Molekularne podstawy cyklu komórkowego i apoptozy

Zestaw fiszek pojęciowych podsumowujących molekularne mechanizmy cyklu komórkowego, jego punkty kontrolne, regulację enzymatyczną (cykliny, CDK, inhibitory), szlaki śmierci komórkowej (apoptoza, nekroza, autofagia) oraz kliniczne aspekty onkogenezy i farmakoterapii.

Cykl komórkowy

Szereg zmian biofizycznych i biochemicznych trwających od momentu powstania komórki w wyniku podziału do chwili, gdy ona sama podzieli się na dwie komórki potomne; proces kontrolowany przez czynniki zewnątrz- i wewnątrzkomórkowe.

Faza $G_1$

Okres życia komórki trwający od zakończenia mitozy do rozpoczęcia syntezy DNA; charakteryzuje się intensywnymi procesami anabolicznymi (syntezą białek i lipidów), wymianą chemiczną z otoczeniem oraz wzrostem komórki.

Faza $S$

Faza interfazy, w której zachodzi replikacja DNA, intensywna synteza histonów oraz zwiększenie rozmiarów jądra komórkowego, a chromatyna występuje w postaci zbitej masy.

Faza $G_2$

Faza cyklu komórkowego obejmująca dalszą syntezę białek i lipidów, intensywną produkcję tubuliny (białka budującego wrzeciono podziałowe), podział organelli półautonomicznych oraz ostateczne przygotowanie do podziału mitotycznego.

Faza $G_0$

Stan spoczynkowy komórki, w którym komórki zachowują funkcje życiowe, lecz tracą zdolność odtwarzania materiału genetycznego i dzielenia się; pod wpływem odpowiednich bodźców komórki mogą powrócić do fazy $G_1$.

Mitoza (kariokineza somatyczna)

Proces precyzyjnego rozdzielenia skopiowanych chromosomów do komórek potomnych, zachodzący w komórkach somatycznych, trwający od $0{,}5$ do $3$ godzin i obejmujący profazę, prometafazę, metafazę, anafazę oraz telofazę.

Wrzeciono mitotyczne (kariokinetyczne)

Struktura tworząca się na zewnątrz jądra komórkowego między centriolami, zbudowana z białka tubuliny, pełniąca rolę rusztowania dla chromatyd siostrzanych rozchodzących się do przeciwnych biegunów komórki.

Prometafaza

Stadium mitozy, w którym zanika jąderko i następuje rozpad otoczki jądrowej na małe fragmenty, co umożliwia mikrotubulom wrzeciona kontakt z chromosomami i połączenie się z nimi.

Płytka metafazowa

Ułożenie skondensowanych chromosomów w płaszczyźnie równikowej komórki podczas metafazy, w wyniku działania mikrotubul kinetochorowych łączących się z chromosomami w miejscu kinetochorów.

Anafaza

Stadium mitozy rozpoczynające się rozdzieleniem chromatyd siostrzanych każdego chromosomu i ich przemieszczaniem się ku przeciwległym biegunom komórki.

Telofaza

Stadium mitozy, w którym dwa zespoły chromosomów docierają do biegunów wrzeciona, zachodzi dekondensacja chromosomów do chromatyny, intensywna synteza rRNA oraz odtworzenie jąderka i otoczki jądrowej.

Cytokineza

Podział cytoplazmy rozpoczynający się pod koniec anafazy, w którym kurczliwy pierścień z włókien aktynowych i miozynowych tworzy przewężenie rozdzielające komórkę na dwie komórki potomne wraz z rozdzieleniem organelli.

Mejoza (kariokineza redukcyjna)

Dwuetapowy podział jądra komórkowego zachodzący podczas gametogenezy w komórkach szlaku płciowego, w wyniku którego z jednej komórki diploidalnej ($2n$) powstają cztery komórki haploidalne ($1n$).

Biwalent

Para skoniugowanych chromosomów homologicznych powstała w stadium zygotenu profazy I mejozy, składająca się z czterech chromatyd (tetrada chromatyd).

Crossing-over

Proces zachodzący w stadium pachytenu profazy I mejozy, polegający na wzajemnej wymianie odpowiadających sobie fragmentów chromatyd niesiostrzanych pomiędzy chromosomami homologicznymi, stanowiący źródło zmienności genetycznej.

Chiazmy

Punkty połączeń między chromatydami niesiostrzanymi chromosomów homologicznych, widoczne w stadium diplotenu po rozpoczęciu rozchodzenia się chromosomów.

