Клітинний цикл 1

1. Клітинний цикл, періоди

2. Клітинний цикл: фази

Клітинний цикл еукаріот поділяють на чотири фази. В стадії безпосереднього ділення клітин (мітозу) конденсовані метафазні хромосоми порівну розподіляються між дочірніми клітинами (M-фаза клітинного циклу - mitosis). Мітоз був першою ідентифікованої фазою клітинного циклу, а всі інші події, що відбуваються в клітині між двома митозами, були названі інтерфазою. Розвиток досліджень на молекулярному рівні дозволило виділити в інтерфазі стадію синтезу ДНК, що отримала назву S-фази (synthesis). Ці дві ключові стадії клітинного циклу не переходять безпосередньо одна в іншу. Після закінчення мітозу до початку синтезу ДНК має місце G1-фаза клітинного циклу (gap), що здається пауза в активності клітини, під час якої внутрішньоклітинні синтетичні процеси готують реплікацію генетичного матеріалу.
Другий перерву у видимій активності (фаза G2) спостерігається після закінчення синтезу ДНК перед початком мітозу. У фазі G2 клітина здійснює контроль за точністю сталася редуплікаціі ДНК і виправляє виявлені збої. У ряді випадків виділяють п'яту фазу клітинного циклу (G0), коли після завершення поділу клітина не вступає в наступний клітинний цикл і тривалий час залишається в стані спокою. З цього стану вона може бути виведена зовнішніми стимулюючими (мітогеном) впливами. Фази клітинного циклу не мають чітких часових і функціональних кордонів, проте при переході від однієї фази до іншої відбувається впорядковане перемикання синтетичних процесів, що дозволяє на молекулярному рівні диференціювати ці внутрішньоклітинні події.

3. цикліни і циклін-залежні кінази

Клітини вступають в клітинний цикл і здійснюють синтез ДНК у відповідь на зовнішні мітогеном стимули. Лімфокіни (наприклад, інтерлейкіни), цитокіни (зокрема інтерферони) і поліпептидні фактори росту, взаємодіючи зі своїми рецепторами на поверхні клітин, індукують каскад реакцій фосфорилювання внутрішньоклітинних білків, що супроводжуються передачею сигналу від поверхні клітин до ядра і індукцією транскрипції відповідних генів. Одними з перших активуються гени. кодують білки цикліни, які отримали свою назву від того, що їх внутрішньоклітинна концентрація періодично змінюється в міру проходження клітин через клітинний цикл, досягаючи максимуму на його певних стадіях. Цикліни є специфічними активаторами сімейства циклин-залежних протеїнкіназ (CDK) (CDK - cyclin-dependent kinases) - ключових учасників індукції транскрипції генів, що контролюють клітинний цикл. Активація індивідуальної CDK відбувається після її взаємодії зі специфічним циклінів, і освіту цього комплексу стає можливим після досягнення циклінів критичної концентрації. У відповідь на зменшення внутрішньоклітинної концентрації конкретного цикліну відбувається оборотна інактивація відповідної CDK. Деякі CDK активуються більше ніж одним циклінів. В цьому випадку група циклінів, як би передаючи протеїнкінази один одному, підтримує їх в активованому стані тривалий час. Такі хвилі активації CDK виникають протягом G1- і S- фаз клітинного циклу.

4. цикліни: загальні відомості

5. Розподіл еукаріотичної клітини: початок

У відповідь на мітогенний стимул клітина, яка перебуває у фазі G0 або ранньої G1, починає своє проходження через клітинний цикл. В результаті індукції експресії генів циклінів D і E, які зазвичай об'єднують в групу циклінів G1, відбувається збільшення їх внутрішньоклітинної концентрації. Цикліни D1, D2 і D3 утворюють комплекс з кіназами CDK4 і CDK6. На відміну від цикліну D1 два останніх цикліну, крім того, об'єднуються з CDK2. Функціональні відмінності між цими трьома цикліни невідомі, проте наявні дані вказують на досягнення ними критичних концентрацій при різних стадіях розвитку фази G1. Ці відмінності специфічні щодо типу проліферуючих клітин.
Активація CDK2 / 4/6 призводить до фосфорилювання білка RB (продукту гена ретинобластоми pRb) і асоційованих з ним білків p107 і p130. На початку фази G1 білок pRb фосфорильованій слабо, що дозволяє йому перебувати в комплексі з фактором транскрипції E2F, граючим ключову роль в індукції синтезу ДНК, і блокувати його активність. Повністю фосфорілірованний форма pRb звільняє E2F з комплексу, що призводить до активації транскрипції генів, що контролюють реплікацію ДНК.
Концентрація D-циклінів зростає протягом фази G1 клітинного циклу і досягає максимуму значень безпосередньо перед початком S-фази, після чого починає зменшуватися. Однак в цей час pRb ще фосфорильованій в повному обсязі, і фактор E2F залишається в комплексі в неактивному стані. Фосфорилювання pRb завершується під дією CDK2, активованої циклінів E. Внутрішньоклітинна концентрація останнього стаємаксимальною в момент переходу клітинного циклу від фази G1 до S-фазі. Таким чином, комплекс циклін E-CDK2 як би приймає естафету від комплексів циклін D з CDK4 і CDK6 і завершує фосфорилирование pRb, що супроводжується звільненням активного чинника транскрипції E2F. В результаті починається синтез ДНК, тобто клітина вступає в S-фазу клітинного циклу.

