Глава 6. Регуляция клеточного деления.
Циклины и циклин-зависимые киназы
Основное свойство высших эукариот - определенное время жизни организма. Это
свойство поддерживается в индивидуальных соматических клетках, чей рост, деление и
гибель точно регулируемый процесс. Сбой регуляции приводит к неконтролируемому
клеточному росту - раку.
Одним из ключевых событий в жизни соматической клетки является ее деление на две
дочерних - митоз. Период между двумя делениями называется интерфазой. Интерфаза и митоз
представляют собой хорошо организованную последовательность событий, известную как
клеточный цикл. Разграничением между клеточными циклами являются стадии митоза. Важным
свойством клеточного цикла является его сложная регуляция.
6.1. Периоды клеточного цикла
Клеточный цикл разделяется на четыре периода:
* G1 фаза (от "gap 1", то есть интервал 1) - период высокой метаболической
активности и роста клетки между митозом и репликацией ДНК.
* S фаза (от "synthesis") - период синтеза (репликации ДНК). Количество ядерной
ДНК увеличивается в два раза от 2n до 4n.
* G2 фаза ("gap 2") - период подготовки к митозу. Продолжается клеточный рост и
синтез необходимых белков
* M фаза (от "mitosis") - деление клетки на две дочерние с уменьшением в них
количества ДНК от 4n до 2n. Митоз - сложный процесс, в ходе которого происходит
конденсация хроматина с образованием узнаваемых хромосом, перемещение
центриолей в противоположные части клетки, реорганизация и реконструкция
микротрубочек в веретено деления, разрыв ядерной оболочки, вызванный
деполимеризацией поддерживающих ее структуру белков - ламинов (профаза),
прикрепления микротрубочек к кинетохорам хромосом(прометафаза), выстраивание
хромосом по клеточному экватору (метафаза), расхождение сестринских хроматид к
противоположным полюсам клетки(анафаза), реорганизация ядерных оболочек и
непосредственное деление цитоплазмы (телофаза) и клетки (цитокинез).
Типичные быстро делящиеся клетки человека (клетки костного мозга, слизистой
оболочки кишечника, волосяных фолликул и др.) проходят клеточный цикл за 24 часа.
Быстро делятся клетки эмбриона - сразу после оплодотворения яйцеклетки. Они проходят
клеточный цикл за 30 мин, однако при этом не происходит клеточный рост, то есть зигота
делится на большое количество маленьких клеток. Некоторые клетки взрослого организма
либо прекращают делиться вообще (например, нервные клетки), либо делятся случайно, для
замены погибших или поврежденных в результате ранения клеток при получении сигнала
извне (например, фибробласты кожи). Такие клетки вышли из фазы G1 в фазу покоя G0,
оставаясь при этом метаболически активными. Клеточный цикл других клеток может
остановиться и в G2 фазе. В диплоидном мире эти клетки в дальнейшем обычно остаются
тетраплоидными, как это бывает, например, на некоторых стадиях эмбриогенеза насекомых.
В гаплоидном мире остановка клеточного цикла в G2 фазе происходит всегда, так как это
позволяет предохранять ДНК от повреждений из-за наличия в клетке двух ее копий, вместо
одной копии в G1 фазе.
6.2. Понятие ограничительной и сверочных точек
Способность клетки надолго задерживаться в G0 фазе свидетельствует о наличии
регуляторного механизма, который принимает решение о выходе из клеточного цикла или его
продолжении. Точка клеточного цикла, в которой принимается соответствующее решение,
получила название ограничительной точки (restriction point) у высших эукариот и СТАРТ
(START) у почкующихся дрожжей S.cerevisiae. Пройдя эту точку клеточного цикла клетка
необратимо выходит из G1 фазы и проходит все остальные его фазы вплоть до следующей
точки, где принимается новое решение. У дрожжей переход через СТАРТ регулируется
размером клетки и наличием во внешней среде питательных веществ. Переход через
ограничительную точку высших эукариот в основном зависит от наличия во внешней среде
факторов роста. Так, например, выход фибробластов кожи из фазы покоя и запуск их
клеточного цикла осуществляется под действием тромбоцитарного фактора роста (PDGF),
который появляется во внешней среде при свертывании крови в зоне ранения.
По мере прогрессии клеточного цикла должны существовать механизмы проверки
правильности выполнения его событий. Такая проверка осуществляется в нескольких точках
клеточного цикла получивших название сверочных точек (checkpoint). Эти точки
расположены в концах G1, G2 и М фаз. В первой точке осуществляется проверка наличия
повреждений ДНК, во второй наряду с повреждениями ДНК проверяется завершенность
репликации, в третьей проверяется правильность расхождения хромосом в митозе. Если
обнаруживается какое-либо из вышеперечисленных нарушений, то происходит остановка
клеточного цикла, что дает время для их исправления. Если исправление оказывается
невозможным, то происходит запуск механизма апоптоза - программируемой клеточной смерти.
6. 3. История изучения клеточного цикла
Картина регуляции клеточного цикла стала проявляться лишь последнее десятилетие в
результате сотрудничества исследователей ооцитов амфибий и генетиков дрожжей.
