Войти
Шаги клеточного цикла. Точка ограничения находится между фазами G 1 и S межфазной фазы. Контрольная точка G 2 -M возникает между фазами G 2 и M. Контрольная точка шпинделя происходит во время фазы М. Показаны ключевые циклины, связанные с каждой фазой. Контрольные точки клеточного цикла - это механизмы контроля в эукариотическом клеточном цикле, которые обеспечивают его правильное развитие. Каждая контрольная точка служит потенциальной точкой завершения клеточного цикла, во время которого оцениваются условия клетки, причем продвижение через различные фазы клеточного цикла происходит только при соблюдении благоприятных условий. В клеточном цикле есть много контрольных точек, но три основных: контрольная точка G1, также известная как начальная или контрольная точка ограничения или основная контрольная точка; КПП G2 / M ; и переход от метафазы к анафазе, также известный как контрольная точка шпинделя. Прохождение через эти контрольные точки в значительной степени определяется активацией циклин-зависимых киназ регуляторными субъединицами белка, называемыми циклинами, разные формы которых продуцируются на каждой стадии клеточный цикл для управления конкретными событиями, которые в нем происходят.
.
Все живые организмы являются продуктами повторяющихся циклов роста и деления клеток. Во время этого процесса, известного как клеточный цикл, ячейка дублирует свое содержимое, а затем делится на две части. Цель клеточного цикла - точно дублировать ДНК каждого организма, а затем равномерно разделить клетку и ее содержимое между двумя образующимися клетками. У эукариот клеточный цикл состоит из четырех основных стадий: G1, во время которого клетка метаболически активна и непрерывно растет; S-фаза, во время которой происходит репликация ДНК; G2, во время которого продолжается рост клеток и клетка синтезирует различные белки, готовясь к делению; и фаза M (митоз ), во время которой дублированные хромосомы (известные как сестринские хроматиды ) разделяются на два дочерних ядра, и клетка делится на две дочерние клетки, каждая с полная копия ДНК. По сравнению с эукариотическим клеточным циклом, прокариотический клеточный цикл (известный как бинарное деление ) относительно прост и быстр: хромосома реплицируется из точки начала репликации, собирается новая мембрана, и клеточная стенка образует перегородку, которая делит клетку на две части.
Поскольку эукариотический клеточный цикл представляет собой сложный процесс, эукариоты развили сеть регуляторных белков, известную как система контроля клеточного цикла, который контролирует и диктует продвижение клетки через клеточный цикл. Эта система действует как таймер или часы, которые устанавливают фиксированное количество времени, которое клетка проводит в каждой фазе цикла клетки, и в то же время она также реагирует на информацию, полученную от процессов, которыми она управляет. Контрольные точки клеточного цикла играют важную роль в системе управления, обнаруживая дефекты, возникающие во время важных процессов, таких как репликация ДНК или сегрегация хромосом, и вызывая остановку клеточного цикла в ответ до тех пор, пока дефекты устранены. Основной механизм действия контрольных точек клеточного цикла заключается в регуляции активности семейства протеинкиназ, известных как циклинзависимые киназы (CDK), которые связываются с различными классами регуляторных белков, известных как циклины, при этом специфические комплексы циклин-CDK образуются и активируются на разных фазах клеточного цикла. Эти комплексы, в свою очередь, активируют различные нижестоящие мишени для стимулирования или предотвращения развития клеточного цикла.
контрольная точка G1, также известная как точка рестрикции в клетках млекопитающих и начальная точка в дрожжах, это точка, в которой клетка обязуется вступить в клеточный цикл. По мере прохождения ячейки через G1, в зависимости от внутренних и внешних условий, она может либо задерживать G1, либо переходить в состояние покоя, известное как G0, либо проходить точку ограничения. Повреждение ДНК является основным показателем того, что клетка «ограничивает» и не входит в клеточный цикл. Решение совершить новый раунд клеточного деления происходит, когда клетка активирует циклин-CDK-зависимую транскрипцию, которая способствует переходу в S-фазу. Эта контрольная точка обеспечивает дальнейший процесс.
