Μηχανισμοί της Κυτταρικής ιαίρεσης DNA DIC
Η κυτταρική διαίρεση είναι πολύ σημαντική για την καρκινογένεση Λάθη στο διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων οδηγούν σε ανευπλοειδία ή πολυπλοειδία και προκαλούν καρκινογένεση (Πώς?) Αντικαρκινικές ουσίες όπως ταξόλη, vinblastin, vincristine, nocodazole εμποδίζουν την κυτταρική διαίρεση και θανατώνουν επιλεκτικά τα καρκινικά κύτταρα (γιατί?)
Μορφολογικά χαρακτηριστικά της Κυτταρικής ιαίρεσης
Η Κυτταρική ιαίρεση interphase G1 S G2 M G1 DNA replication Mitosis (chromosome segregation) Cytokinesis (division of cytoplasm)
Οι Φάσεις της Κυτταρικής ιαίρεσης 6. Κυτταροκίνηση Κυτταρικός Κύκλος 1. Πρόφαση 5. Τελόφαση 2. Προμετάφαση 4. Ανάφαση 3. Μετάφαση Φάση Μ
(Κάποια) Μορφολογικά χαρακτηριστικά της Μεσόφασης centrosome in early S-phase Interphase duplicated centrosome in late G2-phase DNA Το δίκτυο μικροσωληνίσκων κατά τη μεσόφαση α-tubulin α-tubulin nuclear envelop Το κεντρόσωμα διπλασιάζεται κατά το τέλος της S ήκατάτηνg2. Τα δύο τμήματα του διπλασιασμένου κεντροσώματος παραμένουν συνδεδεμένα μεταξύ τους έως την αρχή της κυτταρικής διαίρεσης (Πρόφαση)
Χρωμοσωμικά και κυτταροπλασματικά γεγονότα της κυτταρικής διαίρεσης 1. rophase 3. Metaphase 5. Telophase and early cytokinesis 2. ro-metaphase 4. Anaphase 6. Late cytokinesis Adapted from: Alberts B, et al. The Molecular Biology of the Cell, Garland Science, 4th Ed.
Μορφολογικά χαρακτηριστικά της Μεσόφασης Όχι συμπυκνωμένο DNA Πυρηνικός φάκελος ανέπαφος Κεντρόσωμα όχι διαχωρισμένο, κοντά στον πυρηνικό φάκελο ίκτυο μικροσωληνίσκων
Μορφολογικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής διαίρεσης (Ι) ιαχωρισμός του κεντροσώματος και κίνηση προς αντίθετους πόλους του κυττάρου (Πρόφαση) Συμπύκνωση των χρωμοσωμάτων (Πρόφαση) Αποικοδόμηση του πυρηνικού φακέλου (Προμετάφαση) Σχηματισμός της μιτωτικής ατράκτου από μικροσωληνίσκους (Προμετάφαση) και διάταξη των χρωμοσωμάτων στο ισημερινό επίπεδο (Προμετάφαση έως Μετάφαση)
Μορφολογικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής διαίρεσης (ΙΙ) ιαχωρισμός των χρωμοσωμάτων και απομάκρυνση χρωμοσωμάτων και πόλων της ατράκτου προς αντίθετους κυτταρικούς πόλους (Ανάφαση) Αποσυσπείρωση των χρωμοσωμάτων στα θυγατρικά κύτταρα και επανασχηματισμός των πυρηνικών φακέλων (Τελόφαση) Σχηματισμός του συσταλτού δακτυλίου στην ενδιάμεση ζώνη και στο ενδιάμεσο σώμα (midzone and midbody) και διαίρεση του κυτταροπλάσματος (Κυτταροκίνηση) Η κυτταροκίνηση ξεκινά μετά την αρχή της ανάφασης και ολοκληρώνεται μετά την τελόφαση
