Regulatory cyklu komórkowego

W artykule o punktach kontrolnych cyklu komórkowego, spojrzeliśmy na charakterystykę przejść pomiędzy fazami w cyklu komórkowym: czynniki, które monitoruje komórka, kiedy decyduje czy kontynuować cykl komórkowy. Brane są tutaj pod uwagę zewnętrzne (takie jak sygnały molekularne) jak i wewnętrzne warunki (takie jak uszkodzenia DNA).

Takie sygnały działają poprzez zmienianie aktywności najważniejszych regulatorów cyklu komórkowego wewnątrz komórki. Te regulatory mogą wpływać na zajście kluczowych zdarzeń takich jak replikacja DNA lub oddzielanie chromosomów. Także zapewniają, że wydarzenia cyklu komórkowego będą prawidłowo następować po sobie i jedna faza (tj. G$_1$start subscript, 1, end subscript) uruchomi rozpoczęcie kolejnej fazy (tj. fazy S).

W tym artykule spojrzymy na kilka najważniejszych regulatorów cyklu komórkowego: białka nazywane cyklinami, enzymy nazywane Cdk i kompleks enzymatyczny - APC/C.

Cykliny są jednymi z najważniejszych białek regulujących cykl komórkowy. Cykliny są grupą zależnych od siebie białek. U ludzi i większości eukariotów stwierdzono cztery podstawowe rodzaje: cykliny G$_1$start subscript, 1, end subscript (cykliny D), cykliny G$_1$start subscript, 1, end subscript/S (cykliny E), cykliny S (cykliny A) i cykliny M (cyklina B).

Jak nazwy sugerują, każda cyklina jest połączona z konkretną fazą, przejściem pomiędzy nimi lub zestawem faz w cyklu komórkowym i pomaga w zajściu wydarzeń charakterystycznych dla poszczególnych z nich. Na przykład cyklina M promuje wydarzenia fazy M takie jak pęknięcie otoczki jądrowej i kondensację chromosomów$^{1,2}$start superscript, 1, comma, 2, end superscript.

Poziomy poszczególnych cyklin znacznie różnią się w trakcie trwania cyklu komórkowego, co pokazano na schemacie po prawej stronie. Typowa cyklina jest obecna na niskim poziomie przez większość cyklu, ale znacząco wzrasta wtedy, kiedy jest potrzebna. Na przykład poziom cykliny M dramatycznie wzrasta podczas przejścia od fazy G$_2$start subscript, 2, end subscript do M. Cykliny G$_1$start subscript, 1, end subscript są nietypowe pod tym względem, że są potrzebne przez większość cyklu komórkowego.

Aby kontynuować cykl komórkowy, cyklina musi aktywować lub inaktywować wiele kluczowych białek w komórce. Cykliny kierują zdarzeniami w komórce poprzez współpracę z rodziną enzymów nazywaną kinazami zależnymi od cyklin (Cdk). Sama kinaza Cdk jest nieaktywna, ale dołączenie cykliny umożliwia aktywację, tworząc funkcjonalny enzym i umożliwiając modyfikowanie specyficznych białek.

Jak to działa? Cdk są kinazami, enzymami, które fosforylują (dołączają grupy fosforanowe) do konkretnych, specyficznych białek. Dołączone grupy fosforanowe działają jak przełączniki, modulując aktywność białek docelowych. Kiedy cyklina jest dołączona do kinazy Cdk, skutkuje to ważnymi efektami: aktywuje Cdk jako kinazę, ale także kieruje Cdk do specyficznego zestawu białek docelowych, tych właściwych dla określonego okresu cyklu komórkowego kontrolowanego przez cykliny. Na przykład, cykliny G$_1$start subscript, 1, end subscript/S wysyłają kinazy Cdk do celów molekularnych fazy S (np. promując replikację DNA), podczas gdy cykliny M wysyłają kinazy Cdk do celów molekularnych fazy M (np. promując pękanie błon jądrowych).