Эксперименты, проведенные в начале 1970-х показали, что яйца взрослых лягушек Xenopus
laevis производят фактор, который будучи введенным в незрелые ооциты, находящиеся в G2
фазе, запускает в них мейоз, таким образом, готовя их для оплодотворения. Обычно,
это "взросление" вызывает прогестерон. Фактору, который достоверно не был
прогестероном, дали имя maturation-promoting factor или MPF. Так называемый "анализ
лягушачьих ооцитов" позволил проверить многие клеточные экстракты на наличие MPF. Успех
анализа зависел от появления в течение взросления белого пятна, которое появляется,
потому что митотическое веретено перемещается из центра клетки на новую позицию, на
которой обычно находятся пигменты. Экстракты из многих клеток от дрожжей до человека
имели MPF активность, но она проявлялась не на всех стадиях клеточного цикла. Экстракты
из клеток в G1 и S фазе не содержали MPF. Однако когда клетка приближалась к митозу,
активность появлялась, а после деления резко исчезала.
Вторым направлением исследований была генетика дрожжей с различными мутациями,
изменяющими нормальное течение клеточного цикла. Делящиеся дрожжи S.pombe оказались
удобным объектом исследования. Было выделено множество мутантных штаммов с нарушенным
клеточным циклом. Одна из мутаций, сdc2 (сell division cycle), была обнаружена в начале
1980-х Paul Nurse. Продукт гена cdc2 играет важную роль в работе молекулярного
аппарата клеточного цикла. Теперь известно, что это протеин киназа с молекулярным
весом 34000д. Очень близкая к ней протеинкиназа, являющаяся продуктом гена CDC28, с
аналогичной функцией была обнаружена Lee Hartwell у почкующихся дрожжей S. cerevisiae.
Эти киназы обозначаются вместе как р34. В дальнейшем они и их гомологи,
выделенные из других организмов были названы Cdk (Cyclin dependent
kinase), то есть циклин-зависимыми киназами.
В 1983 году Tim Hunt изучал контроль белкового синтеза в яйцах морского ежа и
обнаружил, что через 10 минут после оплодотворения появился новый белок. Белок
появлялся и исчезал с каждым клеточным делением, из-за чего его назвали циклином.
Выделение и очищение MPF было очень долгим процессом. В 1988 году было обнаружено,
что MPF состоит из двух белков с молекулярными массами 34000 и 45000д. Анализ первого
белка антителами к р34 дрожжей показали, что это одинаковые белки. Дальнейшая работа
показала, что второй компонент MPF - циклин.
В 2001 году Paul Nurse, Tim Hunt и Lee Hartwell за свои революционные
исследования регуляции клеточного цикла получили Нобелевскую премию по физиологии и
медицине.
6. 4. Циклин-зависимые киназы и циклины
Циклин зависимые киназы (Cdk) - это клеточные машины, которые запускают события
клеточного цикла и являются своеобразными часами этих событий. Кроме того, они
выполняют функцию информационных процессоров, которые интегрируют внеклеточные и
внутриклеточные сигналы для тонкой координации событий клеточного цикла. Изучение Cdk
необходимо для понимания фундаментальных механизмов контроля клеточного цикла.
Каталитическая активность Cdk обеспечивается высокоспецифичными сайтами
связывания, что позволяет двум субстратам правильно расположиться относительно друг
друга и произвести перенос фосфата АТФ на кислород ОН группы белка-субстрата. Типичная
каталитическая субъединица чуть больше, чем минимальный протеинкиназный домен. Члены
семейства Cdk состоят из примерно 300 остатков аминокислот. Из них 35-65% идентичны
прототипу cdc2/cdc28.
Каталитические субъединицы Cdk не действуют в одиночку. Их способность включать
события клеточного цикла полностью зависит от взаимодействия с циклиновыми
субъединицами. Отсюда и происходит название cyclin dependent kinase. Хотя связывание с
циклином и является определяющим, существуют дополнительные регуляторные субъединицы и
протеин киназы, которые модулируют активность CDK, распознавание субстрата и
субклеточную локализацию. Cdk определяются как белковые киназные каталитические
субъединицы. Продукт cdc2 гена, р34, считается прототипом циклин-киназной единицы и
служит эталоном для сравнения других циклин-киназ.
В регуляции клеточного цикла дрожжей участвует всего одна циклин зависимая киназа -
р34. В разные периоды клеточного цикла она активируется присоединением
соответствующего циклина и фосфорилирует специфические для этого периода субстраты
(рис. 32). Видно, что периоды активностей Cdk перекрываются.
У позвоночных открыто более десяти белков подобных cdc2/cdc28. Большинство Cdk
являются некритическими регуляторами клеточного цикла. Лишь Cdk1 и Cdk2, структурные
гомологи cdc2/cdc28, выполняют в нем главную роль. В настоящее время известно восемь
циклинов, обозначаемых латинскими буквами от А до Н. Все циклины имеют общую
последовательность длиной 100-150 аминокислотных остатков, называемую циклиновым
боксом, которая необходима для связывания с CDK. На основании анализа кристаллической
структуры циклин А1 состоит из двух компактных центральных доменов, каждый из которых
представлен пятью спиралями, и двух дополнительных спиралей у С- и N-конца.
Рис. 32. Движение по клеточному циклу определяется последовательной активацией
различных комплексов циклин-CdK. Большинство из них - мишени активирующего действия
онкогенов или ингибирующего действия опухолевых супрессоров.
Эти данные позволяют предположить, что пятиспиральный домен является ядром всех
циклинов. Циклин подобные домены имеют некоторые pRb белки (р35) и фактор транскрипции
TFIIB.
Назад
Далее
Сайт управляется системой
uCoz