкогенеза. Пожалуй, наиболее известный пример - одинарное мутантное наследование BRCA1 или BRCA2 предрасполагает женщин к раку груди и яичников. BRCA1, как известно, необходим для S- и G2 / M-переходов и участвует в клеточном ответе на повреждение ДНК. Считается, что BRCA2 участвует в гомологичной рекомбинации и регулирует контрольную точку S-фазы, а мутации дефицита BRCA2 тесно связаны с онкогенезом.
Контрольные точки клеточного цикла
Для определения завершения каждой фазы клеточного цикла необходимо наличие в нем контрольных точек. Если клетка «проходит» контрольную точку, то она продолжает «двигаться» по клеточному циклу. Если же какие-либо обстоятельства, например повреждение ДНК, мешают клетке пройти через контрольную точку, которую можно сравнить со своего рода контрольным пунктом, то клетка останавливается и другой фазы клеточного цикла не наступает по крайней мере до тех пор, пока не будут устранены препятствия, не позволявшие клетке пройти через контрольный пункт. Существует как минимум четыре контрольных точки клеточного цикла: точка в G1, где проверяется интактность ДНК, перед вхождением в S-фазу, сверочная точка в S-фазе, в которой проверяется правильность репликации ДНК, сверочная точка в G2, в которой проверяются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек, либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. В G2 фазе детектируется полнота репликации ДНК, и клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз. В контрольной точке сборки веретена деления проверяется, все ли кинетохоры прикреплены к микротрубочкам.
9.Стадии мейоза.
Мейо́з или редукционное деление клетки — деление ядра эукариотической клетки с уменьшением числа хромосом в два раза.
Мейоз состоит из 2 последовательных делений с короткой интерфазой между ними.
Профаза I — профаза первого деления очень сложная и состоит из 5 стадий:
Лептотена или лептонема — упаковка хромосом, конденсация ДНК с образованием хромосом в виде тонких нитей (хромосомы укорачиваются).
Зиготена или зигонема — происходит конъюгация — соединение гомологичных хромосом с образованием структур, состоящих из двух соединённых хромосом, называемых тетрадами или бивалентами и их дальнейшая компактизация.
Пахитена или пахинема — (самая длительная стадия) — в некоторых местах гомологичные хромосомы плотно соединяются, образуя хиазмы. В них происходит кроссинговер — обмен участками между гомологичными хромосомами.
Диплотена или диплонема — происходит частичная деконденсация хромосом, при этом часть генома может работать, происходят процессы транскрипции (образование РНК), трансляции (синтез белка); гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой. У некоторых животных в ооцитах хромосомы на этой стадии профазы мейоза приобретают характерную форму хромосом типа ламповых щёток.
Диакинез — ДНК снова максимально конденсируется, синтетические процессы прекращаются, растворяется ядерная оболочка; центриоли расходятся к полюсам; гомологичные хромосомы остаются соединёнными между собой.
К концу Профазы I центриоли мигрируют к полюсам клетки, формируются нити веретена деления, разрушаются ядерная мембрана и ядрышки
Метафаза I — Завершается формирование веретена деления. Бивалентные хромосомы выстраиваются вдоль экватора клетки.
Анафаза I — микротрубочки сокращаются, биваленты делятся, и хромосомы расходятся к полюсам. Важно отметить, что, из-за конъюгации хромосом в зиготене, к полюсам расходятся целые хромосомы, состоящие из двух хроматид каждая, а не отдельные хроматиды, как в митозе.
Телофаза I — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.
Второе деление мейоза следует непосредственно за первым, без выраженной интерфазы: S-период отсутствует, поскольку перед вторым делением не происходит репликации ДНК.
Профаза II — происходит конденсация хромосом, клеточный центр делится и продукты его деления расходятся к полюсам ядра, разрушается ядерная оболочка, образуется веретено деления, перпендикулярное первому веретену.
Метафаза II — унивалентные хромосомы (состоящие из двух хроматид каждая) располагаются на «экваторе» (на равном расстоянии от «полюсов» ядра) в одной плоскости, образуя так называемую метафазную пластинку.
