Dr. Ιάκωβος Θεοδοσίου MD. DipU

Ιατρός Διαιτολόγος

καρκίνος & διατροφή

διαιτολογική μεταβολική προσέγγιση
στην θεραπεία του καρκίνου

Menu

έλεγχος κυτταρικού κύκλου

Είναι προφανές ότι οι διαδικασίες που οδηγούν ένα κύτταρο στον κυτταρικό κύκλο θα πρέπει να ρυθμίζονται εξαιρετικά, έτσι ώστε να εξασφαλίζεται ότι τα προκύπτοντα κύτταρα είναι βιώσιμα και το καθένα περιέχει το συμπλήρωμα του DNA που βρέθηκαν στο αρχικό γονικό κύτταρο.

Υπάρχουν πολλά σημεία ελέγχου κατά την διαδικασία διαίρεσης στον ευκαρυωτικό κυτταρικό κύκλο.

 
Αυτά τα σημεία ελέγχου περιλαμβάνουν μηχανισμούς χρονισμού των γεγονότων έτσι ώστε κάθε επιμέρους διαδικασία να ενεργοποιείται και να απενεργοποιείται αυτόματα την κατάλληλη στιγμή με σωστή χρονικά εκκίνηση κάθε συμβάν και σωστή σειρά.
 
Αυτοί οι μηχανισμοί πρέπει να διασφαλίζουν επίσης, ότι κάθε συμβάν ενεργοποιείται μόνο μία φορά ανά κυτταρικό κύκλο και ότι τα γεγονότα, συμβαίνουν σε μια γραμμική και μη αναστρέψιμη κατεύθυνση, να ελέγχει τον τερματισμό και τα backups.
 
 

Θα πρέπει επίσης να διασφαλίζουν την ομαλή και σωστή λειτουργία του κυτταρικού κύκλου, ακόμη και στο πλαίσιο κάποιας δυσλειτουργίας τμημάτων, και οι μηχανισμοί αυτοί να προσαρμόζονται έτσι ώστε, οι εκδηλώσεις του κυτταρικού κύκλου να μπορούν να τροποποιηθούν στο πλαίσιο διαφορετικών τύπων κυττάρων και / ή περιβαλλοντικών συνθηκών.

Πολλές από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις σχετικά με τους μηχανισμούς που ελέγχουν γεγονότα του κυτταρικού κύκλου διαλευκάνθηκαν χρησιμοποιώντας ζύμες που είναι απλά ευκαρυωτικά κυττάρων. Με την ανάλυση και δυνατότητα, διαφόρων μεταλλάξεων που αδρανοποιούν γονίδια που κωδικοποιούν βασικές συνιστώσες των συστημάτων ελέγχου του κυτταρικού κύκλου σε ζυμομύκητες πολλά σημαντικά γονίδια ελέγχου εντοπίσθηκαν. Αυτά τα γονίδια ταυτοποιήθηκαν ως γονίδια κύκλου κυτταρικής διαίρεσης ή CDC (CELL DIVISION CYCLE) γονίδια.

Έτσι, πολλά γονίδια ελέγχου κυτταρικού κύκλου σε κύτταρα στα θηλαστικά ονομάστικαν επίσης CDC γονίδια. Μεγάλο μέρος του ελέγχου της προόδου σε όλες τις φάσεις του κυτταρικού κύκλου ασκούνται στα σημεία ελέγχου. Υπάρχουν πολλά τέτοια σημεία ελέγχου, αλλά τα δύο πιο κρίσιμα είναι αυτά που συμβαίνουν κοντά στο τέλος της G1 πριν από την είσοδο στη φάση S και εκείνες κοντά στο τέλος της G2 πριν από την μίτωση.

