Introduktion till G1- och G2-faser

I det här inlägget kommer vi att diskutera vad som händer i G1- och G2-faserna i cellcykeln. Celldelning innebär att man gör fler celler genom att duplicera innehållet i en cell och sedan dela upp den i två lika och identiska celler. Dessa celler är identiska med modercellen. Det är så vi växer och ersätter skadade celler.

Nyckeln till en framgångsrik celldelning är att hålla de resulterande cellerna identiska. Detta beror på att upprätthålla cellens integritet och DNA som finns i det är centralt för artens överlevnad. Många organismer försvinner på grund av dödliga mutationer till följd av komprometterad DNA-integritet.

Ledtråden till hur viktig DNA-integritet är ligger i antalet kvalitetskontroller som celler införs för att säkerställa att de framgångsrikt kan sprida sig när de borde eller när de inte borde. Celler går igenom cellcykeln och tillhörande kontroller för att säkerställa att varje cell som skapas är i perfekt skick. Cellcykeln har två huvudfaser, den mitotiska fasen och interfasen.

Interfas är den längsta fasen i cellcykeln. Celltillväxt är central i cellcykeln, och detta är det primära syftet för interfas. I slutet av denna fas finns det dubbelt så mycket DNA, centrioler har replikerats och cellen är tillräckligt stor för celldelning. Interfas är uppdelat i den första tillväxtfasen (G1), syntesen (S) och den andra tillväxtfasen (G2) (figur 1). Tillväxtfaserna är, som du kanske har misstänkt, för cellens tillväxt, under syntesfasen sker DNA-replikationen som förberedelse för den andra tillväxtfasen.

Här tar vi en titt på G-faser (första och andra tillväxt) av interfasen. Vi kommer att titta på vad som händer i dessa faser, vad som följer och varför de är så viktiga för vår förståelse för biologi.

Vad händer i G1 i cellcykeln?

I vissa fall, såsom svält eller när vävnaden under generation har nått sin riktade storlek kommer cellerna att lämna cellcykeln och stanna kvar i stas som kallas G0 (figur 1). De flesta av dessa celler kan åter komma in i cellcykeln vid G1 om behovet skulle uppstå. Nervceller regenererar normalt inte; de förblir stillastående.

I G1 åstadkommer celler det mesta av sin tillväxt; de blir större i storlek och gör proteiner och organeller som behövs för normal funktion av DNA-syntes. Här syntetiseras proteiner och RNA och närmare bestämt framställs centromeren och de andra komponenterna i centrosomerna. Cellerna är fullt funktionella; förutom att vara på ett uppdelningsuppdrag kan de också utföra sina normala funktioner. Hos ryggradsdjur och diploida jästar är kromosomantalet 2n vid denna fas, medan i haploida jästar är kromosomantalet 1n.

Kort sagt, den första tillväxtfasen är tiden när strax efter födseln (i mitos) cell förbereder sig för DNA-syntes (i S-fas).

Vad händer i G2 i cellcykeln?

Vi har tittat på vad som händer vid den första tillväxtfasen och vad som händer vid S-fasen finns i artikeln ”Vad händer i S-fasen”; detaljerna om DNA-replikering finns i ”Vad är DNA”. Låt oss nu ta en snabb resa genom den andra tillväxtfasen, G2.

Den andra tillväxtfasen följer S-fasen (syntes). Efter S-fasen går cellen genom en kvalitetskontrollpunkt där (som i varje övergångspunkt i cykeln) DNA: s integritet kontrolleras. Efter detta går cellen in i den andra tillväxtfasen där kärnhöljet omsluter kärnan. I denna fas har två centrosomer bildats (med tillstånd av den första tillväxtfasen); i djurceller har dessa centrosomer två centrioler.

Det är viktigt att notera att DNA som replikerats i S-fasen ännu inte har kondenserats till kromosomer. Organellerna som är nödvändiga för celldelningen (i M-fas) syntetiseras också i S-fasen. Mikrotubuli som kommer att användas för att mobilisera kromosomerna i M-fas är monterade vid G2.

Nu kan alla uppgifter som utförs under G2 endast uppnås ordentligt om händelserna före G2 har gått som planerat. Gropstoppar som kallas kontrollpunkter finns för det enda syftet att säkerställa att cellen framgångsrikt har avslutat alla uppgifter som den ska utföra efter varje fas.Cellcykeln består av tre kontrollpunkter, nämligen M / G1 (utgång M), G1 / S (Enter S) och G2 / M (Enter M).

Kontrollpunkter

Avsluta M och ange S-kontrollpunkter

Innan cellen går in i G1-fasen i mellanfasen, går den genom kontrollen Exit M. Här kontrolleras cellen för att säkerställa att den har avslutat mitosfasen och är redo för den första tillväxtfasen. Specifikt kontrolleras cellerna för att se om de har slutfört celldelningen och om kromosomerna har justerats ordentligt och för att säkerställa att de är fästa vid spindlar.

