Cellesyklus - Sammendrag Essential Cell Biology PDF

Preview

Summary

Cellesyklus...

Description

Cellesyklus Basisfunksjon: nøyaktig kopiering av DNA i kromosomene og distribuering av kopiene inn i to genetisk identiske datterceller. Varigheten varierer mye mellom celler. Deles i fire faser: M-fase: består av mitosen og cytokinese. Typisk tar dette omkring én time. Interfase: tiden mellom en M-fase og den neste, cellen vokser i størrelse, omfatter de tre resterende fasene: S-fase: cellen kopierer sitt DNA (s står for syntese) G1-fase: Intervallet mellom fullført M-fase og begynnelse av S-fase. Cellen vokser. G2-fase: Intervallet mellom fullført S-fase og starten av M-fase. Cellen vokser. I begge G-fasene (Gap) overvåker cellen det interne og eksterne miljøet for å forsikre at de er passende, og at forberedelsene dens er komplette før den forplikter seg til omveltningene i S-fase og mitose.

Gjennom hele interfase transkriberer cellen gener, syntetiserer proteiner og vokser i masse. G-fasene gir ekstra tid til cellen for å vokse og duplisere de cytoplasmiske organellene: hvis interfase kun var lang nok til DNA-replikasjon ville ikke cellen rekke å vokse i størrelse, og ville krympe med hver deling. Dette skjer faktisk i den første celledeling etter fertilisering av egget i embryo, der det svære egget skal minkes til mange mindre celler så fort som mulig. Her er G-fasene svært forkortede. Etter DNA-replikasjon i S-fase sitter kromosomkopiene tett sammen, og kondensering av disse er første tegn på at cellen entrer M-fase.

Cellesyklusmaskineriet Systemet avhenger av syklisk-aktiverte proteinkinaser kalt Cdk-er. Disse er tilstede i konstant nivå i den profilerende cellen gjennom hele cellesyklus, men aktiveres til spesifikke tider og deaktiveres raskt igjen. Cykliner er proteinene som har ansvaret for å skru Cdk-ene av og på til rett tid, ved å binde seg til Cdk-er og gjøre dem enzymatisk aktive. De ulike CDK-ene heter CDK1, CDK2, CDK4 og CDK6 og er spesifikke til de ulike cyklinene heter cyklin A,B,C,D,E,G og H. Cdkcyklin-kompleksene trigger de ulike cellesyklus-hendelsene: noen av dem blir aktive mot slutten av G1, og driver cellen inn i S-fase før de inaktiveres igjen, andre i andre faser. Cyklinenes, i motsetning til Cdk-enes, konsentrasjon varierer syklisk gjennom cellesyklus, og gjør da aktiviteten til Cdk-ene syklisk. CDK-ene reguleres også av CKI-er (CDK inhibitors) som er spesifikke inhibitorer som inaktiverer CDK-ene ved å binde seg til dem. Det finnes flere typer av dem, der noen kun CDKene i G1 (type 1) mesn andre hemmer alle CDKene (type 2). Aktiviteten til Cdk-ene reguleres også ved fosforylering og defosforylering, i tillegg til den direkte reguleringen ved cyklinenes gradvise konsentrasjonsendringer. For at et Cyklin-Cdk skal være maksimalt aktivt må det også være fosforylert på ett sted, av en spesifikk protein kinase, og defosforylert på andre steder, av en spesifikk protein fosfatase. Slik kan Cyklin-Cdk-ene skrus raskt av og på til riktige tider i cellene. Når de selv er fosforylert, og aktivert, vil disse igjen fosforylere ulike sett av målproteiner i cellen, og resultatet av dette er at hver type kompleks trigger ulike overgangssteg i syklusen. M-Cdk, f.eks., fosforylerer nøkkelproteiner som får kromosomene til å kondensere, kjernemembranen til å bryte sammen, og mikrotubuli til å reorganisere og danne spindeltråder, og gjør slik forarbeidet til start av mitose. Kriterier for aktiv CDK:  Bundet cyklin  Ikke bundet CKI  Fosforylert på en bestemt treonin  Ufosforylert på en annen treonin og en bestemt tyrosin.

Konsentrasjonen til hver cyklin-type øker gradvis, men faller så raskt på spesifikke tider. Dette skyldes målrettet degradering av dem, som gjøres ved at spesifikke enzymkomplekser merker dem med ubiquitin før de da rettes mot proteasomet for ødeleggelse. Cdk blir da returnert til sin inaktive form. Slik inaktivering kan også trigge overgang til ny fase, f.eks. vil inaktivering av M-Cdk (som trigges av ødeleggelsen av M cyklin) gi de molekylære endringene som tar cellen ut av mitose.

