Клітинний поділ та клітинний цикл

Вступ до клітинного циклу

Клітинний цикл — це послідовність подій, за якою відбувається дублювання вмісту клітини та її поділ на дві дочірні клітини. Точне проходження клітинного циклу є важливим для розвитку, підтримки гомеостазу тканин і розмноження. Цикл поділений на інтерфазу (G1, S, G2) та мітозні (M) фази. Фаза S реплікує весь геном; мітозні фази розділяють дубльовані хромосоми; проміжні фази G1 і G2 забезпечують ріст і підготовку. Клітини, які зупиняють поділ, переходять у стазі (G0). Збої в контролі клітинного циклу є характерними ознаками раку — більшість онкогенів та пригнічувачів пухлин діють у шляхах регуляції клітинного циклу.

Прогресування клітинного циклу відбувається під дією циклозалежних кіназ (ЦЗК), які активуються регуляторними ци клітинними суб'юнітами, чия кількість змінюється протягом циклу. Різні комплекси ЦЗК-циклінів (циклін D-ЦЗК4/6 у G1, циклін E-ЦЗК2 на G1/S, циклін A-ЦЗК2 у S, циклін B-ЦЗК1 у G2/M) фосфорилюють субстрати, що сприяє кожному переходу. Поруч з цим, деградація циклінів за допомогою комплексу анафазопромоції (АПК/C) та SCF E3 лігаз, опосередкована убіквітинним шляхом, створює незворотність — фази переходів циклу є бістабільними перемикачами, що запобігають зворотній прогресії.

Перевірки циклу клітин

Контроль G1/S та контроль пошкодження ДНК

Контроль G1/S запобігає реплікації пошкодженої ДНК. Білок ретинобластома (Rb) зв’язується з транскрипційними факторами E2F, пригнічуючи гени фази S. Гіперфосфорилація Rb комплектами циклін D-CDK4/6 та циклін E-CDK2 звільняє E2F для активації входу в фазу S. Транскрипторний фактор p53 активується пошкодженням ДНК (за допомогою кіназ ATM/ATR, які фосфорилизують і стабілізують p53); p53 транскрибує p21 (CDKN1A), який інгібує комплекси циклін-CDK, уповільнюючи прогресування циклу клітин для забезпечення ремонту. Якщо пошкодження незворотне, p53 індукує апоптоз. TP53 є найчастіше мутованим геном у людських пухлинах – його втрата усуває критичний контроль пошкодження.

Контроль збирання веретена

Контроль збирання веретена (SAC) запобігає анафазі до тих пір, поки всі кінетохори (точки прикріплення центромери хромосом) належним чином не закріплені в мікротрубочках веретена під натягом. Незакріплені кінетохори каталітично виробляють комплекс контролю збирання веретена (MCC), який інгібує комплекс APC/C-Cdc20, що спричиняє анафазу. Одне не закріплене кінетохера може уповільнити мітоз у всій клітині. Коригування помилок кінетохера-мікротрубочки за допомогою кінази Aurora B забезпечує правильне прикріплення; натяг стабілізує прикріплення, а Aurora B дестабілізує неправильні. Неспроможність SAC призводить до нестабільності хромосом – анеуплоїдія сприяє розвитку раку та вроджених вад.

Мітоз і цитокінез

Сегрегація хромосом

Під час мітозу профаза хроматиди конденсуються; ядро руйнується; строма збирається з центріолів за допомогою динамічних мікротрубочок; хроматиди прикріплюються до строми на кінетохорах; хроматиди вирівнюються на метафазній пластині; сестринські хроматиди відокремлюються на анафазі, коли APC/C-Cdc20 поліморфубутує серину (вивільняючи серазазу, яка розщеплює когезин) та циклоін B (нейтралізуючи CDK1); хроматиди переміщуються до полюсів. Цитокінез розділяє цитоплазму за допомогою скорочення актиноміозинового кільця. Помилки в сегрегації призводять до помилкової сегрегації — одна дочірня клітина отримує зайву хромосому (трисомія) і інша втрачає одну (моносомія)—механізм хромосомної нестабільності раку.

Мейоз та генетичне перехрестя

Мейоз генерує гаплоїдні статеві клітини за допомогою двох послідовних ділень: мейоз I розділяє гомологічні хромосоми (включаючи перехресні міціли/рекомбінацію, що створюють генетичне перемішування); мейоз II розділяє сестринські хроматиди подібно до мітозу. Перехресні міціли в мейозі I необхідні для правильної сегрегації хромосом — без перехресних міцил гомологи не орієнтуються правильно, що призводить до несправної неділення; рекомбінація по всьому геному створює величезну генетичну різноманітність у потомства. Помилки в мейотичному несправному неділенні викликають трисомії (синдром Дауна — зайва хромосома 21; синдром Тернера — одна X; синдром Клайнфельтера — XXY), частота яких збільшується з віком матері через продовжений арест диктиотену ооцитів.

Дисрегуляція Клітинного Циклу при Раку

Рак виникає внаслідок накопичених гомологічних мутацій, які порушують контроль клітинного циклу. Онкогени (мутації з набутим функціонуванням): мутації RAS активують проліферативний MAPK сигнальний шлях; збільшення експресії MYC сприяє транскрипції генів клітинного циклу; збільшення експресії циклін D або надмірна активація CDK4/6 обходить контрольні точки G1. Тумороспримуючі гени (мутації з втратою функції): втрата функцій Rb пригнічує E2F індукцію; втрата функцій p53 усуває контрольні точки пошкоджень; втрата функцій p16(INK4a)/CDKN2A усуває інгібування CDK4/6. Сучасні цілеспрямовані терапії використовують ці вразливості – інгібітори CDK4/6 (палбоцикліб, рібоцикліб) при Rb-здатності у раку грудей блокують проліферативний сигнальний шлях точно там, де пухлини залежні.

Приклади та застосування

Приклад 1: Інгібітори CDK4/6 при раку грудей

Інгібітори CDK4/6 блокують фосфорилювання цикліну D-CDK4/6 рецептором Rb, підтримуючи репресію E2F і запобігаючи входженню в фазу S. У ER+/HER2- раку грудей, залежному від сигналізації цикліну D-CDK4/6, палбоцикліб у комбінації з ендокринною терапією подвоїв прогресію-вільний виживаність порівняно з ендокринною терапією лише в реєстраційних клінічних дослідженнях. Три інгібітори CDK4/6 (палбоцикліб, рибоцикліб, абемацикліб) схвалені для використання, що трансформує лікування найпоширенішого підтипу раку грудей. Механізми резистентності (втрата функції Rb, підвищення експресії CDK6) є об'єктами для наступного покоління підходів.

Приклад 2: Таксини та хіміотерапія, що отруює сполуки мікротрубочок

Таксіни (паклітаксел, доцетаксел) стабілізують полімеризовані мікротрубочки, запобігаючи їх динамічній нестабільності, необхідній для захоплення та сегрегації хромосом. Мікротрубочки сполуки не скорочуються, тягнучи хроматин до полюсів; збірна контрольна точка мітозу зупиняє клітини в мітозі, що призводить до апоптозу. Таксіни є надзвичайно ефективними при раку грудей, яєчників та легень. Резистентність включає переекспресування насоса MDR, мутації тубуліну та вираження альтернативних ізоформ тубуліну, які менш добре зв’язуються з таксінами. Розуміння механізмів резистентності направляє наступні підходи, зокрема доставку ліків наночастинками, орієнтовану на судинний комплекс пухлини.

Приклад 3: p53 як страж геному

Транскрипційний фактор p53 активується при ушкодженні ДНК, активації онкогенів, гіпоксії та виснаження рибонуклеотидів за допомогою кіназ ATM/ATR-Chk1/2. p53 транскрує цільові гени, викликаючи зупинку циклу клітин (p21), репарацію ДНК (GADD45), апоптоз (PUMA, NOXA, BAX) або зрілість (p21, PAI-1). TP53 мутує у понад 50% людських пухлин; головні мутації часто створюють домінуюче-негативні або гетерозиготні білки p53, крім втрати нормальної функції. Відновлення активності p53 у пухлинах за допомогою інгібіторів MDM2 (які зазвичай спрямовані на p53 для деградації) є терапевтичною стратегією для пухлин з нормальним функціонуванням TP53, при посиленому MDM2.

Приклад 4: Скорочення телумерів та клітинна зрілість

Телумери — повторювані ДНК-копи, які захищають кінці хромосом — скорочуються з кожної реплікації циклу через те, що полімераза ДНК не може повністю реплікувати 3' кінець (проблема ендореплакації). Критично короткі телумери активують відповідь на пошкодження ДНК, викликаючи незворотну зупинку циклу клітин (реактивна зрілість). Це обмежує нормальні клітини до межі Hayflick (~50 подворень). Клітини раку відновлюють експресію тельмерази (TERT) або використовують альтернативне удовслів’я телумерів (ALT), щоб підтримувати довжину телумерів безперервно. Тельмераза є привабливою мішенню для раку; біологія телумерів пов’язує старіння, клітинну зрілість та рак в одному молекулярному фреймворку.

Приклад 5: Анеуплоїдія на ранніх етапах ембріону

Передчасне генетичне тестування (ПГТ-А) на IVF ембріонів виявляє, що 40–60% людських бластоцит мають чисельні хромосомні аномалії (анеуплоїдію). Анеуплоїдні ембріони переважно не імплантуються або перериваються на ранніх стадіях; рідко трисомії 21, 18 і 13, а також анеуплоїдії хромосом статей виживають до народження. Рівень анеуплоїдії різко зростає з віком матері через деградацію когезину в ооцитах, затриманих у мейозі I протягом десятиліть. ПГТ-А відбирає еуплоїдні ембріони для перенесення, покращуючи імплантаційні показники, особливо у старших пацієнтів і тих, хто страждає на повторний викид.

Приклад 6: Циклін D та лімфома з МЦЛ

Лімфома з МЦЛ несе перенесення t(11;14), яке розміщує циклін D1 під промотором важкої ланцюга імуноглобуліну, викликаючи конститутивну експресію. Циклін D1-CDK4/6 гіперфосфорилює Rb, обходячи зупинку G1, що призводить до неконтрольованого поділу клітин. Експресія цикліну D1 за допомогою ІЧК є діагностичним маркером лімфоми з МЦЛ. Інгібітори CDK4/6 оцінюються при лімфомі з МЦЛ; інгібітори BTK (Ібрутініб), що націлені на сигналізацію BCR, схвалені. Відкриття перенесення ілюструє, як розуміння механізмів онкогенів безпосередньо дозволяє розробляти молекулярну діагностику та цільові терапії.

Приклад 7: Контрольна точка G2/M при променевій терапії

Променева терапія вбиває ракові клітини за допомогою подвійних ланок ДНК (ДДБ). Активується контрольна точка G2/M, зупиняючи клітини перед мітозом для ремонту ДДБ; клітини, які не можуть відремонтувати пошкодження, гинуть під час мітозу. Нормальні клітини краще витримують променеву терапію завдяки наявності цілі контрольної точки G1 (p53-p21) і G2/M, що надає дві можливості для ремонту пошкоджень. Ракові клітини з мутаціями p53 втрачають контрольну точку G1, роблячи їх більш залежними від контрольної точки G2/M — яку націлюють інгібітори CHK1. Поєднання інгібіторів CHK1 з променевою терапією для аборгування контрольної точки G2/M селективно чутливе до p53-мутованих ракових клітин, що є прикладом синтетичної смертності, натхненної синтетичною смертністю.

Приклад 8: AURKA та нестабільність хромосом

Ауринова кіназа A (AURKA) регулює збирання мікротрубочок, дозрівання центросом і точність розділення хромосом. Перевираження AURKA — поширене при раку грудей, яєчників та товстої кишки — викликає передчасний вхід у мітоз, дефекти сполуки мікротрубочок і нестабільність хромосом. Інгібітор AURKA (алісертіб) потрапив до клінічних випробувань; хоча токсичність від порушення нормальних клітин обмежувала активність однокомпонентного, комбінації з хіміотерапією показують перспективу. Розуміння біології ауриної кінази розкриває, як незначні зміни циклу клітин можуть сприяти еволюції генетичної нестабільності раку та стійкості до терапії.

Спробуйте онлайн

Все вище працює у вашому браузері – відкрийте симулятор «Клітинного циклу» та змінюйте параметри під час його роботи. Не встановлюється нічого, не завантажується нічого, весь модуль існує в одному вікні.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Cell Cycle Clock Simulator і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.