Βιοχημικά χαρακτηριστικά της Κυτταρικής ιαίρεσης
Ρύθμιση του Κυτταρικού Κύκλου M Τα γεγονότα του κυτταρικού κύκλου πρέπει να πραγματοποιούνται: G2 S G1 Με τη σωστή σειρά Στον κατάλληλο χρόνο Μία μόνο φορά ανά κύκλο Τ14, Υ15 Cdk/ Cyclin ΗενεργότητατωνσυμπλόκωνCdk/ Cyclins ρυθμίζει την πρόοδο του κυτταρικού κύκλου T161
Μεταβολές στην ενεργότητα συμπλόκων Cdk/Cyclin Cdk1/ Cyclin Β Anaphase onset Cdk1/ Cyclin Α G2 M Growth factors Mitogens S G1 Cdk4,6/ Cyclin D Cdk2/ Cyclin Α Cdk2/ Cyclin E
Έναρξη της κυτταρικής διαίρεσης: Ενεργοποίηση του συμπλόκου Cdk1/ Cyclin B Late G2 Cdc25B Aurora-A p Cdk1/ Cyclin Β
Ενεργοποίηση της Cdk1 στο κεντρόσωμα και διαχωρισμός του κεντροσώματος Aurora-A T14 & Y15 S353 Cdc25Β Είσοδος ενεργής Cdk1/Cyclin B στον πυρήνα inactive kinesin Cdk1/ Cyclin Β INACTIVE Cdk1/ Cyclin Β ACTIVE Eg5 Late G2 Beginning of Mitosis
Έναρξη της κυτταρικής διαίρεσης Ενεργοποίηση του συμπλόκου Cdk1/ Cyclin B στο κεντρόσωμα και είσοδος αυτού στον πυρήνα σηματοδοτεί την έναρξη της κυτταρικής διαίρεσης Το σύμπλοκο Cdk1/ Cyclin B ενεργοποιείται μέσω φωσφορυλίωσης της φωσφατάσης Cdc25B από την κινάση Aurora-A. Aκολούθως, το ενεργοποιημένο σύμπλοκο Cdk1/ Cyclin B εισέρχεται στον πυρήνα Ενεργότητα του συμπλόκου Cdk1/ Cyclin B είναι απαραίτητη γιαπολλέςλειτουργίεςτηςκυτταρικήςδιαίρεσης
Λειτουργίες του συμπλόκου Cdk1/ Cyclin B κατά την κυτταρική διαίρεση ιαχωρισμός του κεντροσώματος Αποικοδόμηση του πυρηνικού φακέλου Cdk1/ Cyclin Β ACTIVE Σχηματισμός της μιτωτικής ατράκτου ιάταξη των χρωμοσωμάτων στο ισημερινό επίπεδο
Αποικοδόμηση του πυρηνικού φακέλου Μεσόφαση Προμετάφαση πυρηνικό έλασμα lamin α-helix in monomer dimer dimer phosphorylated lamin dimers Cdk1/ Cyclin Β staggered tetramer
Λειτουργίες της Cdk1/ Cyclin B ιαχωρισμός του κεντροσώματος ιάλυση πυρηνικού φακέλου Cdk1/ Cyclin Β ACTIVE Σχηματισμός μιτωτικής ατράκτου ιάταξη χρωμοσωμάτων
Αλλαγή στη μορφολογία του δικτύου μικροσωληνίσκων κατά την κυτταρική διαίρεση Mικροσωληνίσκoι στη μεσόφαση α-tubulin Μικροσωληνίσκοι μιτωτικής ατράκτου α-tubulin I
Πολυμερισμός μικροσωληνίσκων Το κεντρόσωμα (centrosome) The Centrosome Microtubule Organising Center (MTOC) Πολυμερισμός μικροσωληνίσκων από το κεντρόσωμα δακτυλίδια γ-tubulin slower growing minus end γ-tubulin α-tubulin β-tubulin faster growing plus end Κεντριόλια (centrioles) Accessory proteins Adapted from: Alberts B, et al. The Molecular Biology of the Cell, Garland Science, 4th Ed.
