A sejtciklus és szabályozásaA sejtciklus és szabályozása

A sejt teória kialakulása

Omnis cellula e cellula (minden sejt egy másik hasonló létező sejtből származik) 1858.

Matthias Schleiden Theodor Schwann

A modern sejt teória

Minden ismert élő rendszer sejtekből áll.A sejt minden élő rendszernek strukturális és funkcionális egysége.Minden sejt osztódással keletkezik egy másik sejtből. A sejtek örökítő információja sejtről sejtre adódnak át az osztódás során.Minden sejt alapvetően azonos kémiai felépítésű.Az élő rendszereket jellemző energia áramlás és átalakítás a sejtekben történik.

1. A sejt szerkezeti, fiziológiai és szerveződési egysége minden élő rendszernek.2. A sejt létezhet önálló egységként vagy szervezetek felépítő egységeként.3. A sejtek más sejtek közreműködése nélkül a kristályok keletkezéséhez hasonlóan jöhetnek létre. (spontán kialakulás) 1838

Robert Virchow

Omnis cellula e cellula (minden sejt egy másik hasonló létező sejtből származik) 1858.

A sejtciklus A sejtciklus

= két periódus szabályos váltakozása a sejtek életében

- a sejttartalom megkettőzése (interfázis)

- kettéosztódás (M-fázis)

= két periódus szabályos váltakozása a sejtek életében

- a sejttartalom megkettőzése (interfázis)

- kettéosztódás (M-fázis) M-fázis

interfázis

A sejtciklus áttekintése I.

Pontosan szabályozott DNS tartalom - replikáció + szétválás és (kromatin) (kromoszóma) centroszóma S fázisban mitózis alatt genetikailag azonos sejtek

Nem pontosan szabályozottcitoplazma - növekedés + osztódás G1 és G2 citokinézis

M-fázis = mitózis + citokinézis

S Interfázis = G1+ S+ G2

G1G2

A sejtciklus áttekintése II.• események, folyamatok jól ismertek

• hogy regulálódik? sejtciklus szabályozó rendszer ciklin dependens kinázok (Cdk-s) ciklinek foszfatázok egyéb kinázok (Aurora, Polo) ciklin dependens kináz gátlók (CKI) ubiquitin ligáz ellenőrzési pontok: G1,(S),G2,M univerzális és konzervatív

• 3 típus: korai embrionális standard emlős (soksejtű)

M

G1

G2

Kinázok és foszfatázok működése

A foszforilálás aktiválja vagy inaktiválja a fehérjéket = szabályozza a működésüketEgy fehérjének több különböző hatású foszforilációs helye lehet.Poszttranszlációs szintű szabályozás.

Ubiquitin – függő proteolízis

Ubiquitin

aktiváló konjugáló ligáló enzim

(specifikus)

Cdk szabályozása

proteolízis

proteolízis

foszfatáz

kinase

kinase

A fő ellenőrzési pontok G1, G2, M

Is all DNA intact?

A sejt akkor lépi át az ellenőrzési pontot, ha az azt megelőző folyamatok hibátlanul megtörténtek

2001 Orvosi Nobel díj

Leland Hartwell Paul Nurse Tim Hunt ellenőrzési pontok Cdk ciklin

Standard sejtciklus

• egysejtűek (élesztő)

• reguláló rendszer Cdk + G1 ciklin SPF vagy Start kináz Cdk + M ciklin MPF

• 3 ellenőrzési pont

• egysejtűek (élesztő)

• reguláló rendszer Cdk + G1 ciklin SPF vagy Start kináz Cdk + M ciklin MPF

• 3 ellenőrzési pont

G2

S

G1

M-fázis

G1

G2

M

Az első Cdk = cdc2 vagy p34

G2

S

G1

M-fázis

Cdk

M ciklin

G1 ciklin

G1 ciklin

M ciklin

SPF

MPF

- szintézis - degradation

Cdk szabályozása a standard sejtciklusban

M-fázis promoting factor aktiváció

Cdk

ciklin

Aktiváló kináz

Gátló kinázMPFi

MPFi

MPFa

foszfatáz

A standard sejtciklus szabályozása

• transzláció• G1 és M ciklinek lebontása• MPF aktivációja (aktiváló kináz

és foszfatáz) • és gátlása (gátló kináz)

• transzláció• G1 és M ciklinek lebontása• MPF aktivációja (aktiváló kináz

és foszfatáz) • és gátlása (gátló kináz)

Ciklin(ek)Ciklin(ek)

transzlációtranszláció

proteolízisproteolízis

++

szubsztrátszubsztrát

Szubsztrát-PO4Szubsztrát-PO4

Aktiváló kinázAktiváló kináz

Gátló kinázGátló kinázfoszfatázfoszfatáz

Cdk MPF

Soksejtűek sejtciklusa

A sejtciklus eltérő szerepe egy- és soksejtűekben

A sejtek addig osztódnak, amíg valamely kedvezőtlen környezeti körülmény le nem állítja (negatív) a sejtciklust.

