Cellcykelreglering- Cellsignalering

Vilka faser delas cellcykeln in i? Vad händer?

Cellcykeln har fem faser:

1. G0: Cellen har lämnat cellcykeln, tillfälligt eller permanent, och delar sig därmed inte, den sköter istället sina vanliga uppgifter, som till exempel nervsignalering
2. G1: Cellen ökar i storlek, proteiner, kolhydrater och lipider karakteristiska för celltypen tillverkas, och cellen gör sig redo för DNA-syntes
3. S: DNA-replikation
4. G2: Olika kontrollmekanismer kontrollerar att cellen är redo och i rätt skick för att genomgå mitos
5. M: Mitos, vilken består av sex delfaser:

Checkpoints är kontrollpunker i slutet av G1, G2 och under M-fasen. Vid dessa checkpoints kontrolleras om cellen ådragit sig några defekter, till exempel kromosomskador, och cellen kan i detta fall gå in i G0-fasen. Checkpoint G1/S utgör en speciell gräns: före denna men inte efter behövs tillväxtfaktorer för att upprätthålla cellcykeln.'

E2F och rb är två genregulatoriska proteiner som krävs för att cellcykeln ska kunna passera G1/S-checkpoint. E2F är en transkriptionsfaktor som binder till promotorer för gener vars proteiner behövs för S-fas-initiering. Rb är en inhibitor som reglerar aktiviteten av E2F genom bindning. Aktivt Rb hindrar funktionen av E2F vilket hindrar cellen att övergå till S-fas.    
G1-scyklin avaktiverar RB- släpper lös E2F, som då kan binda till promotorer och cellcykeln kan övergå till S-fas.

p53-genen är en annan viktig supressorgen som kodar för ett protein: också det vid namn P53. Detta är en transkriptionsfaktor som ökar kraftigt i koncentration i en skadad cell då det stabiliseras av skadat DNA. P53 inducerar bl a bildandet av P21, en inhibitor som binder till flera Cyklin/CDK-komplex och därmed stoppar cellens tillväxt och delning tills reparationer skett. P53 kan även aktivera gener (ex Bax genen) som leder till apoptos, celldöd.

Vad är en receptor?

Receptorer är proteinmolekyler som kan binda en mindre molekyl (ligand) och som svar på det överföra någon form av signal till cellens inre. Detta kan ske på olika sätt, ofta genom att stimulera produktionen av sekundära budbärarmolekyler (till exempel cykliskt AMP, cAMP). Resultatet av signaleringen beror på vilken receptortyp som aktiveras, samt vilken ligand som bundit. De flesta receptorer är mycket specifika för vilken ligand de kan binda, till exempel kan insulinreceptorn inte binda någon annan ligand än just insulin.

1. Receptorn (ljusblått) och enzymet (skärt) befinner sig i vila. Det inaktiva G-proteinets subenheter är bundna till varandra och till GDP.
2. Ett hormon binder till receptorn och får den att ändra form och bli aktivt (mörkblått).
3. Den aktiverade receptorn binder till subenheten G_βγ.

Second messanger

cGMP står för cykliskt guanosinmonofosfat. cGMP är en cyklisk nukleotid som bildas från guanosintrifosfat (GTP) i levande organismer. En viktig funktion av cGMP är som intermediär i cellsignaleringen. cGMP ingår som en av många delar i det intracellulära signalystemet, så kallat second messenger. Dessa second messengers är i sin tur en respons från en första signal, first messenger, som kommer från membran-impermeabla peptid-hormoner. Dessa hormoner binds på cellytan och producerar cGMP från GTP. cGMP (och andra second messengers) är en liten molekyl som i huvudsak verkar genom att fosforylera proteinkinaser, vilka i sin tur fosforylerar målproteiner.

cGMP värkar på så sätt ungefär som det kemisk besläktade cAMP, fast med ett lite annat mönster av preferanser. 

