МедУнивер - MedUniver.com Все разделы сайта Видео по медицине Книги по медицине Форум консультаций врачей  
Рекомендуем:
Генетика:
Генетика
Аномалии хромосом
Биология клетки
Генетика врожденных пороков
Генетика рака - опухолей
Молекулярная генетика
Наследственные синдромы
Цитогенетика - исследование хромосом
Лечение наследственных болезней
Фармакогенетика
Форум
 

CDK как регулятор клеточного цикла

• CDK являются основными регуляторами клеточного цикла и активны, только находясь в комплексе с другими белками-циклинами

• Циклины получили свое название потому, что в процессе клеточного цикла их уровень в клетке периодически меняется

• На разных фазах клеточного цикла CDK может образовывать комплекс с разными циклинами

Клеточный цикл контролируется центральной системой контроля. Ключевым компонентом этой системы является небольшое семейство протеинкиназ, которые называются циклин-зависимыми киназами, или CDKs. Эта киназа представляет собой комплекс, состоящий из двух полипептидов. Один из них, CDK, связывает АТФ и содержит активный центр.

Однако он обладает киназной активностью, только будучи связан с другим полипептидом, называемым циклином. На рисунке ниже показано, что связывание с циклином вызывает конформационнные изменения в молекуле CDK, в результате которых субстрат получает доступ к каталитическому центру. Активность каждого комплекса CDK с циклином изменяется таким образом, что проявляется только в определенные фазы клеточного цикла, а в остальное время комплекс остается в неактивном состоянии.

Различные протеинкиназы проявляют активность в различные фазы клеточного цикла. Некоторые активны в G1 период, другие в момент репликации клеточной ДНК, а остальные — в митозе. В течение относительно недолгого периода активности, каждая киназа фосфорилирует большое количество белков, что приводит либо к их активации и к запуску основных событий клеточного цикла, либо к ингибированию их активности, при котором предотвращается повторение предыдущего события цикла. Например, CDK, которая инициирует митоз, фосфорилирует белки ламиньг, при этом происходит разрушение ядерной оболочки. Также фосфорилируется большой набор других белков, которые регулируют сборку митотического веретена.

CDK и циклин
Связывание циклина с CDK вызывает в последней конформационные изменения.
Т-петля изменяет свое положение, что обеспечивает доступ субстратов.
Также происходит реориентация боковых цепей некоторых аминокислот,
в результате чего индуцируются изменения, необходимые для переноса фосфатных групп.

Впервые CDK были идентифицированы при изучении cdc дрожжевых мутантов. При секвенировании ДНК гена cdc2+ S. pombe оказалось, что он гомологичен гену CDC28 почкующихся дрожжей Saccharomyces cerevisiae. Фактически было показано, что ген почкующихся клеток может функционально заменить ген делящихся дрожжей. Иными словами, когда этот ген трансфецировали в клетки мутанта дрожжей cdc2ts, они могли расти при непермиссивной температуре. Это говорило о том, что исследователи имели дело с ортологическими белками, т. е. с белками, разделяющими одну и ту же функцию. Затем было показано, что эти белки являются протеинкиназами.

Когда методом генетической комплементации с использованием мутанта cdc2 S. pombe был выделен гомолог этого гена, присутствующий в клетках человека (CDC2), стало очевидно, что киназа является сохранившимся в эволюции регулятором митоза. Это предположение стимулировало дальнейший поиск общих белков, участвующих в контроле цикла в различных клетках, и общих принципов регуляции деления клеток эукариот. В остальной части настоящей главы, для обозначения киназного гена, вместо названия с учетом того или иного организма (cdc2, CDC28, CDC2) мы будем использовать его общее название Cdk1.

При исследовании деления эмбриональных клеток морского ежа и моллюска в начале 1980-х гг. Тим Хант и другие сотрудники из лаборатории Джоан Рудерман отметили периодические изменения в содержании белков, уровень которых снижался одновременно с наступлением деления. Позже эти белки были названы циклины. Такие периодические колебания в изменении уровня белков обнаруживались только в исследованиях на отдельных клектах или на популяции клеток, синхронно вступающих в цикл.

