Essential Cell Biology

Transkriptio

1 Alberts Bray Hopkin Johnson Lewis Raff Roberts Walter Essential Cell Biology FOURTH EDITION Chapter 18 The Cell-Division Cycle Copyright Garland Science 2014 CHAPTER CONTENTS OVERVIEW OF THE CELL CYCLE THE CELL-CYCLE CONTROL SYSTEM G 1 PHASE S PHASE M PHASE MITOSIS CYTOKINESIS CONTROL OF CELL NUMBERS AND CELL SIZE 1

2 Solunetti: Solujen elämä noudattaa yleensä tiettyä rytmiä eli solusykliä, jossa solunjakautuminen eli mitoosi ja välivaihe eli interfaasi vuorottelevat. Solusyklin päämääränä on useimmiten tuottaa solunjakautumisen avulla kaksi identtistä solua. Eliöiden kasvu (yksisoluisia lukuunottamatta) vaatii solujen jakautumista. Yksilönkehityksen alkuvaiheet ovatkin kiivainta jakautumisaikaa. Solujen jakautumista tarvitaan kuitenkin jatkuvasti myös aikuisessa yksilössä. Suuri osa eliön soluista on G0-vaiheessa, jossa solujen solusykli on pysähtynyt. Syynä solusyklin pysähtymiseen voi olla esimerkiksi sykliä edistävien kasvutekijöiden loppuminen. G0-vaiheisessa solussa ei ole lainkaan sykliinejä eikä niistä riippuvaisia kinaaseja (CDK). Solusykli voi käynnistyä uudelleen G0-vaiheen solussa kun tarvittavia kasvutekijöitä on jälleen saatavilla. Solun todennäköisyys siirtyä G0-vaiheeseen kasvaa jokaisen sen läpikäymän solunjakautumisen myötä. 2

3 Solusyklin pituus vaihtelee solusta toiseen. Varsinainen solunjakautuminen kestää useimmissa soluissa enimmillään tunnin, joka on vain pieni osa koko solusyklin kestosta. Solusyklissä on useita tarkistuspisteitä, joiden tehtävänä on varmistaa, ettei solu etene seuraavaan vaiheeseen ennenaikaisesti. Kun olot solun sisällä ja ulkopuolella ovat sopivat solun jakautumiselle, muutokset tiettyjen avainproteiinien stabiiliudessa sallivat spesifisten proteiinikinaasien irtoamisen niitä estävistä säätelijöistä. Tämä laukaisee tapahtumaketjun, joka johtaa DNA:n kahdentumiseen ja solun jakautumiseen. Solusyklin vaiheet seuraavat toisiaan kuvan osoittamassa järjestyksessä: G1-vaihe: kasvuvaihe (Interfaasi) S-vaihe: DNA:n replikaatio (Interfaasi) G2-vaihe: DNA:n eheyden varmistaminen (Interfaasi) M-vaihe: solun jakautuminen OVERVIEW OF THE CELL CYCLE The Eukaryotic Cell Cycle Usually Includes Four Phases A Cell-Cycle Control System Triggers the Major Processes of the Cell Cycle Cell-Cycle Control is Similar in All Eukaryotes 3

4 OVERVIEW OF THE CELL CYCLE The Eukaryotic Cell Cycle Usually Includes Four Phases A Cell-Cycle Control System Triggers the Major Processes of the Cell Cycle Cell-Cycle Control is Similar in All Eukaryotes 4

5 THE CELL-CYCLE CONTROL SYSTEM The Cell-Cycle Control System Depends on Cyclically Activated Protein Kinases called Cdks Different Cyclin Cdk Complexes Trigger Different Steps in the Cell Cycle Cyclin Concentrations are Regulated by Transcription and by Proteolysis The Activity of Cyclin Cdk Complexes Depends on Phosphorylation and Dephosphorylation Cdk Activity Can be Blocked by Cdk Inhibitor Proteins The Cell-Cycle Control System Can Pause the Cycle in Various Ways 5

6 6

7 THE CELL-CYCLE CONTROL SYSTEM The Cell-Cycle Control System Depends on Cyclically Activated Protein Kinases called Cdks Different Cyclin Cdk Complexes Trigger Different Steps in the Cell Cycle Cyclin Concentrations are Regulated by Transcription and by Proteolysis The Activity of Cyclin Cdk Complexes Depends on Phosphorylation and Dephosphorylation Cdk Activity Can be Blocked by Cdk Inhibitor Proteins The Cell-Cycle Control System Can Pause the Cycle in Various Ways 7

8 THE CELL-CYCLE CONTROL SYSTEM The Cell-Cycle Control System Depends on Cyclically Activated Protein Kinases called Cdks Different Cyclin Cdk Complexes Trigger Different Steps in the Cell Cycle Cyclin Concentrations are Regulated by Transcription and by Proteolysis The Activity of Cyclin Cdk Complexes Depends on Phosphorylation and Dephosphorylation Cdk Activity Can be Blocked by Cdk Inhibitor Proteins The Cell-Cycle Control System Can Pause the Cycle in Various Ways 8

9 Solunjakautuminen: tehtävä 9

10 10

11 11

12 12

13 13

14 14

15 15

16 MITOSIS Proteolysis Triggers Sister-Chromatid Separation at Anaphase Chromosomes Segregate During Anaphase An Unattached Chromosome Will Prevent Sister-Chromatid Separation The Nuclear Envelope Re-forms at Telophase 16

