Cell Biology.ru

Участники контроля клеточного цикла

Контрольные точки клеточного цикла

Контроль различных этапов клеточного цикла

Циклин-зависимые киназы

Циклины

Субстраты циклинов

APC комплекс

Ингибиторы комплексов Cdk-циклин

Участники контроля клеточного цикла

Клеточный цикл контролируется путем взаимодействия трех типов
белков: циклинзависимые киназы (Cdk), циклины
- белки, взаимодействующие с Cdk c образованием комплексов
и ингибиторы комплексов Cdk-циклин.

Циклинзависимые киназы (Cdk) - ферменты фосфорилирующие другие
белки, изменяют их функцию. Клеточный цикл контролируется изменением
активности Cdk, которая регулируется периодическим образованием
и распадом их регуляторных субъединиц - циклинов. Смена синтезов
и разрушений различных циклинов обеспечивает переходы и протекания
различных фаз клеточного цикла. При этом концентрация Cdk
постоянна в течении всего клеточного цикла. В разные фазы
клеточного цикла образуются разные циклины, которые связываясь
с Cdk образуют различные Cdk-циклиновые комплексы. Эти комплексы
регулируют разные фазы клеточного цикла и поэтому называются
G₁-, G₁/S- , S- и М-Cdk (рис.1).

рис.1 Концентрации различных комплексов Cdk-циклин
в клеточном цикле.

Контрольные точки клеточного цикла

1. Точка выхода из G₁-фазы, называемая
Старт - у млекопитающих и точкой рестрикции
у дрожжей. После перехода через точку рестрикции R в конце
G₁ наступление S становится необратимым, т.е. запускаются
процессы ведущие к следующему делению клетки.
2.
Точка S – проверка точности репликации.
3.
Точка G₂/M-перехода – проверка завершения репликации.

4. Переход от метафазы к анафазе митоза.

Контроль различных этапов клеточного
цикла

ARC подавляет S- и M-циклины и не подавляет G₁/S-циклины.

В G₁-фазе работают различные ингибиторы Cdk.

Внутренние и внешнии сигналы приводят к образованию G₁/S-
и S-циклинов и активации G₁/S–Cdks.

Активность G1/S–Cdk увеличивается потому что G1/S циклины
не атакуются APC и потому что G₁

Cdk ингибиторы так же не действуют на G₁/S–Cdks
(у мух и дрожжей) или удаляются от G₁/S–Cdks другими
механизмами (у млекопитающих).

S-Cdk инактивирует ингибиторы Cdk и подавляет ARC, которые
в G₁-фазе подавляли S-Cdk. S-Cdk фосфорилируют
различные белки, что ведет к началу дупликации ДНК и S-фазы.
После начала S-фазы S/G₁-Cdk обеспечивают собственную
инактивацию.

В конце S-фазы, в G₂-фазе начинают накапливаться
М-Cdk, приводящая к вступлению клетки в митоз. М-Cdk активирует
ARC-комплекс, управляющий метафазно-анафазным переходом. Основная
функция ARC-комплекса состоит в разрушении когезинов, приводящее
к началу расхождения хромосом

Циклин зависимые киназы Cdk1-5 в клетках млекопитающих

Cdks активируется при связывании с циклинами (так же как фосфориляция
и дефосфориляция киназ). Cdks-фосфорилируют белки участвующие
в кл цикле

M-phase Cdk (M-Cdk) запускают каскад белковых фосфориляций,
запускающих М-фазу к.ц. (конденсация хромосом, разрушение
ядра, перестройка АГ иЭР, потеря адгезии с большинством других
клеток и внеклеточному матриксу, реорганизация цитоскелета)

anaphase-promoting complex (APC) регулятор митоза – инициация
разделения и расхождения хромосом и инактивация М-Cdk в конце
митоза

При выходе из G₀ под действием факторов роста начинает
синтезироваться Cdk2-циклинD: распознает в-ва, регулирующие
ферменты синтеза белков, необходимых для репликации ДНК. В
это же время выявляются Cdk4-циклинD, и Cdk5циклинD

циклин-cdks
запускает М-стадию кц, деградация циклина снижает активность
cdks

Cdk2-циклинE появляется в G₁ и достигает max
на границе G₁-S, после чего его концентрация
резко снижается

Cdk2-циклинА появляется в промежутке G₁-S и присутствует
в высокой концентрации на протяжении S

Сdk2-циклинB в конце G₂ до М – резко разрушается

в каждой стадии синтезируются свои циклины M-циклины запускают
события митоза, G₁/S-циклины – связывают цзк
в конце G₁ подготавливает кл к S-фазе, S-циклины
– связывают цзк, запуская репликацию, G₁-циклины
обеспечивают прохождение через точку рестрикции.

