Introduktion til G1- og G2-faser

I dette indlæg vil vi diskutere, hvad der sker i G1- og G2-faserne i cellecyklussen. Celledeling indebærer, at der oprettes flere celler gennem duplikering af den ene celles indhold og derefter opdeling af denne celle i to lige og identiske celler. Disse celler er identiske med modercellen. Dette er, hvordan vi vokser og erstatter skadede celler.

Nøglen til en vellykket celledeling er at holde de resulterende celler identiske. Dette skyldes, at opretholdelse af celleintegriteten og DNA indeholdt i er central for arts overlevelse. Mange organismer omkommer på grund af dødelige mutationer som følge af kompromitteret DNA-integritet.

Ledetråden til, hvor vigtig DNA-integritet er, ligger i antallet af kvalitetskontrolceller, der er indført for at sikre, at de med succes kan sprede sig, når de skal eller når de ikke skulle. Celler gennemgår cellecyklussen og de tilhørende kontroller for at sikre, at hver oprettet celle er i perfekt stand. Cellecyklussen har to hovedfaser, den mitotiske fase og interfasen.

Interfase er den længste fase af cellecyklussen. Cellevækst er central i cellecyklussen, og dette er det primære formål med interfase. I slutningen af denne fase er der dobbelt så meget DNA, centrioler er replikeret, og cellen er stor nok til celledeling. Interfase er opdelt i den første vækst (G1), syntese (S) og den anden vækst (G2) faser (figur 1). Vækstfaserne er, som du måske har mistanke om, for væksten af cellen, under syntesefasen DNA-replikationen finder sted som forberedelse til den anden vækstfase.

Her ser vi på G-faser (første og anden vækst) af interfasen. Vi vil se på, hvad der sker i disse faser, hvad der følger, og hvorfor de er så vigtige for vores forståelse af biologi.

Hvad sker der i G1 af cellecyklussen?

I nogle tilfælde, såsom sult eller når vævet under generation har nået sin målrettede størrelse, vil cellerne forlade cellecyklussen og forblive i stasis kaldet G0 (figur 1). De fleste af disse celler er i stand til at genindtræde i cellecyklussen ved G1, hvis behovet nogensinde skulle opstå. Nerveceller regenererer normalt ikke; de forbliver i stasis.

I G1 udfører celler det meste af deres vækst; de bliver større i størrelse og gør proteiner og organeller nødvendige til normale funktioner i DNA-syntese. Her syntetiseres proteiner og RNA’er, og især fremstilles centromeren og de andre komponenter i centrosomerne. Cellerne er fuldt funktionelle; ud over at være på en delende mission kan de også udføre deres normale funktioner. Hos hvirveldyr og diploide gær er kromosomtallet 2n i denne fase, mens i haploide gær er kromosomtallet 1n.

Kort sagt er den første vækstfase det tidspunkt, hvor lige efter fødslen (i mitose) celle forbereder sig på DNA-syntese (i S-fase).

Hvad sker der i G2 i cellecyklussen?

Vi har set på, hvad der sker i den første vækstfase, og hvad der sker i S-fasen er i artiklen “Hvad sker der i S-fasen”; detaljerne i DNA-replikation findes i “Hvad er DNA”. Lad os nu tage en hurtig tur gennem den anden vækstfase, G2.

Den anden vækstfase følger S-fasen (syntese). Efter S-fasen går cellen gennem et kvalitetskontrolpunkt, hvor (som i alle overgangspunkter i cyklussen) DNA’ets integritet kontrolleres. Herefter går cellen ind i den anden vækstfase, hvor kernekapslen omslutter kernen. I denne fase er der dannet to centrosomer (med tilladelse til den første vækstfase); i dyreceller har disse centrosomer to centrioler.

Det er vigtigt at bemærke, at det DNA, der er replikeret i S-fasen, endnu ikke er kondenseret til kromosomer. De organeller, der er nødvendige for celledelingen (i M-fase), syntetiseres også i S-fasen. Mikrotubuli, der vil blive brugt til at mobilisere kromosomerne i M-fase, samles ved G2.

Nu kan alle de opgaver, der udføres under G2, kun opnås korrekt, hvis begivenhederne før G2 er gået som planlagt. Pit stop kaldet kontrolpunkter er til stede med det ene formål at sikre, at cellen med succes har afsluttet alle de opgaver, den skal udføre efter hver fase.Cellecyklussen består af tre kontrolpunkter, nemlig M / G1 (Afslut M), G1 / S (Indtast S) og G2 / M (Indtast M).

Kontrolpunkter

Afslut M og indtast S-kontrolpunkter

Inden cellen går ind i G1-fasen i mellemfasen, går den gennem afslutning M-kontrolpunktet. Her kontrolleres cellen for at sikre, at den har afsluttet mitosefasen og er klar til den første vækstfase. Specifikt kontrolleres cellerne for at se, om de har afsluttet celledelingen, og om kromosomerne er justeret korrekt, og for at sikre, at de er fastgjort til spindler.

Inden cellen forpligter sig til S-fasen, går den igennem G1 / S kontrolpunktet, også kaldet Enter S, hvor cellens ernæringsstatus og DNA-integriteten kontrolleres. Dette er et særligt vigtigt trin for en celle, der er ved at gå ind i S-fasen. I gær bruges cellestørrelsen som en proxy til at bestemme, om den er klar til at gå igennem til næste fase.

Hvornår og hvordan celler udvikler sig gennem cellecyklussen styres tæt af en overflod af regulerende proteiner . Disse proteiner falder i to grupper kaldet cycliner og cyclinafhængige kinaser (Cdks). Aktiviteten af Cdks svinger sammen med cyklinerne. Cycliner er proteiner, der regulerer tidspunktet for cellecyklussen. Deres niveauer svinger i cellecyklussen, deraf deres navn.

Sent i mitose holdes Cdc14 (en phosphatase) som gidsler i nucleoli; dette forhindrer aktiveringen af APC-specificitetsfaktor (Cdhl), som er nødvendig for at polyubiquitinere nedstrøms cykliner. Dette forhindrer det nødvendige fald i aktiviteten af den modningsfremmende faktor (et cyclin / CDK-kompleks), som stopper progression til telofase.

Telofasen forlænges længe nok til at kontrollere, at kromosomer er adskilt korrekt. Når dette er bekræftet, bliver Cdc14 frigivet. Den associerede nedstrøms kaskade fører til sænkede niveauer af MPF, som beder progressionen af cellen forbi telofase, forlader mitosefasen og går ind i G1. Alt, hvad der sker i telofasen og den resulterende cytokinese, er det, vi kalder en udgang fra mitose.

Efter mitosefasen går cellen ind i G1-fasen. Ved indrejse positionerer DNA-præ-replikationskomplekserne sig ved oprindelser, der forbereder sig på DNA-replikation i S-fase. G1 cyclin-CDK (cyclin D / CDK2) deaktiverer Cdhl, hvorved ekspressionen af S-fase cyclin-CDK-komponenterne aktiveres (f.eks. Cyclin E / CDK2). Inhibitoren af S-fase cyclin-CDK-komplekset phosphoryleres, hvilket markerer det for nedbrydning med 5 SCF / proteasom. Denne handling efterlader cyclin-CDK-komplekset frit til at initiere eller flytte cellen til den næste fase af cyklussen, S-fasen. Selve denne signaleringskaskade er temmelig konserveret på tværs af grupper, men de specifikke cykliner og deres CDK’er kan variere.

G1-kontrolpunktet ser ud til at være den afgørende faktor for cellens skæbne i cellecyklussen. Hvis en celle får det grønne lys ved G1-kontrolpunktet, foretager den normalt runderne (fuldfører cyklussen og deler). Ellers afslutter den cyklen helt og går ind i G0-fasen.

Indtast M, og reguleringen af G2-fasen

Enter M-kontrolpunktet påvirker udgangen ud af G2-fasen. Ved hver overgang i cellecyklussen kontrolleres cellerne kontinuerligt for DNA-integritet, hvor (i tilfælde af S til G2-overgang) det nyligt duplikerede DNA kontrolleres for mutationer og fastgøres om nødvendigt. Når denne overgangsfase er passeret, er cellen klar til G2-fasen. Cycliner og de cyklinafhængige kinaser (CDKs) -komplekser styrer også overgangene her, ligesom i G1.

Aktiviteten af cycliner og deres CDK’er reguleres gennem phosphorylering (af en CDK-aktiverende Kinase; CAK) og dephosphorylering (af en phosphatase-KAP) af specifikke rester (normalt tyrosin) af CDP’ernes ATP-bindingssted.

Kontrollen af Enter M kontrolpunktet er stort set ens på tværs af eukaryoter med de fleste cycliner og deres CDK’er, der har homologer på tværs af forskellige eukaryote grupper. Her vil vi fokusere på fissionsgær (Schizosaccharomycespombe) som et eksempel. Fire proteiner er involveret i reguleringen af proteinkinaseaktiviteten af CDK i fissionsgær til kontrol af indtræden i mitose. Før vi fortsætter, er det værd at bemærke, at fissionsgær kun har en CDK, mens hvirveldyr har en familie af CDK’er.

I fissionsgær danner mitotisk cyclin, Cdc13, et kompleks med CDK til dannelse af modningsfremmende faktor (MPF). Proteintyrosinkinasen kaldet Wee1 fungerer som en hæmmer af dette kompleks ved at phosphorylere tyrosinet 15 i CDK-underenheden. Derefter phosphorylerer et CAK en aktiverende threonin 161. Denne dobbelte phosphorylering inaktiverer MPF, hvilket forsinker celleprogressionen fra G2 til M-fase. En phosphatase, Cdc25, kommer sammen og dephosphorylerer tyrosin, hvorved MPF aktiveres. Den meget aktive MPF kan nu aflaste cellen og flytte den ind i den mitotiske fase.

Endnu en gang går cellen ind i mitose, dykker og går derefter ind i G1.Her stilles det samme spørgsmål igen, “er cellen skønnet til en ny cellecykeltur, eller skal den afslutte?” Når beslutningen er taget, går cellen igennem eller kommer ud.

Hvordan adskiller G1 sig fra G2?

Vi håber, at du allerede har målt dette fra afsnittene ovenfor. Her er kernen af det, hele interfasen omfatter cellevækst og celledeling, dette ved vi. En signifikant forskel mellem vækstfaser er, at den første vækstfase handler om cellevækst, mens G2 handler om celledeling. Det er vigtigt at fuldt ud forstå rollerne for disse huller (skitseret ovenfor).

Hvorfor er G1- og G2-faser af interfase så vigtige i vores forståelse af biologi?

Cellecyklusens primære formål er celledeling. Hvis vækstfaserne ikke udfylder deres roller, ville cellen halveres ved hver celledeling, indtil der ikke er noget at opdele. Dette skyldes, at DNA-replikation ikke lykkedes at opnå uden de nødvendige proteiner og organeller syntetiseret i den første vækstfase.

For at understrege, hvor vigtige disse faser er, vil vi se på, hvad der skete ns hvis de går galt. Et kendt eksempel på, at cellecyklus er gået galt, er kræft. Kort sagt er kræft ukontrolleret cellevækst. I kræft mister cellerne deres evne til at fortælle, hvornår de er beskadigede og skal forlade cyklussen og helst gennemgå apoptose (programmeret celledød).

Kræft skyldes mangler i cellecykluskontrollen (tumor suppressorer og proto-onkogener). Hvis tumorundertrykkere ikke bremser cellecyklussen for kontrol af celleintegritet, kan cellen fortsætte med DNA-syntese, før den er klar, hvilket resulterer i defekt DNA-replikation.

For at en celle skal gennemgå DNA-replikation før den er klar ville være katastrofal. Hvordan ja, spørger du? Proteinerne, der styrer tidspunktet for cellecyklussen, kodes for af DNA’et. Således, hvis noget går galt i replikering, vil fejl sandsynligvis akkumuleres og potentielt påvirke mange andre kodende regioner, blandt hvilke der kan være andre regioner, der koder for endnu flere regulatorer. Dette ville føre til, at cellecyklussen går fuldstændigt ud af drift, hvilket fører til prolifererende tumorceller. Hvis disse beskadigede celler invaderer andre organer eller væv, kan de resultere i død for det berørte individ.

Nu hvor vi har gennemgået den overordnede mørke og undergang, lad os fokusere på et specifikt problem – svigt af G1. For det første beslutter G1, hvornår en celle kan dele sig på baggrund af miljøforhold, sundhed og cellestørrelse. Skulle denne beslutning tages væk, vil celleens helbred blive ukontrolleret, og igen beskadigede celler, der går igennem til S-fasen, før de er klar.

Lad os antage, at cellen fortsætter gennem den første vækstfase lige fint, men støder på en forhindring på G2. Dette vil betyde, at mikrotubuli f.eks. Ikke samles her, hvilket betyder, at kromosomerne ikke mobiliseres. Dette vil højst sandsynligt føre til ikke-disjunktion og derfor til celler med et ulige antal kromosomer.

Hullerne (1 og 2) er vigtige for at beskytte DNA-replikation og mitose. Hvordan ja, spørger du? Lad os vende tilbage til DNA-replikation gået galt, hvis replikerende DNA kommer i kondens, før det er klar, det går i stykker. Også, hvis replikering sker lige før mitose, får du ulige adskillelse af genetisk materiale. Det er således vigtigt at holde replikation og mitose adskilt af G-faserne for at forberede cellerne. DNA-replikering og mitose er så vigtige begivenheder, at det er en nødvendig forsigtighed at have chancerne for G-faser og kontrolpunkter) for at kontrollere celleens integritet, før disse begivenheder sker.

At forstå, hvad der sker i disse faser, er centralt for vores forståelse af hvad der går galt i kræft.

Konklusion

Dette er en indledende biologisk oversigt over G-faserne i cellecyklussen; det er på ingen måde en udtømmende dækning af dette komplekse emne. Cellecyklussen er en så vigtig del af eksistensen af alle eukaryoter. Som sådan er det vigtigt, at det kontrolleres tæt (af tumorundertrykkere og proto-onkogener).

Vækstfaserne er måske de mest kritiske faser i cellecyklussen. Hvad sker der i G1 af cellecyklussen? G1 forbereder cellerne friske ud af mitosen til endnu en runde af DNA-replikation ved at fremstille de nødvendige proteiner og organeller. G1 og G2, selvom begge er vækstfaser, er de forskellige. Så hvad sker der i G2 i cellecyklussen? Den anden vækstfase begynder at forberede cellerne med ny replikeret DNA til indtræden i mitosefasen ved at få de nødvendige organeller på plads til mitose.

Cellecyklussen er en vital del af den fortsatte vedholdenhed af alle eukaryoter og prokaryoter.

Leder du efter biologisk praksis?

Kickstart dit biologiske præparat med Albert. Start din AP® eksamensforberedelse i dag.