Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

G 2 фазы , Зазор 2 фазы , или рост 2 фазы , является третьей подфазой из интерфазы в клеточном цикле , непосредственно предшествующий митоз . Из этого следует , успешное завершение фазы S , в течение которого ячейки ДНК будет воспроизведена . Фаза G 2 заканчивается началом профазы , первой фазы митоза, в которой хроматин клетки конденсируется в хромосомы .

Фаза G 2 - это период быстрого роста клеток и синтеза белка, во время которого клетка готовится к митозу. Любопытно, что фаза G 2 не является необходимой частью клеточного цикла, поскольку некоторые типы клеток (особенно молодые эмбрионы Xenopus [1] и некоторые виды рака [2] ) переходят непосредственно от репликации ДНК к митозу. Хотя многое известно о генетической сети, которая регулирует фазу G2 и последующее вступление в митоз, еще многое предстоит открыть в отношении ее значения и регуляции, особенно в отношении рака. Одна из гипотез состоит в том, что рост G 2фаза регулируется как метод контроля размера ячеек. Делящиеся дрожжи ( Schizosaccharomyces pombe ), как было ранее показано, используют такой механизм через Cdr2-опосредованную пространственную регуляцию активности Wee1 . [3] Хотя Wee1 является довольно консервативным негативным регулятором митотического входа, общий механизм контроля размера клеток в G2 еще не выяснен.

Биохимически конец фазы G 2 наступает при достижении порогового уровня активного комплекса циклин B1 / CDK1 , также известного как фактор, способствующий созреванию (MPF). [4] Активность этого комплекса строго регулируется во время G 2 . В частности, контрольная точка G 2 задерживает клетки в G 2 в ответ на повреждение ДНК посредством ингибирующей регуляции CDK1.

Гомологичная рекомбинационная репарация [ править ]

Во время митотической фазы S , репликация ДНК производит два почти идентичных сестринских хроматид . Двухцепочечные разрывы ДНК, возникающие после прогрессирования репликации или во время фазы G2, могут быть восстановлены до того, как произойдет деление клеток (М-фаза клеточного цикла ). Таким образом, во время фазы G2 двухцепочечные разрывы в одной сестринской хроматиде могут быть репарированы путем гомологичной рекомбинационной репарации с использованием другой интактной сестринской хроматиды в качестве матрицы. [5]

Конец G 2 / вступление в митоз [ править ]

См. Также: Фактор, способствующий созреванию, и биохимические переключатели в клеточном цикле

Вступление в митоз определяется пороговым уровнем активного комплекса циклин-B1 / CDK1, также известного как циклин-B1 / Cdc2 или фактор, способствующий созреванию (MPF). Активный cyclin-B1 / CDK1 запускает необратимые действия на ранних этапах митоза, включая разделение центросом , разрыв ядерной оболочки и сборку веретена . У позвоночных существует пять изоформ циклина B ( B1 , B2 , B3 , B4 и B5 ), но специфическая роль каждой из этих изоформ в регуляции митотического входа все еще неясна. Известно, что циклин B1 может компенсировать потерю как циклина B2 (и наоборот у Drosophila).). [6] Saccharomyces cerevisiae содержит шесть циклинов B-типа (Clb1-6), причем Clb2 является наиболее важным для функции. Как у позвоночных, так и у S. cerevisiae предполагается, что присутствие множественных циклинов B-типа позволяет различным циклинам регулировать разные части перехода G2 / M, в то же время делая переход устойчивым к возмущениям. [7]

Последующие обсуждения будут сосредоточены на пространственной и временной активации cyclin B1 / CDK в клетках млекопитающих, но сходные пути применимы как у др. Многоклеточных животных, так и у S. cerevisiae.

Синтез и деградация циклина B1 [ править ]

Уровни циклина B1 подавляются на протяжении фаз G1 и S комплексом, стимулирующим анафазу (APC), убиквитин-лигазой E3, которая нацелена на циклин B1 для протеолиза. Транскрипция начинается в конце S-фазы после репликации ДНК в ответ на фосфорилирование факторов транскрипции, таких как NF-Y , FoxM1 и B-Myb , комплексами G1 и G1 / S циклин-CDK. [8]

Регуляция активности циклин-B1 / CDK1 [ править ]

Повышенные уровни циклина B1 вызывают повышение уровней комплексов циклин B1-CDK1 во всем G2, но комплекс остается неактивным до перехода G2 / M из-за ингибирующего фосфорилирования киназами Wee1 и Myt1. Wee1 локализуется преимущественно в ядре и действует на сайт Tyr15, тогда как Myt1 локализован на внешней поверхности ER и действует преимущественно на сайте Thr14.

Эффекту Wee1 и Myt1 противодействуют фосфатазы семейства cdc25, которые удаляют ингибирующие фосфаты на CDK1 и, таким образом, превращают комплекс циклин B1-CDK1 в его полностью активированную форму, MPF.

Эта диаграмма иллюстрирует петли обратной связи, лежащие в основе перехода G2 / M. Циклин-B1 / CDK1 активирует Plk и инактивирует Wee1 и Myt1. Activated Plk активирует cdc25. Активация Cdc25 и инактивация Wee1 / Myt1 приводят к дальнейшей активации Cyclin-B1 / CDK1. Также показана предполагаемая роль cyclin-A / CDK2 и Cdc25A как начальных активаторов петли обратной связи, обсуждаемой в более позднем разделе.

Активный циклинB1-CDK1 фосфорилирует и модулирует активность Wee1 и изоформ A и C Cdc25. В частности, фосфорилирование CDK1 ингибирует активность киназы Wee1, активирует активность фосфатазы Cdc25C посредством активации промежуточной киназы PLK1 и стабилизирует Cdc25A. Таким образом, CDK1 формирует петлю положительной обратной связи с Cdc25 и двойную петлю отрицательной обратной связи с Wee1 (по сути, чистый контур положительной обратной связи).

Положительный отзыв и активация переключателя [ править ]

Этот график иллюстрирует стабильное равновесие активности циклина-B1 / CDK1 при различных концентрациях циклина B1, при этом порог концентрации циклина B для входа в митоз выше порога для выхода из митоза.

Эти контуры положительной обратной связи кодируют гистерезисный бистабильныйпереключение активности CDK1 относительно уровней циклина B1 (см. рисунок). Это переключение характеризуется двумя отчетливыми стабильными равновесиями в бистабильной области концентраций циклина B1. Одно равновесие соответствует интерфазе и характеризуется неактивностью Cyclin-B1 / CDK1 и Cdc25 и высоким уровнем активности Wee1 и Myt1. Другое равновесие соответствует М-фазе и характеризуется высокой активностью Cyclin-B1 / CDK1 и Cdc25 и низкой активностью Wee1 и Myt1. В пределах диапазона бистабильности состояние клетки зависит от того, была ли она ранее в интерфазе или в М-фазе: пороговая концентрация для входа в М-фазу выше, чем минимальная концентрация, которая будет поддерживать активность М-фазы после того, как клетка уже вышла из интерфазы. .

Ученые теоретически и эмпирически подтвердили бистабильную природу перехода G2 / M. Модель Новака-Тайсона показывает, что дифференциальные уравнения, моделирующие петлю обратной связи cyclin-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1, допускают два стабильных равновесия в диапазоне концентраций циклина-B. [9]Экспериментально бистабильность была подтверждена блокированием синтеза эндогенного циклина B1 и титрованием интерфазных и M-фазных клеток с различными концентрациями неразлагаемого циклина B1. Эти эксперименты показывают, что пороговая концентрация для входа в M-фазу выше, чем пороговая для выхода из M-фазы: разрыв ядерной оболочки происходит между 32-40 нм циклина-B1 для клеток, выходящих из интерфазы, в то время как ядро ​​остается дезинтегрированным при концентрациях выше 16-24 нм в клетках уже в М-фазе. [10]

Этот бистабильный гистерезисный переключатель физиологически необходим как минимум по трем причинам. [11] Во-первых, переход G2 / M сигнализирует о начале нескольких событий, таких как конденсация хромосом и разрушение ядерной оболочки, которые заметно изменяют морфологию клетки и жизнеспособны только в делящихся клетках. Следовательно, важно, чтобы активация cyclin-B1 / CDK1 происходила подобно переключателю; то есть клетки должны быстро переходить в дискретное М-фазовое состояние после перехода и не должны сохраняться в континууме промежуточных состояний (например, с частично разложенной ядерной оболочкой). Этому требованию удовлетворяет резкий разрывразделение уровней межфазного и М-фазового равновесия активности CDK1; когда концентрация циклина-B превышает порог активации, клетка быстро переключается в состояние равновесия M-фазы.

Во-вторых, также важно, чтобы переход G2 / M происходил однонаправленно или только один раз за клеточный цикл. Биологические системы изначально зашумлены , и небольшие колебания концентраций циклина B1 вблизи порога перехода G2 / M не должны вызывать переключение клетки. назад и вперед между межфазным и M-фазным состояниями. Это обеспечивается бистабильным характером переключателя: после перехода клетки в состояние M-фазы небольшое уменьшение концентрации циклина B не заставляет клетку переключаться обратно в межфазное состояние.

Наконец, для продолжения клеточного цикла необходимы постоянные колебания активности cyclin-B / CDK1, когда клетка и ее потомки переходят в М-фазу и выходят из нее. Отрицательная обратная связь обеспечивает один важный элемент этой долговременной осцилляции: циклин-B / CDK активирует APC / C, что вызывает деградацию циклина-B из метафазы и далее, возвращая CDK1 в неактивное состояние. Однако простые контуры отрицательной обратной связи приводят к затухающим колебаниям, которые в конечном итоге устанавливаются на установившееся состояние. Кинетические модели показывают, что петли отрицательной обратной связи в сочетании с бистабильными мотивами положительной обратной связи могут приводить к постоянным, незатухающим колебаниям (см. Релаксационный осциллятор ), которые необходимы для длительного цикла клеток.

Положительный отзыв [ править ]

Упомянутая выше петля положительной обратной связи, в которой циклин-B1 / CDK1 способствует своей собственной активации, ингибируя Wee1 и Myst1 и активируя cdc25, по своей сути не включает «триггерный» механизм для запуска петли обратной связи. Недавно появились данные, указывающие на более важную роль комплексов cyclin A2 / CDK в регуляции инициации этого переключения. Активность циклина A2 / CDK2 начинается в ранней фазе S и увеличивается во время G 2 . Было показано, что Cdc25B дефосфорилирует Tyr15 на CDK2 в раннем и среднем G 2.аналогично вышеупомянутому механизму CDK1. Подавление циклина A2 в клетках U2OS задерживает активацию циклина-B1 / CDK1 за счет увеличения активности Wee1 и снижения активности Plk1 и Cdc25C. Однако комплексы циклин A2 / CDK не действуют строго как активаторы циклина B1 / CDK1 в G 2 , поскольку было показано, что CDK2 необходим для активации p53-независимой активности контрольной точки G 2 , возможно, посредством стабилизирующего фосфорилирования на Cdc6 . CDK2 - / - клетки также имеют аномально высокие уровни Cdc25A. Также было показано, что циклин A2 / CDK1 опосредует протеасомную деструкцию Cdc25B. При раке эти пути часто не регулируются. [7]

Пространственное регулирование [ править ]

Помимо бистабильных и гистерезисных аспектов активации циклин B1-CDK1, регуляция локализации субклеточного белка также вносит вклад в переход G2 / M. Неактивный циклин B1-CDK1 накапливается в цитоплазме, начинает активироваться цитоплазматическим cdc25, а затем быстро секвестрируется в ядре во время профазы (по мере дальнейшей активации). У млекопитающих транслокация циклина B1 / CDK1 в ядро активируется фосфорилированием пяти сайтов серина в цитоплазматическом сайте удержания циклина B1 (CRS): S116, S26, S128, S133 и S147. В Xenopus laevis, циклин B1 содержит четыре аналогичных сайта фосфорилирования серина CRS (S94, S96, S101 и S113), что указывает на высокую консервативность этого механизма. Ядерный экспорт также инактивируется фосфорилированием сигнала ядерного экспорта циклина B1 (NES). Регуляторы этих сайтов фосфорилирования все еще в значительной степени неизвестны, но было идентифицировано несколько факторов, включая киназы, регулируемые внеклеточными сигналами (ERK), PLK1 и сам CDK1. При достижении некоторого порогового уровня фосфорилирования транслокация циклина B1 / CDK1 в ядро ​​происходит чрезвычайно быстро. Попадая в ядро, циклин B1 / CDK1 фосфорилирует многие мишени при подготовке к митозу, включая гистон H1 , ядерные ламины ,центросомные белки и белки , ассоциированные с микротрубочками (MAP) .

Субклеточная локализация cdc25 также смещается из цитозоля в ядро ​​во время профазы. Это достигается путем удаления фосфатов, закрывающих последовательность ядерной локализации (NLS), и фосфорилирования сигнала ядерного экспорта. Считается, что одновременный транспорт cdc25 и cyclin-B1 / CDK1 в ядро ​​усиливает переключающуюся природу перехода за счет увеличения эффективных концентраций белков. [7]

Остановка повреждений ДНК G2 / M [ править ]

См. Также: Контрольная точка повреждения ДНК

Клетки реагируют на повреждение ДНК или неполностью реплицированные хромосомы в фазе G2, задерживая переход G2 / M, чтобы предотвратить попытки сегрегации поврежденных хромосом. Повреждение ДНК выявляется киназами ATM и ATR , которые активируют Chk1 , киназу, ингибирующую Cdc25. Chk1 ингибирует активность Cdc25 как напрямую, так и путем его исключения из ядра. [7] Чистым эффектом является повышение порога циклина B1, необходимого для инициации гистерезисного перехода в M-фазу, эффективно останавливая клетку в G2 до тех пор, пока повреждение не будет восстановлено с помощью таких механизмов, как гомологически направленная репарация (см. Выше). [4]

Долгосрочное поддержание ареста G2 также опосредуется p53 , который стабилизируется в ответ на повреждение ДНК. CDK1 напрямую ингибируется тремя транскрипционными мишенями p53: p21 , Gadd45 и 14-3-3σ . Неактивный циклин B1 / CDK1 секвестрируется в ядре с помощью p21 [12], в то время как активные комплексы Cyclin B1 / CDK1 секвестрируются в цитоплазме на 14-3-3σ. [13] Gadd45 нарушает связывание циклина B1 и CDK1 посредством прямого взаимодействия с CDK1. P53 также напрямую репрессирует транскрипцию CDK1. [13] [14]

Медицинское значение [ править ]

Мутации в нескольких генах, участвующих в переходе G2 / M, вовлечены во многие виды рака. Сверхэкспрессия как циклина B, так и CDK1, часто после потери опухолевых супрессоров, таких как p53, может вызвать увеличение пролиферации клеток. [7] Экспериментальные подходы к смягчению этих изменений включают как фармакологическое ингибирование CDK1, так и подавление экспрессии циклина B1 (например, через siRNA ). [15] [16]

Другие попытки модулировать переход G2 / M для применения в химиотерапии были сосредоточены на контрольной точке повреждения ДНК. Было показано, что фармакологический обход контрольной точки G2 / M посредством ингибирования Chk1 усиливает цитотоксичность других химиотерапевтических препаратов. Обход контрольной точки приводит к быстрому накоплению вредных мутаций, которые, как считается, приводят раковые клетки к апоптозу . Напротив, попытки продлить задержку G2 / M также увеличивают цитотоксичность таких препаратов, как доксорубицин . Эти подходы остаются на клинической и доклинической фазах исследования. [17]

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P (2002). «Обзор клеточного цикла» . Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк: Наука о гирляндах. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  2. ^ Liskay RM (апрель 1977). «Отсутствие измеримой фазы G2 в двух линиях клеток китайского хомячка» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 74 (4): 1622–5. Bibcode : 1977PNAS ... 74.1622L . DOI : 10.1073 / pnas.74.4.1622 . PMC 430843 . PMID 266201 .  )
  3. ^ Мозли JB, Mayeux A, Paoletti A, медсестра P (июнь 2009). «Пространственный градиент координирует размер клетки и митотический вход у делящихся дрожжей». Природа . 459 (7248): 857–60. Bibcode : 2009Natur.459..857M . DOI : 10,1038 / природа08074 . PMID 19474789 . 
  4. ^ а б Ша В., Мур Дж., Чен К., Лассалетта А.Д., Йи С.С., Тайсон Дж. Дж. , Сибл Дж. К. (февраль 2003 г.). «Гистерезис управляет переходами клеточного цикла в экстрактах яиц Xenopus laevis» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (3): 975–80. Bibcode : 2003PNAS..100..975S . DOI : 10.1073 / pnas.0235349100 . PMC 298711 . PMID 12509509 .  
  5. Перейти ↑ Burgoyne PS, Mahadevaiah SK, Turner JM (октябрь 2007 г.). «Управление двухцепочечными разрывами ДНК в митотическом G2 и мейозе млекопитающих, рассматриваемых с точки зрения митотического G2». BioEssays . 29 (10): 974–86. DOI : 10.1002 / bies.20639 . PMID 17876782 . 
  6. Перейти ↑ Porter LA, Donoghue DJ (2003). «Циклин B1 и CDK1: ядерная локализация и вышестоящие регуляторы». Прогресс в исследованиях клеточного цикла . 5 : 335–47. PMID 14593728 . 
  7. ^ а б в г д Морган, Дэвид Оуэн, 1958- (2007). Клеточный цикл: принципы управления . New Science Press. ISBN 978-0-19-920610-0. OCLC  70173205 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Katula KS, Райт KL, Paul H, Surman DR, Nuckolls FJ, Smith JW, и др. (Июль 1997 г.). «Циклинзависимая активация киназы и индукция S-фазы гена циклина B1 связаны через элементы CCAAT». Рост и дифференциация клеток . 8 (7): 811–20. PMID 9218875 . 
  9. Перейти ↑ Novak B, Tyson JJ (декабрь 1993 г.). «Численный анализ комплексной модели контроля М-фазы в экстрактах ооцитов Xenopus и интактных эмбрионах». Журнал клеточной науки . 106 (4): 1153–68. PMID 8126097 . 
  10. ^ Ша W, Мур J, K Chen, Lassaletta AD, Yi CS, Тайсон JJ, Sible JC (февраль 2003). «Гистерезис управляет переходами клеточного цикла в экстрактах яиц Xenopus laevis» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (3): 975–80. Bibcode : 2003PNAS..100..975S . DOI : 10.1073 / pnas.0235349100 . PMC 298711 . PMID 12509509 .  
  11. ^ Pomerening JR, Зонтаг ED Феррелл JE (апрель 2003). «Создание осциллятора клеточного цикла: гистерезис и бистабильность в активации Cdc2». Природа клеточной биологии . 5 (4): 346–51. DOI : 10.1038 / ncb954 . PMID 12629549 . 
  12. ^ Шаррье-Savournin FB, Замок МТ, Gire В, Šedivý Дж, Пьетт Дж, Дулич В (сентябрь 2004 г.). «p21-опосредованная ядерная задержка циклина B1-Cdk1 в ответ на генотоксический стресс» . Молекулярная биология клетки . 15 (9): 3965–76. DOI : 10,1091 / mbc.E03-12-0871 . PMC 515331 . PMID 15181148 .  
  13. ^ a b Тейлор WR, Старк GR (апрель 2001 г.). «Регулирование перехода G2 / M с помощью p53» . Онкоген . 20 (15): 1803–18015. DOI : 10.1038 / sj.onc.1204252 . PMID 11313928 . 
  14. Перейти ↑ Innocente SA, Abrahamson JL, Cogswell JP, Lee JM (март 1999 г.). «p53 регулирует контрольную точку G2 через циклин B1» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (5): 2147–52. Bibcode : 1999PNAS ... 96.2147I . DOI : 10.1073 / pnas.96.5.2147 . PMC 26751 . PMID 10051609 .  
  15. Перейти ↑ Asghar U, Witkiewicz AK, Turner NC, Knudsen ES (февраль 2015 г.). «История и будущее нацеливания на циклин-зависимые киназы в терапии рака» . Обзоры природы. Открытие наркотиков . 14 (2): 130–46. DOI : 10.1038 / nrd4504 . PMC 4480421 . PMID 25633797 .  
  16. ^ Androic я, Кремер А, Ян Р, Р Родел, Gätje R, Кауфман М., и др. (Декабрь 2008 г.). «Нацеливание на циклин B1 подавляет пролиферацию и повышает чувствительность клеток рака груди к таксолу» . BMC Рак . 8 (1): 391. DOI : 10.1186 / 1471-2407-8-391 . PMC 2639606 . PMID 19113992 .  
  17. ^ DiPaola RS (ноябрь 2002). "Остановить или не остановить остановку клеточного цикла G (2) -M: комментарий к AK Tyagi et al., Силибинин сильно синергизирует клетки карциномы простаты человека DU145 с индуцированным доксорубицином ингибированием роста, остановкой G (2) -M и апоптоз. Clin. Cancer res., 8: 3512-3519, 2002 » . Клинические исследования рака . 8 (11): 3311–4. PMID 12429616 .