Cellesyklus

Cellesyklusen , eller celledelingssyklusen (CDC), er rekken av hendelser som skjer i en eukaryot celle mellom en celledeling og den neste. Lengden på cellesyklusen varierer med art, celletype og vekstforhold. I flercellede organismer mister noen celler evnen til å dele seg når de når modenhet.

Generelle aspekter

Cellesyklusen er en genetisk kontrollert prosess, bestående av en rekke koordinerte og gjensidig avhengige hendelser, som den korrekte spredningen av eukaryote celler avhenger av. De molekylære hendelsene som styrer cellesyklusen er ordnet og retningsbestemt: hver prosess er den direkte konsekvensen av den forrige hendelsen og er årsaken til den neste. Den er karakterisert ved fem faser: fase G1 , fase S , fase G2 , mitose og cytodierese også kalt cytoplasmatisk deling (ikke til stede i figuren); G står for "Gap"; S står for "Syntese".

Mange gener involvert i cellesyklusprogresjon ble identifisert tidlig på syttitallet takket være en studie utført av Lee Hartwell og medarbeidere på gjæren Saccharomyces cerevisiae , en encellet eukaryotisk mikroorganisme som egner seg svært godt til genetisk analyse; takket være dette arbeidet ble mutanter isolert og karakterisert som viste endringer i de forskjellige fasene av cellesyklusen (Hartwell, 1974).

I eukaryote celler er progresjon gjennom de ulike fasene av cellesyklusen fint regulert av syklinavhengige kinaser eller CDK (cyklinavhengige kinaser), en familie av proteinkinaser hvis aktivitet avhenger av deres assosiasjon med regulatoriske proteinunderenheter kalt sykliner ; sistnevnte er ustabile proteiner, syntetisert og nedbrutt periodisk, som akkumuleres i spesifikke faser av syklusen og som ikke bare aktiverer CDK- er, men også bestemmer deres substratspesifisitet.

Leland H. Hartwell , R. Timothy Hunt og Paul M. Nurse vant Nobelprisen i fysiologi eller medisin i 2001 for deres oppdagelse av den sentrale rollen til disse molekylene i cellesyklusen. Funnene ble oppnådd ved å studere cellesyklusen i henholdsvis spirende gjær Saccharomyces cerevisiae , kråkebolleegg Sphaerechinus granularis og fisjonsgjær Schizosaccharomyces pombe .

I flercellede eukaryoter har behovet for å reagere på en større mengde ytre og indre stimuli tillatt utviklingen av flere og forskjellige CDK-er: de forskjellige CDK-syklinkompleksene som dannes under cellesyklusen til disse organismene endres både når det gjelder underenhetens regulatoriske (cyklin) og når det gjelder den katalytiske underenheten (CDK). I hver periode av cellesyklusen er det derfor bare én type katalytisk aktivt CDK - cyklinkompleks, og avhengig av komplekset som dannes, blir forskjellige målmolekyler fosforylert.

I tillegg til den regulatoriske virkningen av cyclin , er CDK-cyklinkomplekset også underlagt virkningen av hemmere som er i stand til å binde seg til dette komplekset og gjøre dens katalytiske underenhet inaktiv: denne klassen av proteiner kalles CKI (CDK-hemmere). Videre er visse steder av den katalytiske underenheten til CDK målet for mange kinaser og fosfataser som, ved å bestemme fosforyleringstilstanden til komplekset, finjusterer dets aktivitet.

Faser av cellesyklusen

Cellesyklusen er delt inn i to faser, mitose (fase M) og interfase . Sistnevnte kan videre deles inn i tre faser: G1, S og G2.

For at den genetiske informasjonen skal overføres korrekt fra foreldrecellen til dattercellene, må genomet først dupliseres i løpet av tidsperioden som kalles S-fasen, og deretter må kromosomene segregeres i de to dattercellene under M-fasen .

M-fasen er igjen sammensatt av to nært beslektede prosesser: mitose , hvor cellens kromosomer deles mellom de to dattercellene, og cytokinese eller cytodierese, som involverer fysisk deling av cellens cytoplasma .

