Κυτταρικός κύκλος - Κυτταρική διαφοροποίηση. Ευαγγέλου Κων/νος Οµάδα Μοριακής Καρκινογένεσης Εργαστήριο Ιστολογίας-Εµβρυολογίας Ιατρική Σχολή Αθηνών

Transcript

1 Κυτταρικός κύκλος - Κυτταρική διαφοροποίηση Ευαγγέλου Κων/νος Οµάδα Μοριακής Καρκινογένεσης Εργαστήριο Ιστολογίας-Εµβρυολογίας Ιατρική Σχολή Αθηνών

2 Κατά την διάρκεια της εξέλιξης οι πολυκύτταροι οργανισµοί ανέπτυξαν µηχανισµούς για την εξασφάλιση: ρύθµιση του αριθµού και του µεγέθους των κυττάρων συντονισµό δηµιουργίας νέων κυττάρων Πολλαπλασιασµός (κυτταρικός κύκλος) διαφορετικότητα ως προς τη δοµή και λειτουργία κυττάρων ιαφοροποίηση εξάλειψη πλεοναζόντων ή «προβληµατικών» κυττάρων Απόπτωση

3 Κυτταρικός κύκλος Περιοδικό βιολογικό φαινόµενο κατά το οποίο το κύτταρο διπλασιάζει το γενετικό του υλικό και το ισοκατανέµει στα θυγατρικά του κύτταρα Αλληλουχία γεγονότων, που λαµβάνει χώρα στον πυρήνα του κυττάρου και οδηγούν στη διαίρεσή του ιάρκεια στα ανθρώπινα κύτταρα: ώρες Χωρίζεται σε δύο φάσεις: -Μεσόφαση (φάση προετοιµασίας κυττάρου για διαίρεση) -Μιτωτική διαίρεση ή µίτωση (φάση διαίρεσης κυττάρου) G 0 : Φάση ηρεµίας

4 Μεσόφαση Αποτελεί περίπου το 90 95% του κυτταρικού κύκλου Παρεµβάλλεται µεταξύ δύο διαδοχικών µιτωτικών διαιρέσεων Υποδιαιρείται στις επιµέρους φάσεις: G1, S και G2 G1 φάση Μεταβολικά ενεργή φάση Προετοιµασία για την S φάση ιπλασιασµός οργανιδίων ιπλασιασµός κεντροσώµατος Βιοσύνθεση υλικών για διπλασιασµό DNA S φάση ιπλασιασµός DNA Σύνθεση 2 αδελφών χρωµατίδων έσµευση για διαίρεση G2 φάση Κυτταρική αύξηση Προετοιµασία για µίτωση Συµπύκνωση χρωµατίνης

5 Cdc6 και Cdt1: µόρια-κλειδιά της έναρξης αντιγραφής του DNA Παράγοντες έναρξης Αδειοδότηση αντιγραφής

6 Φάση Μίτωσης Μιτωτική διαίρεση και κυττοκίνηση G 2 of Interphase Prophase Prometaphase Metaphase Anaphase Telophase and Cytokinesis Centrosomes (with centriole pairs) Chromatin (duplicated) Early mitotic spindle Aster Centromere Fragments of nuclear envelope Nonkinetochore microtubules Metaphase plate Cleavage furrow Nucleolus forming Nucleolus Nuclear envelope Plasma membrane Chromosome, consisting of two sister chromatids Kinetochore Kinetochore microtubule Spindle Centrosome at one spindle pole Daughter chromosomes Nuclear envelope forming ιαχωρισµός µε ακρίβεια του διπλασιασµένου DNA σε δύο ίσα µέρη ώστε καθένα από τα δύο θυγατρικά κύτταρα να διαθέτει πλήρες αντίγραφο του γενετικού υλικού του µητρικού κυττάρου

7 Κεντροσωµιακός Κύκλος Συντονισµός µε τον κυτταρικό κύκλο

8 Ρύθµιση του κυτταρικού κύκλου

9 Ενδογενή κι εξωγενή σήµατα Σήµατα που ενεργοποιούν ή αναστέλλουν Εξασφαλίζουν την αλληλουχία των φάσεων G1-S-G2-M Εξωγενή σήµατα Αυξητικοί παράγοντες - Πρόσδεση στη µεµβράνη - Προαγωγή κυτταρικού κύκλου Αυτοκρινής, παρακρινής, ενδοκρινής έκκριση Αναστολή εξ επαφής ΕΘΟ Ενδογενή σήµατα Μέγεθος του κυττάρου Βλάβες DNA Βλάβες αντιγραφής DNA ιαταραχή της οργάνωσης της µιτωτικής ατράκτου micrornas

10 Ρυθµιστές κυτταρικού κύκλου Η ρυθµιστική διαδικασία του κυτταρικού κύκλου εξασφαλίζεται µέσω: των κυκλινών, ετεροδιµερών συµπλεγµάτων πρωτεϊνών που διακρίνονται σε οικογένειες (D, E, A, B): κάθε οικογένεια κυκλινών έχει την ευθύνη ελέγχου διαφορετικής φάσης του κυτταρικού κύκλου των κυκλινο εξαρτωµένων κινασών (CDK): κάθε κυκλινο εξαρτώµενη κινάση επάγει την δράση µιάς κυκλίνης, των αναστολέων των συµπλόκων κυκλινών CDK (CKI)

11 Κυκλίνες Ακριβές πρότυπο σύνθεσης και αποικοδόµησης (κυκλικό) Σε αντιδιαστολή µε τις κυκλινο εξαρτώµενες κινάσες

12 Κυκλίνες και Κυκλινοεξαρτώµενες κινάσες Σύνδεση κυκλινών µε CDKs απαραίτητη για ενεργοποίηση - CDK4/κυκλίνη D: ενεργοποίηση µεταγραφικών παραγόντων για DNA πολυµεράση δ και DNA λιγάση - CDK1/κυκλίνη B: ενεργοποίηση συµπύκνωσης χρωµατίνης, αποδόµησης πυρηνικού φακέλου

13 Αναστολείς κυκλινο εξαρτώµενων κινασών (CDKs) Οικογένεια KIP (kinase inhibitory protein): p21waf/cid1, p27 KIP1, p57kip2 Οι αναστολείς αυτής της οµάδας µπορούν να συνδέονται και να αναστέλλουν την δράση όλων των συµπλεγµάτων cyclin/cdk Οικογένεια INK4: p16ink4a, p15ink4b, p18ink4c, p19ink4d Οι πρωτεΐνες αυτές διαφέρουν από την προηγούµενη οικογένεια λόγω του ότι εµφανίζουν ειδικότητα ως προς την σύνδεσή τους µε την κυκλίνη D

14 Παράγοντας MPF=σύµπλοκο κυκλίνης Β - CDC2 (CDK1) Μετάβαση από την φάση G2 στη φάση M MPF Φωσφορυλίωση Ιστόνες Λαµίνη Ακτίνη Πρωτεΐνες κυτταροσκελετού και µικροσωληνίσκων Συµπύκνωση χρωµατίνης Αποδιοργάνωση πυρηνικής µεµβράνης Μεταβολή σχήµατος κυττάρου, απώλεια προσκόλλησης Μιτωτική άτρακτος Συµµετέχει στο σηµείο ελέγχου οργάνωσης της µιτωτικής ατράκτου ενεργοποιώντας το APC (anaphase promoting complex) Κατά την διάρκεια της διαίρεσης, ο ίδιος ο ενεργοποιηµένος MPF επάγει την απενεργοποίησή του, κινητοποιώντας ένζυµα για την γρήγορη αποδόµηση της κυκλίνης Β, και άρα για τη µετάβαση εκ νέου στη µεσόφαση

