Wprowadzenie do faz G1 i G2

W tym poście omówimy, co dzieje się w fazach G1 i G2 cyklu komórkowego. Podział komórki polega na utworzeniu większej liczby komórek poprzez powielenie zawartości jednej komórki, a następnie podzielenie tej komórki na dwie równe i identyczne komórki. Te komórki są identyczne z komórkami macierzystymi. W ten sposób hodujemy i zastępujemy uszkodzone komórki.

Kluczem do udanego podziału komórki jest zachowanie identyczności powstałych komórek. Dzieje się tak, ponieważ utrzymanie integralności komórki i zawartego w niej DNA ma kluczowe znaczenie dla przetrwania gatunku. Wiele organizmów ginie z powodu śmiercionośnych mutacji wynikających z naruszenia integralności DNA.

Kluczem do tego, jak ważna jest integralność DNA, jest liczba przeprowadzonych kontroli jakości komórek, aby upewnić się, że mogą pomyślnie rozmnażać się, kiedy powinny lub kiedy nie powinny. Komórki przechodzą cykl komórkowy i związane z nim kontrole, aby upewnić się, że każda utworzona komórka jest w idealnym stanie. Cykl komórkowy ma dwie główne fazy, fazę mitotyczną i fazę międzyfazową.

Interfaza to najdłuższa faza cyklu komórkowego. Wzrost komórek ma kluczowe znaczenie dla cyklu komórkowego i jest to główny cel interfazy. Pod koniec tej fazy DNA jest dwukrotnie większe, centriole uległy replikacji, a komórka jest wystarczająco duża do podziału. Interfaza jest podzielona na pierwszą fazę wzrostu (G1), syntezę (S) i drugą fazę wzrostu (G2) (rysunek 1). Fazy wzrostu są, jak można się było spodziewać, dla wzrostu komórki, podczas fazy syntezy replikacja DNA zachodzi w ramach przygotowań do drugiej fazy wzrostu.

Tutaj przyjrzymy się Fazy G (pierwszy i drugi wzrost) międzyfazy. Przyjrzymy się, co dzieje się na tych fazach, co następuje i dlaczego są one tak ważne dla naszego zrozumienia biologii.

Co się dzieje w G1 cyklu komórkowego?

W niektórych przypadkach, takie jak głód lub kiedy wytwarzana tkanka osiągnie docelowy rozmiar, komórki wyjdą z cyklu komórkowego i pozostaną w zastoju zwanym G0 (ryc. 1). Większość z tych komórek jest zdolna do ponownego wejścia w cykl komórkowy w fazie G1, jeśli zajdzie taka potrzeba. Komórki nerwowe nie regenerują się normalnie; pozostają w zastoju.

W G1 komórki osiągają większość swojego wzrostu; stają się większe i wytwarzają białka i organelle potrzebne do normalnych funkcji syntezy DNA. Tutaj syntetyzowane są białka i RNA, a zwłaszcza centromer i inne składniki centrosomów. Komórki są w pełni funkcjonalne; Oprócz misji dzielącej mogą również wykonywać swoje normalne funkcje. U kręgowców i drożdżaków diploidalnych liczba chromosomów w tej fazie wynosi 2n, podczas gdy u drożdży haploidalnych liczba chromosomów wynosi 1n.

Krótko mówiąc, pierwsza faza wzrostu to czas, w którym tuż po urodzeniu (w mitozie) komórka przygotowuje się do syntezy DNA (w fazie S).

Co się dzieje w G2 cyklu komórkowego?

Przyjrzeliśmy się, co dzieje się w pierwszej fazie wzrostu i co się dzieje w fazie S znajduje się w artykule „Co dzieje się w fazie S”, szczegóły replikacji DNA znajdują się w artykule „Co to jest DNA”. Teraz przejdźmy przez drugą fazę wzrostu, G2.

Druga faza wzrostu następuje po fazie S (synteza). Po fazie S komórka przechodzi przez punkt kontroli jakości, w którym (jak w każdym punkcie przejścia cyklu) sprawdzana jest integralność DNA. Następnie komórka wchodzi w drugą fazę wzrostu, w której otoczka jądra otacza jądro. W tej fazie utworzyły się dwa centrosomy (dzięki uprzejmości pierwszej fazy wzrostu); w komórkach zwierzęcych te centrosomy mają dwie centriole.