Ulike Cyklin-Cdk-komplekser trigger de forskjellige stegene i cellesyklusen. Det finnes flere typer av både cykliner og Cdk-er. Cyklinet som virker i G 2 for å trigge inngang til M-fase kalles M cyklin, og det aktiverte komplekset det danner med sin Cdk kalles M-Cdk. Distinkte cykliner, kalt S cykliner og G 1/S cykliner, binder seg til et distinkt Cdk-protein sent i G 1 og danner S-Cdk og G1/S-Cdk (respektivt), og trigger S-fase. Andre cykliner, G 1 cykliner, fungerer tidligere i G1 og binder seg til andre Cdk og danner G 1-Cdk, som driver cellen gjennom G1, mot S-fase.

Kontrollsystemet Vekstfaktorer: Regulerer celledeling og cellevekst, kan være stimulerende eller hemmende, og cellespesifikke eller virke på mange ulike celletyper. Binder seg til celleoverflatereseptorer, som aktiverer ulike intracellulære signalveier. To typer maskineri er involvert i celledeling; et lager nye komponenter til den voksende cellen, et annet plasserer de nye komponentene på riktige steder og fordeler dem riktig når den deler seg. Kontrollsystemet er ansvarlig for å koordinere disse to, og dermed også stegene i cellesyklusen.

R-punktet Før hver fase kontrolleres det om forrige fase er fullført. Kontrollsystemet har molekylære «bremser» som kan stoppe syklusen på gitte «sjekkpunkter». Et sjekkpunkt opererer i G 1, «R-punktet»; cellen må her bekrefte at miljøet er gunstig for celle-proliferasjon før den får gå videre til S-fase. For at cellen skal komme seg videre fra R-punktet må det motta signal fra en vekstfaktor. Skjer ikke dette kan cellen forsinke sin framgang i G 1, eller gå inn i hvilestadiet G0 (mange celler, som nerveceller og skjelettmuskelceller forblir i G0 hele organismens liv). Dette første sjekkpunktet er spesielt viktig fordi hele kontrollsystemet her kan reguleres av signaler fra andre celler. En celle som passerer R-punktet forplikter seg til å fullføre hele cellesyklus! Vekstfaktoren kan fjernes når cellen passerer R-punktet. Det mest kjente substratet for CDKer er retinoblastom-proteinet, pRB, og det er fosforylering av pRB som utgjør R-punktet i G1. pRB kodes for av retinoblastomgenet RB, mutasjoner i dette er sterkt forbundet med kreft. Den normale funksjonen til RB-proteiner (pRB) er å regulere overgangen fra G1 til S-fase i R-punktet i G1. For at en celle skal gå inn i S-fase må en rekke S-fase spesifikke gener

transkriberes (tymidylat syntetase, tymidin kinase, cyklin E, cyklin A, histoner, DNA polymerase @), og transkripsjon av dem skjer ved at transkripsjonsfaktoren E2F binder seg til promotoren til genene. I begynnelsen av G1-fase er pRB ufosforylert, og kan da binde E2F slik at den ikke transkriberer S-fase-genene. Cellen går da ikke inn i S-fase, men arresteres i G1. Når cellen mottar et signal fra en vekstfaktor aktiveres kinaser (MAPK, PKA, PKC, etc.) i cytosol, som gir indirekte aktivering av CDKene i kjernen ved at cyklinnivået økes (f.eks. ved aktivering av transkripsjonsfaktorer), CKI-nivået minskes (f.eks. ved aktivering av ubiquitin/proteasom-systemet) og/eller at CDKene fosforyleres/defosforyleres på riktig måte. De aktiverte CDKene i G1 (CDK4, CDK 6 og CDK2) vil da fosforylere pRB. Når pRB er fullstendig fosforylert vil transkripsjonsfaktoren E2F ikke lenger bindes av pRB, og S-fase-genene kan transkriberes. Vi kan oppsummere at R-punktet passeres ved fosforylering av pRB som gir frigjøring av E2F, og for at det skal skje må cellen motta en vekstfaktor. Vekstfaktoren bidrar ved å indirekte aktivere CDKene som fosforylerer pRB slik at E2F ikke bindes og kan transkribere S-fase-genene. Videre kan vekstfaktoren fjernes etter at R-punktet er passert, fordi fri E2F transkriberer blant annet cyklin E og A, som vil aktivere CDK2, som øker fosforyleringen av pRB og enda mer E2F frigjøres. Neste sjekkpunkt er i G2, der det forsikres at cellen ikke entrer mitose før skadet DNA har blitt reparert, og DNA-replikasjon er komplett. Et tredje sjekkpunkt opererer under mitosen og sørger for at replikerte kromosomer er riktig festet til mitotiske spindeltråder før de forkortes og trekker kromosomkopiene til hver sin dattercelle. Kontrollsystemet er vitalt for å kontrollere celleantallet i vevene, kreft kan være et resultat av overdreven celledeling. Dette systemet er svært konservert hos de fleste eukaryoter. Kontrollsystemet kan også trekke cellen ut av syklusen permanent (i motsetning til midlertidig i påvente av riktige forhold). Dette skjer med nerveceller og skjelettmuskelceller som slutter å dele seg når de er differensiert. De entrer en irreversibel G 0-status, der kontrollsystemet er i stor grad demontert: mange Cdk-er og cykliner blir borte, og de cyklin-Cdk-kompleksene som er igjen er inhibert av Cdk inhibitor-proteiner.

