Сверочные точки

Молекулярные механизмы, координирующие клеточный цикл и репликацию ДНК. Понятие о «сверочных точках» (checkpoints). Циклины и протеинкиназы.

Вспомним:

Клеточный цикл  — это период существования клетки от момента её образования путем деления материнской клетки до собственного деления или гибели.

Клеточный цикл эукариот состоит из двух периодов:

• Иинтерфаза- синтез ДНК и белков.

• Фаза М (от слова mitosis — митоз).

Интерфаза состоит из нескольких периодов:

• G₁-фазы (от англ. gap — промежуток), или фазы начального роста, во время которой идет синтез мРНК, белков, других клеточных компонентов;

• S-фазы (от англ. synthesis — синтез), во время которой идет репликация ДНК клеточного ядра, также происходит удвоение центриолей (если они, конечно, есть).

• G₂-фазы, во время которой идет подготовка к митозу.

У дифференцировавшихся клеток, которые более не делятся, в клеточном цикле может отсутствовать G₁ фаза. Такие клетки находятся в фазе покоя G₀.

В клеточном цикле постулировано существование так называемых "сверочных точек" (checkpoints), прохождение которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов и отсутствия поломок. Выделяют по меньшей мере четыре такие точки: точку в G1 , точку в S , точку в G2 и " точку проверки сборки веретена деления " в митозе.

Сверочная точка в G1. Основное требование к клетке, вступающей в S-фазу - интактность ДНК.

Остановка в G1 наблюдается в случае:

Повреждения ДНК- мутации, разрывы, различные модификации.

Нарушение числа хрососом- незавершенность предыдущего клеточного цикла митозом (нерасхождение хромосом).Все тлен.

Неправильная сегрегация хромосом во время митоза, приведшей к образованию микроядер, а также при разрушении микротрубочек, которое впоследствии может вызвать нарушения митоза.

Остановка в G1 может быть необратимой, как это наблюдается в случае облучения или обратимой, прекращающейся с окончанием действия фактора, ее вызвавшего, например, при восстановлении нормального пула нуклеотидов или при реставрации системы микротрубочек.

Сверочная точка в S-фазе контролирует правильность репликации ДНК. В частности, остановка в определенный период S-фазы наблюдается при недостатке нуклеотидов в клетках, не остановившихся в силу каких-либо причин в G1 .

Сверочная точка в G2. Выявляются повреждения ДНК. В том числе пропущенные при прохождении предыдущих сверочных точек либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла.

Детектируется полнота репликации ДНК и клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз.

Сверочная точка сборки веретена деления (spindle-assembly checkpoint). Во избежание неправильного распределения хромосом клетки задерживаются в метафазе до тех пор, пока все кинетохоры не будут прикреплены к микротрубочкам. Разрушение неприкрепленных кинетохоров лазерным пучком инициирует начало анафазы, в ходе которой происходят отставание хромосом, не прикрепленных к веретену деления, и образование из них микроядер. Определяющую роль в индукции остановки в метафазе играют изменения взаимодействий ассоциированных с кинетохорами белков BUB1, BUBR1, MAD1 и MAD2

Перенос цитоплазмы из митотической клетки в интерфазную стимулирует

вхождение интерфазной клетки в митоз

Циклинзависимые киназы

Ключевую роль в поочередной смене фаз митотического цикла играют специальные протеинкиназы — т.н. циклинзависимые киназы (Cdks — cyclin-dependent kinases). Каждая из них фосфорилирует определенные белки, вовлеченные в соответствующую фазу цикла, и таким образом активирует или ингибирует их.

Молекула любой Cdk состоит лишь из одной субъединицы, которая сама по себе неактивна. Циклины- активаторы циклинзависимых киназ. Причем имеется тоже несколько разных циклинов, а название их связано с тем фактом, что концентрации циклинов в клетке в течение митотического цикла изменяются циклическим образом

Следовательно, в активной форме упомянутые протеинкиназы (Cdks) представляют собой комплексы циклин-Cdk (Ц-Cdk). Каждое такое сочетание характерно для строго определенной фазы цикла

1. G₁-период. Запускают цикл комплексы циклин D-Cdk4 и циклин D-Cdk6. Они функционируют на начальной стадии G₁-периода и, вызывая соответствующие внутриклеточные события, способствуют переходу клеткой «точки рестрикции». Те же комплексы приводят к возврату «спящей» G_o-клетки в митотический цикл.

Вторая половина G₁-периода происходит под управляющим влиянием комплекса циклин Е-Cdk2.

2. S-период. В синтетическом периоде функционирующая киназа остается той же (Cdk2), но она дважды меняет своих циклиновых партнеров — ими последовательно становятся циклин А и циклин В. Соответственно, меняются и те белковые субстраты, на которые действует Cdk2.

3-4. G₂- и М-периоды. В премитотическом периоде циклин В связывается с Cdk1. Именно комплекс циклин B-Cdk1 «вводит» клетку в митоз и «руководит» этим сложным процессом. Поэтому его еще называют митоз-стимулирующим фактором, MPF (от mitosis-promoting factor).

Итак, активная Cdk1 фосфорилирует комплекс мишеней, участвующих в начале митоза (белки хромосом, ядерной оболочки, ядрышка, центросом и т.д.)

Активность Cdk1 регулируется на двух уровнях:

Присоединение циклина B = стимуляция активности

Фосфорилирование треонина 14 и тирозина 15 киназой Wee1 = инактивация активности (стерически препятствует связыванию АТФ с активным центром)

.

БЕЛОК p53-транскрипционный фактор: активация в ответ на повреждение ДНК

Cdk 4 активирует работу транскрипционного фактора E2F-1, включающего гены, работа которых необходима для

репликации ДНК.

и инактивирует белок Rb, который является ингибитором E2F-1

◄

Если ДНК повреждена, концентрация p53 возрастает, что приводит к синтезу ингибитора, действующего на Сdk4:cyclyn D.

Репликация ДНК приостанавливается ▼

По ходу осуществления репликации сестринские хроматиды скрепляются когезиновыми сшивками

В анафазе митоза клейзин расщепляется сепаразой, которая становится активной после удаления ингибитора (секурина). Секурин убиквитинилируется при посредстве APC (Anaphase Promoting Complex).