Точка ограничения - Restriction point

Этапы клеточного цикла. Точка ограничения находится между G1 и S-фазы интерфазы.

В точка ограничения (р), также известный как Начинать или грамм1/ S КПП, это контрольная точка клеточного цикла в грамм1 фаза животного клеточный цикл при котором клетка становится "преданной" клеточному циклу, а после этого внеклеточная сигналы больше не требуются для стимулирования распространения.[1] Определяющим биохимическим признаком точки ограничения является активация G1/Песок S-фаза комплексы циклин-ЦДК, которые в свою очередь фосфорилировать белки, которые инициируют Репликация ДНК, центросома дупликация и другие события раннего клеточного цикла.[2] Это одна из трех основных контрольных точек клеточного цикла, две другие - Пункт проверки повреждений ДНК G2-M и КПП шпинделя.

История

Первоначально Говард Мартин Темин показали, что куриные клетки достигают точки, в которой они совершают репликацию своей ДНК и не зависят от внеклеточных сигналов.[3] Примерно 20 лет спустя, в 1973 году, Артур Парди продемонстрировал, что существует единственная точка ограничения в грамм1. Ранее G1 был определен просто как время между митозом и Фаза S. Отсутствуют молекулярные или морфологические маркеры положения клетки в G1 были известны. Парди использовал метод двойного блока, в котором он переводил клетки из одного блока клеточного цикла (такого как вывод критических аминокислот или сыворотки) на другой и сравнивал эффективность каждого блока в предотвращении перехода в S-фазу. Он обнаружил, что оба блока во всех исследованных случаях были одинаково эффективны при блокировании прогрессирования фазы S, что указывает на то, что все они должны действовать в одной и той же точке в G.1, которую он назвал «точкой ограничения» или R-точкой.[4]

В 1985 году Зеттерберг и Ларссон обнаружили, что на всех стадиях клеточного цикла лишение сыворотки приводит к подавлению синтеза белка. Только в постмитотических клетках (т.е. клетках ранней стадии G1) заставлял ли вывод сыворотки клетки переходить в состояние покоя (грамм0 ). Фактически, Зеттерберг обнаружил, что практически всю вариабельность длины клеточного цикла можно объяснить временем, которое требуется клетке, чтобы перейти от точки ограничения к S-фазе.[5]

Внеклеточные сигналы

За исключением раннего эмбрионального развития, большинство клеток в многоклеточных организмах сохраняются в состоянии покоя, известном как G0, где не происходит пролиферации и клетки обычно окончательно дифференцируются; другие специализированные клетки продолжают делиться во взрослой жизни. Для обеих этих групп клеток было принято решение либо выйти из клеточного цикла, либо перейти в состояние покоя (G0) или повторно войти в G1.

Решение клетки войти или повторно войти в клеточный цикл принимается до S-фазы в G1 в так называемой точке ограничения и определяется комбинацией принимаемых и обрабатываемых стимулирующих и тормозных внеклеточных сигналов. Перед точкой R клетке требуются эти внеклеточные стимуляторы, чтобы начать прохождение первых трех подфаз G1 (компетенция, запись G1а, прогрессия G1b). После прохождения точки R в G1bОднако внеклеточные сигналы больше не требуются, и клетка необратимо обязана готовиться к Дупликация ДНК. Дальнейшее развитие регулируется внутриклеточными механизмами. Удаление стимуляторов до того, как клетка достигнет точки R, может привести к возвращению клетки в состояние покоя.[1][3] В этих условиях клетки фактически возвращаются в клеточный цикл, и для перехода в S-фазу потребуется дополнительное время (примерно на 8 часов больше, чем время вывода в культуре) после прохождения точки ограничения.[3]

Передача сигналов митогена

Факторы роста (например, PDGF, FGF и EGF ) регулируют вступление клеток в клеточный цикл и продвижение к точке ограничения. После прохождения этой похожей на переключатель «точки невозврата» завершение клеточного цикла больше не зависит от присутствия митогенов.[6][4][7] Устойчивая передача сигналов митогена способствует вхождению в клеточный цикл в основном за счет регуляции циклинов G1 (циклин D1-3) и их сборки с Cdk4 / 6, которая может опосредоваться параллельно через пути MAPK и PI3K.

