Жасуша циклдегі білік тексеруі

Жасуша циклінің бақылау торабы: митоз кезінде хромосомалардың дұрыс бөлінуін қамтамасыз етеді. Бұл тексеру, анахфазаға өтуге рұқсат беру үшін, жіпшеге байланысты болуын қадағалайды.

17 мин оқу

100%

Дереккөз: Spindle checkpoint — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Клеткалық циклдің бақылау нүктесі

Шпинделдік бақылау нүктесі, сондай-ақ метафазадан анафазаға өту, шпинделдік құрастыру бақылау нүктесі (SAC), метафазалық бақылау нүктесі немесе митоздық бақылау нүктесі деп те аталады, бұл митоздың немесе мейоздың метафазасы кезіндегі жасушалық циклдің бақылау нүктесі болып табылады. Ол әрбір хромосома шпинделге дұрыс бекітілмейінше, көшірме хромосомалардың (анафаза) бөлінуіне кедергі келтіреді. Дұрыс бөлінуді қамтамасыз ету үшін, бауырлас хроматидтердегі екі кинетохор қарама-қарсы шпиндель полюстеріне (биполярлық бағытталғандық) бекітілуі тиіс. Осылай ғана әрбір қыз клеткаға хромосоманың бір данасы беріледі. Бұл бақылау нүктесінің ерекше биохимиялық белгісі – M фазалық циклин CDK кешендерімен анафазаны ынталандыратын кешенді ынталандыру, ол өз кезегінде бауырлас хроматидтерді байланыстырып ұстап тұратын циклиндер мен ақуыздардың протеолитикалық ыдырауына алып келеді.

Жалпы түсінік және маңыздылығы

Метафазаның басталуы микротүтікшелердің хромосомалардың кинетокторына қосылуымен, сондай-ақ хромосомалардың жасушаның ортасында орналасуымен сипатталады. Әрбір хроматидтің өз кинетокторы болады, ал әуестес хроматидтердің кинетокторына байланысқан барлық микротүтікшелер жасушаның қарама-қарсы полюстерінен сәулеленеді. Бұл микротүтікшелер хромосомаларды жасушаның қарама-қарсы ұштарына қарай тарту күшін қолданады, ал әуестес хроматидтер арасындағы когезия осы күшке қарсы тұрады. Метафазадан анафазаға өту кезінде әуестес хроматидтер арасындағы осы когезия бұзылады, ал ажыратылған хроматидтер шпиндельдік микротүтікшелер арқылы жасушаның қарама-қарсы жақтарына тартылады. Хроматидтер шпинделдің полюстерінің физикалық қозғалысы арқылы одан әрі бөлінеді. Хроматидтердің ертерек ажырауы хромосомалардың дұрыс бөлінбеуіне және туынды жасушаларда анеуплоидияға алып келуі мүмкін. Осылайша, шпиндельдік бақылау бекетінің міндеті – хромосомалар дұрыс бекітілгенге және әуестес хроматидтер бөлініп кетпегенге дейін анафазаға өтуді болдырмау болып табылады. Жасушаның сәйкестігін және дұрыс жұмысын сақтау үшін әрбір жасуша бөлінуінен кейін хромосомалардың тиісті санын сақтау қажет. Күтілгеннен аз немесе көп хромосомалы туынды жасушаларды (анеуплоидия деп аталатын жағдай) жасаудағы қателік ең жақсы жағдайда жасушалардың өліміне әкелуі мүмкін, немесе керісінше, катастрофалық фенотиптік нәтижелерге әкелуі мүмкін. Мысалдар:
Қатерлі жасушаларда анеуплоидия жиі кездеседі, бұл осы жасушаларда хромосомалардың бөлінуіне қатысқан механизмдерде, сондай-ақ бөлінудің дұрыс орындалуын қамтамасыз ететін механизмдерде ақаулық бар екенін көрсетеді. Адамдарда Даун синдромы балаларда олардың жасушаларында 21-хромосоманың қосымша бір көшірмесі болғанда пайда болады, бұл ата-аналардың бірінде мейоз кезінде хромосомалардың бөлінуінің ақаулығының нәтижесі болып табылады. Бұл ақау 21-хромосомасы артық гамета (сперматозоид немесе яй клеткасы) пайда болуына әкеледі. Ұрықтанғаннан кейін бұл гамета 21-хромосоманың үш көшірмесі бар эмбрионды қалыптастырады.

The beginning of metaphase is characterized by the connection of the microtubules to the kinetochores of the chromosomes, as well as the alignment of the chromosomes in the middle of the cell. Each chromatid has its own kinetochore, and all of the microtubules that are bound to kinetochores of sister chromatids radiate from opposite poles of the cell. These microtubules exert a pulling force on the chromosomes towards the opposite ends of the cells, while the cohesion between the sister chromatids opposes this force. At the metaphase to anaphase transition, this cohesion between sister chromatids is dissolved, and the separated chromatids are pulled to opposite sides of the cell by the spindle microtubules. The chromatids are further separated by the physical movement of the spindle poles themselves. Premature dissociation of the chromatids can lead to chromosome missegregation and aneuploidy in the daughter cells. Thus, the job of the spindle checkpoint is to prevent this transition into anaphase until the chromosomes are properly attached, before the sister chromatids separate. In order to preserve the cell's identity and proper function, it is necessary to maintain the appropriate number of chromosomes after each cell division. An error in generating daughter cells with fewer or greater number of chromosomes than expected (a situation termed aneuploidy), may lead in best case to cell death, or alternatively it may generate catastrophic phenotypic results. Examples include:
In cancer cells, aneuploidy is a frequent event, indicating that these cells present a defect in the machinery involved in chromosome segregation, as well as in the mechanism ensuring that segregation is correctly performed. In humans, Down syndrome appears in children carrying in their cells one extra copy of chromosome 21, as a result of a defect in chromosome segregation during meiosis in one of the progenitors. This defect will generate a gamete (spermatozoide or oocyte) with an extra chromosome 21. After fertilisation, this gamete will generate an embryo with three copies of chromosome 21.

