Слайд 1Клеточный цикл и его регуляция
Слайд 2Клеточный цикл
Клеточный цикл - жизненный цикл клетки от деления до
следующего деления или смерти.
Клеточный цикл включает митотическое деление
и
интерфазу - промежуток между делениями.
Точная регуляция клеточного цикла является основой нормального развития и существования многоклеточного организма.
Слайд 3Клетка не сможет разделиться до тех пор пока не произойдет:
- удвоения ее генома (ДНК)
в S (синтетической) фазе клеточного цикла;
- компактной упаковки и разделения удвоенного генома в ходе митоза (M фазы).
Период между M и S фазами называется G1 (от англ. gap – промежуток) - пресинтетический, а между S и M - G2 - постсинтетический.
Слайд 4В фазе G1 происходит рост клетки и подготовка хромосом для
репликации;
В S-фазе – синтез (репликация) ДНК и центриолей;
В фазе G2
– подготовка к делению;
В фазе M – компактизация ДНК и ее точное деление на 2 части.
Когда клетка находится в любой стадии клеточного цикла за исключением митоза, то она находится в стадии интерфазы.
Слайд 5М-фаза
Митоз; Разделение хромосом;
Деление клетки
G2-фаза
Подготовка к митозу
Фазы клеточного цикла
S-фаза
Репликация ДНК;
Синтез гистонов;
Образование
центросомы;
Удвоение хромосом
G1-фаза
Синтез РНК и белков, рост клетки
G0-фаза
Клетки не делятся
Слайд 6Фаза G0
В фазе G0 клетки пребывают в состоянии покоя и
дифференцируются. Эта фаза является обратимой.
Слайд 7Продолжительность клеточного цикла
24 часа
Клетки человека в культуре :
G1 = 8
- 12 ч. (высокий уровень синтеза РНК и белков)
S =
6 - 8 ч. (синтез ДНК)
G2 = 2 - 4 ч. (уменьшенный синтез белков)
M = 1 ч. (синтез РНК отсутствует)
В среднем продолжительность клеточного цикла составляет 24 ч.
Различия в длительности клеточного цикла между тканями определяются в основном длиной фазы G1. Некоторые клетки делятся очень медленно, оставаясь в G1-фазе многие дни или даже годы.
S
G2
G1
M
Слайд 8Точка рестрикции
Точка рестрикции
S
G2
G1
M
По окончании G1 клетки переключаются на автономную программу
регуляции. Все физиологические задержки и остановки цикла происходят в фазе
G1. Только повреждение какой либо клеточной структуры может остановить цикл в других фазах. Критическим пунктом клеточного цикла является точка рестрикции в конце фазы G1. Именно здесь клетка "принимает решение" переходить в фазу S или углубиться в состояние покоя. Клетки, израсходовавшие свой пролиферативный потенциал, останавливаются в G1 из-за утраты способности переходить точку рестрикции.
Слайд 9М-фаза подразделяется на шесть стадий
Интерфаза
Профаза
Прометафаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Центросомы
Ядро
Ядерная мембрана
Ядрышко
Хроматиды
Формирующееся
веретено
Центросомы
Ядерная мембрана
Кинетохорные
микротрубочки
Экваториальная
плоскость
Дочерние
хромосомы
Слайд 10Профаза
Прометафаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Центросомы
Ядро
Ядерная мембрана
Ядрышко
Хроматиды
Формирующееся
веретено
Центросомы
Ядерная мембрана
Кинетохорные
микротрубочки
Экваториальная
плоскость
Дочерние
хромосомы
Интерфаза
Слайд 11Стадии митоза
Интерфаза
Прометафаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Центросомы
Ядро
Ядерная мембрана
Ядрышко
Хроматиды
Формирующееся
веретено
Центросомы
Ядерная мембрана
Кинетохорные
микротрубочки
Экваториальная
плоскость
Дочерние
хромосомы
Профаза
Слайд 12Стадии митоза
Интерфаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Центросомы
Ядро
Ядерная мембрана
Ядрышко
Хроматиды
Формирующееся
веретено
Центросомы
Ядерная мембрана
Кинетохорные
микротрубочки
Экваториальная
плоскость
Дочерние
хромосомы
Профаза
Прометафаза
Слайд 13Стадии митоза
Интерфаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Центросомы
Ядро
Ядерная мембрана
Ядрышко
Хроматиды
Формирующееся