Анафаза II — униваленты делятся и хроматиды расходятся к полюсам.
Телофаза II — хромосомы деспирализуются и появляется ядерная оболочка.
В результате из одной диплоидной клетки образуется четыре гаплоидных клетки. В тех случаях, когда мейоз сопряжён с гаметогенезом (например, у многоклеточных животных), при развитии яйцеклеток первое и второе деления мейоза резко неравномерны. В результате формируется одна гаплоидная яйцеклетка и три так называемых редукционных тельца (абортивные дериваты первого и второго делений).
У организмов, размножающихся половым путем, предотвращается удвоение числа хромосом в каждом поколении, так как при образовании половых клеток мейозом происходит редукция числа хромосом.
Мейоз создает возможность для возникновения новых комбинаций генов (комбинативная изменчивость), так как происходит образование генетически различных гамет.
Редукция числа хромосом приводит к образованию «чистых гамет», несущих только один аллель соответствующего локуса.
Расположение бивалентов экваториальной пластинки веретена деления в метафазе 1 и хромосом в метафазе 2 определяется случайным образом. Последующее расхождение хромосом в анафазе приводит к образованию новых комбинаций аллелей в гаметах. Независимое расхождение хромосом лежит в основе третьего закона Менделя.
Контрольные точки клеточного цикла
Из предыдущих курсов мы уже узнали о основных фазах клеточного цикла, митоза и мейоза. Но по мере того, как клетки движутся по клеточному циклу, перескакивают ли они бесконтрольно с одной фазы в другую? Если это раковые клетки, ответ может быть да.
Нормальные клетки, однако, проходят клеточный цикл регулируемым образом, используя информацию о своем внутреннем состоянии и сигналы из окружающей среды, они решают, следует ли продолжать деление. Это гарантирует, что клетки не станут делиться в неблагоприятных условиях (например, когда их ДНК повреждена или в ткани или органе нет места для большего количества клеток).
Контрольные точки клеточного цикла
Контрольная точка — это стадия в эукариотическом клеточном цикле, на которой клетка анализирует внутренние и внешние сигналы и «решает», стоит ли продвигаться дальше в процессе деления.
Существует несколько контрольных точек, но мы рассмотрим три наиболее важных из них:
· G1 контрольная точка, которую клетка проходит перед переходом из фазы G1 в фазу S.
· G2 контрольная точка,которую клетка проходит перед переходом из фазы G2 в фазу M.
· Контрольная точка шпинделя, при переходе из метафазы в анафазу.
Схема клеточного цикла с отмеченными контрольными точками.
Контрольная точка G1 находится в конце фазы G1 (близко к переходу G1 / S).
Контрольная точка G2 находится в конце фазы G2 (близко к переходу G2 / M).
Контрольная точка шпинделя находится на середине фазы M, а точнее, на переходе от метафазы к анафазе.
Контрольная точка G1
Контрольная точка G1 является основной точкой, в которой клетка должна сделать выбор, делиться ей или нет. Как только клетка проходит G1-контрольную точку и вступает в S -фазу, процесс деления запускается и может прерваться только в случае непредвиденных проблем, таких как повреждение ДНК или ошибки репликации. В остальных случаях клетка, которая прошла через контрольную точку G1, продолжит движение по клеточному циклу и в результате образует две дочерние клетки.
На контрольной точке G1 клетки решают, следует ли продолжить деление, основываясь на таких факторах, как:
· Размер клетки
· Питательные вещества
· Факторы роста
· Повреждение ДНК
В контрольной точке G1 клетка проверяет, являются ли внутренние и внешние условия подходящими для деления. Вот некоторые из факторов, которые может оценить клетка:
· Размер. Достаточно ли велика клетка для деления?
· Питательные вещества. Достаточно ли у клетки запасов энергии или доступных питательных веществ для деления?
· Молекулярные сигналы. Получает ли клетка положительные сигналы (например, факторы роста) от соседей?
· Целостность ДНК. Повреждена ли ДНК?
