G2-Phase

Der mitotische Eintritt wird auch durch einen Schwellenwert des aktiven Cyclin-B1 / CDK1-Komplexes bestimmt bekannt als Cyclin-B1 / Cdc2 oder der reifungsfördernde Faktor (MPF). Aktives Cyclin-B1 / CDK1 löst bei der frühen Mitose irreversible Aktionen aus, einschließlich Zentrosomentrennung, Zusammenbruch der Kernhülle und Spindelanordnung. Bei Wirbeltieren gibt es fünf Cyclin B-Isoformen (B1, B2, B3, B4 und B5), aber die spezifische Rolle jeder dieser Isoformen bei der Regulierung des mitotischen Eintritts ist noch unklar. Es ist bekannt, dass Cyclin B1 den Verlust von Cyclin B2 kompensieren kann (und umgekehrt bei Drosophila). Saccharomyces cerevisiae enthält sechs Cycline vom B-Typ (Clb1-6), wobei Clb2 für die Funktion am wichtigsten ist. Sowohl bei Wirbeltieren als auch bei S. cerevisiae wird spekuliert, dass das Vorhandensein mehrerer Cycline vom B-Typ es verschiedenen Cyclinen ermöglicht, unterschiedliche Teile des G2 / M-Übergangs zu regulieren, während der Übergang gleichzeitig gegenüber Störungen robust gemacht wird.

Anschließend Die Diskussionen werden sich auf die räumliche und zeitliche Aktivierung von Cyclin B1 / CDK in Säugetierzellen konzentrieren, aber ähnliche Wege sind sowohl bei anderen Metazoen als auch bei S. cerevisiae anwendbar.

Synthese und Abbau von Cyclin B1Edit

Cyclin B1-Spiegel werden während der G1- und S-Phasen durch den Anaphase-fördernden Komplex (APC) unterdrückt, eine E3-Ubiquitin-Ligase, die auf Cyclin B1 zur Proteolyse abzielt. Die Transkription beginnt am Ende der S-Phase nach der DNA-Replikation als Reaktion auf die Phosphorylierung von Transkriptionsfaktoren wie NF-Y, FoxM1 und B-Myb durch stromaufwärts gelegene G1- und G1 / S-Cyclin-CDK-Komplexe.

Regulation der Cyclin-B1 / CDK1-AktivitätEdit

Erhöhte Cyclin B1-Spiegel verursachen steigende Spiegel von Cyclin B1-CDK1-Komplexen in G2, aber der Komplex bleibt vor dem G2 / M-Übergang aufgrund der inhibitorischen Phosphorylierung durch Wee1 inaktiv und Myt1-Kinasen. Wee1 ist hauptsächlich im Kern lokalisiert und wirkt auf die Tyr15-Stelle, während Myt1 auf der äußeren Oberfläche des ER lokalisiert ist und überwiegend auf die Thr14-Stelle wirkt.

Den Wirkungen von Wee1 und Myt1 wird durch Phosphatasen in entgegengewirkt die cdc25-Familie, die die inhibitorischen Phosphate auf CDK1 entfernt und so den Cyclin B1-CDK1-Komplex in seine vollständig aktivierte Form MPF umwandelt.

Aktives CyclinB1-CDK1 phosphoryliert und moduliert Die Aktivität von Wee1 und den Cdc25-Isoformen A und C. Insbesondere hemmt die CDK1-Phosphorylierung die Wee1-Kinaseaktivität, aktiviert die Cdc25C-Phosphataseaktivität über die Aktivierung der Zwischenkinase PLK1 und stabilisiert Cdc25A. Somit bildet CDK1 mit Cdc25 eine positive Rückkopplungsschleife und mit Wee1 eine doppelte negative Rückkopplungsschleife (im Wesentlichen eine positive Nettorückkopplungsschleife).