веретено
Центросомы
Ядерная мембрана
Кинетохорные
микротрубочки
Экваториальная
плоскость
Дочерние
хромосомы
Профаза
Прометафаза
Метафаза
Слайд 14Стадии митоза
Интерфаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Центросомы
Ядро
Ядерная мембрана
Ядрышко
Хроматиды
Формирующееся
веретено
Центросомы
Ядерная мембрана
Кинетохорные
микротрубочки
Экваториальная
плоскость
Дочерние
хромосомы
Профаза
Прометафаза
Анафаза
Слайд 15Стадии митоза
Интерфаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Центросомы
Ядро
Ядерная мембрана
Ядрышко
Хроматиды
Формирующееся
веретено
Центросомы
Ядерная мембрана
Кинетохорные
микротрубочки
Экваториальная
плоскость
Дочерние
хромосомы
Профаза
Прометафаза
Телофаза
Слайд 16Сестринские хроматиды
МИТОЗ
ЦИТОКИНЕЗ
Конденсирующийся хроматин
Центромеры
Митотическое веретено
Разделение сестринских хроматид
Формирование дочерних клеток
Процесс разделения цитоплазмы.
Обычно начинается где-то в анафазе. Мембрана в экваториальной области начинает
втягиваться внутрь по направлению оси веретена. Образуется борозда деления, которая постепенно углубляется, пока не дойдет до остатков веретена, расположенного между ядрами. Этот мостик (остаточное тельце - область перекрывания микротрубочек) может некоторое время сохраняться, а затем исчезает, что ведет к полному разделению дочерних клеток.
Слайд 17Интерфаза
Профаза
Прометафаза
Метафаза
Анафаза
Телофаза
Слайд 18Моторика клеточного деления
В ходе клеточного деления хроматиды сегрегируют по биполярному
веретену. В начале каждой М-фазы интерфазный цитоплазматический комплекс микротрубочек постепенно
исчезает и собирается биполярное веретено.
Имеются важные особенности веретена деления, общие для всех типов клеток эукариот. Это должны быть два поля веретена, от которых отходят динамические МТ однородной полярности (с минус-концами на полюсах и плюс-концами на экваторе веретена). Хромосомы должны захватываться и стабилизироваться плюс-концами микротрубочек через кинетохор и переноситься в метафазную пластинку. Это общий план, позволяющий хромосомам в дальнейшем сегрегировать в результате переноса к полюсам в ходе анафазы.
Слайд 19Микротрубочки веретена
Микротрубочки (МТ), ответственные за движение хромосом в ходе клеточного
деления, представляют собой полые цилиндры, образованные молекулами тубулина. Гетеродимерный филогенетически
высоко консервативный белок тубулин, состоящий из двух субъединиц, обладает способностью связывать две молекулы гуанозин-5'-трифосфата (ГТФ).
Слайд 20Микротрубочки веретена
Сборка протофиламента
Сборка пластины
Элонгация микротрубочки
(+)конец
(-)конец
GDP-
микро-трубочка
GTP-
кэп
- тубулин
- тубулин
Для полимеризации
тубулина необходимо присутствие ГТФ, ионов Mg2+ и удаление ионов Ca2+.
Полимеризация тубулина с образованием МТ сопровождается гидролизом ГТФ, по одной молекуле ГТФ на одну присоединенную субъединицу.
Слайд 21Микротрубочки веретена
Веретено деления является динамической структурой, свойства которой зависят от
полимеризации и деполимеризации составляющих ее МТ. Быстро растущие плюс-концы МТ
имеют трехкратное преимущество в скорости роста по сравнению с минус-концами, что объясняется конформационными особенностями полимеризующихся структур.
Слайд 22Центр образования МТ
Центром образования МТ – затравкой - является центриоль,
на которой происходит стабилизация минус-концов и нуклеация МТ. МТ митотического
веретена пребывают в состоянии необычайно быстрой сборки и разборки. Центр организации постоянно продуцирует новые МТ, которые направлены случайным образом, а их минус-концы заякорены и защищены от деполимеризации. МТ, растущая из такого центра, может стать стабильной при условии, что ее плюс-конец окажется каким-либо образом закрытым («кэпированным»).
