7) buněčný cyklus

biogenní zákon

Rudolf Virchow (1821-1902), kde existuje buňka, musí existovat předchozí buňka, která jí umožnila vzniknout, podobně jako živočich vzniká pouze z jiného živočicha a rostlina z jiné rostliny → Omnis cellula e cellula

buněčný pohled aplikoval na patologické stavy:„nemoci jsou důsledkem poruch buněk“

Jaký je klíčový princip buněčného cyklu?

Uspořádaný sled událostí, při kterých buňka zdvojí svůj obsah a rozdělí se.

Jaký je cíl buněčného cyklu?

Uspořádání buněčných procesů do logického sledu pro úspěšnou replikaci genomu a segregaci dceřiných buněk.

Jaké jsou klíčové procesy buněčného cyklu?

Vytváření nových struktur, jejich doprava a rozdělení do dceřiných buněk.

Cyklus u jednobuněčných organismů

sladění buněčného dělení s růstem (udržování správné velikosti buněk)

Jaké faktory ovlivňují buněčný cyklus u mnohobuněčných organismů?

Sladění buněčného dělení s vývojem tkání a udržování homeostáze.

kdy se dělí buňky mnohobuněčných organismů

buňky se dělí jen tehdy, je-li to potřebné (např. nahrazení odumírajících buněk, hojení poranění)

Jak se ztráta kontroly nad buněčným cyklem projevuje?

Nádorovou transformací.

obecné prinicpy kontroly buněčného cyklu

- specifické proteiny v každé fázi díky proměnlivým expresním profilům

- syntéza proteinů indukujících návaznou fázi

- likvidace nepotřebných proteinů dokončených fází

- logická návaznost fází:

- mitóza nesmí začít před dokončením replikace DNA (riziko ztráty genetického materiálu)

- nesmí dojít k opakované replikaci téhož chromozomu v rámci jednoho cyklu (riziko amplifikace a navýšení exprese genů - snížení životaschopnosti)

jak na sebe fáze buněčného cyklu navazují

M fáze, interfáze (G1, S, G2)

M fáze:

- jaderné dělení (mitóza) + dělení cytoplazmy (cytokineze)

- dobře pozorovatelná mikroskopií

interfáze:

příprava na fázi M

G1

metabolická aktivita, růst buňky, zdvojování organel

S

replikace DNA

G2

etabolická aktivita, syntéza proteinů potřebných pro vstup do mitózy

přesnost cyklu

využívá kontrolních bodů, které znemožňují zahájení následného kroku před dokončením kroku předchozího

jak mohou být konttrolní body poškozeny

kontrolní body mohou být poškozeny mutacemi - riziko nadměrného růstu/dělení buněk – tvorba nádorů

podobně jako transkripce a translace je i řízení buněčného cyklu optimalizováno v průběhu evoluce a dlouhodobě se udržuje

liší se regulace buněčného cyklu mezi organismy?

systém regulace replikace DNA a segregace chromozomů je u všech eukaryotických buněk totožný

Principy regulace cyklu

- centrální ovladač aktivuje cyklus a řídí jej v pevně dané posloupnosti fází

- průběh cyklu kontrolován v kritických bodech

- v případě potřeby může být v nich pozastaven

- posloupnost fází se nemění i když se některá z nich protáhne

Dva hlavní kontrolní body:

pozdní G1 a G2

funkce pozdních kontrolních bodů G1 a G2

- pozastavení cyklu před vstupem do fáze S, resp. M

- kontrola velikosti buňky

- kontrola dostupnosti živin

- kontrola celistvosti DNA

Ústřední regulační systém

- cykliny a cyklin-dependentní kinázy (CDK)

- specifické degradační systémy

co jsou to Cykliny?

- proteiny schopné vazby na cyklin-dependentní kinázy

- pozitivní regulátory

- zajišťují správné časování jejich aktivity

- nemají enzymovou aktivitu, ale interakcí s CDK ji aktivují

jak funkgují cyklin-dependentní kinázy

- fosforylují klíčové regulátory jednotlivých fází

- fyzicky přítomny v průběhu celého cyklu

- aktivují se jen v jeho určité fázi

- aktivita cyklicky stoupá a klesá

- Pro každou fázi existují specifické komplexy cyklin-Cdk

- každý z komplexů má za úkol zajistit specifickou fázi cyklu

fázi M zajišťuje komplex

cyklinu B a CDK (MPF)

cyklin fáze G1

cyklin fáze G1 se váže na Cdk a zajišťuje procesy fáze G1, včetně iniciace tvorby cyklinu fáze S

cyklin fáze S

cyklin fáze S se váže na Cdk a zajišťuje vstup do fáze S

co znamená že cykliny a Cdk jsou evolučně konzervativní

- jen nepatrné strukturní odlišnosti u různých organismů

- defektní cyklin nebo Cdk u kvasinek může být nahrazen lidskými variantami těchto proteinů