Сигнальный каскад MAPK

Связывание внеклеточных факторов роста с их рецепторные тирозинкиназы (RTK) запускает конформационные изменения и способствует димеризации и аутофосфорилированию остатков тирозина на цитоплазматическом хвосте RTK. Эти фосфорилированные остатки тирозина облегчают стыковку белков, содержащих SH2-домен (например, Grb2 ), которые впоследствии могут привлекать другие сигнальные белки к плазматической мембране и запускать каскады сигнальных киназ. Связанный с RTK Grb2 Sos, который является фактором обмена гуаниновых нуклеотидов, который превращает мембраносвязанные Рас в активную форму (Ras-GDP Рас-ГТП).[8] Активный Ras активирует каскад киназ MAP, связывая и активируя Raf, который фосфорилирует и активирует MEK, который фосфорилирует и активирует ERK (также известный как MAPK, смотрите также Путь MAPK / ERK ).

Затем активная ERK перемещается в ядро, где активирует несколько мишеней, таких как фактор сывороточного ответа (SRF) фактора транскрипции, что приводит к экспрессии ближайших ранних генов, в частности факторов транскрипции Fos и Мой с.[8][9] Димеры Fos / Jun составляют комплекс факторов транскрипции АП-1 и активируют гены отсроченного ответа, включая основные G1 циклин циклин D1.[8] Myc также регулирует экспрессию широкого ряда пролиферативных и способствующих росту генов, включая некоторую индукцию циклина D2 и Cdk4.[5] Кроме того, устойчивая активность ERK, по-видимому, важна для фосфорилирования и ядерной локализации CDK2,[8] дальнейшая поддержка продвижения через точку ограничения.

Сигнализация пути PI3K

p85, еще один белок, содержащий SH2-домен, связывает активированные RTK и рекрутирует PI3K (фосфоинозитид-3-киназа), фосфорилирующий фосфолипид PIP2 до PIP3, что приводит к привлечению Акт (через свой PH-домен). В дополнение к другим функциям, способствующим росту и выживанию, Akt ингибирует киназу-3β гликогенсинтазы (GSK3β ), тем самым предотвращая GSK3β-опосредованное фосфорилирование и последующую деградацию циклина D1[10] (см. рисунок[11]). Akt дополнительно регулирует компоненты G1 / S посредством mTOR-опосредованной стимуляции трансляции циклина D1,[12] фосфорилирование ингибиторов Cdk стр. 27kip1 (предотвращение его ядерного импорта) и стр.21Cip1 (снижение стабильности) и инактивация фосфорилирования фактора транскрипции FOXO4 (который регулирует экспрессию p27).[13] Вместе эта стабилизация циклина D1 и дестабилизация ингибиторов Cdk способствует активности G1 и G1 / S-Cdk.

Передача сигналов Akt способствует активности циклина / Cdk

Передача сигналов антимитогеном

Антимитогены, такие как цитокин TGF-β препятствует прохождению через точку ограничения, вызывая остановку G1. Передача сигналов TGF-β активирует Smads, которые образуют комплекс с E2F4 / 5 для подавления экспрессии Myc, а также связывания с Miz1 для активации экспрессии ингибитора Cdk p15INK4b блокировать образование и активность комплекса циклин D-Cdk.[8][14] Клетки, задержанные TGF-β, также накапливают p21 и p27.[14]

Механизм

Обзор

Как описано выше, сигналы от внеклеточных факторов роста являются преобразованный в типичной манере. Фактор роста связывается с рецепторами на поверхности клетки, и различные каскады фосфорилирования приводят к образованию Ca2+ поглощение и фосфорилирование белков. Уровни фосфопротеинов уравновешиваются фосфатазами. В конечном итоге происходит активация транскрипции определенных генов-мишеней. Необходимо поддерживать внеклеточную передачу сигналов, и клетка также должна иметь доступ к достаточному количеству питательных веществ для поддержки быстрого синтеза белка. Накопление циклин D's необходимы.[15]

Циклин D-связанный cdks 4 и 6 активируются cdk-активирующая киназа и направьте ячейку к точке ограничения. Циклин D, однако, имеет высокую скорость оборота (т1/2<25 мин). Именно из-за этой быстрой скорости обновления клетка чрезвычайно чувствительна к уровням митогенной передачи сигналов, которые не только стимулируют выработку циклина D, но также помогают стабилизировать циклин D внутри клетки.[15][16] Таким образом, циклин D действует как датчик митогенного сигнала.[16] Ингибиторы Cdk (CKI), например Чернила4 белки и стр.21, помогают предотвратить неправильную активность cyclin-cdk.