Слайд 23Модель двухполюсного веретена
Звезда
Центросома
Астральные МТ
Полярные МТ
Кинетохорные МТ
Слайд 24Модель двухполюсного веретена
Новые МТ отрастают в случайных направлениях от двух
центросом. Их плюс-концы динамически нестабильны и резко переходят от равномерного
роста к быстрому укорочению, при котором часто деполимеризуется вся МТ. Таким образом МТ, берущие начало в центре организации, могут стабилизироваться событиями, происходящими в других участках клетки.
Слайд 27Для успешного деления клетка должна реплицировать ДНК, причем только один
раз.
Упаковать генетическую информацию и разделить ее поровну по дочерним клеткам.
Удвоение ДНК и сегрегация хромосом разделены во времени – жизнь клетки подразделяется на стадии: подготовка к репликации (G1), синтез ДНК (S), подготовка к митозу (G2) и митоз (М).
Основная стратегия разграничения стадий клеточного цикла – построение ингибиторных барьеров, которые необходимо преодолеть для перехода в следующую фазу. Механизм стимуляции и регламентации перехода клетки к разным фазам цикла и составляет систему РЕГУЛЯЦИИ КЛЕТОЧНОГО ЦИКЛА.
Слайд 28История изучения клеточного цикла
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. Фактору дали имя maturation-promoting factor, или MPF. 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.
Слайд 29История изучения клеточного цикла
Вторым направлением исследований была генетика дрожжей
с различными мутациями, изменяющими нормальное течение клеточного цикла. Было выделено
множество мутантных штаммов с нарушенным клеточным циклом.
Старт
cdc28
cdc24
cdc7
cdc31
Почкование
Синтез
ДНК
Формирование
веретена
cdc20
Митоз
cdc3
Цитокинез
Слайд 30История изучения клеточного цикла
Вторым направлением исследований была генетика дрожжей
с различными мутациями, изменяющими нормальное течение клеточного цикла. Было выделено
множество мутантных штаммов с нарушенным клеточным циклом.
Старт
cdc28
cdc24
cdc7
cdc31
Почкование
Синтез
ДНК
Формирование
веретена
cdc20
Митоз
cdc3
Цитокинез
Остановка в состоянии G1 в точке старта
Слайд 31История изучения клеточного цикла
Вторым направлением исследований была генетика дрожжей
с различными мутациями, изменяющими нормальное течение клеточного цикла. Было выделено
множество мутантных штаммов с нарушенным клеточным циклом.
Старт
cdc28
cdc24
cdc7
cdc31
Почкование
Синтез
ДНК
Формирование
веретена
cdc20
Митоз
cdc3
Цитокинез
ДНК реплицирована, почка сформирована, ПТВ не удвоено
Слайд 32История изучения клеточного цикла
Вторым направлением исследований была генетика дрожжей
с различными мутациями, изменяющими нормальное течение клеточного цикла. Было выделено
множество мутантных штаммов с нарушенным клеточным циклом.
Старт
cdc28
cdc24
cdc31
Почкование
Синтез
ДНК
Формирование
веретена
cdc20
Митоз
cdc3
Цитокинез
ДНК не реплицирована, почка сформирована, ПТВ удвоено
cdc8
Слайд 33История изучения клеточного цикла
Вторым направлением исследований была генетика дрожжей
с различными мутациями, изменяющими нормальное течение клеточного цикла. Было выделено
множество мутантных штаммов с нарушенным клеточным циклом.
Старт
cdc28
cdc31
Почкование
Синтез
ДНК
Формирование
веретена
cdc20
Митоз
cdc3
Цитокинез
ДНК реплицирована, почка не образовалась,
ПТВ удвоено
cdc8
cdc24
Слайд 34История изучения клеточного цикла
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.
Слайд 35История изучения клеточного цикла
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. Подъемы и спады уровня циклина были согласованы с концентрацией MPF.
Слайд 36История изучения клеточного цикла
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 с помощью антител 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.
Paul Nurse
Tim Hunt
Leland Hartwell
Слайд 37Циклины и циклин-зависимые киназы
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.
