Kémia | Biokémia » Dr. Csala Miklós - A sejtciklus szabályozása

A sejtciklus szabályozása Csala Miklós A sejtosztódás (mitózis) alapvető célja Egy szülősejtből létrehozni két leánysejtet, amelyek az eredetivel (és így egymással is) teljesen azonos genetikai állománnyal rendelkeznek. A leánysejtek akkor tudják a genetikai állományt tovább őrizni, ha életképes állapotban keletkeznek, vagyis elég nagyok, és minden sejtorganellummal rendelkeznek. A DNS épségének megőrzése elengedhetetlen mindkét szempontból. Önálló sejt versus többsejtű szervezet A baktériumok osztódása, illetve az egysejtű eukarioták (pl. élesztő) sejtciklusa automatikusan folytatódik, ha éhezés vagy „párzás” fel nem tartóztatja. Többsejtű szervezetek sejtjei nagyobb távlatokban gondolkoznak: saját korlátlan osztódásuk nemhogy elősegítené a genom továbbörökítését, hanem kifejezetten akadályozza. Az ilyen sejtek tehát csak akkor folytatják a ciklust, ha a szervezettől erre utasítást kapnak. A

legtöbb sejt kiszáll a ciklusból (G0 fázis), és csak rendkívüli esetben, elég körülményesen tér vissza hozzá. 2001 Orvosi Nobel-díj „A sejtciklus legfontosabb szabályozóinak felfedezéséért" Lee Hartwell (Fred Hutchinson Cancer Research Center in Seattle) S. cerevisiae - élesztő • > 100 a sejtciklus szabályozásában résztvevő gén azonosítása • cdc-gének („cell division cycle”) • az ellenőrző pont („checkpoint”) elmélet megalkotása Paul Nurse (Imperial Research Cancer Foundation in London) S. pombe - élesztő • a ciklinfüggő kináz, cdk („cyclin-dependent kinase”) általi foszforiláció szerepének bizonyítása Timothy Hunt (Imperial Research Cancer Foundation in London) tengeri sün • a ciklinek azonosítása (ciklusosan termelődő és lebomló fehérjék) • a ciklinek kötődése cdk fehérjékhez befolyásolja a cdk-által foszforilált fehérje kiválasztását A sejtciklus szabályozásának

áttekintése Négy fázis: M: mitózis G1: első pihenő („gap”) S: DNS-szintézis G2: második pihenő „interfázis” A ciklust ciklinfüggő protein-kinázok (cdk-k) és az őket szabályozó ciklin fehérjék tartják ellenőrzés alatt. A ciklineket és ciklinfüggő kinázokat fehérje-foszforiláció, defoszforiláció, valamint -degradáció révén vezérli a sejt. Az ellenőrző pontoknál („checkpoint”) a DNS épségének, teljes megkettőződésének, a sejt méretének, a testvér kromatidák mitotikus orsóhoz való kapcsolódásának ellenőrzése alapján eldől, hogy fel kell-e tartóztatni a ciklust. Az elkötelező pont („restriction point”) után már nem kell stimulus a ciklus folytatásához. Alea iacta est leány sejtek A sejtciklus fázisai és egy kromoszóma sorsa Az interfázisban (G1-SG2) a kromoszómák nem láthatók mikroszkópban. kromoszómák dekondenzálódása, magburok kromoszómák felépítése, kondenzálódás citokinezis

a, magburok felszívódása, kromatidák elválása testvér kromatidák DNS-szintézis A ciklus időtartama változó, de átlagosan tekinthető 24 órának. A G0 (parkoló) fázis hossza azonban gyakorlatilag korlátlan. A ciklinek mennyiségének ciklusos változása mitogén (GF) hatása A CDK aktivitás szabályozásának molekuláris mechanizmusai 1. ciklin kötődése 4. CDK-inhibitor (CKI) kötődése 3. „gátló” foszforilálás bármely alegység ubiquitin-függő proteaszomális degradációja 2. „aktiváló” foszforilálás CAK (cdk7 - ciklinH) CAKAK A ciklus egyes fázisaiban domináns cdk-ciklin párok fázis kináz ciklin G1 cdk4,6 ciklin D G1/S cdk2 ciklin E S cdk2 ciklin A G2/M cdk1(cdc2) ciklin A M cdk1(cdc2) ciklin B mind (CAK) cdk7 ciklin H A ciklinfüggő kinázokat gátló fontosabb fehérjék (CKI-k) család CIP / KIP CKI célpont p21CIP1/WAF1 cdk4,6-ciklin D (G1) cdk2-ciklin E (G1/S) cdk2-ciklin A (S)

