Let op: dit bericht is een paar jaar geleden geschreven en geeft mogelijk niet de laatste wijzigingen weer in het AP®-programma. We werken deze berichten geleidelijk bij en zullen deze disclaimer verwijderen wanneer dit bericht wordt bijgewerkt. Bedankt voor je geduld!
Inleiding tot G1- en G2-fasen
In dit bericht zullen we bespreken wat er gebeurt in de G1- en G2-fasen van de celcyclus. Celdeling houdt in dat er meer cellen worden gemaakt door de inhoud van de ene cel te dupliceren en deze cel vervolgens in twee gelijke en identieke cellen te splitsen. Deze cellen zijn identiek aan de oudercel. Op deze manier groeien en vervangen we beschadigde cellen.
De sleutel tot een succesvolle celdeling is het identiek houden van de resulterende cellen. Dit komt omdat het behoud van de integriteit van de cel en het DNA dat erin zit centraal staat in het voortbestaan van soorten. Veel organismen komen om als gevolg van dodelijke mutaties als gevolg van een aangetaste DNA-integriteit.
De aanwijzing hoe belangrijk de DNA-integriteit is, ligt in het aantal kwaliteitscontroles dat cellen hebben ingevoerd om ervoor te zorgen dat ze met succes kunnen prolifereren wanneer ze zouden moeten of wanneer ze dat niet zouden moeten doen. Cellen doorlopen de celcyclus en de bijbehorende controles om ervoor te zorgen dat elke gecreëerde cel in perfecte staat verkeert. De celcyclus kent twee hoofdfasen, de mitotische fase en de interfase.
Interphase is de langste fase van de celcyclus. Celgroei staat centraal in de celcyclus, en dit is het primaire doel van interfase. Aan het einde van deze fase is er een dubbele hoeveelheid DNA, zijn centriolen gerepliceerd en is de cel groot genoeg voor celdeling. De interfase is onderverdeeld in de eerste groei- (G1), synthese- (S) en de tweede groeifase (G2) (figuur 1). De groeifasen zijn, zoals u wellicht vermoedde, voor de groei van de cel, tijdens de synthesefase vindt de DNA-replicatie plaats ter voorbereiding op de tweede groeifase.
(G 1, S en G2) Afbeeldingsbron: Wikimedia Commons
Hier zullen we de G-fasen (eerste en tweede groei) van de interfase. We zullen bekijken wat er in deze fasen gebeurt, wat volgt en waarom ze zo belangrijk zijn voor ons begrip van biologie.
Wat gebeurt er in G1 van de celcyclus?
In sommige gevallen, zoals uithongering of wanneer het weefsel dat wordt gegenereerd zijn beoogde grootte heeft bereikt, zullen de cellen de celcyclus verlaten en in de stasis blijven die G0 wordt genoemd (figuur 1). De meeste van deze cellen zijn in staat om opnieuw de celcyclus op G1 binnen te gaan, mocht dat ooit nodig zijn. Zenuwcellen regenereren normaal niet; ze blijven in stilstand.
In G1 bereiken cellen het grootste deel van hun groei; ze worden groter in omvang en maken eiwitten en organellen die nodig zijn voor normale functies van DNA-synthese. Hier worden eiwitten en RNA’s gesynthetiseerd, en meer in het bijzonder het centromeer en de andere componenten van de centrosomen. De cellen zijn volledig functioneel; ze zijn niet alleen op een afsplitsingsmissie, maar kunnen ook hun normale functies uitoefenen. Bij vertebraten en diploïde gisten is het chromosoomgetal 2n in deze fase, terwijl bij haploïde gisten het chromosoomgetal 1n is.
Kortom, de eerste groeifase is het moment waarop net na de geboorte (bij mitose) de cel bereidt zich voor op DNA-synthese (in S-fase).
Wat gebeurt er in G2 van de celcyclus?
We hebben gekeken naar wat er gebeurt in de eerste groeifase en wat er gebeurt in de S-fase staat in het artikel “Wat gebeurt er in de S-fase”; de details van DNA-replicatie worden gegeven in “Wat is DNA”. Laten we nu een snelle trip maken door de tweede groeifase, G2.