Слайд 38Регуляция активности Cdk
Циклин зависимые киназы (Cdk) – это семейство АТФ-зависимых
протеинкиназ, схожих между собой по структуре и функции. Главная структурная
особенность – наличие определенных препятствий, не позволяющих Cdk связывать субстраты в активном центре без активаторной субъединицы – циклина.
В гетеродимерной (состоящей из 2 разных субъединиц) протеинкиназе циклин является регуляторной субъединицей, а Cdk (циклин-зависимая киназа) – каталитической субъединицей.
Cdk
неактивная
Циклин
Присоединение к
аллостерическому сайту
Циклин
Cdk
активная
Энзиматически-активный комплекс. Активная Cdk имеет измененную конформацию по сравнению с неактивной
Слайд 39Активность Циклин-Cdk комплексов клеток млекопитающих в ходе клеточного цикла культивированных
G0-клеток, стимулированных к делению ростовыми факторами
Слайд 40Способы регуляции содержания и активности Cdk
Не все Cdk одновременно присутствуют
в клетке на разных стадиях ее цикла. Важным моментом является
активация гена той или иной Cdk.
Например, комплексы G1 периода (Циклин D-Cdk4/6 и циклин E-Cdk2) запускают транскрипцию гена киназы Cdk1, которая необходима для образования комплексов G2 и M.
1. Регуляция синтеза самих Cdk.
Слайд 41Способы регуляции содержания и активности Cdk
Первичный механизм активации - связывание
с субъединицей циклина.
Активирующее фосфорилирование Cdk. Связывание циклина А с Cdk2
увеличивает киназную активность последней на несколько порядков. Это объясняется конформационными измененими Cdk. Фосфорилирование Cdk необходимо лишь для улучшения связывания с белковым субстратом.
2. Регуляция активности Cdk.
Слайд 42Способы регуляции содержания и активности Cdk
Связывание с ингибиторной субъединицей
2. Регуляция
активности Cdk.
Cip/Kip
Неактивен
Cip/Kip
Активен
Слайд 43Способы регуляции содержания и активности Cdk
Связывание с ингибиторной субъединицей
2. Регуляция
активности Cdk.
Существует два основных семейства CKI (cyclin kinase inhibitor) белков,
осуществляющих ингибирование Cdk. Представители первого семейства Cip/Kip (CDK inhibitory protein) - р21, р27 и р57, ингибируют Cdk2 и Cdk4/6 циклиновые комплексы, осуществляя G1 и G1/S контроль. Представители второго семейства INK4 (inhipitor of kinase 4) - р15, р16, р18 и р19, узкоспецифичны для Cdk4/6-цD комплексов и осуществляют аналогичные функции.
Слайд 44Ингибирование активности Cdk
Как следует из функциональных особенностей CKI, их активация
происходит, когда дальнейшее продолжение клеточного цикла нежелательно. Например, лишение клеток
питательных веществ приводит к увеличению уровня р27, а внеклеточный ингибитор роста TGF- вызывает увеличение уровня р15. Повреждения ДНК активирует транскрипцию р21 под действием белка р53. Белок p21 способен ингибировать белок PCNA, принимающий участие в репликации ДНК. Таким образом, осуществляется остановка клетки в сверочной точке G1 фазы, что позволяет клетке репарировать повреждения ДНК.
S
G2
G1
M
G0
Белки INK
p15, p16, р18, р19
Белки KIP1
p21, p27, p57
MPF
p21
Слайд 45Способы регуляции содержания и активности Cdk
Ингибирующее фосфорилирование вносит вклад в
отсчет времени митоза. До митоза комплекс циклин В-Cdk1 инактивирован фосфорилированием
по треонину-14 и тирозину-15. Фосфорилирование остатков у позвоночных осуществляется Myt1 и Wee1 соответственно. К концу G2 резкое дефосфорилирование этих двух остатков активирует Cdk1 и запускает митоз. Дефосфорилирование осуществляется фосфатазами семейства Cdc25.
2. Регуляция активности Cdk.
Неактивен
P
P
Myt1
Wee1
P
P
фосфорилирование
Cdc 25
дефосфорилирование
G2
M
Активен
Слайд 46Регуляция циклинов
Регуляция циклинов осуществляется на двух уровнях.