MPF: Mitosis-promoting factor

komplex Cdk a cyklinu zodpovědný za vstup buněk do M-fáze

Objev MPF

- mikroinjekce cytoplazmy vajíček drápatky ve fázi M do interfázových oocytů

- M-fázová cytoplazma (nikoliv interfázová kontrola) indukuje zahájení mitózy oocytů

- důsledek přítomnosti MPF

funkce MPF

rozpad jaderné membrány, tvorba mitotického vřeténka, kondenzace chromozomů, degradace cyklinu B

rozpad jaderné membrány

důsledek fosforylace proteinů jaderné laminy

tvorba mitotického vřeténka

důsledek fosforylací proteinů asociovaných s mikrotubuly

kondenzace chromozomů

důsledek fosforylace chromozomových proteinů

degradace cyklinu B

důsledek fosforylace jednoho z proteinů, který za rozklad cyklinu B zodpovídá

degradační systémy

odstraňují nepotřebné proteiny předchozích fází pomocí proteazomu, zapojují se do regulačních procesů

co jet o APC/cyklozom?

APC (anaphase-promoting complex) je ubikvitinligáza, která zajišťuje specifické značení proteinů určených k likvidaci (cyklin B) polyubikvitinovou značkou

kovalentně připojený polyubikvitinový řetězec nasměruje svůj substrát do proteazomu, kde je enzymaticky rozložen

Značení proteinů ubikvitinem

kovalentní připojení několika kopií ubikvitinu k lyzinu substrátového proteinu ubikvitinligázou

APC/cyklozom a regulace cyklinu B

cyklozom zajišťuje pokles hladiny cyklinu B tím, že zprostředkovává jeho proteazomovou degradaci

jak je aktivita Cdk regulována fosforylací/defosforylací

- koncentrace cyklinu narůstá postupně, zatímco MPF se aktivuje náhle na konci interfáze

- přítomnost cyklinu není jedinou podmínkou aktivace Cdk

- aktivační fosforylace určité aminokyseliny Cdk

- aktivační defosforylace jiné - odstranění inhibičního fosfátu

- aktivní MPF pozitivní zpětnou vazbou posiluje funkci aktivační fosfatázy a inhibuje inhibiční kinázu

likvidace cyklinů

- ubikvitin/proteazom

- inaktivace Cdk je důsledkem prudkého poklesu koncentrace cyklinů

- hladina cyklinů klesá po ubikvitinaci a následné degradaci v proteazomu

signály řídící proliferaci u mnohobuněčných

- jsou produkovány buňkami téhož organismu

- zajišťují růst a dělení buňky jen v případě potřeby (vývoj / homeostáze / náhrada tkáně)

signály řídící proliferaci u jednobuněčných

proliferaci určuje jen dostupnost živin

Zastavení buněčného cyklu

- vstup do klidové fáze G0:

- např. v důsledku absence růstových faktorů (po jejich dodání se cyklus obnoví)

- vstup do postmitotické fáze:

- týká se vysoce diferencovaných buněk, které se až do své smrti nedělí

jak růstové faktory stimulují cyklus?

- aktivují receptory a ty signál předají do vnitřního prostředí buňky

- konečným důsledkem je zvýšená exprese proliferačních genů, např. genu pro cyklin D (regulátor CDK fáze G1)

- buňka překonává důležitý kontrolní bod v pozdní fázi G1 (bod restrikce)

- později už průchod cyklem nemůže být z vnějších příčin pozdržen

Jak cyklin D pomáhá překonat bod restrikce?

- spojí se s CDK fáze G1

- komplex cyklin D/CDK4 fosforyluje protein Rb

- nefosforylovaný Rb váže klíčový faktor fáze S – transkripční faktor E2F

- následkem interakce s RB je inaktivace E2F

- fosforylovaný Rb ztrácí schopnost vazby E2F

- aktivovaný E2F zajistí expresi genů S-fáze

jaké jsou funkce proteinu Rb

- nádorový supresor, negativní regulátor buněčného cyklu

- jaderný protein, který váže regulační proteiny (např. E2F) a tlumí jejich transaktivační schopnost, čímž znemožní expresi proliferačních genů

- za přítomnosti růstových faktorů se Rb fosforyluje, čímž uvolní E2F a umožní mu zajištění exprese proliferačních genů

jak objeven Rb

objeven při studiu dětských očních nádorů – retinoblastomů

Růstové faktory stimulují buněčný cyklus inaktivací Rb

- povrchové receptory - nitrobuněčná signalizace tvorba a aktivace komplexů cyklin-Cdk fáze G1

- fosforylace Rb

- uvolnění regulačních proteinů (E2F)

- transkripce cílových genů E2F

- aktivace cyklu

- proliferace buněk

Růstový faktor PDGF

- růstový faktor krevních destiček (platelet-derived growth factor)

- poranění – srážení krve – krevní destičky uvolňují PDGF

- v místě poranění se PDGF váže na receptorové tyrozinkinázy přeživších buněk a stimuluje jejich buněčný cyklus

- dráha: ligand – receptor – cyklin D – Rb – E2F => zhojení rány

co je to p53

- chrání DNA před mutacemi

- transkripční faktor

- pozastavením cyklu umožňuje opravu poškozené DNA

- dokáže indukovat i programovanou smrt buněk s výrazně poškozenou DNA

Co se stane při špatné funkci proteinu p53?