Это не единственные факторы, которые могут повлиять на прохождение через контрольную точку G1, и то, какие факторы являются наиболее важными, зависит от типа клетки. Например, некоторые клетки также нуждаются в механических сигналах (таких как соединение с поддерживающей сетью — внеклеточным матриксом), чтобы начать деление.
Если клетка не получает сигналов, нужных для прохождения контрольной точки G1, она может выйти из клеточного цикла и войти в состояние покоя под названием фаза G0. После чего в некоторых случаях клетки могут либо постоянно оставаться в фазе G0, либо возобновить деление, если условия поменяются на благоприятные.
Контрольная точка G1
Контрольная точка G1 находится в конце фазы G1, до перехода в S-фазу.
Если клетка не проходит контрольную точку G1, она может «выйти из клеточного цикла» и перейти в состояние покоя, называемое G0, из которого она может впоследствии повторно войти в G1 при соответствующих условиях.
Контрольная точка G2
Чтобы убедиться, что деление клетки пройдет успешно (клетка произведет здоровые дочерние клетки с неповрежденной ДНК), перед фазой М клетка проходит дополнительную контрольную точку — контрольную точку G2.
На этом этапе клетка проверяет:
· Целостность ДНК. Повреждена ли ДНК?
· Процесс репликации ДНК. Была ли ДНК полностью скопирована во время S-фазы?
Если обнаружены ошибки или повреждения, клеточный цикл останавливается на контрольной точке G2 для устранения неполадок. Если механизмы контрольных точек обнаруживают проблемы с ДНК, клеточный цикл останавливается, и клетка пытается либо завершить репликацию ДНК, либо восстановить поврежденную ДНК.
Если повреждение непоправимо, клетка может подвергнуться апоптозу — запрограммированной клеточной гибели [2]. Этот механизм самоуничтожения играет важную роль в профилактике рака, поскольку гарантирует, что поврежденная ДНК не передастся дочерним клеткам.
Изображение клеточного цикла с отмеченной контрольной точкой G2.
На контрольной точке G2 клетка проверяет:
· Повреждение ДНК
· Завершение репликации ДНК.
Контрольная точка шпинделя
Контрольная точка M также известна как контрольная точка шпинделя : здесь клетка проверяет, правильно ли все сестринские хроматиды прикреплены к микротрубочкам шпинделя. Поскольку разделение сестринских хроматид во время анафазы является необратимым этапом, цикл не будет продолжаться до тех пор, пока все хромосомы не будут прочно прикреплены по крайней мере к двум веретенообразным волокнам с противоположных полюсов клетки.
Как работает эта контрольная точка? Кажется, что клетки на самом деле не сканируют метафазную пластинку, чтобы подтвердить, что все хромосомы на месте. Вместо этого происходит поиск хромосом, которые находятся в неправильном месте (например, плавают в цитоплазме) [3]. Если хромосома не на своем месте, клетка приостановит митоз, предоставив время для веретена захватить беспризорную хромосому.
Изображение клеточного цикла с отмеченной контрольной точкой шпинделя
На контрольной точке шпинделя клетка проверяет:
Прикрепление хромосомы к метафазной пластинке.
Как на самом деле работают контрольные точки?
В этой статье дается общий обзор контроля клеточного цикла, описываются факторы, которые влияют на решение клетки приостановить или продолжить клеточный цикл на каждой из контрольных точек. Однако вам может быть интересно, какие механизмы запускают эти факторы внутри клетки, и каким образом управляется переход от одной фазы клеточного цикла к следующей.
Общий ответ заключается в том, что внутренние и внешние сигналы запускают сигнальные пути внутри клетки, которые активируют или инактивируют набор основных белков, которые продвигают клеточный цикл вперед. Вы можете узнать больше об этих белках и увидеть примеры того, как на них влияют такие сигналы, как повреждение ДНК, в статье о регуляторах клеточного цикла
Клеточный цикл контролируется путем взаимодействия трех типов
белков: циклинзависимые киназы (Cdk), циклины
- белки, взаимодействующие с Cdk c образованием комплексов
и ингибиторы комплексов Cdk-циклин.