Nondysjunkcja

Nieprawidłowość polegająca na braku lub nierównomiernym rozdzieleniu się chromosomów homologicznych podczas mejozy, prowadząca do powstania aneuploidii w komórkach potomnych; jej częstość rośnie m.in. z wiekiem matki.

Punkt kontrolny $G_1$ (punkt restrykcyjny)

Główny punkt decyzyjny cyklu komórkowego na przejściu z fazy $G_1$ do $S$, w którym komórka weryfikuje swój rozmiar, zasoby składników odżywczych, sygnały wzrostowe oraz integralność DNA.

Punkt kontrolny $G_2/M$

Punkt kontrolny sprawdzający integralność DNA oraz kompletność jego replikacji w fazie $S$ przed wejściem komórki w mitozę; w razie nieodwracalnych uszkodzeń kieruje komórkę na drogę apoptozy.

Punkt kontrolny $M$

Punkt kontrolny organizacji wrzeciona mitotycznego (przejście z metafazy do anafazy), weryfikujący prawidłowość uformowania włókien wrzeciona, ułożenie chromosomów oraz przyłączenie chromatyd do przeciwległych biegunów.

Kinazy zależne od cyklin (CDK)

Kinazy serynowo-treoninowe zaangażowane w regulację cyklu komórkowego, które po związaniu odpowiedniej cykliny fosforylują białka docelowe, umożliwiając progresję cyklu.

Cykliny

Białka regulatorowe nieposiadające własnej aktywności enzymatycznej, których stężenie cyklicznie wzrasta i opada w poszczególnych fazach cyklu, stanowiące podjednostki aktywujące kinazy CDK.

Czynnik SPF

Kompleks cykliny A i kinazy CDK2 promujący przejście i przebieg fazy $S$; przemieszcza się do jądra komórkowego, gdzie uczestniczy w przygotowaniu komórki do syntezy DNA i duplikacji centromerów.

Czynnik MPF

Kompleks cyklin mitotycznych (cyklina B i A) z kinazą CDK1 promujący fazę $M$; stymuluje rozpad otoczki jądrowej, kondensację chromatyny, powstanie wrzeciona podziałowego oraz aktywuje kompleks APC/C w metafazie.

System ubikwityna-proteasom (UPS)

Układ enzymatyczny odpowiedzialny m.in. za degradację cyklin, w którym białko docelowe jest znakowane łańcuchem poliubikwityny przy udziale enzymów E1, E2 i E3, a następnie rozkładane w proteosomie na oligopeptydy.

Białka INK

Inhibitory kinaz zależnych od cyklin ($p16^{INK4a}$, $p15^{INK4b}$, $p18^{INK4c}$, $p19^{INK4d}$), które wiążą CDK4/CDK6, blokują powstawanie kompleksu z cykliną D i utrzymują białko Rb w stanie hipofosforylacji, zatrzymując cykl w fazie $G_1$.

Białka Cip/Kip

Inhibitory kinaz ($p21^{Cip1}$, $p27^{Kip1}$, $p57^{Kip2}$); przy niskich stężeniach stymulują cykl, promując składanie kompleksu cyklina D–CDK4/6, a przy wysokich stężeniach hamują kompleks cyklina E–CDK2.

Sekwestracja białek Cip/Kip

Proces odłączenia białek $p21^{Cip1}$ i $p27^{Kip1}$ od kompleksu cyklina E–CDK2 i ich związanie przez rosnący kompleks cyklina D–CDK4/6, co uwalnia aktywność cykliny E–CDK2 i umożliwia fosforylację białka Rb.

Białko p53

Czynnik transkrypcyjny zwany „strażnikiem genomu”; w odpowiedzi na stres komórkowy lub uszkodzenia DNA ulega stabilizacji przez fosforylację i aktywuje geny odpowiedzialne za zatrzymanie cyklu, naprawę DNA lub apoptozę.

MDM2 (HDM2)

Ligaza ubikwityny E3 odpowiedzialna za wiązanie, ubikwitynację i proteasomalną degradację białka p53, utrzymująca jego fizjologicznie niski poziom w nieuszkodzonej komórce.

Białko Rb (retinoblastoma)

Białko kieszeniowe hamujące podziały komórkowe w postaci nieufosforylowanej poprzez wiązanie dimeru E2F-DP i rekrutację deacetylazy histonów (HDAC); jego fosforylacja przez cyklinę D-CDK4/6 oraz cyklinę E-CDK2 uwalnia E2F.

