Intracelularna kontrola ćelijske proliferacije - II deo

• Umesto uvoda pročitaj
  

Za više podataka pogledati Intracelularna kontrola ćelijske proliferacije

G1-faza

Inhibirana aktivnost Cdk

Kod embriona životinja, deaktivacija M-Cdk u kasnoj mitozi je skoro u potpunosti posledica akcije Cdc20-APC. M-Cdk stimuliše Cdc20-APC aktivnost (slika 8). Stoga, deaktivacija M-ciklina u kasnoj mitozi vodi ka skorom prestanku svih APC ativnosti u embrionalnoj ćeliji. Prestanak aktivnosti APC bi doveo do brzog nakupljanja novog M-ciklina, što za ćelijski ciklus nije povoljno.

Brza akumulacija ciklina odmah nakon mitoze nije korisna u ćelijama koje su u G1 fazi. Potrebno je odložiti progres ka S fazi zadržati se u G1 fazi da bi ćelija mogla uvećati masu i da bi ćelija mogla reagovati na vanćelijske signale. Stoga ćelije koriste nekoliko mehanizama da bi se onesposobila reaktivacija Cdk posle mitoze.

Jedan mehanizam koristi drugi APC aktivirajući protein - Hct1 protein (vrlo sličan Cdc20). I Htc1 i Cdc20 se vezuju za APC, ali oni se razlikuju po jednom važnom aspektu. Cdc20-APC se aktivira pomoću M-Cdk, a Htc1-Apc se inhibira pomoću M-Cdk (direktnom fosforilacijom). Kao rezulat ovoga, Hct1-APC aktivnost se povećava u kasnoj mitozi pošto je Cdc20-APC komleks inicirao uništenje M-ciklina. Prisustvo aktivnog Htc1-APC kompleksa osigurava suzbijanje Cdk aktivnosti, kao što zahteva G1 faza.

Drugi mehanizam koji potiskuje Cdk aktivnost u G1-fazi je povećana proizvodnja CKI-ova (Cdk inhibitornih proteina). Pupeće ćelije kvasca sadrže CKI protein po imenu Sic1 koji se vezuje za M-Cdk i deaktivira ga u kasnoj mitozi i G1 fazi. Sic1 je kao i Hct1 inhibiran sa M-Cdk tokom mitoze. M-Cdk takođe fosforiliše i inhibira gen-regulatorne proteine za sintezu Sic1, čime se umanjuje proizvodnja Sic1. Stoga Sic1 i M-Cdk se, kao i Hct1 i M-Cdk, uzajamno inhibiraju. Kao rezultat toga, pad M-Cdk aktivnosti koja se javlja krajem mitoze aktivira brzu akumulaciju Sic1 proteina, koji inhibira aktivnost M-Cdk nakon mitoze.

U većini ćelija, u kasnoj mitozi opada transkripcija gena za sintezu M-ciklina, i to takođe rezultira smanjenu aktivnost M-ciklina. U pupećim ćelijama kvasca sinteza M-Cdk je regulisana pozitivnom povratnom spregom, tj. velike količine M-Cdk u ćeliji aktiviraju transkripciju gena za sintezu M-Cdk. Pozitivna povratna petlja se isključuje kako ćelija izlazi iz mitoze: Hct1 i Sic1 deaktiviraju M-Cdk, a to utiče na smanjenu transkripciju M-ciklin gena, a samim tim i na smanjenju sintezu M-ciklina.

U suštini, Hct1-APC aktivacija, CKI akumulacija i smanjena proizvodnja ciklina deluju zajedno da bi se potisnula svaka aktivnost Cdk u ranoj G1 fazi. Kao i u mnogim aspektima kontrole ćelijskog ciklusa korišćenje više regulatornih mehanizama čini sistem snažnim i efikasnim, čak i ako jedan od mehanizama zakaže.

Na koji način ćelija u G1 fazi inicira prelaz S fazu?

Prelaz iz G1 u S fazu se uobičajeno dešava kroz akumilaciju G1-ciklina. U pupećim kvascima, G1-ciklini se ne deaktiviraju od strane Hct1-APC i nisu inhibirani od Sic1. Kao rezultat se javlja nesmetano povećanje aktivnosti G1-Cdk (slika 17-29). U životinjskim ćelijama akumulacija G1-Cdk se stimuliše vanćelijskim signalima koji promovišu ćelijsku proliferaciju.