De tweede groeifase volgt op de S-fase (synthese). Voorbij de S-fase gaat de cel door een kwaliteitscontrolepunt waar (zoals in elk overgangspunt van de cyclus) de integriteit van het DNA wordt gecontroleerd. Hierna komt de cel in de tweede groeifase waar de nucleaire envelop de kern omhult. In deze fase hebben zich twee centrosomen gevormd (dankzij de eerste groeifase); in dierlijke cellen hebben deze centrosomen twee centriolen.
Het is belangrijk op te merken dat het DNA dat in de S-fase wordt gerepliceerd, nog niet tot chromosomen is gecondenseerd. De organellen die nodig zijn voor de celdeling (in M-fase) worden ook gesynthetiseerd in de S-fase. De microtubuli die zullen worden gebruikt om de chromosomen in M-fase te mobiliseren, worden geassembleerd op G2.
Nu kunnen alle taken die tijdens G2 worden volbracht, alleen goed worden uitgevoerd als de gebeurtenissen vóór G2 verlopen zoals gepland. Pitstops, checkpoints genoemd, zijn aanwezig met als enig doel ervoor te zorgen dat de cel met succes alle taken heeft voltooid die hij na elke fase moet uitvoeren.De celcyclus bestaat uit drie checkpoints, namelijk M / G1 (Exit M), G1 / S (Enter S) en G2 / M (Enter M).
Checkpoints
De Verlaat M en voer S Checkpoints in
Voordat de cel de G1-fase van de interfase ingaat, gaat hij door het uitgang M-controlepunt. Hier wordt de cel gecontroleerd om er zeker van te zijn dat deze de mitosefase heeft doorlopen en klaar is voor de eerste groeifase. In het bijzonder worden de cellen gecontroleerd om te zien of ze de celdeling hebben voltooid en of de chromosomen goed zijn uitgelijnd en om ervoor te zorgen dat ze aan spindels zijn bevestigd.
Voordat de cel zich in de S-fase begeeft, gaat deze door het G1 / S ijkpunt, ook wel Enter S genoemd, waar de voedingsstatus van de cel en de DNA-integriteit worden gecontroleerd. Dit is een bijzonder belangrijke stap voor een cel die op het punt staat de S-fase in te gaan. In gist wordt de celgrootte gebruikt als een maatstaf om te bepalen of het klaar is om door te gaan naar de volgende fase.
Wanneer en hoe cellen door de celcyclus gaan, wordt streng gecontroleerd door een overvloed aan regulerende eiwitten . Deze eiwitten vallen in twee groepen, cyclines en cycline-afhankelijke kinasen (Cdks) genaamd. De activiteit van de Cdks fluctueert samen met de cyclinen. Cyclines zijn eiwitten die de timing van de celcyclus regelen. Hun niveaus fluctueren in de celcyclus, vandaar hun naam.
Laat in de mitose wordt Cdc14 (een fosfatase) gegijzeld in nucleoli; dit voorkomt de activering van APC-specificiteitsfactor (Cdh1) die nodig is om stroomafwaartse cyclinen te polyubiquitineren. Dit voorkomt de noodzakelijke afname van de activiteit van de rijpingsbevorderende factor (een cycline / CDK-complex) die de progressie naar telofase stopt.
De telofase wordt lang genoeg verlengd om te controleren of chromosomen goed zijn gescheiden. Zodra dit is bevestigd, wordt Cdc14 vrijgegeven. De bijbehorende stroomafwaartse cascade leidt tot verlaagde niveaus van de MPF, wat de voortgang van de cel langs telofase stimuleert, de mitosefase verlaat en G1 binnengaat. Alles wat er in de telofase en de resulterende cytokinese gebeurt, noemen we het verlaten van de mitose.
Na de mitosefase komt de cel in de G1-fase. Bij binnenkomst positioneren de DNA-pre-replicatiecomplexen zich bij de oorsprong en bereiden ze zich voor op DNA-replicatie in de S-fase. De G1 cycline-CDK (cycline D / CDK2) deactiveert Cdh1, waardoor de expressie van de S-fase cycline-CDK-componenten (bijv. Cycline E / CDK2) wordt geactiveerd. De remmer van het S-fase cycline-CDK-complex is gefosforyleerd, waardoor het wordt gemarkeerd voor afbraak door 5 SCF / proteasoom. Deze actie laat het cycline-CDK-complex vrij om de cel te initiëren of te verplaatsen naar de volgende fase van de cyclus, de S-fase. Deze signaalcascade zelf is redelijk geconserveerd over groepen heen, maar de specifieke cyclinen en hun CDK’s kunnen variëren.
