Հիմնական նյութ

Դասընթաց․ (9-րդ դասարան. կենսաբանություն) > Բաժին 1

Դաս 2: Բջջի բաժանում

Բջջային ցիկլի կարգավորիչները

Բջջային ցիկլի հիմնական կարգավորող համակարգը։ Ցիկլիններ, ցիկլին-կախյալ կինազներ (Cdks) և APC/C-ներ։

Ներածություն

Հետևյալ հոդվածում՝ Բջջի կենսափուլի անցակետերը մենք քննարկեցինք բջջի կենսափուլի անցումների ինչուները․ այն գործոնները, որոնք բջիջը հաշվի է առնում, երբ նախքան բջջի կենսափուլը սկսելը պետք է որոշի արդյոք պետք է այն սկսել, թե ոչ։ Այս գործոնները ներառում են և՛ արտաքին (ինչպես օրինակ մոլեկուլային ազդակներ), և՛ ներքին (ինչպես օրինակ՝ ԴՆԹ-ի վնասվածքները) ազդանշաններ։

Այսպիսի ազդանշանները գործում են բջջի կենսափուլի կարգավորիչների ակտիվությունը փոխելով։ Այս կարգավորիչների շնորհիվ են տեղի ունենում այնպիսի առանցքային իրադարձություններ, ինչպիսիք են՝ ԴՆԹ-ի կրկնապատկումը կամ քրոմոսոմների տարամիտումը։ Դրանք նաև համոզվում են, որ այս իրադարձությունները տեղի են ունենում ճիշտ հերթականությամբ և յուրաքանչյուր փուլը (օրինակ՝ G

_{1}

) խթանում է մյուս փուլի սկզբին(օրինակ՝ S)։

Այս հոդվածում մենք կուսումնասիրենք բջջի կենսափուլի կարգավորիչները՝ մասնավորապես՝ ցիկլին կոչվող սպիտակուցները, ցիկլին կախյալ կինազ (Cdk) ֆերմենտը և անաֆազը խթանող համալիրը (APC/C):

Ցիկլիններ

Ցիկլինները բջջի կենսափուլի կարևորագույն կարգավորիչներից են։ Ցիկլինները միմյանց հետ հապ ունեցող սպիտակուցների խումբ է։ Մարդկանց և գրեթե բոլոր մյուս կորիզավորների օրգանիզմում տարբերում ենք այս խմբի սպիտակուցների 4 տեսակներ՝ G

_{1}

ցիկլիններ, G

_{1}

/S ցիկլիններ, S ցիկլիններ և M ցիկլիններ։

Ինչպես պարզ է դառնում անվանումներից, այս ցիկլիններից յուրաքանչյուրը ասոցացվում է բջջի կենսափուլի որևէ փուլի կամ անցումային շրջանի հետ և նպաստում է տվյալ փուլի կամ շրջանի իրականացմանը։ Օրինակ՝ M ցիկլինը խթանում է M փուլի իրադարձությունների իրականացմանը՝ ինչպես օրինակ՝ կորիզաթաղանթի մասնատմանը և քրոմոսոմների կոնդենսացմանը

^{1, 2}

Նկարը հետևյալ նկարի ձևափոխված տարբերակն է՝ "Control of the cell cycle: Figure 2," ըստ OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Բնօրինակը ձևափոխել է WikiMaMa-ն։

Բջջի կենսափուլում տարբեր ցիկլինների մակարդակները կարող են զգալի կերպով փոփոխվել՝ ինչպես ցույց է տրված աջ կողմի տրամագրում։ Տիպիկ ցիկլինը բջջի կենսափուլի հիմնական մասում առկա է քիչ քանակով, բայց դրա քանակը կտրուկ ավելանում է երբ դրա կարիքը կա։ Օրինակ՝ M ցիկլինի քանակը կտրուկ աճում է G

_{2}

փուլից M անցումային շրջանում։ G

_{1}

ցիկլինները տիպիկ չեն, այդ իսկ պատճառով բջջի կենսափուլում ավելի անրաժեշտ են։

Ցիկլին կախյալ կինազներ

Բջջի կենսափուլի իրականացման համար ցիկլինը պետք է բջջում ակտիվացնի կամ դեակտիվացնի մի շարք թիրախ սպիտակուցներ։ Ցիկլինները կարգավորում են բջջում իրականացող իրադարձությունները՝ համագործակցելով ցիկլին կախյալ կինազ(Cdks)կոչվող ֆերմենտների ընտանիքի հետ։Ցիկլին կախյալ կինազը միայնակ ոչ ակտիվ վիճակում է գտնվում, բայց ցիկլինը ամրանալով վերածում է դրան գործառական ֆերմենտի և թույլ է տալիս դրան ձևափոխել թիրախ սպիտակուցները։

