Buněčný cyklus a buněčná smrt

Transkript

1 Biologie I Buněčný cyklus a buněčná smrt Funkce buněčného dělení Struktura chromosomu Buněčný cyklus Mitoza Kontrola buněčného cyklu Programovaná buněčná smrt

2 Buněčný cyklus = buňky zdvojí obsah a rozdělí se Funkce: Reprodukce Růst a vývoj Obnova tkání/pletiv Dělící se Amoeba (nepohlavní rozmnožování prvoka) = dva samostatné organismy 100 µm 200 µm Embryo krátce po prvním dělení oplozeného vajíčka. 20 µm Kmenová buňka kostní dřeně nové buňky dají vzniknout diferencovaným krvinkám Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Výsledkem jsou geneticky identické dceřiné buňky Buňky zdvojí svůj genetický materiál Před rozdělením buňka (několikrát) kontroluje, zda dceřiné buňky získají přesné kopie genomu

3 chromosom Reprodukce prokaryot Rozmonožování bakterií jednoduchým dělením uprostřed buňky (jeden cirkulární) bakteriální chromosom se replikuje buňka roste a dosahuje přibližně dvojnásobku původnívelikosti tvorba přepážky nová cytoplasmatická membrána + buněčná stěna separují genomy (a tím dceřiné buňky) počátek replikace Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. Replikace začíná v jednom místě (počátek replikace). Chromosomy jsou v jednom bodě připojeny k cytoplasmatické membráně a s růstem buňky dochází k jejich separaci.

4 Buněčné dělení eukaryot je mnohem komplikovanější proces: počet chromosomů v somatických buňkách většiny eukaryot se pohybuje mezi 10 až 50.

5 Homologní chromosomy homologní chromosomy mají stejný vzhled (délka, umístnění centromery, barvení) Kontrolují stejné vlastnosti (obecně stejné pořadí genů) centromera Mohou nést různé fromy jednoho genu (alely) Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. Nehomologní chromosomy Odlišný vzhled Kontrolují odlišné vlastnosti (nesou různé geny) Pohlavní chromosomy Podle tvaru mitotického chromosomu X a Y a určují pohlaví: - typ Drosophila (i člověk): XX = samičí / ženské, XY = samčí / mužské - typ Abraxas (např. ptáci): XY = samičí, XX = samčí - typ Protenor (rovnořídlý hmyz): XX = samičí, X0 = samčí

6 Eukaryotní chromosom před rozdělením buňky Před rozdělením zdvojení chromosomů = vznik sesterských chromatid spojených v oblasti centromery Nesesterské chromatidy centromera zdvojení (replikace) sesterské chromatidy sesterské chromatidy Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. dva chromosomy dva zdvojené chromosomy Následuje kondenzace chromosomů (chromosomy se sbalí se do zhuštěné podoby)

7 Struktura chromosomu eukaryot - nukleosomy komplex dvojřetězcové DNA s histonovými proteiny = Nukleosom základní jednotka sbalování chromatinu Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. Proteinové jádro z histonů (H2A, H2B, H3, H4) 2 DNA se dvakrát obráčí okolo proteinového jádra, délka DNA mezi nukleosomy cca 200 párů bazí vyšší úrovně sbalování DNA kondenzace chromatinu

8 Struktura chromosomu eukaryot vyšší úrovně sbalování Nukleosom jako korálek (bead) napojení histonu H1 mimo nukleosom napomáhá dalšímu svinutí nukleosomy 30-nm chromatinové vlákno kostra z nehistonových proteinů jako lešení (scaffold) smyčkové domény Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings metafázní chromosom

9 Typy chromosomů p = petite (malý) telomera raménko p centromera Metacentrický Submetacentrický q = v abecedě po p raménko q telomera sesterská chromatida Akrocentrický Telocentrický Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. mitotické interfázní Telomera - ochrana konců chromosomů (proteiny) - brání rekombinaci s jinými chromosomy - zamezuje/omezuje zkracování chromosomu při replikaci

10 Centromera Zúžení na kondenzovaném chromosomu (oblast se specifikými repetitivními sekvencemi) Místo spojení sesterkých chromatid Na centromeře se uskupí proteinové disky kinetochory Kinetochory jsou místem napojení mikrotubulů (pro separaci sesterských chromatid během dělení buňky) metafázní chromosom kinetochorové microtubuly (svazek) oblast centromery kinetochora Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. sesterské chromatidy

