Cykl komórkowy i starzenie komórkowe

Kluczowe terminologie i procesy adaptacyjne komórek

• Proliferacja: Proces zwiększania liczby komórek poprzez podziały. Tempo zależy od odsetka komórek w cyklu komórkowym.

• Hipertrofia (przerost): Zwiększenie masy tkanki przez wzrost objętości i masy komórek, a nie ich liczby.     * Przykład fizjologiczny: powiększenie włókien mięśniowych pod wpływem ćwiczeń.     * Przykład patologiczny: przerost kardiomiocytów w odpowiedzi na nadciśnienie tętnicze.

• Hiperplazja (rozrost): Zwiększenie liczby komórek w wyniku wzmożonej proliferacji.     * Fizjologiczna: gruczoły piersiowe w ciąży.     * Kompensacyjna: regeneracja wątroby po usunięciu do $\frac{2}{3}$ jej masy; odnowa szpiku po krwotoku.

• Atrofia (zanik): Zmniejszenie objętości komórki, tkanki lub narządu.     * Przykład: zanik nabłonka pochwy w okresie menopauzy.

• Metaplazja: Odwracalne przekształcenie jednego typu dojrzałych komórek w inny typ. Reakcja na przewlekłe czynniki szkodliwe.     * Przykład: u palaczy nabłonek wielorzędowy walcowaty w oskrzelach zmienia się w wielowarstwowy płaski.     * Przełyk Barretta: zmiana nabłonka płaskiego na walcowaty pod wpływem treści żołądkowej.

• Protoonkogeny: Geny kodujące białka regulujące proliferację (czynniki wzrostu, receptory, kinazy). Mutacja może zmienić je w onkogeny.

• Geny supresorowe: Geny hamujące podziały komórkowe (antyonkogeny). Ich mutacje są recesywne (muszą dotyczyć obu alleli).

• Starzenie komórkowe: Nieodwracalne zatrzymanie cyklu komórkowego z zahamowaniem apoptozy i wykształceniem fenotypu sekrecyjnego (SASP).

Organizacja cyklu komórkowego i losy komórek

• Definicja: Szereg procesów zachodzących od powstania komórki do jej podziału.

• Etapy: Faza $G1$, $S$ (synteza DNA), $G2$ i $M$ (mitoza).

• Kierunki po podziale:     * Dalsza proliferacja (np. komórki macierzyste nabłonków, szpik).     * Faza spoczynkowa $G0$ (quiescence): Komórka metabolicznie aktywna, może wrócić do cyklu w sprzyjających warunkach.     * Różnicowanie: Terminalne różnicowanie prowadzi do stałej utraty zdolności podziału (np. kardiomiocyty, neurony).     * Starzenie lub apoptoza: W przypadku nieusuwalnych uszkodzeń DNA.

• Warunki podziału somatycznego:     1. Zachowanie identyczności genetycznej (replikacja w fazie $S$).     2. Precyzyjny rozdział materiału (mitoza i cytokineza w fazie $M$).

• Czas trwania:     * Zarodek przedimplantacyjny: $4-12 ext{ godzin}$.     * Komórka somatyczna człowieka: do $24 ext{ godzin}$ ($G1 ext{ ok. } 11 ext{ h}$, $S ext{ ok. } 8 ext{ h}$, $G2 ext{ ok. } 4 ext{ h}$, $M ext{ ok. } 1 ext{ h}$).

Wewnątrzkomórkowa regulacja cyklu: Cykliny i kinazy CDK

• Kompleksy cyklina-CDK: Podjednostka regulatorowa (cyklina) + podjednostka katalityczna (kinaza zależna od cykliny).

• Charakterystyka kompleksów:     * Faza $G1$: Cykliny $D$ / $CDK4(6)$.     * Przejście $G1/S$: Cyklina $E$ / $CDK2$.     * Faza $S$: Cyklina $A$ / $CDK2$ oraz Cyklina $A$ / $CDK1$.     * Faza $G2$: Cyklina $A$ / $CDK1$.     * Przejście $G2/M$ i faza $M$: Cyklina $B$ / $CDK1$ (kompleks $MPF$).