Իսկ ինչպե՞ս են դրանք գործում։ Cdk-ները կինազներ են՝ ֆերմենտներ, որոնք ֆոսֆորիլացնում են (ֆոսֆատային խումբ են կցում) հատուկ թիրախ սպիտակուցներին։ Այս կցված ֆոսֆատային խումբը գործում է որպես փոխարկիչ՝ թիրախ սպիտակուցին ավելի կամ պակաս ակտիվ դարձնելով։ Cdk-ին ամրանալիս ցիկլինն ունի 2 կարևոր ազդեցություններ․ այն ակտիվացնում է Cdk-ը որպես կինազ, բայց այն նաև ուղորդում է Cdk-ին դեպի թիրախ բջիջների հատուկ հավաքակազմի։ Վերջիններս համապատասխանեցված են բջջի կենսացիկլի շրջափուլերին։ Դրանք ևվ կարգավորվում են ցիկլիններով։ Օրինակ՝ G

_{1}

/S ցիկլինները ուղորդում են Cdk-ներին դեպի S փուլի թիրախներ (օրինակ՝ ԴՆԹ-ի կրկնապատկման խթանումը), մինչդեռ M ցիկլինները ուղորդում են Cdk-ներին դեպի M փուլի թիրախներ (օրինակ՝ կորիզաթաղանթի քայքայման են հանգեցնում)։

Հիմնականում Cdk-ի քանակը բջջի կենսափուլի ընթացքում անփոփոխ է մնում ,բայց դրա ակտիվությունն ու թիրախ բջիջները կախված տարբեր ցիկլինների մակարդակի աճից և նվազումից փոխվում են։ Ցիկլինային զուգընկերոջից բացի ակտիվացվելու համար Cdk-ները պետք է նաև որևէ հստակ հատվածում ֆոսֆորիլացվեն (այս հոդվածի տրամագրերում ցուցադրված չէ)։ Կարող են նաև ֆոսֆորիլացվել այդ մոլեկուլի այլ հատվածները, ինչի արդյունքում դրա ակտիվությունը կնվազի։

Ցիկլիններն ու Cdk-ները էվոլյուցիոն տեսակետից պահպանված են, ինչը նշանակում է, որ դրանք հայտնաբերված են տարբեր տեսակներում՝ խմորասնկերից մինչև գորտեր և մարդիկ։Միայն այս համակարգում որոշ մանրուքներ փոքր ինչ տարբերվում են․ օրինակ՝ խմորասնկերը ունեն միայն 1 Cdk, իսկ մարդկանց և կաթնասունների օրգանիզմում կան մի քանի Cdk-ները, որոնք մասնակցում են բջջի կենսափուլի տարբեր փուլերում (Այո՛, սա կարծես բացառություն է <<Cdk-ների քանակը չի փոխվում>> կանոնից)։ Բայց հիմնական կանոնները բավականին նման են, հետևաբար Cdk-ները և տարբեր տեսակների ցիկլինները կարող են հայտնաբերվել յուրաքանչյուր տեսակում

^{5}

Աճը խթանող գործոն(MPF)

Բջջի կենսափուլի կարգավորման համար ցիկլինների և Cdk-ների փոխհամագործակության հայտնի օրինակ է Աճը խթանող գործոնը (MPF): Անվանումը տրվել է հեռավոր 1970-ական թվականներին, երբ հետազոտողները հայտնաբերեցին, որ M փուլում բջիջները պարունակում են անհայտ գործոն, որը կարող է ստիպել գորտի ձվաբջիջներին (որոնք գտնվում էին G

_{2}

փուլում) անցնել M փուլի։ Այս առեղծվածային մոլեկուլը, որը կոչվեց MPF և հայտնաբերվեց 1980-ականներին կապված էր M փուլի իր գործընկեր Cdk-ների հետ

^{6}

MPF-ը բջջի կենսացիկլի անցումային շրջաններում ցիկլինների և Cdk-ների համագործակցության վառ օրինակ է։ Տիպիկ ցիկլինի նման M ցիկլինի քանակը բջջի կենսացիկլի հիմնական մասում ցածր է, բայց երբ բջիջը հասնում է G