p27KIP1 p57KIP2 p16INK4a INK4 p15INK4b p18INK4c p19INK4d cdk4,6-ciklin D (G1) Az eukariota sejtciklus szabályozásának legfontosabb eseményei Növekedési faktorok (GF), mitogének transzkripciós faktorokat indukálnak (korai válasz), majd ezek további transzkripciós faktorokat, ciklineket és cdk-kat indukálnak (késleltetett válasz), ezzel „beindítják” a sejtciklust. A frissen indukált E2F transzkripciós faktorok represszorként működnek, amíg a retinoblasztóma fehérje (Rb) foszforilálatlan. Foszforiláció hatására az Rb leválik az E2F faktorokról, így azok az S fázishoz szükséges gének (DNS-szintézishez szükséges fehérjék, S fázis ciklinje) aktivátorként működve tovább hajtják a ciklust. A”restrikciós” vagy elkötelező pont után a növekedési faktorokra már nincs szükség. Az S fázis lényegét képező DNS-replikációt az S fázis cdk-ciklin komplex foszforilációval aktiválja, miután proteaszomális degradáció

eltávolítja róla a cdk-inhibitort. A „mitosis promoting factor” (MPF) nevű cdk-ciklin komplex indítja el a mitózist. Az MPF lebontását az „anaphase promoting complex” (APC) általi ubiquitinálás váltja ki, ami az anafázis megkezdésének feltétele. késleltetett válasz génjei (pl. ciklin D, E2F, cdk-k) korai/gyors válasz génjei (pl. jun, fos, myc) növekedési faktor korai/gyors válasz génjei késleltetett válasz génjei nem indukálódnak növekedési faktor + fehérjeszintézis gátlószere génexpesszió gátlása génexpesszió aktiválása ko-represszor (HDAC) E2F TF ko-aktivátor (HAT) gén E2F TF gén Az E2F-DP-Rb komplex más transzkripciós faktorok közelében kötődve gátolja az S fázis génjeinek átírását. Rb fehérje nélkül az E2F-DB dimer ugyanezeket a géneket aktiválja. Az Rb fehérje eltávolítása a komplexből a G1-S átmenet kulcslépése. G1 fázis közepe G1 fázis vége A G1 fázisban aktív

cdk4/6 - ciklin D komplex foszforilálja az Rb fehérjét, ezáltal az E2F transzkripciós faktor olyan géneket indukál, amelyek termékei a DNS-replikációhoz szükségesek, emellett indukálja a soron következő cdk2 - ciklin E komplexet és saját magát. Mivel a cdk2 - ciklin E komplex is foszforilálja az Rb fehérjét, összetett pozitív visszacsatolás alakul ki. Példák az E2F által szabályozott génekre a nukleotid-, illetve DNS-szintézis enzimei, replikációs fehérjék DNS-polimeráz α, PCNA („prolipherating cell nuclear antigen”, a DNS-polδ alegysége) CDC6 (a pre-replikációs komplex része) HsORC1 (origin recognition complex fehérje homológ) MCM2, , MCM7 (a pre-replikációs komplex alegységei) timidin-kináz (TK) timidilát-szintáz (TS) dihidro-folát-reduktáz (DHFR) a sejtciklus tovább haladását biztosító fehérjék CDK1 ciklin A ciklin E CDC25 (cdk-kat aktiváló foszfatáz) transzkripciós faktorok B-myb c-myc E2F SCF ubiquitin

ligáz, proteaszóma G1 fázis közepe-vége G1 fázis vége S fázis eleje Az S fázisban működő cdk2 - ciklin A komplex felhalmozódik a G1 fázisban, de a p27/kip1 fehérje gátolja. 1: A késői G1 cdk2 - ciklin E komplex a p27-et foszforilálja, vagyis ubiquitinációra megjelöli. 2: Az SCF ubiquitin-ligáz felismeri és ubiquitinálja a p27-et, ami felszabadítja a cdk2 - ciklin A komplexet a gátlás alól. DNSreplikáció S fázis A cdk2 - ciklin A komplex most már aktiválja az előkészített DNS-replikációt, vagyis az S fázis lényege kezdetét veszi. A G2 - M átmenet szabályozásának áttekintése A cdk1 - ciklin A/B komplex, más néven „maturation promoting factor” (MPF) aktiválja a mitózist, ezért „mitosis promoting factor”-nak is hívják. Ugyanez a komplex akadályozza meg a DNS-replikáció G1 fázis előtti iniciációját. Az MPF aktivitása embrionális sejtekben a sejtciklus során hullámzik a mitotikus ciklinek periodikus

szintézisének és lebomlásának megfelelően. Az anafázis során a cdh1 alegységgel kiegészült „anaphasepromoting complex” (APC) ubiquitin ligáz ubiquitinálja a mitotikus ciklineket, és ezért azokat a proteaszóma lebontja. A G1 cdk-ciklin komplexek inaktiválják a cdh1 alegységet, ami lehetővé teszi a mitotikus ciklinek újraszintetizálását. metafázis aktív MPF profázis mitotikus ciklinek szintézise késői anafázis aktív APC G1 poli-ubiquitináció proteaszóma inaktív APC interfázis inaktív MPF telofázis A Cdh1 az „APC specificity factor”, amely az APC mitotikus ciklinek iránti affinitását okozza. APF aktivitásának szabályozása inaktív MPF inaktív MPF inaktív MPF aktív MPF szubsztrátkötő hely gátló foszforil csoport aktiváló foszforil csoport Az MPF fő funkciói Mitózis kezdetén a lamin fehérjék foszforilálása a magburok eltűnését, a kondenzin foszforilációja a kromoszómák

kondenzációját indítja el. Aktiválja a cdc20-APC komplexet, amely ubiquitinálja a szekurin fehérjét. A szekurin lebomlása a szeparáz enzimet aktiválja, amely elhasítja a kohézin alegységet, így a testvér kromatidák elválnak egymástól. Ezután a cdh1-APC komplex a mitotikus ciklineket ubiquitinálja, így az MPF inaktiválódik. Konstitutív protein-foszfatázok lehasítják a szabályozó foszfátokat, amitől a kromoszómák dekondenzálódnak, és a magburok újraépül. Az MPF fő funkciói kondenzin foszforilációja lamin foszforilációja GM130 foszforilációja mikrotubulus destabilizációja kromatinkondenzáció magburok szétesése Golgi és ER szétesése mitotikus orsó kialakulása az APC-cdh1 ubiquitinálja, a proteaszóma lebontja az M fázis ciklineket az APC-cdc20 ubiquitinálja, a proteaszóma lebontja a szekurint telofázis és citokinezis pre-replikációs komplexek kötődése a DNS-hez G1 ciklin-cdk-k inaktiválják a cdh1-et

anafázis restrikciós pont metafázis Az eukariota sejtciklus szabályozásának leegyszerűsített (!) sémája indukálják az S fázis ciklint inaktiválják az S fázis CKI-t az M fázis ciklin-cdk beindítja a mitózist az SCF ubiquitinálja, a proteaszóma lebontja az S fázis CKI-t az S fázis ciklin-cdk aktiválja a pre-replikációs komplexet DNS-replikáció DNS-replikációs ellenőrzési pont mitotikus orsó ellenőrzési pont DNS-sérülés ellenőrzési pontok Ellenőrzési pontok restrikciós pont A „checkpoint”-fehérjék és -kináz szerepe nincs még befejezve a replikáció vagy sérült a DNS checkpoint fehérjék a replikáció befejeződött és a DNS sérülései ki vannak javítva checkpoint fehérjék inaktív cdc25 proteaszomális lebontás inaktív cdk sejtciklus leáll aktív cdc25 inaktív cdk aktív cdk sejtciklus mehet ATM: ataxia teleangiektázia mutáns ATR: „ATM-related” kináz CHK: „checkpoint” kináz

DNS-károsodás ATM ARF ATR p53 által mediált ciklusleállítás a G1-S átmenetnél P cdc25 CHK1,2 Mdm2 lebontás p53 lebontás D E Rb E2F cdc25 P cdk2 cdk4,6 E cdk2 p21 pre-repl. komplex A cdk2 DNS-replikáció p53 által mediált ciklusleállítás a G2-M átmenetnél cit op laz se ma jtm ag DNS-károsodás CHK ATM inaktív B 14-3-3σ ATR 14-3-3σ cdk1 inaktív p53 p21 p21 B cdk1 B cdk1 45 dd ga inaktív CAK B cdk1 B cdc25 cdk1 aktív MPF mitózis TGFβ, a sejtproliferáció gátlója TGFβ kináz domén 2. típusú receptor plazmamembrán 1. típusú receptor DNS-kötő partner sejtmag szabályozott gén Indukálja a p15INK4 és p27KIP1 fehérjéket, és így leállítja a sejtciklust a G1 fázisban