Należy zauważyć, że DNA replikowane w fazie S nie uległo jeszcze kondensacji w chromosomach. Organelle niezbędne do podziału komórki (w fazie M) są również syntetyzowane w fazie S. Mikrotubule, które będą używane do mobilizacji chromosomów w fazie M, są zebrane w G2.

Teraz wszystkie zadania wykonane podczas G2 można poprawnie wykonać tylko wtedy, gdy wydarzenia przed G2 przebiegną zgodnie z planem. Przystanki zwane punktami kontrolnymi są obecne wyłącznie w celu upewnienia się, że komórka pomyślnie zakończyła wszystkie zadania, które powinna wykonać po każdej fazie.Cykl komórkowy składa się z trzech punktów kontrolnych, a mianowicie M / G1 (Wyjście M), G1 / S (Enter S) i G2 / M (Enter M).

Punkty kontrolne

Exit M i Enter S Checkpoints

Zanim komórka wejdzie w fazę G1 interfazy, przechodzi przez punkt kontrolny Exit M. Tutaj komórka jest sprawdzana, aby upewnić się, że zakończyła fazę mitozy i jest gotowa do pierwszej fazy wzrostu. W szczególności komórki są sprawdzane, aby zobaczyć, czy zakończyły podział komórkowy i czy chromosomy są prawidłowo wyrównane i czy są przyczepione do wrzecion.

Zanim komórka przejdzie do fazy S, przechodzi przez punkt kontrolny G1 / S, zwany także Enter S, w którym sprawdzany jest stan odżywienia komórki i integralność DNA. Jest to szczególnie ważny krok dla komórki, która ma wejść w fazę S. W przypadku drożdży rozmiar komórki jest używany jako wskaźnik zastępczy do określenia, czy są one gotowe do przejścia do następnej fazy.

Kiedy i jak przechodzą komórki przez cykl komórkowy jest ściśle kontrolowany przez mnóstwo białek regulatorowych . Białka te dzielą się na dwie grupy zwane cyklinami i kinazami zależnymi od cyklin (Cdk). Aktywność Cdk zmienia się wraz z cyklinami. Cykliny to białka, które regulują czas cyklu komórkowego. Ich poziomy zmieniają się w cyklu komórkowym, stąd ich nazwa.

Późno w mitozie, Cdc14 (fosfataza) jest przetrzymywana jako zakładniczka w jąderkach; zapobiega to aktywacji czynnika specyficzności APC (Cdh1), który jest niezbędny do poliubikwitynacji dalszych cyklin. Zapobiega to niezbędnemu spadkowi aktywności czynnika sprzyjającego dojrzewaniu (kompleksu cyklina / CDK), który zatrzymuje progresję do telofazy.

Telofaza jest wystarczająco długa, aby sprawdzić, czy chromosomy zostały prawidłowo segregowane. Po potwierdzeniu Cdc14 zostanie zwolniony. Związana z tym kaskada w dół strumienia prowadzi do obniżenia poziomów MPF, co powoduje progresję komórki poza telofazę, wyjście z fazy mitozy i przejście do G1. Wszystko, co dzieje się w telofazie i wynikającej z niej cytokinezie, określamy jako wyjście z mitozy.

Po fazie mitozy komórka wchodzi w fazę G1. Po wejściu kompleksy pre-replikacyjne DNA ustawiają się na początku, przygotowując się do replikacji DNA w fazie S. Cyklina-CDK G1 (cyklina D / CDK2) dezaktywuje Cdh1, aktywując w ten sposób ekspresję składników cykliny-CDK fazy S (np. Cykliny E / CDK2). Inhibitor kompleksu cyklina-CDK fazy S jest fosforylowany, co oznacza, że ulega degradacji przez 5 SCF / proteasom. To działanie pozostawia kompleksowi cyklina-CDK swobodę inicjowania lub przemieszczania komórki do następnej fazy cyklu, fazy S. Ta kaskada sygnalizacyjna sama w sobie jest dość konserwatywna w różnych grupach, ale konkretne cykliny i ich CDK mogą się różnić.