Innan cellen förbinder sig till S-fasen går den igenom G1 / S-kontrollpunkten, även kallad Enter S, där cellens näringsstatus och DNA-integriteten kontrolleras. Detta är ett särskilt viktigt steg för en cell som ska gå in i S-fasen. I jäst används cellstorleken som en proxy för att avgöra om den är redo att gå vidare till nästa fas.

När och hur celler går igenom cellcykeln styrs tätt av en uppsjö av reglerande proteiner . Dessa proteiner faller i två grupper som kallas cykliner och cyklinberoende kinaser (Cdks). Aktiviteten hos Cdks varierar tillsammans med cyklinerna. Cykliner är proteiner som reglerar tidpunkten för cellcykeln. Deras nivåer fluktuerar i cellcykeln, därav deras namn.

Sen i mitos hålls Cdc14 (ett fosfatas) som gisslan i nukleoli; detta förhindrar aktivering av APC-specificitetsfaktor (Cdhl) som är nödvändig för att polyubikitinera nedströms cykliner. Detta förhindrar den nödvändiga minskningen av aktiviteten hos mognadsfrämjande faktor (ett cyklin / CDK-komplex) som stoppar progression till telofas.

Telofasen förlängs tillräckligt länge för att kontrollera att kromosomer har separerats ordentligt. När detta har bekräftats släpps Cdc14. Den associerade nedströms kaskaden leder till sänkta nivåer av MPF som uppmanar progressionen av cellen efter telofas, lämnar mitosfasen och går in i G1. Allt som händer i telofasen och den resulterande cytokinese är vad vi kallar utgång från mitos.

Efter mitosfasen går cellen in i G1-fasen. Vid inträde positionerar DNA-förreplikationskomplexen sig vid ursprung som förbereder sig för DNA-replikering vid S-fas. Gl-cyklin-CDK (cyklin D / CDK2) inaktiverar Cdhl, varigenom uttrycket av S-fas cyklin-CDK-komponenter aktiveras (t.ex. cyklin E / CDK2). Inhibitorn av S-fas cyklin-CDK-komplexet fosforyleras, vilket markerar det för nedbrytning med 5 SCF / proteasom. Denna åtgärd lämnar cyklin-CDK-komplexet fritt att initiera eller flytta cellen till nästa fas av cykeln, S-fasen. Själva denna signalkaskad är ganska konserverad över grupper, men de specifika cyklinerna och deras CDK kan variera.

G1-kontrollpunkten verkar vara avgörande för cellens öde i cellcykeln. Om en cell får grönt ljus vid G1-kontrollpunkten gör det vanligtvis rundorna (slutför cykeln och dela). Annars avslutas cykeln helt och hållet och går in i G0-fasen.

Ange M och regleringen av G2-fasen

Enter M-kontrollpunkten påverkar utgången från G2-fasen. Vid varje övergång av cellcykeln kontrolleras cellerna kontinuerligt med avseende på DNA-integritet, där (i fallet med S till G2-övergång) det nyligen duplicerade DNA kontrolleras för mutationer och fixeras vid behov. När denna övergångsfas är klar är cellen redo för G2-fasen. Cykliner och de cyklinberoende kinaserna (CDKs) -komplexen styr också övergångarna här, ungefär som i G1. och defosforylering (av en fosfatas-KAP) av specifika rester (vanligtvis tyrosin) av ATP-bindningsstället för CDK: erna.

Kontrollen av Enter M-kontrollpunkten är mestadels lik över eukaryoter, med de flesta cykliner och deras CDK: er som har homologer i olika eukaryota grupper. Här kommer vi att fokusera på fissionsjäst (Schizosaccharomycespombe) som ett exempel. Fyra proteiner är inblandade i regleringen av proteinkinasaktiviteten hos CDK i klyvningsjäst vid kontroll av inträde i mitos. Innan vi fortsätter är det värt att notera att klyvningsjäst bara har en CDK medan ryggradsdjur har en familj av CDK.

I klyvningsjäst bildar mitotisk cyklin, Cdc13, ett komplex med CDK för att bilda mognadsfrämjande faktor (MPF). Proteintyrosinkinaset kallat Wee1 fungerar som en hämmare av detta komplex genom att fosforylera tyrosinet 15 i CDK-underenheten. Sedan fosforylerar en CAK en aktiverande treonin 161. Denna dubbla fosforylering inaktiverar MPF, vilket fördröjer cellens progression från G2 till M-fas. Ett fosfatas, Cdc25, kommer och avfosforylerar tyrosin och aktiverar därmed MPF. Den mycket aktiva MPF kan nu avlasta cellen och flytta den vidare till den mitotiska fasen.

Återigen går cellen in i mitos, dyker och går sedan in i G1.Här ställs samma fråga igen, ”är cellen ödet för en ny cellcykelresa eller ska den gå ut?” När beslutet har fattats går cellen igenom eller går ut.