Har inte anzymatisk aktivitet- utan regulerar mål enzymer

1. Bindningen får G_α att ändra form. Den tappar GDP och binder GTP, G_α skjuts bort från de andra subenheterna.Den glider längs med cellmembranet och kolliderar med ett membranbundet enzym.
2. Hormonet lossnar från receptorn som inaktiveras (ljusblått). G_α förenas med enzymet och aktiverar det (rött). Enzymet utför en katalytisk reaktion.
3. GTP hydrolyseras till GDP. Detta får G_α att lossna från enzymet och glida tillbaka till G_βγ. Systemet har återgått till sitt ursprungliga tillstånd.

cAMP

G-protein aktiverar enzymet Adenylyl cyclase(effektor protein) som katalyserar förändring från ATP till AMP ( på membranets insida).  cAMP kan påverka enzymet glycogen fosforylase.(släpper ut lagrad glukos) inaktiverar i tidigare stadie glycogensyntasen)(i kedjereaktionen, protein kinase som inaktiverar)

c AMP har 2 mål. Jonkanaler och protein kinase.( kan skapa kedjereaktioner)

Förmedling av signaler från lipida föreningar

ex hormon(östrogen) CYTOPLASMIC RECEPTOR opolära ligander kan diffundera in i cellen. binder till en receptor inne i cellen

Fosfoinositol??? Signalförmedlare, signalväg och resultat/mål?
Hormon binder till receptorn som aktiverar protein som aktiverar PhospholipasC
omvandlar PIP2 till IP3 och DAG som båda är second messangers.
IP3 öppnar calciumkanaler
DAG och kalcium aktiverar kinas C (PKC)
PKC fosfolyserar enzymer och andra proteiner. Vilket ger en cellrespons.Ex Bipolaritet, manic-depressive
Lithium blockerar Gprotein och IP3syntes.

Receptorer


3sorter


Jonkanals receptorer



olika signaler t ex sol, ljud, värme mm


Protein kinase receptorer




blir protein kinase vid aktivering (fosforylerar sig själva och annat) 2delar som går ihop när t ex insulinet binder


Gprotein-kopplad receptor



GDP blir GTP, det aktiva g proteinet åker och aktiverar ett enzym. Blir då GDP igen och åker tillbaka till de andra två delarna av gproteinet som stannade kvar.


Cytoplasmisk receptor



Receptorerna är i cytoplasman och binder till signaler som diffunderar genom membranet.  när bundet-ändrar form. Ofta har receptorn ett chaperone, som hindrar ingånt i kärnan. när bundet-tappar chaperone och kan åka in i kärnan.

APC: s huvuduppgift är att utlösa övergången från metafas till Anafasa genom att tagga specifika proteiner för nedbrytning. De två proteiner som är viktigast att få ned i denna process som substrat för APC är securin och S och M cykliner . Securin släpper separase , ett proteas, efter att försämras vilket i sin tur utlöser nedbrytning av cohesin , det protein komplex som binder syster kromatider tillsammans. Under metafas , kromatider är syster sammanlänkade genom intakt cohesin komplex. När securin genomgår ubiquitination av APC och släpper separin, vilket bryter cohesin, systerkromatider blir fria att flytta till motsatta poler för Anafasa. APC mål också mitotiska cyklinerna för nedbrytning, vilket leder till inaktivering av M-CDK (mitotiska cyklin-beroende kinas ) komplex, främja utresa från mitos och cytokines . ^[ 1 ]

Till skillnad från SCF, aktivator subenheter kontroll APC. Cdc20 och Cdh1 är de två aktivatorer av särskild betydelse för cellcykeln. Dessa proteiner rikta APC till specifika uppsättningar av substrat vid olika tidpunkter i cellcykeln, vilket driver den framåt. APC spelar också en viktig roll i upprätthållandet av kromatin metabolism, särskilt i G1 och G0, och spelar en nyckelroll i fosforyleringen av H3 genom förstörelsen av aurora A kinas. ^[ 2 ]

