Автор работы: Пользователь скрыл имя, 17 Ноября 2010 в 18:29, Не определен
Клеточный цикл: общие сведения
Активация CDK2/4/6 приводит к фосфорилированию белка RB (продукта гена ретинобластомы pRb ) и ассоциированных с ним белков p107 и p130 . В начале фазы G1 белок pRb фосфорилирован слабо, что позволяет ему находиться в комплексе с фактором транскрипции E2F , играющим ключевую роль в индукции синтеза ДНК, и блокировать его активность. Полностью фосфорилированная форма pRb освобождает E2F из комплекса, что приводит к активации транскрипции генов, контролирующих репликацию ДНК.
Концентрация D-циклинов возрастает на протяжении фазы G1 клеточного цикла и достигает максимума значений непосредственно перед началом S-фазы , после чего начинает уменьшаться. Однако в это время pRb еще фосфорилирован не полностью, и фактор E2F остается в комплексе в неактивном состоянии. Фосфорилирование pRb завершается под действием CDK2, активированной циклином E . Внутриклеточная концентрация последнего становится максимальной в момент перехода клеточного цикла от фазы G1 к S-фазе. Таким образом, комплекс циклин E-CDK2 как бы принимает эстафету от комплексов циклина D с CDK4 и CDK6 и завершает фосфорилирование pRb, сопровождающееся освобождением активного фактора транскрипции E2F. В результате начинается синтез ДНК, то есть клетка вступает в S-фазу клеточного цикла.
Период интерфазы , когда происходит репликация ДНК клеточного ядра, был назван "фаза S "
Делению клетки (митозу или мейозу) предшествует удвоение хромосом, которое происходит в периоде S клеточного цикла ( рис. 66.2 ). Период обозначают первой буквой слова synthesis - синтез ДНК.
После вступления клетки в S-фазу происходит быстрая деградация циклина E и активация CDK2 циклином A . Циклин E начинает синтезироваться в конце фазы G1 и его взаимодействие с CDK2 является необходимым условием для вступления клетки в S-фазу и продолжения синтеза ДНК. Этот комплекс активирует синтез ДНК через фосфорилирование белков в областях начала репликации. Сигналом к завершению S-фазы и переходу клетки к фазе G2 является активация циклином A другой киназы CDK1 с одновременным прекращением активации CDK2. Задержка между окончанием синтеза ДНК и началом митоза (фаза G2) используется клеткой для контроля полноты и точности произошедшей репликации хромосом. Последовательность событий в этот период точно не известна.
При стимуляции факторами роста клеток млекопитающих, находящихся в состоянии пролиферативного покоя , циклины D -типа появляются раньше, чем циклин E. мРНК и белок циклина D1 впервые появляются через 6-8 часов, после чего уровень D1 остается повышенным до конца клеточного цикла ( Matsushime H. et al., 1991 ; Won K.A. et al., 1992 ).
Когда из среды убирают ростовые факторы, уровень циклинов D-типа стремительно падает, так как D-циклины и их РНК нестабильны.
Циклин D1 ассоциируется с CDK4 непосредственно перед началом синтеза ДНК. Уровень содержания комплекса достигает пика в ранней S-фазе, прежде чем снизиться в поздней S и в G2-фазе ( Matsushime H. et al., 1992 ).
По-видимому, циклины D2 и D3 действуют в G1-периоде несколько позже, чем циклин D1.
Гиперэкспрессия циклинов D-типа (пятикратная по отношению к нормальной) при снижении потребности клеток в факторах роста и укорочении G1-фазы приводит к уменьшению размеров клетки. Циклин E необходим клеткам для вступления в S-фазу . Он связывается преимущественно с CDK2 , хотя может образовывать комплекс и с CDK1 .
Уровень мРНК и белка циклина E, а также активность комплекса циклин-E-CDK2 достигают максимума при переходе G1-S и резко снижаются, когда клетки проходят среднюю и позднюю S-фазы.
При микроинъекции антител к циклину E в клетки млекопитающих в них происходит подавление синтеза ДНК.
При гиперэкспрессии циклина E клетки быстрее проходят G1-фазу и вступают в S, и таким клеткам требуется меньшее количество факторов роста .
Сигнал к началу деления клетки (митоза) исходит от фактора MPF (M phase promoting factor) , стимулирующего M-фазу клеточного цикла. MPF представляет собой комплекс киназы CDK1 с активирующими ее циклинами A или B . Видимо, комплекс CDK1-циклин A играет более важную роль в завершении S- фазы и подготовке клетки к делению, тогда как комплекс CDK1- циклин B преимущественно осуществляет контроль последовательности .
Циклины B1 и B2 присутствуют в очень малых концентрациях в фазе G1 . Их концентрация начинает увеличиваться в конце S- и на протяжении G2-фаз , достигая своего максимума во время митоза, что приводит к замещению ими циклина A в комплексе с CDK1 . Однако этого оказывается недостаточным для полной активации протеинкиназы. Функциональная компетентность CDK1 достигается после серии ее фосфорилирований и дефосфорилирований по специфическим остаткам аминокислот. Такой контроль необходим для предотвращения вступления клеток в митоз до полного завершения синтеза ДНК.