Ταχύς πολυμερισμός/ αποπολυμερισμός ΜΣ κατά το σχηματισμό μιτωτικής ατράκτου και την πρόσδεση των χρωμοσωμάτων Μεσόφαση Μίτωση Μακρείς και σταθεροί ΜΣ Cdk1/ Cyclin Β υναμικοί και βραχείς ΜΣ - + - + MAs - + (Microtubule (MT) associated proteins) catastrophins Μικροσωληνίσκοι (ΜΣ)
Λειτουργίες της πυρηνικής Cdk1/ Cyclin B ιαχωρισμός του κεντροσώματος ιάλυση πυρηνικού φακέλου Σχηματισμός μιτωτικής ατράκτου Cdk1/ Cyclin Β ACTIVE ιάταξη χρωμοσωμάτων
Χρωμόσωμα και κινητόχωρος κεντρομερές (centromere) χρωμόσωμα κινητοχώρος (kinetochore) cohesin Hec1 DAI ΜΣ χρωματίδη kinetochore
Στοχαστική πρόσδεση των χρωμοσωμάτων σε ΜΣ της μιτωτικής ατράκτου κατά την προμετάφαση κινητόχωρος ΜΣ κινητοχώρων πόλος ατράκτου Μη προσδεδεμένοι κινητοχώροι Πρόσδεση του ενός κινητοχώρου σε ΜΣ της μιτωτικής ατράκτου (μονοπολική σύνδεσηmonopolar attachment) Ακολούθως, ο ελεύθερος κινητοχώρος προσδένει ΜΣ από τον αντίθετο πόλο (διπολική σύνδεση-bipolar attachment)
Φωσφορυλίωση της κινεσίνης της μιτωτικής ατράκτου κινητόχωρος + Cdk1/ Cyclin Β + + + + + + + κινεσίνη + + δυνεϊνη + + + + + + αστρικοί MΣ (astral MT) MΣ κινητοχώρων (kinetochore MT) MΣ επικάλυψης (overlap MT)
Βιοχημικά χαρακτηριστικά της κυτταρικής διαίρεσης από την Πρόφαση έως τη Μετάφαση Ενεργοποίηση του συμπλόκου Cdk1/Cyclin B σηματοδοτεί την έναρξη της κυτταρικής διαίρεσης ιαχωρισμός του κεντροσώματος Αποικοδόμηση πυρηνικού φακέλου Σχηματισμός της μιτωτικής ατράκτου και διάταξη των χρωμοσωμάτων στο ισημερινό επίπεδο
Βιοχημικά χαρακτηριστικά της Κυτταρικής ιαίρεσης: Έναρξη της Ανάφασης α-tubulin I
Ενεργοποίηση του συμπλόκου AC/C κατά την Ανάφαση AC/C Μετάφαση α-tubulin I Cyclin B cohesin...... Ανάφαση α-tubulin I Cdk1 inactivation chromatid separation
Το σύμπλοκο AC/C Το AC/C (Anaphase romoting Complex/Cyclosome Cyclosome) είναι σύμπλοκο πρωτεϊνών με ενεργότητα Ε3 ubiquitin ligase Μεταφέρει αλυσίδα μορίων ubiquitin σε μιτωτικές πρωτεΐνες-στόχους στόχους. Οι ουμπικιτινιωμένες πρωτεΐνες αναγνωρίζονται από το πρωτεάσωμα (proteasome) και αποικοδομούνται Το AC/C ενεργοποιείται μέσω πρόσδεσης της καταλυτικής του υπομονάδας Cdc20 Ενεργοποίηση του AC/C οδηγεί σε αποικοδόμηση των υποστρωμάτων Cyclin Β και cohesin και έναρξη της ανάφασης
Υποστρώματα του AC/C Μετάφαση Ανάφαση Cyclin B active Cdk1/ Cyclin Β E2 active AC/C Cdk1 inactive separase bound by securin AC/C Cdc20 securin free separase ΜΣ κινητόχωρος cohesin...... cohesin
Ο διαχωρισμός των χρωμοσωμάτων είναι κομβικό γεγονός της μιτωτικής διαίρεσης Είναι μη αναστρέψιμη διαδικασία Σφάλματα στο διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων οδηγούν σε άνιση κατανομή του γενετικού υλικού στα θυγατρικά κύτταρα (ανευπλοειδία) η οποία συνδέεται με την καρκινογένεση
Το mitotic spindle checkpoint ρυθμίζει την έναρξη της ανάφασης Mitotic spindle checkpoint? (Σημείο ελέγχου της μιτωτικής διαίρεσης) α-tubulin I α-tubulin I AC/C Μετάφαση Ανάφαση