11 Buněčný cyklus = buňky zdvojí obsah a rozdělí se Fáze buněčného cyklu Interfáze Buňka roste, vytváří proteiny, zmnožuje /zvětšuje organely mitoza pro- meta- anatelo- fáze G 1 (growth) buňka roste S navíc replikace (Syntéza) chromosomů G 2 rychlejší růst, příprava na dělení interfáze (G 1, S, G 2 ) mitoza (M) cytokineze (C) M - mitoza C - cytokineze Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc.... u prokaryot mitoza chybí

12

13 Děje těsně před mitozou Konec fáze G 2 Zdvojení centrosomů (centrioly charakteristické pro živočišné buňky) Výrazné jádro se zdvojenými chromosomy (zůstávají v nekondenzovaném stavu) Zjevné jadérko (či dvě) Od centrosomů se paprsčitě rozbíhají mikrotubuly (astrosféra) Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings G2 GFÁZE 2 OF INTERPHASE INTERFÁZE centrosomy (s cetriolami) chromosomy (zdvojené) Živočišná buňka barvy: -chromosomy -mikrotubuly -mikrofiilamenta jadérko jaderný obal cytoplasmatická membrána

14 Mitoza Každá buňka získává kopii každého chromosomu (jednu ze sesterských chromatid) Po cytokinezi vznikají dceřiné buňky geneticky identické s mateřskou prometafáze interfáze profáze metafáze anafáze telofáze Zivočichové a rostliny během mitozy dochází k rozpadu buněčného obalu Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science Houby a (někteří) prvoci mitoza probíhá přímo v jádře a po skončení se jádro rozdělí

15 Animalia & Plantae 1. Profáze Kondenzace chromosomů, chromosomy viditelné jako dvě spojené sesterké chromatidy Mizí jadérka Prodlužováním mikrotubulů z obou centrosomů se začíná vytvářet mitotické vřeténko Centrosomy se pohybují k opačným pólům buňky (odtlačovány rostoucími mikrotubuly) Maturace kinetochor časné mitotické vřeténko PROFÁZE astrosféra centromera chromosom (vždy dvě sesterské chromatidy) Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

16 Animalia & Plantae 2. Prometafáze Rozpad jaderného obalu (fosforylace laminů) Napojování kinetochorových mikrotubulů na zralé kinetochory Vzájemná interakce nekinetochorových mikrotubulů rozpad jadené laminy Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science po fosforylaci laminů fragmenty jaderného obalu pól vřeténka PROMETAFÁZE kinetochora nekinetochor. mikrotubuly kinetochorové mikrotubuly Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

17 Animalia & Plantae 3. Metafáze Centrosomy na opačných stranách buňky Kinetochory sesterských chromatid napojeny na mikrotubuly (ve skutečnosti svazek mikrotubulů) vycházející opačných pólů mitotického vřeténka Chromosomy se shromažďují v metafázové destičce stejně vzdálené od pólů vřeténka Metafáze je nejdelší fází mitozy Po kontrole připojení všech chromatid na mikrotubuly je aktivován tzv. APC (anaphase promoting complex) Pojmenování mitotické (dělící) vřeténko odkazuje na tvar aparátu vřeténko METAFÁZE metafázová destička centrosom na pólu vřeténka Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

18 Mitotické vřeténko mikrotubuly centrosom chromosomys 1 µm sesterské chromatidy nekinetochorové mikrotubuly astrosféra kinetochorové mikrotubuly centrosom metafázová destička kinetochory 0.5 µm Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Kinetochorové mikrotubuly pohybují chromosomy a ustavují centromery všech chromosomů v jedné rovině (metafázová destička) následně se budou zkracovat a oddělovat sesterské chromatidy Astrosféra krátké microtubuly směřující k cytoplasmatické membráně (živočichové - zpevňuje aparát při smršťování vřeténka retrakci; rostliny mají rigidní buněčnou stěnu) Nekinetochorové mikrotubuly se překrývají a následně se budou prodlužovat a tím připívat k transportu chromatid

