Белки основные регуляторы митоза

Регуляция клеточного цикла и митоза

2014-02-04
4275

Клеточный цикл регулируется как внутриклеточными, так и внеклеточными факторами.

Генетический контроль цикла обеспечивается семейством генов, которые обозначаются как гены клеточного деления – cdc (cell division control). Продукты этих генов представляют собой киназы — ферменты, фосфорилирующие белки по определенным аминокислотам. Поэтому гены клеточного цикла могут обозначаться также cdk (cell division kinase). Основной принцип регуляции клеточного цикла состоит в фосфорилировании и дефосфорилировании участвующих в пролиферации структурных и регуляторных белков.

Последовательность активации киназ клеточного деления определяется циклинами – регуляторными белками, концентрация которых закономерно изменяется в клеточном цикле. Например, концентрация циклина А нарастает к концу G₁-периода и снижается по завершению S-периода, причем подавление репликации ДНК оксимочевиной не влияет на этот процесс. К настоящему времени обнаружено 12 циклинов, которые демонстрируют различную динамику концентрации в клеточном цикле. Наряду с комплексами Cyc/Cdk (циклин/циклинзависимая киназа) в регуляции цикла участвуют фосфатазы PP1 и PP2a, которые дефосфорилируют белки, фосфорилированные ранее киназами, циклин-активирующие киназы CAK и ингибиторы киназ CDI.

Важная роль в регуляции клеточного цикла принадлежит белку p53. Он способен узнавать специфические последовательности в ДНК и регулировать активность контролирующих пролиферацию генов. Концентрация p53 в ядре увеличивается к концу G₁-периода, но резко снижается при переходе клетки в S-период. Если в клетке возникли повреждения ДНК, концентрация p53 остается на высоком уровне, клетка задерживается в конце G₁-периода и не приступает к репликации ДНК до тех пор, пока повреждения не будут исправлены. Если повреждения ДНК репарировать не удалось, p53 выключает гены, блокировавшие апоптоз. Переход G₁/S является первой контрольной точкой клеточного цикла (точкой рестрикции R1), в которой клетка принимает решение о репликации ДНК.

Кроме R1 в клеточном цикле есть и вторая контрольная точка — R2. Она соответствует переходу G₂/M, когда клетка принимает решение о начале митоза. Главными молекулами, регулирующими начало митоза, являются фосфатаза Cdc25, а также киназы CycB/Cdk1 и weel. Фосфатаза Cdc25 способна активировать киназу CycB/Cdk1, тогда как киназа weel, наоборот, ингибирует ее. Поэтому начало митоза определяется балансом активности ферментов Cdc25 и weel.

События митоза также регулируются циклинами. В частности, циклин B (CycB) контролирует образование митотического веретена, циклин A (CycA) влияет на расхождение хроматид, а циклин B3 (CycB3) контролирует конденсацию хромосом. Для завершения митоза необходима не только определенная последовательность активации циклинзависимых киназ и фосфатаз, но также их своевременная деградация. Она контролируется APC (anaphase promoting complex) — комплексом протеаз с участием убиквитина.

Клеточный цикл регулируется также внешними по отношению к клетке молекулярными сигналами. К ним относятся гормоны, медиаторы, факторы роста, лимфокины, митогены, а также их ингибиторы.

Пролиферирующие клетки отвечают на молекулярные сигналы двух типов. Первый из них усиливает пролиферацию, вызывая переход клеток из состояния G₀ в G₁ и их прогрессию в клеточном цикле (так действуют многие факторы роста, например, фактор роста фибробластов ФРФ). Второй тип регуляторных белков позволяет клеткам подавлять рост их соседей (как это происходит, например, при секреции макрофагами фактора некроза опухолей ФНО).

Таким образом, в управление клеточным циклом и митозом вовлечено большое число генов. Если функция каких-либо из них утрачивается из-за мутации или нарушения экспрессии, клетки становятся нечувствительными к подавляющим их рост молекулярным сигналам, переходят в режим автономной пролиферации и могут сформировать в итоге опухоли.

Источник

Белки основные регуляторы митоза

При митозе воспроизводится хромосомная организация клетки. Жизнь каждой дочерней клетки начинается с образования двух копий каждой хромосомы. Эти копии называют гомологами. Общее количество хромосом называют диплоидным набором, число хромосом в котором равно 2n. Во время интерфазы хромосомный материал в растущей клетке удваивается. В начале митоза каждая хромосома оказывается расщепленной по своей длине с образованием двух копий, называемых сестринскими хроматидами.