Το mitotic spindle checkpoint Είναι μηχανισμός ο οποίος εμποδίζει την έναρξη της ανάφασης (τον διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων) έως ότου όλα τα χρωμοσώματα συνδεθούν μέσω των κινητοχώρων τους διπολικά με ΜΣ της μιτωτικής ατράκτου Ενεργοποιείται αυθόρμητα κατά τη διάταξη των χρωμοσωμάτων στη μιτωτική άτρακτο λόγω έλλειψης πρόσδεσης ΜΣ στους κινητοχώρους ή τάσης μεταξύ αδελφών κινητοχώρων Επίσης, επάγεται εξωγενώς από ουσίες που εμποδίζουν τον ομαλό σχηματισμό της μιτωτικής ατράκτου (όπως nocodazole, taxol) «Σβήσιμο» του spindle checkpoint (όταν όλα τα χρωμοσώματα διαταχθούν σωστά) επιτρέπει έναρξη της ανάφασης
Το spindle checkpoint παρακολουθεί τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ αδελφών κινητοχώρων και ΜΣ της μιτωτικής ατράκτου Unattached kinetochores Spindle Checkpoint ON Anaphase NO Unattached kinetochores ON NO Syntelic attachment of kinetochores no tension ON NO Bipolarly attached kinetochores OFF YES
Οι πρωτεΐνες του spindle checkpoint απενεργοποιούν το AC/C ΜΣ Cdc20 E2 target AC/C κινητόχωρος monopolar MT attachment Bub proteins: Bub1, Bub3 spindle checkpoint active inactive AC/C roteins of the Chromosomal assenger Complex (Αurora-B, INCEN and Survivin) Mad proteins: Mad1, Mad2, BubR1 (Mad3) Μετάφαση Ανάφαση
Μοριακή βάση της ανάφασης...... cohesin cleavage spindle checkpoint ON spindle checkpoint OFF E2 separase bound by securin E2 free separase AC/C AC/C securin inactive AC/C active AC/C active Cdk1/Cyclin B Μετάφαση Ανάφαση Cyclin B inactive Cdk1
υσλειτουργία του spindle checkpoint οδηγεί σε λανθασμένο διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων κατά την ανάφαση Κύτταρα με ενεργό spindle checkpoint Φυσιολογική ανάφαση Κύτταρα με σφάλματα στο spindle checkpoint Ανάφαση με χρωμόσωμα που καθυστερεί να διαταχθεί Πράσινο: DNA
Η σπουδαιότητα του spindle checkpoint Σφάλματα στο spindle checkpoint οδηγούν σε άνιση κατανομή του γενετικού υλικού στα θυγατρικά κύτταρα (ανευπλοειδία, χρωμοσωμική αστάθεια) Η χρωμοσωμική αστάθεια συνδέεται με καρκινογένεση λόγω ενεργοποίησης πρωτο-ογκογονιδίων ή/και έλλειψης ογκοκατασταλτικών γονιδίων
Έναρξη της Ανάφασης Το spindle checkpoint εμποδίζει την έναρξη της ανάφασης μέσω απενεργοποίησης της καταλυτικής υπομονάδας Cdc20 του AC/C Όταν όλοι οι αδελφοί κινητοχώροι προσδεθούν διπολικά μέσω ΜΣ στη μιτωτική άτρακτο, το spindle checkpoint «σβήνει» και ενεργοποιείται το σύμπλοκο AC/C Ενεργοποίηση του συμπλόκου AC/C οδηγεί σε αποικοδόμηση της Cyclin B (απενεργοποίηση της Cdk1) από το πρωτεάσωμα, αποικοδόμηση της cohesin και διαχωρισμό των αδελφών χρωματίδων
Βιοχημικά χαρακτηριστικά της Κυτταρικής ιαίρεσης: Η Κυτταροκίνηση
Η Κυτταροκίνηση ακολουθεί χρονικά τον διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων DNA DIC
Μορφολογία της Κυτταροκίνησης Η Κυτταροκίνηση ξεκινά στο τέλος της Ανάφασης αφού τα χρωμοσώματα έχουν διαχωριστεί και απομακρυνθεί μεταξύ τους Τέλος Κυτταροκίνησης συσταλτός δακτύλιος Κυτταροπλασματική αύλακα ΜΣ επικάλυψης Ενδιάμεση ζώνη (midzone) δημιουργία νέου πυρηνικού φακέλου Ενδιάμεσο σώμα (midbody)
Στο συσταλτό δακτύλιο συμμετέχουν ινίδια ακτίνης και μυοσίνης Κυτταροκίνηση ΜΣ επικάλυψης Κυτταροκίνηση actin myosin Συσταλτός δακτύλιος ινιδίων ακτίνης και μυοσίνης Adapted from: Alberts B, et al. The Molecular Biology of the Cell, Garland Science, 4th Ed.
