Phase G2
Lentrée mitotique est déterminée par un niveau seuil de complexe cycline-B1 / CDK1 actif, également connu sous le nom de cycline-B1 / Cdc2 ou facteur favorisant la maturation (MPF). La cycline-B1 / CDK1 active déclenche des actions irréversibles dans la mitose précoce, y compris la séparation du centrosome, la dégradation de lenveloppe nucléaire et lassemblage de la broche. Chez les vertébrés, il existe cinq isoformes de la cycline B (B1, B2, B3, B4 et B5), mais le rôle spécifique de chacune de ces isoformes dans la régulation de lentrée mitotique nest toujours pas clair. On sait que la cycline B1 peut compenser la perte à la fois de la cycline B2 (et vice versa chez la drosophile). Saccharomyces cerevisiae contient six cyclines de type B (Clb1-6), Clb2 étant la plus essentielle à la fonction. Chez les vertébrés et S. cerevisiae, on suppose que la présence de plusieurs cyclines de type B permet à différentes cyclines de réguler différentes parties de la transition G2 / M tout en rendant la transition robuste aux perturbations.
les discussions porteront sur lactivation spatiale et temporelle de la cycline B1 / CDK dans les cellules de mammifères, mais des voies similaires sont applicables dans les deux autres métazoaires et dans S. cerevisiae.
Synthèse et dégradation de la cycline B1Modifier
Régulation de lactivité cycline-B1 / CDK1 et Myt1 kinases. Wee1 est localisé principalement au noyau et agit sur le site Tyr15, tandis que Myt1 est localisé à la surface externe de lER et agit principalement sur le site Thr14.
Les effets de Wee1 et Myt1 sont neutralisés par les phosphatases dans la famille cdc25, qui élimine les phosphates inhibiteurs sur CDK1 et convertit ainsi le complexe cycline B1-CDK1 en sa forme entièrement activée, MPF.
Ce diagramme illustre les boucles de rétroaction sous-jacentes à la transition G2 / M. Cyclin-B1 / CDK1 active Plk et inactive Wee1 et Myt1. Activé Plk active le cdc25. Lactivation de Cdc25 et linactivation de Wee1 / Myt1 conduisent à une activation supplémentaire de Cyclin-B1 / CDK1. Le rôle putatif de la cycline-A / CDK2 et du Cdc25A en tant quactivateurs initiaux de la boucle de rétroaction est également illustré dans une section ultérieure.
La cycline active B1-CDK1 phosphoryle et module lactivité de Wee1 et des isoformes A et C de Cdc25. Spécifiquement, la phosphorylation de CDK1 inhibe lactivité kinase Wee1, active lactivité phosphatase Cdc25C via lactivation de la kinase intermédiaire PLK1 et stabilise Cdc25A. Ainsi, CDK1 forme une boucle de rétroaction positive avec Cdc25 et une double boucle de rétroaction négative avec Wee1 (essentiellement une boucle de rétroaction positive nette).
Rétroaction positive et activation de type switchEdit
Ce graphique illustre les équilibres stables pour lactivité cycline-B1 / CDK1 à différentes concentrations de cycline B1, avec le seuil de concentration de cycline B pour entrer en mitose plus élevé que le seuil de sortie de la mitose.
Ces boucles de rétroaction positive codent un commutateur bistable hystérétique dans lactivité CDK1 par rapport aux niveaux de cycline B1 (voir figure). Ce commutateur est caractérisé par deux équilibres stables distincts sur une région bistable de concentrations de cycline B1. Un équilibre correspond à linterphase et est caractérisé par linactivité de la Cycline-B1 / CDK1 et Cdc25, et un niveau élevé dactivité Wee1 et Myt1. Lautre équilibre correspond à la phase M et est caractérisé par une activité élevée de Cycline-B1 / CDK1 et Cdc25, et une faible activité Wee1 et Myt1. Dans la plage de bistabilité, létat dune cellule dépend du fait quelle était auparavant en interphase ou en phase M: la concentration seuil pour entrer en phase M est supérieure à la concentration minimale qui maintiendra lactivité en phase M une fois quune cellule est déjà sortie de linterphase .
Les scientifiques ont validé à la fois théoriquement et empiriquement la nature bistable de la transition G2 / M. Le modèle Novak-Tyson montre que les équations différentielles modélisant la boucle de rétroaction cycline-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1 admettent deux équilibres stables sur une plage de concentrations de cycline-B. Expérimentalement, la bistabilité a été validée en bloquant la synthèse endogène de cycline B1 et en titrant les cellules en interphase et en phase M avec des concentrations variables de cycline B1 non dégradable.Ces expériences montrent que la concentration seuil pour entrer en phase M est supérieure au seuil pour sortir de la phase M: la décomposition de lenveloppe nucléaire se produit entre 32 et 40 nm de cycline-B1 pour les cellules sortant de linterphase, tandis que le noyau reste désintégré à des concentrations supérieures 16-24 nm dans des cellules déjà en phase M.
