Регуляция клеточного цикла

Регуляция клеточного цикла

Ключевую роль в смене фаз клеточного цикла играют специальные ферменты – протеинкиназы. Это т. н. циклинзависимые киназы (Cdk – cyclin-dependent kinases). Каждая из них фосфорилирует определенные белки, вовлеченные в соответствующую фазу цикла (в результате чего они меняют свою конфигурацию), и таким образом, активируют или инактивидуют их. Молекула Cdk сама по себе не активна, для ее активации требуется связывание с ней специального белка – циклина (Ц). Название «циклины» обусловлено цикличным изменением концентрации данного белка в течение клеточного цикла. При взаимодействии образуется активный комплекс циклин-Cdk. Существует несколько видов циклинов и несколько видов Cdk (разные циклины обозначаются латинскими буквами, а разные Cdk – арабскими цифрами) (рис.11).

Комплекс циклин-Cdk очередной стадии цикла должен обеспечить:

1. Инактивирование комплекса предыдущей стадии;

2. Стимуляцию событий своей стадии;

3. Образование или активацию комплекса следующей стадии.

Запускают цикл комплексы ЦД-Cdk4 и 6. Они функционируют на начальной стадии постмитотического (G1) периода и вызывают соответствующие внутриклеточные события (рост клетки, синтез белков для репликации).

Для осуществления митотического деления необходим внешний стимул – действие специфических факторов роста (митогены).

Известно несколько факторов роста:

1. Фактор роста из тромбоцитов (PDGF). Стимулирует пролиферацию клеток соединительной ткани. Освобождается при разрушении сосудистой стенки, участвует в процессах тромбообразования и заживления ран.

2. Эпидермальный фактор роста (EGF). Стимулирует размножение многих типов клеток; работает как сигнальный белок при эмбриональном развитии.

3. Фактор роста нервов (NGF). Осуществляет рост отдельных типов нейронов.

4. Эритропоэтин. Осуществляет пролиферацию предшественников эритроцитов.

5. Интерлейкины (IL). Участвуют в реакциях клеточного иммунитета и кроветворения, где выступают как стимуляторы и ингибиторы размножения и дифференцировки лимфоцитов на разных этапах иммунного ответа (лимфокины).

Есть также и антимитогенные факторы (например, фактор некроза опухолей), которые останавливают деление опухолевых клеток.

Факторы роста узнают соответствующий рецептор на поверхности клетки, в результате чего активируется ряд специфических ферментов – митогенактивируемых протеинкиназ, что приводит к фосфорилированию ряда транскрипционных факторов, в результате чего они активируются и запускают транскрипцию ряда генов. Среди таких генов находятся гены циклина D, Cdk4,6 – компоненты комплексов первой половины G1-периода. На этих генах синтезируются соответствующие белки, которые образуют активные комплексы G1-периода. Количество Cdk в клетках регулируется присоединением специфических ингибиторов.

Действие комплексов G1 периода

Комплексы циклин D-Cdk4,6 действуют на несколько субстратов:

Во-первых, белок pRb (от «ретинобластома» - при мутации этого гена развивается соответствующая опухоль). Функция белка pRb состоит в ингибировании комплекса транскрипционных факторов. В неделящихся клетках белок pRb находится в нефосфорилированном состоянии, поэтому имеет высокое сродство к комплексам транскрипционных факторов и блокируют их. Под действием ЦD-Cdk4,6 pRb фосфорилируется, в результате чего теряет сродство к сответствующим транскрипционным факторам (т. е. они освобождаются), в результате чего они активируется и запускают работу ряда генов:

1.  Гены ключевых ферментов репликации ДНК (например, ДНК-полимеразы а). Это неодходимо для подготовки клетки к репликации;

2.  Предположительно гены транскрипционных факторов, стимулирующих в конце G1-периода экспрессию гена циклина В.

3.  Гены компонентов комплексов последующих стадий цикла (циклинов Е и А, Cdk2, Cdk1, и предположительно гены циклина В).