Czynniki transkrypcyjne E2F

Białka tworzące dimery z białkami DP, które po uwolnieniu z kompleksu z białkiem Rb aktywują transkrypcję genów kodujących m.in. cyklinę E, cyklinę A oraz enzymy niezbędne do wejścia i przejścia fazy $S$.

Mitogeny

Zewnątrzkomórkowe czynniki stymulujące podziały komórkowe (czynniki wzrostu, cytokiny, hormony), które po związaniu z receptorami błonowymi lub wewnątrzkomórkowymi aktywują kaskady sygnałowe indukujące ekspresję cyklin.

Apoptoza

Genetycznie zaprogramowana, aktywna śmierć pojedynczych komórek (PCD typu I) wymagająca nakładu energii ATP, przebiegająca bez rozwoju stanu zapalnego, kluczowa dla homeostazy tkankowej i eliminacji uszkodzonych komórek.

Kaspazy

Cysteinowe proteazy z rodziny ICE hydrolizujące wiązania peptydowe za resztami kwasu asparaginowego, syntetyzowane w postaci nieaktywnych zymogenów (prokaspaz), będące kluczowymi enzymami wykonawczymi i inicjującymi apoptozy.

Kaspazy indukujące (inicjatorowe)

Grupa kaspaz aktywowana na wczesnych etapach szlaków apoptotycznych, do której należą kaspaza-2, kaspaza-8, kaspaza-9, kaspaza-10 oraz kaspaza-12.

Kaspazy wykonawcze (efektorowe)

Grupa kaspaz aktywowana proteolitycznie przez kaspazy inicjatorowe, odpowiedzialna za bezpośrednią degradację białek strukturalnych i enzymatycznych komórki; należą do nich kaspaza-3, kaspaza-6 i kaspaza-7.

Zewnętrzny szlak apoptozy (receptorowy)

Szlak śmierci indukowany przez związanie ligandów (np. FasL, TNF-$\\\alpha$, TRAIL) z receptorami śmierci nadrodziny TNF, co prowadzi do rekrutacji białka adaptorowego FADD i aktywacji prokaspazy-8 lub -10.

Białko FADD

Białko adaptorowe szlaku receptorowego apoptozy posiadające domenę śmierci DD (łączącą się z domeną DD receptora) oraz domenę efektorową śmierci DED (łączącą się z prokaspazą-8 lub -10).

Wewnętrzny szlak apoptozy (mitochondrialny)

Szlak apoptozy indukowany przez czynniki wewnątrzkomórkowe (stres oksydacyjny, uszkodzenia DNA, wysokie stężenie $Ca^{2+}$), w którym dochodzi do otwarcia porów PTP w mitochondriach i uwolnienia cytochromu c do cytozolu.

Apoptosom („koło śmierci”)

Cytoplazmatyczny kompleks wielobiałkowy powstający w obecności energii z połączenia cytochromu c, czynnika Apaf-1 oraz nieaktywnej kaspazy-9, prowadzący do jej aktywacji.

Białka rodziny Bcl-2

Rodzina białek regulujących integralność błony mitochondrialnej, dzieląca się na inhibitory apoptozy (np. Bcl-2, Bcl-XL, Mcl-1) oraz czynniki proapoptotyczne (np. Bax, Bak, Bid, Bad, Puma, Noxa).

Białka IAP (inhibitory apoptozy)

Endogenne białka działające antyapoptotycznie poprzez bezpośrednie hamowanie aktywności katalitycznej kaspaz wykonawczych (kaspazy-3 i -7) oraz kaspazy-9.

Szlak pseudoreceptorowy apoptozy

Szlak indukowany przez cytotoksyczne komórki układu odpornościowego (limfocyty Tc, NK, neutrofile), polegający na uwalnianiu perforyn i granzymu B w kierunku komórki docelowej.

Perforyna

Białko uwalniane z ziarnistości komórek cytotoksycznych, które w obecności jonów $Ca^{2+}$ polimeryzuje w błonie komórki docelowej, tworząc kanał umożliwiający wnikanie granzymów oraz zaburzający homeostazę osmotyczną.

Granzym B

Enzym uwalniany z ziarnistości cytotoksycznych, który wnika przez pory perforynowe i bezpośrednio aktywuje kaskadę kaspaz, degraduje białka cytoplazmatyczne oraz pośredniczy w cięciu białka Bid do tBid.