U pupećim kvascima, G1-Cdk aktivnost započinje transkripciju G1/S-ciklin gena, što vodi povećanju sinteze G1/S-ciklina i formiranju G1/S-Cdk kompleksa, koji su takođe otporni na Hct1-APC i Sic1. G1/S-ciklin pokreće događaje koji guraju ćeliju ka S fazi: stimuliše transkripciju gena S-ciklina, sintezu S-ciklina i formiranje S-Cdk kompleksa. S-Cdk kompleksi su inhibirani sa Sic1, ali G1/S-Cdk fosforiliše i deaktivira Sic1, čime izaziva aktiviranje S-Cdk. G1/S-Cdk i S-Cdk fosforilišu i inaktiviraju Hct1-APC. Stoga, ista povratna petlja koja okida ubrzanu M-Cdk deaktivaciju u kasnoj mitozi sada radi unazad na kraju G1 faze da bi se osigurala brza i kompletna aktivacija S-Cdk.

Regulacija prelaza iz G1 u S-fazu - retinoblastom (Rb)- inhibitor progresa ćelijskog ciklusa

Životinjske ćelije suzbijaju Cdk aktivnost koristeći iste mehanizme kao i kvasci: Hct1 aktivaciju, akumulaciju CKI proteina (p27 u ćelijama sisara) i inhibiciju transkripcije gena ciklina. Kao i kod kvasaca, aktivacija G1-Cdk preokreće sva tri mehanizma u kasnim delovima G1 faze.

U životinjskim ćelijama efekti aktivnosti G1-Cdk se vide u regulaciji aktivnosti E2F transkripcionog faktora. E2F se vezuje za specifične DNA sekvence u promoterima mnogih gena koji kodiraju proteine potrebne za ulazak u S fazu, uključujući G1/S i S cikline. Funkcija E2F se primarno kontroliše interakcijom sa retinoblastoma proteinom (Rb) - inhibitorom progresa ćelijskog ciklusa.

Tokom G1, Rb se vezuje za E2F i blokira transkripciju gena i sintezu proteina potrebnih za ulazak u S fazu. Kada vanćelijski signali stimulišu ćeliju da se podeli, aktivni G1-Cdk se akumulira i fosforiliše Rb, smanjujući njegov afinitet prema E2F. Rb se tada distancira, dozvoljavajući da E2F aktivira transkripciju gena S faze (slika 11).

Slika 11 Regulacija ekspresije gena S-faze u životinjskim ćelijama

Ovaj sistem kontrole, kao i mnogi drugi sistemi kontrole ćelijskog ciklusa, uključuju pozitivne povratne sprege koje omogućuju prelaz iz G1 u S fazu:

• Oslobođeni E2F povećava transkripciju sopstvenog gena
• Transkripcija gena G1/S-ciklina i S-ciklina zavisna od E2F vodi ka povećanoj aktivnosti G1/S-Cdk i S-Cdk, čime se povećava fosforilacija Rb i oslobađanje veće količine E2F
• Povećanje aktivnosti G1/S-Cdk i S-Cdk fosforiliše Hct1 i p27, što vodi njihovoj deaktivaciji i uništenju.

Rezultat ove 3 interakcije je brzo i kompletno aktiviranje S-Cdk kompleksa potrebnih za iniciranje S faze.

Rb protein je originalno identifikovan u studiji nasledne forme raka očiju kod dece, poznat kao retinoblastoma. Gubitak obe kopije Rb gena vodi ka preteranoj proliferaciji ćelije u nesazreloj rožnjači, što govori da je Rb protein veoma bitan za obuzdavanje stope deobe ćelija u mrežnjači u razvoju. Kompletan gubitak Rb gena ne znači da će se odmah povećati proliferacija drugih tipova ćelija, delimično zbog Hct1 i p27 koji asistiraju u kontroli G1, a delimično i zbog toga što drugi tipovi ćelija sadrže proteine bliske Rb proteinu koji obezbeđuju podršku u slučaju odsustva Rb. Moguće je i da drugi proteini, koji nisu povezani sa Rb, pomognu u regulaciji E2F proteina.

