G2-fase (Norsk)

Mitotisk inngang bestemmes av et terskelnivå for aktiv syklin-B1 / CDK1-kompleks, også kjent som cyclin-B1 / Cdc2 eller modningsfremmende faktor (MPF). Aktiv syklin-B1 / CDK1 utløser irreversible handlinger i tidlig mitose, inkludert separasjon av sentrosom, nedbrytning av kjernekapsling og spindelsamling. Hos virveldyr er det fem cyclin B-isoformer (B1, B2, B3, B4 og B5), men den spesifikke rollen til hver av disse isoformene i å regulere mitotisk inngang er fortsatt uklar. Det er kjent at cyklin B1 kan kompensere for tap av både cyclin B2 (og omvendt i Drosophila). Saccharomyces cerevisiae inneholder seks sykliner av B-typen (Clb1-6), hvor Clb2 er den viktigste for funksjonen. Hos både virveldyr og S. cerevisiae spekuleres det i at tilstedeværelsen av flere sykliner av B-typen gjør det mulig for forskjellige sykliner å regulere forskjellige deler av G2 / M-overgangen, samtidig som overgangen blir robust for forstyrrelser.

Påfølgende diskusjoner vil fokusere på romlig og tidsmessig aktivering av cyklin B1 / CDK i pattedyrceller, men lignende veier er anvendelige i både andre metazoaner og i S. cerevisiae.

Cyclin B1 syntese og nedbrytning Rediger

Cyclin B1 nivåer undertrykkes gjennom G1 og S faser av det anafasefremmende komplekset (APC), en E3 ubiquitin ligase som retter seg mot cyclin B1 for proteolyse. Transkripsjon begynner på slutten av S-fasen etter DNA-replikasjon, som respons på fosforylering av transkripsjonsfaktorer som NF-Y, FoxM1 og B-Myb av oppstrøms G1 og G1 / S cyclin-CDK-komplekser.

Regulering av cyclin-B1 / CDK1-aktivitet Rediger

Økte nivåer av cyclin B1 forårsaker økende nivåer av cyclin B1-CDK1-komplekser i hele G2, men komplekset forblir inaktivt før G2 / M-overgangen på grunn av hemmende fosforylering av Wee1 og Myt1 kinaser. Wee1 er primært lokalisert til kjernen og virker på Tyr15-stedet, mens Myt1 er lokalisert til ytre overflate av ER og virker overveiende på Thr14-stedet.

Effektene av Wee1 og Myt1 motvirkes av fosfataser i cdc25-familien, som fjerner de inhiberende fosfatene på CDK1 og dermed konverterer cyklin B1-CDK1-komplekset til sin fullt aktiverte form, MPF.

Aktiv cyclinB1-CDK1 fosforylerer og modulerer aktiviteten til Wee1 og Cdc25-isoformene A og C. Spesifikt hemmer CDK1-fosforylering Wee1-kinaseaktivitet, aktiverer Cdc25C-fosfataseaktivitet via aktivering av den mellomliggende kinase PLK1 og stabiliserer Cdc25A. CDK1 danner således en positiv tilbakemeldingssløyfe med Cdc25 og en dobbel negativ tilbakemeldingssløyfe med Wee1 (i hovedsak en netto positiv tilbakemeldingssløyfe).

Positiv tilbakemelding og bryterlignende aktivering Rediger

Disse positive tilbakemeldingsløkkene koder for en hysteretisk bistabil bryter i CDK1-aktivitet i forhold til syklin B1-nivåer (se figur). Denne bryteren er preget av to distinkte stabile likevekt over et bistabilt område med cyclin B1-konsentrasjoner. En likevekt tilsvarer interfase og er preget av inaktivitet av Cyclin-B1 / CDK1 og Cdc25, og et høyt nivå av Wee1 og Myt1-aktivitet. Den andre likevekten tilsvarer M-fasen og er preget av høy aktivitet av Cyclin-B1 / CDK1 og Cdc25, og lav Wee1- og Myt1-aktivitet. Innenfor området bistabilitet, avhenger en celles tilstand av om den tidligere var i fase eller M-fase: terskelkonsentrasjonen for å komme inn i M-fase er høyere enn minimumskonsentrasjonen som vil opprettholde M-fase aktivitet når en celle allerede har gått ut av fase. .

Forskere har både teoretisk og empirisk validert den bistabile naturen til G2 / M-overgangen. Novak-Tyson-modellen viser at differensialligningene som modellerer cyclin-B / CDK1-cdc25-Wee1-Myt1 tilbakemeldingssløyfen, tillater to stabile likevekter over en rekke cyclin-B-konsentrasjoner. Eksperimentelt har bistabilitet blitt validert ved å blokkere endogen cyklin B1-syntese og titrerende interfase- og M-fase-celler med varierende konsentrasjoner av ikke-nedbrytbar cyklin B1.Disse eksperimentene viser at terskelkonsentrasjonen for å komme inn i M-fasen er høyere enn terskelen for å gå ut av M-fasen: nedbrytning av kjernefysisk konvolutt skjer mellom 32-40 nm cyklin-B1 for celler som går ut av fase, mens kjernen forblir oppløst i konsentrasjoner over 16-24 nm i celler som allerede er i M-fase.

Denne bistabile, hysteretiske bryteren er fysiologisk nødvendig av minst tre grunner. For det første signaliserer G2 / M-overgangen initieringen av flere hendelser, som kromosomkondensering og kjernefysisk konvolutt sammenbrudd, som markant endrer cellens morfologi og er bare levedyktig i delende celler. Det er derfor viktig at cyklin-B1 / CDK1-aktivering skjer på en bryterlignende måte; det vil si at celler raskt skal sette seg i en diskret M-fase tilstand etter overgangen, og ikke skal vare i et kontinuum av mellomtilstander (f.eks. med en delvis nedbrutt kjernekapsling). Dette kravet oppfylles av den skarpe diskontinuiteten som skiller mellomfase- og M-fase-likevektsnivåene av CDK1-aktivitet; ettersom syklin-B-konsentrasjonen øker utover aktiveringsgrensen, bytter cellen raskt til M-fase-likevekt.

For det andre er det også viktig at G2 / M-overgangen skjer ensrettet, eller bare en gang per celle syklus Biologiske systemer er iboende støyende, og små svingninger i syklin B1-konsentrasjoner nær terskelen for G2 / M-overgangen bør ikke føre til at cellen skifter frem og tilbake mellom tilstandene i fase og M-fase. Dette er sikret av den bistabile naturen til bryteren: etter at cellen overgår til M-fase-tilstand, fører ikke små reduksjoner i konsentrasjonen av cyklin B til at cellen bytter tilbake til mellomfase.

Til slutt, fortsettelsen av cellesyklusen krever vedvarende svingninger i cyklin-B / CDK1-aktivitet når cellen og dens etterkommere overgår inn og ut av M-fase. Negativ tilbakemelding gir et viktig element i denne langsiktige svingningen: cyclin-B / CDK aktiverer APC / C, som forårsaker nedbrytning av cyclin-B fra metafase og utover, og gjenoppretter CDK1 til sin inaktive tilstand. Imidlertid fører enkle negative tilbakemeldingsløkker til dempede svingninger som til slutt legger seg i en jevn tilstand. Kinetiske modeller viser at negative tilbakemeldingsløkker kombinert med bistabile positive tilbakemeldingsmotiver kan føre til vedvarende, ikke-dempet svingninger (se avslapningsoscillator) av den typen som kreves for langvarig cellesykling.

Positiv tilbakemeldingEdit

Den positive tilbakemeldingssløyfen nevnt ovenfor, der cyclin-B1 / CDK1 fremmer sin egen aktivering ved å hemme Wee1 og Myst1 og aktivere cdc25, inkluderer ikke iboende en «trigger» ”Mekanisme for å starte tilbakemeldingsløyfen. Nylig har det kommet bevis som tyder på en viktigere rolle for cyclin A2 / CDK-komplekser i reguleringen av initieringen av denne bryteren. Cyclin A2 / CDK2-aktivitet begynner i tidlig S-fase og øker under G2. Cdc25B har vært vist å avfosforylere Tyr15 på CDK2 i tidlig til midt G2 på en måte som ligner på den nevnte CDK1-mekanismen. Nedregulering av cyklin A2 i U2OS-celler forsinker cyclin-B1 / CDK1-aktivering ved å øke Wee1-aktiviteten og senke Plk1- og Cdc25C-aktiviteten. Cyclin A2 / CDK-komplekser fungerer ikke strengt som aktivatorer av cyclin B1 / CDK1 i G2, da CDK2 har vist seg å være nødvendig for aktivering av den p53-uavhengige G2-kontrollpunktaktiviteten, kanskje gjennom en stabiliserende fosforylering på C dc6. CDK2 – / – celler har også avvikende høye nivåer av Cdc25A. Cyclin A2 / CDK1 har også vist seg å formidle proteasomal ødeleggelse av Cdc25B. Disse banene blir ofte avregulert i kreft.

RomreguleringEdit

I tillegg til de bistabile og hysteretiske aspektene ved cyklin B1-CDK1-aktivering, bidrar også regulering av subcellulær proteinlokalisering til G2 / M overgang. Inaktivt syklin B1-CDK1 akkumuleres i cytoplasmaet, begynner å bli aktivert av cytoplasmatisk cdc25, og blir deretter raskt sekvestrert i kjernen under profase (ettersom det blir aktivert videre). Hos pattedyr aktiveres syklin B1 / CDK1-translokasjon til kjernen ved fosforylering av fem serinseter på cyklin B1 «s cytoplasmatiske retensjonssted (CRS): S116, S26, S128, S133 og S147. I Xenopus laevis inneholder cyclin B1 fire analoge CRS-serinfosforyleringssteder (S94, S96, S101 og S113) som indikerer at denne mekanismen er sterkt konservert. Atomeksport blir også inaktivert ved fosforylering av cyclin B1 «s nukleære eksportsignal (NES). Regulatorene til disse fosforyleringsstedene er fremdeles stort sett ukjente, men flere faktorer har blitt identifisert, inkludert ekstracellulære signalregulerte kinaser (ERK), PLK1 og CDK1 i seg selv. Etter å ha nådd noe terskelnivå for fosforylering, er translokasjon av cyklin B1 / CDK1 til kjernen ekstremt rask.En gang i kjernen fosforylerer cyklin B1 / CDK1 mange mål som forberedelse for mitose, inkludert histon H1, nukleære laminer, sentrosomale proteiner og mikrotubuliassosierte proteiner (MAPs).

Den subcellulære lokaliseringen av cdc25 skifter også fra cytosolen til kjernen under profase. Dette oppnås ved fjerning av NLS-obscuring fosfater og fosforylering av atomeksportsignalet. Det antas at samtidig transport av cdc25 og cyclin-B1 / CDK1 inn i kjernen forsterker den bryterlignende naturen til overgangen ved å øke de effektive konsentrasjonene av proteinene.