APC substrat har erkännande aminosyra sekvenser som gör att APC att identifiera dem. Den vanligaste sekvensen kallas förstörelse box eller D-box. APC samlar en E2 ubiquitin-konjugera enzym och d-box snarare än som en mellanliggande kovalenta bärare. ^[ 3 ] d-boxen bör ha en version av följande aminosyra sekvens: RXXLXXXXN, där R är arginin , är X en aminosyra, L leucin , och N är aspargin . Ken-boxen är en annan motiv av betydelse. Dess sekvens ska likna den som följer: KENXXXN, där K är lysin och E är glutamat . Den sista aminosyran ställning i Ken-boxen är mycket varierande. APC har förmodligen många interaktion platser substrat, och medan de flesta av APC: s mål har minst en, om inte båda, av de ovan nämnda erkännande sekvenser, de är inte tillräckliga för att inleda APC ubiquitination ensam. Även om det har visats att mutationer i de sekvenser som hämmar inte förstörelsen av proteiner "in vivo", det finns fortfarande mycket att lära om hur proteiner är måltavlor för APC. ^[ 1 ]

[ redigera ]Metaphase till Anafasa Transition

Som metafas börjar den spindeln checkpoint hämmar APC tills alla syster-kinetochores är knutna till motsatta poler av mitotiska spindel , en process som kallas kromosom biorientation. När alla kinetochores sitter ordentligt fast, den spindeln checkpoint larmet tystnar och APC kan bli aktiva. M-Cdks fosforylera subenheter på APC som främjar bindning till Cdc20. Securin och M Cykliner (cyklin A och cyklin B) är sedan riktade av APC ^Cdc20 för nedbrytning. När försämrad, separin släpps, cohesin trafikstörningar och systerkromatider är beredda att flytta till sina respektive poler för Anafasa. ^[ 1 ]

Tidig respons:

direktrespons, när CDK och E2F redan finns- G1

Sen respons:

När cellen befinner sig i G0- CDK och E2F måste prodeuceras.

Om protein muteras?

om inte GDP kan bida--bli GTP kan inte cellen dela sig---apoptos

eller delar sig hela tiden, tumör--apoptos

Steroidreceptorer finns inne i cellen i cytoplasman och består av tre delar:

• Aktiveringsdomän (AD)
• DNA-bindande domän (DBD)
• Ligandbindande domän (LBD)

I oaktiverat tillstånd binder heat shock proteiner till LBD men när steroidhormoner diffunderar in i cellen och binder till LBD lossnar HSP. Då blottas en NLS (nukleär lokalisationssignal) och hela receptorn translokeras in i kärnan där DBD fäster till en specifik DNA-sekvens och receptorn fungerar nu som transkriptionsfaktor med hjälp av AD.

 Notchreceptorer har en avklyvbar del och aktiveras                                                        

alltså genom proteolys. När delta på en annan cell                                                           

binder till notch, klipps en del av notch av och går in

i kärnan där den fungerar som transkriptionsfaktor.                                   

                                                                                                                                           

Notch-aktivering leder till differentiering och är

en viktig mekanism när ett embryo utvecklas.

Beroende på om cellerna ligger perifert eller

centralt får de olika många notch-aktiveringar.

Positiv reglering av G₁ checkpoint:

Proteinet Rb (retinoblastom) sitter ihop med E2F som är en transkriptionsfaktor för bl a cyklin A & E, myc och S-fasgener. För att cellen ska passera G₁-checkpointen och gå in i S-fasen måste Rb proteinet fosforyleras av först cyklin D/cdk 4-6 (2 gånger) och slutligen av cyklin E/cdk 2 (1 gång). Då lossnar E2F och kan fungera som transkriptionsfaktor. Ras och myc ger uttryck för nytt cyklin E som då kan fortsätta fosforylera Rb.

Negativ reglering av G₁ checkpoint:

Om cellen vill stoppa cellcykeln t ex vid DNA-skada, kan det ske på olika sätt:

• DNA-skada ®  aktivering av p53 ® uttrycker p21 ® blockerar cyklin D/cdk 4-6 ®

® ingen fosforylering av Rb ® stopp i G₁ checkpoint!

