Buněčného cyklu je množina stupňů, které tvoří a ohraničují život buňky . Tento cyklus se skládá z několika fází růstu, ve kterých buňka roste a duplikuje svůj genetický materiál (mezifáze), a z fáze, kdy se dělí (mitóza) za vzniku dvou identických dceřiných buněk (v případě mitózy). Dceřiné buňky budou reprodukovat tento cyklus atd.
Trvání různých fází buněčného cyklu lze měřit in vitro v optimálním stavu:
S, v závislosti na druhu a typu buněk:
Genom z eukaryot obsahuje počet N typů chromozomů . Tento počet se u jednotlivých druhů liší .
Každá diploidní buňka obsahuje dva homologní chromozomy (se stejnými funkcemi) podle typu - jeden od otce a druhý od matky - celkem 2krát N, zkráceně „2N“, chromozomy.
Každá haploidní buňka obsahuje pouze jeden chromozom na typ - směs genů od otce a matky získaných procesem křížení , viz níže - celkem 1krát N, zkráceně „1N“ chromozomy.
Chromozomy produkované replikačním procesem se nazývají „ chromatidy “ nebo „sesterské chromatidy“ a nevrací se ke svému názvu „chromozomu“ po jejich rozdělení na mitózu / anafázi nebo meiózu / anafázu2. Jiné zdroje používají výraz „chromatid“ pouze tehdy, když jsou centromery chromozomů ve vzájemném kontaktu.
Počet chromatidů na typ chromozomu v buňce je označen číslem následovaným písmenem C. Například „4C“ pro 4 chromatidy na typ chromozomu.
Nějaké příklady :
Poznámka: Z důvodu přehlednosti jsou následující ilustrace a texty psány, jako by existoval pouze jeden typ chromozomu. Je třeba si samozřejmě pamatovat, že platí pro všechny N typy chromozomů.
Mezifáze je, když buňka žije a dělá vše, co je naprogramován (~ 90% buněčného cyklu). Připravuje se také na rozdělení. Fáze dělení jsou podrobně popsány níže:
Mitóza je, když se buňka dělí. Mitóza (buněčné dělení s množením buněk nebo bez nich) se používá především k růstu a regeneraci - replikací chromozomů a dělení buněk - buněčné tkáně každého orgánu těla. Tento růst jde ruku v ruce s buněčnou diferenciací .
Během mitotického dělení vzniká z mateřské buňky dvě geneticky identické dceřiné buňky. Jedna z dceřiných buněk zůstává ve fázi diferenciace od mateřské buňky, zatímco druhá během tohoto procesu získává svou funkční vlastnost. Tkáň je tedy tvořena dvěma druhy buněk: těmi, které zajišťují linii a těmi, které zajišťují funkci. Například kmenové buňky jsou produktem linií bez diferenciace, zatímco funkční buňky jsou naprogramovány tak, aby odumíraly. Toto jsou poslední práce na buňce, které potvrdily teorii doktora André Gerneze z let 1971-72. Fáze dělení jsou podrobně popsány níže:
Pozn .: Ve skutečnosti existuje přechodná fáze „prometafáze“, během níž je pozorováno prasknutí jaderného obalu, stejně jako průnik kinetochorických a polárních mikrotubulů do „jaderné zóny“ (je snadnější tuto fázi neuvažovat) .
Účel meiózy je dvojí: na jedné straně smíchání otcovského a mateřského genomu , čímž je zajištěna maximální genetická variabilita, a na druhé straně produkce haploidních buněk na chromatid pro sexuální reprodukci.
Během oplodnění buňka 1N-1C splyne s gametou jiného organismu a vytvoří 2N-2C zygotu.