_{2}

/M անցումային շրջանին այն բջջում սկսում է կուտակվել։ Կուտակման արդյունքում, այն ամրանում է բջջում արդեն առկա Cdk-ներին՝ առաջացնելով համալիրներ, որոնք խթանում են M փուլին։ Երբ այս համալիրները ստանում են հավելյալ ազդանշան (ըստ էության՝ հստակ ապացույց, որ բջջի ԴՆԹ-ն անձեռնմխելի է), դրանք ակտիվանում են և M փուլում սկսում են տեղի ունենալ մի շարք իրադարձություններ։

MPF համակարգերը կորիզաթաղանթում գտնվող մի շարք սպիտակուցների կցում են ֆոսֆատային խմբեր՝ հանգեցնելով դրանց քայքայման (վաղ M փուլի առանցքային իրադարձություն), ինչպես նաև ակտիվացնում են այն թիրախները, որոնք խթանում են քրոմոսոմների կոնդենսացմանն ու M փուլի այլ իրադարձությունների իրականացմանը։ Կորիզաթաղանթի մասնատման գործընթացքում MPF-ների դերը ցուցադրված է ստորև։

Անաֆազ խթանող համալիր/ցիկլոսոմ(APC/C)

M փուլի իրադարձությունների խթանման հետ միասին, MPF-ները նաև հանգեցնում են իրենց քայքայմանը՝ ակտիվացնելով անաֆազ խթանող համալիրին/ցիկլոսոմին(APC/C)՝ սպիտակուցների համալիրի, որը անաֆազի սկզբում հանգեցնում է M ցիկլիններին ոչնչացմանը։ M ցիկլինների ոչնչացումը բջջին դուրս է մղում միտոզից՝ թույլ տալով նոր առաջացած դուստր բջիջներին անցնել G

_{1}

փուլին։ APC/C-ն նաև քայքայում է այն սպիտակուցները, որոնք քույր քրոմատիդներին միասին էին պահում՝ թույլ տալով դրանց առանձնանալ անաֆազում և ուղվել բջջի հակառակ բևեռներ։

Ինչպե՞ս է APC/C-ն կատարում իր աշխատանքը։ Cdk-ի նման, APC/C-ն ևս ֆերմենտ է, բայց դրա գործառույթը տարբերվում է Cdk-ի գործառույթից։ Իր թիրախին ֆոսֆատային խումբ ամրացնելու փոխարեն այն ամրացնում է ուբիքվիտին (Ub) կոչվող սպիտակուցային պիտակ։ Երբ թիրախը պիտակավորվում է ուբիքվտինի միջոցով, այն ուղարկվում է դեպի պրոտեասոմ, որը կարող է համարվել բջջի աղբաման։ Այստեղ այս մոլեկուլը քայայվում է։ Օրինակ՝ APC/C-ն ամրանցնում է ուբիքվտինի պիտակը M ցիկլիններին, ինչի արդյունքում պրոտեեասոմները մասնատում են դրանց՝ թույլ տալով նոր առաջացող դուստր բջիջներին անցնել G

_{1}

փուլ

^{8}

APC/C-ն կարող է նաև ուբիքվինի միջոցով միտոզի ընթացքում խթանել քույր քրոմատիդների առանձնացմանը։ Եթե APC/C-ն մետաֆազի ընթացքում ստանում է համապատասխան ազդանշաններ, ապա այն կհանգեցնի մի շարք իրադարձությունների իրականացման, որոնք կքայքայեն կոհեզինը(սպիտակուց, որի մոջոցով քույր քրոմատիդները սոսնձված են միմյանց)

^{8, 9}

APC/C-ն սկզբում ուբիքվիտինային պիտակը ամրացնում է սեկուրին կոչվող սպիտակուցին՝ հանգեցնելով դրա վերամշակման։ Սեկուրին-ը նորմայում ամրանում և դեակտիվացնում է սեպարազ կոչվող սպիտակուցին։
Երբ սեկուրինը վերամշակվում է, սեպարազը ակտիվանում է և կարող է կատարել իր աշխատանքը։ Սեպարազը քայքայում է կոհեզինը՝ սպիտակուցը, որը միմյանց է ամրացնում երկու քույր քրոմատիդներին՝ թույլ տալով դրանց առանձնանալ։