S-fase Initiering av DNA-replikasjon DNA-replikasjonen starter ved replikasjons-origo. Disse nukleotid-sekvensene rekrutterer spesifikke proteiner som kontrollerer initieringen og ferdiggjøring av DNA-replikasjonen. Et av disse er et multiproteinkompleks kalt origin recognition complex (ORC), som forblir bundet til origo gjennom hele cellesyklusen og fungerer som landingsflate for andre regulatoriske proteiner som binder seg før S-fase. Et av disse er Cdc6, som finnes i hele syklusen, men som øker sterkt i konsentrasjon i tidlig G 1. Når Cdc6 binder seg til ORC-er i G1 promoteres bindingen av flere proteiner, og danner et prereplikativt kompleks. Når så S-Cdk-er aktiveres i sen G1 trigges initiering av DNA-replikasjonen. I tillegg til å trigge initieringen hindrer S-Cdk også re-replikasjon av DNA ved å fosforylere Cdc6, slik at proteinene i det pre-replikative komplekset faller fra hverandre og ORC etter at replikasjonen er initiert. Fosforyleringen av Cdc6 av S-CdK (og M-Cdk som blir aktiv i starten av M-fasen) merker den også for degradering, slik at den ikke reinitierer DNA-replikasjon i samme cellesyklus. Når DNA er kopiert holdes søsterkromatidene sammen av ringformede proteinkomplekser kalt cohesiner, som omgir dem begge. Denne ringen er viktig for å holde dem sammen helt til de skal skilles i sen mitose, da ringen brytes opp.

Sjekkpunkter tilknyttet S-fase Kontrollsystemet har egne DNA-skade-sjekkpunkter i både G 1- og S-fase, for å hindre cellen i å starte eller fullføre S-fase og replikere skadet DNA. I G 2 er et sjekkpunkt for å hindre cellen i å entre M-fase med skadet eller uferdig replikert DNA. G 1-sjekkpunkette fungerer slik: DNA-skade gir en økning i både aktiviteten og konsentrasjonen til et protein kalt p53, som er en transkripsjonsregulator som aktiverer transkripsjon av genet som koder for et Cdk-inhibitorprotein kalt p21. p21 binder seg til G1/S-Cdk og S-Cdk, slik at cellen ikke trigges inn i S-fase. Stansing av syklusen i G 1 gir cellen ti til å reparere det skadde DNA-et før det replikeres. Er DNA så skadet at det ikke kan repareres kan p53 også indusere apoptose. Mutasjoner i p53-genet finnes i halvparten av alle humane kreftsvulster. Når først DNA-replikasjon har startet er det en annen sjekkpunktmekanisme som hindrer cellen i å entre M-fase med skadd DNA. Som sett blir aktiviteten til cyklin-Cdk-komplekser inhibert ved fosforylering på gitt steder, og for at cellen skal gå inn i mitose må M-Cdk aktiveres ved fjerning av disse inhibitoriske fosfatene, ved en spesifikk proteinfosfatase. Når DNA er skadd inhiberes denne spesifikke proteinfosfatasen, og M-Cdk aktiveres ikke. M-fase kan da ikke inngås før DNA-skaden er reparert.

M-fase To spesialiserte cytoskjellettmaskiner samler seg, den ene drar de dupliserte kromosomsettene fra hverandre (i mitose) og den andre deler cytoplasma i to deler (cytokinese).

