Контрольные точки клеточного цикла

Оглавление.

Участники контроля клеточного цикла
Контрольные точки клеточного цикла
Контроль различных этапов клеточного цикла
Циклин-зависимые киназы
Циклины
Субстраты циклинов
APC комплекс
Ингибиторы комплексов Cdk-циклин

Участники контроля 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 фосфорилирующих другие белки, изменяя 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

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

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 разрушается в протеасомах. Сигнальная послед-ть из 8-10 а-кт –блок разрушения - узнается распознающим белком, убиквитинлигаза присоединиет убиквитин (76а-кт) к остаткам лизина, который полиUb и узнается РНК-белковым комплексом протеасомой. Фосфатаза переводит распознающий белок в неактивное состояние, а циклин фосфорилирует переводя в активное ?чем больше циклина, тем быстрее он разрушается.
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.

Ингибиторы комплексов циклин-Cdk

Помимо циклинов имеются и другие регуляторы, такие как p27, p53, анафазный ингибитор, Cdc20, polo-like киназа, aurora киназа, Nek2 киназа и кинезинзависимые моторные белки.
p53 (опухолевый супрессор) - нестабильный белок, узнает поврежденную ДНК, стабилизируется, накапливается и стимулирует синтез ингибитора Cdk2. Нарушения в работе p53 приводят к развитию раковых заболеваний.
p21 семейство - белки содержащие гомологичные N-концевые участки, взаимодействующие с Cdk-циклинами. Активируются в стареющих клетках. Образование индуцируется опухолевым супрессором p53. Может блокировать субъединицы ДНК-полимеразы
p27 - межклеточные контакты стимулируют его синтез - контактное подавление клеточного роста – задержка в G₀. Когда фибробласты помещаются в чашку они начинают делиться пока монослой не покроет чашку – контактное торможение. В опытах показано что существенную роль играют не контакты, а степень распластывания – чем меньше распластана клетка, тем больше времени занимает клеточный цикл. Округление клеток сопровождается снижением общей интенсивности белкового синтеза.
p57
p15, p16 семейство: взаимодействуют с Cdk4 и Cdk6. Нарушают связь с циклинами D. Вероятно, задерживают рост клеток.

Сокращения:
cdc-гены (cell-division-cycle genes) - гены клеточного цикла.

Литература

Suvar
June 21, 2006 19:17

Свои пожелания отправляйте по адресу
drosophila.narod.ru

Жизнь коротка, наука вечна

Процесс научного исследования глубоко интимен: иногда мы сами не знаем, что мы делаем. (Ф.Крик)