Циклинзависимые киназы (Cdk) - ферменты фосфорилирующие другие
белки, изменяют их функцию. Клеточный цикл контролируется изменением
активности Cdk, которая регулируется периодическим образованием
и распадом их регуляторных субъединиц - циклинов. Смена синтезов
и разрушений различных циклинов обеспечивает переходы и протекания
различных фаз клеточного цикла. При этом концентрация Cdk
постоянна в течении всего клеточного цикла. В разные фазы
клеточного цикла образуются разные циклины, которые связываясь
с Cdk образуют различные Cdk-циклиновые комплексы. Эти комплексы
регулируют разные фазы клеточного цикла и поэтому называются
G1-, G1/S- , S- и М-Cdk (рис.1).
рис.1 Концентрации различных комплексов Cdk-циклин
в клеточном цикле.
Контрольные точки клеточного цикла
1. Точка выхода из G1-фазы, называемая
Старт - у млекопитающих и точкой рестрикции
у дрожжей. После перехода через точку рестрикции R в конце
G1 наступление S становится необратимым, т.е. запускаются
процессы ведущие к следующему делению клетки.
2.
Точка S – проверка точности репликации.
3.
Точка G2/M-перехода – проверка завершения репликации.
4. Переход от метафазы к анафазе митоза.
Контроль различных этапов клеточного
цикла
ARC подавляет S- и M-циклины и не подавляет G1/S-циклины.
В G1-фазе работают различные ингибиторы Cdk.
Внутренние и внешнии сигналы приводят к образованию G1/S-
и S-циклинов и активации G1/S–Cdks.
Активность G1/S–Cdk увеличивается потому что G1/S циклины
не атакуются APC и потому что G1
Cdk ингибиторы так же не действуют на G1/S–Cdks
(у мух и дрожжей) или удаляются от G1/S–Cdks другими
механизмами (у млекопитающих).
S-Cdk инактивирует ингибиторы Cdk и подавляет ARC, которые
в G1-фазе подавляли S-Cdk. S-Cdk фосфорилируют
различные белки, что ведет к началу дупликации ДНК и S-фазы.
После начала S-фазы S/G1-Cdk обеспечивают собственную
инактивацию.
В конце S-фазы, в G2-фазе начинают накапливаться
М-Cdk, приводящая к вступлению клетки в митоз. М-Cdk активирует
ARC-комплекс, управляющий метафазно-анафазным переходом. Основная
функция ARC-комплекса состоит в разрушении когезинов, приводящее
к началу расхождения хромосом
Циклин зависимые киназы Cdk1-5 в клетках млекопитающих
Cdks активируется при связывании с циклинами (так же как фосфориляция
и дефосфориляция киназ). Cdks-фосфорилируют белки участвующие
в кл цикле
M-phase Cdk (M-Cdk) запускают каскад белковых фосфориляций,
запускающих М-фазу к.ц. (конденсация хромосом, разрушение
ядра, перестройка АГ иЭР, потеря адгезии с большинством других
клеток и внеклеточному матриксу, реорганизация цитоскелета)
anaphase-promoting complex (APC) регулятор митоза – инициация
разделения и расхождения хромосом и инактивация М-Cdk в конце
митоза
При выходе из G0 под действием факторов роста начинает
синтезироваться Cdk2-циклинD: распознает в-ва, регулирующие
ферменты синтеза белков, необходимых для репликации ДНК. В
это же время выявляются Cdk4-циклинD, и Cdk5циклинD
циклин-cdks
запускает М-стадию кц, деградация циклина снижает активность
cdks
Cdk2-циклинE появляется в G1 и достигает max
на границе G1-S, после чего его концентрация
резко снижается
Cdk2-циклинА появляется в промежутке G1-S и присутствует
в высокой концентрации на протяжении S
Сdk2-циклинB в конце G2 до М – резко разрушается
в каждой стадии синтезируются свои циклины M-циклины запускают
события митоза, G1/S-циклины – связывают цзк
в конце G1 подготавливает кл к S-фазе, S-циклины
– связывают цзк, запуская репликацию, G1-циклины
обеспечивают прохождение через точку рестрикции.