Անցակետեր և կարգավորիչներ

Cdk-ները, ցիկլինները և APC/C-ն բջջի կենսացիկլի անցումային շրջանների անմիջական, ուղիղ կարգավորիչներ են, բայց դրանք չեն կարող ինքնագլուխ որոշումներ կայացնել։ Փոխարենը՝ դրանք գործում են ի պատասխան բջջի ներսից կամ դրսից ստացած ազդանշանների։ Այս ազդանշանները ազդում են կարգավորիչների միջուկի վրա՝ որոշելով արդյոք բջիջը պետք է շարունակի իր կենսափուլը։ Դրական ազդանշանները, ինչպես օրինակ՝ աճի գործոնը, հիմնականում մեծացնում են Cdk-ների և ցիկլինի ակտիվությունը, մինչդեռ բացասականները, ինչպես օրինակ՝ ԴՆԹ-ի վնասումը, սովորաբար դանդաղեցնում կամ արգելակում են դրա ակտիվությունը։

Որպես օրինակ՝ արի ուսումնասիրենք, թե ինչպես կարող է ԴՆԹ-ի վնասումը կանգնեցնել բջջի կենսափուլը G

_{1}

փուլում։ Մարդու կյանքի ընթացքում նրա օրգանիզմի շատ բջիջներում կարող են և կպատահեն նման վնասումներ (օրինակ՝ արևի ՈՒՄ ճառագայթների արդյունքում)։ Բջիջները պետք է կարողանան գործ ունենալ այս վնասվածքի հետ՝ հնարավորության պարագայում ուղղելով այն, իսկ եթե հնարավոր չէ, ապա կանխարգելելով բջջի բաժանումը։ ԴՆԹ-ի վնասմանն ուղված պատասխանի առանցքային մոլեկուլ է հանդիսանում p53՝ ուռուցքները ճնշող հայտնի սպիտակուցը, որը հաճախ նկարագրվում է որպես <<գենոմի պահապան>>

^{10}

p53 մի քանի մակարդակով է աշխատում՝ համոզվելով, որ բջիջները իրենց վնասված ԴՆԹ-ն բջջի բաժանումով չեն փոխանցում մյուս սերնդին

^{3}

։Սկզբում այն կանգնեցնում է բջջի բաժանումը G

_{1}

անցակետում՝ խթանելով Cdk արգելակիչի (CKI) սպիտակուցի արտադրությունը։ CKI սպիտակուցները ամրանում են Cdk-ցիկլին համալիրներին և արգելակում են դրանց ակտիվությունը՝ (տե՛ս ստորև տրամագիրը), ժամանակ շահելով ԴՆԹ-ի նորոգման համար։ p53-ի մյուս աշխատանքը ԴՆԹ-ն վերանորոգող ֆերմենտների ակտիվացումն է։ Եթե ԴՆԹ-ի վանսվածքը չի կարող ուղղվել, նորոգվել, ապա p53-ը կկատարի իր երրորդ և վերջնական դերը՝ կսկսի բջջի ծրագրավորված մահը, որպեսզի վնասված ԴՆԹ-ն չփոխանցվի առաջացող բջիջներին։

Համոզվելով, որ բջիջները իրենց վնասված ԴՆԹ-ով չեն կարող կիսվել p53-ը թույլ չի տալիս, որպեսզի մուտացիաները (ԴՆԹ-ի փոփոխությունները) փոխանցվեն դուստր բջիջներին։ Երբ p53-ը վնասվում է կամ չի գործում, ապա մուտացիաները արագ կկուտակվում են՝ հանգեցնելով քաղցկեղի առաջացման։ Եվ իրականում մարդու ողջ գենոմից, p53-ը այն գենն է, որը ամենահաճախն է մուտացիայի ենթարկվում քաղցկեղի ժամանակ

^{11}

։ p53-ը և բջջի կենսափուլի կարգավորիչները քաղցկեղի բուժումը ուսումնասիրող գիտնականների հիմնական ուսումնասիրման առարկան են։