19 4. Anafáze Fyzické rozdělení sesterských chromatid = vznik nezávislých dceřiných chromosomů Uvolněné chromosomy se pohybují k opačným pólům rychlostí ~ 0,5 až 1 µm/min Anafáze končí když je na opačných kocích buňky kompletní sada chromosomů Anafáze je nejkratší fází mitozy Při anafázi se kinetochorové mikrotubuly zkracují nekinetochorové mikrotubuly se prodlužují, živočišná buňka se protahuje Animalia & Plantae ANAFÁZE dceřiné chromosomy Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

20 Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Kinetochorové mikrotubuly mikrotubulus pohyb chromosomu molekulový motor kinetochora tubuliny (volné) chromosom - chromosom tažen motorem podél mikrotubulu - uvolňovaný + konec depolymeruje mechanismus Nekinetochorové mikrotubuly označení - laser mikrotubulus molekulový motor tubulin - vzájemný posun zprostředkován molekulovým motorem + konec se prodlužuje experiment

21 5. Telofáze Nekinetochorové mikrotub. se dále prodlužují a připtavují buňku na cytokinezi a téměř přesný opak sledu pochodů v profázi a prometafázi Zánik mitotického vřeténka Tvoří se jaderné obaly Chromosomy despiralizují Znovu se utváří jadérko Konec mitosy Profáze rozpad ER, Golgiho útvaru a jaderné membrány na membránové váčky Telofáze i) znovuutváření ER, ii) Golgiho útvaru (z původních váčků a ER) iii) a jaderného obaly (z původních váčků a ER) TELOPHASE TELOFÁZE AND A CYTOKINEZE CYTOKINESIS dělící rýha tvorba jaderného obalu Animalia & Plantae tvorba jadérka Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

22 de novo Telofáze znovuutváření jaderného obalu přejímání membrány (i) fúze membrán a utvoření póru vnější membrána vnitřní membrána Adaptováno z Johnson R.: Biology, 5 th edition 1999; The McGraw-Hill Comp., Inc. Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science

23 Cytokineze dělící rýha Nitrobuněčný sval 100 µm dceřiné buňky Rýhování živočišné buňky váčky z Gogliho a. pro stavbu nové stěny (pektiny) jako první se vytváří střední lamela buněčná stěna 1 µm fragmoplast nová b. stěna dceřiné buňky Tvorba buněčné stěny rostlin Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings

24 Pravděpodobný vývoj mitozy Chromosomy připojeny k plasmatické membráně Chromosomy připojeny k vniřní jaderné membráně prokaryota Chromosom chromosomy mikrotubuly evoluce (?) Mikrotubuly prostupující tunely v jaderném obalu udržují jádro ve správné pozici, protahují buňky Uvnitř intaktního jádra se vytváří mitotické vřeténko, protahuje jádro Chromosomy připojeny k mikrotubulům obrněnky (Protista) jaderný obal celistvý kinetochora+ mikrotubulus jaderný obal celistvý rozsivky (Protista) kinetochora+ mikrotubulus centrosom Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings fragmenty jaderného obalu většina eukaryot ( klasická mitoza)

25 a může nastat další kolo cyklu Úroveň despiralizace chromosomů buněk v interfázi se může lišit: Heterochromatin zachovány vyšší úrovně spiralizace (oblasti s geny, které nejsou exprimovány) Euchromatin rozvolněné oblasti, přístupné transkripčmímu aparátu. jádro jadérko heterochromatin je viditelný jako granule uvnitř jádra

26 a nebo taky ne G 0 je stadium buňky mimo buněčný cyklus Některé buňky přechází dočasně z G 0 do buněčného cyklu (např. hepatocytes) Jiné (neurony) stráví život v G 0 život v G 0 život v cyklu rakovinná buňka Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.

27 Řízení buněčného cyklu Cyklin-dependentní protein kinasy (Cdk) řídí buněčný cyklus Cdk jsou bez cyklinů neaktivní Cycliny navigují Cdk na cíle MPF mitosis-promoting factor komplex Cdk:cyklin) Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.

