Эукариотикалық жасуша цикліндегі бақылау механизмі

Кіріспе

Эукариотикалық жасуша циклының бақылау механизмі

Жасуша циклының бақылау нүктелері – эукариотикалық жасуша циклының дұрыс дамуын қамтамасыз ететін бақылау механизмдері. Әр бақылау нүктесі жасуша циклы бойындағы әлеуетті тоқтау орны болып табылады, оның кезінде жасушаның жағдайы бағаланады және жасуша циклының әртүрлі фазаларынан өту тек қана қолайлы жағдайлар орындалғанда ғана жүзеге асады. Жасуша циклында көптеген бақылау нүктелері бар, бірақ ең маңыздылары: G1 бақылау нүктесі, сондай-ақ Басталу немесе шектеу бақылау нүктесі немесе Басты бақылау нүктесі; G2/M бақылау нүктесі; және метафазадан анафазаға өту, сондай-ақ шпиндель бақылау нүктесі. Осы бақылау нүктелерінен өтуге негізінен циклин деп аталатын реттеуші белок суббірліктерімен циклинге тәуелді киназалардың белсендірілуі ықпал етеді, олардың әртүрлі түрлері жасуша циклының әр кезеңінде оның нақты оқиғаларын бақылау үшін өндіріледі.

Өмірбаян

Барлық тірі организмдер жасушалардың өсуі мен бөлінуінің қайталама циклдерінің нәтижесі болып табылады. Осы процесте, жасуша циклі деп аталатын, жасуша өз құрамын көшіріп, содан кейін екіге бөлінеді. Жасуша циклінің мақсаты – әрбір организмнің ДНК-сын дәл көшіріп, одан кейін жасуша мен оның ішкі құрамын екі пайда болған жасуша арасында тең бөлу. Эукариоттарда жасуша циклі төрт негізгі кезеңнен тұрады: G1, оның барысында жасуша метаболизмік белсенді және үздіксіз өседі; S фазасы, оның барысында ДНК репликациясы жүзеге асады; G2, оның барысында жасуша өсімі жалғасады және жасуша бөлінуге дайындық ретінде әртүрлі белоктарды синтездейді; және M (митоз) фазасы, оның барысында көшірілген хромосомалар (аға-іні хроматидтер деп аталады) екі қыз ядроға бөлінеді, ал жасуша екі қыз жасушаға бөлінеді, олардың әрқайсысы ДНК-ның толық көшірмесіне ие. Эукариоттық жасуша циклымен салыстырғанда, прокариоттық жасуша циклы (бинарлық бөліну деп аталады) салыстырмалы түрде қарапайым және жылдам: хромосома репликацияның бастапқы нүктесінен көшіріледі, жаңа мембрана құрастырылады және жасуша қабырғасы жасушаны екіге бөлетін септумды қалыптастырады. Эукариоттық жасуша циклі күрделі процесс болғандықтан, эукариоттар жасуша циклінің барысын бақылап, реттейтін, жасуша циклының басқару жүйесі деп аталатын реттеуші ақуыздар желісін дамытты. Жасуша циклінің бақылау бекеттерінің негізгі әрекет ету механизмі – циклиндік тәуелді киназалар (CDK) деп аталатын белок киназаларының отбасының қызметін реттеу арқылы жүзеге асады, олар циклиндер деп аталатын әртүрлі реттеуші белоктармен байланысады, ал нақты циклин-CDK кешендері жасуша циклінің әртүрлі фазаларында қалыптасып, белсендіріледі. Бұл кешендер өз кезегінде жасуша циклінің дамуын ынталандыру немесе тоқтату үшін әртүрлі төменгі мақсаттарды белсендіреді.

