Г 2 фаза
G 2 Фаза , фаза разрыва 2 или фаза роста 2 — это третья субфаза интерфазы клеточного цикла, непосредственно предшествующая митозу . Это следует за успешным завершением фазы S клетки время которой ДНК реплицируется , во . Фаза G2 , первой фазы митоза, в заканчивается наступлением профазы клетки которой хроматин конденсируется в хромосомы .
Фаза G 2 — это период быстрого роста клеток и синтеза белка , во время которого клетка готовится к митозу. Любопытно, что фаза G2 не является необходимой частью клеточного цикла, поскольку некоторые типы клеток (особенно молодые Xenopus эмбрионы [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 конец фазы G 2 пороговый уровень активного комплекса циклин B1 / CDK1 , также известный как фактор, способствующий созреванию (MPF). наступает, когда достигается [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
[ редактировать ]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
[ редактировать ] | Этот раздел нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( декабрь 2023 г. ) |
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 центросом разделение , разрушение ядерной оболочки и веретена сборку . 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
[ редактировать ]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
[ редактировать ]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.
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
[ редактировать ]
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, чем минимальная концентрация, 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 об инициировании 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 шумны , и небольшие колебания концентрации циклина B1 вблизи порога перехода G2/M не должны вызывать переключение 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 ), необходимым для долгосрочного клеточного цикла.
Положительный отзыв
[ редактировать ]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 действуют 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
[ редактировать ]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. Попадая в ядро, циклин B1/CDK1 фосфорилирует многие мишени при подготовке к митозу, в том числе 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
[ редактировать ]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 инициации 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 секвестрируется в ядре с помощью p21, [12] в то время 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
[ редактировать ]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 siRNA ). [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]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ 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 .
- ^ Лискай Р.М. (апрель 1977 г.). «Отсутствие измеримой фазы G2 в двух клеточных линиях 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 . )
- ^ 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 . ПМИД 19474789 . S2CID 4330336 .
- ^ Jump up to: а б 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 .
- ^ 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 . ПМИД 17876782 . S2CID 36778078 .
- ^ Портер Л.А., Донохью диджей (2003). «Циклин B1 и CDK1: ядерная локализация и вышестоящие регуляторы». Прогресс в исследованиях клеточного цикла . 5 : 335–47. ПМИД 14593728 .
- ^ Jump up to: а б с д и 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 ) - ^ 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 .
- ^ 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 .
- ^ Ша В., Мур Дж., Чен К., Лассалетта А.Д., Йи К.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. Бибкод : 2003PNAS..100..975S . дои : 10.1073/pnas.0235349100 . ПМК 298711 . ПМИД 12509509 .
- ^ 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 . ПМИД 12629549 . S2CID 11047458 .
- ^ Шарье-Савурнен Ф.Б., Шато МТ, Жир В., Седиви Ж, Пиетт Ж, Дулич 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 .
- ^ Jump up to: а б 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 . ПМИД 11313928 . S2CID 9543421 .
- ^ Инносенте С.А., Абрахамсон Дж.Л., Когсвелл 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 .
- ^ 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 . ПМК 4480421 . ПМИД 25633797 .
- ^ Андроич 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 .
- ^ ДиПаола Р.С. (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. Клин. раковые заболевания, 8: 3512-3519, 2002» . Клинические исследования рака . 8 (11): 3311–4. ПМИД 12429616 .
12345678910