Punkt kontrolny G1 wydaje się być wyznacznikiem losu komórki w cyklu komórkowym. Jeśli komórka dostanie zielone światło w punkcie kontrolnym G1, zwykle wykonuje rundy (kończąc cykl i dzieląc). W przeciwnym razie całkowicie wychodzi z cyklu, wchodząc w fazę G0.

Wprowadź M i regulację fazy G2

Punkt kontrolny Enter M wpływa na wyjście z fazy G2. Przy każdym przejściu cyklu komórkowego komórki są stale sprawdzane pod kątem integralności DNA, gdzie (w przypadku przejścia z S w G2) nowo zduplikowany DNA jest sprawdzany pod kątem mutacji iw razie potrzeby utrwalany. Po przejściu tej fazy przejściowej komórka jest gotowa do fazy G2. Cykliny i kompleksy kinaz zależnych od cyklin (CDK) również kontrolują tutaj przejścia, podobnie jak w G1.

Aktywność cyklin i ich CDK jest regulowana przez fosforylację (przez kinazę aktywującą CDK; CAK) i defosforylacja (przez fosfatazę KAP) specyficznych reszt (zwykle tyrozyny) miejsca wiązania ATP w CDK.

Kontrola punktu kontrolnego Enter M jest w większości podobna u eukariontów, z większością cyklin i ich CDK posiadające homologi w różnych grupach eukariotycznych. Tutaj skupimy się na przykładzie drożdży rozszczepiających (Schizosaccharomycespombe). Cztery białka biorą udział w regulacji aktywności kinazy białkowej CDK u drożdży rozszczepionych w kontroli wejścia w mitozę. Zanim przejdziemy dalej, warto zauważyć, że drożdże rozszczepialne mają tylko jedną CDK, podczas gdy kręgowce mają rodzinę CDK.

W drożdżach rozszczepionych mitotyczna cyklina Cdc13 tworzy kompleks z CDK, tworząc czynnik sprzyjający dojrzewaniu (MPF). Kinaza białkowo-tyrozynowa zwana Wee1 działa jako inhibitor tego kompleksu poprzez fosforylację tyrozyny 15 podjednostki CDK. Następnie CAK fosforyluje aktywującą treoninę 161. Ta podwójna fosforylacja dezaktywuje MPF, opóźniając przejście komórki z fazy G2 do fazy M. Pojawia się fosfataza Cdc25 i defosforyluje tyrozynę, aktywując w ten sposób MPF. Wysoce aktywny MPF może teraz odciążyć komórkę i przenieść ją do fazy mitotycznej.

Po raz kolejny komórka przechodzi w mitozę, nurkuje, a następnie wchodzi w fazę G1.Tutaj ponownie zadaje się to samo pytanie: „Czy komórka jest przeznaczona na kolejny cykl komórkowy, czy też powinna wyjść?” Po podjęciu decyzji komórka przechodzi lub wychodzi.

Czym różni się G1 od G2?

Mamy nadzieję, że już to oszacowałeś na podstawie powyższych sekcji. Oto sedno wiemy, że cała interfaza obejmuje wzrost i podział komórek. Jedna znacząca różnica między fazami wzrostu polega na tym, że pierwsza faza wzrostu dotyczy wzrostu komórki, podczas gdy G2 dotyczy podziału komórki. Ważne jest, aby w pełni zrozumieć role te luki (opisane powyżej).

Dlaczego fazy międzyfazowe G1 i G2 są tak ważne w naszym zrozumieniu biologii?

Głównym celem cyklu komórkowego jest podział komórki. Jeśli fazy wzrostu nie spełniają swoich ról, wtedy komórka byłaby zmniejszana o połowę przy każdym podziale komórki, aż nie byłoby nic do podziału, ponieważ replikacja DNA nie byłaby udana bez niezbędnych białek i organelli syntetyzowanych w pierwszej fazie wzrostu.

Aby podkreślić, jak ważne są te fazy, przyjrzymy się, co się wydarzyło ns, jeśli pójdą źle. Jednym ze słynnych przykładów nieprawidłowego cyklu komórkowego jest rak. Mówiąc najprościej, rak to niekontrolowany wzrost komórek. W przypadku raka komórki tracą zdolność rozpoznawania, kiedy są uszkodzone i powinny wyjść z cyklu i, najlepiej, przejść przez apoptozę (zaprogramowaną śmierć komórki).