G1 (шектеу) бақылау пункті

G1 бақылау нүктесі, сүтқоректілер жасушаларында шектеу нүктесі деп, ал ашытқыда бастапқы нүкте деп аталады, бұл жасушаның жасушалық циклге кіруге міндеттенетін нүктесі. Жасуша G1 фазасы арқылы дами келе, ішкі және сыртқы жағдайларға байланысты, G1 фазасын тежеуі, G0 деп аталатын тоқтау күйіне енуі немесе шектеу нүктесінен өтуі мүмкін. G1 фазасының басында E2F транскрипция факторларымен байланысатын үш транскрипциялық репрессор, яғни «қалталық ақуыздар» болады. E2F гендер отбасы – циклиндер, CDK, бақылау нүктесінің реттеушілері және ДНК жөндеу ақуыздары сияқты жасуша циклын басқару үшін маңызды көптеген гендерді таңдайтын транскрипция факторларының тобы. E2F отбасының бұзылуы жиі қатерлі ісіктерде кездеседі, бұл E2F отбасының ДНК көшірмесі мен бөлінуін қатаң түрде реттеу үшін өте маңызды екенін көрсетеді. Бұл кешен Rb-ні фосфорилирлеу арқылы белсенділігін жояды. Дегенмен, Rb-нің фосфорилирлеу процесі G1 бақылау нүктесі туралы бұрынғы біліммен салыстырғанда өте күрделі және ерекше. ЦиклинD:Cdk4/6 Rb-нің он төрт қолжетімді және бірегей фосфорилирлеу орындарының біріне тек бір фосфатты немесе монофосфорилейді. 14 монофосфориленген изоформаның әрқайсысы E2F отбасының мүшелеріне қатысты әртүрлі байланыс қабілетіне ие, бұл сүтқоректілер ағзасындағы жасушалық процестердің әртүрлілігіне үлес қосады. Циклин E:Cdk2 Rb-нің барлық фосфорилирлеу орындарында фосфорилирлеуді жүзеге асырады, бұл «гиперфосфорилирлеу» деп те аталады, және Rb-нің толық дезактивациясын қамтамасыз етеді. Rb-нің гиперфосфорилирлеуі G1 шектеуінің соңғы нүктесі болып саналады, одан кейін жасуша жасушалық циклда кері қадам жасамайды. Осы кезде E2F 1 3 ақуыздары ДНК-мен байланысып, Циклин А мен Cdc 6-ны транскрипциялайды. Соңғы уақытта осы модельдің кейбір аспектілері күмәндіге түсірілді.