Изменения уровня белков были выражены очень сильно; накопление белков происходило в интерфазе за счет их синтеза, и затем содержание их резко падало в результате протеолиза, как раз перед началом расхождения хромосом при наступлении анафазы. Появление и исчезновение двух белков происходили синхронно с клеточным циклом и в каждом делении. Такая периодичность появления циклина говорит о том, что он образует комплекс с CDK, и поэтому киназа активна лишь в определенные краткие периоды каждого клеточного цикла.

Дальнейший прогресс в выяснении роли CDKs и циклинов был достигнут после проведения элегантных оригинальных исследований контроля клеточного цикла у Xenopus laevis. Был идентифицирован фактор, способствующий созреванию (maturationpromoting/actor, MPF). Он обладал активностью, обусловливающей мейотичес-кое созревание ооцитов лягушки. Последующая очистка фактора и его биохимическая характеристика показали, что он состоит из Cdk1 и циклина. Сейчас известно, что активность MPF резко увеличивется и столь же резко снижается при каждом митозе или мейозе. Это схематически показано на рисунке ниже. Резкое снижение уровня белка обусловлено протеолизом циклина, а увеличение частично объясняется повышением его содержания. Идентификации MPF способствовало обнаружение того факта, что аналогичные белки контролируют клеточный цикл у всех эукариот.

Для организации клеточного цикла у некоторых организмов достаточно одного циклина и одной CDK. Например, в клетках дрожжей S. pombe присутствует только одна CDK и только один вид циклина, и один и тот же CDK-циклиновый комплекс вызывает переходы G1/S и G2/M. Эти данные не согласуются с точкой зрения о том, что CDK-циклиновые комплексы вызывают только один переход. Поэтому предполагается, что для прохождения клетки через два перехода необходимы различные уровни CDK-циклиновой активности.

Периодическое изменение уровня циклина
Ученые обнаружили первые циклины, когда они заметили,
что повышенный их уровень связан с наступлением митоза в эмбриональных клетках.
После завершения митоза уровень циклина резко падает.

При более низком уровне активности наступает S-фаза, а при более высоком наступает митоз. Поскольку уровень циклина в клетке со временем увеличивается, такой механизм позволяет запускать переход клеток в S-фазу и в митоз, причем это происходит в правильной последовательности, и с участием одного и того же CDK-циклинового комплекса.

У большинства организмов на протяжении каждого клеточного цикла действует много циклинов, причем эти разные белки появляются и исчезают на разных стадиях. При этом, в зависимости от названия фазы клеточного цикла, в течение которой они присутствуют, циклины подразделяются на три класса: G1-циклины, ответственные за продвижение цикла от фазы G1 к S-фазе; S-фазные циклины, которые необходимы для инициации репликации ДНК; и М-фазные, или митотические, циклины, инициирующие митоз. Во многих клетках находится более одного представителя каждого класса циклинов; даже такие простые эукариоты, как дрожжи S. cerevisiae, содержат девять различных циклинов. Все девять взаимодействуют с одной и той же каталитической субъединицей.

Поскольку каталитическая субъединица в каждом CDK комплексе одна и та же, циклиновые субъединицы должны не только активировать субъединицу киназы, но также распознавать белки, которые необходимо фосфорилировать.

У Метазоа различные классы циклинов обычно обозначают буквами. Циклин D связан с G1, а циклины А и Е с S-фазой. Циклины А и В связаны с митозом.

Наряду со многими классами циклинов, для большинства многоклеточных эукариот характерно присутствие нескольких представителей каждого класса (которые обозначаются циклин B1, В2 и т. д.). Таким образом, общее количество циклинов достаточно велико. Например, геном человека, кодирует, по меньшей мере, 12 циклинов, которые участвуют в регуляции клеточного цикла. Зачем клетке так много циклинов? Сейчас накоплено много данных, полученных на большом количестве организмов, которые свидетельствуют о том, что большое количество вариантов циклинов обеспечивает разные способы их регулировки.