Активные комплексы циклин D-cdk фосфорилируют белок ретинобластомы (pRb) в ядре. Нефосфорилированный Rb действует как ингибитор G1 предотвращая E2F -опосредованная транскрипция. После фосфорилирования E2F активирует транскрипцию циклинов E и A.[15][16][17] Активный циклин E-cdk начинает накапливаться и завершает фосфорилирование pRb, как показано на рисунке.[18]

Ингибиторы Cdk и регуляция активности комплекса Cyclin D / Cdk

p27 и p21 являются стехиометрическими ингибиторами комплексов G1 / S- и S-циклин-Cdk. Хотя уровни p21 увеличиваются во время входа в клеточный цикл, p27 обычно инактивируется по мере того, как клетки прогрессируют до позднего G1.[8] Высокая плотность клеток, голодание по митогену и TGF-β приводят к накоплению p27 и остановке клеточного цикла.[14] Точно так же повреждение ДНК и другие стрессоры увеличивают уровни p21, в то время как митоген-стимулированная активность ERK2 и Akt приводит к инактивации фосфорилирования p21.[19]  

Ранние исследования сверхэкспрессии p27 показали, что он может связываться с комплексами циклин D-Cdk4 / 6 и комплексами циклин E / A-Cdk2 и ингибировать их. in vitro и выберите типы ячеек.[14] Однако кинетические исследования LaBaer et al. (1997) обнаружили, что титрование p21 и p27 способствует сборке комплекса cyclin d-Cdk, увеличивая общую активность и ядерную локализацию комплекса.[20] Последующие исследования показали, что p27 может быть необходим для образования комплекса циклин D-Cdk, так как p27-/-, стр.21-/- MEF показали снижение комплексообразования циклин D-Cdk4, которое может быть устранено повторной экспрессией p27.[21]

Работа Джеймса и др. (2008) также предполагает, что фосфорилирование остатков тирозина на p27 может переключать p27 между ингибирующим и не ингибирующим состоянием, когда он связан с циклином D-Cdk4 / 6, предлагая модель того, как p27 способен регулировать как сборку комплекса циклин-Cdk, так и Мероприятия.[22] Ассоциация p27 с циклином D-Cdk4 / 6 может дополнительно способствовать прогрессированию клеточного цикла за счет ограничения пула p27, доступного для инактивации комплексов циклин E-Cdk2.[8][23] Повышение активности циклина E-Cdk2 в позднем G1 (и циклина A-Cdk2 в начале S) приводит к фосфорилированию p21 / p27, что способствует их ядерному экспорту, убиквитинирование, и деградация.

Динамика

Статья, опубликованная группами Линчонг Ю и Джо Невинса на Университет Дьюка в 2008 г. продемонстрировал, что бистабильный истерик E2F переключатель лежит в основе точки ограничения. E2F способствует собственной активации, а также способствует ингибированию собственного ингибитора (pRb ), образуя две петли обратной связи (среди прочего), которые важны для создания бистабильных систем. Авторы исследования использовали дестабилизированный GFP -система под управлением E2F промоутер как зачитать из E2F Мероприятия. Клетки, лишенные сыворотки, стимулировали различными концентрациями в сыворотке, и считывание GFP регистрировали на уровне отдельных клеток. Они обнаружили, что GFP репортер был либо включен, либо выключен, что означает E2F был либо полностью активирован, либо деактивирован на всех проанализированных уровнях сыворотки. Дальнейшие эксперименты, в которых они проанализировали зависимость системы E2F от истории, подтвердили, что она работает как гистерезисный бистабильный переключатель.[24]

При раке

Рак можно рассматривать как нарушение нормальной функции точки ограничения, так как клетки постоянно и ненадлежащим образом повторно входят в клеточный цикл, и не входят в G0.[1] Мутации на многих этапах пути к точке ограничения могут привести к злокачественному росту клеток. Некоторые из генов, наиболее часто мутирующих при раке, включают Cdks и CKI; сверхактивные Cdks или неактивные CKI снижают строгость точки ограничения, позволяя большему количеству клеток обходить старение.[17]

Точка ограничения является важным фактором при разработке новых лекарственных препаратов. В нормальных физиологических условиях вся пролиферация клеток регулируется точкой ограничения. Это можно использовать как способ защиты незлокачественных клеток от химиотерапия лечения. Химиотерапевтические препараты обычно атакуют быстро размножающиеся клетки. Используя препараты, препятствующие достижению точки ограничения, например: ингибиторы рецепторов фактора роста, нормальные клетки предотвращаются от пролиферации и, таким образом, защищены от химиотерапевтического лечения.[16]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ а б c Парди AB (ноябрь 1989 г.). «События G1 и регуляция пролиферации клеток». Наука. 246 (4930): 603–8. Bibcode:1989Научный ... 246..603P. Дои:10.1126 / science.2683075. PMID  2683075.
  2. ^ Морган, Дэвид Оуэн, 1958- (2007). Клеточный цикл: принципы контроля. Лондон: New Science Press. ISBN  978-0-19-920610-0. OCLC  70173205.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  3. ^ а б c Зеттерберг А., Ларссон О., Виман К.Г. (декабрь 1995 г.). «Что такое точка ограничения?». Текущее мнение в области клеточной биологии. 7 (6): 835–42. Дои:10.1016/0955-0674(95)80067-0. PMID  8608014.
  4. ^ а б Pardee AB (апрель 1974 г.). «Точка ограничения для контроля нормальной пролиферации клеток животных». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 71 (4): 1286–90. Bibcode:1974ПНАС ... 71.1286П. Дои:10.1073 / пнас.71.4.1286. JSTOR  63311. ЧВК  388211. PMID  4524638.
  5. ^ а б Зеттерберг А., Ларссон О. (август 1985 г.). «Кинетический анализ регуляторных событий в G1, приводящих к пролиферации или покою швейцарских клеток 3T3». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 82 (16): 5365–9. Bibcode:1985PNAS ... 82.5365Z. Дои:10.1073 / pnas.82.16.5365. JSTOR  25651. ЧВК  390569. PMID  3860868.
  6. ^ Благосклонный М.В., Парди А.Б. (2002). «Точка ограничения клеточного цикла». Клеточный цикл. 1 (2): 103–10. Дои:10.4161 / cc.1.2.108. PMID  12429916.
  7. ^ Pardee AB (апрель 1974 г.). «Точка ограничения для контроля нормальной пролиферации клеток животных». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 71 (4): 1286–90. Bibcode:1974ПНАС ... 71.1286П. Дои:10.1073 / пнас.71.4.1286. ЧВК  388211. PMID  4524638.
  8. ^ а б c d е ж г Морган Д.О. (2007). Клеточный цикл: принципы контроля. New Science Press. С. 208–213.
  9. ^ Адхикари С., Эйлерс М. (август 2005 г.). «Регуляция транскрипции и трансформация белков Myc». Обзоры природы. Молекулярная клеточная биология. 6 (8): 635–45. Дои:10.1038 / nrm1703. PMID  16064138.
  10. ^ Диль Дж. А., Ченг М., Руссель М. Ф., Шер С. Дж. (Ноябрь 1998 г.). «Гликоген-синтаза киназа-3beta регулирует протеолиз циклина D1 и субклеточную локализацию». Гены и развитие. 12 (22): 3499–511. Дои:10.1101 / gad.12.22.3499. ЧВК  317244. PMID  9832503.