Ogólnie poziomy kinaz Cdk wydają się względnie stałe w trakcie cyklu komórkowego, ale ich aktywność i cele białkowe zmieniają się, ponieważ poziomy poszczególnych cyklin zwiększają i zmniejszają się. Poza potrzebą partnera w postaci cykliny, kinazy Cdk muszą być także fosforylowane w konkretnych miejscach, aby zostać zaktywowane (nie pokazane na schematach w tym artykule) i mogą także być negatywnie regulowane przez fosforylację innych swoich miejsc$^{3,4}$start superscript, 3, comma, 4, end superscript.

Cykliny i kinazy Cdk są bardzo konserwowane ewolucyjnie, co znaczy, że są znajdowane u różnych gatunków, od drożdży przez żaby do ludzi. Szczegóły tego systemu nieznacznie się różnią: np. drożdże mają jeden rodzaj Cdk, u ludzi i innych ssaków jest wiele Cdk, które są wykorzystywane w różnych etapach cyklu komórkowego. (Tak, jest to wyjątek od zasady "Poziomy kinaz Cdk nie zmieniają się"!) Ale podstawowa zasada jest bardzo podobna, Cdk i różne rodzaje cyklin mogą być znajdowane u każdego gatunku$^5$start superscript, 5, end superscript.

Słynnym przykładem jak cykliny i kinazy Cdk współpracują w kontroli przejść między fazami cyklu komórkowego jest czynnik pobudzający dojrzewanie (MPF). Nazwę datuje się na lata '70, kiedy badacze odkryli, że komórki w fazie M zawierają nieznany czynnik, który może promować wejście w fazę M żabich komórek jajowych (zatrzymanych w fazie G$_2$start subscript, 2, end subscript). Ta tajemnicza molekuła, nazywana MPF, została odkryta w latach '80 jako Cdk przyłączona do swojego cyklinowego partnera z fazy M$^6$start superscript, 6, end superscript.

MPF jest dobrym przykładem na to jak cykliny i kinazy Cdk mogą razem współpracować w zachodzeniu cyklu komórkowego. Tak jak typowa cyklina, cyklina M pozostaje na niskim poziomie przez większość cyklu komórkowego, ale zwiększa się jej ilość, gdy komórka wchodzi w moment przejścia między fazami G$_2$start subscript, 2, end subscript i M. Gdy cyklina M akumuluje się, dołącza się do już obecnej w komórce kinazy Cdk, tworząc kompleks, który jest gotowy do uruchomienia fazy M. Kiedy te kompleksy otrzymają dodatkowy sygnał (w zasadzie, jasny sygnał potwierdzający, że DNA komórki jest nienaruszony), stają się aktywne i rozpoczynają zestaw zdarzeń fazy M$^{7}$start superscript, 7, end superscript.

Kompleksy MPF dodają grupy fosforanowe do kilku różnych białek w otoczce jądrowej, co skutkuje jej rozpadem (najważniejsze wydarzenie wczesnej fazy M), oraz aktywują cele, które promują kondensację chromosomów i inne wydarzenia fazy M. Rola MPF w rozpadzie otoczki jądrowej została pokazana w uproszczony sposób na poniższym schemacie.

Oprócz kierowania wydarzeniami fazy M, MPF także uruchamia swój własny rozpad poprzez aktywację kompleksu promującego anafazę/cyklosomu (APC/C), kompleksu białkowego, który powoduje, że cykliny M są niszczone na początku anafazy. To wydarzenie kończy mitozę, pozwalając nowym komórkom potomnym wejść w fazę G$_1$start subscript, 1, end subscript. APC/C także powoduje niszczenie białek, które utrzymują razem chromatydy siostrzane, umożliwiając tym samym ich rozdzielenie w anafazie i przemieszczanie się do przeciwległych biegunów komórki.