Այս հոդվածի արտոնագրի համարն է՝ CC BY-NC-SA 4.0։

Օգտագործված գրականություն

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The cell cycle. In Campbell biology (10th ed.). San Francisco, CA: Pearson, 244.
Cooper, G. M. (2000). The nucleus during mitosis. In The cell: A molecular approach. (2nd ed.) Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/.
OpenStax College, Biology. (2015, September 29). Control of the cell cycle. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.87:53/Control-of-the-Cell-Cycle.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). How cells divide. In Biology (10th ed., AP ed.). New York, NY: McGraw-Hill, 200-201.
Lim, Shuhui and Kaldis, Philipp. (2013). Cdks, cyclins and CKIs: Roles beyond cell cycle regulation. Development 140, 3079. http://dx.doi.org/10.1242/dev.091744.
Masui, Y. (2001). From oocyte maturation to the in vitro cell cycle: the history of discoveries of Maturation-Promoting Factor (MPF) and Cytostatic Factor (CSF). In Differentiation 69, 1-17.
Mailand, Neils, Podtelejnikov, A. V., Groth, A, Mann, M, Bartek, J., and Lukas, J. (2002). The EMBO Journal 21(21), 5911-5920. http://dx.doi.org/10.1093/emboj/cdf567.
Cooper, G. M. (2000). The events of M phase. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9958/.
Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). How cells divide. In Biology (10th ed., AP ed.). New York, NY: McGraw-Hill, 201.
Lane, D. P. (1992). Cancer. p53, guardian of the genome. Nature 358(6381), 15-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1614522.
Vogelstein, B., Sur, S. & Prives, C. (2010). p53: the most frequently altered gene in human cancers. Nature Education, 3(9), 6. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/p53-the-most-frequently-altered-gene-in-14192717.

Հղումներ

Anaphase-promoting complex. (2015, October 9). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Anaphase-promoting_complex.

CDK. (2014). In Scitable. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/cdk-14046166.

CDK-activating kinase. (2015, August 5). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/CDK-activating_kinase.

Cooper, GM. (2000). The nucleus during mitosis. In The cell: a molecular approach. (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9890/.

Cooper, G. M. (2000). The events of M phase. In The cell: A molecular approach (2nd ed.). Sunderland, MA: Sinauer Associates. Retrieved from http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9958/.

Cyclin. (2015, July 29). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin.

Cyclin-dependent kinase. (2015, September 14). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin-dependent_kinase.

Cyclin-dependent kinase inhibitor protein. (2014, February 4). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/Cyclin-dependent_kinase_inhibitor_protein.

Lane, D. P. (1992). Cancer. p53, guardian of the genome. Nature 358(6381), 15-6. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/1614522.

Lim, Shuhui and Kaldis, Philipp. (2013). Cdks, cyclins and CKIs: Roles beyond cell cycle regulation. Development 140, 3079-3093. http://dx.doi.org/10.1242/dev.091744.

Liu, Y. and Kulesz-Martin, M. (2001). p53 protein at the hub of cellular DNA damage response pathways through sequence-specific and non-sequence-specific DNA binding. Carcinogenesis, 22(6), 851-860. http://dx.doi.org/10.1093/carcin/22.6.851.

Mailand, Neils, Podtelejnikov, A. V., Groth, A, Mann, M, Bartek, J., and Lukas, J. (2002). The EMBO Journal 21(21), 5911-5920. http://dx.doi.org/10.1093/emboj/cdf567.

Masui, Y. (2001). From oocyte maturation to the in vitro cell cycle: the history of discoveries of Maturation-Promoting Factor (MPF) and Cytostatic Factor (CSF). In Differentiation 69, 1-17.

OpenStax College, Biology. (2015, September 29). Control of the cell cycle. In OpenStax CNX. Retrieved from http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9.87:53/Control-of-the-Cell-Cycle.

P21. (2016, July 6). Retrieved July 24, 2016 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/P21.

P53. (2015, October 11). Retrieved October 13, 2015 from Wikipedia: https://en.wikipedia.org/wiki/P53.

Raven, P. H., Johnson, G. B., Mason, K. A., Losos, J. B., and Singer, S. R. (2014). How cells divide. In Biology (10th ed., AP ed., pp. 187-206). New York, NY: McGraw-Hill.

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). The cell cycle. In Campbell biology (10th ed., pp. 232-250). San Francisco, CA: Pearson.

Vogelstein, B., Sur, S. & Prives, C. (2010). p53: the most frequently altered gene in human cancers. Nature Education, 3(9), 6. Retrieved from http://www.nature.com/scitable/topicpage/p53-the-most-frequently-altered-gene-in-14192717.

Ուզո՞ւմ ես միանալ խոսակցությանը։

Մուտք գործել

Դասակարգել ըստ

Առայժմ հրապարակումներ չկան։

Անգլերեն հասկանո՞ւմ ես: Սեղմիր այստեղ և ավելի շատ քննարկումներ կգտնես «Քան» ակադեմիայի անգլերեն կայքում: