Úvod do fází G1 a G2

V tomto příspěvku probereme, co se stane ve fázích G1 a G2 buněčného cyklu. Buněčné dělení znamená vytvoření více buněk duplikováním obsahu jedné buňky a poté rozdělením této buňky na dvě stejné a identické buňky. Tyto buňky jsou identické s nadřazenou buňkou. Takto rosteme a nahrazujeme poškozené buňky.

Klíčem k úspěšnému dělení buněk je zachování výsledných buněk identických. Je to proto, že zachování integrity buňky a DNA obsažené uvnitř je zásadní pro přežití druhů. Mnoho organismů zahyne v důsledku smrtelných mutací způsobených narušenou integritou DNA.

Klíč k důležitosti integrity DNA spočívá v počtu zavedených buněk kontroly kvality, aby bylo zajištěno, že mohou úspěšně proliferovat, když by měly nebo když by neměli. Buňky procházejí buněčným cyklem a souvisejícími kontrolami, aby bylo zajištěno, že každá vytvořená buňka je v dokonalém stavu. Buněčný cyklus má dvě hlavní fáze, mitotickou fázi a mezifázi.

Mezifáze je nejdelší fází buněčného cyklu. Růst buněk je ústředním bodem buněčného cyklu a to je primární účel mezifáze. Na konci této fáze je dvojnásobné množství DNA, centrioly se replikovaly a buňka je dostatečně velká na dělení buněk. Mezifáze je rozdělena na první růstovou (G1), syntézovou (S) a druhou růstovou (G2) fázi (obrázek 1). Fáze růstu jsou, jak jste asi tušili, pro růst buňky, během fáze syntézy dochází k replikaci DNA při přípravě na druhou fázi růstu.

Zde se podíváme na G fáze (první a druhý růst) mezifáze. Podíváme se na to, co se děje v těchto fázích, co následuje a proč jsou tak důležité pro naše chápání biologie.

Co se stane v G1 buněčného cyklu?

V některých případech jako je hladovění nebo když generovaná tkáň dosáhla své cílové velikosti, buňky opustí buněčný cyklus a zůstanou ve stagnaci zvané G0 (obrázek 1). Většina z těchto buněk je schopna znovu vstoupit do buněčného cyklu v G1, pokud by někdy vznikla potřeba. Nervové buňky se normálně neregenerují; zůstávají ve stagnaci.

V G1 dosahují buňky většinu svého růstu; zvětšují se a vytvářejí proteiny a organely potřebné pro normální funkce syntézy DNA. Zde se syntetizují proteiny a RNA a zejména se vyrábí centroméra a další složky centrosomů. Buňky jsou plně funkční; kromě toho, že jsou na dělicí misi, mohou také vykonávat své běžné funkce. U obratlovců a diploidních kvasinek je v této fázi počet chromozomů 2 n, zatímco u haploidních kvasinek je počet chromozomů 1 n.

Stručně řečeno, první růstovou fází je doba, kdy těsně po narození (v mitóze) buňka se připravuje na syntézu DNA (ve fázi S).

Co se stane v G2 buněčného cyklu?

Podívali jsme se na to, co se stane v první růstové fázi a co se stane ve fázi S je v článku „Co se stane ve fázi S“; podrobnosti replikace DNA jsou uvedeny v části „Co je DNA“. Nyní pojďme rychle projít druhou růstovou fází, G2.

Druhá růstová fáze následuje po fázi S (syntéza). Za fází S buňka prochází bodem kontroly kvality, kde (jako v každém přechodovém bodě cyklu) je kontrolována integrita DNA. Poté buňka vstupuje do druhé růstové fáze, kde jaderný obal obklopuje jádro. V této fázi se vytvořily dva centrosomy (s laskavým svolením první růstové fáze); v živočišných buňkách mají tyto centrosomy dva centrioly.

Je důležité si uvědomit, že DNA replikovaná ve fázi S ještě nekondenzuje na chromozomy. Organely nezbytné pro buněčné dělení (ve fázi M) jsou také syntetizovány ve fázi S. Mikrotubuly, které budou použity k mobilizaci chromozomů ve fázi M, jsou sestaveny na G2.

Nyní lze všech úkolů provedených během G2 řádně dosáhnout pouze tehdy, pokud události před G2 proběhly podle plánu. Zastávky v boxech nazývané kontrolní body jsou přítomny pouze za účelem zajištění, že buňka úspěšně dokončila všechny úkoly, které má po každé fázi dosáhnout.Buněčný cyklus se skládá ze tří kontrolních bodů, jmenovitě M / G1 (Exit M), G1 / S (Enter S) a G2 / M (Enter M).

Checkpoints

Ukončete M a zadejte kontrolní body S

Než buňka vstoupí do fáze G1 mezifáze, projde kontrolním bodem Ukončit M. Zde je buňka zkontrolována, aby bylo zajištěno, že dokončila fázi mitózy a je připravena na první fázi růstu. Konkrétně jsou buňky kontrolovány, aby se zjistilo, zda dokončily buněčné dělení a zda se chromozomy správně zarovnaly, a aby se zajistilo, že jsou připojeny k vřetenům.