Шеңберді құрастыру бақылау нүктесін (ШҚН) табу

Зиркл (1970 жылы) метафазалық тақтаға жету үшін бір хромосоманың кешігуі байқалғанда, анафазаның басталуы оның келгенінен кейін бірнеше минутқа дейін кейінге шегерілетінін анықтаған алғашқы зерттеушілердің бірі болды. Бұл байқау, сондай-ақ ұқсас байқаулар метафазадан анафазаға өту кезінде бақылау механизмі бар екенін ұсынды. Нокодазол және колхицин сияқты препараттарды қолдану митоздық шпиндельдің ыдырауына және метафазадан анафазаға өту кезінде жасуша циклының тоқтауына әкеледі. Осы препараттарды қолдану арқылы (Ридер және Палаццоның 1992 жылғы шолуына қараңыз) болжамды бақылау механизмі Шпиндель Құрастыру Бақылау Нүктесі (SAC) деп аталды. Осы реттеуші механизм содан бері қарқынды зерттелді. Әртүрлі генетикалық зерттеулер арқылы SAC-ты әртүрлі ақаулар белсендіре алатыны анықталды: шпиндельдің деполимеризациясы, екі центромері бар дицентрикалық хромосомалардың болуы, центромерлердің бұрыс бөлінуі, S. cerevisiae-де шпиндель полюсі денелерінің ақаулары, кинетохор ақуыздарының ақаулары, центромерлік ДНК-ның мутациялары немесе митоз кезінде белсенді молекулалық моторлардың ақаулары. Zirkle өзінің байқауларын қолдана отырып, қолда бар деректер "анафазаға кіруді күту" сигналы негізінен немесе қосылмаған кинетохорларға жақын жерде туындайтынын көрсетті. Дегенмен, кинетохордың шпиндельге бекітілуімен байланысты негізгі оқиға, бұл ингибиторлық сигналды жойып, метафазалық тоқтауды босата алады, кинетохордың микротубулаларды алуы болуы мүмкін (Ридер және әріптестері 1995 жылы ұсынған). Бір цитоплазмада екі тәуелсіз митоздық шпиндельі бар жасушалардағы келесі зерттеулер метафазадан анафазаға өтудің ингибиторы қосылмаған кинетохорлармен туындайтынын және цитоплазмада еркін таралатылмағанын көрсетті. Алайда, сол зерттеуде метафазадан анафазаға өту клетканың бір бөлігінде басталғаннан кейін, бұл ақпарат цитоплазма бойымен таралатыны және екінші шпиндельдегі қосылмаған кинетохорлармен байланысты "анафазаға кіруді күту" сигналын жеңе алатыны көрсетілді.

Zirkle (in 1970) was one of the first researchers to observe that, when just one chromosome is retarded to arrive at the metaphase plate, anaphase onset is postponed until some minutes after its arrival. This observation, together with similar ones, suggested that a control mechanism exists at the metaphase to anaphase transition. Using drugs such as nocodazole and colchicine, the mitotic spindle disassembles and the cell cycle is blocked at the metaphase to anaphase transition. Using these drugs (see the review from Rieder and Palazzo in 1992), the putative control mechanism was named Spindle Assembly Checkpoint (SAC). This regulatory mechanism has been intensively studied since. Using different types of genetic studies, it has been established that diverse kinds of defects are able to activate the SAC: spindle depolymerization, the presence of dicentric chromosomes (with two centromeres), centromeres segregating in an aberrant way, defects in the spindle pole bodies in S. cerevisiae, defects in the kinetochore proteins, mutations in the centromeric DNA or defects in the molecular motors active during mitosis. Using its own observations, Zirkle Indeed, the available data suggested that the signal "wait to enter in anaphase" is produced mostly on or close to unattached kinetochores. However, the primary event associated to the kinetochore attachment to the spindle, which is able to inactivate the inhibitory signal and release the metaphase arrest, could be either the acquisition of microtubules by the kinetochore (as proposed by Rieder and collaborators in 1995). Subsequent studies in cells containing two independent mitotic spindles in a sole cytoplasm showed that the inhibitor of the metaphase to anaphase transition is generated by unattached kinetochores and is not freely diffusible in the cytoplasm. Yet in the same study it was shown that, once the transition from metaphase to anaphase is initiated in one part of the cell, this information is extended all along the cytoplasm, and can overcome the signal "wait to enter in anaphase" associated to a second spindle containing unattached kinetochores.

Жасушаның бөлінуі: материалдың қайталануы және қыз клеткаларға таралуы

Жасушалар бөлінуге дайын болған кезде, жасуша мөлшері жеткілікті үлкен болғандықтан немесе тиісті стимул алғандықтан, олар жасуша циклына кіру механизмін іске қосады және S (синтез) фазасында көптеген органеллаларды, оның ішінде центрисомаларын көшіреді. Сондықтан жасуша бөліну процесі аяқталғанда, әрбір қыз жасуша толық органеллалар жиынтығын алады. Сонымен қатар, S фазасында барлық жасушалар ДНК-ны өте дәл көшіруі керек, бұл процесс ДНК репликациясы деп аталады. ДНК репликациясы аяқталғаннан кейін эукариоттарда ДНК молекуласы тығыздалып, митоздық хромосомаларды құру үшін конденсацияланады, олардың әрқайсысы екі бауырлас хроматидтен тұрады, олардың арасындағы байланыс орнатылу арқылы бірге ұсталады; әрбір хроматид – толық ДНК молекуласы, микротүбұлақтар арқылы бөлінетін жасушаның екі центросомасының біріне бекітіледі, олар жасушаның қарама-қарсы полюстерінде орналасқан. Центросомалар мен микротүбұлақтар құрайтын құрылым митоздық орам деп аталады, оның ерекше пішіні хромосомаларды екі центросома арасында ұстауға мүмкіндік береді. Бауырлас хроматидтер анафазаға дейін бірге қалады, онда олардың әрқайсысы өздеріне бекітілген центросомаға қарай жылжиды. Осылайша, екі қыз жасуша бөліну процесінің соңында бөлініп шыққанда, олардың әрқайсысы толық хроматидтер жиынтығын қамтиды. Жасуша бөліну кезінде бауырлас хроматидтердің дұрыс таралуына жауапты механизм хромосомалық сегрегация деп аталады. Хромосомалардың дұрыс бөлінуін қамтамасыз ету үшін жасушалар өте күрделі және дәл механизмді дамытқан. Біріншіден, жасушалар центросоманың көшірілуін ДНК репликациясымен үйлестіруі керек, ал осы үйлестірудің бұзылуы монополярлы немесе мультиполярлы митоздық орамдардың пайда болуына әкеледі, бұл көбінесе хромосомалардың аномальді бөлінуіне себеп болады, өйткені бұл жағдайда хромосомалардың таралуы теңгерімсіз болады.

