Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Этапы клеточного цикла. Точка ограничения возникает между фазами G 1 и S.

Точка ограничения ( R ), также известная как контрольная точка начала или G 1 / S , представляет собой контрольную точку клеточного цикла в фазе G 1 цикла животных клеток, в которой клетка становится "привязанной" к клеточному циклу, и после чего внеклеточные сигналы больше не требуются для стимуляции пролиферации. [1] Определяющим биохимическим признаком точки рестрикции является активация G 1 / S- и S-фазных комплексов циклин-CDK , которые, в свою очередь, фосфорилируют белки, которые инициируютРепликация ДНК , дупликация центросом и другие события раннего клеточного цикла. [2] Это один из трех основных контрольно - пропускных пунктов клеточного цикла, а два других является повреждением контрольной точкой G2-М ДНК , и шпинделя контрольной точки .

История [ править ]

Первоначально Говард Мартин Темин показал, что куриные клетки достигают точки, в которой они совершают репликацию своей ДНК и не зависят от внеклеточных сигналов. [3] Примерно 20 лет спустя, в 1973 году, Артур Парди продемонстрировал, что в G 1 существует единственная точка ограничения . Раньше G 1 определяли просто как время между митозом и S-фазой . Отсутствуют молекулярные или морфологические маркеры положения клетки в G 1.были известны. Парди использовал метод двойного блока, в котором он переводил клетки из одного блока клеточного цикла (такого как вывод критических аминокислот или сыворотки) на другой и сравнивал эффективность каждого блока в предотвращении перехода в S-фазу. Он обнаружил, что оба блока во всех исследованных случаях были одинаково эффективны при блокировании прогрессирования S-фазы, что указывает на то, что все они должны действовать в одной и той же точке в G 1 , которую он назвал «точкой ограничения» или R-точкой. [4]

В 1985 году Зеттерберг и Ларссон обнаружили, что на всех стадиях клеточного цикла депривация сыворотки приводит к подавлению синтеза белка. Только в постмитотических клетках (т.е. клетках в ранней стадии G 1 ) изъятие сыворотки заставляло клетки переходить в состояние покоя ( G 0 ). Фактически, Зеттерберг обнаружил, что практически всю вариабельность длины клеточного цикла можно объяснить временем, которое требуется клетке, чтобы перейти от точки ограничения к S-фазе. [5]

Внеклеточные сигналы [ править ]

За исключением раннего эмбрионального развития, большинство клеток в многоклеточных организмах сохраняются в состоянии покоя, известном как G 0 , где не происходит пролиферации, и клетки обычно окончательно дифференцируются; другие специализированные клетки продолжают делиться во взрослой жизни. Для обеих этих групп клеток было принято решение либо выйти из клеточного цикла и стать неподвижными (G 0 ), либо вернуться в G 1 .

Решение клетки войти или повторно войти в клеточный цикл принимается перед S-фазой в G 1 в так называемой точке ограничения и определяется комбинацией принимаемых и обрабатываемых стимулирующих и тормозных внеклеточных сигналов. Перед точкой R клетке требуются эти внеклеточные стимуляторы для начала прохождения первых трех подфаз G 1 (компетентность, запись G 1a , прогрессия G 1b ). Однако после прохождения точки R в G 1b внеклеточные сигналы больше не требуются, и клетка необратимо обязана готовиться к дупликации ДНК.. Дальнейшее развитие регулируется внутриклеточными механизмами. Удаление стимуляторов до того, как клетка достигнет точки R, может привести к возвращению клетки в состояние покоя. [1] [3] В этих условиях клетки фактически возвращаются в клеточный цикл, и для перехода в S-фазу потребуется дополнительное время (примерно на 8 часов больше, чем время вывода из культуры) после прохождения точки ограничения. [3]

Передача сигналов митогена

Факторы роста (например, PDGF , FGF и EGF ) регулируют вхождение клеток в клеточный цикл и продвижение к точке рестрикции. После прохождения этой похожей на переключатель «точки невозврата» завершение клеточного цикла больше не зависит от присутствия митогенов. [6] [4] [7]   Устойчивая передача сигналов митогена способствует вхождению в клеточный цикл в основном за счет регуляции циклинов G1 (циклин D1-3) и их сборки с Cdk4 / 6, которая может опосредоваться параллельно через пути MAPK и PI3K.

Сигнальный каскад MAPK

Связывание внеклеточных факторов роста с их рецепторными тирозинкиназами (RTK) запускает конформационные изменения и способствует димеризации и аутофосфорилированию остатков тирозина на цитоплазматическом хвосте RTK. Эти фосфорилированные остатки тирозина облегчают стыковку белков, содержащих SH2-домен (например, Grb2 ), которые впоследствии могут привлекать другие сигнальные белки к плазматической мембране и запускать каскады сигнальных киназ. Связанный с RTK Grb2 связывает Sos , который представляет собой фактор обмена гуаниновых нуклеотидов, который превращает мембраносвязанный Ras в его активную форму (Ras-GDP Ras-GTP). [8]Активный Ras активирует каскад киназ MAP, связывая и активируя Raf, который фосфорилирует и активирует MEK, который фосфорилирует и активирует ERK (также известный как MAPK, см. Также путь MAPK / ERK ).

Затем активная ERK перемещается в ядро, где активирует множественные мишени, такие как фактор сывороточного ответа фактора транскрипции (SRF), что приводит к экспрессии немедленных ранних генов, особенно факторов транскрипции Fos и Myc . [8] [9] Димеры Fos / Jun содержат комплекс факторов транскрипции AP-1 и активируют гены отсроченного ответа, включая основной циклин G1 , циклин D1 . [8] Myc также регулирует экспрессию широкого спектра генов пролиферации и роста, включая некоторую индукцию циклина D2 и Cdk4 . [5]Кроме того, устойчивый ЭРК активность представляется важным для фосфорилирования и ядерной локализации CDK2 , [8] дополнительно поддерживает прогрессирование через точку рестрикции.

Сигнализация пути PI3K

p85, другой белок, содержащий SH2-домен, связывает активированные RTK и рекрутирует PI3K (фосфоинозитид-3-киназу), фосфорилируя фосфолипид PIP2 до PIP3, что приводит к рекрутированию Akt (через его PH-домен). В дополнение к другим функциям, способствующим росту и выживанию, Akt ингибирует киназу-3β гликогенсинтазы ( GSK3β ), тем самым предотвращая опосредованное GSK3β фосфорилирование и последующую деградацию циклина D1 [10] ( см. Рисунок [11] ). Akt дополнительно регулирует компоненты G1 / S посредством mTOR-опосредованного стимулирования трансляции циклина D1, [12] фосфорилирования ингибиторов Cdk p27 kip1 (предотвращая его ядерный импорт) и p21Cip1 (снижение стабильности) и инактивация фосфорилирования фактора транскрипции FOXO4 (который регулирует экспрессию p27). [13] Вместе, эта стабилизация циклина D1 и дестабилизация ингибиторов Cdk благоприятствуют активности G1 и G1 / S-Cdk.

Передача сигналов Akt способствует активности циклина / Cdk

Передача сигналов антимитогена

Антимитогены, такие как цитокин TGF-β, ингибируют прохождение через точку ограничения, вызывая остановку G1. Передача сигналов TGF-β активирует Smads, которые образуют комплекс с E2F4 / 5 для подавления экспрессии Myc, а также связываются с Miz1, чтобы активировать экспрессию ингибитора Cdk p15 INK4b, чтобы блокировать образование и активность комплекса циклин D-Cdk. [8] [14]  Клетки, заблокированные TGF-β, также накапливают p21 и p27. [14]

Механизм [ править ]

Обзор

Как было описано выше, сигналы от внеклеточных факторов роста трансдуцированных в типичной манере. Фактор роста связывается с рецепторами на поверхности клетки, и различные каскады фосфорилирования приводят к захвату Ca 2+ и фосфорилированию белка. Уровни фосфопротеинов уравновешиваются фосфатазами. В конечном итоге происходит активация транскрипции определенных генов-мишеней. Необходимо поддерживать внеклеточную передачу сигналов, и клетка также должна иметь доступ к достаточному количеству питательных веществ для поддержки быстрого синтеза белка. Накопление циклина D очень важно. [15]

Связанные с циклином D cdk 4 и 6 активируются cdk-активирующей киназой и направляют клетку к точке ограничения. Циклин D, однако, имеет высокую скорость оборота (t 1/2 <25 мин). Именно из-за этой быстрой скорости обновления клетка чрезвычайно чувствительна к уровням митогенной передачи сигналов, которые не только стимулируют выработку циклина D, но также помогают стабилизировать циклин D внутри клетки. [15] [16] Таким образом, циклин D действует как датчик митогенного сигнала. [16] Ингибиторы Cdk (CKI), такие как белки Ink4 и p21 , помогают предотвратить неправильную активность cyclin-cdk.

Активные комплексы циклин D-cdk фосфорилируют белок ретинобластомы (pRb) в ядре. Нефосфорилированный Rb действует как ингибитор G 1 , предотвращая опосредованную E2F транскрипцию. После фосфорилирования E2F активирует транскрипцию циклинов E и A. [15] [16] [17] Активный циклин E-cdk начинает накапливаться и завершает фосфорилирование pRb, как показано на рисунке. [18]

Ингибиторы Cdk и регуляция активности комплекса Cyclin D / Cdk

p27 и p21 являются стехиометрическими ингибиторами комплексов G1 / S- и S-циклин-Cdk. Хотя уровни p21 увеличиваются во время входа в клеточный цикл, p27 обычно инактивируется по мере того, как клетки прогрессируют до позднего G1. [8]   Высокая плотность клеток, голодание по митогену и TGF-β приводят к накоплению p27 и остановке клеточного цикла. [14] Точно так же повреждение ДНК и другие стрессоры повышают уровень p21, в то время как митоген-стимулированная активность ERK2 и Akt приводит к инактивации фосфорилирования p21. [19]  

Ранние исследования сверхэкспрессии p27 показали, что он может связываться и ингибировать комплексы cyclin D-Cdk4 / 6 и cyclin E / A-Cdk2 in vitro и в некоторых типах клеток. [14] Однако кинетические исследования LaBaer et al. (1997) обнаружили, что титрование p21 и p27 способствует сборке комплекса cyclin d-Cdk, увеличивая общую активность и ядерную локализацию комплекса. [20] Последующие исследования показали, что p27 может быть необходим для образования комплекса циклин D-Cdk, поскольку MEF p27 - / - , p21 - / - показали снижение комплексообразования циклин D-Cdk4, которое может быть устранено с помощью повторной экспрессии p27. [21]

Работа Джеймса и др. (2008) также предполагает, что фосфорилирование остатков тирозина на p27 может переключать p27 между ингибирующим и не ингибирующим состоянием, будучи связанным с циклином D-Cdk4 / 6, предлагая модель того, как p27 способен регулировать как сборку комплекса циклин-Cdk, так и Мероприятия. [22] Ассоциация p27 с циклином D-Cdk4 / 6 может дополнительно способствовать развитию клеточного цикла за счет ограничения пула p27, доступного для инактивации комплексов циклин E-Cdk2. [8] [23]  Повышение активности циклина E-Cdk2 в поздней стадии G1 (и циклина A-Cdk2 в ранней стадии S) приводит к фосфорилированию p21 / p27, что способствует их ядерному экспорту, убиквитинированию и деградации.

Динамика [ править ]

В статье, опубликованной группами Линчонг Ю и Джо Невинса в Университете Дьюка в 2008 году, показано, что бистабильный истерический переключатель E2F лежит в основе точки ограничения. E2F способствует своей собственной активации, а также способствует ингибированию собственного ингибитора ( pRb ), образуя две петли обратной связи (среди прочего), которые важны для создания бистабильных систем. Авторы данного исследования использовали дестабилизированную GFP -систему под контролем E2F промотора как считывание из E2FМероприятия. Клетки, лишенные сыворотки, стимулировали различными концентрациями в сыворотке, и считывание GFP регистрировали на уровне отдельных клеток. Они обнаружили, что репортер GFP был либо включен, либо выключен , что указывает на то, что E2F был либо полностью активирован, либо деактивирован на всех различных проанализированных уровнях сыворотки. Дальнейшие эксперименты, в которых они проанализировали зависимость системы E2F от истории, подтвердили, что она работает как гистерезисный бистабильный переключатель. [24]

В раке [ править ]

Рак можно рассматривать как нарушение нормальной функции точки рестрикции, поскольку клетки постоянно и ненадлежащим образом повторно входят в клеточный цикл и не входят в G 0 . [1] Мутации на многих этапах пути к точке ограничения могут привести к раковому росту клеток. Некоторые из генов, наиболее часто мутирующих при раке, включают Cdks и CKI; сверхактивные Cdks или недостаточно активные CKI снижают строгость точки ограничения, позволяя большему количеству клеток обходить старение. [17]

Точка ограничения является важным фактором при разработке новых лекарственных препаратов. В нормальных физиологических условиях вся пролиферация клеток регулируется точкой ограничения. Это можно использовать как способ защиты незлокачественных клеток от химиотерапевтического лечения. Химиотерапевтические препараты обычно атакуют быстро размножающиеся клетки. При использовании лекарств, которые ингибируют завершение точки ограничения, таких как ингибиторы рецепторов фактора роста , нормальные клетки предотвращаются от пролиферации и, таким образом, защищены от химиотерапевтического лечения. [16]

См. Также [ править ]

  • Фактор, способствующий S-фазе
  • Циклин D
  • Путь MAPK / ERK
  • стр.21
  • стр. 27

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c Pardee AB (ноябрь 1989 г.). «События G1 и регуляция пролиферации клеток». Наука . 246 (4930): 603–8. Bibcode : 1989Sci ... 246..603P . DOI : 10.1126 / science.2683075 . PMID  2683075 .
  2. ^ Морган, Дэвид Оуэн, 1958- (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Лондон: New Science Press. ISBN 978-0-19-920610-0. OCLC  70173205 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ a b c Зеттерберг А., Ларссон О., Виман К.Г. (декабрь 1995 г.). «Что такое точка ограничения?». Текущее мнение в клеточной биологии . 7 (6): 835–42. DOI : 10.1016 / 0955-0674 (95) 80067-0 . PMID 8608014 . 
  4. ^ a b Pardee AB (апрель 1974 г.). «Точка ограничения для контроля нормальной пролиферации клеток животных» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 71 (4): 1286–90. Bibcode : 1974PNAS ... 71.1286P . DOI : 10.1073 / pnas.71.4.1286 . JSTOR 63311 . PMC 388211 . PMID 4524638 .   
  5. ^ а б Зеттерберг А., Ларссон О. (август 1985 г.). «Кинетический анализ регуляторных событий в G1, ведущих к пролиферации или покою швейцарских клеток 3T3» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 82 (16): 5365–9. Bibcode : 1985PNAS ... 82.5365Z . DOI : 10.1073 / pnas.82.16.5365 . JSTOR 25651 . PMC 390569 . PMID 3860868 .   
  6. ^ Blagosklonny М.В., Парди AB (2002). «Точка ограничения клеточного цикла» . Клеточный цикл . 1 (2): 103–10. DOI : 10.4161 / cc.1.2.108 . PMID 12429916 . 
  7. ^ Парди AB (апрель 1974). «Точка ограничения для контроля нормальной пролиферации клеток животных» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 71 (4): 1286–90. Bibcode : 1974PNAS ... 71.1286P . DOI : 10.1073 / pnas.71.4.1286 . PMC 388211 . PMID 4524638 .  
  8. ^ Б с д е е г Morgan DO (2007). Клеточный цикл: принципы управления . New Science Press. С. 208–213.
  9. ^ Adhikary S, M Eilers (август 2005). «Регуляция транскрипции и трансформация белков Myc». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология . 6 (8): 635–45. DOI : 10.1038 / nrm1703 . PMID 16064138 . 
  10. ^ Diehl JA, Cheng M, Руссель MF, Шерр CJ (ноябрь 1998). «Киназа-3бета гликоген-синтазы регулирует протеолиз циклина D1 и субклеточную локализацию» . Гены и развитие . 12 (22): 3499–511. DOI : 10,1101 / gad.12.22.3499 . PMC 317244 . PMID 9832503 .  
  11. ^ VanArsdale Т, Boshoff С, Арндта КТ, Abraham РТ (июль 2015). «Молекулярные пути: нацеливание на ось Cyclin D-CDK4 / 6 для лечения рака» . Клинические исследования рака . 21 (13): 2905–10. DOI : 10.1158 / 1078-0432.CCR-14-0816 . PMID 25941111 . 
  12. ↑ Hay N, Sonenberg N (август 2004 г.). «До и после mTOR» . Гены и развитие . 18 (16): 1926–45. DOI : 10,1101 / gad.1212704 . PMID 15314020 . 
  13. Перейти ↑ Lu Z, Hunter T (июнь 2010 г.). «Убиквитилирование и протеасомная деградация ингибиторов CDK p21 (Cip1), p27 (Kip1) и p57 (Kip2)» . Клеточный цикл . 9 (12): 2342–52. DOI : 10.4161 / cc.9.12.11988 . PMC 3319752 . PMID 20519948 .  
  14. ^ a b c d Shi Y, Massagué J (июнь 2003 г.). «Механизмы передачи сигналов TGF-бета от клеточной мембраны к ядру». Cell . 113 (6): 685–700. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (03) 00432-X . PMID 12809600 . 
  15. ^ a b c Шерр CJ, Робертс JM (май 1995 г.). «Ингибиторы G1-циклин-зависимых киназ млекопитающих» . Гены и развитие . 9 (10): 1149–63. DOI : 10,1101 / gad.9.10.1149 . PMID 7758941 . 
  16. ^ a b c d Благосклонный М.В., Парди А.Б. (2001). «Точка ограничения клеточного цикла» . В Благосклонном М.В. (ред.). Контрольные точки клеточного цикла и рак . Остин: Landes Bioscience. С. 52– ?. ISBN 978-1-58706-067-0.
  17. ^ a b Malumbres M, Barbacid M (декабрь 2001 г.). «Цикл или не цикл: критическое решение при раке». Обзоры природы. Рак . 1 (3): 222–31. DOI : 10.1038 / 35106065 . PMID 11902577 . 
  18. ^ Holsberger DR, Cooke PS (октябрь 2005). «Понимание роли гормона щитовидной железы в развитии клеток Сертоли: механистическая гипотеза». Клеточные и тканевые исследования . 322 (1): 133–40. DOI : 10.1007 / s00441-005-1082-z . PMID 15856309 . 
  19. ^ Шерр CJ, Робертс JM (июнь 1999). «Ингибиторы CDK: положительные и отрицательные регуляторы прогрессирования G1-фазы» . Гены и развитие . 13 (12): 1501–12. DOI : 10.1101 / gad.13.12.1501 . PMID 10385618 . 
  20. ^ LaBaer J, Garrett MD, Стивенсон LF, Slingerland JM, Санду C, Chou HS, Fattaey A, E Harlow (апрель 1997). «Новые функциональные активности для семейства ингибиторов CDK p21» . Гены и развитие . 11 (7): 847–62. DOI : 10,1101 / gad.11.7.847 . PMID 9106657 . 
  21. Перейти ↑ Cheng M, Olivier P, Diehl JA, Fero M, Roussel MF, Roberts JM, Sherr CJ (март 1999 г.). «Ингибиторы CDK p21 (Cip1) и p27 (Kip1) являются основными активаторами циклин D-зависимых киназ в мышиных фибробластах» . Журнал EMBO . 18 (6): 1571–83. DOI : 10.1093 / emboj / 18.6.1571 . PMC 1171245 . PMID 10075928 .  
  22. ^ Джеймс М.К., Рэй A, D Leznova, Блейн SW (январь 2008). «Дифференциальная модификация p27Kip1 регулирует его ингибирующую активность в отношении циклина D-cdk4» . Молекулярная и клеточная биология . 28 (1): 498–510. DOI : 10.1128 / MCB.02171-06 . PMC 2223302 . PMID 17908796 .  
  23. ^ Гоел S, DeCristo МДж, МакАллистер СС, Чжао JJ (ноябрь 2018). «Ингибирование CDK4 / 6 при раке: за пределами остановки клеточного цикла» . Тенденции в клеточной биологии . 28 (11): 911–925. DOI : 10.1016 / j.tcb.2018.07.002 . PMC 6689321 . PMID 30061045 .  
  24. Перейти ↑ Yao G, Lee TJ, Mori S, Nevins JR, You L (апрель 2008 г.). «Бистабильный переключатель Rb-E2F лежит в основе точки ограничения». Природа клеточной биологии . 10 (4): 476–82. DOI : 10.1038 / ncb1711 . PMID 18364697 .