  11. ^ ВанАрсдейл Т., Бошофф К., Арндт К.Т., Абрахам Р.Т. (июль 2015 г.). «Молекулярные пути: нацеливание на ось циклина D-CDK4 / 6 для лечения рака». Клинические исследования рака. 21 (13): 2905–10. Дои:10.1158 / 1078-0432.CCR-14-0816. PMID  25941111.
  12. ^ Хай Н., Зоненберг Н. (август 2004 г.). «До и после mTOR». Гены и развитие. 18 (16): 1926–45. Дои:10.1101 / gad.1212704. PMID  15314020.
  13. ^ Лу Зи, Хантер Т. (июнь 2010 г.). «Убиквитилирование и протеасомная деградация ингибиторов CDK p21 (Cip1), p27 (Kip1) и p57 (Kip2)». Клеточный цикл. 9 (12): 2342–52. Дои:10.4161 / cc.9.12.11988. ЧВК  3319752. PMID  20519948.
  14. ^ а б c d Ши Y, Massagué J (июнь 2003 г.). «Механизмы передачи сигналов TGF-бета от клеточной мембраны к ядру». Ячейка. 113 (6): 685–700. Дои:10.1016 / S0092-8674 (03) 00432-X. PMID  12809600.
  15. ^ а б c Шерр CJ, Робертс JM (май 1995 г.). «Ингибиторы G1-циклин-зависимых киназ млекопитающих». Гены и развитие. 9 (10): 1149–63. Дои:10.1101 / gad.9.10.1149. PMID  7758941.
  16. ^ а б c d Благосклонный М.В., Парди А.Б. (2001). «Точка ограничения клеточного цикла». В Благосклонном М.В. (ред.). Контрольные точки клеточного цикла и рак. Остин: Landes Bioscience. С. 52– ?. ISBN  978-1-58706-067-0.
  17. ^ а б Malumbres M, Barbacid M (декабрь 2001 г.). «Цикл или не цикл: критическое решение при раке». Обзоры природы. Рак. 1 (3): 222–31. Дои:10.1038/35106065. PMID  11902577.
  18. ^ Holsberger DR, Cooke PS (октябрь 2005 г.). «Понимание роли гормона щитовидной железы в развитии клеток Сертоли: механистическая гипотеза». Исследования клеток и тканей. 322 (1): 133–40. Дои:10.1007 / s00441-005-1082-z. PMID  15856309.
  19. ^ Шерр CJ, Робертс JM (июнь 1999 г.). «Ингибиторы CDK: положительные и отрицательные регуляторы прогрессирования G1-фазы». Гены и развитие. 13 (12): 1501–12. Дои:10.1101 / gad.13.12.1501. PMID  10385618.
  20. ^ ЛаБер Дж., Гарретт, доктор медицины, Стивенсон Л.Ф., Слингерленд Дж. М., Сандху С., Чжоу Х.С., Фаттей А., Харлоу Е. «Новые функциональные активности для семейства ингибиторов CDK p21». Гены и развитие. 11 (7): 847–62. Дои:10.1101 / gad.11.7.847. PMID  9106657.
  21. ^ Ченг М., Оливье П., Диль Дж. А., Феро М., Руссель М. Ф., Робертс Дж. М., Шерр С. Дж. (Март 1999 г.). «Ингибиторы CDK p21 (Cip1) и p27 (Kip1) являются важными активаторами циклин D-зависимых киназ в мышиных фибробластах». Журнал EMBO. 18 (6): 1571–83. Дои:10.1093 / emboj / 18.6.1571. ЧВК  1171245. PMID  10075928.
  22. ^ Джеймс МК, Луч А., Лезнова Д., Блейн С.В. (январь 2008 г.). «Дифференциальная модификация p27Kip1 регулирует его ингибирующую активность в отношении циклина D-cdk4». Молекулярная и клеточная биология. 28 (1): 498–510. Дои:10.1128 / MCB.02171-06. ЧВК  2223302. PMID  17908796.
  23. ^ Гоэль С., ДеКристо М.Дж., Макаллистер С.С., Чжао Дж.Дж. (ноябрь 2018 г.). "Ингибирование CDK4 / 6 при раке: за пределами остановки клеточного цикла". Тенденции в клеточной биологии. 28 (11): 911–925. Дои:10.1016 / j.tcb.2018.07.002. ЧВК  6689321. PMID  30061045.
  24. ^ Яо Дж., Ли Т. Дж., Мори С., Невинс Дж. Р., Ю Л. (апрель 2008 г.). «Бистабильный переключатель Rb-E2F лежит в основе точки ограничения». Природа клеточной биологии. 10 (4): 476–82. Дои:10.1038 / ncb1711. PMID  18364697.