Митоз: хромосомалардың тірекке бекітуі және хромосомалардың бөлінуі

S фазасы кезінде центросома көбейе бастайды. Митоздың басында екі центриол да максималды ұзындығына жетеді, қосымша материалды жинақтайды және микротүтіктерді ядролау қабілеті артады. Митоз процесі дамыған сайын екі центросома да митоздық шпиндельді құру үшін бөлінеді. Осылайша, митоздық шпиндельде микротүтіктерді шығаратын екі полюс болады. Микротүтіктер (МТ) – ұзын ақуыздық жіпшелер, асимметриялық ұштары бар: бір ұшы «минус» (-) деп аталады, салыстырмалы түрде тұрақты және центросомаға жақын, ал екіншісі «плюс» (+) деп аталады, өсу және кері тартылу фазаларын кезектестіре отырып, хромосомаларды іздейтін жасуша ортасын зерттейді. Әрбір хроматидада орталықтауыш деп аталатын арнайы аймақ болады, оның үстінде микротүтіктерді тұрақтандыруға қабілетті кинетохор деп аталатын ақуыздық құрылым жиналады. Сондықтан, жасуша ортасын зерттейтін микротүтік кинетохормен кездессе, кинетохор оны ұстап алуы мүмкін, нәтижесінде хромосома өзінің бауырлас хроматидасының бірінің кинетохоры арқылы шпиндельге бекітіледі. Хромосома кинетохорлардың шпиндельге бекітілуінде белсенді рөл атқарады. Хроматинге байланысқан Ран гуанин нуклеотидтік алмасу факторы (РНФ) цитозолдық Ранды хромосомаға жақын ГДП орнына ГТП-мен байланысуға ынталандырады. Ранның ГТП-ге байланысқан белсенді түрі цитозолдағы ақуыздық кешендерден TPX2 сияқты микротүтіктерді тұрақтандыратын ақуыздарды босатады, бұл хромосомалардың айналасында микротүтіктердің нуклеациясын және полимерленуін тудырады, соның нәтижесінде хромосомалар «би-ориенттелген» болады – бұл хромосомалардың дұрыс бөлінуін қамтамасыз ететін негізгі конфигурация (амфителикалық деп те аталады), жасуша бөлінетін кезде. Кейде екі бауырлас кинетохордың біреуі екі полюстен пайда болған МТ-ға бір мезгілде бекітілуі мүмкін, бұл меротеликалық конфигурация деп аталады, ол шпиндельдік бақылау пунктымен анықталмайды, бірақ анафаза кезінде артта қалған хромосомалардың пайда болуына және салдарынан анеуплоидияға әкелуі мүмкін. Меротеликалық бағдарлану (бауырлас кинетохорлар арасындағы кернеудің болмауымен сипатталады) митоздың басында жиі кездеседі, бірақ Аврора B ақуызы (айырғыштан омыртқалы жануарларға дейін сақталған киназа) осы типтегі бекітуді анықтап, жояды. (Ескерту: Аврора B түрлі ісіктерде жиі жоғары экспрессияланады және қазіргі уақытта қатерлі ісікке қарсы препараттарды әзірлеу үшін мақсат болып табылады.)

During S phase, the centrosome starts to duplicate. Just at the beginning of mitosis, both centrioles achieve their maximal length, recruit additional material and their capacity to nucleate microtubules increases. As mitosis progresses, both centrosomes separate to generate the mitotic spindle. In this way, the mitotic spindle has two poles emanating microtubules. Microtubules (MTs) are long proteic filaments, with asymmetric extremities: one end termed "minus" ( ) end, relatively stable and close to the centrosome, and an end termed "plus" (+) end, with alternating phases of growth and retraction, exploring the center of the cell searching the chromosomes. Each chromatid has a special region, named the centromere, on top of which is assembled a proteic structure termed kinetochore, which is able to stabilize the microtubule plus end. Therefore, if by chance a microtubule exploring the center of the cell encounters a kinetochore, it may happen that the kinetochore will capture it, so that the chromosome will become attached to the spindle via the kinetochore of one of its sister chromatids. The chromosome plays an active role in the attachment of kinetochores to the spindle. Bound to the chromatin is a Ran guanine nucleotide exchange factor (GEF) that stimulates cytosolic Ran near the chromosome to bind GTP in place of GDP. The activated GTP bound form of Ran releases microtubule stabilizing proteins, such as TPX2, from protein complexes in the cytosol, which induces nucleation and polymerization of microtubules around the chromosomes. so that the chromosomes become "bi oriented", a fundamental configuration (also named amphitelic) to ensure that chromosome segregation will take place correctly when the cell will divide. Occasionally, one of the two sister kinetochores may attach simultaneously to MTs generated by both poles, a configuration named merotelic, which is not detected by the spindle checkpoint but that may generate lagging chromosomes during anaphase and, consequently, aneuploidy. Merotelic orientation (characterized by the absence of tension between sister kinetochores) is frequent at the beginning of mitosis, but the protein Aurora B (a kinase conserved from yeast to vertebrates) detects and eliminates this type of anchoring. (Note: Aurora B is frequently overexpressed in various types of tumors and currently is a target for the development of anticancer drugs.)

Когезин: SMC ақуыздары

Бұрын айтылғандай, бауырлас хроматидтер S фазасынан (ДНҚ екі бірдей көшірме жасау үшін көбейтілетін кезде, нәтижесінде екі хроматид пайда болады) анафазаға дейін байланыста қалады. Осы кезде екі бауырлас хроматидтар бөлініп, бөлінетін жасушаның қарама-қарсы полюстеріне қарай жылжиды. Ашытқыда және Xenopus laevis жұмыртқасының экстракттерінде жүргізілген генетикалық және биохимиялық зерттеулер полипротеин кешенін бауырлас хроматидтердің байланысын қамтамасыз ететін маңызды элемент ретінде анықтады (2000 жылғы Hirano-ның шолуына қараңыз). Бұл кешен когезин кешені деп аталады және Saccharomyces cerevisiae-да кем дегенде төрт суббірліктен тұрады: Smc1p, Smc3p, Scc1p (немесе Mcd1p) және Scc3p. Smc1p және Smc3p екеуі де хромосомалардың құрылымдық тұрақтандыруы (SMC) үшін жауапты ақуыздар отбасының мүшелері болып табылады, олар жоғары сақталған хромосомалық АТФазалар тобын құрайды және гетеродимерді (Smc1p/Smc3p) құрайды. Scc1p – S. cerevisiae-дегі Rad21 гомологы, алғаш рет S. pombe-де ДНҚ жөндеуге қатысатын ақуыз ретінде анықталған. Бұл төрт ақуыз ашытқыда маңызды, олардың кез келгеніндегі мутация бауырлас хроматидтердің мерзімінен бұрын бөлінуіне алып келеді. Ашытқыда когезин хромосома қолдарының бойындағы белгілі бір орындарға байланысады және хроматин иммунопреципитациясы арқылы жүргізілген зерттеуде көрсетілгендей, центромерлерге жақын жерде көп мөлшерде кездеседі.

Гетерохроматиннің рөлі

Классикалық цитологиялық байқаулар бауырлас хроматидтер гетерохроматикалық аймақтарда күштірек байланысқа ие екенін көрсетті, және бұл гетерохроматиннің ерекше құрылымы немесе құрамы когезиннің тартылуына жағдай жасауы мүмкін деген жорамалды тудырды. Шындығында, Swi6 (S. pombe-дегі HP1-дің гомологы) гистон H3-тің метилденген Lys9-мен байланысады және S. pombe-дегі центромерлік қайталамаларға когезиннің байланысуын күшейтеді. Жақындағы зерттеулер РНКi механизмі гетерохроматиннің қалыптасуын реттейтінін, ал ол өз кезегінде S. pombe және омыртқалы жануарлар жасушаларында осы аймаққа когезиннің тартылуын қамтамасыз ететінін көрсетті. Дегенмен, центромерлерде когезияны күшейту үшін гетерохроматиннен өзге де механизмдер болуы керек, себебі S. cerevisiae-де центромерлерге жақын гетерохроматин жоқ, бірақ функционалды центромердің болуы 20-50 кб-ға созылатын үзділіссіз аймақта когезиннің байланысын арттырады. Осы бағытта, Orc2 (ДНҚ репликациясының басталуына қатысатын шығу тегін тану кешеніне (ORC) кіретін бір ақуыз) адам жасушаларындағы митоз кезінде кинетохорларда табылады; осы орналасумен сәйкес, кейбір байқаулар ашытқыдағы Orc2 бауырлас хроматидтердің бірігуіне қатысатынын, ал оны алып тастау SAC-ты белсендіреді. Сондай-ақ, ORC кешенінің басқа компоненттерінің (мысалы, S. pombe-дегі orc5) когезияға қатысы бар екені анықталды. Алайда, ORC ақуыздарын қамтитын молекулалық жол когезиндердің жолына қосымша болып көрінеді және оның көп бөлігі әлі белгісіз.

Бірлестіктің қызметі және оның ыдырауы

Центромерлік когезия шпінделдік микротубулалардың полюстерге қарай тартатын күштеріне қарсы тұрады, бұл бауырлас кинетохорлар арасында кернеу тудырады. Бұл кернеу, өз кезегінде, Aurora B белгісіз механизм арқылы байланысқан микротубула-кинетохорды тұрақтандырады (осы мәселе бойынша шолу: Hauf and Watanabe 2004). Расында, жасушалық когезин деңгейінің төмендеуі бауырлас хроматидтердің мерзімінен бұрын бөлінуіне, сондай-ақ метафазалық пластинада хромосомалардың дұрыс орналаспауына және Aurora B белгісіз хромосомалық жолаушы кешеніндегі белоктардың орнынан жылжуына себеп болады. Когезин кешенінің ұсынылған құрылымы оның екі бауырлас хроматидті тікелей байланыстыратынын көрсетеді. Бұл құрылымда когезиннің SMC компоненттері құрылымдық рөл атқарады, сондықтан SMC гетеродимері ДНК-ға байланысатын белок ретінде жұмыс істей алады, ал оның конформациясы АТФ арқылы реттеледі. Scc1p және Scc3p болса, реттеуші рөл атқарады. Сондай-ақ, Polo/Cdc5 киназасы Scc1 үшін кесу орнының жанындағы серин қалдықтарын фосфорилирлейді, бұл фосфорилирлеу кесу белсенділігін жеңілдетеді. Бұл механизм эволюция барысында сақталғанымен, омыртқалы жануарларда когезин молекулаларының көпшілігі APC/C-нің болуына қарамастан, профазада Polo-like 1 (PLK1) және Aurora B-ге тәуелді түрде босатылады. Дегенмен, Scc1-дің шағын мөлшері адам жасушаларында метафазаға дейін центромерлерге байланысты болып қалатыны, ал анафазада осыған ұқсас мөлшерде кесіліп, центромерлерден жоғалатыны көрсетілді. Екінші жағынан, кейбір тәжірибелер бауырлас хроматидтердің қолдарындағы когезия бауырлас центромерлер бөлінгеннен кейін біртіндеп жоғалатынын және бауырлас хроматидтер жасушаның қарама-қарсы полюстеріне қарай жылғалатынын көрсетеді. Кейбір байқауларға сәйкес, хромосомалық қолдардағы және центромерлік когезиндердің бір бөлігі Shugoshin (Sgo1) белгісіз қорғау арқылы қорғалады, бұл олардың профаза кезінде босатылуын болдырмайды. Центромерлік когезияны қорғау үшін Sgo1 анафазаның басында, сондай-ақ Pds1p-мен бірге белсенділігін жоғалтуы керек. Шындығында, Pds1p және Sgo1 омыртқалы жануарлардағы APC/C-нің субстраттары болып табылады.

Centromeric cohesion resists the forces exerted by spindle microtubules towards the poles, which generate tension between sister kinetochores. In turn, this tension stabilizes the attachment microtubule kinetochore, through a mechanism implicating the protein Aurora B (a review about this issue : Hauf and Watanabe 2004). Indeed, a decrease in the cellular levels of cohesin generates the premature separation of sister chromatids, as well as defects in chromosome congression at the metaphase plate and delocalization of the proteins in the chromosomal passenger complex, which contains the protein Aurora B. The proposed structure for the cohesin complex suggests that this complex connects directly both sister chromatids. In this proposed structure, the SMC components of cohesin play a structural role, so that the SMC heterodimer may function as a DNA binding protein, whose conformation is regulated by ATP. Scc1p and Scc3p, however, would play a regulatory role. It has been also shown that Polo/Cdc5 kinase phosphorylates serine residues next to the cutting site for Scc1, and this phosphorylation would facilitate the cutting activity. Although this machinery is conserved through evolution, in vertebrates most cohesin molecules are released in prophase, independently of the presence of the APC/C, in a process dependent on Polo like 1 (PLK1) and Aurora B. Yet it has been shown that a small quantity of Scc1 remains associated to centromeres in human cells until metaphase, and a similar amount is cut in anaphase, when it disappears from centromeres. On the other hand, some experiments show that sister chromatids cohesion in the arms is lost gradually after sister centromeres have separated, and sister chromatids move toward the opposite poles of the cell. According to some observations, a fraction of cohesins in the chromosomal arms and the centromeric cohesins are protected by the protein Shugoshin (Sgo1), avoiding their release during prophase. To be able to function as protector for the centromeric cohesion, Sgo1 must be inactivated at the beginning of anaphase, as well as Pds1p. In fact, both Pds1p and Sgo1 are substrates of APC/C in vertebrates.

Мейоз

Тышқанның жұмыртқа жасушаларында ДНК зақымдануы мейоздың I профазасында тоқтауға алып келеді, бұл тоқтау шпіндель құрастыру бақылау нүктесі арқылы жүзеге асырылады. Тоқтатылған жұмыртқа жасушалары келесі сатыға, I анафазасына өтпейді. ДНК-ның екі тізгіш үзілуі, УВВ сәулесі және иондаушы сәулеленудің әсерінен туындаған ДНК зақымдануы, анафазаны ынталандыратын кешеннің белсенділігіне тиімді кедергі келтіреді.

Шпиндельді құрастыру бақылау нүктесінің жалпы көрінісі

Шпиндельді жинақтау бақылау нүктесі (ШЖБН) – дұрыс бекітілмеген кинетохорлар тудыратын белсенді сигнал, ол барлық эукариоттарда сақталған. ШЖБН CDC20-ны теріс реттеу арқылы жасушалық циклды тоқтатады, соның салдарынан анафазаны ынталандырушы кешеннің (АИК) полиубиквитинациялық активтілігін бөгеп қояды. ШЖБН сигналына жауапты ақуыздар митоздық бақылау нүктесі кешенін (МБН) құрайды, ол ШЖБН ақуыздарын, MAD2/MAD3 (митоздық тұтқындалу жетіспеушілігі), BUB3 (бензимидазолмен тежелмейтін өркендеу), және CDC20-ны қамтиды. ШЖБН-ге қатысатын басқа ақуыздарға MAD1, BUB1, MPS1 және Aurora B жатады. Жоғары эукариоттар үшін ШЖБН-нің қосымша реттеушілеріне ROD ZW10 кешенінің құрамдас бөліктері, p31comet, MAPK, CDK1 циклин B, NEK2 және PLK1 жатады, микротубула-кинетохор интерфейсінде. Aurora B жоқ жасушалар хромосомалардың микротубулаға бекітілмеген жағдайында да метафазада тұрақтап қалады. Бекітілмеген кинетохорлар алдымен MAD1-MAD2-p31comet кешеніне байланысады және p31comet-ті белгісіз механизмдер арқылы босатады. Нәтижесінде пайда болған MAD1-MAD2 кешені Mad2-нің ашық конформерін (O Mad2) кинетохорға тартады. Бұл O Mad2 конформациясын жабық Mad2-ге (C Mad2) өзгертеді және Mad1-ге байланысады. Бұл Mad1/C Mad2 кешені кинетохорларға көбірек O Mad2-нің жұмылдырылуына жауапты, ол өз конформациясын C Mad2-ге өзгертеді және автокөбейту реакциясында Cdc20-ға байланысады. MAD1 және CDC20 екеуінде де ұқсас MAD2 байланысу мотиві болғандықтан, бос O MAD2 конформациясы CDC20-ға байланысқанда C MAD2-ге өтеді. Бұл оң кері байланыс циклін p31comet теріс реттейді, ол MAD1 немесе CDC20-ға байланысқан C MAD2-мен бәсекелесіп байланысады және C MAD2-ге O MAD2-нің одан әрі байланысуын азайтады. Сонымен қатар, p31comet төменгі эукариоттарда болмайтындықтан, қосымша бақылау механизмдері болуы мүмкін. «Шаблондық модель» номенклатурасы осылайша MAD1-MAD2 C MAD2-CDC20 көшірмелерін құру үшін шаблон ретінде әрекет ететін процестен туындайды. Cdc20-ны осылай ұстап тұру шпиндельдік бақылау нүктесін сақтау үшін маңызды. Бөлінген ақуыздар, оның ішінде MAD1, MAD2, MPS1 және CENP F, содан кейін шпиндель полюстеріне қайта таралады. Бөліну процесі микротубула құрылымының зақымдалмауына және микротубулалар бойымен динеиннің қозғалу қабілетіне тікелей байланысты. C MAD2 оң кері байланыс циклын реттеуші ретіндегі функциясынан басқа, p31comet ШЖБН-нің деактиваторы ретінде де әрекет етуі мүмкін. Бекітілмеген кинетохорлар p31comet-ті уақытша деактивациялайды, бірақ бекітілу ақуызды қайта белсендіреді және MAD2 белсенділігін тежейді, мүмкін ингибиторлық фосфорилирлеу арқылы. ШЖБН-нің деактивациялануының тағы бір мүмкін механизмі CDC20-ның деградацияланбаған барлық жерде болуын қамтамасыз ету арқылы MAD2-CDC20 кешенінің энергияға тәуелді диссоциациясынан туындайды. Керісінше, ШЖБН-ді сақтау үшін деубиквитинациялаушы фермент протектин қажет. Осылайша, бекітілмеген кинетохорлар MAD2-CDC20 субкешенін оның құрамдас бөліктерінен үздіксіз қайта құру арқылы бақылау нүктесін сақтайды. ШЖБН-ді АИК белсенділігімен шақырылған протеолиз де деактивациялай алады. ШЖБН анафаза кезінде бауырлас хроматидтердің бірігуінің жоғалтылуымен қайта белсендірілмейтіндіктен, циклин B протеолизі және CDK1 циклин B киназасының инактивациясы ШЖБН белсенділігін тежейді. Анафаза кезінде MPS1 деградациясы бауырлас хроматидтің біріктірілуі алынғаннан кейін ШЖБН-нің қайта белсендірілуіне жол бермейді. Бақылау нүктесі деактивацияланғаннан кейін және жасуша циклінің қалыпты анафазасы кезінде анафазаны ынталандырушы кешен МКК белсенділігінің төмендеуі арқылы белсенділенеді. Бұл кезде фермент кешені анафаза ингибиторы securin-ді полиубиквитинациялайды. Метафаза соңында securin-нің барлық жердегісі және жойылуы сепараза деп аталатын белсенді протеазаны босатады. Сепараза анафазаны белсендіру үшін бауырлас хроматидтерді біріктіретін когезия молекулаларын кеседі.