Het G1-ijkpunt lijkt de bepalende factor te zijn voor het lot van de cel in de celcyclus. Als een cel groen licht krijgt bij het G1-controlepunt, maakt hij meestal de rondes (de cyclus voltooien en delen). Anders verlaat het de cyclus helemaal en gaat het naar de G0-fase.
Voer M in en de regeling van de G2-fase
Het Enter M-ijkpunt beïnvloedt het verlaten van de G2-fase. Bij elke overgang van de celcyclus worden de cellen continu gecontroleerd op de DNA-integriteit, waarbij (in het geval van de S naar G2-overgang) het nieuw gedupliceerde DNA wordt gecontroleerd op mutaties en indien nodig gefixeerd. Als deze overgangsfase voorbij is, is de cel klaar voor de G2-fase. Cyclines en de cycline-afhankelijke kinasen (CDK’s) -complexen regelen hier ook de overgangen, net als in G1.
De activiteit van cyclines en hun CDK’s wordt gereguleerd door fosforylering (door een CDK-activerende kinase; CAK) en defosforylering (door een fosfatase KAP) van specifieke residuen (meestal tyrosine) van de ATP-bindingsplaats van de CDK’s.
De controle van het Enter M-ijkpunt is grotendeels vergelijkbaar bij eukaryoten, waarbij de meeste cyclinen en hun CDK’s met homologen over verschillende eukaryote groepen. Hier zullen we ons als voorbeeld concentreren op de splijtingsgist (Schizosaccharomycespombe). Vier eiwitten zijn betrokken bij de regulering van de proteïnekinase-activiteit van de CDK in splijtingsgist bij de controle van het binnendringen in mitose. Voordat we verder gaan, is het vermeldenswaard dat splijtingsgist slechts één CDK heeft, terwijl gewervelde dieren een familie van CDK’s hebben.
In splijtingsgist vormt het mitotische cycline, Cdc13, een complex met CDK om de rijpingsbevorderende factor te vormen (MPF). Het proteïne-tyrosinekinase genaamd Wee1 werkt als een remmer van dit complex door het tyrosine 15 van de CDK-subeenheid te fosforyleren. Vervolgens fosforyleert een CAK een activerende threonine 161. Deze dubbele fosforylering inactiveert de MPF, waardoor de voortgang van de cel van G2 naar M-fase wordt vertraagd. Een fosfatase, Cdc25, komt langs en defosforyleert tyrosine, waardoor het MPF wordt geactiveerd. De zeer actieve MPF kan nu de cel ontlasten en deze in de mitotische fase brengen.
Opnieuw gaat de cel in mitose, duikt en gaat dan in G1.Hier wordt dezelfde vraag opnieuw gesteld: “is de cel voorbestemd voor een nieuwe celcyclusreis of moet hij vertrekken?” Als de beslissing eenmaal is genomen, gaat de cel door of gaat eruit.
Waarin verschilt G1 van G2?
We hopen dat je dit al hebt gemeten aan de hand van de bovenstaande secties. Hier is de essentie daarvan omvat de hele interfase celgroei en celdeling, dit weten we. Een significant verschil tussen groeifasen is dat de eerste groeifase gaat over celgroei, terwijl G2 over celdeling gaat. Het is belangrijk om de rol van deze hiaten (hierboven beschreven).
Waarom zijn de G1- en G2-fasen van interfase zo belangrijk in ons begrip van biologie?
Het primaire doel van de celcyclus is celdeling. Als de groeifasen hun rol niet vervullen, dan wordt de cel bij elke celdeling gehalveerd totdat er niets meer te delen is. Dit komt omdat DNA-replicatie niet met succes zou worden bereikt zonder de noodzakelijke eiwitten en organellen die in de eerste groeifase zijn gesynthetiseerd.
Om te benadrukken hoe belangrijk deze fasen zijn, zullen we kijken naar wat er is gebeurd ns als ze fout gaan. Een beroemd voorbeeld van een fout in de celcyclus is kanker. Simpel gezegd, kanker is een ongecontroleerde celgroei. Bij kanker verliezen de cellen hun vermogen om te zien wanneer ze beschadigd zijn en moeten ze de cyclus verlaten en bij voorkeur apoptose ondergaan (geprogrammeerde celdood).