Felnőtt szervezetben a sejtek addig nem osztódnak, amíg a környezetükbőlstimulust (pozitív) nem kapnak.

Soksejtűekben a sejtek sorsa jórészt a környezetüktől (más sejtektől függ)

Survival

Soksejtűek sejtciklusa• Go fázis• növekedési faktor G1 fázis• letapadási függőség G1 fázis• denzitás függő sejtosztódás gátlás (kontakt gátlás) (kevés növekedési faktor)

GoG2

G1

S

M-fázis

Restrikciós pont

G2

M

-Növekedési faktor-letapadás

A soksejtűek sejtciklusát számos Cdk és ciklin szabályozza

Soksejtűek Cdk-i és ciklinjei

Cdk – ciklin komplex

ciklin Cdk

G1-Cdk Ciklin D(G1 ciklin)

Cdk 4, 6

G1/S-Cdk Ciklin E(G1/S ciklin)

Cdk 2

S-Cdk(SPF)

Ciklin A(S ciklin)

Cdk 2

M-Cdk(MPF)

Ciklin B(M ciklin)

Cdk 1

Növekedési faktorok• Go G1 átmenethez szükségesek

• fehérjék ( 50); enzim kapcsolt receptoruk van

• parakrin szekréció

• nagyon specifikusak; esetleg kombinációban hatásosak

• hatásaik koncentráció függőek

• a pontos hatásuktól függően csoportjaik: mitogének, növekedési faktorok, túlélési faktorok• pl. EGF, FGF, PDGF, NGF stb.

A növekedési faktorok hatásmechanizmusa

Aktivált tirozinkináz kaszkád

Aktivált Ras (monomer G protein)

Aktivált szerin/treonin kináz kaszkád (MAP-ok=mitogén aktivált

proteinek)Transzkripciós faktorok

Korai válaszgének transzkripciója (c-jun,c-myc,c-fos)

Jun,Myc,Fos transzkripciós faktorok szintézise

Késői válaszgének transzkripciója Cdk-k és Dc (és sok egyéb) szintézise

Visszalépés G1-be

Növekedési faktor

1.

2.

3.

4.

5.6.

7.

A letapadás is lehet sejtciklus indukáló

Autofoszforilációs hely

Extracelluláris mátrix

Integrin

Plazmamembrán

Kinázdomén FAK

MAP kináz

Src

SosGrb

FAK = fokális adhéziós kináz

A Cdk inhibitorok két családja

• INK4 család – p14, 16, 18, 19 – csak a Cdk4/6 –ot (kapcsolódást a ciklinnel és az aktivitást) gátolja

• CIP/KIP család – p21, 27, 57 – elsősorban a Cdk2-E/A aktivitását gátolják

Visszalépés a G1 fázisba

Ac

Ac

p21,27,57

p53

DNS sérülés

pRb-E2Fp107,130

pRb-PO4

E2F

Dc

Ec

- Ec

M SG1

Go

Restrikciós pont

Stimuláció Gátlás

Cdk2-

Cdk2

Növekedési faktorletapadás

Dc Cdk4/6-

p14,15,16,19

Myc transzkripciós faktor target génjei: Cyclin D SCF=ubiquitin ligázE2F

S fázis

DNS szintézis iniciálása I.

ORC az origókhoz (sok ezer)kapcsolódik

Más fehérjék bekötődése

Pre-RC

DNS szintézis iniciáció II.

1.A DNS replikáció iniciálódik

2. Az új iniciáció gátolt (ORC defoszforilálódás

a mitózis után)

A DNS replikálódik, de csak egyszer

Cdk2-Ac aktivitás

(Cdk2-Ac)

S fázis iniciáció • Kromatin remodelling

• Sok origó (replikáció start pontja) hosszú DNS

• ORC (origo felismerő komplex) bekötődése

• Cdc6 bekötődése

• Egyéb fehérjék bekötődése pre-RC

• SCF (ubiqutin ligáz) p27 degradáció Cdk2-Ec aktiváció

• Cdk2-Ec aktiválja a Cdk2-Ac-t

• Cdk2-Ac foszforilálja a pre-RC elemeit (pl. Cdc6-ot)

DNS replikáció (de csak egyszer !)

