Контрольные точки клеточного цикла — механизмы контроля в эукариотическом клеточном цикле, которые обеспечивают его правильное развитие. Каждая контрольная точка служит потенциальной точкой завершения клеточного цикла, во время которой оцениваются условия клетки, при этом продвижение через различные фазы клеточного цикла происходит только при соблюдении благоприятных условий. В клеточном цикле есть много контрольных точек, но три основных из них: контрольная точка G1, также известная как контрольная точка начала или ограничения или основная контрольная точка; контрольная точка G2/M; и переход от метафазы к анафазе, также известный как контрольная точка веретена. Прохождение через эти контрольные точки в значительной степени определяется активацией циклин-зависимых киназ регуляторными белковыми субъединицами, называемыми циклинами, различные формы которых продуцируются на каждой стадии клеточного цикла для контроля специфических событий, происходящих в нём.
Введение Все живые организмы являются продуктами повторяющихся циклов роста и деления клеток. Во время этого процесса, известного как клеточный цикл, клетка дублирует свое содержимое, а затем делится надвое. Целью клеточного цикла является точное дублирование ДНК каждого организма, а затем равномерное разделение клетки и её содержимого между двумя получившимися клетками. У эукариот клеточный цикл состоит из четырёх основных стадий: G1, во время которой клетка метаболически активна и непрерывно растет; S-фаза, во время которой происходит репликация ДНК; G2, во время которого продолжается рост клетки и клетка синтезирует различные белки при подготовке к делению; и фаза М (митоз), во время которой удвоенные хромосомы (известные как сестринские хроматиды) разделяются на два дочерних ядра, и клетка делится на две дочерние клетки, каждая с полной копией ДНК. По сравнению с эукариотическим клеточным циклом прокариотический клеточный цикл (известный как бинарное деление) относительно прост и быстр: хромосома реплицируется из точки начала репликации, собирается новая мембрана, а клеточная стенка образует перегородку, которая делит клетку на два.
Поскольку эукариотический клеточный цикл представляет собой сложный процесс, эукариоты развили сеть регуляторных белков, известную как система контроля клеточного цикла, которая отслеживает и определяет продвижение клетки через клеточный цикл. Эта система действует как таймер или часы, которые устанавливают фиксированное количество времени, которое клетка должна провести в каждой фазе клеточного цикла, и в то же время она также реагирует на информацию, полученную от контролируемых ею процессов. Контрольные точки клеточного цикла играют важную роль в системе контроля, обнаруживая дефекты, возникающие во время основных процессов, таких как репликация ДНК или сегрегация хромосом, и вызывая в ответ остановку клеточного цикла до тех пор, пока дефекты не будут устранены. Основной механизм действия контрольных точек клеточного цикла заключается в регуляции активности семейства протеинкиназ, известных как циклинзависимые киназы (CDK), которые связываются с различными классами регуляторных белков, известных как циклины, при этом специфические комплексы циклин-CDK образуются и активируются на разных фазах клеточного цикла. Эти комплексы, в свою очередь, активируют различные нижележащие мишени, чтобы стимулировать или предотвращать прогрессирование клеточного цикла.
Контрольная точка G1 Контрольная точка G1, также известная как точка рестрикции в клетках млекопитающих и начальная точка у дрожжей, представляет собой точку, в которой клетка принимает участие в клеточном цикле. Когда клетка проходит через G1, в зависимости от внутренних и внешних условий, она может либо задержать G1, войти в состояние покоя, известное как G0, либо пройти точку ограничения. Повреждение ДНК является основным признаком того, что клетка «ограничивается» и не вступает в клеточный цикл. Решение совершить новый раунд клеточного деления происходит, когда клетка активирует циклин-CDK-зависимую транскрипцию, которая способствует вступлению в S-фазу. Эта контрольная точка обеспечивает дальнейший процесс.
Во время раннего G1 есть три репрессора транскрипции, известные как карманные белки (pocket proteins), которые связываются с факторами транскрипции E2F. Семейство генов E2F представляет собой группу факторов транскрипции, нацеленных на многие гены, важные для контроля клеточного цикла, включая циклины, CDK, регуляторы контрольных точек и белки репарации ДНК. Неправильная регуляция семейства E2F часто обнаруживается в случаях рака, что свидетельствует о том, что семейство E2F необходимо для жесткой регуляции репликации и деления ДНК. Три карманных белка — это ретинобластома (Rb), p107 и p130, которые связываются с факторами транскрипции E2F, чтобы предотвратить прогрессирование после контрольной точки G1.
Семейство генов E2F содержит некоторые белки с механизмами активации и некоторые белки с механизмами репрессии. P107 и p130 действуют как корепрессоры для E2F 4 и E2F 5, которые подавляют транскрипцию факторов, стимулирующих G1-to-S. Третий карманный белок, Rb, связывается и репрессирует E2F 1, E2F 2 и E2F 3, которые представляют собой белки E2F с активирующей способностью.
Положительная обратная связь играет существенную роль в регуляции перехода от фазы G1 к фазе S, особенно в том, что касается фосфорилирования Rb белковым комплексом Cyclin/CDK. Rb без фосфата или нефосфорилированный Rb регулирует выход из клеточного цикла G0 и дифференцировку. В начале фазы G1 факторы роста и повреждение ДНК сигнализируют о повышении уровня циклина D, который затем связывается с Cdk4 и Cdk6 с образованием комплекса CyclinD:Cdk4/6. Известно, что этот комплекс инактивирует Rb путем фосфорилирования. Однако детали фосфорилирования Rb довольно сложны и специфичны по сравнению с предыдущими знаниями о контрольной точке G1. CyclinD:Cdk4/6 помещает только один фосфат или монофосфорилаты Rb в один из четырнадцати доступных и уникальных сайтов фосфорилирования. Каждая из четырнадцати специфических монофосфорилированных изоформ по-разному связывается с членами семейства E2F, что, вероятно, увеличивает разнообразие клеточных процессов в организме млекопитающих.