Nu har cellen tid på sig att reparera skadan men om detta inte går ser p53 till att cellen går in i  apoptos.

• TGFb ® serinkinasreceptor ® SMAD ® uttrycker p27 ® blockerar cyklin D/cdk 4-6

® ingen fosforylering av Rb ® stopp i G₁ checkpoint!

I ca 50% av alla tumörer är p53 muterad och inaktiverad. Detta leder till att det inte finns en tillräckligt kraftig broms vid G₁ checkpoint och celldelningen blir okontrollerad.

3) Beskriv hur cellcykeln och den programmerade celldöden går till samt hur dessa processer styrs av de intracellulära signalsystemen

Alla celler delar sig inte lika mycket, det finns ett antal varianter:

• Ej delande celler – neuroner, muskelceller
• Långsamt delande celler – endokrina pankreasceller
• Inducerbara – många celler i kroppen t.ex. leverceller, fibroplaster och lymfocyter
• Kontinuerligt delande celler – embryonala celler, stamceller (t.ex. hud), cancerceller

Cellcykelns faser

• G₀      här befinner sig de celler som inte delar sig, permanent eller tillfälligt
• G₁      varar 3-15 h, cellen gör sig redo för DNA syntes
• S        7 h, DNAt replikeras
• G₂      3 h, förberedelser för mitosen
• M      1 h, celldelning (mitos) - en cell blir till två dotterceller

Checkpoints finns vid tre ställen i cellcykeln, i slutet av M-fasen, G₁-fasen och G₂-fasen. Här bestäms om cellcykeln ska fortsätta eller inte. Den viktigaste checkpointen är den i slutet av G₁ där det görs en bedömning om DNAt är felfritt inför replikationen, om det finns tillräckligt med nutrienter för det fortsatta förloppet, om cellen har rätt storlek m.m.

Mitosen i bilder…

Mitosen delas in i 4 steg:

1. Profas      Tidig: kondensation av DNA till kromosomer. Nukleolen försvinner.

Det bildas aster vilket är mikrotubuli som utgår från centriolerna.

Sen: kromosomerna vandrar ut mot kärnmembranet som försvinner.

2. Metafas   Aster, polära mikrotubuli, kinetokormikrotubuli och centrioler bildar spoltrådar.

Polära mikrotubuli lägger sig omlott och kromosomerna lägger sig i ett ekvatorialplan.

3. Anafas     Aster förkortas, polära mikrotubuli glider - cellen elongeras. Motorkinesin vandrar på kinetokormikrotubuli mot centriolen och drar med sig kromatiden.

Alla dessa processer är ATP-krävande.

4. Telofas     Kärnmembranet återbildas, kromosomerna dekondenseras och spolkroppen försvinner. Slutligen sker cytokinesi vilket innebär att en krontraktil ring av mikrofilament (aktin och myosin) bildas i mitten av cellen som snörper åt, varvid två dotterceller bildas. Golgis småvesiklar fördelar sig jämt mellan de två dottercellerna och sedan beroende på om cellen växte till det dubbla eller ej under G1 fasen kan Golgi antingen bli större eller redan vara tillräckligt stor.

Reglering av cellcykeln sker på många sätt men utgångsläget är att det finns gener som kodar för olika processer. Enkelt skulle man kunna säga att det finns gener som ökar tillväxt och gener som minskar tillväxt. Om generna som ökar tillväxt uttrycks okontrollerat blir det en cancer. Cancerkritiska gener är grupperade i två stora kategorier:

1)      Om cancerrisken beror på för mycket aktivitet hos genprodukten, alltså att en mutation leder till erövring av en ny funktion som driver en cell mot cancer, kallas det protoonkogener. Deras muterade, överaktiva form kallas onkogener.