The spindle assembly checkpoint (SAC) is an active signal produced by improperly attached kinetochores, which is conserved in all eukaryotes. The SAC stops the cell cycle by negatively regulating CDC20, thereby preventing the activation of the polyubiquitynation activities of anaphase promoting complex (APC). The proteins responsible for the SAC signal compose the mitotic checkpoint complex (MCC), which includes SAC proteins, MAD2/MAD3 (mitotic arrest deficient), BUB3 (budding uninhibited by benzimidazole), and CDC20. Other proteins involved in the SAC include MAD1, BUB1, MPS1, and Aurora B. For higher eukaryotes, additional regulators of the SAC include constituents of the ROD ZW10 complex, p31comet, MAPK, CDK1 cyclin B, NEK2, and PLK1. at the microtubule kinetochore interface. Cells lacking Aurora B fail to arrest in metaphase even when chromosomes lack microtubule attachment. Unattached kinetochores first bind to a MAD1 C MAD2 p31comet complex and releases the p31comet through unknown mechanisms. The resulting MAD1 C MAD2 complex recruits the open conformer of Mad2 (O Mad2) to the kinetochores. This O Mad2 changes its conformation to closed Mad2 (C Mad2) and binds Mad1. This Mad1/C Mad2 complex is responsible for the recruitment of more O Mad2 to the kinetochores, which changes its conformation to C Mad2 and binds Cdc20 in an auto amplification reaction. Since MAD1 and CDC20 both contain a similar MAD2 binding motif, the empty O MAD2 conformation changes to C MAD2 while binding to CDC20. This positive feedback loop is negatively regulated by p31comet, which competitively binds to C MAD2 bound to either MAD1 or CDC20 and reduces further O MAD2 binding to C MAD2. Further control mechanisms may also exist, considering that p31comet is not present in lower eukaryotes. The 'template model' nomenclature is thus derived from the process where MAD1 C MAD2 acts as a template for the formation of C MAD2 CDC20 copies. This sequestration of Cdc20 is essential for maintaining the spindle checkpoint. The stripped proteins, which include MAD1, MAD2, MPS1, and CENP F, are then redistributed to the spindle poles. The stripping process is highly dependent on undamaged microtubule structure as well as dynein motility along microtubules. As well as functioning as a regulator of the C MAD2 positive feedback loop, p31comet also may act as a deactivator of the SAC. Unattached kinetochores temporarily inactivate p31comet, but attachment reactivates the protein and inhibits MAD2 activation, possibly by inhibitory phosphorylation. Another possible mechanism of SAC inactivation results from energy dependent dissociation of the MAD2 CDC20 complex through non degradative ubiquitylation of CDC20. Conversely, the de ubiquitylating enzyme protectin is required to maintain the SAC. Thus, unattached kinetochores maintain the checkpoint by continuously recreating the MAD2 CDC20 subcomplex from its components. The SAC may also be deactivated by APC activation induced proteolysis. Since the SAC is not reactivated by the loss of sister chromatid cohesion during anaphase, the proteolysis of cyclin B and inactivation of the CDK1 cyclin B kinase also inhibits SAC activity. Degradation of MPS1 during anaphase prevents the reactivation of SAC after removal of sister chromatid cohesion. After checkpoint deactivation and during the normal anaphase of the cell cycle, the anaphase promoting complex is activated through decreasing MCC activity. When this happens the enzyme complex polyubiquitinates the anaphase inhibitor securin. The ubiquitination and destruction of securin at the end of metaphase releases the active protease called separase. Separase cleaves the cohesion molecules that hold the sister chromatids together to activate anaphase.