Так, некоторые циклины обнаруживаются только в определенных участках клетки, например в ядре, или в центросоме, в то время как другие присутствуют не во всех, а лишь в некоторых тканях животных. Уровень циклинов также может регулироваться во времени, т. е. различные циклины, характерные для какой-либо одной фазы цикла, могут, в зависимости от времени, либо появляться, либо исчезать. Смысл такой регуляции пока не вполне ясен, но возможно, что она необходима для того, чтобы клеточный цикл соответствовал типу клеток. Таким образом, для крупных животных, для которых характерно присутствие многих типов клеток, необходимо большое количество циклинов.

Хотя различные представители семейства циклинов появляются в различное время цикла и в различных участках клетки, они обладают общими молекулярными свойствами. В первичной структуре у них присутствует последовательность, состоящая примерно из 150 аминокислот, которая называется циклиновый домен. Эта последовательность представляет собой область, посредством которой циклин связывется с каталитической субъединицей CDK. Вне циклинового домена первичная последовательность циклинов существенно варьирует по составу, хотя многйе циклины содержат там гидрофобный участок, участвующий в узнавании субстрата. Несмотря на различия, среди циклинов существует значительная функциональная избыточность, и один циклин может заменить другой, хотя и не всегда с одинаковым результатом. Такая избыточность впервые была обнаружена у дрожжей и сейчас показана для клеток мышей. Например, в отсутствие циклина Е, мыши развиваются и живут нормально. Не исключено поэтому, что другие циклины компенсируют потерю этого циклина, участвующего в инициации S-фазы, хотя обычно они не выполняют присущие ему функции.

В клетках Метазоа также содержится несколько циклин-зависимых киназ. Киназа CDK1 играет важную роль в митозе, a CDK2, CDK4 и CDK6 участвуют в ранних фазах клеточного цикла. Большинство киназ связывается с одним или двумя различными циклинами, причем для каждой CDK существует свой набор циклинов. Поэтому в тот или иной момент времени в клетке находится много разных CDK-циклиновых комплексов. Разные сочетания субъединиц CDK и циклинов позволяют достигнуть очень тонкой регуляции в определенные моменты жизни клетки и в определенном месте. Это относится как к отдельной клетке, так и к многоклеточному организму. Также следует иметь в виду, что для каждого CDK-цик-линового комплекса существует определенный набор субстратов. Стадии цикла клеток млекопитающих, в которых действуют различные CDK-циклины, показаны на рисунке ниже, справа.

Подводя итог изложенному выше, подчеркнем, что переход клеток в разные стадии цикла регулируется CDK-циклиновыми комплексами. Циклины представляют собой белки, уровень которых в клетке меняется в зависимости от фаз цикла. Таким образом, специфичность различных фаз клеточного цикла определяется активностью CDK, которая регулируется циклинами.

Уровень MPF в митозе
Изменения уровня MPF в митотическом цикле позволяют предполагать,
что он служит регулятором митоза.
Комплекс CDK-циклин
В клетках делящихся дрожжей различные переходы в клеточном цикле контролируются единственным CDK-циклиновым комплексом (Cdk1-циклин В) (левый рисунок),
в то время как в клетках млекопитающих эти же задачи выполняют различные CDK-циклиновые комплексы (правый рисунок).
Комплекс CDK-циклин
График, иллюстрирующий положение, согласно которому различные пороговые значения активности одной Cdk1 стимулируют различные процессы в цикле делящихся дрожжевых клеток.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

- Также рекомендуем "Регуляция активности CDK-циклиновых комплексов"

Оглавление темы "Клеточный цикл":
  1. Механизмы и этапы цитокенеза
  2. Механизмы образования сократимого кольца
  3. Механизм деления клетки сократимым кольцом
  4. Распределение органелл при делении клеток в ходе митоза
  5. Перспективы изучения митоза
  6. Стадии и фазы клеточного цикла
  7. Методы исследования клеточного цикла
  8. Контрольные точки клеточного цикла
  9. CDK как регулятор клеточного цикла
  10. Регуляция активности CDK-циклиновых комплексов
Медунивер Мы в Telegram Мы в YouTube Мы в VK Форум консультаций врачей Контакты, реклама
Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.