Сайт использует файлы cookie. Продолжая пользоваться нашим сайтом, вы соглашаетесь на использование нами ваших данных.
Узнать больше
Принять и продолжить

Базовый онлайн-курс.
Регуляторы клеточного цикла

Циклины, циклин-зависимые киназы (Cdks) и APC/C, белок p53
Вступление

В статье о контрольных точках клеточного цикла мы рассмотрели причины, которые влияют на переход к различным фазам клеточного цикла, факторы, которые клетка учитывает при принятии решения о том, следует ли продвигаться дальше по клеточному циклу. К таким факторам относятся как внешние сигналы (например, молекулярные сигналы), так и внутренние сигналы (например, повреждение ДНК).

Подобные сигналы действуют путем изменения активности регуляторов клеточного цикла ядра внутри клетки. Регуляторы клеточного цикла клетки могут запускать ключевые процессы, такие как репликация ДНК или разделение хромосом. Они также контролируют правильный порядок выполнения событий клеточного цикла и то, что одна фаза (например, G1) запускает начало следующей фазы (например, S).
В этой статье мы рассмотрим некоторые из наиболее важных регуляторов основного клеточного цикла: белки, называемые циклинами, ферменты - циклин-зависимые киназы (Cdks), и комплекс ферментов - анафаза стимулирующего комплекса (APC/C).
Циклины

Циклины — это группа родственных белков, одни из наиболее важных регуляторов клеточного цикла ядра. И у людей, и у большинства других эукариот существует четыре основных типа: G1-циклины, G1/S-циклины, S-циклины и М-циклины.

Как следует из названия, каждый циклин связан с определенной фазой, переходом или набором фаз в клеточном цикле и помогает управлять событиями этой фазы или периода. Например, M-циклин способствует событиям фазы M, таким как разрушение ядерной оболочки и конденсация хромосом [1,2].
Изображение адаптировано из « Control of the cell cycle: Figure 2», OpenStax College, Biology ( CC BY 3.0 ).
Уровни разных циклинов значительно различаются в зависимости от фазы клеточного цикла, как показано на диаграмме выше. Так, концентрация циклинов остается низкой в течение большей части цикла, но сильно возрастает на стадиях, где они необходимы. М циклин, например, резко достигает пика при переходе от G2 в фазу М1. Циклины необычны тем, что они необходимы для большей части клеточного цикла.
Циклин-зависимые киназы (Cdks)

Чтобы продвигать клеточный цикл вперед, циклин должен активировать или инактивировать многие целевые белки внутри клетки. Циклины управляют событиями клеточного цикла, сотрудничая с семейством ферментов, называемых циклин-зависимыми киназами (Cdks). Сам по себе Cdk неактивен, но, связавшись с циклином, активируется, становясь функциональным ферментом, и приобретает способность модифицировать целевые белки.

Как это работает? Cdks — это киназы, ферменты, которые фосфорилируют (присоединяют фосфатные группы) к специфическим белкам-мишеням. Присоединенная фосфатная группа действует как переключатель, делая целевой белок более или менее активным. Когда циклин присоединяется к Cdk, он создает два важных эффекта: активирует Cdk в качестве киназы, и направляет Cdk к определенному набору белков-мишеней, разному для разных фаз клеточного цикла, контролируемого каждым конкретным циклином. Например, G1/S-циклины посылают Cdks к мишеням S-фазы (например, стимулируя репликацию ДНК), тогда как M-циклины посылают Cdks к мишеням M-фазы (например, разрушая ядерную мембрану).
Упрощенная диаграмма, показывающая, как циклины модифицируют активность Cdks.
Левая панель (без циклина): циклин отсутствует, Cdk неактивен, а мишени, специфичные для перехода G1 / S, не фосфорилированы. Ничего не происходит, и факторы S-фазы остаются «выключенными».
Правая панель (+ G1 / S циклин): G1 / S циклин присутствует и связывается с Cdk. Cdk теперь активен и фосфорилирует различные мишени, специфичные для перехода G1 / S. Фосфорилированные мишени вызывают активацию ферментов репликации ДНК, и начинается S-фаза.
В целом, уровни Cdk остаются относительно постоянными по всему клеточному циклу, но активность Cdk и целевые белки изменяются по мере того, как уровни различных циклинов растут и падают. В дополнение к тому, что Cdks нуждается в связывании с циклином, он также должен быть фосфорилирован на определенном сайте, чтобы активироваться (не показано на диаграммах в этой статье), и может также негативно регулироваться фосфорилированием других сайтов [3,4].