Někdy mluvíme o „postmitotických“ buňkách, abychom označili klidové nebo senescentní buňky. Neproliferativní buňky v mnohobuněčných eukaryotech obecně vstupují do klidového stavu G0 ze stavu G1 a mohou zůstat v klidu po velmi dlouhou dobu, nebo dokonce na neurčito (což se v neuronech stává často). To je velmi často případ plně diferencovaných buněk. K stárnutí buněk dochází v důsledku degradace nebo poškození DNA, poškození, které by jinak vedlo k neživotaschopnosti buněčných potomků (karcinogeneze atd.). Existují některé buňky, které vstupují do fáze G0 na polotrvalé období, včetně některých buněk z jater, ledvin a žaludku. Mnoho buněk však nikdy nevstoupí do fáze G0 a místo toho pokračuje v dělení po celý život organismu (např. Epitelové buňky).
Titulek:
Mechanismy regulace buněčného cyklu jsou v zásadě založeny na dvou komplementárních proteinových strukturách nazývaných Cdk ( cyklin-dependentní kináza ) a cyklin . Cdk je základní komponenta, ale jak název napovídá, k aktivaci svých funkcí potřebuje cyklin. Cdks a cykliny kombinují a tvoří heterodimerní komplexy.
Existuje několik druhů Cdk a cyklinů. První jsou označeny čísly a druhá písmeny. U komplexu je třeba uvést například: Cdk4- CyclineD. Cdk může tvořit komplexy s několika různými cykliny a naopak. Jeden nebo více komplexů Cdk-cyklin odpovídá každé fázi buněčného cyklu.
Cdk se skládá ze dvou laloků: laloku N, který je v podstatě tvořen beta plechy, a laloku C, který je v podstatě tvořen alfa šroubovicemi. Na křižovatce dvou laloků se nachází katalytické místo, kde dochází k fosforylaci , která aktivuje proteiny, které hrají roli v buněčném cyklu (fragmentace jaderného obalu, zhutnění chromozomů, replikace DNA atd.). K tomu potřebuje Cdk cykliny a různé regulační proteiny. Místo obsahuje dvě vedle sebe umístěné kapsy: jednu pro příjem substrátu (protein, který má být fosforylován), druhou pro příjem ATP . V zásadě dochází k fosforylaci přenosem fosfátu-y z ATP na substrát. Výsledný ADP a fosforylovaný substrát se potom uvolní.
V neaktivním stavu je vstup do katalytického místa blokován dvěma proteinovými smyčkami: doménou PSTAIRE (pojmenovanou podle iniciál složek aminokyselin) a T smyčkou ( T-smyčka ).
Během asociace s cyklinem prochází smyčka PSTAIRE rotací, která formuje kapsu ATP, aby se získala adekvátní orientace trifosfátu během fosforylace substrátu.
Zároveň je přemístěna T-smyčka, která vystavuje určité CDK aminokyseliny ( threonin 161, threonin 14 a tyrosin 15) regulačním kinázám.
Tyto cykliny jsou primární aktivátory Cdk-cyklin komplex. Kromě toho jsou regulovány řadou aktivačních a inhibičních kináz a fosfatáz, jakož i inhibičními molekulami nazývanými CKI (inhibitor kinázy závislé na cyklinu).
Aktivátor kinázyBěhem přechodu probíhá transkripce základních genů pro G1 a vstup do dělení. Tato transkripce je stimulována dvěma signálními cestami:
Geny pro cykliny D a E, jakož i proteiny p21 a p27 jsou transkribovány, včetně cyklinu E pod kontrolou E2F.
Tato pasáž je pod kontrolou R bodu, sama pod kontrolou několika proteinů: Rb , E2F , cdk2 , cdk4 . Ve fázi G1 se nefosforylovaný Rb váže na E2F a inhibuje jej.
Během pasáže cycD / cdk4 a cycE / cdk2 hyperfosforylát Rb (4 fosforylační místa), který uvolňuje E2F . Volný E2F tvoří heterodimer s proteinem DP. Společně hrají roli transkripčního faktoru a indukují cílové geny, což umožňuje postup do fáze S, během níž probíhá syntéza DNA .