28 Poškozená DNA ukončení cyklu v G1 fázi Alberts a kol.: Základy buněčné biologie, 1998; Espero Publishing, s.r.o.

29 Kontrolní bod v G 2 detailněji Během intefáze roste koncentrace mitotického cyklinu (M-cyklinu) (i) mitoza interfáze mitoza interfáze aktivita MPF koncentrace M-cyklinu Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings M cyclin a Cdk vytváří MPF (zůstává v neaktivní formě fosforylace v inaktivačním místě) Aktivní MPF: fosforylace v aktivačním místě (a defosforylace v inaktivačním místě) M-cylkin mitotická Cdk inaktivní MPF inhibující kinasa aktivační kinasa inaktivní MPF inhibující fosfát aktivující fosfát aktivující fosfatasa aktivní MPF Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science

30 Kontrolní bod v G 2 detailněji Hladina aktivovaného MPF během G 2 roste do prahové hodnoty spuštění mitozy (i) Aktivní MPF fosforyluje histony, nukleární střední filamenta, and proteiny podílející se na vzniku mitotického vřeténka nepřímo MPF iniciuje odbourávání vlastního M-cyklinu snižování konc. MPF procesy vedoucí k terminaci (dovršení) mitozy Beck et al doi: /pnas M-cyklin ubikvitiny (Ubi) Cdk aktivní MPF ubikvitinylace destrukce M-cyklinu inaktivace Cdk inaktivní Cdk označení M-cyklinu (kovalentně) ubiquitinem (zprostředkuje tzv. anaphase promoting complex [APC]) proteolyza v proteasomu Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science 6x a- 12x b- 6x a- podjednotky Proteasom komplex proteinů (26S) -cytoplasmatický -jaderný Funkce Ubi-protein rozbalení hydrolýza v póru z b podjednotek (mitoza, stres, apoptosa)

31 Apoptoza - programovaná buněčná smrt Odstraňování poškozených / nemocných buněk (imunita / NK-buňky) Ontogeneze tvorba / odstraňování orgánů, kontrola počtu buněk interdigitální mezenchym apoptoza (role lysozomů) vývoj prstů Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings porucha fce lysozomů Tay-Sachsova nemoc Maturace nervového systému tělo neuronu neurony apoptoza neuronů axon terčové buňky smrt přebytečných neuronů survival faktor uvolněný buňkami sjednocení počtu neuronů a terčových buněk Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science

32 Apoptoza není NEKROZA -pasivní proces s rychlým nástupem doprovázený zánětem -patologický proces způsobený fyzikálně-chemický traumatem, infekcí -postihuje mnoho buněk tkáně / pletiva trauma NEKROZA rozpad buněčných struktur b. spoje mitochondrie jádro voda buňky a organely botnají chromatin kondenzuje memnrána poškozena lyze buněk, nástup fagocytů, zánět Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; Elsevier

33 APOPTOZA: APOPTOZA -aktivní proces sebedestrukce s pomalým nástupem -vyžaduje energii -nepůsobí zánět buňka prudce imploduje, chromatin dále kondenzuje b. spoje mitochondrie jádro přeruší se b. spoje začíná kondenzovat chromatin buněčné fragmenty uzavřeny ve apoptických váčcích buňka se smrští, chromatin kondenzuje okolo okraje jádra apoptické váčky jsou fagocytovány okolními buňkami a makrofágy b. spoj Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; Elsevier

34 Kaspasy: specializované proteasy aktivované v apoptoze Kaspasy jsou přítomny jako neaktivní monomery prokaspasy Prokaspasy se aktivují po přiblížení (agregaci) na organizujících proteinech Naštěpení proteinu vede ke změně konformace aktivní kaspasa aktivace dalších kaspas proteolyza kaspasová kaskáda jedna aktivní iniciační kaspasa aktivace prokaspas štěpením řetězce aktivní kaspasa velká podjednotka malá podj. velké množství exekučních kaspas místa štěpení štěpení inaktivní prokaspasa domény pro aktivní kaspasa štěpení proteinů cytoplasmy štěpení jaderných laminů Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science

35 Vnitřní (mitochondriální) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasa 9) Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science (i)

36 Vnější (receptorová) cesta aktivace kaspas (primárně kaspasy 8 nebo 10) Adaptováno z Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science (i)

37 Centromera Alberts a kol.: Molecular Biology of The Cell, 4th ed. 2002; Garland Science (i)