6. S фаза клітинного циклу: синтез ДНК

7. Митоз: ініціація

Сигнал до початку поділу клітини (мітозу) виходить від фактора MPF (M phase promoting factor), що стимулює M-фазу клітинного циклу. MPF є комплексом кінази CDK1 з активують її цикліни A або B. Мабуть, комплекс CDK1-циклін A грає більш важливу роль в завершенні S- фази і підготовці клітини до поділу, тоді як комплекс CDK1- циклин B переважно здійснює контроль послідовності. Цикліни B1 і B2 присутні в дуже малих концентраціях в фазі G1. Їх концентрація починає збільшуватися в кінці S- і протягом G2-фаз, досягаючи свого максимуму під час мітозу, що призводить до заміщення ними цикліну A в комплексі з CDK1. Однак цього виявляється недостатнім для повної активації протеїнкінази. Функціональна компетентність CDK1 досягається після серії її фосфорилювання і дефосфорілірованіе за специфічними залишкам амінокислот. Такий контроль необхідний для запобігання вступу клітин у мітоз до повного завершення синтезу ДНК.
Поділ клітини починається лише після того, як CDK1, що знаходиться в комплексі з циклінів B, фосфорилируется по залишкам Thr-14 і Tyr-16 протеїнкіназою WEE1, а також по залишку Thr-161 протеїнкіназою CAK і потім дефосфорилюється по залишкам Thr-14 і Tyr- 15 фосфатазою CDC25. Активована таким чином CDK1 фосфорилирует в ядрі структурні білки. в тому числі нуклеолін, ядерні ламіни і виментин. Після цього ядро ​​починає проходити через цитологічних добре помітні стадії мітозу.
Перша стадія мітозу - профази - починається після того, як CDK1 повністю фосфорилируется, за нею йдуть метафаза, анафаза і телофаза, що завершуються поділом клітини - цітокінезом. Наслідком цих процесів є правильний розподіл реплікованих хромосом, ядерних і цитоплазматичних білків, а також інших високомолекулярних і низькомолекулярних сполук в дочірні клітини. Після завершення цітокінеза відбувається руйнування циклін B, супроводжуване інактивацією CDK1, що призводить до вступу клітини в фазу G1 або G0 клітинного циклу.

8. Фаза G0 клітинного циклу

9. Клітинний цикл: інгібітори

У клітинному циклі є дві основні стадії (точки переходу, контрольні точки R - restriction points), на яких можуть бути реалізовані негативні регуляторні впливу, що зупиняють просування клітин через клітинний цикл. Одна з цих стадій контролює перехід клітини до синтезу ДНК, а інша - початок мітозу. Є й інші регульовані етапи клітинного циклу. Перехід клітин від однієї фази клітинного циклу до іншої контролюється на рівні активації CDK їх цикліни за участю інгібіторів циклінзалежної киназ CKI. У міру необхідності ці інгібітори можуть активуватися і блокувати взаємодію CDK зі своїми цикліни, а отже, і клітинний цикл як такої. Після зміни зовнішніх або внутрішніх умов клітина може продовжити проліферацію або вступити на шлях апоптозу.
Є дві групи CKI: білки сімейств p21 і INK4 (inhibitor of CDK4), члени яких всередині родин мають схожі структурними властивостями. Сімейство інгібіторів p21 включає в себе три білка: p21, p27 і p57. Оскільки ці білки були описані незалежно декількома групами. до сих пір використовуються їх альтернативні назви. Так, білок p21 відомий також під іменами WAF1 (wild-type p53 activated fragment 1), CIP1 (CDK2 interacting protein 1), SDI1 (senescent derived inhibitor 1) і mda-6 (melanoma differentiation associated gene). Синонімами p27 і p57 є відповідно KIP1 (kinase inhibiting proteins 1) і KIP2 (kinase inhibiting proteins 2). Всі ці білки мають широку специфічністю дії і можуть пригнічувати різні CDK. На відміну від цього група інгібіторів INK4 більш специфічна. У неї входять чотири білка: p15INK4B, p16INK4A, p18INK4C і p19INK4D. Інгібітори сімейства INK4 функціонують під час фази G1 клітинного циклу, пригнічуючи активність кінази CDK4, однак другий білковий продукт гена INK4A - p19ARF, взаємодіє з регуляторним фактором MDM2 білка p53 і інактивує фактор. Це супроводжується збільшенням стабільності білка p53 і зупинкою клітинного циклу.