Όπως υποδείχθηκε παραπάνω, υπάρχει η ανάγκη για μηχανισμούς ελέγχου του κυτταρικού κύκλου, που ασκούν τις επιρροές τους σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές κατά τη διάρκεια κάθε διέλευσης μέσω ενός κυτταρικού κύκλου. Η καρδιά αυτού του χρονικού ελέγχου είναι ευθύνη της οικογένειας των πρωτεϊνικών κινασών που ονομάζονται Κυκλίνες Εξαρτόμενες από Κινάσες – Cdk (Cyclin-dependent kinases – CDKs).

Η δραστικότητα των ενζύμων αυτών αυξάνεται και μειώνεται καθώς το κύτταρο προχωρά μέσω ενός κυτταρικού κύκλου. Διαφορετικές Cdk λειτουργούν σε διαφορετικά σημεία στον κυτταρικό κύκλο. Όπως θα αναμενόταν, οι αλλαγές στην δραστηριότητα των Cdk οδηγεί σε αλλαγές στην φωσφορυλίωση διαφόρων ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών. Αυτές οι φωσφορυλιώσεις μεταβάλλουν την δραστικότητα των τροποποιημένων πρωτεϊνών, όπου με την σειρά τους στη συνέχεια, μεταβάλουν τα γεγονότα του κυτταρικού κύκλου.

Η δραστηριότητα κάθε Cdk ελέγχεται από μία πολύπλοκη σειρά πρωτεϊνών, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι οι κυκλίνες, όπου και πέρνουν το όνομα αυτών των ενζύμων ως εξαρτώμενες από κυκλίνη κινάσες.
Οι CDKs είναι απολύτως εξαρτόμενες από την αλληλεπίδρασή τους με τις κυκλίνες για την δραστηριότητα τους. Οι κυκλίνες αρχικά ονομάστικαν έτσι, επειδή υφίστανται έναν κύκλο σύνθεσης και αποικοδόμησης σε συγκεκριμένα σημεία σε κάθε κυτταρικό κύκλο. Έτσι, ενώ τα επίπεδα των διαφόρων Cdk παραμένουν σχετικά σταθερές καθ’ όλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου, οι δραστηριότητές τους αλλάζουν σε συνεννόηση με τις διακυμάνσεις των κυκλινών.

Θα πρέπει επίσης να διασφαλίζουν την ομαλή και σωστή λειτουργία του κυτταρικού κύκλου, ακόμη και στο πλαίσιο κάποιας δυσλειτουργίας τμημάτων, και οι μηχανισμοί αυτοί να προσαρμόζονται έτσι ώστε, οι εκδηλώσεις του κυτταρικού κύκλου να μπορούν να τροποποιηθούν στο πλαίσιο διαφορετικών τύπων κυττάρων και / ή περιβαλλοντικών συνθηκών.

Πολλές από τις πιο σημαντικές ανακαλύψεις σχετικά με τους μηχανισμούς που ελέγχουν γεγονότα του κυτταρικού κύκλου διαλευκάνθηκαν χρησιμοποιώντας ζύμες που είναι απλά ευκαρυωτικά κυττάρων. Με την ανάλυση και δυνατότητα, διαφόρων μεταλλάξεων που αδρανοποιούν γονίδια που κωδικοποιούν βασικές συνιστώσες των συστημάτων ελέγχου του κυτταρικού κύκλου σε ζυμομύκητες πολλά σημαντικά γονίδια ελέγχου εντοπίσθηκαν. Αυτά τα γονίδια ταυτοποιήθηκαν ως γονίδια κύκλου κυτταρικής διαίρεσης ή CDC (CELL DIVISION CYCLE) γονίδια.

Έτσι, πολλά γονίδια ελέγχου κυτταρικού κύκλου σε κύτταρα στα θηλαστικά ονομάστικαν επίσης CDC γονίδια. Μεγάλο μέρος του ελέγχου της προόδου σε όλες τις φάσεις του κυτταρικού κύκλου ασκούνται στα σημεία ελέγχου. Υπάρχουν πολλά τέτοια σημεία ελέγχου, αλλά τα δύο πιο κρίσιμα είναι αυτά που συμβαίνουν κοντά στο τέλος της G1 πριν από την είσοδο στη φάση S και εκείνες κοντά στο τέλος της G2 πριν από την μίτωση.