2)      Om cancerrisken beror på för lite aktivitet hos en gen så att en mutation leder till förlust av en funktion som skulle hållit ner celldelningsnivån, kallas det tumörsupressorgener eller Antionkogener

Protoonkogener är viktiga reglerande gener som kodar för proteiner som deltar i signaltransduktionsvägar (t ex Src, Ras och STAT) och/eller som kontrollerar normal celltillväxt (t ex fos, jun och myc) genom att koda för proteiner som är transkriptionsfaktorer för S-fasgener osv.

Onkogener kan uppkomma pga mutationer eller virus som förändrar protoonkgener. Detta kan leda till cancer om mutationen göra att genen uttrycks okontrollerat.

Antionkogener eller tumörsupressorgener är antiproliferativa gener vars produkter hämmar tillväxt. En mutation som ger försämrat uttryck av dessa gener ger då en onormalt ökad tillväxt. Exempel på tumörsupressorgener är p53 och pTEN

En receptor kan t ex aktivera:

• Src ® myc
• STAT ® fos
• PLC ® PKC ® AP-1® jun
• Ras/MAPK ® Elk ® fos,jun

Cykliner och cykline-dependent kinases (Cdk) reglerar cellcykeln i olika skeden. Det finns olika cykliner som har olika associerade kinaser (Cdk). Reglering av cdk/cyklin-komplexet sker genom:

1.            Syntes

2.            Fosforylering

3.            Proteolys

4.            Inhibitorer

För att det cyklin-beroende kinaset (Cdk) ska vara aktivt måste det vara bundet till en cyklin (A-E). Mängden av de olika cyklinerna varierar under olika delar av cellcykeln.

G₁:                      cyklin D + Cdk 4-6

G₁/S:                   cyklin E + Cdk 2

G₁/S - G₂:           cyklin A + Cdk 1-2

G₂ - M:               cyklin B + Cdk 1

              G₁                        S                      G₂                        M

 

   D

 

           E

                               A

                                                    B

Komplexen har olika funktion: Cyklin C,D,E med motsvarande Cdk kontrollerar checkpoints under G₁ fasen. Cyklin B/Cdk 1 kontrollerar spolkroppsbildning, kromosomkondensation och borttagande av kärnmembranet under mitosen.

Tyrosinkinasreceptorer fosforylerar tyrosinrester direkt eller via ett annat protein som har kinasaktivitet (egen resp. associerad kinasaktivitet). Då en ligand binder dimeriseras receptorn och det sker korsvis fosforylering i en allosterisk kedja. Beroende på vilken ligand som binder kan olika sorters dimerer bildas:

• EGF (epidermal growth factor) – epiteltillväxt
• PDGF (platelet-derived growth factor) – bildning av bindväv vid sårläkning
• FGF (fibroblast growth factor) – tillväxtdifferentiering och kärlbildning
• VEGF (vascular growth factor) – kärlbildning, regleras av hypoxi
• NGF (neural growth factor) – differentiering av neuroner

De exogena substraten som binder till receptorn kan aktiveras genom fosforylering, konformationsförändring eller genom att de lokaliseras till ett substrat nära receptorn. De exogena substraten kan vara enzymer, adaptorproteiner eller dockningsproteiner och de hittar till receptorn genom att de har speciella domäner som känner igen fosforylerat tyrosin:

• PTB-domän – känner igen fosforylerat tyrosin och några am.s. uppströms,

dvs åt N-terminalen till. (vanligt hos dockningsproteiner)

• SH₂-domän – känner igen fosforylerat tyrosin och några am.s. nedströms,

dvs åt C-terminalen till. (vanligt hos adaptorproteiner och enzymer)

Vissa enzymer binder till adaptorproteiner via en annan domän:

• SH₃ – känner igen en serie av prolin och några am.s. uppströms, dvs åt N-terminalen till. Exempel på detta är då enzymet SOS binder till adaptorproteinet Grb2.

Steroidhormon reaction

1. Dimerisering då ligand binder
2. Transfosforylering av tyrosinrester
3. Bindning och aktivering av exogena substrat genom fosforylering