Кіріспе
Митоздан бұрын эукариоттық жасуша циклының екінші өсу фазасы. G2 фазасы, Gap 2 фазасы немесе Growth 2 фазасы – митозға тікелей кіріспейтін жасуша циклының интерфазасының үшінші субфазасы. Бұл S фазасының сәтті аяқталуынан кейін жүзеге асады, осы кезеңде жасушаның ДНК-сы көбейтіледі. G2 фазасы митоздың бірінші фазасы – профазаның басталуымен аяқталады, онда жасушаның хроматині хромосомаларға конденсацияланады. G2 фазасы – жасушаның митозға дайындалатын қарқынды өсу және белок синтезі кезеңі. Қызығы, G2 фазасы жасуша циклының міндетті бөлігі емес, себебі кейбір жасуша түрлері (әсіресе жас Ксенопус эмбриондары және кейбір қатерлі ісіктер) ДНК көбейтілуінен тікелей митозға өтеді. G2 фазасын және одан кейінгі митозға кіруді реттейтін генетикалық желі жақсы зерттелгенімен, оның маңызы мен реттелуі, әсіресе қатерлі ісіктерге қатысты, әлі де толық анықталған жоқ. Бір гипотеза бойынша, G2 фазасындағы өсім жасуша мөлшерін бақылау механизмі ретінде реттеледі. Бұрын шикізаттық ашытқы (Schizosaccharomyces pombe) Cdr2 арқылы Wee1 белсенділігін кеңістікте реттеу арқылы осындай механизмді қолданатыны көрсетілген. Wee1 митозға кірудің жақсы сақталған теріс реттеушісі болғанымен, G2 фазасында жасуша мөлшерін бақылаудың жалпы механизмі әлі анықталған жоқ. Биохимиялық тұрғыдан алғанда, G2 фазасының соңы циклин B1/CDK1 кешенінің белсенді деңгейіне – жетілу факторына (MPF) жеткенде болады. Бұл кешеннің белсенділігі G2 фазасында қатаң түрде реттеледі. Атап айтқанда, G2 бақылау бекеті CDK1-ді тежеу арқылы ДНК зақымдануына жауап ретінде G2 фазасында жасушаларды тоқтатады.
DISPLAYTITLE:G2 phase
G2 phase, Gap 2 phase, or Growth 2 phase, is the third subphase of interphase in the cell cycle directly preceding mitosis. It follows the successful completion of S phase, during which the cell’s DNA is replicated. G2 phase ends with the onset of prophase, the first phase of mitosis in which the cell’s chromatin condenses into chromosomes. G2 phase is a period of rapid cell growth and protein synthesis during which the cell prepares itself for mitosis. Curiously, G2 phase is not a necessary part of the cell cycle, as some cell types (particularly young Xenopus embryos and some cancers) proceed directly from DNA replication to mitosis. Though much is known about the genetic network which regulates G2 phase and subsequent entry into mitosis, there is still much to be discovered concerning its significance and regulation, particularly in regards to cancer. One hypothesis is that the growth in G2 phase is regulated as a method of cell size control. Fission yeast (Schizosaccharomyces pombe) has been previously shown to employ such a mechanism, via Cdr2 mediated spatial regulation of Wee1 activity. Though Wee1 is a fairly conserved negative regulator of mitotic entry, no general mechanism of cell size control in G2 has yet been elucidated. Biochemically, the end of G2 phase occurs when a threshold level of active cyclin B1/CDK1 complex, also known as Maturation promoting factor (MPF) has been reached. The activity of this complex is tightly regulated during G2. In particular, the G2 checkpoint arrests cells in G2 in response to DNA damage through inhibitory regulation of CDK1.
Гомологты рекомбинациялық жөндеу
Митоздық S фазасы кезінде ДНҚ репликациясы екі дерлік бірдей қарындас хроматиданы жасайды. Репликация барысынан кейін немесе G2 фазасында туындайтын ДНҚ екі жіптің үзілуі жасуша бөлінуі басталар алдында (жасуша циклінің M фазасы) жөнделуі мүмкін. Осылайша, G2 фазасында бір қарындас хроматидадағы екі жіптің үзілуі, екінші бұзылмаған қарындас хроматиданы үлгі ретінде пайдалана отырып, гомологты рекомбинациялық жөндеу арқылы қалпына келтірілуі мүмкін.