Όπως υποδείχθηκε παραπάνω, υπάρχει η ανάγκη για μηχανισμούς ελέγχου του κυτταρικού κύκλου, που ασκούν τις επιρροές τους σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές κατά τη διάρκεια κάθε διέλευσης μέσω ενός κυτταρικού κύκλου.
Η καρδιά αυτού του χρονικού ελέγχου είναι η ευθύνη της οικογένειας των πρωτεϊνικών κινασών που ονομάζονται εξαρτώμενες από κυκλίνη κινάσες – Cdk. Η δραστικότητα των ενζύμων αυτών αυξάνεται και μειώνεται καθώς το κύτταρο προχωρά μέσω ενός κυτταρικού κύκλου. Διαφορετικές Cdk λειτουργούν σε διαφορετικά σημεία στον κυτταρικό κύκλο. Όπως θα αναμενόταν, οι αλλαγές στην δραστηριότητα των Cdk οδηγεί σε αλλαγές στην φωσφορυλίωση διαφόρων ενδοκυτταρικών πρωτεϊνών. Αυτές οι φωσφορυλιώσεις μεταβάλλουν την δραστικότητα των τροποποιημένων πρωτεϊνών, όπου με την σειρά τους στη συνέχεια, μεταβάλουν τα γεγονότα του κυτταρικού κύκλου.

Η δραστηριότητα κάθε Cdk ελέγχεται από μία πολύπλοκη σειρά πρωτεϊνών, το πιο σημαντικό από τα οποία είναι οι κυκλίνες, από όπου πηγάζει και το όνομα των ενζύμων, ως εξαρτώμενες από κυκλίνη κινάσες. Οι CDKs είναι απολύτως εξαρτόμενες από την αλληλεπίδρασή τους με τις κυκλίνες για την δραστηριότητα τους. Οι κυκλίνες αρχικά ονομάστικαν έτσι, επειδή υφίστανται έναν κύκλο σύνθεσης και αποικοδόμησης σε συγκεκριμένα σημεία σε κάθε κυτταρικό κύκλο. Έτσι, ενώ τα επίπεδα των διαφόρων Cdk παραμένουν σχετικά σταθερές καθ’όλη τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου, οι δραστηριότητές τους αλλάζουν σε συνεννόηση με τις διακυμάνσεις των κυκλινών.

Ενεργοποίηση Cdks (Cyclin dependent kinase)
Κυκλινών εξαρτωμένων από Κινάση

Η δραστικότητα των Cdks συμβαίνει σε τρία στάδια που περιλαμβάνουν δέσμευση σε κυκλίνη και μετα-μεταφραστική φωσφορυλίωση.

  1. Το πρώτο βήμα είναι η σύνδεση του Cdk με την Cyclin (κυκλίνη). Οι κυκλίνες δεσμεύονται σε ένα συντηρημένο πεδίο 100 αμινοξέων στις CDKs που ονομάζονται κουτί κυκλίνης και ενεργοποιούν τις CDKs με το μερικώς άνοιγμα της θήκης κινάσης.
  2. Το δεύτερο βήμα προκαλείται από τις CAK (κινάσες ενεργοποίησης των Cdks). Οι CAKs φωσφορυλιώνουν τις Cdk οδηγώντας σε ένα πλήρες άνοιγμα της θέσης σύνδεσης υποστρώματος.
  3. Το τρίτο βήμα είναι η απομάκρυνση φωσφορικής ρίζας το Cdk.

Η Wee1 είναι μια κινάση που προσθέτει μια φωσφορική ρίζα σε θύλακα δέσμευσης ATP (ATP-binding pocket) των Cdk που μειώνει τη δραστηριότητα τους. Το Cdk που συνδέεται με κυκλίνη και φωσφορυλιώνεται από το Wee1 είναι ανενεργό.