В этот момент число хромосом в клетке составляет 4n, они организованы в виде 2n пар сестринских хроматид. Процесс митоза состоит из 4 фаз: профазы, метафазы, анафазы и телофазы, заканчивающейся цитокинезом, когда делится сама клетка; при этом каждая дочерняя клетка получает тот же полный набор хромосом, который был в родительских клетках, а каждая хромосома в паре происходит от одной из родительских хромосом. Каждая фаза включает определенные движения центромеры — центральной сократительной области хромосомы.
Эти движения важны для разделения хромосомных пар между дочерними клетками и завершения процесса клеточного деления.

Непосредственно перед митозом происходит серия проверок в так называемых регуляторных точках (checkpoints) с целью репарации разрывов хромосомной двойной спирали или других повреждений ДНК. В нормальных условиях поврежденная ДНК восстанавливается, и процесс митоза завершается. Те клетки, где репарации ДИК не произошло, подвергаются апоптозу, или программируемой гибели. Такой механизм обеспечивает бесконечность деления клеток, если хромосомная ДНК интактна.

Результатом того, что клетке при делении удалось избежать контроля в одной из регуляторных точек, а клетки с разрывами двойной спирали или другими повреждениями ДНК делятся неконтролируемым образом, является карциногенез.

Важнейшими белками, участвующими в регуляции клеточного цикла, являются циклины и циклинзависимые киназы — CDK (суclin-dependent kinases). CDK — холоферментные комплексы, которые содержат регуляторные субъединицы И CDK-каталитичсскис субъединицы. Комплексы циклин-CDK регулируют 4 различные фазы клеточного цикла: Gap 1 (G1-фазу), фазу репликации ДНК (S-фазу), Gap 2 (G2-фазу) и собственно митоз (М-фазу). Контроль в точке рестрикции во время G1-фазы осуществляется при участии двух типов CDK: циклина D и циклина Е.

Циклины D-типа (D1, D2 и D3) во время ранней G1-фазы комбинаторно взаимодействуют С 2 каталитическими партнерами CDK4 и CDK6 с образованием по меньшей мере 6 холоферментов, экспрессия которых тканеспецифична. Циклин E образует комплекс со своим каталитическим партнером CDK2 и совместно с циклином D во время поздней G1-фазы завершает фосфорилирование белка-супрессора ретинобластомы (Kb). В результате клетка, минуя контроль регуляторной точки на участке G1-S, переходит в S-фазу.

Эндогенные ингибиторы комплексов циклин-CDK, называемые ингибиторами циклинзависимых киназ (CKI), экспрессируются во время G1-фазы и тормозят процессы фосфорилирования и активацию комплексов циклин-CDK, приводя к остановке G1 -фазы. Функция CKI состоит в том, чтобы не позволить клетке миновать регуляторную точку G1-фазы и ингибировать митоз, остановив тем самым рост клеток. На основании структуры самих ингибиторов и соответствующих CDK-мишеней CKI подразделяют на два семейства.

Белки семейства CIP/KIP (ингибиторы CDK) являются ингибиторами широкого спектра действия, они изменяют активность циклин D-, циклин В- и циклин А-завиеимых киназ. К этому семейству относятся белки р2l(Cip1), p27(Kipl) и p57(Kip2). Ike они в аминоконцевой области содержат характерную последовательность («мотив»), с которой связываются циклин н субстраты CDK. Белок р21 (Cipl) служит нижележащим эффектором фактора транскрипции и гена-супрессора опухоли p53 и обеспечивает репарацию повреждений ДНК и/или стимулирует апоптоз.

Белок p27(Kip1) является мощным ингибитором клеточной пролиферации в нормальных и патологически измененных тканях и выступает в роли важнейшего посредника при поражении тканей, воспалении и заживлении ран. Семейство белков INK4 (ингибитор CDK4) включает INK4A (p16), INK4B (р15), INK4C (р18) и INK4D (р19). Эти ингибиторы СОК содержат в своей молекуле анкириновые повторы, связываются только с CDK4 и CDK6, по не с другими CDK и специфически угнетают каталитические субъединицы CDK4 и СОКб, Белки семейства INK являются важнейшими регуляторами роста опухолей и играют большую роль в эволюционной биологии, однако их значение в патогенезе ССЗ не столь существенно.

Учебное видео: митоз клетки и его стадии

— Вернуться в оглавление раздела «Кардиология»

Источник

Белки основные регуляторы митоза

• О нас
• Наши проекты
• Борьба со старением
• Трансгуманизм
• Волонтёрам

• Что такое Open Longevity?
• Наша стратегия
• Команда
• Контакты

• Школа Долголетия
• База данных Open Genes
• Анализ биотеха
• Анализ стратегий
• Экспедиция за бессмертием
• Диагностика старения
• Виртуальный НИИ
• Все статьи
• #ОдинПрекрасныйДень
• Работа с волонтёрами
• COVID-19

• Институты в старении
• Биология старения
• Диагностика старения
• Стратегии в борьбе со старением
• Стратегия OL

Вступление

В статье о контрольных точках клеточного цикла мы рассмотрели причины, которые влияют на переход к различным фазам клеточного цикла, факторы, которые клетка учитывает при принятии решения о том, следует ли продвигаться дальше по клеточному циклу. К таким факторам относятся как внешние сигналы (например, молекулярные сигналы), так и внутренние сигналы (например, повреждение ДНК).