Předtím, než se buňka zaváže do fáze S, projde kontrolní bod G1 / S, nazývaný také Enter S, kde se kontroluje nutriční stav buňky a integrita DNA. Toto je obzvláště důležitý krok pro buňku, která má vstoupit do fáze S. V kvasinkách se velikost buňky používá jako proxy k určení, zda je připravena projít do další fáze.

Kdy a jak buňky procházejí buněčným cyklem, je přísně kontrolováno množstvím regulačních proteinů . Tyto proteiny spadají do dvou skupin nazývaných cykliny a cyklin-dependentní kinázy (Cdks). Aktivita Cdks kolísá spolu s cykliny. Cykliny jsou proteiny, které regulují načasování buněčného cyklu. Jejich hladiny kolísají v buněčném cyklu, odtud pochází i jejich název.

Pozdní mitóza je Cdc14 (fosfatáza) rukojmím v nukleoliích; to brání aktivaci faktoru specificity APC (Cdh1), který je nezbytný k polyubikvitinaci následných cyklinů. Tím se zabrání nezbytnému snížení aktivity faktoru podporujícího zrání (komplex cyklin / CDK), který zastaví postup do telofázy.

Telofáza je dostatečně dlouhá, aby se ověřilo, že se chromozomy správně segregovaly. Jakmile je toto potvrzeno, Cdc14 je uvolněn. Přidružená následná kaskáda vede ke sníženým hladinám MPF, což vede k progresi buňky kolem telofázy, opuštění fáze mitózy a přechod do G1. Vše, co se děje v telofáze a výsledná cytokineze, označujeme jako východ z mitózy.

Po fázi mitózy vstoupí buňka do fáze G1. Po vstupu se předreplikační komplexy DNA umisťují na počátky přípravy na replikaci DNA v S fázi. G1 cyklin-CDK (cyklin D / CDK2) deaktivuje Cdh1, čímž aktivuje expresi složek cyklinu-CDK v S fázi (např. Cyklin E / CDK2). Inhibitor komplexu cyklinu s CDK fáze S je fosforylován, což znamená jeho degradaci 5 SCF / proteazom. Tato akce ponechává komplexu cyklin-CDK volnost pro zahájení nebo přesun buňky do další fáze cyklu, fáze S. Tato signální kaskáda je sama o sobě poměrně konzervativní napříč skupinami, ale konkrétní cykliny a jejich CDK se mohou lišit.

Kontrolní bod G1 se zdá být určujícím faktorem pro osud buňky v buněčném cyklu. Pokud buňka dostane zelené světlo na kontrolním bodě G1, obvykle provede kola (dokončení cyklu a rozdělení). Jinak cyklus úplně opustí a vstoupí do fáze G0.

Zadejte M a regulaci fáze G2

Kontrolní bod Enter M ovlivňuje výstup z fáze G2. Při každém přechodu buněčného cyklu se buňky průběžně kontrolují na integritu DNA, kde (v případě přechodu S na G2) se nově duplikovaná DNA kontroluje na mutace a v případě potřeby se fixuje. Jakmile tato přechodová fáze projde, je buňka připravena na fázi G2. Cykliny a komplexy cyklin-dependentních kináz (CDK) zde také řídí přechody, podobně jako v G1.

Aktivita cyklinů a jejich CDK je regulována fosforylací (kinázou aktivující CDK; CAK) a defosforylace (fosfatázou KAP) specifických zbytků (obvykle tyrosin) vazebného místa ATP u CDK.

Kontrola kontrolního bodu Enter M je většinou podobná u eukaryot, u většiny cyklinů a jejich CDK s homology napříč různými eukaryotickými skupinami. Zde se jako příklad zaměříme na štěpné kvasinky (Schizosaccharomycespombe). Čtyři proteiny se podílejí na regulaci aktivity proteinkinázy CDK ve štěpných kvasinkách při kontrole vstupu do mitózy. Než budeme pokračovat, stojí za zmínku, že štěpné kvasinky mají pouze jeden CDK, zatímco obratlovci mají rodinu CDK.

U štěpných kvasinek tvoří mitotický cyklin Cdc13 komplex s CDK za vzniku faktoru podporujícího zrání (MPF). Protein-tyrosinkináza zvaná Wee1 působí jako inhibitor tohoto komplexu fosforylací tyrosinu 15 podjednotky CDK. Poté CAK fosforyluje aktivující threonin 161. Tato duální fosforylace inaktivuje MPF, což zpomaluje postup buňky z G2 do M fáze. Fosfatáza, Cdc25, přichází a defosforyluje tyrosin, čímž aktivuje MPF. Vysoce aktivní MPF nyní může buňku ulevit a přesunout ji do mitotické fáze.

Buňka opět přejde do mitózy, ponoří se a poté přejde do G1.Zde je znovu položena stejná otázka, „je buňka předurčena pro další výlet buněčného cyklu, nebo by měla odejít?“ Jakmile je rozhodnuto, buňka projde nebo se dostane ven.