Η κυκλίνες είναι μια οικογένεια πρωτεϊνών που ελέγχουν την εξέλιξη των κυττάρων μέσω του κυτταρικού κύκλου, ενεργοποιώντας ένζυμα κινάσες εξαρτώμενες από κυκλίνη Cdk (Cyclin dependent kinase).

Οι κυκλίνες Cyclin αρχικά ονομάστηκαν έτσι, επειδή η συγκέντρωσή τους κυμαίνεται, κατά κυκλικό τρόπο κατά τη διάρκεια του κυτταρικού κύκλου. Οι μεταβολές στην συγκέντρωση των Cyclins, δηλαδή οι διακυμάνσεις στην έκφραση και καταστροφή του γονιδίου κυκλίνης από την ουβικιτίνη στο πρωτεόσωμα, προκαλούν ταλαντώσεις στη δραστηριότητα Cdk για να οδηγήσουν τον κυτταρικό κύκλο.
Μια Cyclin σχηματίζει ένα σύμπλεγμα με Cdk, το οποίο αρχίζει να ενεργοποιεί το Cdk, αλλά η πλήρης ενεργοποίηση απαιτεί επίσης φωσφορυλίωση.
Ο σχηματισμός συμπλέγματος έχει ως αποτέλεσμα την ενεργοποίηση της δραστικής θέσης Cdk. Οι ίδιες οι κυκλίνες δεν έχουν ενζυματική δράση αλλά έχουν θέσεις πρόσδεσης για ορισμένα υποστρώματα και στοχεύουν τα Cdks σε συγκεκριμένες υποκυτταρικές θέσεις.

Οι Cyclins, όταν συνδέονται με τις εξαρτώμενες κινάσες, όπως την πρωτεΐνη p34/cdc2/cdk1, δημιουργούν παράγοντες προαγωγής ωρίμανσης (MPF_Maturation Promoting Factor).

Οι MPF ενεργοποιούν άλλες πρωτεΐνες μέσω φωσφορυλίωσης. Αυτές οι φωσφορυλιωμένες πρωτεΐνες, με τη σειρά τους, είναι υπεύθυνες για συγκεκριμένα γεγονότα κατά τη διάρκεια του διαχωρισμού του κύκλου, όπως ο σχηματισμός μικροσωληνίσκων και η αναδιαμόρφωση της χρωματίνης. Οι κυκλίνες μπορούν να χωριστούν σε τέσσερις κλάσεις με βάση τη συμπεριφορά τους στον κυτταρικό κύκλο και έχουν διαφορετικές λειτουργίες ή χρονισμό σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων.

wikipedia

 

Η Cdc25 (CELL DIVISION CYCLE) απομακρύνει το ανασταλτική φωσφορική ρίζα από Cdk για να ενεργοποιήσει το σύμπλοκο Cyclin(x)/Cdk.

Η ενεργοποίηση της Cyclin(x)/Cdk ρυθμίζεται επίσης με θετική ανατροφοδότηση. Η δραστική Cyclin(x)/Cdk φωσφορυλιώνει Cdc25 που παράγει περισσότερο ενεργό Cdc25 και πιο δραστική Cyclin(x)/Cdk. Η δραστική Cyclin(x)/Cdk αναστέλλει επίσης την Wee1 παρεμποδίζοντας την προσθήκη του ανασταλτικού φωσφορικού.

Οι τέσσερις διαφορετικές κατηγορίες των κυκλινών έχουν οριστεί με βάση το στάδιο του κυτταρικού κύκλου στο οποίο συνδέονται και ενεργοποιούν Cdk. Αυτές οι τέσσερις κατηγορίες είναι G1-κυκλίνες, G1 / S-κυκλίνες, S-κυκλίνες, και Μ-κυκλίνες.