транскрипция генов
деградация белка
Регуляция транскрипции генов циклинов у высших эукариот изучена на примере
перехода ограничительной точки клеточного цикла. Центральную роль в этом переходе играет E2F - фактор транскрипции некоторых генов, необходимых для синтеза ДНК в S фазе. Он стимулирует также транскрипцию генов циклина А, циклина Е и своего собственного гена.
G1
S
Слайд 47Регуляция циклинов
- Транскрипция генов
В неделящихся клетках и клетках
G1 фазы белок pRb находися в нефосфорилированном состоянии. Белок pRb
ингибирует E2F, связываясь с ним. Факторы роста стимулируют транскрипцию циклина D. Происходит накопление комплексов циклин D-Cdk4, которые начинают фосфорилировать Rb, что приводит к его диссоциации от E2F.
p16
Неактивная
киназа
p16
E2F
pRb
E2F
P
P
P
pRb
Слайд 48Освободившийся E2F стимулирует транскрипцию своего гена и гена циклина Е.
Образующийся вследствие этого комплекс Cdk2-цЕ, еще активнее фосфорилирует pRb. Таким
образом, сеть эффектов через петлю положительной обратной связи приводит к быстрому возрастанию E2F зависимой транскрипции и переходу клетки в начало S фазы. Вскоре после этого в клетке появляются комплексы Cdk2-цА, которые фосфорилируют E2F, уменьшая его способность связываться с ДНК.
E2F
Ген E2F
Ген цЕ
E2F
P
P
P
pRb
P+
P+
Регуляция циклинов
- Транскрипция генов
Слайд 49Регуляция циклинов
- Разрушение протеолизом
Таким образом контролируется, например, выход
из митоза. Деструкция митотических циклинов необходима для начала телофазы и
подготовки к следующему циклу. Распад короткоживущих белков является убиквитин-зависимым. Убиквитин (Ub) – небольшой белок (76 ам), который связывается с белками, тем самым «метит» их для разрушения в протеосомах.
Протеосомы - это нелизосомальные мультикаталитические протеиназы, обнаруженные у эукариот, широко распространенные в цитоплазме. Большая часть цитозольного протеолиза осуществляется именно протеосомами. Протеосома состоит из 14 субъединиц, представляющих собой различные протеазы. Они образуют бочкообразную структуру с активными центрами внутри. Большие протеазные комплексы по крайней мере из десяти различных полипептидов образуют дно и крышку такой бочки. Их роль, видимо, заключается в транспорте убиквитинированных белков в центр бочки.
Слайд 50Регуляция циклинов - разрушение протеолизом
Для присоединения Ub к белку-мишени
требуются три фермента.
Убиквитин-активирующий фермент (E1)
- Формирует по С-концу Ub
тиоэфирную связь
Убиквитин-конъюгирующий фермент (E2)
- принимает Ub на себя.
Убиквитин-лигаза (E3)
- переносит Ub с Е2 на белок.
Цитозольный
протеин-мишень
Шаги 1, 2, 3
n-раз
протеосома
пептиды
E2 и Е3 представлены различными формами, специфичными в отношении тех или иных белков
Помеченные цепочками Ub белки быстро разрушаются в протеосомах
Слайд 51Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митогенов
Практически все сигнальные пути, регулирующие
пролиферацию клеток, направлены на комплексы G1 периода – в основном
Cdk4/6-цD и, в меньшей степени, Cdk2-цE. Именно данные комплексы запускают очередной процесс деления клетки.
Ядро
Слайд 52Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митогенов
1. Внешний сигнал ростового фактора
приводит к активации киназы, связанной с рецептором
Ядро
Слайд 53Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митогенов
2. Это ведет (через те
или иные посредники) к запуску каскадов митогенактивируемых протеинкиназ (MAPK)
Ядро
Слайд 54Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митогенов
3. Конечные ферменты MAPK фосфорилируют
ряд транскрипционных факторов, активирующих гены раннего ответа (FOS и JUN)
Ядро
Транскрипционные
факторы
генов раннего ответа
Слайд 55Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митогенов
4. Продукты семейства FOS и
JUN – это транскрипционные факторы, специфичные в отношении генов замедленного
ответа.
