Buněčný cyklus a buněčná smrt

Transkript

1 Biologie I 6. přednáška Buněčný cyklus a buněčná smrt

2 Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN ) Buněčný cyklus Jak se dostat k nové buňce? pouze jako kopie nějaké již existující buňka zdvojí obsah (včetně genetického materiálu) a rozdělí se výsledek geneticky identické dceřinné buňky přesně řízený proces, násobná kontrola správnosti včetně přesnosti kopírování genomu Proč? reprodukce růst a vývoj obnova tkání a pletiv Dělící se Amoeba (nepohlavní rozmnožování prvoka) = dva samostatné organismy Embryo krátce po prvním dělení oplozeného vajíčka. Kmenová buňka kostní dřeně nové buňky dají vzniknout diferencovaným krvinkám 6/2

3 Reprodukce prokaryot jednoduché dělení replikace bakteriálního chromosomu růst buňky do dvojnásobné velikosti tvorba přepážky nová cytoplasmatická membrána a buněčná stěna, separace genomů 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. 6/3

4 Reprodukce prokaryot buněčný cyklus Agrobacterium tumefaciens A buňka po ukončeném cyklu dělení B počátek dělení, vznik nového středového kroužku z proteinu FtsZ C zaškrcení středové oblasti, oddělování nově vznikajících buněčných prostorů D, E nově vzniklé sesterské buňky při dělení lze odlišit původní oblast a nově vznikající membránu ve středu bakterie vlákna FtsZ tvoří utahující se spirálu FtsZ protein s GFP v růstové oblasti buňky Swiedniak et al, DOI: /eLife Mori et al, doi: /pcp/pce095 Zupan et al, DOI: /pnas dělení chloroplastů z lilie 6/4

5 Reprodukce eukaryot mnohem složitější proces - více chromosomů než jeden (počet chromosomů v somatických buňkách většiny eukaryot se pohybuje mezi 10 až 50) - obsahují organely 6/5

6 Reprodukce eukaryot prokaryota bez jádra, obvykle cirkulární chromosom, po replikaci DNA se rozdělí do vznikajících buněk, po prodloužení buňky se uprostřed vytvoří prstenec z FtsZ proteinu, který se podílí na tvorbě přepážky a oddělení dceřiných buněk některá protista ostatní protista kvasinky živočichové obsahují jádro, které při dělení zůstává neporušené, chromosomy se seřadí, mikrotubuly projdou póry jaderné membrány a vytvoří osu pro separaci replikovaných chromosomů a rozdělení buňky mezi dvěma centriolami na opačných stranách buňky se vytvoří vřeténko, projde jedním pórem neporušené jaderné membrány, vytvoří se kinetochorové mikrotubuly mezi chromosomem a póly vřeténka, chromosomy jsou taženy k jednotlivým pólům jaderný obal zůstává při dělení neporušený, vřeténko se tvoří uvnitř jádra mezi póly, ke každému chromosomu se připojí jediný kinetochorový mikrotubul, který přitáhne chromosom k pólu vřeténko se vytváří vně jádra mezi centriolami a dochází k zániku jaderné membrány, kinetochorové mikrotubuly se připojí na kinetochory chromosomů a dochází k jejich oddělení 6/6

7 Reprodukce eukaryot struktura chromozomu Homologní chromosomy mají stejný vzhled (délka, umístění centromery, barvení) kontrolují stejné vlastnosti (obecné pořadí genů) mohou nést různé formy jednoho genu (alely) Nehomologní chromosomy mají odlišný vzhled kontrolují odlišné vlastnosti (nesou různé geny) Pohlavní chromosomy podle tvaru mitotického chromosomu X a Y určují pohlaví typ Drosophila (i člověk): XX samičí XY samčí typ Abraxas (např. ptáci): XY samičí XX samčí typ Protenor (rovnokřídlý hmyz): XX samičí X0 samčí Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN ) 6/7

8 Reprodukce eukaryot struktura chromozomu před rozdělením buňky zdvojení chromosomů vznik sesterských chromatid spojených v oblasti centromery následuje kondenzace chromosomů chromosomy se sbalí se do zhuštěné podoby Nesesterské chromatidy centromera zdvojení (replikace) sesterské chromatidy dva chromosomy dva zdvojené chromosomy Biology 11ed (Raven, Johnson, Mason, Losos, Singer, McGraw-Hill, 2011, ISBN ) 6/8

9 Reprodukce eukaryot struktura chromozomu úrovně organizace chromosomu Nukleosom komplex dvojřetězcové DNA s histonovými proteiny základní jednotka sbalování chromatinu DNA se dvakrát obráčí okolo proteinového jádra, délka DNA mezi nukleosomy cca 200 párů bazí korálky na vlákně napojení histonu H1 mimo nukleosom napomáhá dalšímu svinutí kostra z nehistonových proteinů jako lešení výsledek: každá molekula je svinuta do mitotického chromosomu, který je x zkrácen oproti nataženému stavu Color Atlas of Biochemistry 2ed (Koolman J, Roehm KH, Thieme, 2005, ISBN ) 6/9