Деление клетки начинается только после того, как CDK1, находящаяся в комплексе с циклином B, фосфорилируется по остаткам Thr-14 и Tyr-16 протеинкиназой WEE1 , а также по остатку Thr-161 протеинкиназой CAK и затем дефосфорилируется по остаткам Thr-14 и Tyr-15 фосфатазой CDC25 . Активированная таким образом CDK1 фосфорилирует в ядре структурные белки, в том числе нуклеолин , ядерные ламины и виментин . После этого ядро начинает проходить через цитологически хорошо различимые стадии митоза.
Первая стадия митоза - профаза - начинается после того, как CDK1 полностью фосфорилируется, за ней следуют метафаза , анафаза и телофаза , завершающиеся делением клетки - цитокинезом . Следствием этих процессов является правильное распределение реплицированных хромосом, ядерных и цитоплазматических белков, а также других высокомолекулярных и низкомолекулярных соединений в дочерние клетки. После завершения цитокинеза происходит разрушение циклина B , сопровождаемое инактивацией CDK1, что приводит к вступлению клетки в фазу G1 или G0 клеточного цикла.
Клетки некоторых типов на определенных стадиях дифференцировки могут прекращать свое деление, полностью сохраняя свою жизнеспособность. Такое состояние клеток получило название фазы G0. Клетки, достигшие состояния терминальной дифференцировки, уже не могут выйти из этой фазы. В то же время клетки, для которых характерна чрезвычайно низкая способность к делению, например, гепатоциты, могут снова вступать в клеточный цикл после удаления части печени.
Переход клеток в состояние покоя становится возможным благодаря функционированию высокоспецифических ингибиторов клеточного цикла . При участии этих белков клетки 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 приостановится в точках рестрикции. В этих точках клетки становятся коммитированными к вступлению в S-фазу и/или в митоз.
Клетки позвоночных в стандартной культуральной среде, лишенной сыворотки , в большинстве случаев не вступают в S-фазу , хотя среда содержит все необходимые питательные вещества.
При достижении сомкнутого монослоя клетки, способные к контактному торможению , выходят из клеточного цикла даже в присутствии сыворотки крови . Клетки, которые вышли из митотического цикла на неопределенное время, сохраняя жизнеспособность и пролиферативный потенциал, называют покоящимися клетками . Это называется переходом в состояние пролиферативного покоя или в G0-фазу .
В 90-х гг. не прекращались дискуссии, можно ли состояние пролиферативного покоя определить как фазу, принципиально отличную от G1. По-видимому это действительно так.
В ядрах клеток, находящихся в пролиферативном покое, также как и в клетках, находящихся в G1-фазе , как правило содержится неудвоенное количество ДНК. Однако между клетками в этих двух состояниях имеются существенные различия. Известно, что продолжительность G1-фазы у делящихся клеток значительно короче, чем время перехода G0-S. В многочисленных работах по слиянию покоящихся и пролиферирующих клеток и по микроинъекции мРНК показано, что клетки в G0-фазе содержат ингибиторы пролиферации , препятствующие вступлению в S-фазу.
Эти факты предполагают, что клетка должна осуществлять специальную программу для выхода из G0. Необходимо отметить также, что в покоящихся клетках не экспрессируются CDK2 и CDK4 , а также циклины D - и E-типов . Их синтез индуцируется только факторами роста ( Lodish H. et al., 1995 ). В постоянно циклирующих клетках уровень D- и E-циклинов остается высоким на протяжении всего цикла, и продолжительность G1-периода по сравнению с пререпликативным периодом уменьшается.
Таким образом, в клетках, находящихся в G0-фазе, отсутствуют белки, разрешающие проход через точки рестрикции и позволяющие вступать в S-фазу. Для перехода покоящихся клеток в S-фазу факторы роста должны индуцировать в них синтез этих белков.
В клеточном цикле имеются две основные стадии (точки перехода, контрольные точки R - restriction points ), на которых могут быть реализованы негативные регуляторные воздействия , останавливающие продвижение клеток через клеточный цикл. Одна из этих стадий контролирует переход клетки к синтезу ДНК, а другая - начало митоза. Имеются и другие регулируемые этапы клеточного цикла.
Переход клеток от одной фазы клеточного цикла к другой контролируется на уровне активации CDK их циклинами с участием ингибиторов циклинзависимых киназ CKI . По мере необходимости эти ингибиторы могут активироваться и блокировать взаимодействие CDK со своими циклинами, а следовательно, и клеточный цикл как таковой. После изменения внешних или внутренних условий клетка может продолжить пролиферацию или вступить на путь апоптоза .
Имеется две группы CKI: белки семейств p21 и INK4 (inhibitor of CDK4) , члены которых внутри семейств обладают похожими структурными свойствами. Семейство ингибиторов p21 включает в себя три белка: p21 , p27 и p57 . Поскольку эти белки были описаны независимо несколькими группами, до сих пор используются их альтернативные названия. Так, белок p21 известен также под именами WAF1 (wild-type p53 activated fragment 1) , CIP1 (CDK2 interacting protein 1) , SDI1 (senescent derived inhibitor 1) и mda-6 (melanoma differentiation associated gene) . Синонимами p27 и p57 являются соответственно KIP1 (kinase inhibiting proteins 1) и KIP2 (kinase inhibiting proteins 2) . Все эти белки обладают широкой специфичностью действия и могут ингибировать различные CDK .