Циклины и Cdks очень эволюционно консервативны, что означает, что они найдены во многих видах, от дрожжей до лягушек и человека. Детали системы немного различаются: например, у дрожжей есть только один Cdk, в то время как у людей и других млекопитающих есть несколько Cdk, которые используются на разных стадиях клеточного цикла. Да, это своего рода исключение из правила, согласно которому «уровни концентрации Cdks не меняются». Но основные принципы очень похожи, так что Cdks и различные типы циклинов можно найти у каждого вида [5].
Фактор, способствующий созреванию (MPF)

Известный пример того, как циклины и Cdks работают вместе, контролируя переходы клеточного цикла, — это фактор, способствующий созреванию (MPF). Название восходит к 1970-м годам, когда исследователи обнаружили, что клетки в фазе М содержат неизвестный фактор, который может заставить яйцеклетки лягушки (которая остановилась в G2, фазе) перейти в фазу М. Эта загадочная молекула, названная MPF, была открыта в 1980-х годах как Cdk, связанная со своим партнером M-циклином [7].

MPF — это хороший пример того, как циклины и Cdks могут работать вместе, чтобы управлять переходом клеточного цикла. Как и типичный циклин, M-циклин остается на низком уровне в течение большей части клеточного цикла, но его концентрация увеличивается, когда клетка приближается к G2/М-переходу. По мере накопления M-циклина он связывается с Cdks, уже присутствующими в клетке, образуя комплексы, которые готовы запустить M-фазу. Как только эти комплексы получают дополнительный сигнал (по сути, полностью четкое подтверждение того, что ДНК клетки не повреждены), они становятся активными и приводят в движение события фазы М [7].

Комплексы MPF добавляют фосфатные метки к нескольким различным белкам в ядерной оболочке, что приводит к ее расщеплению (ключевое событие ранней М-фазы), а также активируют мишени, способствующие конденсации хромосом и другим событиям М-фазы. Роль MPF в разрушении ядерной оболочки показана в упрощенной форме на диаграмме ниже.
Упрощенная схема, показывающая, как Cdk и M cyclin объединяются в MPF.

Левая панель: комплекс MPF фосфорилирует различные мишени, специфичные для М-фазы, а фосфорилированные мишени вызывают образование веретена, конденсацию хромосом, разрушение ядерной мембраны и другие события ранней М-фазы.

Правая панель: конкретный пример MPF, вызывающего разрушение ядерной оболочки. Комплекс MPF фосфорилирует белки в ядерной оболочке, что приводит к фрагментации ядерной мембраны на везикулы (и высвобождению некоторых белков из мембраны).
Анафаза-стимулирующий комплекс/циклосома (APC/C)

В дополнение к управлению событиями М-фазы, MPF также запускает собственное разрушение, активируя комплекс, стимулирующий анафазу/циклосому (APC/C), белковый комплекс, который вызывает разрушение М-циклинов во время начала анафазы. Разрушение М-циклинов выводит клетки из митоза, позволяя новым дочерним клеткам войти в фазу G1. APC/C также вызывает разрушение белков, которые удерживают сестринские хроматиды вместе, позволяя им разделится в анафазе и переместиться к противоположным полюсам клетки.

Как APC/C выполняет свою работу? Как и Cdk, APC/C является ферментом, но имеет другой тип функций, чем Cdk. Вместо того, чтобы прикреплять фосфатную группу к своим мишеням, он добавляет небольшую белковую метку под названием убиквитин (Ub). Когда цель помечена убиквитином, она отправляется в протеасому (которую можно рассматривать как мусорную корзину клетки) и уничтожается. Например, APC/C прикрепляет метку убиквитина к М-циклинам, вызывая их расщепление протеасомой и позволяя вновь образующимся дочерним клеткам входить в G1-фазу [8].

