Hücre Döngüsü ve Kontrolü SUNUMU

Hücre Döngüsü ve Kontrolü Prof. Dr. Oğuz Altungöz, PhD. Tıbbi Biyoloji ve Genetik Anabilim Dalı  Genetik açıdan özdeş, yavru hücreler HÜCRE BÖLÜNMESİ HÜCRE BÜYÜMESİ VE...

Hücre Döngüsü ve Kontrolü Prof. Dr. Oğuz Altungöz, PhD. Tıbbi Biyoloji ve Genetik Anabilim Dalı  Genetik açıdan özdeş, yavru hücreler HÜCRE BÖLÜNMESİ HÜCRE BÜYÜMESİ VE HÜCRE KROMOZOM DÖNGÜSÜ REPLİKASYONU KROMOZOM AYRIŞMASI Hücre çoğalması vs. Hücre Büyümesi Erken Embriyonik Hücre Döngüsü  M A P T Sitokinez M 1 saat* Nöronlar G2 Bağırsak epiteli G1 Kas hücreleri 4 saat* Deri G0 11 saat* Kemik iliği S 8 saat* Karaciğer hücreleri Böbrek proksimal tübül hücreleri * Hücre kültürü (in vitro) koşullarında Alberts, B., Molecular biology of the cell, 6th edition.  Akış Sitometrisi Analizi (”Flow Cytometer”) G1 Fazı Hücreleri BrdU deoksitimidin Hücre sayısı G2 ve M Fazı Hücreleri S Fazı Hücreleri Hücre başına göreli DNA miktarı Alberts, B., Molecular biology of the cell, 6th edition. FUCI (fluorescent ubiquitylation based cell cyle indicator) ▪ Geminin (GMNN, DNA Replication Inhibitor) ▪ Cdt1 (DNA Replication Factor)  Hücre Döngüsü Denetim Sistemi Tüm kromozomalar iğ ipliklerine DNA replikasyonu tamamlandı mı? bağlandı mı? Çevre koşulları uygun mu? METAFAZ – ANAFAZ GEÇİŞİ G2/M GEÇİŞİ ANAFAZIN TETİKLENMESİ MİTOZA GİRİŞ SİTOKİNEZE GEÇİŞ DNA hasarı denetimi DNA hasarı denetimi HÜCRE DÖNGÜSÜ GİRİŞİ VE S FAZINA GEÇİŞ G1/S GEÇİŞİ Mitojenik büyüme faktörleri  Kusurlu Denetim Noktası Rad17 ∅ Bub1 ∅ ATR ∅ fra fra R.A. Weinberg, “The Biology of Cancer”, 2nd ed.  siklin Siklin-bağımlı kinaz (Cdk) Siklin ve siklin-bağımlı kinazlar hücre döngüsü denetim sisteminin iki anahtar bileşenidir. Siklinler Cdk ile kompleks oluşturduğunda, spesifik hücre döngüsü olaylarını tetikleyen protein kinaz etkisi oluşur. Cdk tek başına olduğunda etkin değildir.  Tüm ökaryotik hücrelerde, hücre döngüsünün ilgili evresiyle tanımlanan dört farklı siklin sınıfı bulnur. G1-Cdk G1/S-siklinler, Cdk’yı geç G1 evresinde etkinleştirerek hücrenin döngü başlangıç noktasını geçmesini sağlar. S-siklinler, başlangıç noktasının geçilmesinden hemen sonra Cdk’ya bağlanarak DNA sentezinin (kromozom duplikasyonu) başlamasını uyarır. S-siklin düzeyi mitoz bölünmeye kadar yüksek kalır. M-siklinler, G2/M geçişinde mitozu uyaran Cdk moleküllerini etkinleştirir. G1 siklinler G1/S-siklinlerinin etkinliğinin düzenlenmesinde rol oynar.  Rb Siklin D-Cdk4/6 Siklin E-Cdk2 Siklin A-Cdk2/1 Siklin B-Cdk1  Cdk Etkinliği: Yapı-İşlev İlişkisi Siklin Cdk etkinleştirici kinaz (CAK) Cdk Etkinleştirici fosfat İnaktif Kısmi aktif Tam aktif Çizimler Cdk ve siklin A’nın X-ışını kristalografisine dayanarak oluşturulmuştur. ATP bağlanma noktası ve enzimin üç farklı işlevsel durumu görülmektedir. (A) Siklinin bağlı olmadığı inaktif durumda, aktif bölge T-halkası (kırmızı) tarafından engellenmiş durumdadır. (B) Siklinin bağlanması T-halkasının aktif bölgeden uzaklaşmasına neden olarak Cdk2’nin kısmi aktivasyonuna yol açar. (C) Cdk2’nin CAK tarafından, T-halkasındaki treoninden fosforillenmesi T- halkasının yapısını değiştirerek enzimi daha etkin hale getirir. Böylece enzimin protein substratlarına bağlanması daha da kolaylaşır. Protein Fosforilasyonu ve Defosforilasyonu Cdk Etkinliğinin Fosforilasyonla Düzenlenmesi Chk1 In carcinogenesis, certain cyclins are often involved due to their roles in cell cycle regulation, and their dysregulation can lead to uncontrolled cell proliferation, a hallmark of cancer. Here are some cyclins commonly implicated in cancer: Cyclin D: Overexpression or amplification of cyclin D1 is frequently observed in several types of cancer, including breast, lung, and various lymphomas. Cyclin