1. Πώς καθορίζεται η θέση σχηματισμού της κυτταροπλασματικής αύλακας;
1. Οι ΜΣ της μιτωτικής ατράκτου καθορίζουν τη θέση σχηματισμού της κυτταροπλασματικής αύλακας αστεροειδείς ΜΣ ΜΣ επικάλυψης κυτταρική μεμβράνη
2. Πώς συντονίζεται η έναρξη της Κυτταροκίνησης με τον διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων;
Ενεργοποίηση/ μετακίνηση πρωτεϊνών που επάγουν πολυμερισμό της ακτίνης στο midzone & midbody προϋποθέτει απενεργοποίηση της Cdk1 Πρόφαση- Μετάφαση Ανάφαση Cyclin B active Cdk1/ CyclinΒ AC/C Cdk1 inactive phosphatases Start of cytokinesis hosphorylation and inhibition of proteins that induce actin polymerisation Dephosphorylated proteins move at midzone and midbody and induce furrowing
1. Πριν την ανάφαση, το σύμπλοκο Cdk1/ Cyclin B φωσφορυλιώνει και απενεργοποιεί ρυθμιστικές πρωτεΐνες οι οποίες επάγουν τον πολυμερισμό ινιδίων ακτίνης 2. Μετά την έναρξη της ανάφασης, απενεργοποίηση της Cdk1 από το AC/C επιτρέπει την αποφωσφορυλίωση και ενεργοποίηση των παραπάνω ρυθμιστικών πρωτεϊνών και τη μετακίνησή τους στη midzone και στο midbody 3. Εκεί, επέρχεται πολυμερισμός ινιδίων ακτίνης και σχηματισμός της κυτταροπλασματικής αύλακας 4. Συνεπώς ο σχηματισμός της αύλακας ακολουθεί χρονικά την έναρξη της ανάφασης (το διαχωρισμό των χρωμοσωμάτων)
Μελλοντικές κατευθύνσεις Αντικαρκινικές ουσίες όπως ταξόλη, vinblastin, vincristine, nocodazole καταστρέφουν τους μικροσωληνίσκους (ΜΣ) της ατράκτου και εμποδίζουν την κυτταρική διαίρεση Οι ουσίες αυτές έχουν πολλές παρενέργειες διότι καταστρέφουν και τους ΜΣ των μεσοφασικών κυττάρων Αναστολή κινασών με ειδικούς ρόλους στην κυτταρική διαίρεση και όχι στη μεσόφαση θα βελτιώσει δραματικά την αποτελεσματικότητα τέτοιων θεραπειών Κατανόηση των μηχανισμών της κυτταρικής διαίρεσης μπορεί να οδηγήσει σε νέες μεθόδους αντικαρκινικής θεραπείας
Η κινεσίνη HSET βοηθά την επιβίωση καρκινικών κυττάρων με πολύ-πολικές ατράκτους HSET-specific inhibitor HSET Cancer cell HSET-specific inhibitor HSET spindle pole clustering Multi-polar spindle Bi-polar spindle Unsuccessful cell division, cancer cells may die DNA acentrosomal spindle pole spindle MTs Successful cell division, cancer cells live
Αναστολή της κινεσίνης HSET μπορεί να οδηγήσει σε θανάτωση των καρκινικών κυττάρων με πολύ-πολικές ατράκτους, διότι δημιουργούνται μη βιώσιμα κύτταρα H HSET δεν είναι απαραίτητη για τα φυσιολογικά κύτταρα με διπολικές ατράκτους από κεντροσώματα, συνεπώς αναστολή της HSET δεν τα επηρεάζει
Kops GJ, et al. Nature Reviews Cancer 5: 773-785, 2005