15 ιεγερτική ή ανασταλτική ρύθµιση : Παράγοντας MPF - Ρύθµιση APC/C (Anaphase PromotingComplex/cyclosome C): Ενεργοποίηση του MPF cdc25 Ενεργοποίηση συµπλέγµατος cyclinb/cdk1 µέσω θετικού µηχανισµού ανατροφοδότησης PLKs (Polo like kinases) - ενεργοποίηση του MPF µέσω του cdc25 - ταυτόχρονα όµως ο MPF προκαλεί σε µεταγενέστερα στάδια της µίτωσης ενεργοποίηση των PLKs - καταστολή του MPF µέσω ενεργοποίησης των APC/C κατά την µετάβαση από την µετάφαση προς την ανάφαση και την έξοδο του κυττάρου από τη µίτωση

16 Ο ρόλος του APC στην επαγωγή της Ανάφασης Η Ανάφαση επάγεται από την αποικοδόµηση του εκκινητής ανάφασης (securin)

17 Σηµείο περιορισµού Restriction point (R) Συγκεκριµένο σηµείο στην G1 φάση έπειτα από το όποιο τα κύτταρα µπορούν να πολλαπλασιάζονται ανεξάρτητα από µιτογόνα σήµατα Το σηµείο R διακρίνει την αρχική από την τελική G1 φάση εκτικότητα σε µιτογόνα σήµατα Στο σηµείο αυτό το κύτταρο αποφασίζει εάν: 1. θα προχωρήσει στη φάση M 2. θα παραµείνει στη G1 3. θα εισέλθει στη G0 Σηµείο R

18 Σηµεία ελέγχου του κυτταρικού κύκλου Το κύτταρο για να ολοκληρώσει µε ακρίβεια την αντιγραφή και την διαίρεση του γενετικού του υλικού έχει αναπτύξει σύνθετους µηχανισµούς ελέγχου που καλούνται «σηµεία ελέγχου» (checkpoints) Βλάβη στο DNA Κυτταρικό µέγεθος Μη προσδεδεµένος κινητοχώρος Μη ολοκλήρωση της αντιγραφής Βλάβη στο DNA Κυτταρικό µέγεθος Θρεπτικά συστατικά Αυξητικοί παράγοντες

19 Σηµείο ελέγχου στη µετάβαση G1 προς S φάση Φωσφορυλίωση Rb, απελευθέρωση E2F, επαγωγή γονιδίων Εξωγενή σήµατα (αυξητικοί παράγοντες, µιτογόνα) p16ink4 p21 p14arf p27

20 Σηµείο ελέγχου στην S φάση ικλωνικές θραύσεις Βλάβη αντιγραφικής διαδικασίας

21 Σηµείο ελέγχου στη µετάβαση G2 / Μ φάση Βλάβες του DNA

22 Σηµείο ελέγχου «Antephase»: έλεγχος από CHFR

23 Σηµείο ελέγχου µιτωτικής ατράκτου Μετάβαση από τη Μετάφαση στην Ανάφαση Για την επίτευξη σωστούταυτόχρονου διαχωρισµού των αδελφών χρωµατίδων, κάθε χρωµόσωµα είναι συνδεδεµένο µέσω του κινητοχώρου στους µικροσωληνίσκους της ατράκτου Το σηµείο ελέγχου της ατράκτου παρακολουθεί την πρόσδεση της µιτωτικής ατράκτου στους κινητοχώρους και την τάση οπου δηµιουργείται απο την προσκόλληση της µιτωτικής ατράκτου

24 Κυτταρική διαφοροποίηση

25 ιαφοροποίηση Εµβρυική ανάπτυξη: η διαδικασία η οποία έχει ως αποτέλεσµα τη δηµιουργία διαφορετικών κυτταρικών τύπων µε εξειδικευµένη λειτουργία Ζυγώτης Πολύπλοκο σύστηµα ιστών και κυτταρικών τύπων

26 ιαφοροποίηση Ενήλικη Ζωή: Οµοιόσταση - αποκατάσταση ιστών Αρχέγονο κύτταρο Ανανέωση Ασύµµετρη διαίρεση Προγονικό κύτταρο ιαφοροποιµένο κύτταρο Περιβάλλον

27 ιαφοροποίηση Μετάβαση από έναν τύπο κυττάρου σε άλλο Μετάβαση από ένα πρότυπο γονιδιακής έκφρασης σε άλλο

28 Ίδιο γονιδίωµα ιαφορετικός φαινότυπος Από την κάµπια... Εικόνα 1: Eumaeus atala, κάµπια...στην πεταλούδα Εικόνα 2: Eumaeus atala, πεταλούδα

29 Ίδιο γονιδίωµα ιαφορετικός φαινότυπος Housekeeping genes: έκφραση σε όλα τα κύτταρα υπεύθυνα για γενικές λειτουργίες Cell-type ή differentiation specific genes: έκφραση σε διαφοροπ/µένα κύτταρα ή σε συγκεκριµένα στάδια της ανάπτυξης γονίδια γονίδια Εµβρυϊκή προέλευση Στάδιο ανάπτυξης Κυτταρικό - ιστικό περιβάλλον Κυτταρικές λειτουργίες ιαδοχική δράση µεταγραφικών παραγόντων -ειδικών κυτταρικής προέλευσης ή κυτταρικού τύπου- που ενεργοποιούν ή καταστέλλουν γονίδια διαφοροποίησης (differentiation specific genes)

30 Ενδογενείς Παράγοντες Εξωγενείς Παράγοντες Περιβαλλοντικοί παράγοντες κυττάρου - οργανισµού µικρά µόρια εκκρινόµενες πρωτεΐνες θερµοκρασία οξυγόνο DNA Μεθυλίωση Τροποποίηση ιστονών ακετυλίωση, φωσφορυλίωση, µεθυλίωση, SUMOylation Αναδιοργάνωση νουκλεοσώµατος Εναλλακτικά µετάγραφα Αποσιώπηση (micrornas) Ενεργοποίηση ή αναστολή έκφρασης γονιδίων Μεταβολή προτύπων γονιδιακής έκφρασης

31 ιακυτταρική επικοινωνία µέσω εκκρινόµενων παραγόντων Μορφογόνα Κυτοκίνες Αυξητικοί παράγοντες Σηµατοδοτικά µόρια

32 Μεθυλίωση DNA Μεθυλίωση CpG νησίδων στο DNA στην περιοχή του υποκινητή προκαλεί µεταγραφική καταστολή Η πληροφορία µεταβιβάζεται στους απογόνους

33 Μεθυλίωση και ιαφοροποίηση Έκφραση γονιδίων ανάπτυξης λόγω αύξησης της Η3Κ4 µεθυλίωσης Η3Κ27 µεθυλίωση αποσιωπά προσωρινά γονίδια ανάπτυξης σε πολυδύναµα κύτταρα, DNA µεθυλίωση αποσιωπά ορισµένα γονίδια πολυδυναµίας

34 Μεθυλίωση-Ακετυλίωση και ιαφοροποίηση Η ακετυλίωση προάγει τη µεταγραφική ενεργοποίηση γονιδίων

35 Κυτταρική εξειδίκεση κατά την ανάπτυξη Τροποποίηση Ιστονών Ρύθµιση γονιδιακής έκφρασης ιαφοροποίηση προς µυϊκό κύτταρο Τροποποίηση χρωµατίνης ακετυλο-τρανσφεράρες απoακετυλάσες Ιστονών Μεταγραφικοί παράγοντες MyoD και MEF Στρατολόγηση Ακετυλο-τρανσφεράσών p300, PCAF Μεταβολή της πρόσβασης τους στις θέσεις στόχους ιαφοροποίηση προς µυϊκό κύτταρο

36 microrna και ιαφοροποίηση Αποσιώπηση γονιδίων - ιαφορική έκφραση

37 ΥπεροικογένειαTGFb και διαφοροποίηση Καταστολή πολλαπλασιασµού, επαγωγή επιθηλιο-µεσεγχυµατικής µετατροπής, ρύθµιση απόπτωσης, ρύθµιση της αποικοδόµησης της ΕΘΟ