10 Reprodukce eukaryot úrovně organizace chromosomu struktura chromozomu smyčky lešení Color Atlas of Biochemistry 2ed (Koolman J, Roehm KH, Thieme, 2005, ISBN ) Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN ) 6/10

11 Reprodukce eukaryot struktura chromozomu p = petite (malý) q = v abecedě po p Telomera - ochrana konců chromosomů (proteiny) - brání rekombinaci s jinými chromosomy - zamezuje/omezuje zkracování chromosomu při replikaci Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN ) 6/11

12 Reprodukce eukaryot struktura chromozomu mitotické chromosomy a uspořádané do karyotypu interfázní chromosomy Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN ) 6/12

13 Reprodukce eukaryot Centromera struktura chromozomu zúžení na kondenzovaném chromosomu (oblast se specifickými repetitivními sekvencemi) místo spojení sesterských chromatid na centromeře se uskupí proteinové disky - kinetochory kinetochory jsou místem napojení mikrotubulů (pro separaci sesterských chromatid během dělení buňky) Campbell biology 10ed (Reece JB, Urry LA, Cain ML, Wasserman SA, Minorsky PV, Jackson RB, Pearson Education, 2014, ISBN ) 6/13

14 fáze buněčného cyklu Interfáze Buňka roste, vytváří proteiny, zmnožuje /zvětšuje organely G1 (growth) buňka roste S navíc replikace (syntéza chromosomů) G2 rychlejší růst, příprava na dělení M- fáze mitoza dělení jádra cytokineze dělení cytoplasmy The Molecular Biology of the Cell 6ed (Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P, Garland Science, 2015, ISBN ) 6/14

15 fáze buněčného cyklu 6/15

16 fáze buněčného cyklu - mitosa Každá buňka získává kopii každého chromosomu (jednu ze sesterských chromatid) Po cytokinezi vznikají dceřiné buňky geneticky identické s mateřskou Živočichové a rostliny během mitosy dochází k rozpadu buněčného obalu Houby a (někteří) prvoci mitosa probíhá přímo v jádře a po skončení se jádro rozdělí 6/16

17 konec G 2 fáze 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) fáze buněčného cyklu Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings 6/17

18 fáze buněčného cyklu - mitosa profáze Kondenzace chromosomů, chromosomy viditelné jako dvě spojené sesterské chromatidy Mizí jadérka Prodlužováním mikrotubulů z obou centrosomů se začíná vytvářet mitotické vřeténko Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Centrosomy se pohybují k opačným pólům buňky (odtlačovány rostoucími mikrotubuly) Maturace kinetochor 6/18

19 fáze buněčného cyklu - mitosa prometafáze Rozpad jaderného obalu (fosforylace laminů) Napojování kinetochorových mikrotubulů na zralé kinetochory Vzájemná interakce nekinetochorových mikrotubulů Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings 6/19

20 fáze buněčného cyklu - mitosa 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 mitosy Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings Po kontrole připojení všech chromatid na mikrotubuly je aktivován tzv. APC (anaphase promoting complex) Pojmenování mitotické (dělící) vřeténko odkazuje na tvar aparátu 6/20

21 fáze buněčného cyklu - mitosa metafáze mitotické vřeténko 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 mikrotubuly 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 přispívat k transportu chromatid 6/21

22 fáze buněčného cyklu - mitosa metafáze mitotické vřeténko The Cell Cycle: Principles of Control (Morgan DO, New Science Press, 2007, ISBN ) 6/22

23 fáze buněčného cyklu - mitosa metafáze mitotické vřeténko připojení chromosomů na vřeténko The Cell Cycle: Principles of Control (Morgan DO, New Science Press, 2007, ISBN ) 6/23

24 fáze buněčného cyklu - mitosa 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 koncích buňky kompletní sada chromosomů Anafáze je nejkratší fází mitozy Při anafázi se kinetochorové mikrotubuly zkracují nekinetochorové mikrotubuly se prodlužují, živočišná buňka se protahuje Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings 6/24

25 fáze buněčného cyklu - mitosa anafáze kinetochorové mikrotubuly - chromosom tažen motorem podél mikrotubulu - uvolňovaný plus-konec depolymeruje nekinetochorové mikrotubuly vzájemný posun zprostředkován molekulovým motorem Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings 6/25

26 fáze buněčného cyklu - mitosa telofáze Nekinetochorové mikrotubuly se dále prodlužují a připravují buňku na cytokinezi téměř přesný opak sledu pochodů v profázi a prometafázi Zánik mitotického vřeténka Tvoří se jaderné obaly Chromosomy despiralizují Znovu se utváří jadérko Konec mitosy Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings buněčné organely 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) 6/26

27 fáze buněčného cyklu - mitosa telofáze znovuvytváření jaderného obalu Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings The Cell Cycle: Principles of Control (Morgan DO, New Science Press, 2007, ISBN ) 6/27