Ядро
Транскрипционные факторы
генов раннего ответа
Транскрипционные факторы
генов замедленного ответа
Слайд 56Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митогенов
5. Гены замедленного ответа, экспрессируясь
запускают клеточный цикл. Среди них гены циклина D, Cdk4/6, т.е.
компоненты комплексов специфичных для первой половины G1 периода.
Ядро
Транскрипционные факторы
генов раннего ответа
Транскрипционные факторы
генов замедленного ответа
цD Cdk4/6 Myc
Cdс25а p27
Слайд 57Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митогенов
6. Кроме того синтезируется белок
Myc. Он в свою очередь тормозит экспрессию p27, ингибитора целого
ряда циклин-киназных комплексов, активирует ген фосфатазы Cdc25а, которая дефосфорилирует Cdk4 и Cdk2.
Ядро
цD Cdk4/6
Myc Cdс25а p27
Cdk 4/6
Cyc D
Myc
P
Фосфатаза
P-
Слайд 58Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Принцип работы в клеточном цикле
а) устранение
активности комплекса предыдущей стадии,
б) стимуляция событий «своей» стадии,
в) образование (или
активация) комплексов предыдущей стадии.
.
G
1
S
G
2
M
G
1
M
A
Cyclin B-CDK1
Cdc25
Cyclin E-CDK2
Cyclin A-CDK2
Ростовые факторы
Киназная активность
Cyclin D-CDK4,6
Слайд 59Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие комплексов G1 стадии
Активные протеинкиназные комплексы
циклин D-Cdk4/6 действуют сразу на несколько субстратов.
Основной субстрат – белок
pRb и подобные ему белки p105 и p130.
В результате фосфорилирования pRb теряет сродство к E2F-DP, который в качестве транскрипционного фактора активирует целый ряд генов.
Слайд 60Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие комплексов G1 стадии
Слайд 61Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие комплексов S и G2 стадии
S
G2
Для
S-перехода характерны комплексы цА-Cdk2 и цB-Cdk2, а для G2 -
цB-Cdk1.
Основная задача комплексов S-периода – обеспечить такое проведение репликации, чтобы каждый участок любой молекулы ДНК был реплицирован только один раз.
C любой точкой начала репликации за весь клеточный цикл должна связаться только одна пара репликативных комплексов.
Слайд 62Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
- Образование компонентов митоз-стимулирующего фактора (MPF).
-Торможение активности этого комплекса – во избежание преждевременного начала митоза.
Это осуществляется путем ингибиторного фосфорилирования.
Дополнительные события S и G2 стадий
S
G2
G1
M
MPF
Wee,
Myt1
Слайд 63Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
- MPF способен форсфорилировать гистон H1.
Молекулы
гистона Н1 связаны с межнуклеосомными участками ДНК и участвуют в
укладке нуклеосомной нити, предположительно только в фосфорилированном состоянии.
Действие митотического комплекса MPF
1. Конденсация хромосом
Слайд 64Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митотического комплекса MPF
2. Распад ядерной
оболочки
Целостность ядерной оболочки поддерживается ядерной ламиной - тонкой сетевидной пластинки,
которая образована из промежуточных филаментов и прилежит к внутренней стороне яденрой мембраны, выполняя функцию опорной структуры.
Ламиновый тетрамер
Белки ламины имеют гантелеобразную форму. Полимеризация происходит путем взаимодействия глобулярных доменов.
Слайд 65Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митотического комплекса MPF
2. Распад ядерной
оболочки
MPF катализирует фосфорилирование определенных остатков серина в области палочковидных частей
филаментов. Это сказывается на конформации связывающих доменов. Это приводит, в свою очередь, к тому, что вся конструкция рассыпается. Мембрана, лишенная объединяющей конструкции, распадается на микропузырьки.
Ламиновый тетрамер
Фосфорилированные ламиновые димеры
Слайд 66Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митотического комплекса MPF
3. Распад других
мембранных структур
Аналогично распаду ядерной мембраны разрушаются также мембраны эндоплазматической сети
и комплекса Гольджи. Благодаря распаду на везикулы, сохраняется единая система цистерн и вакуолей, которая
- не мешает расхождению хромосом,
- не попадает в будущие ядра
- не препятствует разделению цитоплазмы.