Jak APC/C wykonuje swoją pracę? Tak jak Cdk, APC/C jest enzymem, ale ma inne funkcje niż Cdk. Zamiast dołączania grup fosforanowych do ich celów, dodaje małe białkowe znaczniki nazywane ubikwityną (Ub). Kiedy cel jest oznaczony ubikwityną, jest wysyłany do proteasomu, który może być określany jako kosz do recyclingu komórki, oraz ostatecznie zniszczony. Np. APC/C otacza znacznikiem ubikwitynowym cykliny M, powodując ich cięcie przez proteasom i umożliwiając nowo kształtującym się komórkom potomnym wejście w fazę G$_1$start subscript, 1, end subscript$^{8}$start superscript, 8, end superscript.

Także APC/C wykorzystuje znakowanie ubikwityną do uruchomienia procesu rozdzielania chromatyd siostrzanych podczas mitozy. Jeśli APC/C otrzymuje odpowiednie sygnały w metafazie, rozpoczyna łańcuch zdarzeń, który niszczy kohezyny, białkowy klej, który utrzymuje razem chromatydy siostrzane$^{8,9}$start superscript, 8, comma, 9, end superscript.

Cdk, cykliny i APC/C są bezpośrednimi regulatorami zachodzenia cyklu komórkowego, ale nie są zawsze decydujące. Natomiast, odpowiadają na wskazówki z wewnątrz i zewnątrz komórki. Te sygnały wpływają na aktywność głównych regulatorów determinując czy komórka będzie dalej podążać w cyklu komórkowym. Sygnały pobudzające, takie jak regulatory wzrostu, zwykle zwiększają aktywność kinaz Cdk i cyklin, podczas gdy te hamujące, tak jak uszkodzenia DNA, zwykle zmniejszają lub wstrzymują aktywność.

Jako przykład sprawdźmy jak uszkodzenia DNA zatrzymują cykl komórkowy w fazie G$_1$start subscript, 1, end subscript. Uszkodzenia DNA mogą i zdarzają się w wielu komórkach ciała podczas życia człowieka (np. z powodu promieniowania UV ze słońca). Komórki muszą być zdolne do radzenia sobie z tymi uszkodzeniami, naprawiając je, jeśli to możliwe lub jeśli nie - przeciwdziałając podziałowi komórki. Kluczowe dla odpowiedzi na uszkodzenia DNA jest białko p53, słynny supresor nowotworu często określany jako "strażnik genomu".$^{10}$start superscript, 10, end superscript

p53 funkcjonuje na wielu poziomach sprawdzając, czy komórki nie przejdą przez podział komórki z uszkodzonym DNA$^{3}$cubed. Po pierwsze, zatrzymuje cykl komórkowy w punkcie kontrolnym poprzez rozpoczęcie produkcji białkowych inhibitorów Cdk (CKI). Białka CKI dołączają się do kompleksów Cdk-cyklina i blokują ich aktywność (patrz na poniższy schemat), dając czas na naprawę DNA. Drugą aktywnością białka p53 jest aktywacja enzymów naprawy DNA. Jeśli uszkodzeń DNA nie daje się naprawić, p53 odegra swoją trzecią i ostatnią funkcję - uruchomi programowaną śmierć komórki, więc uszkodzony DNA nie zostanie dalej przekazany.

p53 zapewnia, że komórki nie podzielą się, kiedy ich DNA jest uszkodzony, i w ten sposób zapobiega mutacjom (zmianom w DNA), które mogą zostać przekazane komórkom potomnym. Kiedy p53 jest uszkodzony lub go nie ma, mutacje mogą szybko się nagromadzać, co potencjalnie prowadzi do nowotworu. Faktycznie wśród całego ludzkiego genomu, p53 jest najczęściej zmutowanym pojedynczym genem w nowotworach.$^{11}$start superscript, 11, end superscript Białko p53 i regulatory cyklu komórkowego są głównymi tematami badań naukowców poszukujących nowych terapii przeciwnowotworowych.