Hur skiljer sig G1 från G2?

Vi hoppas att du redan mätte detta från avsnitten ovan. Här är kärnan av det omfattar hela interfasen celltillväxt och celldelning, det vet vi. En signifikant skillnad mellan tillväxtfaser är att den första tillväxtfasen handlar om celltillväxt medan G2 handlar om celldelning. Det är viktigt att helt förstå rollerna för dessa luckor (skisserade ovan).

Varför är G1- och G2-faserna i interfas så viktiga i vår förståelse för biologi?

Cellcykelns primära syfte är celldelning. Om tillväxtfaserna inte fullgöra sina roller, då skulle cellen halveras vid varje celldelning tills det inte finns något att dela. Detta beror på att DNA-replikering inte skulle lyckas utan de nödvändiga proteinerna och organellerna som syntetiserades i den första tillväxtfasen.

För att betona hur viktiga dessa faser är kommer vi att ta en titt på vad som händer ns om de går fel. Ett känt exempel på att cellcykeln gått fel är cancer. Enkelt uttryckt är cancer okontrollerad celltillväxt. I cancer förlorar cellerna sin förmåga att berätta när de är skadade och bör lämna cykeln och helst genom apoptos (programmerad celldöd).

Cancer beror på defekter i cellcykelkontrollen (tumör suppressorer och proto-onkogener). Om tumörundertryckare inte saktar ner cellcykeln för cellintegritetskontroller, kan cellen gå vidare till DNA-syntes innan den är klar, vilket resulterar i felaktig DNA-replikering.

För att en cell ska gå igenom DNA-replikering innan det är klart skulle vara katastrofalt. Hur är det, frågar du? Proteinerna som styr tidpunkten för cellcykeln kodas av av DNA: t. Således, om något går fel vid replikering, kommer misstag sannolikt att ackumuleras och potentiellt påverka många andra kodningsregioner, bland vilka kan vara andra regioner som kodar för ännu fler regulatorer. Detta skulle leda till att cellcykeln går helt ur funktion, vilket leder till att tumörceller sprider sig. Om dessa skadade celler invaderar andra organ eller vävnader kan de leda till att den drabbade individen dör.

Nu när vi har gått igenom den övergripande dysterheten och undergången, låt oss fokusera på ett specifikt problem – misslyckande av G1. För det första bestämmer G1 när en cell kan dela sig baserat på miljöförhållanden, hälsa och cellstorlek. Om detta beslut tas bort skulle cellens hälsa inte kontrolleras och återigen skadade celler som går igenom S-fasen innan de är klara.

Låt oss anta att cellen fortsätter genom den första tillväxtfasen precis bra men stöter på ett hinder på G2. Detta skulle innebära att mikrotubuli till exempel inte monteras här, vilket innebär att kromosomerna inte mobiliseras. Detta skulle sannolikt leda till icke-disjunktion och därför till celler med ett ojämnt antal kromosomer.

Gapet (1 och 2) är väsentliga för att skydda DNA-replikering och mitos. Hur är det, frågar du? Låt oss återgå till DNA-replikering som gått fel om replikerande DNA kommer i kondens innan det är klart att det går sönder. Om replikering sker strax före mitos får du ojämn separation av genetiskt material. Således är det viktigt att hålla replikering och mitos åtskilda av G-faserna för att förbereda cellerna. DNA-replikering och mitos är sådana viktiga händelser att det är en nödvändig försiktighetsåtgärd att ha chanserna G-faser och kontrollpunkter) för att kontrollera cellens integritet innan dessa händelser inträffar.

Att förstå vad som händer i dessa faser är viktigt. förståelse för vad som går fel i cancer.

Slutsats

Detta är en inledande biologisk översikt över G-faserna i cellcykeln; det är inte på något sätt ett uttömmande omslag av detta komplexa ämne. Cellcykeln är en så viktig del av existensen av alla eukaryoter. Som sådan är det viktigt att den kontrolleras tätt (av tumörundertryckare och proto-onkogener).

Tillväxtfaserna är kanske de mest kritiska faserna i cellcykeln. Vad händer i G1 i cellcykeln? G1 förbereder cellerna friska från mitos för en ny runda av DNA-replikering genom att göra nödvändiga proteiner och organeller. G1 och G2, även om båda är tillväxtfaser är olika. Så, vad händer i G2 i cellcykeln? Den andra tillväxtfasen börjar förbereda cellerna med nyligen replikerat DNA för inträde i mitosfasen genom att få på plats de nödvändiga organellerna för mitos.

Cellcykeln är en viktig del av den fortsatta uthålligheten hos alla eukaryoter. och prokaryoter.

Letar du efter biologiutövning?

Kickstart din biologiska förberedelse med Albert. Starta din AP®-examensförberedelse idag.