Регуляция репликации
Перед началом репликации Sc ORC-комплекс (origin recognition
complex) садится на ori - точку начала репликации. Cdc6 представлен
во всем клеточном цикле, но его концентрация возрастает вначале
G1, где он связывается c ОRC комплексом, к которому затем
присоединяются Mcm белки с образованием pre-replicative complex
(pre-RC). После сборки pre-RC клетка готова к репликации.
Для инициации репликации S-Cdk соединяется с протеинкиназой
(?), которая фосфорилирует pre-RC. При этом Cdc6 диссоциирует
от ОRC после начала репликации и фосфорилируется, после чего
убиквитинируется SCF и деградирует. Изменения в pre-RC препятствуют
повторному запуску репликации. S-Cdk так же фосфорилирует
некоторые Mcm белковые комплексы, что запускает их экспорт
из ядра. Последующая дефосфориляция белков вновь запустит
процесс образования pre-RC.
Регуляция митоза
В эмбриональных клетках синтез М-циклина постоянен во всем
клеточном цикле и накопление его происходит из-за уменьшения
деградации. У большинства клеток М-циклин синтезируется во
время G2 и М-фаз. Накопление циклина ведет к накоплению M-Cdk.
Cdk ингибируется, фосфорилируясь протеинкиназой Wee1. Активация
Cdc25 в поздней G2 дефосфорилирует M-Cdk, так же происходит
репрессия Wee1. Две протеинкиназы фосфорилируют Cdc25 – Polo
kinase и M-Cdk. M-Cdk так же фосфорилирует и ингибирует Wee1.
Способность M-Cdk активировать свой собственный активатор
(Cdc25) и ингибировать свой собственный ингибитор (Wee1) предполагает,
что активация M-Cdk в митозе резко усиливается при наличии
такой позитивной обратной связи. Малое количество активированных
Cdc25 активируют M-Cdk, которые активирует еще больше Cdc25
и супрессируют Wee1. Это приводит к большей дефосфориляции
M-Cdk и активации и тд. Такой механизм обеспечивает полную
активацию всех M-Cdk
Фосфорилирование ламинов M-Cdk приводит к их деградации. М-Cdk
фосфорилирует несколько субъединиц конденсинов, запуская конденсацию
хромосом.
M-Cdk фосфорилирует различные белки, запуская реорганизацию
микротрубочек и другие события ведущие к организации веретена
деления.
Циклин-зависимые
киназы
G1/S, S, возможно М
G1/S, S, возможно М
В животных клетках имеются, по крайней мере, 7 различных
Cdk. Cdk1,2,4,6 напрямую участвуют в регуляции клеточного
цикла, тогда как остальные фосфорилируют другие Cdk и называются
Cdk-активирующие киназы (CAK).
Cdk7,8,9 являются регуляторами РНК полимеразы II. Cdk5 участвует
в дифференцировке нервных клеток.
У дрожжей Sc и Sp все события клеточного цикла контролируются
одной Cdk1. У многоклеточных организмов события контролируются
Cdk1 и Cdk2. Также у высших эукариот имеются Cdk4 и Cdk6
которые регулируют клеточный цикл в ответ на внеклеточные
сигналы.
Cdk фосфорилируют сотни различных белков по сериновым (S)
или треониновым (T) аминокислотным остаткам. Cdk узнает
мотиф другого белка по которому необходимо фосфорилировать:
[S/T*]PX[K/R], где S/T*- место фосфорилирования, X – любая
аминокислота, K/R-основные аминокислоты лизин (K) или аргинин
(R).
В отсутствии циклина активный центр Cdk заблокирован.
Cdk состоит из нескольких доменов: Т-петля (инактивирующая
петля) – закрывает активный центр в отсутствии циклина.
L12 helix, PSTAIRE helix.
Циклины
| Вид | G1 | G1/S | S | M |
| S.cerevisiae | Cln3 |
Циклины - цитоплазматические белки. Разрушение циклинов
происходит в протеосомах (см. обзор Протеасомы). Циклин
B – белок киназный домен, регуляторная субъединица. Начинает
синтезироваться в G1, достигает max в S и ранней профазе
и быстро разрушается в начале анафазы М. Когда концентрация
регуляторной субъединицы возрастает – активируется киназный
домен. Фосфорилирование специфических белков приводит к
компактизации х-м, разрушению ядерной об-ки и сборке веретена.