Tento průchod je regulován komplexem Cdk1-CyclineB.
Na začátku se cyklin B váže na Cdk1, což způsobí „otevření“ ramene umožňující přístup k místu ATPasic Cdk1. Komplex cyklinu B-Cdk1 bude fosforylován enzymem Wee1 na threonin 14 a tyrosin 15 Cdk1, což zabrání přístupu ATP k místu ATPázy.
Poté enzym CAK fosforyluje komplex na threoninu 161 Cdk1, což umožňuje „otevření“ ramene umožňující přístup substrátu k místu substrátu Cdk1. Jelikož je přístup na stránku ATP blokován, Cdk zůstává neaktivní, takže ještě nemůže fosforylovat substrát. V tomto okamžiku je komplex fosforylován třikrát. Toto tvoří pre-MPF.
Aby se tento aktivoval, a proto vyvolal přechod do mitózy , musí být defosforylován na zbytky 14 a 15 pomocí Cdc25: to způsobí „otevření“ paže umožňující přístup k místu ATPázy. Ve skutečnosti fosforylovaný komplex pouze na zbytku 161 Cdk1 tvoří aktivní MPF.
ATP v místě ATPázy se vzdává své fosfátové skupiny substrátu, který je tak fosforylován. V závislosti na povaze substrátu bude tato fosforylace tento substrát inhibovat nebo aktivovat.
Existuje tedy skutečná konkurence mezi Wee1, což je kináza, a která proto bude mít tendenci fosforylovat na zbytcích 14 a 15, a tím inaktivovat MPF, a Cdc25, což je fosfatáza, a která bude mít proto tendenci defosforylovat zbytky. a tím aktivovat pre-MPF v aktivním MPF. Existuje vstup do fáze mitózy.
Wee1 je aktivní, když není fosforylován, zatímco Cdc25 je aktivní pouze tehdy, když je fosforylován. Dochází tedy k zásahu jiných proteinových kináz a fosfatáz .
Princip: tritiovaný radioaktivní thymidin (H3), jde do jádra a je začleněn pouze do buněk, jejichž DNA obsahuje nukleotidy, tj. Buňky ve fázi S. Zájmem thymidinu je, že se začleňuje do DNA, ale ne do RNA . Po opláchnutí kultivačního média a následné inkubaci lze měřit podíl buněk obsahujících radioaktivní thymidin.
Princip: buňky se inkubují s fluorescenčním barvivem DNA. Množství fluorescence je úměrné intenzitě fluorescence. Používá se fluorimetr . Lze tedy vypočítat dobu trvání fáze G1. Trvání každé fáze se získá kombinací těchto tří technik.
Regulace buněčného cyklu musí být velmi jemná. Například rakoviny jsou charakterizovány anarchickou proliferací v důsledku narušení řídicího systému buněčného cyklu. Viz onkogeny , což jsou často geny kódující proteiny odpovědné za kontrolu buněčného cyklu.
Poznámka: Během buněčného cyklu existují kontrolní body, které umožňují buňce ověřit, že nedošlo k žádné modifikaci na genetické úrovni (nesprávná replikace DNA) a strukturální (chybně vytvořená mitotická vřetena). Tyto systémy jsou velmi důležité pro integritu našeho genetického dědictví. Tyto kontrolní body mohou zabránit postupu cyklu, pokud nejsou splněny podmínky, a tím zavázat buňku k apoptóze (programovaná smrt buňky). Tyto kontrolní body lze změnit a zabránit jakékoli regulaci buněčného cyklu. Ve skutečnosti existuje reakce, která je okamžitá, a další, která je zpožděná. Ve všech případech jsou aktivovány obě odpovědi. Takzvaná rychlá odezva pracuje s fosforylacemi, zatímco takzvaná zpožděná odezva zahrnuje transkripční faktor.