Подобные сигналы действуют путем изменения активности регуляторов клеточного цикла ядра внутри клетки. Регуляторы клеточного цикла клетки могут запускать ключевые процессы, такие как репликация ДНК или разделение хромосом. Они также контролируют правильный порядок выполнения событий клеточного цикла и то, что одна фаза (например, G1) запускает начало следующей фазы (например, S).
В этой статье мы рассмотрим некоторые из наиболее важных регуляторов основного клеточного цикла: белки, называемые циклинами, ферменты — циклин-зависимые киназы (Cdks), и комплекс ферментов — анафаза стимулирующего комплекса (APC/C).

Циклины

Циклины — это группа родственных белков, одни из наиболее важных регуляторов клеточного цикла ядра. И у людей, и у большинства других эукариот существует четыре основных типа: G1-циклины, G1/S-циклины, S-циклины и М-циклины.

Как следует из названия, каждый циклин связан с определенной фазой, переходом или набором фаз в клеточном цикле и помогает управлять событиями этой фазы или периода. Например, M-циклин способствует событиям фазы M, таким как разрушение ядерной оболочки и конденсация хромосом [1,2].

Циклин-зависимые киназы ( Cdks)

Чтобы продвигать клеточный цикл вперед, циклин должен активировать или инактивировать многие целевые белки внутри клетки. Циклины управляют событиями клеточного цикла, сотрудничая с семейством ферментов, называемых циклин-зависимыми киназами (Cdks). Сам по себе Cdk неактивен, но, связавшись с циклином, активируется, становясь функциональным ферментом, и приобретает способность модифицировать целевые белки.

Как это работает? Cdks — это киназы, ферменты, которые фосфорилируют (присоединяют фосфатные группы) к специфическим белкам-мишеням. Присоединенная фосфатная группа действует как переключатель, делая целевой белок более или менее активным. Когда циклин присоединяется к Cdk, он создает два важных эффекта: активирует Cdk в качестве киназы, и направляет Cdk к определенному набору белков-мишеней, разному для разных фаз клеточного цикла, контролируемого каждым конкретным циклином. Например, G1/S-циклины посылают Cdks к мишеням S-фазы (например, стимулируя репликацию ДНК), тогда как M-циклины посылают Cdks к мишеням M-фазы (например, разрушая ядерную мембрану).

В целом, уровни Cdk остаются относительно постоянными по всему клеточному циклу, но активность Cdk и целевые белки изменяются по мере того, как уровни различных циклинов растут и падают. В дополнение к тому, что Cdks нуждается в связывании с циклином, он также должен быть фосфорилирован на определенном сайте, чтобы активироваться (не показано на диаграммах в этой статье), и может также негативно регулироваться фосфорилированием других сайтов [3,4].

Циклины и Cdks очень эволюционно консервативны, что означает, что они найдены во многих видах, от дрожжей до лягушек и человека. Детали системы немного различаются: например, у дрожжей есть только один Cdk, в то время как у людей и других млекопитающих есть несколько Cdk, которые используются на разных стадиях клеточного цикла. Да, это своего рода исключение из правила, согласно которому «уровни концентрации Cdks не меняются». Но основные принципы очень похожи, так что Cdks и различные типы циклинов можно найти у каждого вида [5].

Фактор, способствующий созреванию (MPF)

Известный пример того, как циклины и Cdks работают вместе, контролируя переходы клеточного цикла, — это фактор, способствующий созреванию (MPF). Название восходит к 1970-м годам, когда исследователи обнаружили, что клетки в фазе М содержат неизвестный фактор, который может заставить яйцеклетки лягушки (которая остановилась в G2, фазе) перейти в фазу М. Эта загадочная молекула, названная MPF, была открыта в 1980-х годах как Cdk, связанная со своим партнером M-циклином [7].

MPF — это хороший пример того, как циклины и Cdks могут работать вместе, чтобы управлять переходом клеточного цикла. Как и типичный циклин, M-циклин остается на низком уровне в течение большей части клеточного цикла, но его концентрация увеличивается, когда клетка приближается к G2/М-переходу. По мере накопления M-циклина он связывается с Cdks, уже присутствующими в клетке, образуя комплексы, которые готовы запустить M-фазу. Как только эти комплексы получают дополнительный сигнал (по сути, полностью четкое подтверждение того, что ДНК клетки не повреждены), они становятся активными и приводят в движение события фазы М [7].