Во-вторых, ЦD-Cdk4 действует на белок АРС (anaphase-promoting complex) - анафазу обеспечивающий фактор. Фактор АРС – это фермент приводит к быстрому распаду циклина В. Разрушение циклина В необходимо в конце метафазы митоза, для осуществления анафазы. ЦD-Cdk4 фосфорилирует АРС, инактивирует его, что обеспечивает возрастание концентрации циклина В до конца метафазы митоза.

В-третьих, комплексы G1-периода влияют на ингибиторы комплексов S-фазы. Комплексы S - фазы ЦА-Cdk2, ЦВ-Cdk2 сразу после синтеза связываются с ингибиторами, что предохраняет клетку от преждевременного начала репликации.

В конце G1-периода ингибиторы фосфорилируются (вероятно комплексом ЦЕ-Cdk2), что лишает их сродства к комплексам S-фазы (ЦА-Cdk2 и ЦВ-Cdk2) и клетка входит в S-период.

В конце G1-периода клетка проходит т. н. «точку рестрикции». Если подготовка к митозу зашла слишком далеко, клетка входит в S-период даже в том случае, если прекратилось действие митогенов. Т. о. в данный момент клеткой принимается решение о продолжении делений или о выходе из цикла (G0). Выход из цикла может быть обратимым (стволовые клетки, фибробласты, лимфоциты), и необратимым – в случае сильной дифференцировки клеток.

Действие комплексов S- и G2-периодов

Комплексами S-периода являются ЦА-Cdk2 и ЦВ-Cdk2, комплекс G2-периода – ЦВ-Cdk1.

Основная задача этих комплексов – обеспечить прохождение репликации т. о., чтобы каждый участок ДНК был реплицирован только один раз.

На хромосомах эукариот имеется много точек начала репликации (ТНР). С каждой ТНР комплекс ферментов репликации должен связаться только один раз.

В состав репликативного комплекса (РК) входит 15-20 белков. Часть этих белков образуется под влиянием комплексов G1- периода, другая часть синтезируется независимо от Cdk, но могут регулироваться путем фосфорилирования и дефосфорилирования.

В самом конце G1-периода путем освобождения от ингибиторов активируются комплексы S-фазы, в т. ч. ЦА-Cdk2. Этот комплекс фосфорилирует белки репликации. Изменение конфигурации этих белков активирует их и репликативный комплекс начинает работать. При этом в фосфорилированном состоянии репликативный комплекс не может повторно связаться с ТНР.

Кроме репликации во время S- и G2-периодов должно произойти еще:

1. Образование MPF (митоз стимулирующий фактор – mitosis-promoting factor). MPF представляет собой комплекс циклин В-Cdk1 (ЦВ и Сdk1 образуются в G1 периоде)

2.Торможение активности этого комплекса, во избежание преждевременного начала митоза. Это осуществляется, вероятно, путем ингибиторного фосфорилирования специальной протеинкиназой.

3. В S-фазе в цитоплазме происходит удвоение центриолей.

4. В G2-периоде – синтез тубулина для образования веретена деления.

Профаза и метафаза митоза: действие MPF

В про - и метафазе митоза ключевую роль играет высокая концентрация MPF. Напротив – в телофазе решающее значение имеет низкое содержание в клетке MPF.

В профазе и метафазе решающее значение имеют следующие процессы:

1. Конденсация хромосом. MPF фосфорилирует гистон Н1 и другие белки, поддерживающие структуру конденсированных хромосом. Данные белки изменяют свою конфигурацию таким образом, что становятся способными связываться с ДНК с образованием метафазных хромосом (конденсация). Данный процесс идет с затратой энергии.

2. Распад ядерной оболочки. MPF катализирует фосфорилирование остатков серина промежуточных филаментов, входящих в состав ядерной ламины, в результате чего мембрана распадается на микропузырьки.

3. Распад других мембранных структур. Вероятно это происходит путем фосфорилирования MPF структурообразующих белков, связанных с мембраной. Результатом изменения конфигурации последних является их разрушение.

4. Формирование веретена деления. Фосфорилирование MPF тубулина приводит к полимеризации его с образованием микротрубочек.