Циклин фосфорилирует сериновые и треониновые остатки ламинов
вызывая их деполимеризацию, фосфорилирует гистон H1, участвует
в фосфорилировании блокирующим везикулярный транспорт –
разрушение ЭПР и АГ, фосфорилирует участок легкой цепи миозина,
ингибируя АТФ-азную активность и связывание с F-актином
– блокировка цитокинеза в раннем митозе. После разрушения
циклина белки дефосфорилируются.
Циклины – активаторы Cdk. Циклины, так же как и Cdk вовлечены
в различные, помимо контроля клеточного цикла, процессы.
Циклины разделяются на 4 класса в зависимости от времени
действия в клеточном цикле: G1/S, S, M и G1 циклины.
G1/S циклины (Cln1 и Cln2 у S. cerevisiae, циклин E у позвоночных)
достигает максимальной концентрации в поздней G1-фазе и
падает в S-фазе.
G1/S cyclin–Cdk комплекс запускает начало репликации ДНК
выключая различные системы подавляющие S-phase Cdk в G1-фазе
G1/S циклины также инициируют дупликацию центросом у позвоночных,
образование веретенного тела у дрожжей. Падение уровня G1/S
сопровождается увеличением концентрации S циклинов (Clb5,
Clb6 у Sc и циклин A у позвоночных), который образует S
циклин-Cdk комплекс который напрямую стимулирует ДНК репликацию.
Уровень S циклина остается высоким в течении всей S, G2-фаз
и начала митоза, где помогает началу митозу в некоторых
клетках.
М-циклины (Clb1,2,3 и 4 у Sc, циклин B у позвоночных) появляется
последним. Его концентрация увеличивается, когда клетка
переходит к митозу и достигает максимума в метафазе. М-циклин-Cdk-комплекс
включает сборку веретена деления и выравнивание сестринских
хроматид. Его разрушение в анафазе приводит к выходу из
митоза и цитокиезу.
G1 циклины (Cln3 у Sc и циклин D у позвоночных) помогает
координировать клеточный рост с входом в новый клеточный
цикл. Они необычны, так как их концентрация не меняется
от фазы клеточного цикла, а меняется в ответ на внешние
регуляторные сигналы роста.
APC комплекс (Anaphase-Promoting Complex)
Убиквитин лигаза митоза - APC состоит из 12 субъединиц и регулирует
различные процессы митоза, такие как разделение сестринских
хроматид (запускает разрушение когезинов), переход к анафазе,
анафазное расхождение хромосом, выход из митоза, разрешение
S-фазы. ARC разрушает митотический циклин B.
Имеются различные белки регулирующие активность ARC комплекса,
такие как Mps1, Bub1, Bub3, BubR1, Mad1 и Mad2. Они ингибируют
ARC комплекс, что ведет к остановке клеточного цикла в метафазе
митоза.
Контрольные точки клеточного цикла
В клеточном цикле постулировано существование так называемых «сверочных точек» (checkpoints), прохождение которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок.
Рисунок 2.11 - Схема клеточного цикла, точка рестрикции
Выделяют четыре такие точки: точка в G1, точка в S, точка в G2 и «точку проверки сборки веретена деления» в митозе.
Предполагается, что механизм регуляции клеточного роста, включающий специфическую точку рестрикции R, мог возникнуть потому, что клеткам, которым из-за условий существования или взаимодействия с другими клетками необходимо перестать делиться, нужны безопасные точка для остановки (R), клетки остановленные в этом покоящемся состоянии вступают в фазу G0 клеточного цикла.
Обычно выделяют два критических перехода между фазами G1/S и G2/M, но позже были обнаружены и другие точки.