38 MAPK σηµατοδοτικά µονοπάτια και διαφοροποίηση Η ΜΑΡ-κινάση P38 παίζει σηµαντικό ρόλο στη διαφοροποίηση

39 Πολλαπλασιασµός ιαφοροποίηση Φάση ηρεµίας Φάση διαίρεσης Πορεία διαφοροποίησης

40 Πολλαπλασιασµός ιαφοροποίηση Η ρύθµιση της G1 φάσης καθορίζει την πορεία - µοριακός διακόπτης Proliferation

41

42 Αναστολείς κυκλινο-εξαρτώµενων κινασών και διαφοροποίηση

43 Αναστολείς κυκλινο-εξαρτώµενων κινασών και διαφοροποίηση

44 ιαφοροποίηση ολιγοδενδροκυττάρων Αναστολείς κυτταρικού κύκλου Έξοδος από τον κυτταρικό κύκλο Ρύθµιση γονιδίων διαφοροποίησης

45 Αναστολείς κυκλινο-εξαρτώµενων κινασών και ρύθµιση της κινητικότητας Ρύθµιση Rho κινασών και οργάνωσης κυτταροσκελετού

46 Rb - pocket proteins και διαφοροποίηση

47 Ρυθµιση του κυτταρικού κύκλου και διαφοροποίηση Ταυτόχρονη αναστολή συµπλόκων Cyc-CDKs και µεταγραφική ενεργοποίηση γονιδίων διαφοροποίησης

48 Oικογένεια των E2F παραγόντων και διαφοροποίηση

49 Oικογένεια των RAS πρωτεϊνών και διαφοροποίηση

50 Oικογένεια των RAS πρωτεϊνών και διαφοροποίηση Αναστολή του κυτταρικού κύκλου σε φυσιολογικά κύτταρα

51 Anaphase-Promoting Complex (APC) και διαφοροποίηση Ο µιτωτικός παράγοντας APC συµµετέχει και στη διαφοροποίηση

52 microrna, πολλαπλασιασµός και διαφοροποίηση Παράταση της G1 φάσης οδηγεί σε διαφοροποίηση

53 Κυτταρικός κύκλος διαφοροποίηση και καρκίνος «Cancer utilizes embryonic programs to develop. Therefore the knowledge of key embyological processes will help us understand its nature».

54 Προτεινόµενη βιβλιογραφία Vinay Kumar, MBBS, MD, FRCPath, Abul K. Abbas, MBBS, Nelson Fausto, MD and Jon Aster, MD. Robbins & Cotran Pathologic Basis of Disease th Edition. Katrien Vermeulen, Dirk R. Van Bockstaele and Zwi N. Berneman. Τhe cell cycle: a review of regulation, deregulation and therapeutic targets in cancercell Prolif. 2003, 36, McClellan KA, Slack RS. Specific in vivo roles for E2Fs in differentiation and development. Cell Cycle Dec 1;6(23): Laura A. Buttitta and Bruce A. Edgar. Mechanisms controlling cell cycle exit upon terminal differentiation. Curr Opin Cell Biol (6): Jeffrey P. Miller, Nancy Yeh, Anxo Vidal, Andrew Koff. Interweaving the Cell Cycle Machinery with Cell Differentiation Cell Cycle 6:23, Yangming Wangand Robert Blelloch. Cell Cycle Regulation by MicroRNAs in Embryonic Stem Cells. Cancer Res 2009;69: G De Falco F Comes and C Simone. prb: master of differentiation. Coupling irreversible cell cycle withdrawal with induction of muscle-specific transcription. Oncogene (2006) 25, P. Crespoa and J. Leonb. Ras proteins in the control of the cell cycle and cell differentiation. CMLS, Cell. Mol. Life Sci. 57 (2000)

55 Ευχαριστώ