S. cerevisiae-де SAC-ті сөндірудің жаңа моделі: механикалық ауыстырғыш

Кинетохордағы микротубуланың тікелей жалғануы SAC сигналдауының нақты қадамдарын қалай бұзатынын түсіндіру үшін жаңа механизм ұсынылды. Жалғанбаған кинетохорда МКК-нің қалыптасуының алғашқы қадамы – Mps1 киназасымен Spc105-тің фосфорилденуі. Фосфорилденген Spc105 кейін Bub1 және 3; Mad 1, 2 және 3; және Cdc20 төменгі сигналды ақуыздарды тарта алады. Жалғанбаған кинетохорлардағы Mad1-мен байланысу Мад2-дің ашық түрінен (O Mad2) жабық түріне (C Mad2) өзгеруіне себеп болатын конформациялық өзгеріске ұшырауына әкеледі. Mad1-ге байланысқан C Mad2 екінші O Mad2-мен димеризацияланып, Cdc20-ның жабылуын катализдейді. Бұл C Mad2 және Cdc20 кешені, МКК, Mad1 және C Mad2 кинетохорда басқа МКК құру үшін қалады. Әр МКК екі Cdc20 молекуласын БПК/С-пен өзара әрекеттесуін болдырмау үшін бөліп алып, SAC-ті сақтайды. Бұл модельдің жоғары сатылы организмдерде, соның ішінде жануарларда SAC реттеуіне қолданылмайтынын атап өту маңызды. Механикалық ауыстырғыш механизмінің басты ерекшелігі – S. cerevisiae-де кинетохордың құрылымы тек бір микротубуланың жалғануына мүмкіндік береді. Ал жануарлардағы кинетохорлар әлдеқайда күрделі торлар болып табылады, онда көптеген микротубулалардың байланысу орындары бар. Кинетохордың барлық байланысу орындарында микротубулалардың жалғануы SAC-тің деактивациялануы мен анафазаға өту үшін қажет емес. Сондықтан жануарлар кинетохорында микротубуланың жалғанған және жалғанбаған күйлері бір мезгілде болады, ал SAC тежеледі. Бұл модельге жалғанған кинетохормен байланысты Mps1-дің іргелес жалғанбаған кинетохорда Spc105-ті фосфорилдеуіне кедергі жасайтын тосқауыл кірмейді. Сонымен қатар, ашытқының Dam1/DASH кешені жануарлар жасушаларында кездеспейді.

Шеңбердің бақылау нүктесіндегі ақаулар мен қатерлі ісік

Шпиндельдік бақылау нүктесінің қате жұмыс істеуі хромосомалардың дұрыс бөлінбеуіне, анеуплоидияға және тіпті ісік пайда болуына алып келуі мүмкін. Бұл көбінесе назардан тыс қалған факт, себебі генетикалық тұрақсыздық пен ісік пайда болуының себебі онкогендер немесе ісікке қарсы гендердегі мутациялар деп есептеледі. Әдетте, жасуша циклындағы әртүрлі бақылау нүктелері геномдық тұтастықты жоғары сақталған, қайталама механизмдер арқылы қамтамасыз етеді, бұл жасушалық гомеостазды сақтау және ісік пайда болуын алдын алу үшін маңызды. Бірнеше шпиндель құрастыру бақылау нүктесінің ақуыздары, әрбір жасуша циклында хромосомалардың дұрыс бөлінуін қамтамасыз ету үшін оң және теріс реттеушілер ретінде әрекет етеді, соның нәтижесінде хромосомалық тұрақсыздық (CIN), сондай-ақ геномдық тұрақсыздық болдырмайды. Геномдық тұтастық қазір бірнеше деңгейде бағаланады, кейбір ісіктерде негіздердің ауысуы, енуі және жойылуы сияқты тұрақсыздық көрінеді, ал көпшілігі толық хромосомалардың қосылуы немесе жоғалуын көрсетеді. Митоздық реттеуші ақуыздардың өзгеруі анеуплоидияға алып келуі мүмкін, және бұл қатерлі ісіктерде жиі кездесетін құбылыс болғандықтан, бастапқыда осы гендердің қатерлі ісік тіндерінде мутацияға ұшырауы мүмкін деп ойланды.

Қатерлі ісіктердегі мутацияланған гендер

Кейбір қатерлі ісіктерде трансформацияға себеп болатын ақаулардың негізін құрайтын гендер жақсы сипатталған. Гематологиялық қатерлі ісіктерде, мысалы, көп миеломада, иммуноглобулин гендерін қайта құру үшін қажетті ДНК үзілулерінің табиғи ерекшелігіне байланысты цитогенетикалық аномалиялар жиі кездеседі. Дегенмен, негізінен SAC-те жұмыс істейтін MAD2 сияқты белоктардың ақаулары да көп миеломада кездеседі. Көптеген қатты ісіктер көбінесе анеуплоидті болады. Колоректальдық қатерлі ісік үшін BUB1 және BUBR1, сондай-ақ STK15-тің күшеюі геномдық тұрақсыздыққа алып келетін және қатерлі ісікке себеп болатын маңызды реттеушілер болып табылады. Сүт безі қатерлі ісігінде BRCA 1 генімен сипатталатын генетикалық форма, спорадикалық формаларға қарағанда геномдық тұрақсыздықтың жоғары деңгейін көрсетеді. Тәжірибелер көрсеткендей, BRCA 1 жоқ тышқандарда негізгі тікенектің бақылау нүктесінің маңызды ақуызы MAD2-нің экспрессиясы төмендеген. Басқа қатерлі ісіктерде анеуплоидияның себептерін анықтау үшін қосымша зерттеулер қажет.

