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 : 1

2 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 2

3 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. 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 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 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 5

6 : Tenttikysymyksiä kenelläkään? 6

7 Solunetti: Solun jakautuminen on solun kannalta aina riski, jonka suuruutta monimutkainen säätelykoneisto pyrkii minimoimaan. Solusyklin säätelyä on tutkittu sammakon kudun, hiivan ja viljeltyjen eläinsolulinjojen avulla. Solun jakautumisessa on tiettyjä tarkastuspisteitä, joiden kohdalla solu pyrkii varmistamaan, että jakautuminen on edennyt oikein. Mikäli tarkastuspisteessä havaitaan häiriö esim. DNA-replikaatiossa, solusykli pysähtyy. Jos häiriö on suuri, voi solussa käynnistyä jakautumisen sijasta solukuolema. Tärkeimmät tarkistuspisteet sijaitsevat G1-vaiheessa juuri ennen S- vaiheeseen siirtymistä ja G2-vaiheessa ennen solunjakautumiseen siirtymistä. Solusyklinsäätelyn vauriot voivat saada aikaan epänormaalia solunjakautumista ja aiheuttaa syövän. 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 8

9 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 Solusyklin säätelyyn osallistuu monimutkainen, proteiinikinaasien toimintaan pohjautuva säätelymekanismi, joka on hyvin konservoitunut kautta eliökunnan. Säätelyjärjestelmän pääkomponentteja ovat sykliinit ja sykliiniriippuvaiset proteiinikinaasit (CDK:t). Solun sisäisen säätelyn lisäksi solusykliä säätelevät myös ympäristösignaalit. Toisin kuin yksisoluiset, jotka jakautuvat aina kun se on mahdollista, monisoluisten eliöiden solut ovat pysähtyneessä tilassa (G0-vaihe) kunnes saavat solunjakautumisen käynnistävän signaalin. Jakautumisen käynnistävä signaali on yleensä kasvutekijä kuten EGF (epidermal growth factor). 9

10 Sykliinit ovat proteiineja, jotka ilmenevät soluissa vain tiettyjen solusyklin vaiheiden aikana säädellen siten solusyklin vaiheita. Ne säätelevät solusykliä aktivoimalla sykliineistä riippuvaisia kinaaseja (CDK, cyclin-dependent protein kinases) sitoutumalla niihin. Sykliinit hajotetaan proteolyyttisesti proteasomien avulla mitoosin aikana. Alla olevassa kuvassa violetti väri osoittaa sen solusyklin vaiheen, jossa kukin sykliineistä ilmenee solussa. Sykliinit voidaan jaotella kahteen luokkaan: G1-sykliinit esiintyvät nimensä mukaisesti G1-vaiheessa ja edistävät siirtymistä S-vaiheeseen mitoottiset sykliinit ilmenevät G2-vaiheessa ja edistävät siirtymistä solunjakautumiseen CDK:hon sitoutuneet G1-sykliinit käynnistävät DNA-replikaatioon vaadittavien proteiinien, mm. DNA-polymeraasin ja histonien tuoton. Mitoottisen sykliinin määrä lisääntyy G2-vaiheessa ja se sitoutuu CDK:hon, muodostaen MPF-kompleksin (M-phase Promoting Factor). MPF aktivoituu muiden entsyymien vaikutuksesta ja edistää aktiivisessa muodossaan solunjakautumista. MPF inaktivoituu mitoosissa anafaasivaiheessa. 10

11 Solunetistä: 11

12 Anaphase-promoting complex tags M and S cyclins with a chain of ubiquitin -> directed to proteasomes -> cyclins rapidly degraded Proteasomes are protein complexes which degrade unneeded or damaged proteins by proteolysis, a chemical reaction that breaks peptide bonds. Enzymes that help such reactions are called proteases. Proteasomes are part of a major mechanism by which cells regulate the concentration of particular proteins and degrade misfolded proteins. In eukaryotes, proteasomes are located in the nucleus and the cytoplasm. 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 12

13 For M-Cdk to be active, inhibitory phosphatases must be removed. It is still not clear how the timing of the phosphatase triggering step is controlled. Other blocking/inhibition modes are also known, e.g. by a Cdk inhibitor (G1 -> S). 13

14 Solunjakautuminen: mitoositehtävä 14

15 15

16 Mitotic spindle = sukkularihmasto eli tumasukkula; kaksinapainen säiekimppu, joka havaitaan solunjakautumisen aikana. Sen tehtävä on ohjata kromosomien liikkeitä ja solunjakautumista. Spindle pole = sukkulanapa, sukkularihmastoa organisoiva keskus 16

17 17

18 18

19 19

20 20

21 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 21

22 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 22

23 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 23

24 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. 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 24

25 Apoptoosi Apoptoosi eli ohjelmoitunut solukuolema on solujen jakautumista säätelevien geenien määräämä solujen ohjelmoitu kuoleminen, joka on normaali osa yksilönkehitystä ja kudosten uusiutumista. 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. 25

26 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. 26

27 27

28 = apoptoosi on monimutkainen sarja signaalinvälitysketjuja (reittejä ei tarvitse osata) 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 28

29 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 29

30 30

31 Tenttikysymyksiä? Muistakaa Webropol-palautteen täyttö!!! Kertauksena kurssin keskeiset teemat Essential contents: Microbiology (Tortora) General classes of cells: bacteria, archaea, fungi, algae, plant cells, animal cells + viruses General understanding of similarities and differences Cellular structure of prokaryotes Cellular structure of eukaryotes Lytic and lysogenic cycle of viruses Gram staining General principles of microbial growth (e.g. bacterial growth curve, cultivation in laboratory) Growth requirements of microbes (e.g. temperature, oxygen content) Control of microbial growth (e.g. most common sterilization methods)

32 Essential contents: Microbiology (Tortora) - Principles of light and electron microscopy + similarities and differences when these methods are compared - General principles of transcription and translation (genetics) - Principle of the genetic code - General control mechanisms of the genes (repression and induction) - Effect of mutations in transcription and translation of the genes - General principle of restriction enzymes and their functionality - Restriction enzymes in recombinant DNA technology (= cloning) - Usage of different cell types in biotechnology and gene technology (e.g. as production organisms, food technology) Essential contents: Essential Cell Biology (Alberts) - General principles of protein transport (e.g. signal sequences in polypeptide chains, role of vesicles) - General principles of cell signaling: different signaling types - Cell cycle: central phases and their purpose, phases in mitosis