• Mechanizmy kontroli CDK:     * Fosforylacja aktywująca: Kinaza $CAK$ (kompleks Cyklina $H$ / $Cdk7$) fosforyluje treoninę w pozycji $160$, zwiększając aktywność $CDK$ ponad $300$-krotnie.     * Fosforylacja hamująca: Kinazy rodziny $WEE1$ ($WEE1$, $PKMYT1$, $WEE1B$) na treoninę $14$ i tyrozynę $15$.     * Defosforylacja aktywująca: Fosfatazy rodziny $CDC25$ ($CDC25A$ w fazie $S$, $CDC25B$ i $C$ w przejściu $G2/M$).     * Inhibitory $CKI$:         * Rodzina INK4 ($p16, p15, p18, p19$): Specyficzne dla $CDK4/6$ w fazie $G1$.         * Rodzina CIP/KIP ($p21, p27, p57$): Hamują większość kompleksów cyklina/CDK.

• Degradacja białek:     * APC/C (Cyklosom): Ligaza ubikwityny $E3$. Współpracuje z $CDC20$ (wejście w anafazę) i $CDH1$ (wyjście z anafazy, telofaza).     * Białka SCF: Stała aktywność; ubikwitynują substraty wcześniej ufosforylowane przez $CDK$.

Punkty kontrolne i odpowiedź na uszkodzenia DNA (DDR)

• Punkt restrykcyjny R (G1/S): Decyduje o wejściu w cykl bez powrotu. Sprawdza czynniki wzrostu, wielkość komórki i stan DNA.

• Punkt kontrolny fazy S: Monitoruje widełki replikacyjne i uszkodzenia DNA.

• Punkt kontrolny G2/M: Sprawdza, czy replikacja została zakończona i czy DNA jest nieuszkodzony.

• Punkt kontrolny wrzeciona (SAC): Sprawdza ułożenie chromosomów w płytce równikowej i ich połączenie z mikrotubulami.

• Ścieżki sygnałowe DDR:     * Sensor: ATM (pęknięcia obu nici DNA) oraz ATR (jednoniciowy DNA, stres replikacyjny).     * Przekaźniki: Kinazy CHK1 i CHK2.     * Efektor: Białko p53 (strażnik genomu).         * W normie: degradowane w proteasomach po połączeniu z MDM2.         * Po uszkodzeniu DNA: fosforylacja p53 i dysocjacja od MDM2.         * Działanie p53: Indykuje białko p21 ($CKI$), zatrzymując cykl celem naprawy. Jeśli naprawa zawiedzie, indukuje białka proapoptotyczne (Puma, Bax, Bak).

Szczegółowa charakterystyka faz interfazy (G1, S, G2)

• Faza G1:     * Kluczowy szlak: Białko RB / E2F.     * W spoczynku: nieufosforylowane RB wiąże czynnik E2F, hamując transkrypcję.     * Po stymulacji: Kompleksy Cyklina $D/CDK4(6)$ fosforylują RB, uwalniając E2F.     * E2F aktywuje geny Cyklin $E$, $A$, fosfatazy $CDC25A$ oraz polimerazy DNA.

• Faza S:     * Replikacja semikonserwatywna: Masa DNA wzrasta z $6$ do $12 ext{ pg}$, długość z $1,8$ do $3,6 ext{ m}$, liczba chromosomów (z chromatydami) z $46$ do $92$.     * Kolejność: Najpierw euchromatyna, potem heterochromatyna.     * Tempo: $10-100 ext{ nukleotydów/s}$.     * Cykl centrosomowy: Podwojenie centrosomów (centriole odsuwają się i powstają centriole potomne).     * Bookmarkingu (Pamięć komórkowa): Odtwarzanie wzoru metylacji DNA i kodu histonowego (udział białka PCNA i chaperonów).

• Faza G2:     * Synteza tubulin, białek regulatorowych i lipidów dla nowych błon.     * Gromadzenie kompleksu $MPF$ (Cyklina $B/CDK1$).     * Aktywacja wejścia w mitozę przez fosfatazę CDC25C, która usuwa hamujące fosforany z $CDK1$.

Faza M: Kariokineza i jej etapy

• Profaza:     * Kompakcja chromatyny: Udział kondensyn i kohezyn (rodzina białek SMC). Pierścienie kohezyn ($ext{średnica } ext{ok. } 40 ext{ nm}$) łączą chromatydy siostrzane.     * Dojrzewanie centrosomów: Wzrost liczby pierścieni $\gamma$-tubuliny.     * Wrzeciono podziałowe: Zbudowane z mikrotubul: kinetochorowych, ramiennych, biegunowych i astralnych.     * Fragmentacja aparatu Golgiego i ER.

• Prometafaza:     * Rozpad otoczki jądrowej: Fosforylacja lamin i nukleoporyny Nup98 przez $CDK1$.     * Połączenie kinetochorów z mikrotubulami (losowe, końcami plus).

• Metafaza:     * Utworzenie płytki równikowej (równikowej).     * Układ amfiteliczny: Prawidłowe połączenie kinetochorów siostrzanych z przeciwnymi biegunami.     * Korekta błędów (monotelicznych, syntelicznych, merotelicznych): Udział kompleksu CPC z kinazą Aurora B, która fosforyluje białko NDC80, umożliwiając odłączenie błędnej mikrotubuli.

• Anafaza:     * Degradacja sekuryny przez $APC/C-CDC20$.     * Aktywacja separazy, która przecina białko RAD21 w kohezynie.     * Anafaza A: Chromatydy idą do biegunów przez depolimeryzację mikrotubul kinetochorowych (prędkość $1-2,5 ext{ } \mu m/min$).     * Anafaza B: Wydłużanie wrzeciona, odsuwanie centrosomów.

• Telofaza:     * Dekondensacja chromosomów, odtworzenie otoczki (udział Ran-GTP i defosforylacja lamin przez PP1).     * Reaktywacja transkrypcji i odbudowa jąderka (udział nukleoliny i białka B23).

Cytokineza i powrót do fazy G1/G0

• Mechanizm: Powstanie pierścienia kurczliwego (filameny aktynowe i miozyna typu II).

• Regulacja: Białko RhoA (GTP-aza) kontroluje polimeryzację aktyny.

• Przebieg:     * Wytworzenie bruzdy podziałowej.     * Powstanie mostka cytoplazmatycznego z ciałkiem środkowym (ponad $160$ białek).     * Abscysja: Ostateczne rozdzielenie komórek potomnych.

• Faza G0: Stan spoczynkowy, obecność rzęski pierwotnej. Powrót do cyklu (np. hepatocyty, limfocyty pamięci) stymulowany przez czynniki zewnętrzne.

• Endoreduplikacja: Odmiana cyklu (synteza DNA bez pełnej mitozy). Prowadzi do poliploidii (trofoblast, megakariocyty).

Patologia cyklu: Nowotworzenie i onkogeneza wirusowa

• Onkoproteiny: Nadmiernie pobudzają wzrost (mutacje typu gain-of-function).     * Czynniki wzrostu ($PDGF$, $FGF$), receptory ($HER2/Neu$, $EGFR$), kinazy ($AKT$, $mTOR$, $Ras$), czynniki transkrypcyjne ($Myc$, $Fos$, $Jun$).

• Białka supresorowe: Utrata funkcji prowadzi do braku kontroli (mutacje recesywne).     * PTEN: Fosfataza hamująca szlak $PI-3K/AKT$.     * p53: Najczęściej zmutowany gen w nowotworach (średnio $38 \%$, w raku jajnika ponad $90 \%$).     * RB, p16, APC (degradacja $\beta$-kateniny).

• Wpływ wirusów:     * Retrowirusy: Wbudowują prowirusy; gen v-src koduje kinazę $p60-src$ stymulującą podziały.     * HPV: Białka wirusowe hamują $p21$, $p27$, unieczynniają $p53$ i $RB$, aktywując cykliny $A$ i $E$.     * KSHV: Koduje v-cyklinę (homolog cykliny $D2$), co prowadzi do mięsaka Kaposiego.

Klasyfikacja populacji komórkowych i starzenie

• Typy populacji:     1. Macierzyste: Zachowują zdolność podziału (np. nisze w naskórku, szpiku).     2. Odnawiające się: Ciągłe podziały (np. nabłonki).     3. Spoczynkowe: Faza $G0$, dzielą się rzadko (np. hepatocyty, fibroblasty).     4. Niedzielące się: Terminalnie zróżnicowane (neurony, kardiomiocyty).

• Starzenie komórkowe (Cechy):     1. Zatrzymanie cyklu.     2. Zahamowanie apoptozy.     3. Fenotyp SASP (senescence-associated secretory phenotype) – wydzielanie czynników prozapalnych.

• Przyczyny starzenia: Skracanie telomerów (odkrycie Hayflicka), niestabilność genomu, stres epigenetyczny i metaboliczny, dysfunkcja mitochondriów, inflammaging (stan zapalny związany ze starzeniem).