Kontrollpunktene

Cellesyklusen er en ekstremt viktig prosess; feil i denne prosessen kan kompromittere cellenes levedyktighet. Av denne grunn, i cellesyklusen, er det kontrollpunkter eller sjekkpunkter , plassert på nivået av G1 / S- og G2 / M-overgangene. Faktisk er det mellom S- og M-fasene normalt to tidsperioder kalt "gap": G1 mellom slutten av mitose og begynnelsen av S-fasen og G2 mellom slutten av S-fasen og begynnelsen av M-fasen. i disse tidsperiodene skjer det meste av proteinsyntesen med en påfølgende økning i cellemasse og implementering av kontroller som forhindrer starten på neste fase dersom den forrige ikke er fullført. Fasene G1 og G2 er de som kan gjennomgå den største variasjonen i varighet og i noen spesielle tilfeller også kan elimineres, i motsetning til fasene S og M som er essensielle og som representerer to nøkkelhendelser i cellesyklusen. Settet med fasene G1, S og G2 er globalt identifisert som interfase . Celler som har sluttet å dele seg, enten midlertidig eller irreversibelt, sies å være i en stillestående tilstand (fase G0). Nerve- og tverrstripete celler i skjelettmuskulaturen forblir for eksempel i dette stadiet gjennom hele kroppens levetid. Celler som ikke lenger gjennomgår deling på grunn av aldring eller DNA- skader kalles i stedet senescent . Det skal bemerkes at mitose alltid produserer to celler som er genetisk identiske med modercellen og at de fleste cytoplasmatiske organellene er tilfeldig fordelt i dattercellene.

I de ulike artene

Vanlige molekylære mekanismer

En av de enkleste cellesyklusene er gjæren Saccharomyces cerevisiae , der det bare er én syklinavhengig kinase (CdK) kalt Cdc28 og bare to klasser av sykliner: G1 (Cln) og B (Clb).

I G1-fasen av cellesyklusen er transkripsjonen av genet som koder for et bestemt syklin av G1-fasen av Cln3 aktiv, som ser ut til å fungere som en sensor for cellemassen. Faktisk, når cellen når sin kritiske masse, øker konsentrasjonen av dette syklinet, og ved å assosiere seg med Cdc28 aktiverer det et komplekst transkripsjonsprogram som blant annet inkluderer genene som koder for syklinene Cln1, Cln2, Clb5 og Clb6. Dette fører til dannelsen av Cln1/2-Cdc28-kompleksene som er ansvarlige for dannelsen av knoppen (dattercellen) og dupliseringen av spindelens polare kropp . Clb5/6-sykliner assosieres også med CdK som danner Clb5/6-Cdc28-komplekset hvis kinaseaktivitet imidlertid blokkeres gjennom bindingen av Sic1-hemmeren. Når konsentrasjonen av Cln1 / 2-Cdc28-komplekset har nådd en kritisk terskel, er den i stand til å fosforylere Sic1, rette den mot nedbrytning og tillate aktivering av Clb5 / 6-Cdc28-kompleksene akkumulert frem til det øyeblikket, som igjen fosforylerer og nedbryte Sic1, holde nivåene lave. Denne aktiveringen er direkte ansvarlig for initieringen av DNA-replikasjon på nivået av replikasjonsopprinnelsen, som pre-replikasjonskomplekset (pre-RC) er satt sammen på. Etter bruk av replikasjonsorigo, konverterer Clb5 / 6-Cdc28-komplekset pre-RC til post-RC, og forhindrer at samme opprinnelse blir gjenbrukt før neste fase S. I sen fase S er det transkripsjon av gener som koder for cyklinene Clb3 og Clb4 og deres assosiasjon med Cdc28, nødvendig for inntreden i mitose og forlengelse av den mitotiske spindelen , som i Saccharomyces cerevisiae forekommer umiddelbart ved slutten av fase S. I andre organismer er det imidlertid på dette tidspunktet. fosforyleringen av CdK av Wee1 -kinasen (også tilstede i gjær), som inaktiverer Clb-Cdc28-kompleksene som gradvis akkumuleres. Når "go-ahead"-signalet kommer, griper Cdc25 -fosfatasen inn ved å eliminere fosfatgruppen på Clb-Cdc28-komplekset, som aktivering fører til fosforylering og inaktivering av Swe1, i en positiv tilbakemelding som gir en rask økning i den aktive formen av Clb-Cdc28, som fører til inntreden i mitose . Clb-Cdc28-komplekset aktiverer deretter det anafasefremmende komplekset (APC) som, takket være assosiasjonen med Cdc20, induserer nedbrytningen av en serie proteiner inkludert securin (Pds1). Nedbrytningen av sistnevnte fører til frigjøring av separasen (Esp1) som tillater kutting av kohesinene som holder søsterkromatidene bundet , slik at de kan migrere til motsatte poler i cellen. Assosiasjonen av APC med Cdh1-proteinet induserer også nedbrytning av alle type B-sykliner, noe som forårsaker kollaps av Cdc28-aktivitet, med påfølgende utgang fra mitose. Tapet av Cdc28-aktivitet, blottet for cykliner, fører også til remontering av pre-RC-kompleksene på replikasjonsopprinnelsen, til muligheten for å akkumulere igjen Sic1-hemmeren, samt til transkripsjon av G1-fasesyklinene (Cln) ) ... og en annen syklus kan starte på nytt