Қатерлі ісікке SAC-пен байланысты емес басқа гендер

Бұл белоктардың физиологиялық деңгейіндегі өзгерістер (мысалы, Mad2 немесе BubR1) анеуплоидия және ісік пайда болуымен байланысты, бұл жануарлар моделінде көрсетілген. Алайда, соңғы зерттеулер бұл құбылыстың күрделірек сценарий екенін көрсетеді: анеуплоидия тіндердегі митоздық бақылау пунктінің нақты компоненттері деңгейіндегі өзгерістермен (азайту немесе жоғары экспрессия) қатар, ісікке бейімдейтін басқа да ақауларды тудырғанда ғана ісік пайда болу жиілігін арттырады. Яғни, ДНК зақымдануының күшеюі, хромосомалық ретсіздіктер және/немесе жасуша өлімінің азаюы сияқты ақаулар. Кейбір митоздық бақылау пунктінің компоненттері митоздық емес функцияларға қатысатыны белгілі: Mad1 – ядроға тасымалдау, Bub3 – транскрипциялық тежеу, ал BubR1 – жасуша өлімі, ДНК зақымдануына жауап, қартаю және мегакариопоэз. Бұл деректер ісік пайда болуының артуы тек анеуплоидиямен ғана емес, басқа да ақаулармен байланысты деген қорытындыны қолдайды. Қатерлі ісіктердің тағы бір маңызды ерекшелігі – жасуша өлімі немесе апоптоздың тежелуі. Апоптозды тежеуші (IAP) отбасының мүшесі болып табылатын Survivin, митоздық шпінделінің микротубулаларында, центросомалардың жанында және метафазалық хромосомалардың кинетохорында орналасқан. Survivin апоптозды тежеу арқылы ісік пайда болуына ықпал етумен қатар, тәжірибелік нокаут егешқұйрықтары арқылы хромосомалардың бөлінуінің маңызды реттеушісі және примитивті организмдердегі рөліне ұқсас митоздың соңғы сатысына қатысады. Шпіндель құрастыру бақылау пунктінің басқа да аспектілері, мысалы, кинетохордың бекітілуі, микротубула функциясы және қарындас хроматидтердің байланысы да анеуплоидияға әкелуі мүмкін. Қатерлі ісік жасушалары шпіндель құрастыру бақылау пунктін айналып өтіп, көп полюсті митоздарға алып келіп, бірнеше бағытта бөлінеді. Көпполюсті метафаза-анафаза кезегі толық емес сепараза циклы арқылы жүзеге асады, бұл жиі кездесетін недизъюнкция оқиғаларына әкеледі, олар қатерлі ісік жасушаларында анеуплоидияны күшейтеді.

Clearly variations in the physiological levels of these proteins (such as Mad2 or BubR1) are associated with aneuploidy and tumorigenesis, and this has been demonstrated using animal models. However, recent studies indicate that what seems to happen is a more complicated scenario: aneuploidy would drive a high incidence of tumorigenesis only when alterations in the levels of specific mitotic checkpoint components (either reduction or overexpression) in tissues is also inducing other defects able to predispose them to tumors. That is, defects such as an increase in DNA damage, chromosomal rearrangements, and/or a decreased incidence of cell death. For some mitotic checkpoint components, it is known that they are implicated in functions outside mitosis: nuclear import (Mad1), transcriptional repression (Bub3), and cell death, DNA damage response, aging, and megakaryopoiesis for BubR1. All this supports the conclusion that increase in tumorigenesis is associated with defects other than aneuploidy alone. Another key aspect of cancer is inhibition of cell death or apoptosis. Survivin, a member of the inhibitor of apoptosis (IAP) family, is localized in pools at microtubules of the mitotic spindle near the centrosomes and at the kinetochores of metaphase chromosomes. Not only does survivin inhibit apoptosis to promote tumorigenesis, but it has been implicated (through experimental knockout mice) as an important regulator of chromosome segregation, and late stage mitosis similar to its role in more primitive organisms. Other aspects of the spindle assembly checkpoint such as kinetochore attachment, microtubule function, and sister chromatid cohesion are likely to be defective as well to cause aneuploidy. Cancer cells have been observed to divide in multiple directions by evading the spindle assembly checkpoint resulting in multipolar mitoses. The multipolar metaphase anaphase transition occurs through an incomplete separase cycle that results in frequent nondisjunction events which amplify aneuploidy in cancer cells.

SAC қатерлі ісіктер терапиясы

Бұл саладағы жетістіктер шпиндель құрастыру ақауларын жобалаған кейбір терапияларды әзірлеуге алып келді. Винка алкалоидтары және таксандар сияқты бұрынғы емдеулер митоздық шпиндельдің қалыптасуымен қатар микротубула динамикасын бұзу арқылы SAC-ті іске қосып, жасушаны тоқтатып, әрі қарай оның өліміне әкелетін микротубулаларды бағыттайды. Митоздық катастрофаны тудыруға қабілетті Таксол және Доцетаксел әлі де сүт безі қатерлі ісігін, жұмыртқа безі қатерлі ісігін және эпителийлік қатерлі ісіктің басқа түрлерін емдеуде қолданылады. Дегенмен, бұл емдеулер көбінесе жоғары деңгейдегі жанама әсерлермен және дәріге қарсы тұрумен сипатталады. SAC-тің әсерін тигізетін реттеушілер желісіндегі басқа да мақсаттар да қарастырылуда; үлкен қызығушылық аурора киназа ақуыздарына ауысты. Аурора А киназа гені күшейген кезде SAC-ті жоққа шығаратын онкоген ретінде әрекет етеді, бұл анафазаның бұрмаланған басталуына және одан кейінгі анеуплоидияға, сондай-ақ TAXOL-ға қарсы тұруға әкеледі. Аурора В ингибиторлары, сонымен қатар клиникалық дамуда, микротубулаларға аномальды кинетохордың байланысуына және митоздық бақылау нүктесін де жоюға әкеледі. Одан әрі зерттеулер митоздық моторлы ақуыздарды, мысалы, KSP-ді тежеуді қамтыды. Жақында клиникалық сынақтарға енгізілген бұл ингибиторлар митоздық тоқтатуды тудырады және шпиндель құрастыру бақылау нүктесін іске қосып, апоптозға шақырады.