Слайд 67Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Действие митотического комплекса MPF
4. Формирование веретена
деления
Катализатором полимеризации тубулина является MPF
5. Предупреждение преждевременной цитотомии
Цитотомия в телофазе
происходит путем образования актино-миозинового кольца. Фактор MPF в ранней профазе фосфорилирует легкие цепи миозина, что лишает миозин способности реагировать с актином.
Слайд 68Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу, - APC
APC – является убиквитинлигазой, специфичной в отношении ряда
белков, в том числе MPF. Помимо MPF убиквитин-лигаза APC действует на многие другие субстраты, поэтому необходима тонкая регуляция ее активности и специфичности.
Ub
Cyc-B
Cyc-B
APC
Протеосома
Cdk1
Cdk1
Слайд 69Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
1. Расхождение сестринских хроматид.
Анафаза начинается после
выстраивания хромосом в экваториальной плоскости биполярного веретена и знаменуется одновременным разделением всех сестринских хроматид. Это разделение является скорее результатом потери сцепления между хроматидами, чем увеличением тянущих сил со стороны полюсов веретена.
Слайд 70Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
1. Расхождение сестринских хроматид.
Хроматиды сцеплены между
собой мультибелковыми комплексами – когезинами.
Smc1
Smc3
Слайд 71Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
1. Расхождение сестринских хроматид.
Разделение сестринских хроматид зависит
от деградации ингибитора, так называемого секурина (securin), посредством убиквитин-зависимого протеолизиса. Этот ингибитор предотвращает действие протеазы, названной сепаразой (separase).
Smc1
Smc3
securin
sep
Слайд 72Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
1. Расхождение сестринских хроматид.
APC, специфически активированный Cdc20
метит секурин убиквитином для уничтожения в протеосомах.
securin
Ub
Ub
Ub
Сободная сепараза разделяет сшивающий белок Scc1, что приводит к разделению сестринских хроматид.
Слайд 73Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
2. Разрушение MPF.
Пока не завершится расхождение хромосом,
разрушение MPF нежелательно, так как благодаря ему поддерживается конденсированное состояние хромосом, ядерная мембрана находится в раздробленном состоянии и т.д. Поэтому в отношении MPF лигаза АРС неактивна до поздней анафазы.
Слайд 74Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
2. Разрушение MPF.
Фосфорилирование Cdh1 предотвращает активацию APC.
В активацию APC вовлечена киназа Cdc14, которая дефосфоририрует Cdh1, который в свою очередь связывается с АPC.
Cdh1
P
Cdc14
Слайд 75Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
2. Разрушение MPF.
Активный комплекс APC-Cdh1 действует на
фактор MPF, направляя его протеолизис.
Cdh1
Ub
Ub
Ub
Слайд 76Механизм действия комплексов Циклин-Cdk
Анафаза и телофаза митоза
Действие фактора, обеспечивающего
анафазу - APC
3. Эффекты разрушения MPF.
В делящейся клетке постоянно
присутствуют протеинфосфатазы. После резкого снижения MPF их активность начинает преобладать. Это приводит к событиям, противоположным событиям профазы.
а) Восстановление ядерных оболочек
б) Деконденсация хромосом
в) Цитотомия (цитокинез)
Слайд 77Контроль клетки за прохождением клеточного цикла
В ходе клеточного цикла клеткой
осуществляется самоконтроль собственного состояния. Этот контроль приурочен к определенным стадиям
цикла. Системы, способные останавливать клеточный цикл в определенных точках в ответ на различные повреждения, получили название сверочных точек (от англ. checkpoint) клеточного цикла.
Слайд 78Контроль клетки за прохождением клеточного цикла
Контролю подвергается состояние наследственного материала.
В зависимости от результатов выбирается один из трех вариантов дальнейшего
поведения:
1 – безостановочный переход к следующей стадии цикла,
2 – задержка на текущей стадии для исправления дефекта,
3 – запуск механизма апоптоза, если нарушения неисправимы.
Слайд 79Сверочные точки (checkpoints) клеточного цикла
В цикле существует несколько сверочных точек,
прохождение которых возможно лишь в случае нормального завершения предыдущих этапов
и отсутствия повреждения генома. Выделяют по меньшей мере 4 такие точки: в периодах G1, S и G2, а также "точку проверки сборки веретена деления". Выделяют еще 2 критических перехода между фазами - G1/S и G2/M.