I høyere eukaryoter

Kontrollsystem

Cellesykluskontrollsystemet består av en familie av proteiner som regulerer cellens inntreden i cellesyklusens ulike stadier, og fungerer som en slags stivt programmerte binære brytere som vekselvis kan være i "av"-tilstand og i en. vært «på», uten mellommuligheter og irreversibelt. De er også i stand til å oppdage atferden til cellen under cellesyklusen, for å forsinke inngangen til en bestemt fase hvis cellen ennå ikke er klar fordi den for eksempel ikke oppfyller de grunnleggende kravene for overgangen fra en fase til en annen. Når cellen har fullført alle de essensielle endringene til faseskift under forsinkelsen gitt av kontrollsystemet, kan syklusen gjenopptas, så lenge den nødvendige tiden ikke er for lang. Kontrollsystemet, siden det utfører en grunnleggende oppgave for cellen, er veldig pålitelig, men det er ikke identisk i alle celler, derfor har det en viss grad av tilpasningsevne, og klarer også å overvinne mangelen på dets ikke-essensielle komponenter for fortsettelsen av syklusen. I de fleste celler med høyere eukaryoter har kontrollsystemet tre grunnleggende reguleringsstasjoner for fortsettelsen av cellesyklusen kalt sjekkpunkter . Hvis cellen oppdager problemer inne eller ute, kan det utløse mekanismer som blokkerer cellesyklusen i ett av disse tre punktene.

Cdk og cicline

Cyclin-dependent kinase (Cdk ) og cyclin er de to grunnleggende proteinklassene som utgjør cellesykluskontrollsystemet. Cdk er proteinkinaser aktivert på en spesifikk måte av en tilsvarende type syklin, mens når de ikke er konjugert til dette forblir de inaktive og kan ikke fosforylere proteiner nedstrøms. Sykliner er på sin side de viktigste regulatoriske proteinene til Cdk, og syntesen deres varierer i henhold til fasen av cellesyklusen, derav navnet deres. Det er fire klasser av sykliner: syklistene G 1 , G 1 / S, S og G 2 / M. De tre siste er tilstede i alle eukaryote celler. Kompleksene som stammer fra foreningen av sykliner med den tilsvarende Cdk har samme navn (G 1 -Cdk, G 1 / S-Cdk, S-Cdk og G 2 / M-Cdk).