Kanker is het gevolg van defecten in de celcycluscontrole (tumor suppressors en proto-oncogenen). Als tumoronderdrukkers de celcyclus voor celintegriteitscontroles niet vertragen, kan de cel overgaan tot DNA-synthese voordat deze klaar is, wat resulteert in een defecte DNA-replicatie.
Om een cel eerder door DNA-replicatie te laten gaan. het is klaar zou rampzalig zijn. Hoe zo, vraag je? De eiwitten die de timing van de celcyclus regelen, worden gecodeerd door het DNA. Dus als er iets misgaat bij replicatie, zullen fouten zich waarschijnlijk opstapelen en mogelijk invloed hebben op vele andere coderingsregio’s, waaronder andere regio’s die coderen voor nog meer regulatoren. Dit zou ertoe leiden dat de celcyclus volledig in de war raakt, wat leidt tot prolifererende tumorcellen. Als deze beschadigde cellen andere organen of weefsels binnendringen, kunnen ze de dood van het getroffen individu tot gevolg hebben.
Laten we, nu we door de algehele somberheid heen zijn gegaan, ons concentreren op een specifiek probleem: het falen van G1. Ten eerste beslist de G1 wanneer een cel kan delen op basis van omgevingsfactoren, gezondheid en celgrootte. Mocht deze beslissing worden genomen, dan zou de gezondheid van de cel ongecontroleerd blijven en, nogmaals, beschadigde cellen gaan door naar de S-fase voordat ze klaar zijn.
Laten we aannemen dat de cel net door de eerste groeifase gaat. prima, maar botst tegen een obstakel op G2. Dit zou betekenen dat de microtubuli hier bijvoorbeeld niet samenkomen, wat betekent dat de chromosomen niet worden gemobiliseerd. Dit zou hoogstwaarschijnlijk leiden tot non-disjunctie en dus tot cellen met een oneven aantal chromosomen.
De hiaten (1 en 2) zijn essentieel voor het waarborgen van DNA-replicatie en mitose. Hoe zo, vraag je? Laten we teruggaan naar de mislukte DNA-replicatie als replicerend DNA in condensatie komt voordat het klaar is om te breken. Als replicatie plaatsvindt net voor mitose, krijg je een ongelijke scheiding van genetisch materiaal. Het is dus belangrijk om replicatie en mitose gescheiden te houden door de G-fasen om de cellen voor te bereiden. DNA-replicatie en mitose zijn zulke belangrijke gebeurtenissen dat het hebben van de kans G-fasen en controlepunten) om de integriteit van de cel te controleren voordat deze gebeurtenissen plaatsvinden, een noodzakelijke voorzorgsmaatregel is.
Begrijpen wat er in deze fasen gebeurt, staat centraal in onze begrijpen wat er mis gaat bij kanker.
Conclusie
Dit is een inleidend Biologisch overzicht van de G-fasen van de celcyclus; het is geenszins een uitputtende dekking van dit complexe onderwerp. De celcyclus is zo’n essentieel onderdeel van het bestaan van alle eukaryoten. Als zodanig is het belangrijk dat het strikt wordt gecontroleerd (door tumoronderdrukkers en proto-oncogenen).
De groeifasen zijn misschien wel de meest kritische fasen van de celcyclus. Wat gebeurt er in G1 van de celcyclus? G1 bereidt de cellen, vers uit de mitose, voor op een nieuwe ronde van DNA-replicatie door de nodige eiwitten en organellen te maken. G1 en G2, hoewel beide groeifasen zijn verschillend. Dus, wat gebeurt er in G2 van de celcyclus? De tweede groeifase begint met het voorbereiden van de cellen met nieuw gerepliceerd DNA voor toegang tot de mitosefase door het aanbrengen van de nodige organellen voor mitose.
De celcyclus is een essentieel onderdeel van de voortdurende persistentie van alle eukaryoten en prokaryoten.
Op zoek naar biologiepraktijken?
Start je biologie-voorbereiding met Albert. Start vandaag nog met uw AP®-examenvoorbereiding.