M-Cdk står for alle rearrangeringene som skjer i tidlig mitose. Det trigger kondensering av de replikerte kromosomene til kompakte, stang-lignende strukturer, og klargjør dem slik for segregering, samtidig som induserer dannelsen av mitotiske spindeltråder som drar dem til hver sin dattercelle. MCdk-aktivering starter med akkumulering av M cyklin. Syntese av M cyklin starter rett etter S-fase, konsentrasjonen øker gradvis og slik at M-fase starter til rett tid. Økning i M cyklin gir korresponderende akkumulering av M-Cdk komplekser, men når de først dannes er de inaktive. Raskt aktivering av dem skjer ved aktivering av en protein fosfatase (Cdc25) som fjerner inhibitorisk fosfat på M-Cdk. Når de er aktivert kan de indirekte aktivere mer M-Cdk ved å fosforylere, og aktivere, mer Cdc25. i tillegg vil aktivert M-Cdk også inhibere den inhibitoriske kinasen Wee1, og videre promotere aktivering av M-Cdk. Den eksplosive økningen i M-Cdk sender cellen fra G 2 og inn i M-fase. Når cellen skal entre M-fase kondenserer kromosomene ved hjelp av condensiner. M-Cdk som initierer M-fase trigger ansamling av condensinkomplekser på DNA ved fosforylering av noen av condensin-subenhetene. Condensiner er, som cohesiner, ringstrukturer. Cohesinene samler seg rundt søsterkromatidene under replikasjonen i S-fase, mens condensinene setter seg på individuelle kromatider i starten av M-fase og kveiler opp DNA for å hjelpe kromatidet å kondensere. Etter kondenseringen begynner cytoskjellettmaskinene å arbeide. Den mitotiske spindeltråden består av mikrotubuli og ulike proteiner som reagerer med dem, inkludert motorproteiner. De forkortes og drar søsterkromatidene til hver sin ende av cellen. Den kontraktile ringen består av actinfilamenter og myosinfilamenter arrangert i en ring rundt cellens ekvator. Den begynner å samle seg rett under plasmamembranen mot slutten av mitosen. Når ringen kontraherer trekker den membranen innover, og deler cellen i to (cytokinese).

De seks stadiene i M-fase De første fem stadiene – profase, prometafase, metafase, anafase og telofase – utgjør mitosen. Det sjette stadiet er cytokinese, og overlapper slutten av mitosen. De fem første stadiene skjer i streng sekvens, mens cytokinese starter i anafase og fortsetter gjennom telofase. I profase kondenserer kromosomene og de mitotiske spindeltrådene begynner å samle seg utenfor nukleus, i prometafase bryter kjernemembranen sammen slik at spindeltrådene kan binde seg til kromosomene. I metafase trekker spindeltrådene alle kromosomene mot midten av cellen, og i anafase splittes søsterkromatidene ved at spindlene trekker dem til motsatte poler i cellen. I telofase gjendannes kjernemembranen rundt hvert sett separerte kromosomer og to nye kjerner er dannet. Cytokinese fullføres ved slutten av telofase, der nukleus og cytoplasma til hver dattercelle returnerer til interfase, som er slutten av M-fase.

Mitose Før mitosen er hvert kromosom replikert og består av to identiske søsterkromatoder som holdes sammen av cohesinproteiner. I mitose spaltes cohesinproteinene, søsterkromatidene splittes og trekkes til hver sin pol i cellen. Den mitotiske spindelen begynner å dannes i profase, og denne samlingen den svært dynamiske spindelen avhenger av de spesielle egenskapene til mikrotubuli. De kan kontinuerlig polymerisere og