На ранней стадии G1 существуют три транскрипционных репрессора, известные как карманные белки, которые связываются с факторами транскрипции E2F. Семейство генов E2F представляет собой группу факторов транскрипции, нацеленных на многие гены, важные для контроля клеточного цикла, включая циклины, CDK, регуляторы контрольных точек и белки репарации ДНК. Неправильная регуляция семейства E2F часто встречается в случаях рака, что свидетельствует о том, что семейство E2F важно для жесткого регулирования репликации и деления ДНК. Три карманных белка - это ретинобластома (Rb), p107 и p130, которые связываются с факторами транскрипции E2F для предотвращения прогрессирования после контрольной точки G1.
Семейство генов E2F содержит некоторые белки с активаторными механизмами и некоторые белки с репрессирующими механизмами. P107 и p130 действуют как корепрессоры для E2F 4 и E2F 5, которые репрессируют транскрипцию факторов, способствующих G1-to-S. Третий карманный белок, Rb, связывается и репрессирует E2F 1, E2F 2 и E2F 3, которые являются белками E2F с активирующими способностями.
Положительная обратная связь играет важную роль в регулировании перехода от G1 к S фаза, в частности, включающая фосфорилирование Rb с помощью белкового комплекса циклин / CDK. Rb без фосфата или нефосфорилированный Rb регулирует выход из клеточного цикла G0 и дифференцировку. В начале фазы G1 факторы роста и повреждение ДНК сигнализируют о повышении уровня циклина D, который затем связывается с Cdk4 и Cdk6 с образованием комплекса CyclinD: Cdk4 / 6. Известно, что этот комплекс инактивирует Rb путем фосфорилирования. Однако детали фосфорилирования Rb довольно сложны и специфичны по сравнению с предыдущими знаниями о контрольной точке G1. CyclinD: Cdk4 / 6 помещает только один фосфат, или монофосфорилат, Rb на один из четырнадцати доступных и уникальных сайтов фосфорилирования. Каждая из четырнадцати специфических монофосфорилированных изоформ имеет дифференциальное предпочтение связывания с членами семейства E2F, что, вероятно, увеличивает разнообразие клеточных процессов в организме млекопитающего.
E2F 4 и E2F 5 зависят от p107 и p130 сохранить свою ядерную локализацию. Однако циклин D: Cdk 4/6 также фосфорилирует p107 и p130, процесс, который освобождает их связь с E2F 4 и 5 (которые затем уходят в цитоплазму), и позволяет E2F 1-3 связываться с ДНК и инициировать транскрипцию. белков Cyclin E. Rb сохраняют свое монофосфорилированное состояние во время ранней фазы G1, в то время как циклин E накапливается и связывается с Cdk2.
CyclinE: Cdk2 играет дополнительную важную роль фосфорилирования в переходе G1-to-S. В частности, CyclinE: Cdk2 поддерживает цикл положительной обратной связи, который создает переключатель «все или ничего». Во многих сетях генетического контроля положительная обратная связь гарантирует, что клетки не будут скользить туда-сюда между фазами клеточного цикла. Циклин E: Cdk2 переходит к фосфорилированию Rb на всех его сайтах фосфорилирования, также называемых «гиперфосфорилатом», что обеспечивает полную инактивацию Rb.. Гиперфосфорилирование Rb считается точкой поздней рестрикции G1, после которой клетка не может двигаться назад в клеточном цикле. На этом этапе белки E2F 1-3 связываются с ДНК и транскрибируют циклин A и Cdc 6.
Циклин-зависимый ингибитор киназы 1B (CDKN1B), также известный как p27, связывается с циклином E и предотвращает его активацию: Cdk2 по торможению. Однако по мере того как циклин A накапливается и связывается с Cdk2, они образуют комплекс и ингибируют p27. Циклинзависимая киназа в фазе G1 работает вместе с циклин-зависимой киназой в фазе S, нацеленной на p27 для деградации. В свою очередь, это позволяет полностью активировать Cyclin A: Cdk2, комплекс, который фосфорилирует E2F 1-3, инициируя их диссоциацию от промоторных сайтов ДНК. Это позволяет E2F 6-8 связываться с ДНК и ингибировать транскрипцию. Петля отрицательной обратной связи, используемая для успешного ингибирования ингибитора p27, является еще одним важным процессом, используемым клетками для обеспечения однонаправленного движения и отсутствия возврата в клеточном цикле.
Когда происходит повреждение ДНК или когда клетка обнаруживает какие-либо дефекты, которые заставляют ее задержать или остановить клеточный цикл в G1, остановка происходит с помощью нескольких механизмов. Быстрый ответ включает в себя события фосфорилирования, которые инициируются либо киназой ATM (мутировавшая атаксия телеангиэктазии ), либо ATR (атаксия телеангиэктазия и связанная с Rad3 ), которые действуют как сенсоры, в зависимости от типа повреждения.. Эти киназы фосфорилируют и активируют эффекторные киназы Chk2 и Chk1, соответственно, которые, в свою очередь, фосфорилируют фосфатазу Cdc25A, тем самым маркируя ее для убиквитинирования и деградации. Поскольку Cdc25A активирует ранее упомянутый комплекс циклин E-CDK2 путем удаления ингибирующих фосфатов из CDK2, в отсутствие Cdc25A циклин E-CDK2 остается неактивным, а клетка остается в G1.
Для поддержания ареста инициируется другой ответ, с помощью которого Chk2 или Chk1 фосфорилируют p53, супрессор опухоли, и это стабилизирует p53, предотвращая его связывание с Mdm2, убиквитинлигазой, которая ингибирует p53, направляя его на разложение.. Затем стабильный p53 действует как активатор транскрипции нескольких генов-мишеней, включая p21, ингибитор комплекса циклина E-CDK2, стимулирующего G1-to-S. Кроме того, еще один механизм, посредством которого активируется p21, - это накопление p16 в ответ на повреждение ДНК. p16 разрушает комплексы циклин D-CDK4, тем самым вызывая высвобождение p21 из комплексов, что приводит к дефосфорилированию и активации Rb, что позволяет Rb связывать и ингибировать E2F 1-3, тем самым удерживая клетку от перехода в S-фазу. В последнее время некоторые аспекты этой модели оспариваются.
Концентрация митотического циклина демонстрирует гистерезис и бистабильность относительно активации Cdk1 После репликации ДНК в S-фазе клетка претерпевает фазу роста, известную как G2. В течение этого времени продуцируются необходимые митотические белки, и клетка снова подвергается действию регуляторных механизмов, чтобы гарантировать надлежащий статус для перехода в фазу пролиферативного митоза (M). Множественные механистические контрольные точки задействованы в этом переходе от G2 к M, с общим объединяющим фактором активности cyclin-Cdk.
Хотя для разных организмов существуют вариации необходимых комплексов циклин-Cdk, необходимость киназной активности сохраняется и обычно фокусируется на единственном спаривании. У делящихся дрожжей существуют три различных формы митотического циклина и шесть - у почкующихся дрожжей, но основным используемым циклином является циклин B. Циклин B будет служить ссылкой для обсуждения перехода контрольной точки G2 / M.
Подобно S-фазе, G2 испытывает контрольную точку повреждения ДНК. Клетку еще раз исследуют на наличие участков повреждения ДНК или неполной репликации, и киназы ATR и ATM привлекаются к участкам повреждения. Активация Chk1 и Chk2 также происходит, так же как активация p53, чтобы вызвать остановку клеточного цикла и остановить прогрессию в митоз. Дополнительный компонент S-фазы, пререпликативный комплекс, должен быть инактивирован посредством фосфорилирования циклина B-Cdk1.
Как оцениваются эти предыдущие контрольные точки, накопление белка G2 служит для активации активности cyclinB-Cdk1 посредством множества механизмов. CyclinA-Cdk2 активирует Cdc25, активатор cyclinB-Cdk1, который затем дезактивирует ингибитор cyclinB-Cdk1, Wee1. Это приводит к положительной обратной связи, значительно увеличивая экспрессию cyclinB и активацию Cdk1. По мере того, как клетка продвигается через G2 и достигает перехода G2 / M, киназа Plk1 фосфорилирует Wee1, который нацеливается на Wee1 для деградации посредством комплекса SCF ubiquitin ligase. Дополнительная функция Plk1 заключается в активации Cdc25 посредством фосфорилирования. Комплексный эффект деградации Wee1 и активации Cdc25 заключается в чистом удалении ингибирующего фосфорилирования cdc2, которое активирует cdc2. Plk1 активируется при переходе G2 / M с помощью Aurora A и Bora, которые накапливаются во время G2 и образуют комплекс активации. Комплекс Plk1-Cdc2-cdc25 затем инициирует петлю положительной обратной связи, которая служит для дальнейшей активации Cdc2, и в сочетании с увеличением уровней циклина B во время G2 образующиеся комплексы cdc2-циклин B затем активируют расположенные ниже мишени, которые способствуют вступлению в митоз. Результирующая активность Cdk1 также активирует экспрессию Mem1-Fkh, гена перехода G2 / M. Быстрый всплеск активности cyclinB-Cdk1 необходим, так как инициация M фазы - это беспрецедентное событие, включающее гистерезис. Гистерезис активности Cdk1 через циклин B запускает M-фазу, устанавливая минимальный порог концентрации cyclinB. Он существует на уровне выше минимума, необходимого для продолжения фазы M после входа, и действует для защиты события «все или ничего». Эта входная концентрация дополнительно увеличивается в случае неполной репликации ДНК, добавляя еще один регуляторный механизм в точке перехода G2 / M. Наличие гистерезиса позволяет строго регулировать вступление в М-фазу в зависимости от активности cyclinB-Cdk1.