Může dojít k genetické nestabilitě.

v co vyústí absence p53

- nemožnost pozastavení buněčného cyklu

- replikace neopravené DNA

- hromadění mutací

- riziko vzniku nádorů

- Mutace v genu p53 se objevují u více než 50% lidských zhoubných nádorů

jaké geny bývají mutovány u nádorových onemocnění

- onkogeny (protoonkogeny u zdravých)

- nádorové supresory

- ke kancerogenezi přispívá vysoká aktivita onkogenů a nedostatečná aktivita nádorových supresorů

role onkogenů

- onkogeny jsou odvozeny z proliferačních genů, tzv. protoonkogenů jejichž produkty napomáhají buněčnému dělení

- mutacemi jsou u nádorových buněk hyperaktivovány

- pro manifestaci poškození postačuje mutace v jedné alele diploidního organismu (dominantní účinek)

role nádorových supresorů

- nádorové supresory jsou odvozeny z antiproliferačních genů, jejichž produkty zpomalují buněčný cyklus v kontrolních bodech

- mutacemi jsou u nádorových buněk inaktivovány

- pro manifestaci poškození musí být inaktivovány obě alely diploidního organismu (recesivní účinek

Jaké jsou funkce onkogenů?

- velmi rozmanité, kódují různé elementy prorůstových signálních drah:

- růstové faktory

- receptory

- přenašeče signálů

- transkripční faktory

- nádorotvorné mutace funkce onkogenů posilují

Stárnutí buněk

- i za přítomnosti růstových faktorů je počet dělení buněk omezen

- molekulární podstata spočívá v postupném zkracování telomer, tj. koncových částí chromozomů

- nádorové buňky aktivací telomerázy erozi telomer eliminují – jsou nesmrtelné

počet dělení fibroblastů lidského plodu vs. dospělého člověka

- fibroblasty lidského plodu se mohou dělit cca 80x, pak se dělit přestávají i za pro-proliferačních podmínek

- fibroblasty získané od dospělého člověka se přestávají dělit po menším počtu dělení

Buňky HeLa

- odebrány v lednu 1951 ze sliznice děložního čípku Henrietty Lacksové (1920-1951) bez jejího vědomí

- stále plně životaschopné

- celosvětově laboratorně užívané

- testují se na nich nové léky

- nakazila se papilomavirem, který poškodil DNA buněk jejího děložního čípku

- agresivní nádorové buňky se rozšířily do všech tělních orgánů a způsobily smrt

co je to apoptóza

programovaná buněčná smrt

absence faktorů pro přežití:

aktivace sebedestrukčního programu a zánik buňky programovanou buněčnou smrtí

tím je zajištěno přežívání buněk jen na správných místech a ve správném čase

kde probíhá apoptóza

probíhá ve vyvíjejících se i dospělých tkáních

důvody k apoptóze

- tvarování orgánů v průběhu embryonálního vývoje: např. prsty

- odstraňování nepotřebných tělních struktur: např. přeměna pulce v žábu

- regulace počtu buněk: např. sladění počtu nervových buněk s buňkami cílovými

- u dospělých: vyvažování buněčné proliferace, zabránění nadměrnému růstu tkání

Průběh apoptózy

- spořádaná likvidace buněčných struktur bez zátěže pro okolní buňky

- zmenšení a kondenzace buňky

- fragmentace jaderné DNA

- štěpení proteinů

- změny v pl. membráně

- rozpad na apoptotická tělíska

- fagocytóza

Mechanismus apoptózy

- výkonný aparát zajišťují kaspázy, tj. proteázy, které se aktivují vlastní proteolýzou

- aktivace nastává po přijetí specifických signálů

- každá kaspáza má určité spektrum substrátů, které rozkládá

Selhání apoptózy

- poruchy vývoje

- poruchy homeostáze

- rakovina

charakterostola rakovinných buněk

- nereagují na regulační signály

- mutace vyřadí z provozu běžné regulační mechanismy

- buňka proliferuje bez zábran

- selhává apoptóza a regulace buněčného cyklu

- podobné vlastnosti získá potomstvo postižené buňky – vzniká nádor

shrnutí

- buněčný cyklus zajišťují specifické kinázy, které se v jednotlivých fázích zapínají pomocí cyklinů a fosforylací aktivují takové substráty, které jsou nutné pro tvorbu proteinů dané fáze

- přísná regulace cyklu je důležitým předpokladem homeostáze a ochrany před tvorbou nádorů

- životaschopnost a programovaná smrt buněk jsou rovněž předmětem důsledné regulace

- onkogeny a nádorové supresory rozhodují o rychlosti, s jakou buňky proliferují a jejich nedostatečná funkce může ohrozit život mnohobuněčného organismu