G2 fázis
A mitotikus belépést az aktív ciklin-B1 / CDK1 komplex küszöbszintje határozza meg, szintén ciklin-B1 / Cdc2 néven ismert, vagy az érést elősegítő faktor (MPF). Az aktív ciklin-B1 / CDK1 visszafordíthatatlan intézkedéseket vált ki a korai mitózisban, beleértve a centroszóma szétválasztást, a mag burkolatának lebontását és az orsó összeépítését. A gerinceseknél öt ciklin B izoforma van (B1, B2, B3, B4 és B5), de ezeknek az egyes formáknak a mitotikus bejutás szabályozásában betöltött szerepe még mindig nem világos. Ismeretes, hogy a B1 ciklin képes kompenzálni a B2 ciklin veszteségét (és fordítva Drosophila esetében). A Saccharomyces cerevisiae hat B-típusú ciklint (Clb1-6) tartalmaz, a működéshez a Clb2 a legfontosabb. Mind a gerinces állatokban, mind a S. cerevisiae-ben azt feltételezik, hogy több B-típusú ciklin jelenléte lehetővé teszi, hogy a különböző ciklinek a G2 / M átmenet különböző részeit szabályozzák, miközben az átmenetet robusztusvá teszik a zavarokra.
Következő a megbeszélések a B1 / CDK ciklin térbeli és időbeli aktiválására összpontosítanak emlős sejtekben, de hasonló útvonalak alkalmazhatók mind más metazoánokban, mind a S. cerevisiae-ben.
Cyclin B1 szintézis és lebontásEdit
A ciklin B1 szintjét az egész G1 és S fázisban elnyomja az anafázist elősegítő komplex (APC), egy E3 ubiquitin ligáz, amely a ciklin B1 proteolízist célozza meg. A transzkripció az S-fázis végén kezdődik a DNS-replikáció után, válaszul az olyan transzkripciós faktorok, mint az NF-Y, FoxM1 és B-Myb foszforilációjára a G1 és G1 / S ciklin-CDK komplexek upstream irányában.
Szabályozás a ciklin-B1 / CDK1 aktivitás szerkesztése és Myt1 kinázok. A Wee1 elsősorban a magban lokalizálódik és a Tyr15 helyen hat, míg a Myt1 az ER külső felületén lokalizálódik, és főleg a Thr14 helyen hat.
A Wee1 és Myt1 hatásait a foszfatázok ellensúlyozzák. a cdc25 család, amely eltávolítja a CDK1 gátló foszfátjait, és így a ciklin B1-CDK1 komplexet teljesen aktivált formájává, MPF-vé alakítja át.
Ez a diagram a G2 / M átmenet mögött meghúzódó visszacsatolási ciklusokat szemlélteti. A Cyclin-B1 / CDK1 aktiválja a Plk-t, és inaktiválja a Wee1-et és a Myt1-et. Az aktivált Plk aktiválja a cdc25-et. A Cdc25 aktiválása és a Wee1 / Myt1 inaktiválása a Cyclin-B1 / CDK1 további aktiválódásához vezet. Szintén látható a cyclin-A / CDK2 és a Cdc25A feltételezett szerepe a visszacsatolási hurok kezdeti aktivátoraként, amelyet egy későbbi szakasz tárgyal.
Az aktív ciklinB1-CDK1 foszforilálja és modulálja a Wee1, valamint a Cdc25 A és C izoformák aktivitása. Pontosabban, a CDK1 foszforilációja gátolja a Wee1 kináz aktivitást, aktiválja a Cdc25C foszfatáz aktivitást a köztes PLK1 kináz aktiválásával és stabilizálja a Cdc25A enzimet. Így a CDK1 pozitív visszacsatolási hurkot képez a Cdc25-tel és kettős negatív visszacsatolási hurkot a Wee1-gyel (lényegében egy nettó pozitív visszacsatolási hurok).
Pozitív visszacsatolás és kapcsolószerű aktiválásEdit
Ez a grafikon szemlélteti a ciklin-B1 / CDK1 aktivitás stabil egyensúlyát változó ciklin B1 koncentrációk mellett, a ciklin B koncentráció küszöbével magasabb a mitózisba való belépéskor mint a mitózisból való kilépés küszöbértéke.
Ezek a pozitív visszacsatolási hurkok egy hisztérikus bistabilis kapcsolót kódolnak a CDK1 aktivitásában a ciklin B1 szinthez képest (lásd az ábrát). Ezt a kapcsolót két különálló stabil egyensúly jellemzi a ciklin B1 koncentrációk bistabil régiójában. Az egyik egyensúly megfelel az interfázisnak, és a Cyclin-B1 / CDK1 és Cdc25 inaktivitása, valamint a magas szintű Wee1 és Myt1 aktivitás jellemzi. A másik egyensúly megfelel az M-fázisnak, és a Cyclin-B1 / CDK1 és Cdc25 magas aktivitása, valamint az alacsony Wee1 és Myt1 aktivitás jellemzi. A bistabilitás tartományán belül a sejt állapota attól függ, hogy korábban interfázisban vagy M fázisban volt-e: az M-fázisba való belépés küszöbkoncentrációja magasabb, mint az a minimális koncentráció, amely fenntartja az M-fázis aktivitását, ha egy sejt már kilépett az interfázisból .
A tudósok elméletileg és empirikusan is igazolták a G2 / M átmenet bistabilis jellegét. A Novak-Tyson modell azt mutatja, hogy a ciklin-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1 visszacsatoló hurok modellezésével megkülönböztetett egyenletek két stabil egyensúlyt engednek meg a ciklin-B koncentrációk tartományában. Kísérletileg a bistabilitást validálták az endogén ciklin B1 szintézis blokkolásával és az interfázisú és M fázisú sejtek titrálásával a nem lebontható ciklin B1 változó koncentrációival.Ezek a kísérletek azt mutatják, hogy az M-fázisba való belépés küszöbkoncentrációja magasabb, mint az M-fázisból való kilépés küszöbértéke: az interfázisból kilépő sejtek esetében a magburok bontása 32-40 nm-es ciklin-B1 között következik be, míg a mag a feletti koncentrációknál szétesett marad 16-24 nm az M-fázisban lévő sejtekben.
Ez a bistabil, hiszteretikus kapcsoló fiziológiailag legalább három okból szükséges. Először is, a G2 / M átmenet több olyan esemény megindulását jelzi, mint például a kromoszóma kondenzáció és a mag burok lebontása, amelyek jelentősen megváltoztatják a sejt morfológiáját, és csak az osztódó sejtekben életképesek. Ezért elengedhetetlen, hogy a ciklin-B1 / CDK1 aktiváció kapcsolószerű módon történjen; vagyis a sejteknek az átmenet után gyorsan diszkrét M-fázisú állapotba kell telepedniük, és nem szabad megmaradniuk a köztes állapotok folytonosságában (például részben lebomlott nukleáris burkolattal). Ezt a követelményt kielégíti a CDK1 aktivitás interfázis és M fázis egyensúlyi szintjét elválasztó éles diszkontinuitás; amint a ciklin-B koncentráció meghaladja az aktivációs küszöböt, a sejt gyorsan áttér az M-fázis egyensúlyára.
Másodszor az is fontos, hogy a G2 / M átmenet egyirányúan, vagy sejtenként csak egyszer forduljon elő. ciklus A biológiai rendszerek eredendően zajosak, és a ciklin B1 koncentrációjának kis ingadozása a G2 / M átmenet küszöbének közelében nem okozhatja a sejt előre-hátra váltását az interfázis és az M fázis állapotok között. Ezt biztosítja a kapcsoló bistabil jellege: miután a sejt átáll az M-fázis állapotába, a B ciklin koncentrációjának kicsi csökkenése nem okozza a sejt visszafordulását interfázisra.
Végül: a sejtciklus folytatása folyamatos ciklusokat igényel a ciklin-B / CDK1 aktivitásban, amikor a sejt és leszármazottai áttérnek az M-fázisra és ki. A negatív visszacsatolás biztosítja ennek a hosszú távú oszcillációnak az egyik alapvető elemét: a ciklin-B / CDK aktiválja az APC / C-t, amely a ciklin-B metafázistól kezdve degradálódását okozza, visszaállítva a CDK1 inaktív állapotát. Az egyszerű negatív visszacsatolási hurkok azonban csillapított oszcillációkhoz vezetnek, amelyek végül stabil állapotba rendeződnek. A kinetikai modellek azt mutatják, hogy a negatív visszacsatolási hurok, bistabilis pozitív visszacsatolási motívumokkal párosulva, tartós, nem csillapított oszcillációkhoz (lásd relaxációs oszcillátorok) vezethet, amelyek a hosszú távú sejtciklushoz szükségesek.
Pozitív feedbackEdit
A fent említett pozitív visszacsatolási hurok, amelyben a ciklin-B1 / CDK1 elősegíti a saját aktiválását a Wee1 és Myst1 gátlásával és a cdc25 aktiválásával, nem tartalmaz magában “triggeret” “Mechanizmus a visszacsatolási hurok megindítására. Nemrégiben bizonyítékok merültek fel arra vonatkozóan, hogy a ciklin A2 / CDK komplexek fontosabb szerepet töltenek be ennek a kapcsolásnak az elindításában. A ciklin A2 / CDK2 aktivitása az S korai fázisban kezdődik és a G2 során növekszik. A Cdc25B kimutatták, hogy a Tyr15-et defoszforilálja CDK2-n a korai-közepi G2-ben, a fent említett CDK1 mechanizmushoz hasonló módon.A ciklin A2 U2OS-sejtekben történő downregulációja késlelteti a ciklin-B1 / CDK1 aktiválódást a Wee1 aktivitás növelésével, valamint a Plk1 és Cdc25C aktivitás csökkentésével. a ciklin A2 / CDK komplexek nem működnek szigorúan a B1 / CDK1 ciklin aktivátoraként a G2-ben, mivel a p53-független G2 ellenőrzőpont aktivitás aktiválásához CDK2 szükséges, valószínűleg stabilizáló C-on végzett foszforilezés révén dc6. A CDK2 – / – sejtekben is aberránsan magas a Cdc25A szint. Kimutatták, hogy az A2 / CDK1 ciklin közvetíti a Cdc25B proteasomális pusztulását is. Ezeket az utakat a daganatos megbetegedésekben gyakran deregulálják.
Térbeli szabályozásEdit
A ciklin B1-CDK1 aktiválásának bistabilis és hiszteretikus aspektusai mellett a szubcelluláris fehérje lokalizációjának szabályozása is hozzájárul a G2 / M átmenet. Az inaktív ciklin B1-CDK1 felhalmozódik a citoplazmában, a citoplazmatikus cdc25 elkezd aktiválódni, majd a propáz során gyorsan elkülönül a sejtmagban (mivel tovább aktiválódik). Emlősökben a ciklin B1 / CDK1 sejtmagba történő transzlokációja a ciklin B1 citoplazmatikus retenciós helyén (CRS) öt szerin hely foszforilezésével aktiválódik: S116, S26, S128, S133 és S147. A Xenopus laevisben a B1 ciklin négyet tartalmaz analóg CRS szerin-foszforilációs helyek (S94, S96, S101 és S113) jelzik, hogy ez a mechanizmus erősen konzervált. A nukleáris exportot a ciklin B1 nukleáris export-jelének (NES) foszforilezése is inaktiválja. Ezen foszforilációs helyek szabályozói még mindig nagyrészt ismeretlenek, de számos tényezőt azonosítottak, beleértve az extracelluláris szignál által szabályozott kinázokat (ERK), a PLK1-et és magát a CDK1-t. A foszforilezés bizonyos küszöbszintjének elérésekor a ciklin B1 / CDK1 transzlokációja a sejtmagig rendkívül gyors.A sejtmagba kerülve a ciklin B1 / CDK1 számos célpontot foszforilez a mitózisra való felkészülés során, beleértve a hiszton H1-et, a nukleáris rétegeket, a centrosomális fehérjéket és a mikrotubulushoz kapcsolódó fehérjéket (MAP).
A cdc25 szubcelluláris lokalizációja is elmozdul a citoszol a maghoz a fázis során. Ez a nukleáris lokalizációs szekvencia (NLS) -biztosító foszfátok eltávolításával és a nukleáris exportjel foszforilezésével valósul meg. Úgy gondolják, hogy a cdc25 és a ciklin-B1 / CDK1 egyidejű transzportja a sejtmagba a fehérjék effektív koncentrációjának növelésével felerősíti az átmenet kapcsolószerű jellegét.