• Kromatin remodelling

• Sok origó (replikáció start pontja) hosszú DNS

• ORC (origo felismerő komplex) bekötődése

• Cdc6 bekötődése

• Egyéb fehérjék bekötődése pre-RC

• SCF (ubiqutin ligáz) p27 degradáció Cdk2-Ec aktiváció

• Cdk2-Ec aktiválja a Cdk2-Ac-t

• Cdk2-Ac foszforilálja a pre-RC elemeit (pl. Cdc6-ot)

DNS replikáció (de csak egyszer !)

5’

3’ 5’

3’3’

3’5’

5’

DNS szintézis (egy replikációs origó)

1.

2.

3.

RNS primer

S fázis (DNS szintézis)

• 2 replikációs villa (replikációs buborék)

• primáz RNS primer

• DNA polimeráz 5’ 3’

• monomerek: dezoxinukleozid trifoszfátok

• leading (vezető) és lagging (elmaradó) szál

• primer kivágása

• ligáz

• szemi-konzervatív

• 2 replikációs villa (replikációs buborék)

• primáz RNS primer

• DNA polimeráz 5’ 3’

• monomerek: dezoxinukleozid trifoszfátok

• leading (vezető) és lagging (elmaradó) szál

• primer kivágása

• ligáz

• szemi-konzervatívAzonos DNS molekulák

A hisztonkorongok elrendeződésének két modellje

=

End replication problem és a megoldás = telomeráz

Protoonkogének és tumor szupresszor gének termékei

A sejtciklust serkentik gátolják Cdk-k, ciklinek, pRb, CKI-k növekedési faktorok stb. (ras gyakori) (p21, p53 stb)

Tumor szupresszor

protoonkogén

A sejtciklust szabályozó gének szerepe a tumorok kialakulásában

protoonkogének

Tumor szupresszor

A p53 központi reguláló szerepe

A p53 szabályozása és működése

p21

Ubiquitin ligáz

Protoonkogének és tumor

szupresszor gének a humán kromoszómákon

A sejtciklust szabályozó gének konzervatívak, univerzálisak

Fehérjék csoportjai, amelyek a sejtek növekedését szabályozzák.Mutációjuk oka lehet a tumorok kialakulásának.

Knudson hipotézise a tumor szupresszor gének szerepéről a tumorok

kialakulásában

Két találat teória, LOH = loss of heterozygosity

T T

Retinoblasztoma

•Kisgyermekkorban a retinában kialakuló tumor•Oka az RB1 gén csíravonalbeli mutációja•Kb. fele öröklődő és a fele sporadikus

Li-Fraumeni szindróma

• Oka a p53 mutáció• Öröklődő – fiatalkori tumorok (emlő, agy,

sarcoma, akut leukémia)

A tumorok jellemző tulajdonságai

A vastagbél rák kialakulásához is sok mutáció vezet

Adenomatous polyposis coli

Wnt fehérjék – konzervatív morfogének, sejt differenciálódás, polaritás, embrionális fejlődés, tumorok

Hepatocarcinoma kialakulása

Centroszóma ciklus

A centroszóma (MTOC) és a centriolumok szerkezete

mikrotubulusok

centriolumok

tubulin gyűrűk

Centroszóma ciklus

Cdk2+EcCdk1+Bc

(MPF)

Cdk2+Ac

S

G1

G2

M

eltávolodás

duplikálódás

szétválás

Tumorokban gyakori az atípusos mitózis

(tripoláris)

Három centroszóma

M fázis

DNA (blue), microtubules (red) nuclear envelope marker (green)

Interphase metaphase

telophase

anaphase

Nagy változások az M fázisban

M-fázis promoting faktor aktiváció

Cdk

ciklin

Aktiváló kináz

Gátló kinázMPFi

MPFi

MPFa

foszfatáz

Néhány MPF szubsztrát

• nukleáris lamina laminjai magmembrán szétesése • Golgi membránban GM130 (COPI borított

vezikulum dokkoló fehérje) Golgi is vezikulumokra esik

szét

• kondenzin kromoszóma kondenzáció (H3 hisztont

egy másik kináz foszforilálja)