G2 аяқталуы/митозға ену
Митоздық кіру циклин B1/CDK1 кешенінің белсенді деңгейімен анықталады, ол циклин B1/Cdc2 немесе жетілуді ынталандырушы фактор (MPF) деп те аталады. Белсенді циклин B1/CDK1 митоздың ерте кезеңіндегі қайталанбайтын шараларды іске қосады, оның ішінде центросомалардың бөлінуін, ядролық қабықшаның ыдырауын және шпиндельдің құрастырылуын. Омыртқалы жануарларда циклин B-ның бес изоформасы бар (B1, B2, B3, B4 және B5), бірақ осы изоформалардың әрқайсысының митоздық кіруді реттеудегі нақты рөлі әлі толық анықталған жоқ. Циклин B1 циклин B2 жоғалуын толықтыра алады (және Drosophila-да керісінше). Saccharomyces cerevisiae алты B типті циклин (Clb1-6) қамтиды, олардың ішінде Clb2 функция үшін ең маңыздысы болып табылады. Омыртқалы жануарлар мен S. cerevisiae-да бірнеше B типті циклиндердің болуы, әртүрлі циклиндерге G2/M өтудің әртүрлі кезеңдерін реттеуге және осы өтуді бұзылуларға төзімді етуге мүмкіндік береді деп есептеледі. Келесі талқылаулар сүтқоректілер жасушаларында циклин B1/CDK-ның кеңістіктік және уақыттық белсенділігіне бағытталған болады, бірақ ұқсас механизмдер басқа метазоандарда да, S. cerevisiae-да да қолданылады.
Циклин B1 синтезі және ыдырау
Циклин B1 деңгейі G1 және S фазалары бойында анафазаны ынталандырушы кешен (APC) арқылы төмендетіледі, бұл E3 убиквитин лигазасы циклин B1-ді протеолиз үшін белгілейді. Транскрипция ДНК репликациясы аяқталғаннан кейін S фазасының соңында NF Y, FoxM1 және B Myb сияқты транскрипциялық факторлардың G1 және G1/S циклин CDK кешендерімен жоғары ағыстағы фосфорилирленуіне жауап ретінде басталады.
Циклин-B1/CDK1 белсенділігін реттеу
Циклин B1 деңгейінің артуы G2 фазасы бойында циклин B1 CDK1 кешенінің деңгейінің артуына себеп болады, бірақ Wee1 және Myt1 киназаларының тежеуші фосфорилирлеуіне байланысты G2/M өтуіне дейін кешен белсенді болмайды. Wee1 негізінен ядрода орналасқан және Tyr15 сайтына әсер етеді, ал Myt1 эндоплазмалық ретикулумның (ER) сыртқы бетінде орналасқан және негізінен Thr14 сайтына әсер етеді. Wee1 және Myt1 әсерлері cdc25 отбасының фосфатазаларымен күшін жояды, олар CDK1-дегі тежеуші фосфаттарды алып тастайды және осылайша циклин B1 CDK1 кешенін толық белсенді түріне, MPF-қа айналдырады. Белсенді циклинB1 CDK1 Wee1 және Cdc25 А және С изоформаларының белсенділігін фосфорилирлейді және реттейді. Атап айтқанда, CDK1 фосфорилирлеуі Wee1 киназасының белсенділігін тежейді, PLK1 аралық киназасын белсендіру арқылы Cdc25C фосфатазасының белсенділігін арттырады және Cdc25A-ны тұрақтандырады. Осылайша, CDK1 Cdc25-пен оң кері байланыс тізбегін және Wee1-мен екі теріс кері байланыс тізбегін (негізінен, таза оң кері байланыс тізбегін) құрайды.