Szlak apoptozy siateczkowy (stresu ER)

Szlak indukowany nagromadzeniem nieprawidłowo sfałdowanych białek lub zaburzeniem stężenia jonów $Ca^{2+}$ w retikulum endoplazmatycznym, prowadzony m.in. przez kaspazę-12 i kalpainy.

Ciałka apoptotyczne

Otoczone integralną błoną komórkową pęcherzyki powstające w końcowej fazie apoptozy, zawierające fragmenty cytoplazmy, skondensowaną chromatynę i organelle, które ulegają bezodczynowej fagocytozie.

Nekroza (martwica)

Bierny proces śmierci komórki wywołany ciężkimi uszkodzeniami fizycznymi lub chemicznymi, charakteryzujący się obrzękiem komórki, pęknięciem błony plazmatycznej, wylaniem zawartości do przestrzeni międzykomórkowej i wywołaniem stanu zapalnego.

Autofagia (PCD typu II)

Ewolucyjnie konserwatywny proces lizosomalnego trawienia własnych organelli i makrocząsteczek w autofagosomach, podtrzymujący metabolizm w warunkach głodzenia lub usuwający agregaty białkowe.

Katastrofa mitotyczna

Forma śmierci komórki będąca wynikiem nieprawidłowego przebiegu mitozy i niewydolności punktów kontrolnych, prowadząca do powstawania komórek aneuploidalnych usuwanych głównie na drodze niezależnej od p53.

Onkoza

Pośredni stan prowadzący do śmierci komórki charakteryzujący się pęcznieniem organelli i komórek z powodu dysfunkcji pomp jonowych oraz drastycznego spadku stężenia ATP, wywoływany m.in. przez czynniki toksyczne i niektóre bakterie.

Pyroptoza

Prozapalna forma śmierci komórki zależna od kaspazy-1, w której dochodzi do aktywacji i sekrecji cytokin prozapalnych ($IL-1\\beta$ oraz $IL-18$) i lizy komórki, wywoływana m.in. przez zakażenia bakteriami Salmonella czy Shigella.

Protoonkogeny

Prawidłowe geny komórkowe kodujące białka promujące wzrost i podziały komórkowe lub hamujące apoptozę w warunkach fizjologicznych; ich mutacje aktywujące prowadzą do powstania onkogenów.

Geny supresorowe

Geny kodujące białka powstrzymujące niekontrolowany wzrost i podziały komórki, naprawiające DNA lub indukujące apoptozę; utrata obu alleli genu supresorowego sprzyja transformacji nowotworowej.

Geny bramkowe (gatekeepers)

Klasa genów supresorowych bezpośrednio hamujących wzrost guza poprzez blokowanie poszczególnych faz cyklu komórkowego lub kierowanie uszkodzonych komórek na drogę apoptozy (np. RB, p53).

Geny opiekuńcze (caretakers)

Klasa genów supresorowych odpowiedzialnych za utrzymanie stabilności genomowej i naprawę uszkodzeń DNA (np. BRCA1, BRCA2); ich inaktywacja sprzyja akumulacji mutacji w genomie.

Gen CDKN2A

Gen supresorowy kodujący z nakładających się ramek odczytu dwa białka regulatorowe: $p16^{INK4a}$ oraz $p14^{ARF}$ ($p14^{INK4d}$), często ulegający mutacji lub hipermetylacji w czerniaku i glejaku wielopostaciowym.

Białko E6 wirusa HPV

Wirusowe białko onkogenne prowadzące do degradacji supresorowego białka p53, hamowania ekspresji $p16^{INK4a}$, aktywacji telomerazy i unikania apoptozy w zainfekowanych komórkach.

Białko E7 wirusa HPV

Wirusowe białko onkogenne wiążące i inaktywujące białko Rb oraz inhibitory $p21^{Cip1}$ i $p27^{Kip1}$, co skutkuje uwolnieniem czynnika E2F i niekontrolowanym wejściem komórki w fazę $S$.

Cytostatyki fazowozależne

Leki przeciwnowotworowe wykazujące selektywne działanie bójcze w konkretnych fazach cyklu komórkowego (np. faza $S$: 5-fluorouracyl, metotreksat; faza $M$: winkrystyna, paklitaksel; faza $G_2$: bleomycyna).

Doksorubicyna

Cytostatyk z grupy antybiotyków antracyklinowych działający najsilniej w fazach $S$ i $M$, wbudowujący się do DNA, hamujący topoizomerazę II oraz generujący wolne rodniki.