APC/C также использует убиквитиновые метки для запуска отделения сестринских хроматид во время митоза. Если APC/C получает правильные сигналы в метафазе, он запускает цепь событий, которая разрушает когезин, белковый клей, который удерживает сестринские хроматиды вместе [8,9].

APC/C сначала добавляет метку убиквитина к белку, называемому секурин, и отправляет его на переработку. Секурин обычно связывает и инактивирует белок, называемый сепараза(сепарин).

Когда секурин отправляется на переработку, сепараза становится активной и может выполнять свою работу. Сепараза в свою очередь измельчает когезин — белок, который удерживает сестринские хроматиды вместе, таким образом сепараза разделяет сестринские хроматиды.
Контрольные точки и регуляторы

Cdks, cyclins и APC/C являются прямыми регуляторами клеточных циклов, но они не всегда управляют процессом. Вместо этого они реагируют на сигналы внутри и снаружи клетки. Эти сигналы влияют на активность регуляторов ядра, чтобы определить, можно ли клетке двигаться вперед в клеточном цикле. Положительные сигналы, такие как факторы роста, обычно увеличивают активность Cdks и циклинов, в то время как отрицательные сигналы, такие как повреждение ДНК, обычно уменьшают или блокируют их активность.

В качестве примера давайте рассмотрим, как повреждение ДНК останавливает клеточный цикл в G1. Повреждение ДНК может произойти и происходит во многих клетках организма в течение жизни человека (например, из-за ультрафиолетовых лучей солнца). Клетки должны быть в состоянии справиться с этим повреждением, исправляя его, если это возможно, и останавливая свое деление, если исправить повреждение не удается. Ключом к реакции на повреждения ДНК является белок p53, известный супрессор опухолей, который часто называют «хранителем генома» [10].

р53 работает на нескольких уровнях, чтобы гарантировать, что клетки не передадут свою поврежденную ДНК дочерним клеткам после деления [3].

Во-первых, он останавливает клеточный цикл в контрольной точке G1, запуская производство белков-ингибиторов Cdk (CKI). Белки CKI связываются с комплексами Cdk-циклинов и блокируют их активность (см. диаграмму ниже), выигрывая время для восстановления ДНК.

Вторая задача p53 — активировать ферменты репарации ДНК.