I virkeligheten involverer ikke aktiveringen av en spesifikk Cdk det enkle angrepet av den spesifikke syklinen. En CDK kan eksistere i tre tilstander, en inaktiv, en delvis aktiv og en fullt aktiv. I den inaktive tilstanden har Cdk bundet ATP i et domene av proteinet, mens dets aktive sete er blokkert av en spesifikk region av proteinet i seg selv kalt T-løkken. Når syklinet som er spesifikt for den aktuelle Cdk binder seg til det, binder T løkken forskyves og det aktive stedet blir eksponert, så cyklin binder seg til Cdk, og aktiverer det delvis. På dette tidspunktet griper en CAK-proteinkinase ( Cdk-aktiverende kinase ) inn som fosforylerer Cdk på en treoninrest i T-løkken og får den til å endre form, aktiverer den fullstendig og lar den fosforylere proteiner nedstrøms, som er forskjellige for hver Cdk kompleks -cyklin. I denne oppgaven ser det ut til at den blir hjulpet av selve syklinen som binder. Aktiviteten til et Cdk-cyklinkompleks kan hemmes av en kinase kalt Wee1, som fosforylerer to rester lokalisert i det aktive stedet til Cdk, og hemmer det. De tilsatte fosfatene kan fjernes av Cdc25-fosfatasen, noe som får Cdk til å bli aktiv igjen. Denne typen regulering er spesielt aktiv overfor M-Cdk-kompleksene. Alternativt kan et Cdk-cyklinkompleks hemmes av en klasse på åtte proteiner kjent som Cdk-avhengige kinasehemmerproteiner (CKI ), spesielt Cdk G 1 /S- og Cdk-S-kompleksene. Disse proteinene binder seg til Cdk-cyklinkomplekset (de binder seg spesielt til både Cdk og cyklin og til ATP-bindingsdomenet til Cdk) og modifiserer konformasjonen til det aktive stedet for å inaktivere det. Mutasjoner i CKI-er er viktige risikofaktorer for noen kreftformer, spesielt mutasjoner i CDKN2A-genet (bedre kjent som p16) øker risikoen for å utvikle melanom og bukspyttkjerteladenokarsinom. Andre velkjente CKI-er er p21 (CDKN1A) og p27 (CDKN1B).

SCF- og APC/C-kompleksene

For å passere de to første kontrollpunktene til cellen, dvs. Start og kontrollpunktet G 2 / M, er det nødvendig å aktivere spesifikke Cdk-cyklinkomplekser (henholdsvis Cdk G 1 / S og Cdk G 2 / M), men i rekkefølge til utover den tredje, plassert i overgangen mellom metafase og anafase av mitose, er det ikke nødvendig å aktivere et ekstra Cdk-cyklinkompleks, men til proteolyse av noen tidligere aktive proteiner. Det er to komplekser som hjelper til med å regulere kontrollsystemer, og de er SCF-komplekset og APC/C-komplekset.

  • SCF - komplekset kalles så fra navnet på dets tre underenheter og er en ubiquitin-ligase som er spesielt aktiv under den sene G 1 -fasen av cellesyklusen, men fortsatt aktiv i alle fasene. Dette komplekset binder seg til noen CKI-er som tidligere er fosforylert av kinaser på spesifikke steder, og ubiquitinerer dem ved hjelp av de ubikvitinerende enzymene E1 og E2. Spesielt binder et F-boksprotein til SCF-komplekset, gjenkjenner det fosforylerte CKI, binder seg til det og gjennom bindingssignaler behovet for å ubiquitinere det til SCF. Det legges derfor til en kjede av ubiquitin som er et signal om nedbrytning, deretter transporteres CKI til proteasomet hvor det brytes ned. SCF er ikke i stand til å ubiquitinere ikke-fosforylerte CKI-er.
  • APC/C-komplekset , også kalt syklosom , er også en ubiquitin-ligase, men er spesielt aktivt under M-fasen av cellesyklusen, nettopp i passasjen mellom metafase og anafase, som det er den sanne determinanten av; den forblir aktiv selv under begynnelsen av G 1 og inaktiveres deretter i den sene G 1 -fasen. Den regulerer derfor det tredje kontrollpunktet i cellesyklusen. Først APC / C ubiquitins securin, et nøkkelprotein som samarbeider om å holde par av søsterkromatider sammen under metafasen. Dets ubiquitinering og ødeleggelse i proteasomet er et første trinn i prosessene til anafasen. APC/C, en gang aktivert av Cdc20-underenheten som binder seg til den (eller av Cdh1 mot slutten av mitosen), alltid ved hjelp av de ubiquitinerende enzymene E1 og E2, virker på cyklinene S og cyklinene M (cyklin A og cyklin B ), allestedsnærværende dem og destinerer dem til ødeleggelse, og inaktiverer dermed i S-Cdk- og M-Cdk-komplekser (derav kollapsen av deres aktivitet mellom metafase og anafase). Denne inaktiveringen er det viktigste signalet for å krysse sjekkpunktet representert ved overgangen mellom metafase og anafase. De proteinene som var blitt fosforylert av S-Cdk, defosforyleres av mange fosfataser og slutter med deres aktivitet.
S fasejustering