Сверочная (контрольная) точка рестрикции в G1
Основное требование к клетке, вступающей в фазу репликации ДНК, является интактность ДНК, так как синтез поврежденной ДНК приведет к передаче генетических аномалий потомству, поэтому клетки, подвергшиеся мутагенным воздействиям, вызывающим разрывы ДНК при ультрафиолетовом и g-облучение, алкилирующие соединения и другие, останавливаются в G1 и не входят в дальнейшую фазу. [7,9]
Остановка в G1 наблюдается не только после ДНК повреждающих воздействий, но и при других состояниях, в том числе приводящих к нарушениям числа хромосом, при незавершенности предыдущего клеточного цикла митозом, при неправильной сегрегации хромосом во время митоза, приведшей к образованию микро ядер, а также при разрушении микротрубочек
которое впоследствии может вызвать нарушения митоза, остановка в G1 может быть необратимой, как это наблюдается в случае g-облучения или обратимой, прекращающейся с окончанием действия фактора, ее вызвавшего, например, при восстановлении нормального пула нуклеотидов или при реставрации системы микротрубочек. [7,9]
Сверочная (контрольная) точка рестрикции в S-фазе
Сверочная точка в фазе репликации ДНК контролирует правильность
репликации ДНК, в частности, остановка в определенный период S фазы наблюдается при недостатке нуклеотидов в клетках, не остановившихся в силу каких-либо причин в G1. [7,9]
Фаза G0 клеточного цикла (фаза пролиферативного покоя)
Клетки некоторых типов на определенных стадиях дифференцировки могут прекращать свое деление, при этом сохраняя свою жизнеспособность, это состояние клеток получило название фазы G0, а клетки, которые достигли состояния терминальной дифференцировки, уже не могут выйти из этой фазы.
Клетки, для которых характерна чрезвычайно низкая способность к делению, например, гепатоциты, могут снова вступать в клеточный цикл после удаления части печени.
Специфические ингибиторы клеточного цикла осуществляют переход клеток в состояние покоя, при участии этих белков могут прекращать пролиферацию в неблагоприятных условиях окружающей среды, при повреждении ДНК или появлении грубых ошибок ее репликации, такие паузы используются клетками для репарации возникших повреждений.
При некоторых внешних условиях клеточный цикл может приостанавливаться в точках рестрикции, в этих точках клетки становятся коммитированными к вступлению в фазу репликации ДНК или в митоз.
Например, клетки позвоночных в стандартной культурной среде, лишенной сыворотки, в большинстве случаев не вступают в фазу синтеза ДНК, хотя и среда содержит все необходимые питательные вещества.
Переход в состояние пролиферативного покоя или в фаза G0, определяется тем, что клетки, которые вышли из митотического цикла на неопределенное время при этом сохранив свою жизнеспособность и пролиферативный потенциал носят название покоящимся клетками.
В ядрах клеток, находящихся в пролиферативном покое, также как и в клетках, находящихся в фазе G1, содержатся неудвоенное количество ДНК, и между клетками в этих двух состояниях имеются существенные различия, а продолжительность фазы G1 у делящихся клеток значительно короче, чем время перехода G0/S.
Для того чтобы клетка вышла из фазы G0, она должна осуществить специальную программу, в покоящихся клетках не экспрессируются CDK2 и CDK4, а также циклины D и E типов, их синтез индуцируется только факторами роста, уровень D и E циклинов остается высоким в постоянно циклирующих клетках на протяжении всего цикла, и продолжительность периода G1 по сравнению с пререпликативным периодом уменьшается.
Таким образом, в клетках, находящихся в фазе G0, отсутствуют белки, разрешающие проход через точки рестрикции и позволяющие вступать в синтез ДНК, для перехода покоящихся клеток в фазу репликации ДНК, факторы роста должны индуцировать в них синтез этих белков. [7,9]
Сверочная (контрольная) точка рестрикции в G2-фаз
Нарушение и повреждение ДНК вызывают остановку клеток не только в фазе репликации ДНК и G1, но и в фазе G2 клеточного цикла, при этом выявляются повреждения пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек, либо полученные на следующих стадиях клеточного цикла, в фазе G2 детектируется полнота репликации ДНК и клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз. [7,9]
Читайте также: