stringtranslate.com

Фаза G2

Митоз в животной клетке (фазы расположены против часовой стрелки), внизу обозначен G 2 .
Схематическая кариограмма хромосом человека, показывающая их обычное состояние в фазах G 0 и G 1 клеточного цикла. Вверху в центре также показана пара хромосом 3 после синтеза ДНК , происходящего в S-фазе (обозначенной как S) клеточного цикла. Этот интервал включает фазу G 2 и метафазу (обозначенную как «Мета»).

Фаза G 2 , фаза разрыва 2 или фаза роста 2 — это третья субфаза интерфазы клеточного цикла , непосредственно предшествующая митозу . Это следует за успешным завершением фазы S , во время которой ДНК клетки реплицируется . Фаза G2 заканчивается наступлением 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 относительно ее значения и регуляции, особенно в отношении рака. Одна из гипотез состоит в том, что рост в фазе G 2 регулируется как метод контроля размера клеток. Ранее было показано, что делящиеся дрожжи ( Schizosaccharomyces pombe ) используют такой механизм посредством Cdr2 -опосредованной пространственной регуляции активности Wee1 . [3] Хотя Wee1 является довольно консервативным негативным регулятором входа в митозу, общий механизм контроля размера клеток в G2 еще не выяснен.

Биохимически окончание фазы G 2 наступает, когда достигается пороговый уровень активного комплекса циклин B1 / CDK1 , также известного как фактор, способствующий созреванию (MPF). [4] Активность этого комплекса жестко регулируется во время G 2 . В частности, контрольная точка G2 блокирует клетки G2 в ответ на повреждение ДНК посредством ингибирующей регуляции CDK1.

Гомологичная рекомбинационная репарация

Во время митотической S-фазы репликация ДНК производит две почти идентичные сестринские хроматиды . Двухцепочечные разрывы ДНК, возникающие после завершения репликации или во время фазы G2, могут быть устранены до того, как произойдет деление клетки (М-фаза клеточного цикла ). Таким образом, во время фазы G2 двухцепочечные разрывы в одной сестринской хроматиде могут быть восстановлены путем гомологичной рекомбинационной репарации с использованием другой неповрежденной сестринской хроматиды в качестве матрицы. [5]

Конец G 2 /вступление в митоз

Вступление в митоз определяется пороговым уровнем активного комплекса циклин-B1/CDK1, также известного как циклин-B1/Cdc2 или фактора, способствующего созреванию (MPF). Активный циклин-B1/CDK1 запускает необратимые действия на ранних стадиях митоза, включая разделение центросом , разрушение ядерной оболочки и сборку веретена . У позвоночных существует пять изоформ циклина B ( B1 , B2 , B3, B4 и B5), но конкретная роль каждой из этих изоформ в регуляции входа в митоз до сих пор неясна. Известно, что циклин В1 может компенсировать потерю обоих циклина В2 (и наоборот у дрозофилы ). [6] Saccharomyces cerevisiae содержит шесть циклинов B-типа (Clb1-6), причем Clb2 является наиболее важным для функционирования. Предполагается, что как у позвоночных, так и у S. cerevisiae присутствие нескольких циклинов B-типа позволяет различным циклинам регулировать разные части перехода G2/M, а также делает этот 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 других многоклеточных животных, так и у S. cerevisiae.

Синтез и деградация циклина B1

Уровни циклина B1 подавляются на протяжении фаз G1 и S с помощью комплекса, способствующего анафазе (APC), убиквитинлигазы 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, с помощью вышестоящих комплексов циклин-CDK G1 и G1/S. [8]

Регуляция активности циклина-B1/CDK1

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

Эффектам Wee1 и Myt1 противодействуют фосфатазы семейства cdc25, которые удаляют ингибирующие фосфаты на CDK1 и, таким образом, преобразуют 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. Активированный Plk активирует cdc25. Активация Cdc25 и инактивация Wee1/Myt1 приводят к дальнейшей активации Cyclin-B1/CDK1. Также показана предполагаемая роль циклина-A/CDK2 и Cdc25A как начальных активаторов петли обратной связи, обсуждаемая в следующем 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 образует петлю положительной обратной связи с Cdc25 и петлю двойной отрицательной обратной связи с Wee1 (по сути, петлю чистой положительной обратной связи).

Положительная обратная связь и активация, подобная переключателю

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

Эти петли положительной обратной связи кодируют гистерезисное бистабильное переключение активности CDK1 относительно уровней циклина B1 (см. рисунок). Этот переключатель характеризуется двумя различными стабильными состояниями равновесия 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 диапазоне бистабильности состояние клетки зависит от того, находилась ли она ранее в интерфазе или в М-фазе: пороговая концентрация для входа в М-фазу выше минимальной концентрации, которая будет поддерживать активность М-фазы, как только 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 циклин-B/CDK1-cdc25-Wee1-Myt1, допускают два стабильных равновесия в диапазоне концентраций циклина-B. [9] Экспериментально бистабильность была подтверждена путем блокирования синтеза эндогенного циклина B1 и титрования интерфазных и М-фазных клеток различными концентрациями неразлагаемого циклина B1. Эти эксперименты показывают, что пороговая концентрация для входа в М-фазу выше, чем порог для выхода из М-фазы: разрушение ядерной оболочки происходит между 32-40 нм циклина-B1 для клеток, выходящих из интерфазы, в то время как ядро ​​остается распавшимся при концентрациях выше 16-24 нм в клетках уже в М-фазе. [10]

Этот бистабильный гистерезисный переключатель физиологически необходим по крайней мере по трем причинам. [11] Во-первых, переход G2/M сигнализирует о начале нескольких событий, таких как конденсация хромосом и разрушение ядерной оболочки, которые заметно меняют морфологию клетки и жизнеспособны только в делящихся клетках. Поэтому важно, чтобы активация циклина-B1/CDK1 происходила по принципу переключения; то есть клетки должны быстро переходить в дискретное М-фазное состояние после перехода и не должны сохраняться в континууме промежуточных состояний (например, с частично разложившейся ядерной оболочкой). Этому требованию удовлетворяет резкий разрыв , разделяющий межфазный и М-фазный равновесные уровни активности CDK1; когда концентрация циклина B превышает порог активации, клетка быстро переключается на М-фазное равновесие.

Во-вторых, также жизненно важно, чтобы переход G2/M происходил однонаправленно или только один раз за клеточный цикл. Биологические системы по своей природе зашумлены , и небольшие колебания концентрации циклина B1 вблизи порога перехода G2/M не должны вызывать переключения клетки. вперед и назад между интерфазным и М-фазным состояниями. Это обеспечивается бистабильным характером переключения: после перехода клетки в М-фазное состояние небольшое снижение концентрации циклина В не приводит к обратному переходу клетки в интерфазу.

Наконец, продолжение клеточного цикла требует постоянных колебаний активности циклина B/CDK1 по мере того, как клетка и ее потомки переходят в М-фазу и выходят из нее. Отрицательная обратная связь обеспечивает один важный элемент этого долгосрочного колебания: циклин-B/CDK активирует APC/C, что вызывает деградацию циклина-B начиная с метафазы и далее, восстанавливая CDK1 в неактивное состояние. Однако простые петли отрицательной обратной связи приводят к затуханию колебаний , которые в конечном итоге достигают устойчивого состояния. Кинетические модели показывают, что петли отрицательной обратной связи в сочетании с бистабильными мотивами положительной обратной связи могут привести к постоянным, незатухающим колебаниям (см. Осциллятор релаксации ), которые необходимы для долгосрочного клеточного цикла.

Положительный отзыв

Упомянутая выше петля положительной обратной связи, в которой циклин-B1/CDK1 способствует собственной активации путем ингибирования Wee1 и Myst1 и активации cdc25, по своей сути не включает в себя «пусковой» механизм для инициирования петли обратной связи. Недавно появились данные, указывающие на более важную роль комплексов циклин А2 /CDK в регуляции инициации этого переключения. Активность циклина A2/ CDK2 начинается в ранней S-фазе и увеличивается во время G2 . Было показано, что Cdc25B дефосфорилирует Tyr15 на CDK2 в G 2 от ранней до средней стадии аналогично вышеупомянутому механизму CDK1. Понижение уровня циклина А2 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 функционируют строго как активаторы циклина B1/CDK1 в G2 , поскольку было показано, что CDK2 необходим для активации p53-независимой активности контрольной точки G2 , возможно, посредством стабилизирующего фосфорилирования на Cdc6 . Клетки CDK2-/- также имеют аберрантно высокие уровни Cdc25A. Также было показано, что циклин A2/CDK1 опосредует протеасомное разрушение Cdc25B. Эти пути часто дерегулируются при раке. [7]

Пространственное регулирование

Помимо бистабильных и гистерезисных аспектов активации циклина B1-CDK1, регуляция субклеточной локализации белка также способствует переходу 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 путем фосфорилирования пяти сериновых сайтов в цитоплазматическом сайте удержания циклина B1 (CRS): S116, S26, S128, S133 и S147. У 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 до сих пор 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. Попав в ядро, циклин B1/CDK1 фосфорилирует многие мишени при подготовке к митозу, включая гистон H1 , ядерные ламины , центросомальные белки и белки, ассоциированные с микротрубочками (MAP) .

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

Блокировка повреждения ДНК G2/M

Клетки реагируют на повреждение ДНК или неполную репликацию хромосом в фазе G2, задерживая переход G2/M, чтобы предотвратить попытки разделения поврежденных хромосом. Повреждение ДНК обнаруживается киназами ATM и ATR , которые активируют Chk1 , ингибирующую киназу Cdc25. Chk1 ингибирует активность Cdc25 как напрямую, так и путем содействия его исключению из ядра. [7] Конечным эффектом является увеличение порога циклина B1, необходимого для инициирования гистерезисного перехода в М-фазу, что эффективно останавливает клетку в G2 до тех пор, пока повреждение не будет восстановлено с помощью таких механизмов, как репарация, направленная на гомологию (см. Выше). [4]

Длительное поддержание ареста G2 также опосредовано р53 , который стабилизируется в ответ на повреждение ДНК. CDK1 напрямую ингибируется тремя мишенями транскрипции p53: p21 , Gadd45 и 14-3-3σ . Неактивный циклин B1/CDK1 изолируется в ядре с помощью p21 [12] , тогда как активные комплексы циклин B1/CDK1 изолируются в цитоплазме с помощью 14-3-3σ. [13] Gadd45 нарушает связывание циклина B1 и CDK1 посредством прямого взаимодействия с CDK1. P53 также напрямую транскрипционно репрессирует CDK1. [13] [14]

Медицинская значимость

Мутации в нескольких генах, участвующих в переходе G2/M, связаны со многими видами рака. Сверхэкспрессия как циклина B, так и CDK1, часто после потери супрессоров опухоли , 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, с помощью миРНК ). [15] [16]

Другие попытки модулировать переход G2/M для применения 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 полагают, приводят раковые клетки к апоптозу . И наоборот, было показано, что попытки продлить арест G2/M усиливают цитотоксичность таких препаратов, как доксорубицин . Эти подходы остаются на клинических и доклинических стадиях исследований. [17]

Рекомендации

  1. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж., Рафф М., Робертс К., Уолтер П. (2002). «Обзор клеточного цикла». Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк: Garland Science. ISBN 978-0-8153-3218-3.
  2. ^ Лискай Р.М. (апрель 1977 г.). «Отсутствие измеримой фазы G2 в двух линиях клеток китайского хомячка». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 74 (4): 1622–5. Бибкод : 1977PNAS...74.1622L. дои : 10.1073/pnas.74.4.1622 . ПМК 430843 . ПМИД  266201. )
  3. ^ Мозли Дж.Б., Майе А., Паолетти А., Медсестра П. (июнь 2009 г.). «Пространственный градиент координирует размер клеток и вступление в митоз у делящихся дрожжей». Природа . 459 (7248): 857–60. Бибкод : 2009Natur.459..857M. дои : 10.1038/nature08074. PMID  19474789. S2CID  4330336.
  4. ^ Аб Ша В., Мур Дж., Чен К., Лассалетта А.Д., Йи К.С., Тайсон Дж.Дж. , Сибл Дж.К. (февраль 2003 г.). «Гистерез управляет переходами клеточного цикла в экстрактах яиц Xenopus laevis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (3): 975–80. Бибкод : 2003PNAS..100..975S. дои : 10.1073/pnas.0235349100 . ПМК 298711 . ПМИД  12509509. 
  5. ^ Бургойн П.С., Махадевайя С.К., Тернер Дж.М. (октябрь 2007 г.). «Управление двухцепочечными разрывами ДНК в митотическом G2 и мейозе млекопитающих с точки зрения митотического G2». Биоэссе . 29 (10): 974–86. дои : 10.1002/bies.20639. PMID  17876782. S2CID  36778078.
  6. ^ Портер Лос-Анджелес, ди-джей Донохью (2003). «Циклин B1 и CDK1: ядерная локализация и вышестоящие регуляторы». Прогресс в исследованиях клеточного цикла . 5 : 335–47. ПМИД  14593728.
  7. ^ abcde Морган, Дэвид Оуэн, 1958- (2007). Клеточный цикл: принципы управления . Новая научная пресса. ISBN 978-0-19-920610-0. ОСЛК  70173205.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Катула К.С., Райт К.Л., Пол Х., Сурман Д.Р., Наколлс Ф.Дж., Смит Дж.В. и др. (июль 1997 г.). «Активация циклин-зависимой киназы и индукция S-фазы гена циклина B1 связаны через элементы CCAAT». Рост и дифференцировка клеток . 8 (7): 811–20. ПМИД  9218875.
  9. ^ Новак Б., Тайсон Джей-Джей (декабрь 1993 г.). «Численный анализ комплексной модели контроля М-фазы в экстрактах ооцитов Xenopus и интактных эмбрионах». Журнал клеточной науки . 106 (4): 1153–68. дои : 10.1242/jcs.106.4.1153. ПМИД  8126097.
  10. ^ Ша В., Мур Дж., Чен К., Лассалетта А.Д., Йи К.С., Тайсон Дж.Дж., Сибл Дж.К. (февраль 2003 г.). «Гистерез управляет переходами клеточного цикла в экстрактах яиц Xenopus laevis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (3): 975–80. Бибкод : 2003PNAS..100..975S. дои : 10.1073/pnas.0235349100 . ПМК 298711 . ПМИД  12509509. 
  11. ^ Померенинг-младший, Зонтаг Э.Д., Феррелл Дж.Э. (апрель 2003 г.). «Построение осциллятора клеточного цикла: гистерезис и бистабильность при активации Cdc2». Природная клеточная биология . 5 (4): 346–51. дои : 10.1038/ncb954. PMID  12629549. S2CID  11047458.
  12. ^ Шарье-Савурнен Ф.Б., Шато MT, Жир В., Седиви Дж., Пиетт Дж., Дулик В. (сентябрь 2004 г.). «p21-опосредованное удержание циклина B1-Cdk1 в ядре в ответ на генотоксический стресс». Молекулярная биология клетки . 15 (9): 3965–76. doi :10.1091/mbc.E03-12-0871. ПМК 515331 . ПМИД  15181148. 
  13. ^ аб Тейлор В.Р., Старк Г.Р. (апрель 2001 г.). «Регуляция перехода G2/M с помощью p53». Онкоген . 20 (15): 1803–15. дои : 10.1038/sj.onc.1204252. PMID  11313928. S2CID  9543421.
  14. ^ Innocente SA, Абрахамсон Дж.Л., Когсуэлл Дж.П., Ли Дж.М. (март 1999 г.). «p53 регулирует контрольную точку G2 через циклин B1». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 96 (5): 2147–52. Бибкод : 1999PNAS...96.2147I. дои : 10.1073/pnas.96.5.2147 . ПМК 26751 . ПМИД  10051609. 
  15. ^ Асгар У, Виткевич А.К., Тернер Н.К., Кнудсен Э.С. (февраль 2015 г.). «История и будущее использования циклинзависимых киназ в терапии рака». Обзоры природы. Открытие наркотиков . 14 (2): 130–46. дои : 10.1038/nrd4504. ПМЦ 4480421 . ПМИД  25633797. 
  16. ^ Андроик И., Кремер А., Ян Р., Рёдель Ф., Гатье Р., Кауфманн М. и др. (декабрь 2008 г.). «Нацеливание на циклин B1 ингибирует пролиферацию и повышает чувствительность клеток рака молочной железы к таксолу». БМК Рак . 8 (1): 391. дои : 10.1186/1471-2407-8-391 . ПМК 2639606 . ПМИД  19113992. 
  17. ^ ДиПаола РС (ноябрь 2002 г.). «Арестовать или нет G(2)-M Арест клеточного цикла: комментарий к: AK Tyagi et al., Силибинин сильно синергизирует клетки карциномы простаты человека DU145 с ингибированием роста, индуцированным доксорубицином, арестом G(2)-M и апоптоз. Clin. Cancer Res., 8: 3512-3519, 2002». Клинические исследования рака . 8 (11): 3311–4. ПМИД  12429616.

12345678910