Under S-fasen av cellesyklusen replikeres cellens genom for å oppnå to identiske kopier. Forberedelsen av cellen for replikasjon skjer imidlertid før starten av S-fasen, allerede i den sene G 1 -fasen. I denne fasen, for at dupliseringen av kromosomer bare skal skje én gang, binder et kompleks av initierende proteiner kalt pre-RC-komplekset (pre- replikasjonskomplekset ) seg til replikasjonsopprinnelsen, som er i varierende antall i hvert kromosom. Bare opprinnelsen til replikasjon der et pre-replikativt kompleks er koblet i fase G 1 kan da være funksjonelle. Pre-RC-komplekset dannes av Origin Recognition Complex (ORC ) som binder seg til replikasjonsorigo sammen med proteinene Cdc6 og Cdt1 (en for hver del av ORC); deretter til Cdc6 og Cdt1, helikase Mcm dannet av seks underenheter som danner en ring som omslutter DNA-et. Pre-RC-komplekset hemmes av S-Cdk-aktivitet og aktiveres av APC/C-komplekset som fortsatt er aktivt i denne fasen og vil stenge ned like etter med overgangen fra fase G 1 til fase S. Ved begynnelsen av fase S aktiveringen av S-Cdk-kompleksene tillater dannelse av et proteinkompleks som er større enn det pre-replikative, kalt pre-initieringskomplekset. Dette komplekset inkluderer Mcm-helikasene som utfører den doble helixen og polymerasen som initierer syntesen av det nye filamentet. Samtidig demonteres pre-RC-komplekset delvis (det mister Cdc6 som fosforyleres av Cdk og degraderes og Cdt1 som hemmes av geminin som igjen hemmes og ubiquitineres av APC/C) og kan ikke settes sammen før neste fase G 1 sent siden APC / C er slått av under S- og M-fasen (til overgangen mellom metafase og anafase når den reaktiveres). Aktiveringen av pre-initieringskomplekset utføres ved fosforylering av ORC av S-Cdk. På dette tidspunktet, etter at mange andre proteiner som er nødvendige for DNA-syntese er lastet (inkludert polymerasene og deres PCNA-klemme), begynner DNA-replikasjonen og er fullført når cellen er klar til å gå inn fra S-fasen til G2 - fasen . S-Cdk-kompleksene spiller en grunnleggende rolle som transkripsjonsfaktorer for genene til alle histoner, siden disse også må dupliseres sammen med DNA i S-fasen.Når kromosomene er duplisert er hver sammensatt av et par søsterkromatider som er forbundet med proteinringer dannet av kohesin. Mynt er et kompleks dannet ved aggregering av Smc1- og Smc3-proteiner som binder seg sammen gjennom et hengseldomene, mens de med det andre ATPase-domenet binder seg til henholdsvis Scc1- og Scc3-proteinene. Dermed dannes det en ekte ring som omfavner de to søsterkromatidene. I overgangen mellom anafase og metafase bidrar ødeleggelsen av denne ringen til separasjonen av søsterkromatidene.

Bibliografi

  • Hartwell LH, Culotti J, Pringle JR, Reid BJ. Genetisk kontroll av celledelingssyklusen i gjær . VITENSKAP. JAN 11, 1974, 183 (120): 46-51.

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Eksterne lenker