D partners with CDK4/6 to push cells through the G1 phase, and its dysregulation can result in unchecked progression into the S phase. Cyclin E: Abnormal cyclin E activity, often due to overexpression, is associated with breast and ovarian cancers. Cyclin E, in association with CDK2, is critical for the G1 to S phase transition. Cyclin A: While less commonly highlighted, cyclin A overexpression has been noted in some cancers, particularly in relation to its role in DNA synthesis and cell division. Cyclin B: Dysregulation of cyclin B, which is involved in mitosis when bound to CDK1, can lead to genomic instability, a feature often seen in cancer cells. Aberrations in the regulatory pathways of these cyclins—such as mutations in their genes, overexpression due to gene amplification, or loss of regulatory control—are frequently implicated in the development and progression of various cancers. Addressing these dysregulations is a focus of cancer research and therapy. Cyclin-dependent kinases (CDKs) themselves are typically not mutated in cancer, but their activity and regulation are often disrupted in cancer cells. Here are some key points on their involvement in cancer: 1. Dysregulation: In many cancers, the normal regulatory mechanisms that control CDK activity are altered. This can result from overexpression of cyclins, loss of CDK inhibitors (like p16, p21, or p27), or mutations in upstream signaling pathways. Such dysregulation leads to uncontrolled cell cycle progression and proliferation. 2. CDK Inhibitors: Mutations or deletions in CDK inhibitors (CKIs) are prevalent in various cancers. For instance, loss of CDK inhibitor p16INK4A is frequently observed in melanoma and pancreatic cancer, which removes the inhibition of CDK4/6 and promotes cell cycle progression. 3. Therapeutic Targets: The critical role of CDKs in cell cycle control has made them valuable targets for cancer therapy. Inhibitors of CDK4 and CDK6, such as palbociclib, ribociclib, and abemaciclib, are used in the treatment of hormone receptor-positive breast cancer, effectively slowing tumor growth by halting the cell cycle. 4. CDK2 and CDK1 in Cancer: Abnormal expression and activity of CDK2 and CDK1 have also been implicated in various types of cancer. For example, overexpression of CDK2 is associated with advanced stages of breast cancer, while CDK1 can promote tumor progression in various malignancies.  Mitojenik Uyarı ve Hücre Döngüsüne Giriş Grb2: Growth factor receptor-bound protein-2 Alberts, B., Molecular biology of the cell, 6th edition. RAS (GTPaz Protein)  Mitojenik Uyarı ve Hücre Döngüsüne Giriş Alberts, B., Molecular biology of the cell, 6th edition.  Siklin D1 Düzeyinin Kontrolü Makrofaj Hücrelerinin CSF-1 Maruziyeti AP1: Transkripsiyon Faktörü (Fos-Jun Heterodimeri) Siklin D1 mRNA düzeyleri R.A. Weinberg, “The Biology of Cancer”, 2nd ed.  Farklı siklin-Cdk kompleksleri farklı hücre döngüsü olaylarını nasıl tetikler? Siklin proteinleri yalnızca kendi Cdk partnerini etkinleştirmekle kalmaz, aynı zamanda özgül proteinlerin hedeflenmesini de sağlar. Böylece, farklı Cdk-siklin kompleksleri farklı grup substrat proteinleri fosforiller. Aynı türden Cdk-siklin kompleksi hücre döngüsünün farklı zamanlarında farklı etkiler gösterebilir.  