• MAP-ok mitotikus orsó kialakulása

• foszfatáz (+ feedback)

• APC (anaphase promoting complex) aktiváció

• miozin inaktiváció

• nukleáris lamina laminjai magmembrán szétesése • Golgi membránban GM130 (COPI borított

vezikulum dokkoló fehérje) Golgi is vezikulumokra esik

szét

• kondenzin kromoszóma kondenzáció (H3 hisztont

egy másik kináz foszforilálja)

• MAP-ok mitotikus orsó kialakulása

• foszfatáz (+ feedback)

• APC (anaphase promoting complex) aktiváció

• miozin inaktiváció

A mitózis fázisai

Interfázis korai profázis késői profázis prometafázis

Metafázis korai anafázis késői anafázis késői telofázis

A metafázisban működik az M ellenőrzési pont.

Magmembrán szétesése

Laminok foszforilációja

MPF

Foszforilált A és C lamin

Foszforilált B lamin a magmembrán vezikulumokon

Profázis

Interfázis

DNS-től a kromoszómáig

A DNS kondenzációjáta kondenzin foszforilációja indítja el.

telomérák

Kohezin Kondenzin

Cornelia de Lange szindróma

Kohesin és kondenzin

Smc = structural maintance of chromosome + egyéb proteinek

A centroméra és a kinetokor nem ugyanaz

A kinetokor régió szerkezete és kimutatása

Scleroderma

Autoimmun betegség – kinetochor elleni autoantitestek

Mitotikus orsó (metafázis)

polar asztrális kinetokor poláris

mikrotubulusok

A mitózis fázisai

Interfázis korai profázis késői profázis prometafázis

Metafázis korai anafázis késői anafázis késői telofázis

Ha metafázisban (M ellenőrzési pont) minden kromatidához megfelelő módon kapcsolódnak kinetochor mikrotubulusok, a sejt folytatja a mitózist…

Anafázis promoting komplex (APC)

APC = ubiquitin ligáz poliubiquitinált fehérjék proteaszóma MPFa (M fázis elején) APC (anafázis elején) szekurin lebomlás B ciklin lebomlás szeparáz MPFi ? kohezin MPF szubsztrátok defoszforilálása

Anafázis, citokinézis

APC hatása

kohesin leválása

testvér kromatidák szétválása (anafázis)

proteasomeproteasome

Anafázis(Kinetochor MT depolimerizáció – no ATP)

(Poláris MT polimerizáció és sliding)

Miozin II változása a sejtciklusban

Citokinézis

(aktin és miozin II)

Citokinézis – kontraktilis gyűrű

aktin

miozin

Citokinézis (SEM,TEM)

Regulációs stratégiák az emlős sejtciklusban

+

szubsztrát

Szubsztrát-PO4

Cdkciklin

transzkripció

transzláció

proteolízis

CKI-k

Aktiváló kináz

Gátló kináz

foszfatáz

CKI-k

proteolízis

Hogyan működnek az ellenőrzési pontok?

G1 G2 M

DNS sérülés szabad kinetokor nem teljes replikáció érzékelő protein kinázok

közvetítő

effektor s e j t c i k l u s m e g á l l í t á s a

A DNS sérülés érzékelése

p53 foszforiláció

p21 transzkripció

Cdk2-Ec gátlás

No S fázis

G1 ellenőrzési pont

Protein kináz

érzékelő

közvetítő

effektor

Ataxia telangiectasia (ATM)

Rendkívül sokféle, sok szervet érintő tünet együttes sugár érzékenység és tumorok kialakulása

G2 ellenőrzési pont

ATRATR Protein kinázérzékelő

közvetítő

effektor

BRCA (breast cancer) szerepe a DNS sérüléseinek a kijavításában

Mutációjuk – emlő és petefészek tumorokban

M-ellenőrzési pont

APCAPC

APCAPC

Cdc20

Minden kinetochorhoz kapcsolódik MT Van szabad kinetochor

Egyéb kinázok a sejtciklus

szabályozásában

Polo szerű kinázok (Plk1) szerepe az M-fázisban

Plk inhibitorok – (BI2536, GSK461364, ON-01910, HMN-214) – I-II fázisú klinikai kipróbálás

Plk1 lokalizáció

Aurora kináz A sötét kék, Aurora kináz B narancs