G2 бақылау пункті

S фазасында ДНК репликациясынан кейін жасуша G2 деп аталатын өсу фазасына өтеді. Осы кезеңде қажетті митоздық ақуыздар синтезделеді және жасуша пролиферациялық митоздық (М) фазаға кіруге дайын екенін қамтамасыз ету үшін реттеуші механизмдерге қайтадан ұшырайды. G2-ден M фазасына өту кезінде бірнеше механикалық бақылау бекеттері жұмыс істейді, олардың ортақ факторы циклин-Cdk белсенділігі болып табылады. Көптеген организмдерде қажетті циклин-Cdk кешендері әртүрлі болғанымен, киназалық белсенділік қажеттілігі сақталады және әдетте бір жұптасуға бағытталған. Фиссиондық ашытқыда митоздық циклиннің үш түрі, ал бүршікленуші ашытқыда алты түрі бар, бірақ негізгі пайдаланылатын циклин – циклин B. Циклин B G2/M бақылау бекетіне өтуді талқылау үшін анықтамалық ретінде қолданылады. S фазасындағыдай, G2 де ДНК зақымдануын бақылайды. Жасуша ДНК-ның зақымдалған немесе толық емес репликацияланған жерлерін қайтадан тексеріледі, содан кейін зақымдалған жерлерге ATR және ATM киназалары тартылады. Chk1 және Chk2 белсенділігі, сондай-ақ p53 белсенділігі клеткалық циклды тоқтату үшін және митозға өтуді тоқтату үшін іске қосылады. S фазасының қосымша компоненті – пререпликациялық кешен, ол циклин B-Cdk1 фосфорилирлеу арқылы инактивациялануы керек. Бұл бақылау бекеттері бағаланғаннан кейін, G2 ақуыздарының жиналуы бірнеше механизмдер арқылы циклин B-Cdk1 белсенділігін белсендіреді. Циклин A-Cdk2 циклин B-Cdk1 активаторы Cdc25-ті белсендіреді, ол өз кезегінде циклин B-Cdk1 тежегіші Wee1-ді деактивациялайды. Бұл оң кері байланыс циклін тудырады, циклин B экспрессиясын және Cdk1 белсенділігін айтарлықтай арттырады. Жасуша G2 фазасынан өтіп, G2/M өтуіне жеткенде, киназа Plk1 Wee1-ді фосфорилилейді, ол Wee1-ді SCF убиквитин лигаза кешені арқылы ыдырауға бағыттайды. Plk1-дің қосымша функциясы – фосфорилдеу арқылы Cdc25-ті белсендіру. Wee1 ыдырауы мен Cdc25 белсенділігінің біріккен әсері – cdc2-нің ингибиторлық фосфорилирлеуін алып тастау, ол cdc2-ні белсендіреді. Plk1 G2/M өту кезінде G2 кезінде жиналатын және белсендіру кешенін құрайтын Aurora A және Bora арқылы белсендіріледі. Plk1-Cdc2-cdc25 кешені одан әрі Cdc2 белсенділігін арттыратын оң кері байланыс циклін бастайды, ал G2 кезінде циклин B деңгейінің өсуімен бірге пайда болған cdc2-циклин B кешендері митозға кіруді ынталандыратын төменгі мақсаттарды белсендіреді. Нәтижесінде пайда болған Cdk1 белсенділігі G2/M өту гені Mem1 Fkh экспрессиясын да белсендіреді. Циклин B-Cdk1 белсенділігінің жылдам өсуі қажет, өйткені M фазасының басталуы – гистерезиске қатысатын «бар немесе жоқ» оқиға. Циклин B арқылы Cdk1 белсенділігінің гистерезісі M фазасына кіруді қамтамасыз етеді, циклин B концентрациясының ең төменгі шегін орнату арқылы. Бұл M фазасы кіргеннен кейін оның жалғасуы үшін қажетті ең төменгі деңгейден жоғары болады, бұл «бар немесе жоқ» оқиғаны сақтап қалуға көмектеседі. Бұл кіру концентрациясы толық емес ДНК репликациясы жағдайында одан әрі артады, G2/M өту нүктесінде тағы бір реттеу механизмі қосылады. Гистерезистің болуы M фазасына кіруді циклин B-Cdk1 белсенділігінің функциясы ретінде жоғары реттеуге мүмкіндік береді. Митоздық кірудің ДНК зақымдануына жауап ретінде алдын алу механизмдері G1/S бақылау бекетіндегідей. ДНК зақымдануы жоғарыда аталған ATM/ATR жолын белсендіреді, онда ATM/ATR Chk1/Chk2 бақылау бекеті киназаларын фосфорилилейді және белсендіреді. Chk1/2 cdc25-ті фосфорилилейді, ол ингибицияланғанынан басқа, 14-3-3 ақуыздарымен цитоплазмада секвестрленеді. 14-3-3 p53 арқылы жоғарылатылады, ол, жоғарыда айтылғандай, Chk1 және ATM/ATR арқылы белсендіріледі. p53 сондай-ақ p21 трансактивтейді, ал p21 және 14-3-3 циклин B-cdc2 кешендерін фосфорилдану және цитоплазмалық секвестрлеу арқылы ингибициялайды. Сонымен қатар, cdc25 белсенділігінің төмендеуі оның cdc2-ні дефосфорилидеп, белсендіре алмайтындығына әкеледі. Соңында, зақымдануға жауап берудің тағы бір механизмі – ATM/ATR арқылы Plk1-дің теріс реттелуі, бұл Wee1 және Myt1 тұрақтандыруына әкеледі, содан кейін олар cdc2-ні фосфорилидеп, тежеуге мүмкіндік береді, осылайша зақымдану жөнделгенше жасушаны G2 фазасында ұстап тұрады.