28 fáze buněčného cyklu - cytokinese Adaptováno z Campbell, Reece: Biology 6 th edition Pearson Education, Inc, publishing as Benjamin Cummings 6/28

29 fáze buněčného cyklu - cytokinese The Cell Cycle: Principles of Control (Morgan DO, New Science Press, 2007, ISBN ) 6/29

30 buněčný cyklus a centrosom každá dceřinná buňka získá při dělení jeden centrosom v G1 fázi buňka obsahuje jediný centrosom, ze kterého vycházejí mikrotubuly během mitosy se mezi centrosomy vytvoří uspořádané vřeténko pokud buňka vstoupí do nového buněčného cyklu, jednotlivé centrioly se od sebe začnou oddělovat a ztratí pravoúhlou orientaci centrosomy se od sebe vzdalují a začíná se mezi nimi tvořit síť mikrotubulů každá centriola dává za vznik nové procentriole na počátku mitosy se oba centrosomy od sebe oddělí během S-fáze se procentrioly prodlužují a vzniknou nové centrioly v pravoúhlém uspořádání 6/30

31 buněčný cyklus Úroveň despiralizace chromosomů buněk v interfázi se může lišit: Heterochromatin zachovány vyšší úrovně spiralizace (oblasti s geny, které nejsou exprimovány) Euchromatin rozvolněné oblasti, přístupné transkripčnímu aparátu. heterochromatin je viditelný jako granule uvnitř jádra 6/31

32 buněčný cyklus G 0 stadium mimo buněčný cyklus některé buňku celý život v G 0 fázi (neurony) některé buňky dočasně do buněčného cyklu (hepatocyty) The Molecular Biology of the Cell 6ed (Alberts B, Johnson A, Lewis J, Morgan D, Raff M, Roberts K, Walter P, Garland Science, 2015, ISBN ) 6/32

33 regulace buněčného cyklu hlavní kontrolní body 6/33

34 regulace buněčného cyklu načasování jednotlivých procesů cyklin-dependentní kinasy (Cdk) řídí buněčný cyklus cykliny určují cíle pro Cdk, určují lokalizaci Cdk další regulační prvky - proteiny inhibující CDK, fosforylace Cdk, regulace transkripce, regulovaná proteolýza 6/34

35 regulace buněčného cyklu G 1 /S kontrolní bod 6/35

36 regulace buněčného cyklu G 2 /M kontrolní bod vznik právě jediné kompletní kopie chromozomů 6/36

37 G 2 /M kontrolní bod regulace buněčného cyklu Během intefáze roste koncentrace mitotického cyklinu (M-cyklinu) 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) Hladina aktivovaného MPF během G 2 roste do prahové hodnoty spuštění mitozy Aktivní MPF fosforyluje histony, nukleární střední filamenta a proteiny podílející se na vzniku mitotického vřeténka nepřímo MPF iniciuje odbourávání vlastního M-cyklinu snižování koncentrace MPF procesy vedoucí k terminaci (dovršení) mitozy kovalentní označení M-cyklinu ubikvitinem (zprostředkuje tzv. anaphase promoting complex [APC]) proteolyza v proteasomu 6/37

38 regulace buněčného cyklu Vřeténkový kontrolní bod APC (anaphase-promoting complex) ubikvitin ligasa, aktivace pomocí M-Cdk fosforylace aktivovaná APC inaktivuje M-cykliny a sekurin, specifická sekvence pro rozpoznání negativní zpětná vazba s Cdk způsobuje oscilace aktivit Cdk a APC destrukce sekurinu aktivuje separasu a tím oddělení sesterských chromatid inaktivace Cdk umožní pohyb chromosomů k pólům dokončení mitosy kontrola správné orientace sesterských chromatid dokud nejsou správně orientovány, APC ubikvitinyluje jenom cyklin A (důležitý v S-fázi), teprve když je vše připravené, tak cyklin B a sekurin nesprávně připojené kinetochory inhibují aktivaci APC 6/38

39 Apoptosa programovaná buněčná smrt Odstraňování poškozených / nemocných buněk (imunita / NK-buňky) Ontogeneze tvorba / odstraňování orgánů, kontrola počtu buněk porucha funkce 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 6/39

40 Apoptosa apoptosa vs. NEKROSA - 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 membrána poškozena lyze buněk, nástup fagocytů, zánět Adaptováno z Pollar a kol.: Cell Biology, 2nd ed., 2007; Elsevier 6/40

41 Apoptosa - aktivní proces sebedestrukce s pomalým nástupem - vyžaduje energii - nepůsobí zánět 6/41

42 Apoptosa kaspasy 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 6/42

43 Apoptosa kaspasy vnitřní cesta aktivace regulace pomocí mitochondrií Molecular Cell Biology, 8ed (Lodish, Berk, Kaiser, Krieger, Bretscher, Ploegh, Amon, Martin, 2016) 6/43

44 Apoptosa kaspasy vnější cesta aktivace cell murder a receptory smrti 6/44