17 CYTOKINESIS The Mitotic Spindle Determines the Plane of Cytoplasmic Cleavage The Contractile Ring of Animal Cells Is Made of Actin and Myosin Filaments Cytokinesis in Plant Cells Involves the Formation of a New Cell Wall Membrane-Enclosed Organelles Must Be Distributed to Daughter Cells When a Cell Divides 17

18 CYTOKINESIS The Mitotic Spindle Determines the Plane of Cytoplasmic Cleavage The Contractile Ring of Animal Cells Is Made of Actin and Myosin Filaments Cytokinesis in Plant Cells Involves the Formation of a New Cell Wall Membrane-Enclosed Organelles Must Be Distributed to Daughter Cells When a Cell Divides 18

19 CONTROL OF CELL NUMBERS AND CELL SIZE Apoptosis Helps Regulate Animal Cell Numbers Apoptosis Is Mediated by an Intracellular Proteolytic Cascade The Intrinsic Apoptotic Death Program Is Regulated by the Bcl2 Family of Intracellular Proteins Extracellular Signals Can Also Induce Apoptosis Animal Cells Require Extracellular Signals to Survive, Grow, and Divide 19

20 Huom! Tässä oli läpikäytynä mitoosi. Meioosi on suvulliseen lisääntymiseen sopivaksi muuntunut solunjakautumistapahtuma, johon kuuluu kaksi tuman ja solun jakautumista, mutta vain yksi kromosomien kahdentuminen eli replikaatio. Ei tarvitse osata tämän kurssin puitteissa. Apoptoosi Apoptoosi eli ohjelmoitunut solukuolema on solujen jakautumista säätelevien geenien määräämä solujen ohjelmoitu kuoleminen, joka on normaali osa yksilönkehitystä ja kudosten uusiutumista. 20

21 Apoptoottisessa solussa tuman kromatiini tiivistyy ja kasautuu tumakotelon reunoille ja DNA hajoaa. Tuma hajoaa osiksi joita tumakotelo yhä ympäröi. Solun tukiranka hajoaa ja solukalvo poimuuntuu. Solu hajoaa solukalvon ympäröimiksi rakkuloiksi. Fagosytoiva solu tuhoaa solun ottamalla sen sisäänsä. Kaikki makromolekyylit tuhoutuvat. Joskus kuitenkin nämä kutistuneet solut/rakkulat voivat säilyä pitkiäkin aikoja tehtävässään, sillä esimerkiksi silmän linssi koostuu lähinnä kuolleista soluista. Solun pinnalla on reseptoreita, joiden aktivoituminen käynnistää apoptoosiin. Reseptorit aktivoituvat välittäjäaineiden sekä tulehdussolun vastinreseptorien avulla. Jos solu on vaurioitunut se voi sisältä käsin käynnistää apoptoosin. Mitokondriolla on iso osa apoptoosin säätelyssä. Mitokondriot voivat tunnistaa solussa stressitekijöitä jolloin apoptoosi käynnistyy. Myös DNA:n vaurio voi johtaa apoptoosiin säätelyproteiinin välityksellä. Jos solulta puuttuu elonjäämistä edistäviä tekijöitä apoptoosi käynnistyy. Aiheuttajana voi olla esimerkiksi solulle vieras ympäristö tai solun väärä kiinnittyminen. On useita tilanteita, joissa soluista on päästävä eroon: Vaurioituneet tai virusten infektoimat solut saadaan apoptoosin avulla tuhottua. Yksilönkehityksen aikana muun muassa sormien synty on apoptoosin ansiota. Sormet muotoutuvat tarpeettomien solujen kuollessa sormien välistä. Myös auringonvalon vaikutuksesta vaurioituneet ihosolut tuhoutuvat apoptoottisesti. Apoptoosi ei aiheuta tulehdusta (vrt. nekroosi). Apoptoosilla on myös keskeinen merkitys immuunipuolustuksessa, ja syöpään liittyy usein apoptoosin estyminen. 21

22 = apoptoosi on monimutkainen sarja signaalinvälitysketjuja (reittejä ei tarvitse osata) 22

23 CONTROL OF CELL NUMBERS AND CELL SIZE Apoptosis Helps Regulate Animal Cell Numbers Apoptosis Is Mediated by an Intracellular Proteolytic Cascade The Intrinsic Apoptotic Death Program Is Regulated by the Bcl2 Family of Intracellular Proteins Extracellular Signals Can Also Induce Apoptosis Animal Cells Require Extracellular Signals to Survive, Grow, and Divide 23

24 CONTROL OF CELL NUMBERS AND CELL SIZE Survival Factors Suppress Apoptosis Mitogens Stimulate Cell Division by Promoting Entry into S Phase Growth Factors Stimulate Cells to Grow Some Extracellular Signal Proteins Inhibit Cell Survival, Division, or Growth 24

25 25

26 CONTROL OF CELL NUMBERS AND CELL SIZE Survival Factors Suppress Apoptosis Mitogens Stimulate Cell Division by Promoting Entry into S Phase Growth Factors Stimulate Cells to Grow Some Extracellular Signal Proteins Inhibit Cell Survival, Division, or Growth 26