Rak wynika z defektów kontroli cyklu komórkowego (guz supresory i protoonkogeny). Jeśli supresory nowotworów nie spowolnią cyklu komórkowego w celu sprawdzenia integralności komórki, wówczas komórka może przejść do syntezy DNA, zanim będzie gotowa, co spowoduje wadliwą replikację DNA.

Aby komórka przeszła replikację DNA przed jest gotowa, byłaby katastrofalna. Jak to, pytasz? Białka kontrolujące czas cyklu komórkowego są kodowane przez DNA. Tak więc, jeśli coś pójdzie nie tak w replikacji, błędy mogą się skumulować i potencjalnie wpłynąć na wiele innych regionów kodujących, wśród których mogą być inne regiony kodujące jeszcze więcej regulatorów. Doprowadziłoby to do całkowitego zerwania cyklu komórkowego, prowadząc do proliferacji komórek nowotworowych. Jeśli te uszkodzone komórki zaatakują inne narządy lub tkanki, mogą spowodować śmierć chorego osobnika.

Teraz, gdy przeszliśmy przez ogólny mrok i zagładę, skupmy się na konkretnym problemie – niepowodzeniu G1. Po pierwsze, G1 decyduje, kiedy komórka może się dzielić na podstawie warunków środowiskowych, stanu zdrowia i rozmiaru komórki. Jeśli ta decyzja zostanie podjęta, zdrowie komórki nie zostanie sprawdzone i ponownie uszkodzone komórki przejdą do fazy S, zanim będą gotowe.

Załóżmy, że komórka przechodzi właśnie przez pierwszą fazę wzrostu. dobrze, ale wpada na przeszkodę na G2. Oznaczałoby to, że na przykład mikrotubule nie gromadzą się tutaj, co oznacza, że chromosomy nie są mobilizowane. Najprawdopodobniej doprowadziłoby to do braku dysjunkcji, a tym samym do komórek z nierówną liczbą chromosomów.

Luki (1 i 2) są niezbędne do zabezpieczenia replikacji DNA i mitozy. Jak to, pytasz? Wróćmy do problemu replikacji DNA, jeśli replikujący się DNA ulegnie kondensacji, zanim będzie gotowy, pęknie. Ponadto, jeśli replikacja następuje tuż przed mitozą, następuje nierówna separacja materiału genetycznego. Dlatego ważne jest, aby replikacja i mitoza były oddzielone fazami G, aby przygotować komórki. Replikacja i mitoza DNA są tak ważnymi wydarzeniami, że posiadanie szansy faz G i punktów kontrolnych na sprawdzenie integralności komórki przed wystąpieniem tych zdarzeń jest niezbędnym środkiem ostrożności.

Zrozumienie tego, co dzieje się w tych fazach, ma kluczowe znaczenie dla naszego zrozumienie, co dzieje się nie tak w przypadku raka.

Podsumowanie

To jest wstępny przegląd biologiczny faz G cyklu komórkowego; w żadnym wypadku nie jest to wyczerpujące omówienie tej złożonej tematyki. Cykl komórkowy jest tak istotną częścią istnienia wszystkich eukariontów. W związku z tym ważne jest, aby był ściśle kontrolowany (przez supresory nowotworów i protoonkogeny).

Fazy wzrostu są prawdopodobnie najbardziej krytycznymi fazami cyklu komórkowego. Co dzieje się w G1 cyklu komórkowego? G1 przygotowuje komórki świeżo po mitozie do kolejnej rundy replikacji DNA, wytwarzając niezbędne białka i organelle. G1 i G2, chociaż oba są fazami wzrostu, są różne. A więc co dzieje się w G2 cyklu komórkowego? Druga faza wzrostu zaczyna się przygotowywać komórki z nowo zreplikowanym DNA do wejścia w fazę mitozy poprzez umieszczenie niezbędnych organelli do mitozy.

Cykl komórkowy jest istotną częścią trwałej trwałości wszystkich eukariontów i prokariota.

Szukasz praktyki z biologii?

Rozpocznij przygotowanie biologiczne z Albertem. Rozpocznij przygotowanie do egzaminu AP® już dziś.