Following DNA replication in S phase, the cell undergoes a growth phase known as G2. During this time, necessary mitotic proteins are produced and the cell is once more subjected to regulatory mechanisms to ensure proper status for entry into the proliferative Mitotic (M) phase. Multiple mechanistic checkpoints are involved in this transition from G2 to M, with a common uniting factor of cyclin Cdk activity. Although variations in requisite cyclin Cdk complexes exist across organisms, the necessity of the kinase activity is conserved and typically focuses on a single pairing. In fission yeast three different forms of mitotic cyclin exist, and six in budding yeast, yet the primary cyclin utilized is cyclin B. Cyclin B will serve as reference for discussion of the G2/M checkpoint transition. Similar to S Phase, G2 experiences a DNA damage checkpoint. The cell is once more examined for sites of DNA damage or incomplete replication, and the kinases ATR and ATM are recruited to damage sites. Activation of Chk1 and Chk2 also transpire, as well as p53 activation, to induce cell cycle arrest and halt progression into mitosis. An additional component of S phase, the Pre Replicative Complex, must be inactivated via cyclin B Cdk1 phosphorylation. As these previous checkpoints are assessed, G2 protein accumulation serves to activate cyclin B Cdk1 activity via multiple mechanisms. CyclinA Cdk2 activates Cdc25, an activator of cyclin B Cdk1, which then deactivates the cyclin B Cdk1 inhibitor, Wee1. This results in a positive feedback loop, significantly increasing cyclin B expression and Cdk1 activation. As the cell progresses through G2 and reaches the G2/M transition, the kinase Plk1 phosphorylates Wee1, which targets Wee1 for degradation via the SCF ubiquitin ligase complex. An additional function of Plk1 is to activate Cdc25 through phosphorylation. The compound effect of Wee1 degradation and Cdc25 activation is the net removal of inhibitory phosphorylation from cdc2, which activates cdc2. Plk1 is activated at the G2/M transition by the Aurora A and Bora, which accumulate during G2 and form an activation complex. The Plk1 Cdc2 cdc25 complex then initiates a positive feedback loop which serves to further activate Cdc2, and in conjunction with an increase in cyclin B levels during G2, the resulting cdc2 cyclin B complexes then activate downstream targets which promote entry into mitosis. The resultant Cdk1 activity also activates expression of Mem1 Fkh, a G2/M transition gene. The rapid surge in cyclin B Cdk1 activity is necessary, as M phase initiation is an all or nothing event engaging in hysteresis. Hysteresis of Cdk1 activity via cyclin B drives M phase entry by establishing a minimum threshold of cyclin B concentration. This exists at a level higher than the minimum needed for the continuation of M phase after entry, acting to safeguard the all or nothing event. This entry concentration is further increased in the case of incomplete DNA replication, adding another regulatory mechanism at the G2/M transition point. The presence of hysteresis allows for M phase entry to be highly regulated as a function of cyclin B Cdk1 activity. The mechanisms by which mitotic entry is prevented in response to DNA damage are similar to those in the G1/S checkpoint. DNA damage triggers the activation of the aforementioned ATM/ATR pathway, in which ATM/ATR phosphorylate and activate the Chk1/Chk2 checkpoint kinases. Chk1/2 phosphorylate cdc25 which, in addition to being inhibited, is also sequestered in the cytoplasm by the 14 3 3 proteins. 14 3 3 are upregulated by p53, which, as previously mentioned, is activated by Chk1 and ATM/ATR. p53 also transactivates p21, and both p21 and the 14 3 3 in turn inhibit cyclin B cdc2 complexes through the phosphorylation and cytoplasmic sequestering of cdc2. In addition, the inactivation of cdc25 results in its inability to dephosphorylate and activate cdc2. Finally, another mechanism of damage response is through the negative regulation of Plk1 by ATM/ATR, which in turn results in the stabilization of Wee1 and Myt1, which can then phosphorylate and inhibit cdc2, thus keeping the cell arrested in G2 until the damage is fixed.

