Բջջային ցիկլի կարգավորիչները

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$_1$start subscript, 1, end subscript) 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):

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$_1$start subscript, 1, end subscript ցիկլիններ, G$_1$start subscript, 1, end subscript/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$^{1,2}$start superscript, 1, comma, 2, end superscript։

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$_2$start subscript, 2, end subscript փուլից M անցումային շրջանում։ G$_1$start subscript, 1, end subscript ցիկլինները տիպիկ չեն, այդ իսկ պատճառով բջջի կենսափուլում ավելի անրաժեշտ են։

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$_1$start subscript, 1, end subscript/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$^5$start superscript, 5, end superscript։

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$_2$start subscript, 2, end subscript փուլում) անցնել M փուլի։ Այս առեղծվածային մոլեկուլը, որը կոչվեց MPF և հայտնաբերվեց 1980-ականներին կապված էր M փուլի իր գործընկեր Cdk-ների հետ$^6$start superscript, 6, end superscript։

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$_2$start subscript, 2, end subscript/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։

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$_1$start subscript, 1, end subscript 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$_1$start subscript, 1, end subscript փուլ$^{8}$start superscript, 8, end superscript։

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)$^{8,9}$start superscript, 8, comma, 9, end superscript։

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$_1$start subscript, 1, end subscript 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>>$^{10}$start superscript, 10, end superscript։

p53 մի քանի մակարդակով է աշխատում՝ համոզվելով, որ բջիջները իրենց վնասված ԴՆԹ-ն բջջի բաժանումով չեն փոխանցում մյուս սերնդին$^{3}$cubed։Սկզբում այն կանգնեցնում է բջջի բաժանումը G$_1$start subscript, 1, end subscript 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$^{11}$start superscript, 11, end superscript։ p53-ը և բջջի կենսափուլի կարգավորիչները քաղցկեղի բուժումը ուսումնասիրող գիտնականների հիմնական ուսումնասիրման առարկան են։