E2F 4 и E2F 5 зависят от p107 и p130 для поддержания своей ядерной локализации. Однако циклин D:Cdk 4/6 также фосфорилирует p107 и p130, процесс, который высвобождает их связывание с E2F 4 и 5 (которые затем ускользают в цитоплазму) и позволяет E2F 1-3 связываться с ДНК и инициировать транскрипцию циклина Е. Белки Rb сохраняют свое монофосфорилированное состояние в течение ранней фазы G1, в то время как циклин Е накапливается и связывается с Cdk2.
CyclinE:Cdk2 играет дополнительную важную роль фосфорилирования в переходе G1-к-S. В частности, CyclinE:Cdk2 продвигает петлю положительной обратной связи, которая создает переключатель «все или ничего». Во многих сетях генетического контроля положительная обратная связь гарантирует, что клетки не скользят между фазами клеточного цикла. Циклин E:Cdk2 переходит к фосфорилированию Rb во всех его сайтах фосфорилирования, также называемому «гиперфосфорилированием», что обеспечивает полное инактивация Rb. Гиперфосфорилирование Rb считается поздней точкой рестрикции G1, после которой клетка не может вернуться назад в клеточном цикле. В этот момент белки E2F 1-3 связываются с ДНК и транскрибируют циклин A и Cdc 6.
Ингибитор циклин-зависимой киназы 1B (CDKN1B), также известный как p27, связывается и предотвращает активацию CyclinE:Cdk2 путем ингибирования. Однако по мере того, как циклин А накапливается и связывается с Cdk2, они образуют комплекс и ингибируют p27. Циклинзависимая киназа фазы G1 работает вместе с циклинзависимой киназой фазы S, нацеливаясь на p27 для деградации. В свою очередь, это обеспечивает полную активацию Cyclin A:Cdk2, комплекса, который фосфорилирует E2F 1-3, инициируя их диссоциацию от промоторных участков ДНК. Это позволяет E2F 6-8 связываться с ДНК и ингибировать транскрипцию. Петля отрицательной обратной связи, используемая для успешного ингибирования ингибитора p27, является ещё одним важным процессом, используемым клетками для обеспечения однонаправленного движения и отсутствия возврата в клеточном цикле.
Когда происходит повреждение ДНК или когда клетка обнаруживает какие-либо дефекты, которые заставляют её задерживать или останавливать клеточный цикл в G1, остановка происходит с помощью нескольких механизмов. Быстрый ответ включает в себя события фосфорилирования, которые инициируются либо киназой ATM (мутированная атаксия телеангиэктазии), либо ATR (мутированная атаксия телеангиэктазии и Rad3), которые действуют как сенсоры, в зависимости от типа повреждения. Эти киназы фосфорилируют и активируют эффекторные киназы Chk2 и Chk1, соответственно, которые, в свою очередь, фосфорилируют фосфатазу Cdc25A, тем самым маркируя её для убиквитинирования и деградации. Поскольку Cdc25A активирует ранее упомянутый комплекс циклин E-CDK2, удаляя ингибирующие фосфаты из CDK2, в отсутствие Cdc25A циклин E-CDK2 остается неактивным, и клетка остается в G1.
Для поддержания ареста инициируется другой ответ, с помощью которого Chk2 или Chk1 фосфорилируют p53, супрессор опухоли, и это стабилизирует p53, предотвращая его связывание с Mdm2, убиквитинлигазой, которая ингибирует p53, направляя его для деградации. Затем стабильный p53 действует как активатор транскрипции нескольких генов-мишеней, включая p21, ингибитор комплекса, стимулирующего G1-to-S, циклин E-CDK2. Кроме того, другим механизмом активации p21 является накопление p16 в ответ на повреждение ДНК. p16 разрушает комплексы циклин D-CDK4, вызывая тем самым высвобождение p21 из комплексов, что приводит к дефосфорилированию и активации Rb, что позволяет Rb связывать и ингибировать E2F 1-3, тем самым удерживая клетку от перехода в S-фазу. В последнее время некоторые аспекты этой модели оспаривались.
Контрольная точка G2
После репликации ДНК в S-фазе клетка проходит фазу роста, известную как G2. За это время продуцируются необходимые митотические белки, и клетка снова подвергается регуляторным механизмам, чтобы обеспечить надлежащий статус для вступления в пролиферативную митотическую (М) фазу. В этот переход от G2 к M вовлечены множественные механистические контрольные точки с общим объединяющим фактором активности циклин-Cdk.
Хотя вариации в необходимых комплексах циклин-Cdk существуют у разных организмов, необходимость киназной активности сохраняется и обычно фокусируется на одном спаривании. У делящихся дрожжей существуют три различных формы митотического циклина, а у почкующихся дрожжей — шесть, однако основным используемым циклином является циклин B. Циклин B будет служить эталоном для обсуждения перехода контрольной точки G2/M.
Подобно фазе S, G2 испытывает контрольную точку повреждения ДНК. Клетка ещё раз исследуется на наличие участков повреждения ДНК или неполной репликации, и киназы ATR и ATM рекрутируются на участки повреждения. Активация Chk1 и Chk2 также происходит, как и активация p53, чтобы вызвать остановку клеточного цикла и остановку перехода в митоз. Дополнительный компонент S-фазы, пререпликативный комплекс, должен быть инактивирован посредством фосфорилирования циклина B-Cdk1.