Оң кері байланыс және түймешікті белсендіру
Бұл оң кері байланыс циклдері циклин В1 деңгейлеріне қатысты CDK1 белсенділігінде гистеробиталды қосқабатты ауыстырғышты кодтайды (суретті қараңыз). Бұл ауысу циклин В1 концентрациясының бистабельді аймағында екі түрлі тұрақты тепе-теңдікпен сипатталады. Бір тепе-теңдік интерфазаға сәйкес келеді және циклин B1/CDK1 және Cdc25 белсенділігінің болмауымен, Wee1 және Myt1 белсенділігінің жоғары деңгейімен сипатталады. Екінші тепе-теңдік М фазасына сәйкес келеді және циклин B1/CDK1 және Cdc25 белсенділігінің жоғары, ал Wee1 және Myt1 белсенділігінің төмен болуымен сипатталады. Бистабильділік диапазонында жасушаның жағдайы оның бұрын интерфазада немесе М фазада болғанына байланысты: М фазаға кіру үшін шекті концентрация жасуша интерфазадан шыққаннан кейін М фаза белсенділігін сақтайтын ең төменгі концентрациядан жоғары. Ғалымдар G2/M ауысуының бистабельді табиғатын теориялық және эмпирикалық тұрғыдан растады. Novak Tyson моделі циклин B/CDK1 cdc25 Wee1 Myt1 кері байланыс циклін модельдеуші дифференциалдық теңдеулер циклин B концентрацияларының диапазонында екі тұрақты тепе-теңдікке жол беретінін көрсетеді. Эксперименттік тұрғыдан бистабильділік эндогендік циклин B1 синтезін тоқтату және интерфазалық және М фазалық жасушаларды әртүрлі концентрациядағы ыдырамайтын циклин B1 концентрациясына титрлеу арқылы расталды. Бұл тәжірибелер M фазасына кіру үшін шекті концентрация M фазасынан шығу үшін шекті концентрациядан жоғары екенін көрсетеді: ядролық қаптаманың ыдырауы интерфазадан шыққан жасушалар үшін 32-40 нм циклин B1 аралығында болады, ал ядро М фазасында болған жасушаларда 16-24 нм-ден жоғары концентрацияларда ыдыраған күйінде қалады. Бұл бистабильді, гистерикалық ауыстырғыш кем дегенде үш себеппен физиологиялық тұрғыдан қажет. Біріншіден, G2/M ауысуы хромосомалардың конденсациясы және ядролық қаптаманың ыдырауы сияқты бірнеше оқиғалардың басталуын білдіреді, олар жасушаның морфологиясын айтарлықтай өзгертеді және тек жасушалар бөлінген кезде ғана өмір сүреді. Сондықтан циклин B1/CDK1 активациясы ауыстырғыш сияқты түрде болуы қажет; яғни, жасушалар ауысудан кейін тез арада дискретті M фазалық күйге жетуі керек және аралық күйлердің континуумында (мысалы, жартылай ыдыранған ядролық қаптамамен) қалуы тиіс емес. Бұл талап CDK1 белсенділігінің интерфазалық және М фазалық тепе-теңдік деңгейлерін бөлетін күрт үзіліс арқылы қанағаттандырылады; циклин В концентрациясы белсенділік шегінен жоғарылай берген сайын, жасуша тез арада М фазалық тепе-теңдікке ауысады. Екінші жағынан, G2/M ауысуы бір бағытта немесе клеткалық цикл бойынша бір рет ғана болуы өте маңызды. Биологиялық жүйелер табиғи түрде шулы, ал циклин B1 концентрациясының G2/M ауысуы шегінің маңында шағын ауытқулары клетканың интерфазалық және М фазалық күйлер арасында алға-артқа ауысуына себеп болмауы керек. Бұл ауысудың бистабильді табиғатымен қамтамасыз етіледі: жасуша M фазалық күйге ауысқаннан кейін циклин B концентрациясының аз төмендеуі жасушаның интерфазаға қайта ауысуына себеп болмайды. Соңында, жасуша циклының жалғасуы циклин B/CDK1 белсенділігінің тұрақты тербелістерін талап етеді, өйткені жасуша мен оның ұрпақтары M фазасына және одан шығады. Теріс кері байланыс бұл ұзақ мерзімді тербелістің бір маңызды элементін қамтамасыз етеді: циклин B / CDK APC / C- ні белсендіреді, бұл циклин B метафазадан бастап ыдырауды тудырады, CDK1- ні оның белсенді емес күйіне қайтарады. Алайда, қарапайым теріс кері байланыс циклдары ақырында тұрақты күйге жететін басаңдатылған тербелістерге әкеледі. Кинетикалық модельдер екіге тең оң кері байланыс мотивтерімен біріктірілген теріс кері байланыс циклдері ұзақ мерзімді жасуша циклінде қажетті тұрақты, басаңдатылмаған тербелістерге (релаксациялық тербелісті қараңыз) әкелуі мүмкін екенін көрсетеді.