depolymerisere ved addering og tap av tubulin-subenheter, og individuelle filamenter varierer mellom voksende og krympende (dynamisk ustabilitet). Ved starten av mitosen øker den dynamiske ustabiliteten til mikrotubuli, noe på grunn av at M-Cdk fosforylerer mikrotubuli-assosierte proteiner som påvirker deres stabilitet. Resultatet er at, i profase, raskt voksende og krympende mikrotubuli strekker seg i alle retninger fra de to centrosomene og utforsker innsiden av cellen. dersom en tråd fra det ene centrosomet treffer en fra det andre stabiliserer de hverandre, og hindrer dem i å depolymerisere, og kobler sammen de to settene av mikrotubuli (et sett fra hvert centrosom)for å danne basis-nettverket til den mitotiske spindelen. De to centrosomene kalles nå spindelpoler og koblede mikrotubuler kalles interpolare mikrotubuli. Denne dannelsen av spindelen drives, delvis, av motorproteiner assosiert med de interpolare mikrotubulene som hjelper til å krysskoble de to settene av mikrotubuli. Prometafase starter brått ved sammenbruddet av kjernemembranen, som brytes opp i små membranvesikler. Denne prosessen trigges av fosforyleringen og følgende demontering av nukleære poreproteiner og intermediærfilament-proteinene i nukleær lamina. Spindel-mikrotubuli får nå tilgang til de repliserte kromosomene og fanger dem. De fester seg til dem via spesialiserte proteinkomplekser kalt kinetokorer som samler seg til store komplekser på centromerene til de kondenserte kromosomene i sen profase. Hvert dupliserte kromosom har derfor to kinetokorer (et til hvert kromatid) som peker i motsatte retninger. Kinetokorene er avhengige av centromer-DNAsekvensen, og mangler denne kan de ikke binde seg og kromosomene vil ikke skilles riktig i mitosen. Når kjernemembranen har brutt sammen vil en tilfeldig kommende mikrotubuli binde seg til og fange kromosomer. Mikrotubulen fester seg til kinetokoren og denne konetokormikrotubuienlinker nå kromosomet til en spindelpol. Fordi kinetokorene er rettet hver sin vei på de to søsterkromatidene, vil disse nesten alltid treffes av mikrotubuli fra hver sin pol i cellen. Festingen til de motsatte polene (som kalles bi-orientering) genererer spenning på kinetokorene, som trekkes i hver sin retning. Spenningen fungerer som signal til kinetokorene om at de er festet riktig, og at de kan skilles. Cellesyklus-kontrollsystemet overvåker denne spenningen for å sikre riktig kromosomfesting, og dette er derfor et nytt sjekkpunkt. Hver kinetokore binder 20-40 mikrotubuli. Kromosomene er også delaktige i dannelsen av spindelen. I prometafase begynner kromosomene å bevege seg rundt, festet til den mitotiske spindelen. Til slutt samler de seg langs ekvator til spindelen, halvveis mellom spindelpolene, og danner en metafaseplate. Dette definerer starten på metafase. Både kontinuerlig vekst og forminskning av mikrotubulene, samt arbeid av motorproteiner, er med på å samle dem her. Det er spenning mellom søsterkromatidene, som trekkes til hver sin ende via kinetokorene. Anafase starter brått ved at cohesinet som holder søsterkromatidene sammen slippes, og spindlene trekker dem fra hverandre til hver sin pol. Det er proteasen separase som spalter cohesin, som i starten av anafase holdes inaktivt ved binding til det inhibitoriske proteinet securin. Når anafase starter vil proteinkomplekset anaphase promoting complex (APC) destruere securin, og frigjøre separase. APC ødelegger også M cyklin, og inaktiverer da M-Cdk-komplekset. Denne raske inaktiveringen initierer utgang av mitose. Når søsterkromatidene skilles festet de til spindelpolen. Bevegelsen dit deles i to prosesser: Anafase A og anafase B, som skjer mer eller mindre samtidig. I anafase A forkortes kinetokor-mikrotubulene ved depolymerisering, og det festede kromosomet beveger seg mot polen. I anafase B beveger

spindelpolene seg fra hverandre, for å bidra til videre segregering av de to kromosomsettene. Forkorting av mikrotubulene i A avhenger av motorproteiner bundet til både mikrotubuli og kinetokor som bruker ATP-hydrolyse til å fjerne tubulin-subenheter fra mikrotubulen. I B genereres drivkraften av to sett motorproteiner, medlemmer av kinesin- og dyneinfamiliene. For å overvåke at kromosomene er festet skikkelig til spindeltrådene, brukes et negativt signal. Ufestede kromosomer sender et stopp-signal til cellesyklus-kontrollsystemet, som inhiberer videre progresjon i mitosen ved å blokkere aktiveringen av APC. Slik kan ingen kromosomer trekkes fra hverandre før alle har sluttet å sende ut dette signalet. Dette sjekkpunktet kalles spindle assempbly checkpoint, og kontrollerer utgang fra mitosen. Telofase er det siste steget i mitosen, der spindeltrådene demonteres og en kjernemembran dannes rundt hver gruppe av kromosomer og danner to nye dattercellekjerner. Vesikler av kjernemembran klumper seg først rundt individuelle kromosomer, og fusjonerer for å danne kjernemembranen. I denne prosessen er det de nukleære kjerneproteinene og nukleære laminer som ble fosforylert i prometafase som defosforyleres, og de gjendannes og danner kjernemembranen og nukleær lamina. Når membranen er dannet pumpes kjerneproteiner inn gjennom kjerneporene, nukleus utvider seg og kromosomene dekondenserer til interfase-kromosomer. Gentranskripsjonen kan nå fortsette.

Cytokinese Cytoplasma deles i to og M-fase fullføres. Dette starter i anaf...