Xenopus ооциттеріндегі G2M ауысуы

G2 кезеңінің соңында жасуша митозға өтеді, онда ядро бөлінеді. G2-ден M кезеңіне өту күрт болады; «бәрі немесе ештеңе» әсері байқалады және бұл өту қайтымсыз. Бұл жасуша үшін тиімді, себебі митозға ену – жасушаның өмірлік циклындағы маңызды қадам. Егер жасуша толық бейімделмесе, жартылай бөліну салдарынан көптеген мәселелер туындауы мүмкін, бұл жасушаның өліміне алып келеді. Құрбақа жұмыртқаларында сигналдық каскад прогестерон мембранаға байланысқан рецепторға қосылғанда іске қосылады. Одан әрі Mos белсендіріледі. Mos содан кейін MEK1-ді фосфорилейді, ал ол өз кезегінде MAPK-ті фосфорилейді. MAPK екі қызмет атқарады: митозға кіруді бастау үшін Cyclin B Cdk1 кешенін белсендіреді және Mos-ты белсендіреді. Mos-тың белсендірілуі оң кері байланыс цикліне әкеледі, сондықтан ол митозға «бәрі немесе ештеңе» түрінде кіруді қамтамасыз ететін «қосқыш» ретінде әрекет етеді. Бұл кері байланыс циклы алғаш рет прогестерон деңгейінің жоғарылауына жауап ретінде MAPK P (фосфориленген MAPK) концентрациясының артуы арқылы анықталды. Жеке жасуша деңгейінде әрбір жасушада толығымен фосфориленген MAPK немесе фосфориленбеген MAPK болады, бұл оның әрбір жасушада ауыстыру механизмі ретінде әрекет ететінін растайды. Сонымен қатар, Mos протеинінің синтезін тоқтату MAPK P жауабын біртегіс етеді, бұл Mos протеинінің синтезі MAPK белсенділігінің толық немесе толыққанды болмауы үшін қажет екенін көрсетеді.

Біздіктілік

Бұл процесті тұрақсыздық арқылы түсінуге болады. Оң жақтағы графикті пайдаланып, прогестерон мөлшері артқан сайын Мос синтезінің жылдамдығы өзгереді. Әр қисық сызықта тұрақты және тұрақсыз тұрақты нүктелер бар. Тұрақсыз тұрақты нүктелерде жүйе тұрақты нүктелердің біріне қарай итереді. Сондықтан, жүйе «қосулы» күйде немесе «өшірілуі» күйде болуы мүмкін, аралық жағдайда емес. Прогестерон деңгейі жеткілікті жоғары болғанда, Мос қисығы жоғары жылжып, ақырында ыдырау сызығын тек бір нүктеде қиып өтеді, демек митозға кіруді көрсететін бір ғана тұрақты «қосулы» күйі болады. Митоздық өту кезеңінде байқалатын қайтымсыздық, жасушадағы прогестеронның жеткілікті жоғары деңгейінен туындайды. Прогестеронның жеткілікті жоғары деңгейінде жүйе Mapk және Mos арасындағы оң кері байланыс салдарынан моностабильді болады. Жүйенің бистабильділіктен моностабильділікке ауысу нүктесі атқылау түйіні бифуркациясы деп аталады. Осылайша, митоздық өтудің «бәрі немесе ештеңе» принципімен, қайтымсыз жауабын молекулалық реттеушілердің математикалық моделімен, оң кері байланысқа тәуелді бистабильді жүйе ретінде түсінуге болады. «Өшірілуі» күйі прогестеронның жеткілікті жоғары деңгейімен жойылса, ал жасуша «өшірілуі» күйінен өткеннен кейін «қосулы» күйде қалып қояды.