Оң пікірлер
Жоғарыда аталған оң кері байланыс циклы, онда циклин B1/CDK1 Wee1 және Myst1-ді тежеу арқылы және cdc25-ті белсендіре отырып, өзінің белсендірілуін күшейтеді, кері байланыс циклын бастау үшін "триггер" механизмін өздігінен қамтымайды. Жақында, циклин А2/CDK кешендерінің осы ауысуды бастауды реттеудегі маңызды рөлін көрсететін деректер пайда болды. Циклин А2/CDK2 белсенділігі S фазасының басында басталып, G2 фазасында артады. Cdc25B, жоғарыда аталған CDK1 механизміне ұқсас түрде, G2 фазасының ортасына дейін CDK2-дегі Tyr15-ті дефосфорилирлейді. U2OS жасушаларындағы циклин A2 деңгейінің төмендеуі Wee1 белсенділігін арттырып, Plk1 және Cdc25C белсенділігін төмендету арқылы циклин B1/CDK1 белсенділігін баяулатады. Дегенмен, циклин А2/CDK кешендері G2 фазасында циклин B1/CDK1-дің белсендірушілері ретінде ғана жұмыс істемейді, өйткені CDK2 p53-тен тәуелсіз G2 бақылау нүктесінің белсенділігі үшін қажет екені көрсетілді, мүмкін Cdc6-дағы тұрақтандырушы фосфорилирлеу арқылы. CDK2 жетіспейтін жасушаларда Cdc25A деңгейі де жоғары болады. Циклин A2/CDK1 Cdc25B-нің протеасомалық ыдырауына да ықпал ететіні дәлелденді. Бұл жолдар қатерлі ісіктерде жиі бұзылады. Белсенді Cyclin B1/CDK1 кешендері 14 3 3σ арқылы цитоплазмада жиналады. Gadd45 CDK1-мен тікелей әрекеттесу арқылы Cyclin B1 және CDK1 байланысын бұзады. P53 сондай-ақ CDK1-ді тікелей транскрипциялық түрде басады.
Медициналық маңызы
G2/M өтуіне қатысты бірнеше гендердің мутациялары көптеген қатерлі ісіктерге байланысты. Циклин B және CDK1-дің жоғары экспрессиясы, көбінесе р53 сияқты ісікке қарсы гендердің жоғалуынан кейін, жасушалардың көбеюін күшейтеді. Химиотерапия мақсатында G2/M өтуін реттеуге жасалған басқа әрекеттер ДНК зақымдану тексеру бекетіне бағытталған. Chk1-ді тежеу арқылы G2/M тексеру бекетін фармакологиялық түрде айналып өту, басқа химиотерапиялық препараттардың цитотоксикалық әсерін арттырады. Тексеру бекетінен айналып өту зиянды мутациялардың жылдам жиналуына алып келеді, бұл қатерлі жасушаларды апоптозға итермелейді деп саналады. Керісінше, G2/M тоқтауын ұзарту әрекеттері де доксорубицин сияқты препараттардың цитотоксикалық әсерін күшейтеді. Бұл тәсілдер клиникалық және клиникаға дейінгі зерттеу сатыларында қалып отыр.