Innføring i G1- og G2-fasene

I dette innlegget vil vi diskutere hva som skjer i G1- og G2-fasene i cellesyklusen. Celledeling innebærer å lage flere celler gjennom duplisering av innholdet til den ene cellen og deretter dele denne cellen i to like og identiske celler. Disse cellene er identiske med overordnede celle. Slik vokser og erstatter vi skadede celler.

Nøkkelen til en vellykket celledeling er å holde de resulterende cellene identiske. Dette er fordi å opprettholde integriteten til cellen og DNA som finnes i er sentralt for artens overlevelse. Mange organismer går til grunne på grunn av dødelige mutasjoner som følge av kompromittert DNA-integritet.

Ledetråden til hvor viktig DNA-integritet er, ligger i antall kvalitetskontrollceller som er på plass for å sikre at de med hell kan spre seg når de skal eller når de ikke skulle. Celler går gjennom cellesyklusen og tilhørende kontroller for å sikre at hver celle som er opprettet, er i perfekt stand. Cellesyklusen har to hovedfaser, den mitotiske fasen og interfasen.

Interfase er den lengste fasen i cellesyklusen. Cellevekst er sentral i cellesyklusen, og dette er det primære formålet for interfase. På slutten av denne fasen er det dobbelt så mye DNA, sentrioler har replikert, og cellen er stor nok til celledeling. Interfase er delt inn i den første veksten (G1), syntese (S) og den andre veksten (G2) (figur 1). Vekstfasene er, som du kanskje har mistenkt, for veksten av cellen, i løpet av syntesefasen, oppstår DNA-replikasjonen som forberedelse til den andre vekstfasen.

Her ser vi på G-faser (første og andre vekst) av interfasen. Vi vil se på hva som skjer i disse fasene, hva som følger og hvorfor de er så viktige for vår forståelse av biologi.

Hva skjer i G1 av cellesyklusen?

I noen tilfeller, slik som sult eller når vevet under generasjon har nådd den målrettede størrelsen, vil cellene gå ut av cellesyklusen og forbli i stase kalt G0 (figur 1). De fleste av disse cellene er i stand til å gå inn i cellesyklusen på G1 hvis behovet skulle oppstå. Nerveceller regenererer normalt ikke; de forblir i stillhet.

I G1 oppnår celler mesteparten av veksten; de blir større i størrelse og lager proteiner og organeller som trengs for normale funksjoner av DNA-syntese. Her syntetiseres proteiner og RNA, og mer spesielt blir sentromeren og de andre komponentene i sentrosomene laget. Cellene er fullt funksjonelle; i tillegg til å være på delingsoppdrag, kan de også utføre sine normale funksjoner. Hos vertebrater og diploide gjær er kromosontallet 2n i denne fasen, mens i haploide gjær er kromosontallet 1n.

Kort fortalt er den første vekstfasen tiden da like etter fødselen (i mitose) celle forbereder seg på DNA-syntese (i S-fase).

Hva skjer i G2 i cellesyklusen?

Vi har sett på hva som skjer i den første vekstfasen, og hva som skjer i S-fasen er i artikkelen «Hva skjer i S-fasen»; detaljene om DNA-replikasjon er gitt i «Hva er DNA». La oss nå ta en rask tur gjennom den andre vekstfasen, G2.

Den andre vekstfasen følger S-fasen (syntese). Forbi S-fasen går cellen gjennom et kvalitetskontrollpunkt der (som i hvert overgangspunkt i syklusen) DNA-integriteten kontrolleres. Etter dette går cellen inn i den andre vekstfasen der kjernekonvolutten omslutter kjernen. I denne fasen har det dannet seg to sentrosomer (høflighet av den første vekstfasen); i dyreceller har disse sentrosomene to sentrioler.

Det er viktig å merke seg at DNA replikert i S-fasen ikke har blitt kondensert til kromosomer ennå. Organellene som er nødvendige for celledelingen (i M-fase) syntetiseres også i S-fasen. Mikrorørene som skal brukes til å mobilisere kromosomene i M-fasen er samlet på G2.

Nå kan alle oppgavene som utføres under G2 bare oppnås riktig hvis hendelsene før G2 har gått som planlagt. Gropstopp som betegnes som sjekkpunkter er til stede med det ene formål å sikre at cellen har fullført alle oppgavene den skal utføre etter hver fase.Cellesyklusen består av tre sjekkpunkter, nemlig M / G1 (Avkjørsel M), G1 / S (Enter S) og G2 / M (Enter M).

Sjekkpunkter

Avkjørsel M og skriv inn S-kontrollpunkter

Før cellen går inn i G1-fasen i mellomfasen, går den gjennom avkjøringspunkt M. Her blir cellen sjekket for å sikre at den har fullført mitosefasen og er klar for den første vekstfasen. Spesielt blir cellene sjekket for å se om de har fullført celledelingen, og om kromosomene er riktig justert, og for å sikre at de er festet til spindler.

Før cellen forplikter seg til S-fasen, går den G1 / S-kontrollpunktet, også kalt Enter S, hvor cellens ernæringsstatus og DNA-integriteten kontrolleres. Dette er et spesielt viktig trinn for en celle som skal inn i S-fasen. I gjær brukes cellestørrelsen som en proxy for å avgjøre om den er klar til å gå videre til neste fase.

Når og hvordan celler utvikler seg gjennom cellesyklusen blir det tett kontrollert av en mengde regulatoriske proteiner . Disse proteinene faller inn i to grupper kalt sykliner og cyklinavhengige kinaser (Cdks). Aktiviteten til Cdks svinger sammen med syklinene. Sykliner er proteiner som regulerer tidspunktet for cellesyklusen. Nivåene deres svinger i cellesyklusen, derav navnet deres.

Sent i mitose holdes Cdc14 (en fosfatase) som gissel i nukleoli; dette forhindrer aktivering av APC-spesifisitetsfaktor (Cdh1) som er nødvendig for å polyubikitinere nedstrøms sykliner. Dette forhindrer den nødvendige reduksjonen i aktiviteten til modningsfremmende faktor (et cyklin / CDK-kompleks) som stopper progresjon til telofase. Når dette er bekreftet, blir Cdc14 utgitt. Den tilhørende nedstrøms kaskade fører til senket nivåer av MPF som ber fremgangen til cellen forbi telofase, går ut av mitosefasen og går inn i G1. Alt som skjer i telofasen og den resulterende cytokinese er det vi refererer til som en utgang fra mitose.

Etter mitosefasen går cellen inn i G1-fasen. Ved inngangen posisjonerer DNA-pre-replikasjonskompleksene seg ved opprinnelse som forbereder seg på DNA-replikasjon i S-fase. G1 cyclin-CDK (cyclin D / CDK2) deaktiverer Cdhl, og aktiverer derved ekspresjonen av S-fase cyclin-CDK-komponenter (f.eks. Cyclin E / CDK2). Inhibitoren til S-fase cyclin-CDK-komplekset er fosforyleres, og markerer det for nedbrytning med 5 SCF / proteasom. Denne handlingen lar syklin-CDK-komplekset være fri til å initiere eller flytte cellen til neste fase av syklusen, S-fasen. Selve denne signalkaskaden er ganske konservert på tvers av grupper, men de spesifikke syklinene og deres CDK-er kan variere.

G1-sjekkpunktet ser ut til å være avgjørende for cellens skjebne i cellesyklusen. Hvis en celle får grønt lys ved G1-sjekkpunktet, gjør det vanligvis rundene (fullfører syklusen og deler). Ellers går den helt ut av syklusen og går inn i G0-fasen.

Angi M og reguleringen av G2-fasen

Enter M-sjekkpunktet påvirker utgangen ut av G2-fasen. Ved hver overgang av cellesyklusen blir cellene kontinuerlig kontrollert for DNA-integritet, der (i tilfelle S til G2-overgang) det nylig dupliserte DNA blir sjekket for mutasjoner og fikset om nødvendig. Når denne overgangsfasen er passert, er cellen klar for G2-fasen. Sykliner og syklinavhengige kinaser (CDKs) -komplekser styrer også overgangene her, omtrent som i G1.

Aktiviteten til sykliner og deres CDKer reguleres gjennom fosforylering (av en CDK-aktiverende Kinase; CAK) og defosforylering (av en fosfatase KAP) av spesifikke rester (vanligvis tyrosin) av ATP-bindingsstedet til CDKene.

Kontrollen av Enter M-sjekkpunktet er stort sett lik på tvers av eukaryoter, med flest cykliner og CDK-er som har homologer på tvers av forskjellige eukaryote grupper. Her vil vi fokusere på fisjoneringsgjæren (Schizosaccharomycespombe) som et eksempel. Fire proteiner er involvert i reguleringen av proteinkinaseaktiviteten til CDK i fisjoneringsgjær i kontrollen av inngang til mitose. Før vi fortsetter, er det verdt å merke seg at fisjonærgjær bare har en CDK mens virveldyr har en CDK-familie.

I fisjonærgjær danner mitotisk cyklin, Cdc13, et kompleks med CDK for å danne modningsfremmende faktor (MPF). Proteintyrosinkinasen kalt Wee1 virker som en hemmer av dette komplekset ved å fosforylere tyrosinet 15 i CDK-underenheten. Deretter fosforylerer et CAK et aktiverende treonin 161. Denne doble fosforyleringen inaktiverer MPF, og forsinker progresjonen til cellen fra G2 til M-fase. En fosfatase, Cdc25, kommer og defosforylerer tyrosin, og aktiverer derved MPF. Den høyt aktive MPF kan nå avlaste cellen og flytte den inn i den mitotiske fasen.

Nok en gang går cellen i mitose, dykker og deretter går inn i G1.Her blir det samme spørsmålet spurt igjen, «er cellen skjebnebestemt for en ny cellesyklusreise, eller skal den gå ut?» Når avgjørelsen er tatt, går cellen gjennom eller kommer ut.

Hvordan er G1 forskjellig fra G2?

Vi håper du allerede har målt dette fra avsnittene ovenfor. Her er kjernen av det, hele interfasen omfatter cellevekst og celledeling, dette vet vi. En signifikant forskjell mellom vekstfaser er at den første vekstfasen handler om cellevekst mens G2 handler om celledeling. Det er viktig å fullt ut forstå rollene til disse hullene (skissert ovenfor).

Hvorfor er G1- og G2-fasene i interfase så viktige i vår forståelse av biologi?

Cellesyklusens primære formål er celledeling. Hvis vekstfasene ikke oppfylle sine roller, da ville cellen bli halvert ved hver celledeling til det ikke er noe å dele. Dette er fordi DNA-replikering ikke ville lykkes uten de nødvendige proteiner og organeller syntetisert i den første vekstfasen.

For å understreke hvor viktige disse fasene er, vil vi se på hva som skjedde ns hvis de går galt. Et kjent eksempel på at cellesyklusen har gått galt er kreft. Enkelt sagt, kreft er ukontrollert cellevekst. Ved kreft mister cellene evnen til å fortelle når de er skadet og bør gå ut av syklusen, og helst gjennom apoptose (programmert celledød).

Kreft skyldes mangler i cellesykluskontrollen (svulst suppressorer og proto-onkogener). Hvis tumorundertrykkere ikke bremser cellesyklusen for celleintegritetskontroll, kan cellen fortsette med DNA-syntese før den er klar, noe som resulterer i feil DNA-replikasjon.

For en celle å gå gjennom DNA-replikasjon før den er klar ville være katastrofal. Hvordan, spør du? Proteinene som styrer tidspunktet for cellesyklusen er kodet for av DNA. Dermed, hvis noe går galt i replikering, vil feil sannsynligvis akkumuleres og potensielt påvirke mange andre kodingsregioner, blant annet andre regioner som koder for enda flere regulatorer. Dette vil føre til at cellesyklusen går helt i orden, og fører til spredning av tumorceller. Hvis disse skadede cellene invaderer andre organer eller vev, kan de føre til at det berørte individet dør.

Nå som vi har gått gjennom det generelle mørket og undergangen, la oss fokusere på et spesifikt problem – svikt i G1. For det første bestemmer G1 når en celle kan dele seg basert på miljøforhold, helse og cellestørrelse. Hvis denne avgjørelsen tas bort, vil cellens helse bli ukontrollert og igjen skade celler som går gjennom til S-fasen før de er klare.

La oss anta at cellen fortsetter gjennom den første vekstfasen bare greit, men støter på et hinder på G2. Dette vil bety at mikrotubuli for eksempel ikke monteres her, noe som betyr at kromosomene ikke mobiliseres. Dette vil mest sannsynlig føre til ikke-disjunksjon og derfor til celler med et ulikt antall kromosomer.

Hullene (1 og 2) er avgjørende for å sikre DNA-replikasjon og mitose. Hvordan, spør du? La oss gå tilbake til DNA-replikasjon gått galt hvis replikerende DNA kommer i kondens før det er klart det går i stykker. Også, hvis replikasjon skjer like før mitose, får du ulik separasjon av genetisk materiale. Derfor er det viktig å holde replikasjon og mitose atskilt av G-fasene for å forberede cellene. DNA-replikasjon og mitose er så viktige hendelser at det å ha sjansen G-faser og sjekkpunkter) for å kontrollere integriteten til cellen før disse hendelsene skjer, er en nødvendig forholdsregel.

Å forstå hva som skjer i disse fasene er sentralt i vår forståelse av hva som går galt i kreft.

Konklusjon

Dette er en innledende biologisk oversikt over G-fasene i cellesyklusen; det er på ingen måte et uttømmende deksel av dette komplekse emnet. Cellesyklusen er en så viktig del av eksistensen av alle eukaryoter. Som sådan er det viktig at den kontrolleres tett (av tumorundertrykkere og proto-onkogener).

Vekstfasene er kanskje de mest kritiske fasene i cellesyklusen. Hva skjer i G1 av cellesyklusen? G1 forbereder cellene friske ut av mitose for en ny runde med DNA-replikasjon ved å lage de nødvendige proteiner og organeller. G1 og G2, selv om begge er vekstfaser er forskjellige. Så, hva skjer i G2 i cellesyklusen? Den andre vekstfasen begynner å forberede cellene med nylig replikert DNA for å komme inn i mitosefasen ved å få på plass de nødvendige organellene for mitose.

Cellesyklusen er en viktig del av den fortsatte utholdenheten til alle eukaryoter. og prokaryoter.

Leter du etter biologisk praksis?

Kickstart din biologiske prep med Albert. Start AP®-eksamensforberedelsen din i dag.