Koordinacija rasta i progresije ćelijskog ciklusa

Da bi se održavala konstanta veličina ćelija u proliferaciji, dužina ćelijskog ciklusa mora da se podudara sa vremenom potrebnom ćeliji da se udvostruči u veličini. Ako je vreme ciklusa manje nego vreme potrebno da se ćelija udvostruči, onda će se ćelije sa svakom novom deobom smanjivati; isto tako ako je vreme duže, ćelije će bivati sve veće. Rast ćelije zavisi od hranljivih sastojaka i ekstracelularnih signala. Zbog toga ćelijski ciklus mora biti prilagodljiv na varirajuće uslove sredine. Nije jasno kako ćelije u proliferaciji koordinišu rast sa progresijom ćelijskog ciklusa da bi održale konstantu veličinu.

Postoji dokaz koji kaže da pupeće ćelije kvasca koordiniraju rastom i progresom ćelijskog ciklusa tako što nadgledaju totalnu količinu G1 ciklina pod imenom Cln3. Zbog toga što se Cln3 sintetiše paralelno sa rastom ćelije, njegova koncentracija ostaje ista dok se ukupna količina povećava kako ćelija raste. Ako je koncentracija Cln3 veštački povećavana, ćelije kvasca se dele na veličinu manju od uobičajene, dok tamo gde je veštački smanjena, ćelije se dele na veličini većoj od uobičajene. Ovi eksperimenti su dosledni ideji da se ćelije dele u trenutku kada koncentracija Cln3 dostigne neku količinu okidanja. Ostaje pitanje kako ćelija kontroliše količinu Cln3 pre nego koncentraciju. Jedna od mogućnosti je da ćelija nasleđuje inhibitore koji se vezuju za Cln3 čime blokiraju njegovu aktivnost. Kada količina Cln3 pređe količinu inhibitora, tada slobodni Cln3 okidaju G1-Cdk aktivaciju i novi ćelijski ciklus. Pošto sve ćelije prime fiksnu i jednaku količinu DNK, pretpostavlja se da Cln3 inhibitor može biti DNA ili neki protein vezan za DNA (slika 12). Takav mehanizam bi takođe mogao objasniti zašto je veličina ćelije u svim organizmima proporcionalna broj kopija nuklearnog genoma po ćeliji.

Slika 12 Hipotetički model kontrole ćelijskog rasta i ćelijskog ciklusa kod ćelija kvasca

Dok ćelije kvasca rastu i razmnožavaju se ako su nutrijenti dostupni, životinjske ćelije obično rastu i razmnožavaju se samo kad su stimulisane signalima iz drugih ćelija. Veličina na kojoj se životinjske ćelije dele u jednoj meri zavisi od vanćelijskih signala koji regulišu rast ćelije i proliferaciju nezavisno. Životinjske ćelije mogu da razdvoje rast i deobu, tako da ćelija može da raste bez podele ili da se deli bez rasta. Npr, jaja mnogih životinja rastu do ekstremnih veličina bez podele. Posle oplodnje uloge se menjaju i ćelije se u mnogome dele bez rasta. Stoga iako su rast i podela ćelije koordinirani, mogu da se dešavaju potpuno odvojeno. Rast ćelije ne zavisi od progresa ćelijskog ciklusa. Ćelije kvasca nastavljaju da rastu i kada je progresija ćelijskog ciklusa zaustavljena mutacijom; mnoge ćelije životinja, npr neuroni i mišićne ćelije, rastu čak i kada su potpuno izašle iz ćelijskog ciklusa.

G1 kontrolna tačka

Ukoliko se desi da su hromozomi oštećeni posle izlaganja radijaciji ili određenim hemikalijama, veoma je bitno da se mogu popraviti pre nego što ćelija počne njihovo dupliciranje ili razdajanje. G1 sistem kontrole ćelijskog ciklusa prepoznaje svako oštećenje DNA i zaustavlja ciklus na kontrolnoj tački. Većina ćelija ima najmanje 2 takve tačke, jednu u kasnom delu G1, da bi se sprečio ulazak u S fazu, a drugu u kasnom delu G2, da bi se sprečio ulazak u mitozu. G2 kontrolna tačka zavisi od mehanizma gde se odlaže ulazak u mitozu kao odgovor na nepotpunu DNA replikaciju. Kada su ćelije u G2 izložene štetnoj radijaciji oštećena DNA šalje signal seriji proteina kinaze koji fosforilišu i deaktiviraju fosfatazu Cdc25. Ovim se blokira defosforilacija i aktivacija M-Cdk, a time i ulazak u mitozu. Kada se oštećena DNA opravi, inhibitorski signal se isključuje i nastavlja se ćelijski ciklus.