Jak se G1 liší od G2?

Doufáme, že jste to již změřili z výše uvedených částí. Zde je podstata z toho celá interfáza zahrnuje buněčný růst a buněčné dělení, to víme. Jeden významný rozdíl mezi růstovými fázemi spočívá v tom, že první růstová fáze je o buněčném růstu, zatímco G2 je o buněčném dělení. Je důležité plně pochopit role tyto mezery (uvedené výše).

Proč jsou fáze G1 a G2 mezifáze tak důležité v našem porozumění biologii?

Primárním účelem buněčného cyklu je buněčné dělení. Pokud fáze růstu neplní své role, pak by se buňka rozdělila na polovinu při každém dělení buněk, dokud by nebylo co dělit. Je to proto, že replikace DNA by nebyla úspěšně dosažena bez nezbytných proteinů a organel syntetizovaných v první růstové fázi.

Abychom zdůraznili, jak důležité jsou tyto fáze, podíváme se, co se stalo Pokud se pokazí. Jedním slavným příkladem špatného buněčného cyklu je rakovina. Jednoduše řečeno, rakovina je nekontrolovaný růst buněk. U rakoviny ztrácejí buňky schopnost rozpoznat, kdy jsou poškozeny, měly by opustit cyklus a pokud možno projít apoptózou (programovanou smrtí buněk).

Rakovina je důsledkem defektů v kontrole buněčného cyklu (nádor supresory a protoonkogeny). Pokud tumor supresory nedokážou zpomalit buněčný cyklus pro kontrolu integrity buněk, pak může buňka pokračovat v syntéze DNA, než je připravena, což má za následek chybnou replikaci DNA.

Aby buňka prošla replikací DNA před je připraven by byla katastrofální. Jak se ptáte? Proteiny, které řídí načasování buněčného cyklu, jsou kódovány DNA. Pokud se tedy při replikaci něco pokazí, je pravděpodobné, že se hromadí chyby a potenciálně ovlivní mnoho dalších kódujících oblastí, mezi nimiž mohou být další oblasti kódující ještě více regulátorů. To by vedlo k úplnému vyřazení buněčného cyklu z provozu, což by vedlo k množení nádorových buněk. Pokud tyto poškozené buňky napadnou jiné orgány nebo tkáně, mohou mít za následek smrt postiženého jedince.

Nyní, když jsme prošli celkovou temnotou a zkázou, zaměřme se na konkrétní problém – selhání G1. Nejprve G1 rozhodne, kdy se buňka může rozdělit na základě podmínek prostředí, zdraví a velikosti buňky. Pokud by toto rozhodnutí bylo odebráno, zdraví buňky by zůstalo nekontrolované a opět by poškozené buňky procházely fází S, než jsou připraveny.

Předpokládejme, že buňka postupuje první fází růstu fajn, ale narazí na překážku na G2. To by znamenalo, že se zde například neshromažďují mikrotubuly, což znamená, že chromozomy nejsou mobilizovány. To by s největší pravděpodobností vedlo k nedisjunkci, a tudíž k buňkám s nestejným počtem chromozomů.

Mezery (1 a 2) jsou nezbytné pro zajištění replikace DNA a mitózy. Jak se ptáte? Vraťme se k chybné replikaci DNA, pokud se replikující DNA dostane do kondenzace, než bude připravena k rozbití. Pokud k replikaci dojde těsně před mitózou, dojde k nerovnoměrnému oddělení genetického materiálu. K přípravě buněk je tedy důležité udržovat replikaci a mitózu odděleny fázemi G. Replikace DNA a mitóza jsou tak důležité události, že mít šanci na G fáze a kontrolní body) je nezbytným opatřením zkontrolovat integritu buňky dříve, než k těmto událostem dojde.

Porozumění tomu, co se děje v těchto fázích, je pro naši činnost zásadní pochopení toho, co se při rakovině pokazí.

Závěr

Toto je úvodní biologický přehled G fází buněčného cyklu; v žádném případě nejde o vyčerpávající pokrytí tohoto složitého předmětu. Buněčný cyklus je tak důležitou součástí existence všech eukaryot. Proto je důležité, aby byl přísně kontrolován (nádorovými supresory a protoonkogeny).

Růstové fáze jsou možná nejdůležitějšími fázemi buněčného cyklu. Co se stane v G1 buněčného cyklu? G1 připravuje buňky čerstvé z mitózy na další kolo replikace DNA vytvořením potřebných proteinů a organel. G1 a G2, i když obě jsou růstové fáze, se liší. Co se tedy stane v G2 buněčného cyklu? Druhá růstová fáze začíná připravovat buňky s nově replikovanou DNA na vstup do fáze mitózy zavedením nezbytných organel pro mitózu.

Buněčný cyklus je důležitou součástí trvalé perzistence všech eukaryot a prokaryoty.

Hledáte biologickou praxi?

Zahajte svůj biologický výcvik s Albertem. Začněte s přípravou na zkoušku AP® ještě dnes.