Регуляция репликации

Перед началом репликации Sc ORC-комплекс (origin recognition
complex) садится на ori - точку начала репликации. Cdc6 представлен
во всем клеточном цикле, но его концентрация возрастает вначале
G1, где он связывается c ОRC комплексом, к которому затем
присоединяются Mcm белки с образованием pre-replicative complex
(pre-RC). После сборки pre-RC клетка готова к репликации.

Для инициации репликации S-Cdk соединяется с протеинкиназой
(?), которая фосфорилирует pre-RC. При этом Cdc6 диссоциирует
от ОRC после начала репликации и фосфорилируется, после чего
убиквитинируется SCF и деградирует. Изменения в pre-RC препятствуют
повторному запуску репликации. S-Cdk так же фосфорилирует
некоторые Mcm белковые комплексы, что запускает их экспорт
из ядра. Последующая дефосфориляция белков вновь запустит
процесс образования pre-RC.

Регуляция митоза

В эмбриональных клетках синтез М-циклина постоянен во всем
клеточном цикле и накопление его происходит из-за уменьшения
деградации. У большинства клеток М-циклин синтезируется во
время G2 и М-фаз. Накопление циклина ведет к накоплению M-Cdk.
Cdk ингибируется, фосфорилируясь протеинкиназой Wee1. Активация
Cdc25 в поздней G2 дефосфорилирует M-Cdk, так же происходит
репрессия Wee1. Две протеинкиназы фосфорилируют Cdc25 – Polo
kinase и M-Cdk. M-Cdk так же фосфорилирует и ингибирует Wee1.
Способность M-Cdk активировать свой собственный активатор
(Cdc25) и ингибировать свой собственный ингибитор (Wee1) предполагает,
что активация M-Cdk в митозе резко усиливается при наличии
такой позитивной обратной связи. Малое количество активированных
Cdc25 активируют M-Cdk, которые активирует еще больше Cdc25
и супрессируют Wee1. Это приводит к большей дефосфориляции
M-Cdk и активации и тд. Такой механизм обеспечивает полную
активацию всех M-Cdk

Фосфорилирование ламинов M-Cdk приводит к их деградации. М-Cdk
фосфорилирует несколько субъединиц конденсинов, запуская конденсацию
хромосом.

M-Cdk фосфорилирует различные белки, запуская реорганизацию
микротрубочек и другие события ведущие к организации веретена
деления.

Циклин-зависимые
киназы

В животных клетках имеются, по крайней мере, 7 различных
Cdk. Cdk1,2,4,6 напрямую участвуют в регуляции клеточного
цикла, тогда как остальные фосфорилируют другие Cdk и называются
Cdk-активирующие киназы (CAK).

Cdk7,8,9 являются регуляторами РНК полимеразы II. Cdk5 участвует
в дифференцировке нервных клеток.

У дрожжей Sc и Sp все события клеточного цикла контролируются
одной Cdk1. У многоклеточных организмов события контролируются
Cdk1 и Cdk2. Также у высших эукариот имеются Cdk4 и Cdk6
которые регулируют клеточный цикл в ответ на внеклеточные
сигналы.

Cdk фосфорилируют сотни различных белков по сериновым (S)
или треониновым (T) аминокислотным остаткам. Cdk узнает
мотиф другого белка по которому необходимо фосфорилировать:
[S/T*]PX[K/R], где S/T*- место фосфорилирования, X – любая
аминокислота, K/R-основные аминокислоты лизин (K) или аргинин
(R).

В отсутствии циклина активный центр Cdk заблокирован.

Cdk состоит из нескольких доменов: Т-петля (инактивирующая
петля) – закрывает активный центр в отсутствии циклина.
L12 helix, PSTAIRE helix.

Циклины

Циклины - цитоплазматические белки. Разрушение циклинов
происходит в протеосомах (см. обзор Протеасомы). Циклин
B – белок киназный домен, регуляторная субъединица. Начинает
синтезироваться в G1, достигает max в S и ранней профазе
и быстро разрушается в начале анафазы М. Когда концентрация
регуляторной субъединицы возрастает – активируется киназный
домен. Фосфорилирование специфических белков приводит к
компактизации х-м, разрушению ядерной об-ки и сборке веретена.

Циклин разрушается в протеасомах. Сигнальная послед-ть из
8-10 а-кт –блок разрушения - узнается распознающим белком,
убиквитинлигаза присоединиет убиквитин (76а-кт) к остаткам
лизина, который полиUb и узнается РНК-белковым комплексом
протеасомой. Фосфатаза переводит распознающий белок в неактивное
состояние, а циклин фосфорилирует переводя в активное ?чем
больше циклина, тем быстрее он разрушается.

Циклин фосфорилирует сериновые и треониновые остатки ламинов
вызывая их деполимеризацию, фосфорилирует гистон H1, участвует
в фосфорилировании блокирующим везикулярный транспорт –
разрушение ЭПР и АГ, фосфорилирует участок легкой цепи миозина,
ингибируя АТФ-азную активность и связывание с F-актином
– блокировка цитокинеза в раннем митозе. После разрушения
циклина белки дефосфорилируются.

Циклины – активаторы Cdk. Циклины, так же как и Cdk вовлечены
в различные, помимо контроля клеточного цикла, процессы.
Циклины разделяются на 4 класса в зависимости от времени
действия в клеточном цикле: G1/S, S, M и G1 циклины.

G1/S циклины (Cln1 и Cln2 у S. cerevisiae, циклин E у позвоночных)
достигает максимальной концентрации в поздней G1-фазе и
падает в S-фазе.

G1/S cyclin–Cdk комплекс запускает начало репликации ДНК
выключая различные системы подавляющие S-phase Cdk в G1-фазе

G1/S циклины также инициируют дупликацию центросом у позвоночных,
образование веретенного тела у дрожжей. Падение уровня G1/S
сопровождается увеличением концентрации S циклинов (Clb5,
Clb6 у Sc и циклин A у позвоночных), который образует S
циклин-Cdk комплекс который напрямую стимулирует ДНК репликацию.
Уровень S циклина остается высоким в течении всей S, G2-фаз
и начала митоза, где помогает началу митозу в некоторых
клетках.

М-циклины (Clb1,2,3 и 4 у Sc, циклин B у позвоночных) появляется
последним. Его концентрация увеличивается, когда клетка
переходит к митозу и достигает максимума в метафазе. М-циклин-Cdk-комплекс
включает сборку веретена деления и выравнивание сестринских
хроматид. Его разрушение в анафазе приводит к выходу из
митоза и цитокиезу.

G1 циклины (Cln3 у Sc и циклин D у позвоночных) помогает
координировать клеточный рост с входом в новый клеточный
цикл. Они необычны, так как их концентрация не меняется
от фазы клеточного цикла, а меняется в ответ на внешние
регуляторные сигналы роста.

APC комплекс (Anaphase-Promoting Complex)

Убиквитин лигаза митоза - APC состоит из 12 субъединиц и регулирует
различные процессы митоза, такие как разделение сестринских
хроматид (запускает разрушение когезинов), переход к анафазе,
анафазное расхождение хромосом, выход из митоза, разрешение
S-фазы. ARC разрушает митотический циклин B.

Имеются различные белки регулирующие активность ARC комплекса,
такие как Mps1, Bub1, Bub3, BubR1, Mad1 и Mad2. Они ингибируют
ARC комплекс, что ведет к остановке клеточного цикла в метафазе
митоза.

Ингибиторы комплексов циклин-Cdk

Помимо циклинов имеются и другие регуляторы, такие как
p27, p53, анафазный ингибитор, Cdc20, polo-like киназа,
aurora киназа, Nek2 киназа и кинезинзависимые моторные белки.

p53 (опухолевый супрессор) - нестабильный
белок, узнает поврежденную ДНК, стабилизируется, накапливается
и стимулирует синтез ингибитора Cdk2. Нарушения в работе
p53 приводят к развитию раковых заболеваний.

p21 семейство - белки содержащие гомологичные
N-концевые участки, взаимодействующие с Cdk-циклинами. Активируются
в стареющих клетках. Образование индуцируется опухолевым
супрессором p53. Может блокировать субъединицы ДНК-полимеразы

p27 - межклеточные контакты стимулируют
его синтез - контактное подавление клеточного роста – задержка
в G₀. Когда фибробласты помещаются в чашку они
начинают делиться пока монослой не покроет чашку – контактное
торможение. В опытах показано что существенную роль играют
не контакты, а степень распластывания – чем меньше распластана
клетка, тем больше времени занимает клеточный цикл. Округление
клеток сопровождается снижением общей интенсивности белкового
синтеза.

p57

p15, p16 семейство: взаимодействуют
с Cdk4 и Cdk6. Нарушают связь с циклинами D. Вероятно, задерживают
рост клеток.

Сокращения:

cdc-гены (cell-division-cycle genes) - гены клеточного цикла.