Пролиферация клетки

    Циклин-зависимые  киназы (CDK) и их регуляторные субъединицы (циклины) являются основными регуляторами клеточного цикла. Прохождение клеточного цикла достигается путем последовательной активации и дезактивации разных комплексов циклин-CDK. Действие комплексов циклин-CDK заключается в фосфорилировании ряда белков-мишеней в соответствии с фазой клеточного цикла, в которой активен тот или иной комплекс циклин-CDK . Так, например, циклин Е-CDK2 активен в поздней G1 фазе и фосфорилирует белки, необходимые для прохождения через позднюю G1 фазу и вход в S фазу. Циклин А-CDK2 активен в S и G2 фазах, он обеспечивает прохождение S фазы и вход в митоз. Циклин А и циклин Е являются центральными регуляторами репликации ДНК. Поэтому неправильная регуляция экспрессии какого-либо из этих циклинов приводит к генетической нестабильности. Было показано, что накопление ядерного циклина А происходит исключительно в тот момент, когда клетка входит в S фазу, т.е. в момент G1/S перехода. С другой стороны, было показано, что уровень циклина Е повышался после прохождения так называемой точки ограничения (R-точки) в поздней G1 фазе, а затем существенно понижался, когда клетка входила в S фазу.

    Пути  регуляции CDK [2]

    Активность  циклин-зависимых киназ (CDK) жестко регулируется, по крайней мере, по четырем механизмам:  
1) Основной способ регуляции CDK – это связывание с циклином, т.е. в свободном виде киназа не активна, и только комплекс с соответствующим циклином обладает необходимыми активностями.  
2) Активность комплекса циклин-CDK также регулируется за счет обратимого фосфорилирования. Для того чтобы приобрести активность, необходимо фосфорилирование CDK, которое осуществляется при участии CDK активирующего комплекса (САК), состоящего из циклина Н, CDK7 и Mat1.  
3) С другой стороны, в молекуле CDK, в регионе, ответственном за 
связывание субстрата, имеются сайты, фосфорилирование которых приводит к ингибированию активности комплекса циклин-CDK. Эти сайты 
фосфорилируются группой киназ, включая Wee1 киназу, и дефосфорилируются фосфатазами Cdc25. Активность этих ферментов (Wee1 и Cdc25) существенно варьирует в ответ на разные внутриклеточные события, такие как повреждения ДНК.  
4) Некоторые комплексы циклин-CDK могут быть заингибированы вследствие связывания с ингибиторами CDK (CKI). Ингибиторы CDK состоят из двух групп белков INK4 и CIP/KIP. Ингибиторы INK4 (p15, p16, p18, p19) связываются с CDK4 и CDK6 и инактивируют их, предотвращая взаимодействие с циклином D. CIP/KIP ингибиторы (p21, p27, p57) могут связываться с комплексами циклин-CDK, содержащими CDK1, CDK2, CDK4 и CDK6. Примечательно, что при определенных условиях CIP/KIP ингибиторы могут усиливать киназную активность комплексов циклин D-CDK4/6.  

    Регуляция G1 фазы [2]

    В G1 фазе, в так называемой точке рестрикции (ограничения, R-точка), клетка принимает решение, делится ей или нет. Точка рестрикции – это та точка клеточного цикла, после которой клетка становится невосприимчивой к внешним сигналам вплоть до завершения всего клеточного цикла. Точка рестрикции делит G1 фазу на два функционально различных этапа: G1pm (постмитотический этап) и G1ps (пресинтетический этап). В течение G1pm клетка оценивает присутствующие в ее окружении ростовые факторы. Если необходимые ростовые факторы присутствуют в достаточном количестве, то клетка переходит в G1ps. Клетки, перешедшие в G1ps период, продолжают нормальное прохождение всего клеточного цикла даже при отсутствии ростовых факторов. Если отсутствуют необходимые ростовые факторы в G1pm периоде, то клетка переходит в состояние пролиферативного покоя (G0 фаза).

    Основным  результатом каскада сигнальных событий, происходящих вследствие связывания ростового фактора с рецептором на поверхности клетки, является активация комплекса циклин D-CDK4/6. Активность этого комплекса существенно возрастает уже в раннем G1 периоде. Этот комплекс фосфорилирует мишени, необходимые для прохождения в S фазу. Основным субстратом комплекса циклин D-CDK4/6 является продукт гена ретинобластомы (pRb). Нефосфорилированный pRb связывается и, тем самым, инактивирует транскрипционные факторы группы E2F. Фосфорилирование pRb комплексами циклин D-CDK4/6 приводит к высвобождению E2F, который проникает в ядро и инициирует трансляцию генов белков, необходимых для репликации ДНК, в частности генов циклина Е и циклина А. В конце G1 фазы происходит кратковременное увеличение количества циклина Е, которое предвещает накопление циклина А и переход в S фазу.

    Остановку клеточного цикла в G1 фазе могут  вызвать следующие факторы: повышение  уровня ингибиторов CDK, депривация ростовых факторов, повреждения ДНК, внешние  воздействия, онкогенная активация.

    Регуляция S фазы [2]

      
S фаза –  это этап клеточного цикла,  когда происходит синтез ДНК. Каждая из двух дочерних клеток, которые образуются в конце клеточного цикла, должна получить точную копию ДНК материнской клетки. Каждое основание молекул ДНК, составляющих 46 хромосом человеческой клетки, должно быть скопировано только один раз. Именно поэтому синтез ДНК регулируется крайне жестко.

    Было  показано, что только ДНК клеток, находящихся в G1 или S фазе, может  реплицироваться. Это наводит на мысль, что ДНК должна быть «лицензирована»  для репликации и что тот кусочек  ДНК, который был удвоен, теряет эту  «лицензию». Репликация ДНК начинается в месте связывания белков, называемых ORC (Origin of replicating complex). Несколько компонентов, необходимых для синтеза ДНК, связываются с ORC в поздней М или ранней G1 фазе, формируя пререплекативный комплекс, что собственно и дает «лицензию» ДНК для репликации. На стадии перехода G1/S к пререплекативному комплексу добавляются еще белки, необходимые для репликации ДНК, таким образом, образуется комплекс инициации. Когда начинается процесс репликации и образуется репликативная вилка, многие компоненты отделяются от инициирующего комплекса, а в месте инициации репликации остаются только компоненты пострепликативного комплекса.

    Для нормального функционирования инициирующего комплекса необходима активность циклин А-CDK2. Кроме того, для успешного окончания S фазы также необходима активность комплекса циклин А-CDK2, что, собственно, и является основным регуляторным механизмом, обеспечивающим успешное завершение синтеза ДНК. Остановку в S фазе может индуцировать повреждение ДНК.

    Регуляция G2 фазы [2]

    G2 фаза – это этап клеточного цикла, который начинается после завершения синтеза ДНК, но до начала конденсации. Основным регулятором прохождения G2 фазы служит комплекс циклин В-CDK2. Арест клеточного цикла в G2 фазе происходит вследствие инактивации комплекса циклин В-CDK2. Регулятором перехода G2/М является комплекс циклин В-CDK1, его фосфорилирование/дефосфорилирование регулирует вход в М фазу. Повреждения ДНК или наличие нереплицированных участков предотвращает переход в М фазу.

    Регуляция митоза [2, 5]

      
Митоз – это  собственно деление клетки надвое. Для прохождения раннего митоза необходима активность циклина А. Однако, основным регулирующим циклином, как и в предыдущей стадии, является циклин В в комплексе с CDK1. Активность комплекса циклин В-CDK1 приводит к деградации ядерной оболочки, конденсации хроматина и формированию из конденсированных хромосом метафазной пластинки. Перед тем как клетка переходит из метафазы в анафазу, происходит деградация циклина В. Утрата активности комплекса циклин В-CDK1 индуцирует миграцию хромосом к полюсам и деление клетки надвое. В профазе активированный комплекс циклин В-CDK1 гарантирует, что переход из интерфазы в митоз необратим за счет фосфорилирования членов семейства cdc25. Таким образом, снижается ингибиторное влияние cdc25B и cdc25C на комплекс циклин В-CDK1, что образует так называемую петлю позитивной обратной связи. Следовательно, активный комплекс циклин В-CDK1 приводит к необратимому выходу из интерфазы. В ранней анафазе происходит деградация комплекса циклин В-CDK1, что в последующем приводит к образованию ядерной оболочки и цитокинезу.

    Повреждения ДНК [1, 5]

    Для того чтобы сохранить и защитить генетическую информацию, эукариотические клетки развили сигнальные или коммуникационные сети, отвечающие за восстановление и контроль повреждений ДНК. Повреждения ДНК могут быть индуцированы многими агентами, включая ионизирующее облучение, свободные радикалы и токсичные вещества. Двуцепочечные разрывы ДНК (DBS) – наиболее часто встречающиеся повреждения ДНК. Подобные повреждения могут также образовываться и при репликации ДНК, а неправильная репарация разрывов может приводить к клеточной гибели, соматическим мутациям и формированию опухолей.

    Пути  восстановления двуцепочечных  разрывов ДНК [1]

    Существует, по крайней мере, два пути восстановления двуцепочечных разрывов: гомологичная рекомбинация (HR) и негомологичное концевое сращивание (NHEJ). В случае репарации путем HR используются гомологичные последовательности ДНК в качестве шаблона для репаративного синтеза, тогда как в случае NHEJ часто происходит простое склеивание концов в местах разрывов.

    Репарация разрывов ДНК через NHEJ происходит незамедлительно на протяжении всего клеточного цикла. Хотя NHEJ эффективно сращивает концы в области разрывов, этот путь часто приводит к потере генетической информации, поскольку происходит процессинг окончаний в области разрыва нуклеазами. В отличие от NHEJ, HR происходит, главным образом, в поздней S фазе и G2 фазе, поскольку зависит от присутствия сестринских хроматид, обеспечивающих шаблон для репарации. Поскольку восстановление путем HR достигается за счет нового синтеза с использованием в качестве шаблона полноценной гомологичной ДНК, это позволяет клетке восстанавливать ДНК с высокой точностью.

    Клеточный ответ на повреждения  ДНК и его регуляция [1]

    В восстановлении двуцепочечных разрывов ДНК ключевую роль играют белки ATM и NBS1. ATM – это протеин киназа, которая  активируется незамедлительно после  появления двуцепочечных разрывов  ДНК. Помимо этого, для обеспечения эффективного функционирования репарации ДНК и прохождения ключевых точек клеточного цикла высоко упорядоченная структура эукариотического хроматина должна быть соответствующим образом изменена, чтобы обеспечить доступ факторов репарации к ДНК. Эти изменения называются хроматиновыми перестройками, они осуществляются за счет специфических комплексов, связанных с модификациями гистонов.

    Для эффективного восстановления двуцепочечных  разрывов клетка активирует множество  различных путей. Сигнальный каскад, генерируемый в ответ на разрывы ДНК, состоит из сенсорных, медиаторных и эффекторных белков и регулируется посттрансляционными модификациями белков, а именно их фосфорилированием и ацетилированием. Клеточный ответ на двуцепочечные разрывы ДНК инициируется распознаванием поврежденного участка молекулы сенсорными белками. ATM и NBS1 действуют совместно как первичные сенсорные белки. Вследствие распознавания повреждений ДНК сенсорными белками медиаторы, такие как BRCA1, MDC1, 53BP1, приобретают посттрансляционные модификации, которые генерируются сенсорными белками. Эти модифицированные медиаторные белки затем усиливают сигнал от поврежденной ДНК и передают его на эффекторы, такие как RAD51, Artemis, Chk2, p53.

    АТМ является одним из основных белков, вовлеченных в сохранение генетической стабильности, контроль длины теломеры и в активацию контрольных точек клеточного цикла. NBS1 вовлечен в выполнение тех же функций. Как было сказано выше, эти белки действуют синергично. NBS1 образует комплекс с MRE11 и RAD50 и перетаскивает этот комплекс непосредственно к поврежденному участку ДНК. Кроме того, этот комплекс RAD50/MRE11/NBS1 (RMN) необходим для привлечения АТМ в место двуцепочечного разрыва и для эффективного фосфорилирования субстратов АТМ.

    Несмотря на то, что ATM фосфорилирует многие факторы, вовлеченные в HR путь, роль его в регуляции этого пути пока остается неясной. Функцией NBS1 в качестве основного фактора в процессе HR является регуляция клеточной локализации комплекса RMN. Главную функцию в накоплении комплекса RMN в месте двуцепочечного разрыва выполняет домен FHA/BRCT в молекуле NBS1. Этот домен необходим не только для эффективного процесса HR, но также для правильного использования сестринских хроматид в качестве шаблона. Таким образом, NBS1 может регулировать и сцепление сестринских хроматид, и этап промежуточной диссоциации в течение HR реакции.

    Функции АТМ в процессе NHEJ заключаются  в фосфорилировании нуклеазы Artemis. NBS1 также принимает активное участие  в репарации путем NHEJ. Хотя роль NBS1 в NHEJ пути в клетках млекопитающих не настолько критична как в клетках грибов, было установлено, что NBS1 необходим для проведения реакций NHEJ вблизи разрывов ДНК. NBS1 вовлечен в Artemis-опосредованный путь NHEJ, вероятно, за счет активации АТМ. В ответ на повреждение ДНК происходит взаимодействие между комплексом RMN и нуклеазой Artemis. Таким образом, RMN может принимать участие в двух путях восстановления разрывов ДНК в АТМ-зависимой и АТМ-независимой манере. В большей степени RMN способствует гомологичной репарации, нежели пути негомологичного сращивания концов.