Slika 13 Uticaj oštećene DNA na ćelijski ciklusa

G1 kontrolna tačka blokira progres u S fazu tako što inhibira aktivaciju G1/S-Cdk i S-Cdk kompleksa. Kod ćelija sisara oštećenje DNA vodi do aktivacije gen-regulatornog proteina p53, koji stimuliše transkripciju nekoliko gena. Jedan od ovih gena kodira CKI protein p21, koji se vezuje za G1/S-Cdk i S-Cdk i inhibira njihove aktivnosti, čime se blokira ulazak u S fazu (Ivan-Krešimir Svetec, 2009).

Oštećenje DNK aktivira p53 indirektnim mehanizmom. U neoštećenim ćelijama, p53 je krajnje nestabilan i postoji u veoma malim koncentracijama. Ovo je zbog proteina Mdm2, koji za cilj ima da kao ubikvitin ligaza razgradi p53 do protozoma. Oštećena DNA aktivira kinazu koja fosforiliše p53 i time smanjuje njegovo vezivanje za Mdm2. Na ovaj način se smanjuje degradacija p53, čime se povećavanja njegova koncentracija u ćeliji. Stabilni i aktivini p53 inicira sintezu p21 proteina (slika 13).

Šta se dešava kada DNK oštećenje nije moguće popraviti? Odgovor zavisi od organizma do organizma. Kod jednoćelijskih organizama ako se oštećenje ne može ispraviti, ćelijski ciklus se nastavlja bez obzira na oštećenje. Za jednoćelijske organizme, život sa mutacijom je svakako bolji nego smrt. Kod višećelijskih organizama zdravlje organizma je preče nego život jedne ćelije. Ćelije sa oštećenom DNA su pretnja životu organizma, jer genetsko oštećenje može dovesti do raka i drugih smrtnih defekata. Stoga životinjske ćelije sa teško oštećenom DNA ne nastavljaju deobu već izvršavaju samoubistvo ćelije - apoptozu. Odluka da ćelija umre zavisi i od aktivacije p53, čime je ova funkcija p53 najznačajnija u zaštiti protiv raka.

Zaključak

Ciklin-Cdk kompleksi aktiviraju večinu događaja u ćelijskom ciklusu. Tokom G1 faze Cdk aktivnost je svedena na minimum inhibitorima ciklin-zavisnih kinaza, proteolizom ciklina i smanjenom transkripcijom gena. Kada spoljašnji uslovi postanu povoljni, koncentracija G1 i G1/S-Cdk se povećava i oni aktiviraju S-Cdk. S-Cdk aktivira replikaciju DNA i sprečava ponovnu replikaciju na istom mestu i nakon završene S faze. Nakon S-faze, aktivacija M-Cdk uvodi ćeliju u ranu mitozu. Nakon rane mitoze ćelija ulazi u anafazu, tj. dolazi do razdvajanja sestrinskih hromatida. M-Cdk se deaktivira, dolazi do citokineze i kraja M-faze.

Progres ćelijskog ciklusa je regulisan mnogim kontrolnim tačkama, koje zaustavljaju ili produžuju ćelijski ciklus zbog oštećenja DNA, nedovršenosti prethodne faze ili pojedinog procesa unutar neke faze i kao odgovor na signale iz okoline.

Prilog

animacija intracelularne kontrole ćelijske proliferacije http://www.youtube.com/watch?v=QGx50C1w8YY

Literatura

1. osnovna literatura:

• Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter (2007): Molecular Biology of the Cell - Fifth Edition - Garland Science

2. dopunska literatura:

• Alena Buretić-Tomljanović (2006): Regulacija staničnog ciklusa. http://www.medri.hr/katedre/Biologija/mld/biologija/Regulacija%20stanicnog%20ciklusa.pdf

• http://www.biolozi.net/upload/OMB-6.pdf

• http://www.pbf.hr/hr/content/download/8468/43134/version/1/file/Regulacija+stanicnog+ciklusa.pdf

• Ivan-Krešimir Svetec (2009): Regulacija staničnog ciklusa. Laboratorij za biologiju i genetiku mikroorganizama.

• Vladimir Bumbaširević (2005): Ćelijski ciklus. Institut za Histologiju i embriologiju. www.med.bg.ac.rs/dloads/.../Vladimir%20Bumbasirevic%20BMR2004.pdf

• www.medri.hr/katedre/Biologija/dsi/biologija/STANICNI_CIKLUS.ppt

Jelena Ačanski