10. Клітинний цикл: регуляція переходу від G1- до S-фазі

Звіряльні (контрольна) точка рестрикції в G2-фазі

висновок
Дане реферативное дослідження присвячувалося розгляду особливостей клітинного циклу. Мета роботи досягнута. Робота виконана повністю.
На закінчення підведемо підсумки:
1. Клітинний цикл - узгоджена однонаправлена ​​послідовність подій, в ході якої клітина послідовно проходить його різні періоди без їх пропуску або повернення до попередніх стадій. Клітинний цикл закінчується розподілом вихідної клітини на дві дочірні клітини.
2. Тривалість клітинного циклу у різних клітин варіює. У швидко розмножуються клітин дорослих організмів таких як кровотворні або базальні клітини епідермісу і тонкої кишки можуть входити в клітинний цикл кожні 12-36 ч. Короткі клітинні цикли близько 30 хв спостерігаються при швидкому дробленні яєць голкошкірих і земноводних. В експериментальних умовах короткий клітинний цикл 20ч мають багато ліній клітинних культур. У більшості клітин тривалість періоду між митозами становить приблизно 10-24 год.
3. Клітинний цикл еукаріот складається з інтерфази, під час якої йде синтез ДНК і білків і здійснюється підготовка до поділу клітини і власне сам розподіл клітини, мітоз. Интерфаза складається з декількох періодів: G1-фази початкового росту, під час якої йде синтез мРНК, білків, інших клітинних компонентів, S-фази (синтетичної фази), під час якої йде подвоєння молекул ДНК і G2-фази під час якої йде підготовка до митозу. У диференційованих клітин, які більш не діляться в життєвому циклі може бути відсутнім G1 фаза. Такі клітини знаходяться у фазі спокою G0.
4. Закономірна послідовність зміни періодів клітинного циклу здійснюється при взаємодії таких білків, як циклін-залежні кінази і цикліни. Клітини, що знаходяться в G0 фазі можуть вступати в клітинний цикл при дії на них гормонів росту. Різні чинники зростання, такі як тромбоцитарний, епідермальний, фактор росту нервів зв'язуючись зі своїми рецепторами запускають внутрішньоклітинний сигнальний каскад, що приводить в підсумку до транскрипції генів циклінів і циклін-залежних кіназ.
5. Для визначення завершення кожної фази клітинного циклу необхідна наявність в ньому контрольних точок. Якщо клітина «проходить» контрольну точку то вона триває «рухатися» по клітинному циклу. Якщо ж будь-які обставини, наприклад пошкодження ДНК, заважають клітці пройти через контрольну точку, яку можна порівняти зі свого роду контрольним пунктом, то клітина зупиняється і іншої фази клітинного циклу не настає принаймні до тих пір, поки не будуть усунуті перешкоди, які дозволяли клітці пройти через контрольний пункт. Існує як мінімум чотири контрольні точки клітинного циклу: точка в G1 де перевіряється интактность ДНК, перед входженням в S-фазу, звіряльні точка в S-фазі, в якій перевіряється правильність реплікації ДНК, звіряльні точка в G2, в якій перевіряються пошкодження, пропущені при проходженні попередніх звіряльні точок, або отримані на наступних стадіях клітинного циклу. В G2 фазі детектується повнота реплікації ДНК і клітини, в яких ДНК недорепліцірована не входять до мітоз. У контрольній точці зборки веретена поділу перевіряється, чи всі кінетохор прикріплені до микротрубочкам.