Positive Rückkopplung und schalterartige AktivierungEdit

Diese positiven Rückkopplungsschleifen codieren einen hysteretischen bistabilen Schalter in der CDK1-Aktivität relativ zu den Cyclin B1-Spiegeln (siehe Abbildung). Dieser Schalter ist durch zwei unterschiedliche stabile Gleichgewichte über einen bistabilen Bereich von Cyclin B1-Konzentrationen gekennzeichnet. Ein Gleichgewicht entspricht der Interphase und ist durch Inaktivität von Cyclin-B1 / CDK1 und Cdc25 sowie ein hohes Maß an Wee1- und Myt1-Aktivität gekennzeichnet. Das andere Gleichgewicht entspricht der M-Phase und ist durch eine hohe Aktivität von Cyclin-B1 / CDK1 und Cdc25 sowie eine niedrige Aktivität von Wee1 und Myt1 gekennzeichnet. Innerhalb des Bistabilitätsbereichs hängt der Zustand einer Zelle davon ab, ob sie sich zuvor in der Interphase oder in der M-Phase befand: Die Schwellenkonzentration für den Eintritt in die M-Phase ist höher als die Mindestkonzentration, die die M-Phasen-Aktivität aufrechterhält, sobald eine Zelle die Interphase bereits verlassen hat

Wissenschaftler haben sowohl theoretisch als auch empirisch die bistabile Natur des G2 / M-Übergangs validiert. Das Novak-Tyson-Modell zeigt, dass die Differentialgleichungen, die die Cyclin-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1-Rückkopplungsschleife modellieren, zwei stabile Gleichgewichte über einen Bereich von Cyclin-B-Konzentrationen zulassen. Experimentell wurde die Bistabilität validiert, indem die endogene Cyclin B1-Synthese blockiert und Interphasen- und M-Phasenzellen mit unterschiedlichen Konzentrationen an nicht abbaubarem Cyclin B1 titriert wurden.Diese Experimente zeigen, dass die Schwellenkonzentration für den Eintritt in die M-Phase höher ist als der Schwellenwert für den Austritt aus der M-Phase: Bei Zellen, die die Interphase verlassen, tritt zwischen 32 und 40 nm Cyclin-B1 auf, während der Kern bei Konzentrationen über dem Zerfall zerfällt 16-24 nm in Zellen, die sich bereits in der M-Phase befinden.

Dieser bistabile, hysteretische Schalter ist aus mindestens drei Gründen physiologisch notwendig. Erstens signalisiert der G2 / M-Übergang die Auslösung mehrerer Ereignisse wie Chromosomenkondensation und Abbau der Kernhülle, die die Morphologie der Zelle deutlich verändern und nur bei der Zellteilung lebensfähig sind. Es ist daher wichtig, dass die Aktivierung von Cyclin-B1 / CDK1 schalterartig erfolgt; das heißt, Zellen sollten sich nach dem Übergang schnell in einen diskreten M-Phasenzustand absetzen und sollten nicht in einem Kontinuum von Zwischenzuständen bestehen bleiben (z. B. mit einer teilweise zerlegten Kernhülle). Diese Anforderung wird durch die scharfe Diskontinuität erfüllt, die die Interphasen- und M-Phasen-Gleichgewichtsniveaus der CDK1-Aktivität trennt; Wenn die Cyclin-B-Konzentration über die Aktivierungsschwelle hinaus ansteigt, wechselt die Zelle schnell in das M-Phasengleichgewicht. Zweitens ist es auch wichtig, dass der G2 / M-Übergang unidirektional oder nur einmal pro Zelle erfolgt Zyklus Biologische Systeme sind von Natur aus verrauscht, und kleine Schwankungen der Cyclin B1-Konzentrationen nahe der Schwelle für den G2 / M-Übergang sollten nicht dazu führen, dass die Zelle zwischen Interphasen- und M-Phasenzuständen hin und her wechselt. Dies wird durch die bistabile Natur des Schalters sichergestellt: Nach dem Übergang der Zelle in den M-Phasenzustand führen kleine Abnahmen der Konzentration von Cyclin B nicht dazu, dass die Zelle wieder in die Interphase zurückschaltet.

Schließlich Die Fortsetzung des Zellzyklus erfordert anhaltende Schwingungen der Cyclin-B / CDK1-Aktivität, wenn die Zelle und ihre Nachkommen in die M-Phase und aus dieser heraus übergehen. Negative Rückkopplung liefert ein wesentliches Element dieser Langzeitschwingung: Cyclin-B / CDK aktiviert APC / C, wodurch Cyclin-B ab der Metaphase abgebaut wird und CDK1 in seinen inaktiven Zustand zurückversetzt wird. Einfache negative Rückkopplungsschleifen führen jedoch zu gedämpften Schwingungen, die sich schließlich in einem stationären Zustand niederlassen. Kinetische Modelle zeigen, dass negative Rückkopplungsschleifen in Verbindung mit bistabilen positiven Rückkopplungsmotiven zu anhaltenden, nicht gedämpften Schwingungen (siehe Relaxationsoszillator) führen können, wie sie für einen langfristigen Zellzyklus erforderlich sind.

Positive RückkopplungEdit

Die oben erwähnte positive Rückkopplungsschleife, in der Cyclin-B1 / CDK1 seine eigene Aktivierung durch Hemmung von Wee1 und Myst1 und Aktivierung von cdc25 fördert, enthält von Natur aus keinen „Trigger“ ”Mechanismus zur Initiierung der Rückkopplungsschleife. In jüngster Zeit gibt es Hinweise darauf, dass Cyclin A2 / CDK-Komplexe eine wichtigere Rolle bei der Regulierung der Initiierung dieses Schalters spielen. Die Cyclin A2 / CDK2-Aktivität beginnt in der frühen S-Phase und steigt während G2 an. Cdc25B war Es wurde gezeigt, dass Tyr15 auf CDK2 im frühen bis mittleren G2 auf ähnliche Weise wie der oben erwähnte CDK1-Mechanismus dephosphoryliert. Die Herunterregulierung von Cyclin A2 in U2OS-Zellen verzögert die Aktivierung von Cyclin-B1 / CDK1 durch Erhöhen der Wee1-Aktivität und Verringern der Plk1- und Cdc25C-Aktivität Cyclin A2 / CDK-Komplexe wirken nicht streng als Aktivatoren von Cyclin B1 / CDK1 in G2, da gezeigt wurde, dass CDK2 für die Aktivierung der p53-unabhängigen G2-Checkpoint-Aktivität erforderlich ist, möglicherweise durch eine stabilisierende Phosphorylierung an C. dc6. CDK2 – / – Zellen weisen auch abweichend hohe Cdc25A-Spiegel auf. Es wurde auch gezeigt, dass Cyclin A2 / CDK1 die proteasomale Zerstörung von Cdc25B vermittelt. Diese Wege sind bei Krebs häufig dereguliert.

Räumliche RegulationEdit

Zusätzlich zu den bistabilen und hysteretischen Aspekten der Aktivierung von Cyclin B1-CDK1 trägt die Regulation der subzellulären Proteinlokalisation auch zur G2 / bei M Übergang. Inaktives Cyclin B1-CDK1 reichert sich im Zytoplasma an, beginnt durch zytoplasmatisches cdc25 aktiviert zu werden und wird dann während der Prophase schnell in den Kern gebunden (wenn es weiter aktiviert wird). Bei Säugetieren wird die Cyclin B1 / CDK1-Translokation zum Kern durch Phosphorylierung von fünf Serinstellen an der cytoplasmatischen Retentionsstelle (CRS) von Cyclin B1 aktiviert: S116, S26, S128, S133 und S147. In Xenopus laevis enthält Cyclin B1 vier analoge CRS-Serinphosphorylierungsstellen (S94, S96, S101 und S113) zeigen an, dass dieser Mechanismus hoch konserviert ist. Der Kernexport wird auch durch Phosphorylierung des Kernexportsignals (NES) von Cyclin B1 inaktiviert. Die Regulatoren dieser Phosphorylierungsstellen sind noch weitgehend unbekannt, es wurden jedoch mehrere Faktoren identifiziert, einschließlich extrazellulärer signalregulierter Kinasen (ERKs), PLK1 und CDK1 selbst. Bei Erreichen eines bestimmten Phosphorylierungsschwellenwerts ist die Translokation von Cyclin B1 / CDK1 zum Kern extrem schnell.Im Kern phosphoryliert Cyclin B1 / CDK1 viele Ziele zur Vorbereitung auf die Mitose, einschließlich Histon H1, Kernlamine, zentrosomale Proteine und Mikrotubuli-assoziierte Proteine (MAPs).

Die subzelluläre Lokalisation von cdc25 verschiebt sich ebenfalls von das Cytosol zum Kern während der Prophase. Dies wird durch Entfernen von Phosphaten mit Kernlokalisierungssequenz (NLS) und Phosphorylierung des Kernexportsignals erreicht. Es wird angenommen, dass der gleichzeitige Transport von cdc25 und Cyclin-B1 / CDK1 in den Kern die schalterartige Natur des Übergangs verstärkt, indem die effektiven Konzentrationen der Proteine erhöht werden