Слайд 80Сверочная точка G1
Основное требование к клетке, вступающей в S-фазу, -
интактность ДНК, так как репликация поврежденной ДНК приведет к передаче
генетических аномалий потомству. Поэтому клетки, подвергшиеся мутагенным воздействиям, вызывающим разрывы ДНК (УФ- и гамма-облучение, алкилирующие соединения), останавливаются в G1 и не входят в S-фазу.
Остановка в G1 наблюдается не только после ДНК-повреждающих воздействий, но и при других состояниях, в том числе приводящих к нарушениям числа хромосом - при незавершенности предыдущего клеточного цикла митозом (расхождением хромосом), при неправильной сегрегации хромосом во время митоза, приведшей к образованию микроядер, а также при разрушении микротрубочек.
Остановка в G1 может быть необратимой, как это наблюдается при гамма-облучении или обратимой, прекращающейся с окончанием действия фактора, ее вызвавшего, например, при восстановлении нормального пула нуклеотидов или при реставрации микротрубочек.
Слайд 81Сверочная точка G1
S
G1
Сверочная точка повреждений ДНК
Белки АТМ и ATR являются
датчиками информации о повреждениях ДНК. Эффекторами ATM являются checkpoint-киназы Chk1/2,
белок p53, BRCA1. Белок p53 активирует ингибитора всех циклин-киназных комплексов p21. Chk1/2 способен ингибировать фосфатазу Cdc25, которая играет важную роль в переходе к синтетическому периоду.
Если повреждения ДНК очень велики и их исправление затягивается, то длительно сохраняющий свою активность белок p53 действует как транскрипционный фактор генов, запускающих программу апоптоза.
Переход
в S-фазу
Слайд 82Сверочная точка S и G2
Повреждения ДНК и другие нарушения вызывают
остановку в S и в G2-фазе клеточного цикла. При этом
выявляются повреждения, пропущенные при прохождении предыдущих контрольных точек, либо полученные на последующих стадиях клеточного цикла. Кроме того, в G2-фазе детектируется полнота репликации ДНК и поэтому клетки, в которых ДНК недореплицирована, не входят в митоз.
Сверочная точка повреждений ДНК
Сверочная точка повреждений ДНК
Сверочная точка недорепликации ДНК
Переход
в M-фазу
Слайд 83Сверочная точка сборки веретена (spindle-assembly checkpoint)
Во избежание неправильного распределения хромосом
клетки задерживаются в метафазе до тех пор, пока все кинетохоры
не будут прикреплены к микротрубочкам . Определяющую роль в индукции остановки в метафазе играют изменения взаимодействий ассоциированных с кинетохорами белков - BUB1, BUBR1, MAD1 и MAD2. Мутации этих белков впервые были обнаружены у почкующихся дрожжей (budding yeast).
При обработке дрожжей-мутантов веществами, деполимеризующими микротрубочки, клетки теряли способность останавливаться на стадии метафазы.
У дрожжей были найдены 2 вида мутаций: BUB - budding uninhibited by benomyl и MAD - mitotic arrest deficient.
Неприкрепленные кинетохоры активируют MAD2, который ингибирует комплекс Cdc20-APC.
Слайд 85Сверочная точка сегрегации хромосом (Chromosome segregation checkpoint)
Cdc14
Cdh1
Ub
Ub
Ub
Контрольная точка сегрегации хромосом
препятствует освобождению Cdc14. Таким образом протеолизиза MPF не происходит. Что
препятствует вхождению клетки в телофазу клеточного цикла.
Сверочная точка сегрегации хромосом
Телофаза
Слайд 86Общие представления об апоптозе
Апоптоз - это генетически запрограммированный путь клеточной
смерти, необходимый в развитии многоклеточного организма и участвующий в поддержании
тканевого гомеостаза. Этот механизм, как известно, вызывается различными сигналами: связыванием с рецепторами специфических киллерных лигандов, нехваткой факторов роста/выживания, повреждениями ДНК и разрушениями цитоскелета, гипоксией и другими неблагоприятными условиями.
Слайд 87Сравнительная характеристика некроза и апоптоза