5. Предупреждение преждевременной цитотомии. В районе экватора клетки располагаются нити актина и миозина. В результате их взаимодействия и сокращения происходит разделение клетки. MPF в ранней профазе фосфорилирует легкие цепи миозина, в результате он не может реагировать с актином и разделения цитоплазмы не происходит.

Анафаза и телофаза митоза

Для осуществления анафазы необходимо разрушение MPF. Это осуществляется фактором, обеспечивающим анафазу (АРС – синтезируется в G1 периоде). В метафазу митоза MPF фосфорилирует помимо других белков и APC, который начинает разрушать молекулы циклина В, входящего в состав MPF.

Для расхождения хроматид необходимо разрушение связывающих их белков (сложные мультибелковые комплексы). АРС «метит» эти белки, и они быстро разрушаются, в результате чего происходит расхождение хроматид.

В делящихся клетках всегда синтезируется протеинфосфатаза. После снижения концентрации MPF концентрация протеинфосфатазы увеличивается, в результате фосфорилированные в про - и метафазе белки дефосфорилируются. Это приводит:

1.  К восстановлению ядерной оболочки. Дефосфорилированные белки ламины склонны к полимеризации с образованием промежуточных филаментов. Центром объединения служат пузырьки, связанные с кинетохорами хромосом. Сначала образуются микроядра (кариомеры) – пузырьки с одной хромосомой. Далее такие кариомеры сливаются с образованием ядра.

2.  Деконднсации хромосом. Дефосфорилирование гистонов и др. белков способствует деконденсации хромосом.

3.  Цитокинезу. Дефосфорилирование легких цепей миозина приводит к их взаимодействию с актином и разделению дочерних клеток.

Точки контроля

В ходе цикла клетка осуществляет самоконтроль собственного состояния. Для этого в цикле существует несколько контрольных точек. Главное, что подвергается контролю – это состояние генетического материала. В зависимости от результатов «проверки» выбирается один из вариантов дальнейших действий:

·  Безостановочный переход к следующей фазе цикла;

·  Более или менее длительная задержка на текущей стадии – для исправления обнаруженных дефектов, если такое возможно.

·  Запуск механизма апоптоза (программируемой клеточной смерти), если нарушения неисправимы.

1.  Контрольная точка G1-периода. Остановка цикла осуществляется в случае обнаружения двухцепочечных разрывов в ДНК, неправильной сегрегации хромосом или разрушение системы микротрубочек.

2.  Контрольная точка S-периода. Остановка цикла осуществляется в случае недостатка нуклеотидов в клетке.

3.  Контрольная точка G2-периода. Остановка цикла в случае незавершенности репликации каких-либо участков хромосом, либо крупных повреждений ДНК, оставшихся с прошлого периода.

4.  Контрольная точка метафазы митоза. Остановка цикла осуществляется в случае неправильной сборки веретена деления.

Предполагается, что двухцепочечные разрывы узнаются специальной протеинкиназой. В большинстве случаев хромосомных повреждений центральную роль в остановке цикла играет белок р53. Он синтезируется в клетке постоянно, но очень быстро разрушатся. При наличии в клетке хромосомных повреждений ДНК-протеинкиназа фосфорилирует р53, он становится активным. Активный р53 является транскрипционным фактором для гена белка р21, который является ингибитором всех комплексов циклин-Cdk. По этой причине происходит остановка цикла, в каком бы его периоде не находилась клетка.

Если повреждения хромосом достаточно велики и их исправление затягивается, то длительно сохраняющий активность р53 начинает стимулировать как транскрипционный фактор группу генов, запускающих апоптоз. В результате в клетке начинает выполняться сложная программа самоуничтожения. Дефектная клетка распадается на фрагменты и фагоцитируется соседними клетками.

Несмотря на большое количество защитных механизмов (ферменты репарации, контроль за процессами митоза, апоптоз и др.), они не являются стопроцентными. В случае модифицирования генов, ответственных за процессы клеточного деления, клетка может потерять контроль над делением и превратиться в опухолевую. К онкогенезу могут иметь отношение 120-150 генов человека и некоторое количество вирусных генов.