Ce commutateur bistable et hystérétique est physiologiquement nécessaire pour au moins trois raisons. Premièrement, la transition G2 / M signale le début de plusieurs événements, tels que la condensation chromosomique et la rupture de lenveloppe nucléaire, qui modifient considérablement la morphologie de la cellule et ne sont viables que dans les cellules en division. Il est donc essentiel que lactivation de la cycline-B1 / CDK1 se produise dune manière de type interrupteur; cest-à-dire que les cellules devraient rapidement sinstaller dans un état de phase M discret après la transition, et ne devraient pas persister dans un continuum détats intermédiaires (par exemple, avec une enveloppe nucléaire partiellement décomposée). Cette exigence est satisfaite par la forte discontinuité séparant les niveaux dinterphase et déquilibre de phase M de lactivité CDK1; lorsque la concentration de cycline-B augmente au-delà du seuil dactivation, la cellule passe rapidement à léquilibre de phase M.
Deuxièmement, il est également vital que la transition G2 / M se produise unidirectionnellement, ou une seule fois par cellule cycle Les systèmes biologiques sont intrinsèquement bruyants, et de petites fluctuations des concentrations de cycline B1 près du seuil pour la transition G2 / M ne devraient pas amener la cellule à basculer entre les états interphase et M-phase. Ceci est assuré par la nature bistable du commutateur: après le passage de la cellule à létat de phase M, de petites diminutions de la concentration de cycline B ne font pas revenir la cellule en interphase.
Enfin, la poursuite du cycle cellulaire nécessite des oscillations persistantes de lactivité cycline-B / CDK1 au fur et à mesure que la cellule et ses descendants entrent et sortent de la phase M. La rétroaction négative fournit un élément essentiel de cette oscillation à long terme: la cycline-B / CDK active lAPC / C, ce qui provoque la dégradation de la cycline-B à partir de la métaphase, restaurant CDK1 à son état inactif. Cependant, de simples boucles de rétroaction négative conduisent à des oscillations amorties qui finissent par se stabiliser à un état stable. Les modèles cinétiques montrent que les boucles de rétroaction négative couplées à des motifs de rétroaction positive bistables peuvent conduire à des oscillations persistantes et non amorties (voir oscillateur de relaxation) du type requis pour le cycle cellulaire à long terme.
FeedbackEdit positif
La boucle de rétroaction positive mentionnée ci-dessus, dans laquelle cycline-B1 / CDK1 favorise sa propre activation en inhibant Wee1 et Myst1 et en activant cdc25, ninclut pas intrinsèquement un déclencheur » »Pour initier la boucle de rétroaction. Récemment, des preuves ont émergé suggérant un rôle plus important pour les complexes cycline A2 / CDK dans la régulation de linitiation de ce changement. Lactivité de la cycline A2 / CDK2 commence au début de la phase S et augmente pendant G2. Cdc25B montré pour déphosphoryler Tyr15 sur CDK2 au début à mi-G2 dune manière similaire au mécanisme CDK1 mentionné ci-dessus. Les complexes cycline A2 / CDK ne fonctionnent pas strictement comme activateurs de la cycline B1 / CDK1 dans G2, car CDK2 sest avéré nécessaire pour lactivation de lactivité de point de contrôle G2 indépendante de p53, peut-être par une phosphorylation stabilisante sur C dc6. Les cellules CDK2 – / – ont également des niveaux anormalement élevés de Cdc25A. Il a également été démontré que la cycline A2 / CDK1 médie la destruction protéasomale de Cdc25B. Ces voies sont souvent dérégulées dans le cancer.
Régulation spatialeModifier
En plus des aspects bistables et hystérétiques de lactivation de la cycline B1-CDK1, la régulation de la localisation des protéines sous-cellulaires contribue également au G2 / Transition M. La cycline B1-CDK1 inactive saccumule dans le cytoplasme, commence à être activée par le cdc25 cytoplasmique, puis est rapidement séquestrée dans le noyau pendant la prophase (car elle est ensuite activée). Chez les mammifères, la translocation de la cycline B1 / CDK1 vers le noyau est activée par phosphorylation de cinq sites sérine sur le site de rétention cytoplasmique (CRS) de la cycline B1: S116, S26, S128, S133 et S147. Chez Xenopus laevis, la cycline B1 contient quatre des sites de phosphorylation de sérine CRS analogues (S94, S96, S101 et S113) indiquant que ce mécanisme est hautement conservé. Lexportation nucléaire est également inactivée par la phosphorylation du signal dexportation nucléaire de la cycline B1 (NES). Les régulateurs de ces sites de phosphorylation sont encore largement inconnus, mais plusieurs facteurs ont été identifiés, notamment les kinases régulées par le signal extracellulaire (ERK), PLK1 et CDK1 lui-même. En atteignant un certain niveau seuil de phosphorylation, la translocation de la cycline B1 / CDK1 vers le noyau est extrêmement rapide.Une fois dans le noyau, la cycline B1 / CDK1 phosphoryle de nombreuses cibles en préparation de la mitose, notamment lhistone H1, les lamines nucléaires, les protéines centrosomales et les protéines associées aux microtubules (MAP).
La localisation subcellulaire de cdc25 passe également le cytosol au noyau pendant la prophase. Ceci est accompli via lélimination des phosphates dobscurcissement de la séquence de localisation nucléaire (NLS) et la phosphorylation du signal dexportation nucléaire. On pense que le transport simultané de cdc25 et de cycline-B1 / CDK1 dans le noyau amplifie la nature de commutation de la transition en augmentant les concentrations efficaces des protéines.