Механизмы предотвращения митотического входа в ответ на повреждение ДНК аналогичны механизмам в контрольной точке G1 / S. Повреждение ДНК запускает активацию вышеупомянутого пути ATM / ATR, в котором ATM / ATR фосфорилируют и активируют киназы контрольных точек Chk1 / Chk2. Chk1 / 2 фосфорилирует cdc25, который, помимо ингибирования, также блокируется в цитоплазме белками 14-3-3. 14-3-3 активируются с помощью p53, который, как упоминалось ранее, активируется с помощью Chk1 и ATM / ATR. p53 также трансактивирует p21, и как p21, так и 14-3-3, в свою очередь, ингибируют комплексы циклин B-cdc2 посредством фосфорилирования и цитоплазматического связывания cdc2. Кроме того, инактивация cdc25 приводит к его неспособности дефосфорилировать и активировать cdc2. Наконец, другой механизм реакции на повреждение заключается в отрицательной регуляции Plk1 с помощью ATM / ATR, что, в свою очередь, приводит к стабилизации Wee1 и Myt1, которые затем могут фосфорилировать и ингибировать cdc2, таким образом удерживая клетку в G2 до тех пор, пока повреждение не исчезнет. фиксировано.
Контрольная точка митотического веретена возникает в точке в метафазе, где все хромосомы должны / выровняться на митотической пластине и находиться под биполярным напряжением. Напряжение, создаваемое этой биполярной привязанностью, - это то, что ощущается, что инициирует вход в анафазу. Для этого сенсорный механизм гарантирует, что комплекс , стимулирующий анафазу (APC / C), больше не ингибируется, и теперь он может расщеплять циклин B, который несет D- box (ящик для разрушения), и для разрушения securin. Последний представляет собой белок, функция которого заключается в ингибировании сепаразы, который, в свою очередь, разрезает когезины, белковый композит, ответственный за сцепление сестринских хроматид. После того, как этот ингибирующий белок расщепляется посредством убиквитинирования и последующего протеолиза, сепараза вызывает разделение сестринских хроматид. После того, как клетка разделится на две дочерние клетки, она вступает в процессы G 1.
репарации ДНК, и контрольные точки клеточного цикла были тесно связаны с раком из-за их функций, регулирующих стабильность генома и прогрессирование клеток, соответственно. Точные молекулярные механизмы, которые связывают дисфункции этих путей с возникновением конкретных видов рака, в большинстве случаев не совсем понятны. Было показано, что потеря ATM предшествует развитию лимфомы, предположительно из-за чрезмерной гомологичной рекомбинации, ведущей к высокой геномной нестабильности. Нарушение Chk1 у мышей привело к значительной неправильной регуляции контрольных точек клеточного цикла, накоплению повреждений ДНК и увеличению случаев онкогенеза. Пожалуй, наиболее известный пример - одинарное мутантное наследование BRCA1 или BRCA2 предрасполагает женщин к раку груди и яичников. BRCA1, как известно, необходим для S- и G2 / M-переходов и участвует в клеточном ответе на повреждение ДНК. Считается, что BRCA2 участвует в гомологичной рекомбинации и регулирует контрольную точку S-фазы, а мутации дефицита BRCA2 тесно связаны с онкогенезом.