Siklin-Cdk Kompleksinin CKI* ile İnhibisyonu Siklin D-Cdk4 *CKI: Cdk inhibitor proteinleri Cip/Kip Ailesi: p21, p27, p57 CDK İnhibitörlerinin Etkileri CDC2 (CDK1) R.A. Weinberg, “The Biology of Cancer”, 2nd ed. Proteinlerin Ubikutin ile İşaretlenmesi Proteinlerin Ubikutin ile İşaretlenmesi E1: Ubikitin etkinleştirici enzim (“ubiquitin-activating enzyme”) E2: Ubikitin bağlayıcı enzim (“ubiquitin-conjugating enzyme”) E3: Ubikitin ligaz SCF (Skp, Cullin, F-box containing complex): Protein Yıkımı Aracılığı ile Cdk Kompleksi Etkinliğinin Düzenlenmesi Belli başlı Hücre Döngüsü Düzenleyici Proteinler Cdk’ları modifiye eden protein kinaz ve fosfatazlar Cdk Etkinleştirici Kinaz (CAK) Cdk’ların etkin bölgesini fosforiller Wee1 Kinaz Cdk’ların inhibitör bölgesini fosforiller; özellikle mitoz öncesi Cdk1 etkinliğini baskılar Cdc25 fosfataz İnhibitör fosfatı Cdk’lardan uzaklaştırır. Cdk İnhibitör Proteinleri p27 G1 evresinde, G1/S Cdk ve S-Cdk etkinliklerini baskılar p21 DNA hasarı sonrası, G1/S Cdk ve S-Cdk etkinliklerini baskılar p16 G1 evresinde G1-Cdk etkinliğini baskılar; kanserde sıklıkla inaktive olur Ubikitin Ligazlar ve Aktivatörleri APC/C Mitozdan çıkışla ilgili düzenleyici proteinlerin (sekürin, S- ve M- siklinler) ubikitinleşmesini katalizler Cdc20 Tüm hücrelerde APC/C etkinleştirici alt-birim; metafaz-anafaz geçişinde APC/C etkinliğini tetikler; M-Cdk etkinliğini uyarır Cdh1 Anafazdan sonra G1 boyunca APC/C etkinliğini sağlayan APC/C etkinleştirici alt-birim SCF G1 denetiminden sorumlu düzenleyici proteinlerin ubikitinleşmesini katalizler  Hücre Döngüsü Denetim Sistemine Genel uygun çevresel Bakış mitotik iğ ipliklerine koşullar ve tamamlanmamış tutunmamış mitojenik uyarı DNA hasarı DNA replikasyonu DNA hasarı kromozomlar G1/S siklin sentezi + DNA re-replikasyonu S-siklin sentezi DNA replikasyonu: DNA eşlenmesi; DNA sentezi DNA re-replikasyonu: Devam etmekte olan DNA sentezinin replikasyon orijinininde tekrar tekrar başlaması. DNA Hasarı ve Hücre Döngüsünün Durdurulması  DNA Replikasyonun Başlatılması MCM helikaz proteinleri replikasyon orjinine ORC (Orijin Tanıma Komplesi) iel birlikte bağlanır G1 evresinde bağlanır. Bu yapı öncül-replikasyon kompleksini oluşturur. DNA replikasyonu S evresinde “Cdk2/siklin E” ve DDK protein kinaz tarafından başlatılır. DDK, MCM proteinlerini fosforillerken, Cdk2 komplekse katılacak diğer preotinleri fosforilleyerek MCM’yi etkinleştirir. MCM proteinlerinin S, G2 ve M evrelerinde ORC’ye tekrar bağlanmaları engellenir. Öncül-replikasyon kompleksi yalnızca G1 evresinde oluşabilir.  Kromozom Duplikasyonunun Denetimi replikasyon orijinlerindeki pre-replikatif protein kompleksleri S-Cdk aktivasyonu REPLİKASYONUN BAŞLAMASI preRC replikasyon çatalları REPLİKASYONUN UZAMASI M-Cdk aktivasyonu KROMOZOMLARIN AYRIŞMASI pre-replikatif protein komplekslerinin tekrar oluşması Kromozom duplikasyonu: Kromozomların kopyalanarak niceliğinin iki katına çıkması. Gen Amplifikasyonu ve Kanser hsr OA M-Cdk Aktivasyonu Chk1  METAFAZ sentrozom Metafazda, kromozomlar iğ ipliklerinin ekvatorunda ve iğ kinetokor kutuplarının ortasında mikrotübülleri toplanır. ANAFAZ kardeş kromozomlar Anafazda, kardeş kromatitler kardeş kromozomları oluşturacak şekilde ayrışır. Kromozomlar iğ kutuplarına çekilir. Kinetokor kısalan kinetokor mikrotübülleri kısalır. mikrotübülleri iğ kutuplarının dışa hareketi Kaynak: Alberts, B. (2015). Molecular biology of the cell (Sixth edition. ed.). New York, NY: Garland Science, Taylor and Francis Group. Kohezin Kardeş Kromatidlerin APC/C Tarafından Ayrılması sekürin inaktif cdc20 separaz ubikutin bağlanması ve sekürin degredasyonu inaktif APC/C aktif APC/C aktif separaz parçalanıp ayrılmış kohezinler kohezin mitotik iğ iplikleri APC/C: Protein Yıkımı Aracılığı ile Cdk Kompleksi Etkinliğinin Düzenlenmesi  KAYNAKLAR Alberts, B. (2015). Molecular biology of the cell (6th edition). Garland Science, Taylor and Francis Group. Strachan, T., et al. (2011). Human molecular genetics. New York, Garland Science. R.A. Weinberg (2014). The Biology of Cancer (2nd edition). Garland Science, Taylor and Francis Group.