Гистерезис және Новак-Тайсон моделі

Осы екі тұрақты модельден келе отырып, митоздық өту гистерезис арқасында жүзеге асырылатынын түсінеміз. Гистерезис – жүйенің күйінің оның тарихына тәуелділігі. Новак-Тайсон моделі – митозға кіру және одан шығу кезіндегі қайтымсыз өтулер гистерезиспен жүзеге асырылатынын болжайтын жасуша циклінің математикалық моделі. Модельде циклдік ооциттердің сығындыларында орындалуы тиіс үш негізгі болжам бар, олардың жасуша циклінің дамуы гистерезиске тәуелді: Митозға кіру үшін қажетті циклин B концентрациясы, митоздық сығындыны митозда ұстау үшін қажетті концентрациядан жоғары. Көбейтілмеген ДНҚ Cdc2 белсендірілуі үшін қажетті циклин деңгейін арттырады, демек митозға кіру. Циклин B белсенділік шегінен сәл жоғары концентрацияда Cdc2 белсенділігінің жылдамдығы төмендейді. Ша және авторлар тобы 2003 жылы Xenopus laevis жұмыртқасының сығындыларында осы гистерезистік сипатты көрсету үшін тәжірибелер жүргізді. Циклдік сығындыларды пайдаланып, олар Δциклин B үшін белсенділік шегі 32 және 42 нМ аралығында, ал белсенділігін жою шегі 16 және 24 нМ Δциклин B аралығында екенін анықтады. Сондықтан бұл тәжірибелер осы жүйенің екі тұрақтылығын және осы жасуша циклінің өтуінде гистерезистің маңыздылығын растады. Циклин B концентрациясының аралық деңгейінде жасуша интерфазалық немесе митоздық күйде болуы мүмкін.

Көбейту стресс-жауап

Митозға кіру – жасуша үшін үлкен және шығынды міндеттеме болғандықтан, осы қадамға мерзімінен бұрын кіруді болдырмау үшін қалыптасқан жүйелер болуы заңды. ДНК-ның көшірмеленбеген бөліктері сияқты бұрынғы қадамдардағы қателер, жасуша циклының дамуын тоқтатады. Novak-Tyson моделі митозға кіруге қажетті циклин B деңгейінің артуы арқылы мұның болатынын болжайды. Бұл белоктың функциясы – сепаразаны тежеу, ол өз кезегінде бауырлас хроматидтердің байланысын қамтамасыз ететін когезиндер ақуыздық кешенін кесіп тастайды. Бұл тежегіш белок убиквитинация және одан кейінгі протеолиз арқылы ыдырағаннан кейін, сепараза бауырлас хроматидтердің ажырауына себеп болады. Жасуша екі қыз жасушаға бөлінгеннен кейін, G1 фазасына енеді.

Қатерлі ісік

ДНҚ жөндеу процестері мен жасуша циклінің бақылау бекеттері, геномдық тұрақтылықты және жасуша прогрессиясын реттеу функциялары арқасында қатерлі ісіктермен тығыз байланысты. Көп жағдайда, осы жолдардың дисфункциясы мен нақты қатерлі ісіктердің пайда болуын байланыстыратын нақты молекулалық механизмдер толыққанды түсініксіз. АТМ жоғалуы лимфоманың дамуына дейін, көбінесе, артық гомологтық рекомбинация нәтижесінде басталады, бұл геномдық тұрақсыздықты күшейтеді. Егешқұйрықтарда Chk1-дің бұзылуы жасуша циклінің бақылау бекеттерін елеулі түрде бұрмалады, ДНК зақымдануын жинақтады және ісік пайда болу жиілігін арттырды. BRCA1 немесе BRCA2 мутациясын біржақты түрде мұраға алу әйелдерді сүт безі және жұмыртқа безі қатерлі ісігіне бейімдейді. BRCA1 S және G2/M кезеңдері үшін қажетті және ДНК зақымдануына жасушалық реакцияға қатысады. BRCA2 гомологтық рекомбинацияға және S фазалық бақылау бекетін реттеуге қатысады деп саналады, ал BRCA2 жетіспеушілігінің мутациялары ісік пайда болуымен тығыз байланысты.