Cyclin-CDK ComplexCyclinCDK Partner
G1 (CyclinD/Cdk4,6)cyclin DCk4, Cdk6
G1/S (CyclinE/Cdk2)cyclin ECdk2
S (CyclinA/Cdk2)cyclin ACdk2
M (CyclinB/Cdk1)cyclin BCdk1
  1. G1-κυκλίνες δεν βρίσκονται σε όλα τα ευκαρυωτικά κύτταρα, αλλά σε εκείνα όπου συντίθενται για να προωθούν ένα πέρασμα μέσω ενός σημείου περιορισμού στα τέλη G1 ονομάζεται Έναρξη.
  2. G1/S-κυκλίνες συνδέονται με συγγενή CDKs τους στο τέλος της G1 και είναι αυτή η αλληλεπίδραση που απαιτείται για να δεσμεύσει το κύτταρο στη διαδικασία της αντιγραφής του DNA σε S-φάση.
  3. S-κυκλίνες συνδέονται με συγγενή Cdk τους κατά τη διάρκεια της φάσης S και είναι αυτή η αλληλεπίδραση που απαιτείται για την έναρξη της σύνθεσης του DNA.
  4. M-κυκλίνες συνδέονται με συγγενή Cdk τους και με τον τρόπο αυτό την προώθηση των γεγονότων της μίτωσης.
Όταν κυκλίνες συνδέονται με Cdk που μεταβάλλουν την διαμόρφωση τους, με αποτέλεσμα την έκθεση ενός τομέα που είναι η θέση φωσφορυλίωσης από άλλη κινάση που ονομάζεται ενεργοποίησης κινάσης (CAK). Μετά από φωσφορυλίωση το σύμπλοκο Cyclin/Cdk είναι πλήρως ενεργό. Εκτός από τον έλεγχο της δραστικότητας της Cdk κινάσης με σύνδεση κυκλίνης και CdK φωσφορυλίωση, έλεγχος ασκείται για την αναστολή της δράσης των CdkS  μέσω της αλληλεπίδρασης με ανασταλτικές πρωτεΐνες, καθώς και με ανασταλτικά γεγονότα φωσφορυλίωσης. Έτσι, υπάρχει εξαιρετικά αυστηρό έλεγχο σχετικά με τη συνολική δραστηριότητα τους του κάθε Cdk.

ΑΝΑΣΤΑΛΤΙΚΕΣ ΠΡΩΤΕΙΝΕΣ ΓΙΑ ΤΟΝ ΕΛΕΓΧΟ ΚΥΤΤΑΡΙΚΟΥ ΚΥΚΛΟΥ

INKs – Inhibitor Kinases Proteins, είναι ανασταλτικές πρωτείνες κινασών και δρουν στο σύμπλεγμα cyclin/cdk. Είναι αναστολείς των Cdk’s. Οι ΙΝΚ4 οικογένεια είναι ειδικά για την Cdk4 και την Cdk 6. Η Ink4 έχει τέσσερα μέλη την p15 (INK-4B), p16 (INK 4A), p18 (INK4C), and p19 (INK4D). Δρουν στο σύμπλεγμα cyclin D complexed τόσο στο Cdk4 όσο και στο Cdk6.

CIP/KIP – Inhibitor Kinases Proteins,  δρουν στο απευθείας στις cdks. Είναι μια άλλη κλάση αναστολέων αποτελούμενη από την P21, p27 και p57. Αυτές γενικά δρουν στις κυκλίνες της φάση G1/S class Cdks. Η P21 ενώνεται με όλες τις Cdks- Cdk2, 4 και 6, γι’ αυτό και μπλοκάρει την κυτταρική πρόοδο σε όλα τα στάδια τηςG1/S. Η P27 επίσης ενώνεται με Cdk-cyclin και μπλοκάρει την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου στην φάση S-phase, αλλά μια υπερέκφρασή του οδηγεί στην Go stage.

Η αποικοδόμηση των κυκλινών πραγματοποιείται μέσω της δράσης αρκετών διαφορετικών σύμπλοκων λιγκάσης της ουβικουϊτίνης.