Комплексы MPF добавляют фосфатные метки к нескольким различным белкам в ядерной оболочке, что приводит к ее расщеплению (ключевое событие ранней М-фазы), а также активируют мишени, способствующие конденсации хромосом и другим событиям М-фазы. Роль MPF в разрушении ядерной оболочки показана в упрощенной форме на диаграмме ниже.

Упрощенная схема, показывающая, как Cdk и M cyclin объединяются в MPF.

Левая панель: комплекс MPF фосфорилирует различные мишени, специфичные для М-фазы, а фосфорилированные мишени вызывают образование веретена, конденсацию хромосом, разрушение ядерной мембраны и другие события ранней М-фазы.

Правая панель: конкретный пример MPF, вызывающего разрушение ядерной оболочки. Комплекс MPF фосфорилирует белки в ядерной оболочке, что приводит к фрагментации ядерной мембраны на везикулы (и высвобождению некоторых белков из мембраны).

Анафаза-стимулирующий комплекс/циклосома (APC/C)

В дополнение к управлению событиями М-фазы, MPF также запускает собственное разрушение, активируя комплекс, стимулирующий анафазу/циклосому (APC/C), белковый комплекс, который вызывает разрушение М-циклинов во время начала анафазы. Разрушение М-циклинов выводит клетки из митоза, позволяя новым дочерним клеткам войти в фазу G1. APC/C также вызывает разрушение белков, которые удерживают сестринские хроматиды вместе, позволяя им разделится в анафазе и переместиться к противоположным полюсам клетки.

Как APC/C выполняет свою работу? Как и Cdk, APC/C является ферментом, но имеет другой тип функций, чем Cdk. Вместо того, чтобы прикреплять фосфатную группу к своим мишеням, он добавляет небольшую белковую метку под названием убиквитин (Ub). Когда цель помечена убиквитином, она отправляется в протеасому (которую можно рассматривать как мусорную корзину клетки) и уничтожается. Например, APC/C прикрепляет метку убиквитина к М-циклинам, вызывая их расщепление протеасомой и позволяя вновь образующимся дочерним клеткам входить в G1-фазу [8].

APC/C также использует убиквитиновые метки для запуска отделения сестринских хроматид во время митоза. Если APC/C получает правильные сигналы в метафазе, он запускает цепь событий, которая разрушает когезин, белковый клей, который удерживает сестринские хроматиды вместе [8,9].

APC/C сначала добавляет метку убиквитина к белку, называемому секурин, и отправляет его на переработку. Секурин обычно связывает и инактивирует белок, называемый сепараза(сепарин).

Когда секурин отправляется на переработку, сепараза становится активной и может выполнять свою работу. Сепараза в свою очередь измельчает когезин — белок, который удерживает сестринские хроматиды вместе, таким образом сепараза разделяет сестринские хроматиды.

Контрольные точки и регуляторы

Cdks, cyclins и APC/C являются прямыми регуляторами клеточных циклов, но они не всегда управляют процессом. Вместо этого они реагируют на сигналы внутри и снаружи клетки. Эти сигналы влияют на активность регуляторов ядра, чтобы определить, можно ли клетке двигаться вперед в клеточном цикле. Положительные сигналы, такие как факторы роста, обычно увеличивают активность Cdks и циклинов, в то время как отрицательные сигналы, такие как повреждение ДНК, обычно уменьшают или блокируют их активность.

В качестве примера давайте рассмотрим, как повреждение ДНК останавливает клеточный цикл в G1. Повреждение ДНК может произойти и происходит во многих клетках организма в течение жизни человека (например, из-за ультрафиолетовых лучей солнца). Клетки должны быть в состоянии справиться с этим повреждением, исправляя его, если это возможно, и останавливая свое деление, если исправить повреждение не удается. Ключом к реакции на повреждения ДНК является белок p53, известный супрессор опухолей, который часто называют «хранителем генома» [10].

р53 работает на нескольких уровнях, чтобы гарантировать, что клетки не передадут свою поврежденную ДНК дочерним клеткам после деления [3].

Во-первых, он останавливает клеточный цикл в контрольной точке G1, запуская производство белков-ингибиторов Cdk (CKI). Белки CKI связываются с комплексами Cdk-циклинов и блокируют их активность (см. диаграмму ниже), выигрывая время для восстановления ДНК.

Вторая задача p53 — активировать ферменты репарации ДНК.

Если повреждение ДНК не поддается устранению, р53 приступает к исполнению своей третьей и последней роли — запуску программируемой клеточной гибели, чтобы поврежденная ДНК не передавалась дальше.

Источник