Если повреждение ДНК не поддается устранению, р53 приступает к исполнению своей третьей и последней роли — запуску программируемой клеточной гибели, чтобы поврежденная ДНК не передавалась дальше.
Упрощенная схема того, как p53 останавливает клеточный цикл на контрольной точке G1/S. Р53 активируется повреждением ДНК и вызывает выработку ингибитора Cdk, который связывается с циклиновым комплексом Cdk-G1/S и инактивирует его. Это останавливает клетку в фазе G1 и не позволяет ей войти в S-фазу, давая время для устранения повреждения ДНК.
Гарантируя, что клетки не делятся, когда их ДНК повреждена, p53 предотвращает передачу мутаций (изменений в ДНК) дочерним клеткам. Когда p53 дефектен или отсутствует, мутации могут быстро накапливаться, что может привести к раку. Действительно, из всего человеческого генома р53 является единственным геном, наиболее часто мутирующим при раке [11]. p53 и регуляция клеточного цикла являются ключевыми объектами изучения для исследователей, работающих над новыми методами лечения рака.
Атрибуция и ссылки
Эта статья является производной статьи "Cell cycle regulators
" от Khan Academy (https://www.khanacademy.org/science/biology/cellular-molecular-biology/stem-cells-and-cancer/a/cell-cycle-regulators) и распространяется под лицензией CC BY-NC-SA 4.0.
Цитируемые работы
  1. Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The cell cycle. In Campbell biology (10th ed.). San Francisco, CA: Pearson, 244.
  2. Cooper, G. M. (2000). The nucleus during mitosis. In The cell: A molecular approach. (2nd ed.) Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/.
  3. OpenStax College, Biology. (2015, September 29). Control of the cell cycle. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.87:53/Control-of-the-Cell-Cycle.
  4. Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). How cells divide. In Biology (10th ed., AP ed.). New York, NY: McGraw-Hill, 200-201.
  5. Lim, Shuhui and Kaldis, Philipp. (2013). Cdks, cyclins and CKIs: Roles beyond cell cycle regulation. Development 140, 3079. http://dx.doi.org/10.1242/dev.091744.
  6. Masui, Y. (2001). From oocyte maturation to the in vitro cell cycle: the history of discoveries of Maturation-Promoting Factor (MPF) and Cytostatic Factor (CSF). In Differentiation 69, 1-17.
  7. Mailand, Neils, Podtelejnikov, A. V., Groth, A, Mann, M, Bartek, J., and Lukas, J. (2002). The EMBO Journal 21(21), 5911-5920. http://dx.doi.org/10.1093/emboj/cdf567.
  8. Cooper, G. M. (2000). The events of M phase. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9958/.
  9. Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). How cells divide. In Biology (10th ed., AP ed.). New York, NY: McGraw-Hill, 201.
  10. Lane, D. P. (1992). Cancer. p53, guardian of the genome. Nature 358(6381), 15-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1614522.
  11. Vogelstein, B., Sur, S. & Prives, C. (2010). p53: the most frequently altered gene in human cancers. Nature Education, 3(9), 6. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/p53-the-most-frequently-altered-gene-in-14192717.
Дополнительные ссылки
Anaphase-promoting complex. (2015, October 9). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Anaphase-promoting_complex.

CDK. (2014). In Scitable. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/cdk-14046166.
CDK-activating kinase. (2015, August 5). Retrieved October 13, 2015 from

Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/CDK-activating_kinase.
Cooper, GM. (2000). The nucleus during mitosis. In The cell: a molecular approach. (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/.

Cooper, G. M. (2000). The events of M phase. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9958/.

Cyclin. (2015, July 29). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin.

Cyclin-dependent kinase. (2015, September 14). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin-dependent_kinase.

Cyclin-dependent kinase inhibitor protein. (2014, February 4). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin-dependent_kinase_inhibitor_protein.

Lane, D. P. (1992). Cancer. p53, guardian of the genome. Nature 358(6381), 15-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1614522.

Lim, Shuhui and Kaldis, Philipp. (2013). Cdks, cyclins and CKIs: Roles beyond cell cycle regulation. Development 140, 3079-3093. http://dx.doi.org/10.1242/dev.091744.

Liu, Y. and Kulesz-Martin, M. (2001). p53 protein at the hub of cellular DNA damage response pathways through sequence-specific and non-sequence-specific DNA binding. Carcinogenesis, 22(6), 851-860. http://dx.doi.org/10.1093/carcin/22.6.851.

Mailand, Neils, Podtelejnikov, A. V., Groth, A, Mann, M, Bartek, J., and Lukas, J. (2002). The EMBO Journal 21(21), 5911-5920. http://dx.doi.org/10.1093/emboj/cdf567.

Masui, Y. (2001). From oocyte maturation to the in vitro cell cycle: the history of discoveries of Maturation-Promoting Factor (MPF) and Cytostatic Factor (CSF). In Differentiation 69, 1-17.

OpenStax College, Biology. (2015, September 29). Control of the cell cycle. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.87:53/Control-of-the-Cell-Cycle.

P21. (2016, July 6). Retrieved July 24, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/P21.

P53. (2015, October 11). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/P53.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). How cells divide. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 187-206). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The cell cycle. In Campbell biology (10th ed., pp. 232-250). San Francisco, CA: Pearson.

Vogelstein, B., Sur, S. & Prives, C. (2010). p53: the most frequently altered gene in human cancers. Nature Education, 3(9), 6. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/p53-the-most-frequently-altered-gene-in-14192717.
Проверьте свои знания
comments powered by HyperComments